摘要：分区计量和压力管理是降低供水系统产销差率、控制管网漏损的两个重要措施。在制定郑州市供水管网分区计量方案时，利用管网微观水力模型进行了关阀模拟和对比分析，确定管线是否可以采取关阀措施划分区域界线；选取了郑州市某供水区域进行了DMA（District Meter Area）压力管理试验研究，利用水力模型进行了局部管网案例分析，证明了水力模型对于最不利点的选择、AZP（Average Zone Pressure）点的确定以及系统压力值的设定都有很大的帮助作用。
关键词：水力模型,漏损,分区计量,压力管理
利用管网水力模型进行漏失检测一直是建模工作者努力的方向。尤其是近年来随着应用数学和计算机技术的发展，科学工作者在不断完善检漏方法和检漏仪器设备的同时，也针对城市供水管网的漏损建立了相应的数学模型，目的是实现管网漏损预测，改变供水行业被动的漏损管理模式，对供水管网的维护和改造起到很好的指导作用[1],[2]。但目前微观建模在城市给水管网系统漏损控制中的研究还处于初步阶段，有待于进一步加快模型的研究，尽早实现现场应用。
2. 微观水力模型在管网漏损控制中的应用
2.1 水力模型在分区计量中的应用
如何降低城市供水系统的产销差率，一直是国内外供水行业十分关注的问题。而随着对产销差率研究的不断深入，分区计量已逐渐被国内外认可为能有效降低产销差率的措施之一。当一个供水系统划分为若干个更小的、更易管理的分区后，自来水公司能够更好地实施产销差降低策略，独立解决分区水质问题，并更好地管理整个系统的压力，为广大市民提供更优质的供水服务。
管网分区的一个重要原则就是要使流量计数量达到最少，一方面可以使成本降到最低限，另一方面较少的流量计可以减少流量计本身误差对分区计量的影响。这就要求首先尽量利用供水管网区域内的天然屏障或城市建设中后来形成的人为障碍（如河道、铁路等）进行自然分区。另外，可以将两个区域交界处某些流量较小、流速较低、下游波及用户范围较少的管段采取关阀的措施直接将两个区域隔离开，而不需加装流量计。但是，具体哪些管线可以采取关阀的措施并不是仅仅可以凭经验来判断的，这时候要依靠精度较高的微观水力模型进行现状分析与关阀模拟来确定。
郑州市自来水总公司利用郑州市区内的京广铁路、陇海铁路及中州大道等屏障将郑州市供水管网初步划分为4个一级计量分区。在制定分区方案的过程中充分利用到了郑州市供水管网水力模型，对管网需要加装流量计还是采取关阀措施进行了反复的模拟及对比分析。
图1 分区边界处管线隔离前的流向示意图
图2 管线隔离后流向改变示意图
例如图1、2中所示的位置为黄河路与京广铁路交叉口，为两个分区交界处的管线，此管线为上世纪50年代铺设的DN300铸铁管，分区前管线流速为0.3m/s，流量为26L/s，节点水压约为32米。通过分析水流方向发现此管线基本位于供水管网末梢，下游波及用户范围很小，且周围节点水压较高，原来位于此管线下游的节点可由自东向西的管段供给水量，因此初步判定此管线可以采取关阀措施隔离。实际采用模型模拟时，也发现管线隔离后确实不影响用户用水，节点水压虽然下降了2米左右，但在用户接受的范围内。
此种情况若不事先调查清楚而盲目加装流量计，不但浪费资金，也会给以后的运行维护带来很大的不便，因为此类管线流速太低，一般都处于盲区流速区，在这个流速范围内流量计精度很低，不能精确计量。
通过模型模拟的方法，初步判定至少有4处管线可以采取关阀的措施将管线隔离，可为公司节省近百万元的成本费用。
实施分区计量时，当然不能完全依靠水力模型盲目隔离管线，防止个别管线模拟结果与实际偏差影响用户用水。实际操作时，还应采取测流、测压及通过SCADA系统观测对管网调度的影响等措施，视情况决定是否可以关闭阀门。利用郑州市供水管网水力模型确定的几处可关阀的管段，都已通过现场关阀测压实验验证不影响用户用水，目前阀门已关闭，管网一直处于安全运行状态。
2.2 水力模型在压力管理中的应用
压力管理方法即在保证DMA（District Meter Area）用户正常用水的前提下，通过加装调压设备，根据用水量调节管网压力，使管网在最优的压力条件下运行。压力管理方法被认为是减少管网真实漏损最为快速、有效的一种方法，尤其对降低背景渗漏及暗漏有很好的效果，还可以有效降低爆管事故的发生，减少管道设施的维修量、延长管道的使用寿命。
除此之外，压力管理方法还有其它几点好处：对不付费用户进行压力管理；确保系统配水尽可能均匀；有效降低瞬时水波的发生，防止管道结构较弱的地方受到破坏；提供给用户均匀稳定的水量和水压，增加用户满意度等等[3]。
郑州市自来水总公司选取了郑东新区熊耳河路、心怡路及中兴路所围供水区域作为试验区（DMA），选取德国VAG公司生产的RIKO 活塞阀作为压力控制设备，进行了压力管理试验研究。研究中也建立了试验区域微观水力模型，模型建立的目的有二：首先是通过模型计算，确定整个管网系统的最不利点；另外，充分利用建立好的模型设定压力值，模拟实际运行情况，代替盲目的压力设定，用来指导后期实际操作，并根据后期实测数据来校验模型，从而熟练掌握模型构建、校验及应用的全过程。
图3 模型模拟结果—节点自由水压及管线流量分布图
由于该研究是针对DMA做局部水力模型分析，因此从郑州市供水管网GIS系统中截取了该DMA的管网拓扑结构及属性，建立了局部水力模型。简化后的模型为DN100及以上的管线，共有477个节点、484条管线。
模型模拟的时间是2008年11月10日早上9:00（最高时），远程监控此时试验区域进水口的压力水头为0.3000MPa，最不利点压力为0.2955MPa。模型中基本参数输入完毕，输入进水口压力0.3000MPa，计算出来最不利点压力为0.2917MPa。模型计算结果与实测数据误差为1.3%，在允许误差范围内。图3显示了模型模拟的节点自由水压与管线流量结果。
模型建立的初衷是确定最不利点安装位置，但是在安装工程开始时，由于试验区域高程数据和用水量数据缺失，模型没有建立完整，因此现场安装时人为选定了现有安装位置为最不利点。实际进行压力控制过程中，发现投诉的用户集中在离区域进水口最近的祭城小区，而不是选定的最不利点处。模型计算结果显示，我们人为选择的点确实不是最不利点，实际的最不利点在祭城小区，当进水口压力输入为0.3000MPa时，实际最不利点压力只有0.2474MPa。可见，模型的建立对于最不利点的选择还是很有实际意义的。
另外，模型建好后，压力管理系统设定压力值时不再根据模型计算出的结果进行设定，设定值不低于国家标准，也在用户可接收的范围内，无再出现用户投诉现象。
本案例研究结果表明：利用微观水力模型进行局部管网案例分析还是很凑效的。尤其在小区压力管理中，对于最不利点的选择、AZP（Average Zone Pressure）点的确定以及系统压力值的设定都有很大的帮助作用。
3. 结语
在供水管网分区计量中利用水力模型来进行关阀模拟及对比分析，在DMA压力管理中利用水力模型确定管网各关键点进行DMA管网分析，是微观水力模型在管网漏损控制中应用的两个小案例，经实践证明，对实际工作还是有很好的帮助作用的。
