■ 張俊杰 林國(guó)鋒 李淑慧

壓力與泄漏有著密切的關(guān)系，對(duì)減少管網(wǎng)漏損，控制泄漏反彈起著決定性作用。本文以丹東振安區(qū)三萬噸愛河水廠為例，研究和探索大數(shù)據(jù)優(yōu)化管網(wǎng)壓力。愛河水廠作為一個(gè)獨(dú)立封閉的供水區(qū)域，承擔(dān)著振安地區(qū)的供水任務(wù)，其實(shí)際供水能力為2．6×104m3/d，承擔(dān)著振安片區(qū)3×104工商業(yè)和居民用戶，管網(wǎng)長(zhǎng)度50km左右，二次加壓泵站12座，該區(qū)域產(chǎn)銷差率約為78%左右。盡管檢漏頻次、強(qiáng)度、周期都很密集和頻繁，但管網(wǎng)老化嚴(yán)重，布局設(shè)計(jì)不合理，泄漏反彈十分嚴(yán)重；常常為了保障居民正常供水，不得通過加壓方式來保障高峰用水。為了控制泄漏反彈，減少頻繁泄漏，控制管網(wǎng)漏損，降差人員根據(jù)該區(qū)域的管網(wǎng)布局、測(cè)壓點(diǎn)的布局以及泄漏反彈現(xiàn)狀，在大數(shù)據(jù)分析和挖掘的基礎(chǔ)上提出管網(wǎng)壓力優(yōu)化的方案和探索研究。

一、大數(shù)據(jù)分析管網(wǎng)壓力現(xiàn)狀

從振安地區(qū)管網(wǎng)現(xiàn)狀來看，管網(wǎng)老化十分嚴(yán)重，泄漏頻繁，幾乎每周都有居民投訴水壓偏低的情況，一到周六、周日，個(gè)別小區(qū)老百姓吃水就受影響。從水廠壓力看，出廠壓力從原先0．35MPa已經(jīng)提升到0．5MPa左右，而夜間最小流量從2017年平均650m3/h上漲至2018年的900m3/h，平均每小時(shí)上漲了250m3/h，最高時(shí)夜間最小流量達(dá)到了1300m3/h。但從管網(wǎng)壓力來看，最不利點(diǎn)龍頭和正大清華苑小區(qū)的壓力上漲并不高，甚至有些時(shí)候壓力還偏低。這說明這個(gè)區(qū)域存在著嚴(yán)重的泄漏，很可能是管網(wǎng)泄漏導(dǎo)致了管網(wǎng)壓力下降，影響了正常供水。

另外，從丹東居民生活習(xí)慣來看，基本上晚上21：00以后，很多飯店和商業(yè)就已經(jīng)歇業(yè)，供水明顯出現(xiàn)了下降。通過對(duì)水廠和測(cè)壓點(diǎn)的大數(shù)據(jù)分析，基本驗(yàn)證了其居民生活和用水習(xí)慣，波峰供水通常出現(xiàn)在早上06：00～08：30和下午17：00～21：00之間，而波谷供水時(shí)段卻集中在23：00～06：00之間。可偏偏是波谷時(shí)段供水量甚至和波峰時(shí)段的供水量持平，甚至還要超出。這就暴露了調(diào)度上存在不合理，不是科學(xué)調(diào)度管網(wǎng)壓力。從而導(dǎo)致管網(wǎng)壓力過高，泄漏浪費(fèi)嚴(yán)重。為了進(jìn)一步分析其現(xiàn)狀，又對(duì)愛河水廠高峰供水時(shí)段8月和10月供水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)2017年10月比2017年8月多供了56653m3，而整個(gè)總公司的總供水量2017年10月比8月則多供了56240噸?？梢?，愛河水廠供水量上漲的影響才是導(dǎo)致2017年10月份整個(gè)供水公司的供水量上漲的主要原因。

二、大數(shù)據(jù)壓力優(yōu)化概述

（一）大數(shù)據(jù)管理壓力的原理和目的

大數(shù)據(jù)壓力管理原理是利用GPRS物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過將水廠、測(cè)壓點(diǎn)產(chǎn)生的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力的大數(shù)據(jù)分析用戶的用水習(xí)慣和特性，挖掘最不利點(diǎn)壓力在峰、谷時(shí)段的壓力優(yōu)化潛力，利用水廠、泵站的變頻器PLC編程技術(shù)，通過對(duì)夜間00：00～05：00或白天低峰用水時(shí)段的管網(wǎng)壓力的最大優(yōu)化，達(dá)到科學(xué)調(diào)度管網(wǎng)壓力，降低管網(wǎng)漏損的目的。鑒于南北方生活習(xí)慣不同，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度不同，夜間生活的豐富程度不同，壓力優(yōu)化的時(shí)段可根據(jù)大數(shù)據(jù)分析、挖掘的用水習(xí)慣靈活掌握，不必完全局限于夜間時(shí)段。

大數(shù)據(jù)壓力管理目的不是簡(jiǎn)單意義上減壓或降壓，而是在保障管網(wǎng)正常供水的情況下，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPRS遠(yuǎn)傳通訊技術(shù)和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，科學(xué)、合理地調(diào)配、優(yōu)化管網(wǎng)壓力。大數(shù)據(jù)管網(wǎng)壓力優(yōu)化既可以減少管網(wǎng)漏損，節(jié)能降耗，還可以控制泄漏反彈，預(yù)防和減少爆管，讓管網(wǎng)壓力在合理區(qū)間運(yùn)行，延長(zhǎng)管網(wǎng)的壽命，保障管網(wǎng)的安全運(yùn)行。

（二）優(yōu)化管網(wǎng)壓力的原則

降差人員結(jié)合該區(qū)域的管網(wǎng)圖紙、管線布局、測(cè)壓點(diǎn)分布情況，科學(xué)選擇最不利點(diǎn)，利用GPRS移動(dòng)通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析和挖掘壓力優(yōu)化的空間和潛力，結(jié)合最不利點(diǎn)和出廠壓力的優(yōu)化模型，在不影響正常供水前提下優(yōu)化管網(wǎng)壓力。大數(shù)據(jù)優(yōu)化管網(wǎng)壓力的原則：①堅(jiān)持先檢漏、后壓力優(yōu)化的原則即先對(duì)區(qū)域地毯式檢漏，消除管網(wǎng)暗漏隱患。②在保障工業(yè)生產(chǎn)和居民生活正常供水前提下優(yōu)化管網(wǎng)壓力。③對(duì)用戶少、用量少的局部管網(wǎng)先優(yōu)化，提升主管網(wǎng)壓力回升。④滿足壓力優(yōu)化區(qū)域的特殊用戶的夜間（如工業(yè)、醫(yī)院以及夜間蓄水池補(bǔ)水）用水需求及消防需求。⑤堅(jiān)持分階段優(yōu)化管網(wǎng)壓力原則、循序漸進(jìn)地推進(jìn)優(yōu)化試驗(yàn)。⑥根據(jù)季節(jié)、天氣、溫差的變化實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地調(diào)整壓力優(yōu)化范圍。⑦實(shí)時(shí)跟蹤和關(guān)注用戶的反映、投訴現(xiàn)象。⑧最不利點(diǎn)壓力一定要選準(zhǔn)，確保其壓力為臨界點(diǎn)壓力。⑨確保邊界閥門完全閉嚴(yán)，PMA壓力區(qū)域完全獨(dú)立。除此以外，盡可能選擇供水區(qū)域、規(guī)模相對(duì)較大泵站或獨(dú)立供水區(qū)域建立PMA，確保壓力優(yōu)化的效果。

（三）優(yōu)化管網(wǎng)壓力工藝流程

大數(shù)據(jù)管網(wǎng)壓力優(yōu)化工藝流程是用來指導(dǎo)降差人員如何利用物聯(lián)網(wǎng)、GPRS移動(dòng)通信技術(shù)采集水廠、二次加壓泵站、最不利點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，如何利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析挖掘壓力優(yōu)化的潛力，并通過最不利點(diǎn)和水廠、泵站的之間壓力關(guān)系建立壓力優(yōu)化模型，然后科學(xué)、合理設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度水廠的壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)管網(wǎng)壓力的優(yōu)化、達(dá)到降低漏損、預(yù)防爆管、延長(zhǎng)管道壽命的目的。降壓工藝流程如下：

（四）大數(shù)據(jù)優(yōu)化壓力的思路

大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)化管網(wǎng)壓力思路如下，首先要利用大數(shù)據(jù)分析居民的用水習(xí)慣和特性，分析各測(cè)壓點(diǎn)的大數(shù)據(jù)，結(jié)合管網(wǎng)布局、地形落差找到最不利點(diǎn)；然后把最不利點(diǎn)壓力作為臨界點(diǎn)壓力，利用最不利點(diǎn)壓力跟水廠壓力的線性關(guān)系、數(shù)學(xué)模型，計(jì)算最小流量時(shí)段水廠降壓范圍，按照周期性降壓的方式、循序漸進(jìn)地推進(jìn)優(yōu)化壓力的試驗(yàn)、研究。

1．分析和挖掘最不利點(diǎn)

為了更準(zhǔn)確、更可靠地找到最不利點(diǎn)，分析最不利點(diǎn)壓力變化的趨勢(shì)，波峰、波谷出現(xiàn)的時(shí)間段，降差人員對(duì)區(qū)域內(nèi)龍頭、正大清華兩個(gè)疑似的最不利點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，并結(jié)合兩個(gè)最不利點(diǎn)壓力覆蓋的區(qū)域、范圍、用戶數(shù)量，樓層高度，地形落差，綜合篩查比選來確定最不利點(diǎn)。

鑒于龍頭地區(qū)的用戶少，夜間最小流量平均在70m3/h，在夜間最小流量中占比甚少，加上區(qū)域的主要是部隊(duì)和平房戶，因此龍頭不適合作為最不利點(diǎn)壓力。而正大清華苑小區(qū)測(cè)壓點(diǎn)集中在振安區(qū)域，居民很多，降差人員在大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，最終確定正大清華苑小區(qū)為最不力點(diǎn)壓力，即以此為臨界點(diǎn)壓力，在保障正大清華苑小區(qū)正常供水壓力的情況下進(jìn)行優(yōu)化。

以篩選的最不利點(diǎn)正大清華測(cè)壓點(diǎn)為基準(zhǔn)，分析用水習(xí)慣和特性，時(shí)間周期。由于該區(qū)域的管網(wǎng)老化嚴(yán)重、布局設(shè)計(jì)不合理、二次加壓站多，管網(wǎng)改造資金匱乏，在高峰供水時(shí)，管網(wǎng)壓力地形條件下很難實(shí)現(xiàn)分區(qū)優(yōu)化管網(wǎng)壓力，即便是能實(shí)現(xiàn)壓力流量分區(qū)，也耗時(shí)、耗資巨大。

2．水廠與最不利點(diǎn)壓力

最不利點(diǎn)位置和壓力確定后，就可以根據(jù)最不利點(diǎn)壓力與水廠出廠壓力的線性關(guān)系，進(jìn)一步挖掘和分析波峰、波谷流量時(shí)段最不利點(diǎn)壓力和出廠壓力。將最大流量時(shí)段最不利點(diǎn)壓力作為臨界點(diǎn)壓力，分析波峰、波谷流量時(shí)段最不利點(diǎn)壓力差的變化和優(yōu)化潛力。通過波峰、波谷水廠與最不利點(diǎn)壓力曲線分析（見壓力曲線圖），水廠壓力0．46MPa，最不利點(diǎn)壓力0．20MPa，水廠夜間最小流量時(shí)水廠壓力0．35MPa，而最不利點(diǎn)壓力0．25MPa。由此可見，在夜間最小流量時(shí)段比最高流量時(shí)段最不利點(diǎn)壓力高出了0．11MPa。就是說，在最小流量時(shí)段最不利點(diǎn)壓力保持0．2MPa時(shí)，水廠尚有0．11MPa壓力優(yōu)化的潛力。如果以特征點(diǎn)流量時(shí)段的最不利點(diǎn)壓力0．25MPa為臨界點(diǎn)壓力，足以保障夜間最小流量以及其他時(shí)段的正常供水。水廠與最不利點(diǎn)壓力曲線圖如下。

3．測(cè)算降壓范圍

根據(jù)特征點(diǎn)流量、壓力和最不利點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)分析可知，完全可以在白天09：00～16：00和22：30～05：00兩個(gè)時(shí)段優(yōu)化水廠壓力，考慮白天優(yōu)化水廠壓力可能會(huì)影響正常供水和導(dǎo)致用戶投訴，在壓力優(yōu)化時(shí)幅度減少；而在22：30～05：00最小流量時(shí)段優(yōu)化潛力和范圍則幅度增大。優(yōu)化壓力的時(shí)段、最不利點(diǎn)壓力和水廠優(yōu)化潛力和范圍確定后，就可以利用最不利點(diǎn)和水廠的壓力建立壓力優(yōu)化模型，計(jì)算水廠在保障最不利點(diǎn)壓力的前提下的降壓幅度和范圍。

降差人員根據(jù)水廠壓力與最不利點(diǎn)壓力線性關(guān)系，推導(dǎo)出壓力方程式。即：

P1PW：P2C=P1PWR：P2CR

P1PW：最大流量時(shí)段最不利點(diǎn)壓力

P2C：最小流量時(shí)段最不利點(diǎn)壓力

P1PWR：保障最不利點(diǎn)水廠出廠壓力

P2CR：最小流量時(shí)段水廠出廠壓力

通過上面方程式，得出最小流量時(shí)段水廠壓力：

P1PWR=（P2CR×P1PWR）/P2C=（0．46×0．35）/0．46=0．35MPa

即當(dāng)最小流量時(shí)段水廠壓力達(dá)到0．35MPa時(shí)，即可滿足最不利點(diǎn)壓力0．25MPa。由此，推算出最小流量時(shí)段水廠降壓范圍為：

PR=0．46-0．35=0．11MPa

CJ-T 316-2009《城鎮(zhèn)供水服務(wù)》雖然是供水管網(wǎng)壓力標(biāo)準(zhǔn)，主要指是白天正常用水期間的壓力服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，波谷時(shí)段即夜間最小流量時(shí)段壓力不在其范疇之內(nèi)，因此，最終將降壓范圍調(diào)整為0．11MPa，即水廠壓力保持在0．35MPa。這樣既可滿足降壓需求，又能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

4．降壓試驗(yàn)

根據(jù)大數(shù)據(jù)分析和挖掘的壓力優(yōu)化潛力，降差項(xiàng)目人員制定了波谷和次波谷優(yōu)化的方案和措施，并組成了由客服中心、水廠、調(diào)度、管網(wǎng)和檢漏部門的應(yīng)急處理小組，保障壓力優(yōu)化期間居民的正常供水，采用周期降壓、階段評(píng)估、循序漸進(jìn)的降壓方式，邊試驗(yàn)、邊觀察最小流量的變化，密切關(guān)注用戶的反映、投訴。如果遇到用戶投訴、反映時(shí)即可停止降壓試驗(yàn)，重新調(diào)整降壓方案。詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

夜間22：30～05：00壓力優(yōu)化范圍

通過大數(shù)據(jù)分析，該區(qū)域的次波谷在早上09：00～16：00之間，這個(gè)時(shí)段市民都在上班，用水量比波峰期下降了很多，過了早高峰08：00，水廠壓力一直維持在高壓狀態(tài)，徘徊在 0．45MPa左右。此時(shí)最不利點(diǎn)壓力 0．25～0．30MPa之間，比早高峰時(shí)段最不利點(diǎn)壓力0．2MPa要高出0．05MPa，因此，建議進(jìn)行富余的壓力給與優(yōu)化。水廠壓力優(yōu)化數(shù)據(jù)如下表：

09：00～16：00之間次波谷供水時(shí)段壓力優(yōu)化數(shù)據(jù)

通過夜間22：30～05：00和09：00～16：00時(shí)段的管網(wǎng)壓力優(yōu)化，愛河水廠的日供水量從2．6×104m3/d下降至1．8×104m3/d，平均每天下降了 0．8×104m3/d，夜間最小流量從1260m3/h下降至600m3/h，節(jié)水效果十分顯著，漏損率下降了30．76%。壓力優(yōu)化前后的夜間最小流量曲線圖如下：

通過對(duì)水廠壓力、流量系統(tǒng)、管網(wǎng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)挖掘，精準(zhǔn)找到了峰谷、峰值水廠和最不利點(diǎn)壓力優(yōu)化的潛力。通過對(duì)管網(wǎng)壓力優(yōu)化的研究、試驗(yàn)，充分證明了壓力管理是一種有效的控制漏損方法，對(duì)降低管網(wǎng)漏損、預(yù)防爆管、控制泄漏反彈，延緩檢漏周期、維護(hù)檢漏成果起到了積極的控制作用?？偠灾?，大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為科學(xué)、合理、精準(zhǔn)的壓力優(yōu)化提供了一種嶄新的優(yōu)化的思路和方法，把水廠、調(diào)度、管網(wǎng)、檢漏有機(jī)地融合在一起，為控制管網(wǎng)漏損控制探索出一種非常、經(jīng)濟(jì)、有效的降損方法，非常值得研究和推廣。