城市供水管网分区供水技术分析

城市供水管网分区供水技术分析

曹铖

中国水利水电第十六工程局有限公司，福建省 福州市350003

摘要：经济的发展，促进了城镇化进程的加快。为了用水安全、提高经济收益，必须要重视供水管网的建设与管理，使其安全平稳运行。城市供水部门应选择使用管网分区供水的方式解决供水产销差率的问题。管网分区供水方式分为压力分区、管理分区和区域计量分区（District Metered Area，DMA）三种。其中，压力分区的原理是通过管网漏损随着水压上升而增大的规律对不同的管理区进行压力控制，尽可能降低管网内的平均压力，进而减少管网漏损，但压力分区无法抑制损失水量，管网内损失水量过多时可能无法平衡水压，导致供水故障；管理分区是通过对供水管网范围内的地形地势、社会功能、行政边界、人员配置等情况综合考量，划分出的物理分区方式，具有管理便捷的优势，但不适用于跨区建设的大型供水网络，应用范围有限；DMA分区是通过增设管道独立阀门和进出水流量计的方式将管网分解成多个独立区域，利用进出水流量计实现对管网内水压、水流量的精细化管控，利用独立阀门提升区域管网供水管道的控制能力，还能进一步划分成二级分区和三级分区，整合形成城市供水管网网络，具备动态监控和动态控制功能，并且可以融合压力分区和管理分区进行复合使用，是当前应用较多的管网分区供水方式。笔者结合自己参与建设的加蓬利伯维尔供水管网项目，对城市管网分区供水技术进行分析。

关键词：城市供水；供水管网；分区供水技术

引言

在对城市供水管理过程中，为了降低由于管网漏损产生的资源损失，管理人员首先应当明确导致管网漏损的原因，清楚地认识到控制城市供水管网漏损的重要意义，并借助各类先进技术做好漏损管网的检测维护工作。

1供水管网分区规则

供水管网分区需要遵循经济性原则，通过精细化的分区方式，避免后期的供水冲突和运营困难，在有限的成本内创造出最高的经济效益，具体供水管网分区原则如下：（1）供水管网分区应当由大到小、由整体到局部，首先将城市划分出若干个大区域，再按照大区域内的企业性质、企业规模细化出多个小区域；（2）供水管网应按照城市地形地势和城市规划等天然屏障进行分区，不仅能够提升分区方案与城市的契合程度，还能减少控制阀门和流量计的安装数量、控制成本；（3）控制阀和流量计的安装数量应根据分区规模决定，便于后期的流量计算的供水管理；（4）统一供水分区内的高程不宜变化过大，进而减少控制阀的安装数量；（5）增压泵站所在的供水区域应当划分成独立供水区域，避免各分区之间的重叠；（6）对供水能力较差、流量较少等冗余管道进行截流，减少流量计安装数量，提升水量统计精度；（7）供水管网分区应以保证水质作为基础。

2控制城市供水管网漏损的意义

（1）控制供水管网漏损能够节约水资源。节约水资源是最为基础的意义，加蓬利伯维尔城市供水管网项目位于加蓬的首都，其人均占有水量非常有限，加蓬首都利伯维尔供水率仅为32%。城市管网漏损控制的首要原因就是降低管网水资源的漏失率，控制管网水资源漏失就意味着能够降低供水地区水资源需求总量，而节约的水资源则能够继续在其他地区发挥价值，节约水资源意义重大，尤其是在一些水资源匮乏、供水难度较大的城市中，通过控制供水管网漏损节约水资源的意义更为重大。（2）降低供水成本。城市供水需要大量的成本，且城市中的水资源从供水地至居民使用这一过程中，需要将水源地内的水资源输送到净水厂，经过消毒、净化等处理工作后输送到调流调压室，而后才能够输送到城市中，上述每一过程都需要资金的支持。但是，在总水量一定的前提下，若能够控制由于管网漏损导致的水资源流失，就能够有效地节省自来水处理过程中的消毒剂、电量等成本，进而达到降低供水成本的重要意义。（3）节约工程投资。现阶段，越来越多的乡镇、农村人口涌入城市，城市化进程进一步推进，受到不断增加的人口影响，地区所面临的供水压力也越来越大，在一些下级地区内附近的水源已经无法满足供水要求，而相关单位就必须从更远的地区取水，所以，一些城市面临着取水线路越来越长、取水工程建设投资力度越来越大的现状。这种现象在水资源匮乏的地区表现得更为强烈，加蓬首都利伯维尔引水建设成本每立方米甚至能够达到上千元。因此，若能够降低地区供水管网内的漏损点，就能够提升供水效率，且以更少的投资就能够满足城市居民的供水需求，所以具有节约工程投资的重要意义。

3城市供水管网漏损原因

3.1供水管道腐蚀老化现象严重

加蓬首都利伯维尔由于基础设施落后，供水管道陈旧，加上管网维护不到位、使用年限较长等原因导致管网腐蚀老化现象严重。管道内壁的锈蚀物质会随着水流冲刷作用进入居民的生活用水中，影响居民的生活。此外，余氯因管道结垢被耗尽，导致水中滋生各类细菌，加剧管道腐蚀，水质恶化，发生二次污染，降低管网输水能力。

3.2施工安装质量问题

首先，在安装前忽视了管材质量管理，目前在加蓬地区供水管网主要是HDPE和球墨铸铁两种，但是无论何种材质的管道，在进场前必须进行质量管理，一方面，检测出厂管道是否合格；另一方面，检查在运输过程中管材是否出现损伤，如球墨铸铁管在装运期间非常容易出现损坏。此外，在管材安装过程中缺乏探伤检查的管理人员，这就加大了管材应用期间出现漏损隐患的可能。其次，管线施工与选址存在问题，如在一些道路狭窄的小巷中，为了降低管材铺设难度，施工单位在管道施工过程中会沿着沟渠铺设，在使用过程中管道会受到地下水以及外壁积水的影响，使得管道产生腐蚀层现象，这将会对管道的抗压能力造成影响，同时增加管道漏损风险。最后，未按照施工标准进行施工，这主要表现在施工队伍人员素质和水平参差不齐，未能严格按照图纸和要求进行施工，如在HDPE管焊接、球墨铸铁管接口承插以及管槽深度等位置处理不当均会造成管网漏损现象。

3.3供水管网缺乏维护和管理

加蓬首都利伯维尔管道建立的时间较长，缺乏相关的资料。加上有关部门没有科学有效地对管网进行定期管理和维护，这就使得管理人员无法详细了解到供水管网的管材、管径、使用年限以及可能存在的漏损区域，导致后期供水管网的管理与维护较难。部分管理部门缺乏相应的管理知识和能力，依靠经验指导工人工作。大部分管网资料没有建立起系统化、智慧化的管理方案，不能第一时间对管网漏损地方进行预警和排查。

4城市供水管网分区供水技术

4.1建立管网水力模型

基于供水管网分区规则，本文使用EPANET软件建立管网水力模型。EPANET软件是由美国国家环境保护局（Environmental Protection Agency，EPA）开发的开源软件，使用者可以通过 EPANET 软件执行有压管网水力和水质特性延时模拟的计算机程序，模拟管网中的水头、水质、水量等多项指标。其具有管网平差、运行模拟、信息管理、运行管理等多项功能，具有以下特点：（1）对管网规模没有限制；（2）能够通过 Hazen-Williams、Darcy-Weisbach 和 Chezy-Manning 公式计算摩擦水头损失；（3）对水损失数据计算精确，包括弯头、附件、随机损耗等参量；（4）能够模拟控制阀、流量计扩散器等设备的动作；（5）可以对单一管网节点进行编辑，更改时变模式；（6）能够编辑不同的供水规则；（7）兼容性较强，接口能够与其他软件通用，将上述供水管网分区规则和管网数据输入EPANET软件后，EPANET软件能够自动对数据进行处理，形成简易的供水管网模型，使用者可以通过EPANET软件的资源库对管网模型进行标识、调节初始节点水量，进而获得完整的管网水力模型。

4.2做好管材以及接口的质量控制工作

管材以及接口质量是导致地区管网漏损的重要原因，所以无论是在老旧管网改造还是新式管网铺设过程中，均应当依据相关质量规范选择管材和接口，尽可能地使用高新材料。目前市场中管材材料较多，而近年来HDPE管和球墨铸铁管凭借着多种优势脱颖而出，加蓬利伯维尔城市供水管网项目采用的就是HDPE管和球墨铸铁管。这种材料的强度和延展性优良，且抗腐蚀极强，因此能够有效地保证使用寿命。HDPE管采购热熔或电熔焊接，球墨铸铁管使用柔性橡胶圈接口，这两种材质的管道具有安装便利优势，且应力释放效果更好。通过使用新式管材与管口能够有效地提升管网质量，并降低管道漏损可能性。

4.3供水管网模型的研究

通过管网模型，对管网漏损区域进行预测和定位，及时采取措施，减少经济损失。基于算法或者水力模拟软件构建的供水管网模型的方法在一定程度上可以对管网漏损的概率进行预测，对管网漏损区域进行粗略定位，缩小检测范围。但是建模过程较为复杂，且影响管网漏损的因素较多，导致模型的精确度及可靠性还有待提高。

4.4优化漏损检测设备与技术

目前，关于地区供水管网漏损探测技术日渐成熟，无论是管道漏损检测的技术还是设备均取得了突破性的进展，同时检测效率也逐步提升，近年来，加蓬也引进了一些国外的先进检测设备，所以，在未来应当不断创新和升级漏损检测设备与技术，提升城市供水管网漏损的检测效率。

4.5MATLAB最短路径计算

获取管网水力模型后，使用者可以通过对模型数值的更改调整不同的管网分区供水方案，使用手动计算分区的效率较低。本文使用MATLAB软件中的graphallshortestpaths函数实现最优管网路径的计算。（一）MATLAB软件。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于数据分析、无线通信、深度学习、图像处理与计算机视觉、信号处理、量化金融与风险管理、机器人、控制系统等领域。MATLAB是Matrix&Laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室），软件主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式。在实际应用过程中，MATLAB 软件可以通过 Toolbox（附加工具箱）调用不同的函数，实现对复杂数学模型的一键计算。本文主要通过graphallshortestpaths函数进行最短路径求解和管网分区计算。（二）　graphallshortestpaths 函数。graphallshortestpaths 函数能够在有向图和无向图中求解出两个指定点间的最短路径，实际使用时具有三种形式：（1）[dist]=graphallshortestpaths（G），这种形式代表拓扑结构图中的矩阵结构，当 G 不等于 0 时，[dist] 中的序列代表两点之间的最短路径。（2）[dist]=graphallshortestpaths（G，…`Directed`，DirectedValue，…），这种形式代表无向图或有向图中的矩阵结构。（3）[dist]=graphallshortestpaths（G，…`Weights`，WeightsValue，…），这种形式代表自定义权重的列向量，能够求解 G 等于 0 时的最短路径。

4.6做好管网的设计与技术应用工作

通过做好设计与技术投入工作，能够有效地保证管网的水压以及水流量等，能够保证地区管网中的供水始终处于最佳状态，防止管道内压力变化而引发的漏损风险。在城市管网设计过程中，要综合考虑车流、地质、土壤酸碱等对城市供水管网的影响，并结合实际情况依靠现代化技术建立管网预测模型，从而为后期使用提供依据。在工程施工期间，需要以管道安装标准为依据进行施工，做好管材质量控制工作以及做好工程后验收等几个方面保证工程施工质量。

结语

目前许多城市局部区域地下的管材已经出现老化现象，且受到传统施工技术的影响，一些地区的管网已经出现了严重的漏水、损害现象，针对这些区域若不尽快进行修复，则势必会引发不良社会影响。基于此，各地区供水部门应当不断提升管网漏损检测效率，创新改善检测方式，进而满足当地社会的发展需求。本文结合加蓬利伯维尔供水管网项目对城市供水管网分区供水技术进行了分析，阐述了管网分区供水方案设计流程、分区规则、管网水力模型建立方法和MATLAB最短路径计算方法，以上说明使用EPANET软件建立网管水力模型具有有效性，使用MATLAB软件中的 graphshortestpath 函数能够计算出管网中节点之间的最短路径，进而可以设计出最短路径组合方案。

参考文献

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