孟 瑋

（銀川規(guī)劃建筑設(shè)計研究院有限公司 寧夏 銀川 750001）

城市供水管網(wǎng)測壓點的優(yōu)化布置及壓力測量方法探究

孟 瑋

（銀川規(guī)劃建筑設(shè)計研究院有限公司 寧夏 銀川 750001）

城市供水管網(wǎng)節(jié)點水壓不僅能反映管網(wǎng)的運行質(zhì)量，也是對管網(wǎng)進行壓力模擬的基礎(chǔ)，及時掌握管網(wǎng)的水壓信息能有效地監(jiān)控管網(wǎng)漏水或爆管事故的發(fā)生。從需求角度看，管網(wǎng)中每個節(jié)點的水壓都應(yīng)測量，但由于測壓設(shè)備價格昂貴，所以需要根據(jù)投資額的大小，選擇一些重要的、具有代表性的節(jié)點進行監(jiān)測，因此需要對測壓點的位置進行合理的布置。而且，水壓監(jiān)測點在管網(wǎng)中的均勻分布能提高水壓監(jiān)測的靈敏度。

市政給排水；優(yōu)化布置；壓力測量；靈敏度分析；經(jīng)濟有效；水壓力分布

0 引言

供水管網(wǎng)作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是社會生產(chǎn)和人民生活的命脈，對于保證城市經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展、人民生活水平的提高以及社會的安定，有著舉足輕重的地位。但由于自然力、城市施工或其它人為因素的作用，供水管網(wǎng)會不可避免的遭到一定程度的破壞，從而造成部分自來水的漏失。城市供水管網(wǎng)運行中出現(xiàn)的漏水現(xiàn)象不僅造成水源浪費，影響供水企業(yè)的經(jīng)濟效益，而且造成降壓供水，影響用戶用水，降低管道安全性，此外，對管道基礎(chǔ)也造成破壞，甚至對其附近的建筑物、構(gòu)筑物等公用設(shè)施帶來潛在威脅。所以，為確保安全經(jīng)濟，關(guān)鍵問題是對管道漏損進行及時控制。

1 優(yōu)化布置的原則

管網(wǎng)漏損情況下的測壓點優(yōu)化布置符合測壓點優(yōu)化布置的一般原則。即：

1.1 管網(wǎng)中的測壓點應(yīng)分布均勻；

1.2 所選測壓點應(yīng)具有代表性，能反映整個管網(wǎng)供水壓力的全貌；

1.3 當出現(xiàn)管網(wǎng)壓力分布不合理時，能及時調(diào)度各水廠的供水量和揚程，經(jīng)濟有效地調(diào)整供水壓力分布。

2 管網(wǎng)分區(qū)

本文所指的管網(wǎng)分區(qū)不同于一般概念上的串聯(lián)和并聯(lián)分區(qū)，而是在對管網(wǎng)進行水力平差的基礎(chǔ)上，按照供水管網(wǎng)系統(tǒng)的集結(jié)原理將現(xiàn)有的管網(wǎng)系統(tǒng)劃分為若干區(qū)域，使系統(tǒng)的每一個節(jié)點屬于且僅屬于一個區(qū)域，且同區(qū)域中各節(jié)點的壓力近似相等。如果在系統(tǒng)的各種負荷運行條件下，供水管網(wǎng)系統(tǒng)中每一個集結(jié)區(qū)域內(nèi)各節(jié)點的壓力值均非常接近，則每一個集結(jié)區(qū)域就可以只設(shè)置一個壓力監(jiān)測點，該點的壓力側(cè)量值就可以粗略地反映該區(qū)域的壓力狀況，每個集結(jié)區(qū)域中所有節(jié)點的壓力值越接近，監(jiān)測點的壓力值就越能反映該區(qū)域的水壓力狀況，測量誤差就越小。在對管網(wǎng)進行分區(qū)后，并不是區(qū)域內(nèi)任一節(jié)點都適合進行壓力監(jiān)測點的布控，還需要對區(qū)域內(nèi)節(jié)點壓力的變化進行靈敏度分析。

3 管網(wǎng)節(jié)點壓力變化的靈敏度分析

管網(wǎng)中一個節(jié)點的壓力變化時，會不同程度地引起其他節(jié)點的壓力變化；而某一個節(jié)點的壓力變化則包含著整個管網(wǎng)節(jié)點壓力變化的信息。靈敏度方程建立的基礎(chǔ)是管網(wǎng)連續(xù)性方程和能量方程，即：

3.1 連續(xù)性方程

式中Qi為輸入節(jié)點i的流量，m3/s；qi為在節(jié)點i輸出的流量，m3/s；qij為節(jié)點 i輸往節(jié)點 j的流量，m3/s，流入為正，流出為負；m為與節(jié)點i相連的節(jié)點數(shù)。

3.2 能量方程

如果有若干個管段匯集于一個節(jié)點，則這些管段相匯端的端點壓力相等，即每個節(jié)點只能有一個壓力值。對每一個管段來說，通過管段的流量與管段中的水頭損失應(yīng)滿足水力學能量方程，即，其中 Hi，Hj分別為管段兩端節(jié)點 i，j的水壓高程；hij管段水頭損失 m；sij為管段摩阻；為管段流量，m。

4 測壓點位置的確定

設(shè)管網(wǎng)需要布置n個測壓點，按管網(wǎng)分區(qū)的方法將整個管網(wǎng)劃分為n個區(qū)。因為一個確定的供水管網(wǎng)，在某一工況工作時，節(jié)點水壓會受到節(jié)點流量的影響，當節(jié)點流量發(fā)生改變時，各節(jié)點水壓值一般也會發(fā)生改變，但每個節(jié)點的改變程度通常不一樣。一般來講，水壓變化最大的節(jié)點靈敏度最大，最能反映管網(wǎng)運行變化情況。所以按照這一思想，在對管網(wǎng)進行分區(qū)后，對各區(qū)域中節(jié)點水壓變化進行靈敏度分析就能夠確定每個區(qū)域的代表點，也就是水壓監(jiān)測點的最佳位置。

布置測壓點的目的是使測壓點的壓力能夠代表所在區(qū)域內(nèi)的所有點的壓力。前已述及每個區(qū)域內(nèi)的代表點的壓力能夠代表該區(qū)域的水壓，對整個管網(wǎng)來講，所有代表點（測壓點）的所測壓力就應(yīng)能夠代表整個管網(wǎng)的壓力。除此之外，測壓點的靈敏性也是進行管網(wǎng)漏損監(jiān)控的先決條件。

測壓點的計算步驟如下：

（1）輸入管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行管網(wǎng)平差，得出管網(wǎng)初始平衡時的各節(jié)點壓力值，按管網(wǎng)分區(qū)方法對管網(wǎng)進行分區(qū)，使管網(wǎng)分區(qū)數(shù)等于測壓點的數(shù)量。

（2）使管網(wǎng)各節(jié)點都增加一個較小流量，再次進行管網(wǎng)平差，并與初始平衡時的各節(jié)點壓力值進行比較，得出管網(wǎng)節(jié)點壓力變化的靈敏度，并進行排序。

（3）根據(jù)各區(qū)域內(nèi)節(jié)點壓力變化的靈敏度排序結(jié)果，確定最靈敏點為壓力監(jiān)測點，并結(jié)合現(xiàn)場勘查情況確定合理位置。

5 測壓點壓力數(shù)據(jù)的測量

目前，國內(nèi)常用的測壓方式可歸納為三種：第一種是將自動水壓記錄儀設(shè)在測壓點上，連續(xù)記錄該測點的水壓，每天定時調(diào)換水壓記錄紙，根據(jù)各測壓點的連續(xù)水壓記錄，整理統(tǒng)計出全市的水壓分布情況。第二種是將測壓點的水壓用有線或無線的方式及時和連續(xù)地傳至調(diào)度中心，作為水量調(diào)度和機泵開停的主要參考依據(jù)。以上兩種測壓方式多用在永久性測點上。第三種是人工量測的方式，工人用壓力表在規(guī)定時間內(nèi)測定指定的消火栓內(nèi)的瞬時水壓，有時也可測定用戶水龍頭上的水壓作為該點附近的水壓參考資料。

6 測壓點壓力數(shù)據(jù)的特征

管網(wǎng)壓力是一個空間向量，各個節(jié)點的壓力不是相互獨立的，必然受著鄰近節(jié)點壓力變化的影響，所以管網(wǎng)壓力無論是在空間還是在時間變化上都是一個連續(xù)的變量。但是由測壓系統(tǒng)所測的壓力卻無法將這種連續(xù)性表現(xiàn)出來，而只能是一個離散變量的集合，這是因為管網(wǎng)是一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各節(jié)點通過不同的管段相互連接而成為樹狀或網(wǎng)狀，進行管網(wǎng)壓力測量時一般是將管網(wǎng)分作若干區(qū)域，并在每個區(qū)域中選擇一個靈敏性最高的節(jié)點進行測壓裝置的安置，以此來代表該區(qū)域的整體壓力，這就直接導致了測壓信息在空間上只能為一離散變量的集合。就目前而言，采用SCADA系統(tǒng)進行管網(wǎng)壓力測量時，為了避免系統(tǒng)通訊忙碌造成擁擠，一般是按固定時刻或特定時刻進行測量，所以由SCADA系統(tǒng)所得到的管網(wǎng)壓力在時間上也是一個離散的集合，本科題通過趨勢面來模擬管網(wǎng)壓力實現(xiàn)了管網(wǎng)壓力的連續(xù)性變化，克服了傳統(tǒng)的管網(wǎng)調(diào)度模型只用有限個測壓點代替整個管網(wǎng)所帶來的弊病。

管網(wǎng)壓力還具有很強的周期性和一定的趨勢性。根據(jù)測壓點水頭變化規(guī)律，可將測壓點水頭分解成三個子分量：周期性分量、持續(xù)性分量及隨機擾動性分量。由于測壓點水頭的變化與城市用水量變化規(guī)律密切相關(guān)，它們都是受城市工業(yè)及人民生活規(guī)律的影響，因此它具有以一定時間為周期的變化特點;持續(xù)性分量主要指由于天氣及人口增長因素對各配水區(qū)域用水量產(chǎn)生持續(xù)性影響，導致測壓點水頭產(chǎn)生持續(xù)性變化;隨機擾動分量是模型中不可預測的并造成預測誤差的部分。所以對測壓點的數(shù)據(jù)進行處理能為管網(wǎng)建模和優(yōu)化調(diào)度帶來很多的優(yōu)勢。

7 結(jié)束語

綜上所述，給水管網(wǎng)運行時，管網(wǎng)狀態(tài)隨用戶水量變化而隨機變化，很多狀態(tài)變量和參數(shù)量屬未知。運行著的管網(wǎng)的已知量僅限于少量測流測壓信息。測壓點由于其在管網(wǎng)中分布的位置有一定的代表性，還有上述的本身優(yōu)勢，加上在正常供水條件下，調(diào)度方案在一定時段內(nèi)是確定的，所以通過測壓點反饋的信息將能很好的代表管網(wǎng)的運行狀態(tài)，這點是其它監(jiān)測方式不可比擬的。

［1］龍芋宏.供水管網(wǎng)的檢漏技術(shù)[J].儀器儀表與分析檢測,2001(2):10-13.

［2］關(guān)偉平.城市管網(wǎng)漏失分析研究[J].林業(yè)科技情報,2000,29(1):69-70.

孟瑋（1976—），女，漢族，遼寧本溪人，1998年畢業(yè)于西安理工大學給水排水專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事市政給排水設(shè)計方面的工作。

王洪澤］