摘 要： 分析了我國供水系統(tǒng)所面臨的問題，指出目前采用的管網(wǎng)微觀動態(tài)水力模型的優(yōu)越性和局限性。提出了給水管網(wǎng)分區(qū)的新概念，即在管網(wǎng)微觀動態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行給水管網(wǎng)分區(qū)，然后用模型指導(dǎo)管網(wǎng)的運行。闡述了適應(yīng)我國國情的管網(wǎng)建模和管網(wǎng)分區(qū)方法。
1 現(xiàn)行給水管網(wǎng)系統(tǒng)所面臨的問題
1.1 用戶對供水安全性的要求提高
給水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個龐大復(fù)雜的“反應(yīng)器”，經(jīng)水廠處理合格的水，在管網(wǎng)中會發(fā)生一系列的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)而導(dǎo)致水質(zhì)下降。用戶對水量和水質(zhì)要求的提高也加大了供水系統(tǒng)的運行難度。
1.2 供水效益亟待提高
在滿足社會需求和環(huán)境保護(hù)要求的前提下，必須盡量減少供水成本。
電費在自來水成本中所占比例較大(一般為30%～40%[1])，故降低電耗始終是貫徹節(jié)能方針、提高供水企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)。
管網(wǎng)漏失在計算供水成本時往往被忽視，實際上它應(yīng)是影響供水企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。一般采用供水產(chǎn)銷差代替漏失量進(jìn)行統(tǒng)計分析。供水產(chǎn)銷差過大是長期困擾我國供水行業(yè)的一個老大難問題。
隨著近年來勞動力價格的提高，勞動力成本成為供水成本中一個不可忽視的項目。
1.3 管網(wǎng)優(yōu)化運行要求管網(wǎng)布局科學(xué)
由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、城市化發(fā)展快、自來水普及率提高迅速而導(dǎo)致供水系統(tǒng)布局和規(guī)劃有欠科學(xué)，忽略了供水系統(tǒng)是一個多目標(biāo)問題，致使管線連接復(fù)雜、鋪設(shè)冗余，出現(xiàn)了管理困難、停留時間長、事故影響范圍大等問題，故應(yīng)逐步改善管網(wǎng)布局以實現(xiàn)管網(wǎng)的優(yōu)化運行。
2 給水管網(wǎng)微觀動態(tài)建模
隨著遙測遠(yuǎn)傳設(shè)備價格的下降，SCADA系統(tǒng)和優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)入了實用化階段；計算機技術(shù)的發(fā)展也使GPS、GIS、MIS及OA等系統(tǒng)走向成熟；信息技術(shù)，傳感器、電動執(zhí)行機構(gòu)、控制等技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了大型系統(tǒng)的控制和管理水平提高；優(yōu)化技術(shù)、模擬技術(shù)與計算機技術(shù)的發(fā)展，為模擬大型的動態(tài)變化的給水管網(wǎng)系統(tǒng)提供了條件。
建立與實際管網(wǎng)系統(tǒng)特征相符的動態(tài)模型是優(yōu)化管理、優(yōu)化調(diào)度及優(yōu)化改(擴)建的基礎(chǔ)，是診斷管網(wǎng)異常、提高管理水平的保證。建模技術(shù)流程見圖1[2]。
管網(wǎng)建模技術(shù)流程圖
給水管網(wǎng)模型主要應(yīng)用于信息的查詢顯示、現(xiàn)狀分析(供水路徑、水流方向、管道負(fù)荷、供水趨勢等)、事故處理分析、實用輔助改(擴)建以及漏失控制、優(yōu)化調(diào)度、水質(zhì)監(jiān)控等。
3 城市給水管網(wǎng)分區(qū)
給水管網(wǎng)微觀動態(tài)建模對解決管網(wǎng)現(xiàn)存問題至關(guān)重要，但由于管網(wǎng)布局不盡合理，故系統(tǒng)的微觀動態(tài)建模對改善管網(wǎng)運行的作用十分有限，為此提出了城市給水管網(wǎng)分區(qū)的新理念。
國外城市分區(qū)供水起步于20世紀(jì)80年代，英國倫敦的給水管網(wǎng)被改造為16個區(qū)域，日本東京的管網(wǎng)由50多個區(qū)域組成，大阪的管網(wǎng)有18個區(qū)域[3]。
3.1 城市給水管網(wǎng)分區(qū)新概念
給水管網(wǎng)分區(qū)對提高供水系統(tǒng)管理水平、提高供水效益、優(yōu)化管網(wǎng)運行以及減小產(chǎn)銷差等具有重要意義。這里的“分區(qū)”不同于一般概念上的管網(wǎng)并聯(lián)或串聯(lián)分區(qū)，而是將現(xiàn)有的管網(wǎng)系統(tǒng)改造為若干個區(qū)域，實現(xiàn)分區(qū)供水，實施區(qū)域管理。為保證安全用水，各區(qū)域之間用應(yīng)急管道連通。分區(qū)后管網(wǎng)的供水管和配水管功能明確，各區(qū)域的進(jìn)水點數(shù)目少(見圖2) 。
給水管網(wǎng)分區(qū)示意圖
3.2 給水管網(wǎng)分區(qū)方法
一般應(yīng)根據(jù)管網(wǎng)分區(qū)目的來確定分區(qū)，其技術(shù)流程如圖3所示。
整個分區(qū)過程可分為以下幾部分：管網(wǎng)微觀動態(tài)模型建立，選擇區(qū)域系統(tǒng)階層數(shù)，確定區(qū)域規(guī)模，劃定區(qū)域邊界，設(shè)定進(jìn)水點及區(qū)域的規(guī)整等。
①選擇區(qū)域系統(tǒng)階層數(shù)
第一階層分區(qū)系統(tǒng)可實現(xiàn)合理配水，除此以外的其他功能(如流量計量、壓力控制、改善低壓區(qū)、減少漏失量、提高水質(zhì)等)應(yīng)在第二階層或第三階層分區(qū)系統(tǒng)中實現(xiàn)。一般根據(jù)管網(wǎng)規(guī)模、可靠性要求及資金狀況等確定階層。我國的給水管網(wǎng)系統(tǒng)分區(qū)應(yīng)至少采用兩階層系統(tǒng)，如資金不足可分步實施。
給水管網(wǎng)分區(qū)流程圖
②劃定區(qū)域規(guī)模
在保證用戶水壓足夠的前提下，分區(qū)后管網(wǎng)應(yīng)均衡水壓，盡可能實現(xiàn)低壓供水以利于減少漏失量、能耗和事故發(fā)生率。為將區(qū)域水壓控制在一定范圍內(nèi)，需考慮以下因素來確定區(qū)域規(guī)模：區(qū)域內(nèi)地形標(biāo)高差、管道的水頭損失、區(qū)域的形狀、進(jìn)水點的位置、人口密度及工業(yè)用水情況等。為減少管網(wǎng)改造費用，也應(yīng)根據(jù)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有主要管道的管徑確定管段流量，設(shè)計分區(qū)規(guī)模。另外，分區(qū)之后的區(qū)域規(guī)模應(yīng)便于漏失調(diào)查和區(qū)域計量。
③確定進(jìn)水點數(shù)目和位置
區(qū)域的進(jìn)水點數(shù)目與區(qū)域內(nèi)水壓控制、流量測定以及事故發(fā)生時的解決措施等有關(guān)。在保證供水安全可靠的情況下，進(jìn)水點數(shù)目應(yīng)盡量少。單點進(jìn)水時有利于設(shè)定進(jìn)水管的位置和確定水壓控制點，而多點進(jìn)水時則難于確定水壓控制點，但當(dāng)發(fā)生事故時多點進(jìn)水則相對容易保證供水安全可靠。區(qū)域規(guī)模不大時一般建議采用2個進(jìn)水點，主要是為了當(dāng)發(fā)生事故或用水量變化較大時易于管理。必須通過反復(fù)的水力模擬計算來確定進(jìn)水點的數(shù)目和位置。
④劃定區(qū)域邊界
分區(qū)邊界應(yīng)考慮的主要因素是：地面標(biāo)高(分高、低區(qū))；地形(江河、鐵路、主要街道)；用戶用水類型；現(xiàn)有水廠的供水能力(經(jīng)濟(jì)合理)；水壓分界線等。
⑤區(qū)域的規(guī)整
分區(qū)確定之后應(yīng)通過水力模擬計算確定其合理性并進(jìn)一步完善方案，明確給水管網(wǎng)系統(tǒng)中的主要送水干管，限制干管配水，對部分管道實施閘斷、改造或加設(shè)供水設(shè)施。為減少管網(wǎng)內(nèi)死水的發(fā)生，應(yīng)使管道末梢部分形成環(huán)狀或在管道末端部分設(shè)置排水設(shè)備。
3.3 分區(qū)的作用
①給水管網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃�？烧莆崭鱾�區(qū)域的水量，易計算分配水量、布置管道、計算管徑等；明確各管路的功能及重要性，便于提出舊管道的改建方案。
②控制水壓。根據(jù)安裝在區(qū)域邊界和區(qū)域末梢的儀表數(shù)據(jù)，調(diào)整進(jìn)水管線上的控制閥，可方便準(zhǔn)確地控制壓力，均衡管網(wǎng)水壓，實現(xiàn)管網(wǎng)低壓供水，從而減少漏失量并節(jié)省能耗。
③控制水質(zhì)。余氯是管網(wǎng)水質(zhì)的主要控制指標(biāo)，通過余氯監(jiān)測儀可了解區(qū)域內(nèi)余氯含量，通過區(qū)域內(nèi)加氯可均衡管網(wǎng)余氯含量；當(dāng)管道清洗后恢復(fù)使用時可能會導(dǎo)致濁度增加，分區(qū)可將其控制在某一區(qū)域；當(dāng)管網(wǎng)受“二次污染”時，易于追查水質(zhì)變化的原因，減小影響范圍。
④減小供水產(chǎn)銷差。區(qū)域計量是管網(wǎng)分區(qū)的主要目的，可有效減小供水產(chǎn)銷差，提高經(jīng)濟(jì)效益。
4 結(jié)語
水資源的日益緊張、用戶要求的提高、經(jīng)濟(jì)意識的加強以及計算機及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使得傳統(tǒng)的給水管網(wǎng)模式及運行方式難以滿足要求，而給水管網(wǎng)微觀動態(tài)建模可從一定程度上緩解矛盾，但有其局限性。在城市給水管網(wǎng)微觀動態(tài)建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行管網(wǎng)分區(qū)，然后用分區(qū)后的管網(wǎng)模型指導(dǎo)管網(wǎng)運行，才是較有前途的解決問題的根本途徑。
