城市供水管网漏损控制研究

班 超

（石嘴山市润泽供排水有限公司，宁夏 石嘴山）

引言

供水管网是一个庞大、相互交织且具有复杂结构特点的空间与非空间特性网络。给水网络是城市运营的基础，它对城市的发展有一定的限制作用[1]。随着城市建设的不断发展，供水网络也在不断地扩大，到现在为止，已经形成了一个规模庞大、结构复杂、拓扑多样的网络体系，要想对其进行科学的控制，就必须与网络的拓扑结构相结合，对其进行水力科学计算，以此掌握其运行状态，从而采取有效的措施进行管网运行调整[2]。在深入此方面内容的研究中发现，构建管网水力模型，是实现管网分析的关键环节，随着城市的快速发展，供水管网在持续地扩大，管网拓扑结构、用水量、节点流量也在发生改变，因此，目前所构建的给水网络模型不能很好地适应目前城市给水网络的长期升级与维修的需求。

当前，我国水资源严重短缺，给水管网漏损发生率不断增加。我国自来水公司在提高用水效率、控制漏损量等方面工作中面临着严峻的挑战。在供水系统中，漏损是影响系统经济效益的重要因素，因此，如何减少管网漏损，就成了城市供水服务系统中的一个重要研究问题。为落实此方面的工作，本文将对此展开研究。

1 城市供水管网水力模型

对目前城市供水管网的实际情况进行分析发现，大部分地区管网在运行过程中，缺乏一套科学的指导理论与控制方案，而传统采用建模的方式进行供水管网划分与控制，在现代化供水管网的运行中并未得到较好的应用[3]。因此，有必要根据相关工作的具体需求与实际情况，采用建立管网水力学模型的方式，进行供水管网运行工况的感知，以此种方式，分析管网的运行条件，从而为给水管网的划分提供参考。

1.1 城市供水管网水力模型参数设计

设计模型前，应先明确模型中管道、节点之间的相关关系，以此为依据，建立供水管网水力模型的网络拓扑结构，设计过程中，模型拓扑关系的描述和表达可以通过设计图示来实现，使某一特性种类的物象及其相互关系以一种更加直观的方式表达。

在明确供水管网水力模型拓扑结构的基础上，进行模型中水力特性与参数的设计。在此过程中，应先建立水力节点流量方程，方程表达式如下：

式中，i 代表供水管网中的第i 个管段；j 代表供水管网中的第j 个节点；S 代表节点关联集合；qi代表第i 个管段上的供水流量；Qj代表第j 个节点的供水流量。上述公式中，j 的取值为1、2、3、……、N，其中N 代表供水管网节点总数。

在上述内容的基础上，建立城市供水管网中，不同管段的供水能量方程，方程表达式如下。

通过对以上内容的综合分析，可以得出结论：城市给水系统的水力学模型是由这两个参数组合而成的，因此，可以将式（1）与式（2）联合后的方程作为城市供水管网水力模型中的恒定流方程组。方程组表达方式为：

1.2 城市供水管网水力模型构建

城市供水管网是一种由地下管道构成的复杂大型网络结构。在给水工业的信息化过程中，如何建立一个精确的供水管网水力模型是一个亟待解决的问题。在供水管网系统中，通常需要建立一个能够反应供水真实运行状态的水力学模型[4]。因此，建模中，首先要明确构建模型的应用与集成对象，同时，在计算机上安装水力管网软件，在软件平台上选择基础模型，将各项参数与收集的水力数据录入平台后，利用数字化手段，进行供水管网水力模型的修正，以此种方式，达到建模工程项目所需的精度，最后将修正后的模型投入到实际操作中，进行供水管网水力过程的模拟。为确保模型的正常工作，需要培养专门的技术人员，对模型进行持续的维修和更新。其中供水管网水力模型的构建流程如图1 所示。

图1 供水管网水力模型的构建流程

在上述设计内容的基础上，为确保构建的模型与城市供水管网实际情况达到最优匹配效果，应按照下述图2 所示的步骤，进行模型的校验。

图2 城市供水管网水力模型的校验

完成城市供水管网水力模型校验后，将其投入使用，实现对水利模型的构建。

2 城市供水管网漏损阀门优化

结合上述构建的模型，为实现对城市供水管网漏损的有效控制，首先针对漏损阀门进行优化设计，主要针对阀门的开启度进行优化。从几何角度分析，阀门的开启度可以直接测量得到，开启区域通常包括超调区、有效区和无效区。在超调区，由于过门的流量波动较大，并且具有很强的调节能力，因此，过门的流速与开口之比很大，很容易发生过门现象[5]。相对于超调而言，“无效调节”是指在改变阀门开度时，其流量的改变幅度很小，从而不能实现对阀门开度的有效调控。在有效区域内，对供水管网中水的流量控制效果更理想[6]。在开度率小于0.5 的情况下，则阀门的控制效果不佳；在开度大于0.8 的情况下，这时阀门就会产生超调现象；当开度控制在0.5～0.8 范围区间内，可控效果最好，因此可将这一区间作为阀门的最佳调节区间。阀门的相对开度与阻力系数之间存在下述关系：

式中，ξ代表阀门的阻力系数；ΔPm代表阀门两个端点上的压降；g 代表引力常数；v 表示水流流速。根据上述公式，将每一个开启度条件下通过阀门的流速以及压差数据进行记录，并通过狄克松准则对数据进行筛选，将筛选后的数据作为依据，绘制阀门阻力系数-相对开度关系曲线图，如图3 所示。

图3 阀门阻力系数- 相对开度关系曲线

图3 中所示的四个规格为供水管网中管线的常见规格。针对图3 中所示的四条曲线，结合CXPTW 软件，对其进行拟合，从而得到阀门阻力系数与阀门相对开度之间的变化数学模型：

式中，a、b、c 均代表待测定的系数，其具体取值与城市供水管网中管线的直径相关；k 代表阀门的相对开启度。根据上述关系，对管网漏损阀门进行优化布置。自动控制阀的布置和安装，应同压力测量器的布置，都要考虑到它的观察灵敏度，它在管道系统中的配置位置不同，它的影响也就不一样，如果配置在不合理的管道区段，也会导致费用的浪费[7]。所以，对自动控制阀门进行合理地配置是十分必要的。下面介绍了自动控制阀门的配置方式，重点分析了自动控制阀门对网络压力的影响。在具体布置时应当遵循如下原则：一定要找出对接头压力有最大作用的管道，并在管道上装一个自控阀，实现对开启度的自动控制，根据管网内的压力变化，及时调整开启度。

在设计过程中，如何选择自动控制阀门的供水量，通常应从工程的经济、社会两方面进行综合考虑[8]。自动控制阀门的造价是非常昂贵的，而且在安装过程中还会涉及相应的辅助设备及工程量，因此，设置自动控制阀门的经济成本非常高；而当自动调节阀门数量太少时，则很难通过使用自动调节阀门来实现对管网运行状态的实时变化。所以，在选择自动控制阀门时，应根据项目计划、投资金额及公司的控制目的来确定自动控制阀门的数目。

3 城市供水管网漏损分区计量控制

对城市供水管网的分区控制可以实现对管网调度的优化。在对给水网络进行划分时，不同于常规的并、串两种划分方式。管网分区就是在供水边界、管网结点压力和等压线等基本相同的情况下，结合城市的地貌和规划情况，对管网结点压力的灵敏度进行分析。在此基础上，对给水网络进行了划分，并在各分区间的连通管道上设置了阀门。给水管网的划分与传统的市政区域划分不同，这是不合理的。城市给水管网的划分应该以给水管网为基础。图4 为供水管网阶层分区示意。

图4 供水管网阶层分区示意

在按照图4 所示的流程，对供水管网阶层分区时，应当根据实际情况，合理确定分区，并对其进行规整。在完成供水管网的分区后，对各个分区进行计量。在计量的过程中，首先要确定该区块与外部世界连接的管道及阀门，然后将流量计安装到管道上。将入水面积中的各区块的水量定义为：分区内总水量消耗与分区内物理漏失量的总和。不同经济层次的漏损比率，决定了各分区在计量漏损控制中所要采取的措施。规定要求，城市供水企业设置的管网，其漏损率基本评定标准为12%，根据多个分区计量区域内分区大小，划分三个等级，如表1 所示。

表1 分区计量区域等级划分标准

在分区计量区域内测定存在漏损时，需要将边界阀门关闭一部分，此时可能会造成死水产生，进而导致水质变差。针对这一问题，为实现对漏损有效控制的同时，保证管网中的水质，可对管网进行定期冲洗，或在边界位置的两个阀门之间，设置消防栓，通过消防栓泄水，达到保障管网水质的作用。

结束语

城市供水系统在运行过程中存在着大量的漏损，这对管网系统的正常运行具有很大的影响。在供水管道上安装阀门，能大幅度地减少管道的泄漏量，对改善城市给水管网的运行状况，提高城市供水系统的控制水平，增加城市给水的经济效益，以及实现城市给水管网的合理布局，都有着十分重要的意义。为实现对城市供水管网运行的规范化控制，上文从管网漏损层面入手，开展了此次研究。

将本次研究的成果应用到城市管网漏损控制工程项目中，根据运营单位与控制方的反馈与阶段性工作实践可知，设计的方法可以实现对城市管网的漏损控制，以此种方式，提高供水企业的市场经济效益，为行业发展创造更高的价值与更直观的技术指导。