上海純水設備解讀：國外鄉(xiāng)村配水管網減少漏損的綜合創(chuàng)新方法借鑒
【上海水處理設備網americau.cn】鄉(xiāng)村配水管網(WaterDistributNetworkWDN中的壓力控制可以減少漏損、延緩設施老化并（更）有效地進行的更新工作。本文介紹了一種控制壓力以減少漏損的綜合方法，該方法結合了最新的分區(qū)計量（districtmeterareaDMA 優(yōu)化設計戰(zhàn)略和減壓閥的優(yōu)化設置。DMA 設計戰(zhàn)略包括通過關閉區(qū)域邊境的一些閘閥來重新配置水流路徑的可能性，而外地或遠程實時控制驅動的減壓閥的優(yōu)化設置則提高了減少漏損和最終解決方案的可靠性。該集成方法被應用到WDNetXL平臺中，用于鄉(xiāng)村配水管網深入分析、規(guī)劃和管理，并在意大利南部鄉(xiāng)村的實物配水管網上進行了示范應用。綜上，本工作提出了一種創(chuàng)新方法，同時展示了該方法在水務公司的應用，以支持從業(yè)人員在復雜的現(xiàn)實環(huán)境下做出決策。
A bstract
01.引言
Introduct
根據(jù)技術文獻，歐洲大部分鄉(xiāng)村配水管網（WDN建于上個世紀，已經超越了使用壽命。這種基礎設施老化最明顯的影響就是水量漏失，包括實際漏失水量和爆管漏水。爆管造成的漏損流量較大，但發(fā)現(xiàn)和修復時間較短；與此不同的實際漏失水量還包括背景漏損和未檢出的裂隙，因此對年度水平衡有重大影響[1]控制漏失水量還會對水資源分配系統(tǒng)發(fā)生積極影響，不只可以通過減少取水、水處置和抽水過程中的碳足跡來節(jié)約水資源，還可以提高系統(tǒng)的水流容量，延長設施壽命[2]由于供水漏損是設施老化和壓力的共同影響，因此可以通過以下兩種主要戰(zhàn)略來減少漏失水量: 上海實驗室純水設備
i規(guī)劃有效的設施更新維修工程 和/或
ii實施最佳壓力管理 例[3]
實際上，盡管設施復原是一個旨在更新基礎設施的中長期解決方案，但其成本通常高于壓力管理，歐洲許多地區(qū)，所需的投資遠遠高于可用的預算。此外，已有的經驗標明，更換管道之前，如果沒有對配水管網當前和預期的水力條件進行仔細分析，反而）很可能會增加滲漏�？紤]到水頭損失降低和新管道漏損減少的綜合影響，下游管網壓力（和漏損）會升高。因此，壓力管理是將配水管網管理與更新計劃結合起來的第一步。除減少實際漏失水量外，據(jù)報道[4]壓力控制戰(zhàn)略還能降低爆管率。
當壓力超越向用戶提供充分供水服務所需的值時（即服務壓力）通常會使用減壓閥進行控制。過去的二十年中，許多研究都是基于外地壓力讀數(shù)（即緊鄰閥門下游）來研究減壓閥的最佳運行戰(zhàn)略（如[5-7]而信息和通信技術則使得實施遠程實時控制減壓閥成為可能。最近對外地減壓閥和遠程實時控制減壓閥進行了比擬[1]結果標明遠程實時控制減壓閥除了控制穩(wěn)健性方面具有已知優(yōu)勢外，還提高了壓力控制和減少泄漏的效率。
為了實施有效漏損控制策略，國際文獻（如[3]建議通過分區(qū)計量（DMA 對配水管網進行監(jiān)測。DMA 配水管網的子部分，通常設計用于水平衡分析，并可發(fā)現(xiàn)由于滲漏或未經授權的用水而導致的異常情況。因此，基于DMA 壓力/流量監(jiān)測可以提供數(shù)據(jù)，預先定位新的滲漏點，加快檢測和維修活動。此外，流量和壓力監(jiān)測對于校準配水管網的水力模型以進行分析并支持規(guī)劃和管理決策也非常重要。
DMA 設計主要遵循配水管網的拓撲結構，因為其基礎是確定將每個DMA 與配水管網其他局部分開的管道，并在這些管道上裝置流量計。以往的研究提出了多種優(yōu)化DMA 識別的方法，如：可靠性最大化（如[8-9]DMA 邊境處開啟閥門數(shù)量最小化（如[10]甚至考慮彈性和最小壓力[11]最近，觀察到DMA 設計需要關閉閘閥以減少流量計的數(shù)量，提出了通過可實現(xiàn)的滲漏減少來驅動DMA 設計的想法[12]事實上，通過關閉閥門改變原有水流路徑可減少壓力和滲漏。Laucelli等人[13]提出了一種結構化的DMA 設計方法，其基礎是
i將配水管網拓撲細分為由不同分區(qū)節(jié)點分隔而成的DMA 分區(qū)；
ii通過確定分區(qū)節(jié)點來設計DMA 并關閉分區(qū)節(jié)點處的閥門來最大限度地減少DMA 分區(qū)的真實漏失。
本文提出的解決方案是通過求解多目標優(yōu)化問題獲得的其中關閉閥門的位置是通過最大限度地減少（高貴的流量計裝置數(shù)量和漏失水量來確定的
本工作介紹了兩種主要壓力控制方法的整合，即運行減壓閥和設計DMA 這種整合有兩個主要原因：一方面，許多配水管網已經使用減壓閥實現(xiàn)了壓力控制，因此在設計DMA 時應考慮到對管網中水流路徑的改變，以保證各處恰當?shù)墓┧畨毫�。另一方面，兩種壓力控制戰(zhàn)略的整合有望提供更高效的管網運行管理，并在異常情況下（如需水量變化）具有更強的魯棒性（robust
該策略已在位于意大利南部的幾個實際配水管網上得到驗證，以支持一家咨詢公司（即IA .INGs.r.l.設計DMA 目的依照管理這些系統(tǒng)的水務公司的要求進行系統(tǒng)監(jiān)控和減少漏損。許多被分析的配水管網已經采用了帶有外地控制的減壓閥，并顯示出相當高的漏損率，甚至超越了總供水量的50%每天損失的水量超越50m3/km
該策略在WDNetXL系統(tǒng)中得以實施，用于對配水管網進行深度分析、規(guī)劃和管理[14]因為它已經集成了可定制的優(yōu)化組件，更重要的作為支持壓力控制管理配水管網泄漏的關鍵要求，還集成了一致性和魯棒性的水力分析模塊。此外，Excel和GIS環(huán)境下的WDNetXL平臺上進行這種高級分析，旨在為研究效果及時傳送給實踐者提供一個實用的例子。上海實驗室純水設備
壓力控制戰(zhàn)略
漏損控制
魯棒性
02.通過DMA 設計實現(xiàn)壓力管理
PressurmanagthroughDMA design
實際的配水管網管理環(huán)境中，DMA 設計主要遵循經驗方法，依靠對配水管網拓撲結構的直觀分析和技術人員對特定系統(tǒng)的專業(yè)知識。遺憾的這項工作很少得到配水管網水力（模型）分析的支持，包括與壓力相關的漏失模型，也沒有考慮到配水管網分區(qū)效果的可衡量指標。此外，技術人員和決策者通常對實施"最優(yōu)"解決方案持懷疑態(tài)度，因為這些方案缺乏靈活性，無法適應當?shù)貤l件和實際限制因素（如不切實際的儀表裝置方案、計量裝置的精度缺乏等）文獻[13]中提出的結構化方法旨在克服這些局限性，使技術人員能夠在所有階段跟蹤和檢查DMA 設計過程，同時推動和調整最終解決方案以滿足實際需要。
第一個設計階段需要進行拓撲分割，將配水管網劃分為不同的虛擬分區(qū)。該階段解決了一個雙目標優(yōu)化的問題，目的找到最佳的折衷方案，即盡可能地減少分區(qū)節(jié)點，并獲得最大的基礎設施模塊化指數(shù)值[15-16]該指數(shù)來自于對復雜網絡理論中模塊化指數(shù)的重新表述，以表征作為基礎設施系統(tǒng)的配水管網的模塊化屬性。由拓撲分割所得的眾多解決方案相為嵌套，這就意味著在分區(qū)數(shù)量較少的劃分方案中的分區(qū)節(jié)點也會在分區(qū)數(shù)量較多的劃分方案中。
第二階段是DMA 水力設計，確定拓撲分段方案中應關閉閥門的分區(qū)節(jié)點，以重新配置水流路徑并降低分區(qū)內的壓力。該階段包括一個多目標優(yōu)化解決方案，目的最大限度地減少分區(qū)入口流量計的數(shù)量（即沒有關閉閥門的分區(qū)節(jié)點）和預期的真實漏失，同時確保有足夠的壓力來恰當?shù)貪M足供水需求。
需要注意的這種DMA 設計戰(zhàn)略是對現(xiàn)有配水管網的一種重新設計。事實上，考慮到現(xiàn)有管道的限制條件、當前的老化狀況和實際用水需求，可以盡可能地重新配置水流路徑。
供水管網可持續(xù)管理的綜合壓力控制戰(zhàn)略
圖源：住建部《城鎮(zhèn)供水管網分區(qū)計量管理工作指南》
網址：https://www.gov.cn/xinwen/2017-10/24/5233965/files/775202aa79cb4cbab71909d289551537.pdf
03.
整合減壓閥規(guī)劃和DMA 設計
IntegratPRVplanandDMA design
通過減壓閥進行的壓力控制可采用傳統(tǒng)（外地）或遠程實時控制（remotreal-timcontrolRRTC戰(zhàn)略。外地控制包括調節(jié)閥門開度，以堅持設備下游所需的目標壓力。這種戰(zhàn)略通常采用目標壓力讀數(shù)集成在同一設備中的水力機械閥。由于外地減壓閥調節(jié)的受控區(qū)域上游的壓力，用戶用水需求隨時間的變化會導致通過配水管網的水頭損失發(fā)生變化，因此需要定義目標壓力值的時間模式，以保證在需求高峰時有足夠的壓力條件，并避免在需求低谷時壓力過高。
減壓閥的遠程實時控制包括根據(jù)關鍵節(jié)點的目標壓力調節(jié)閥門開度，而關鍵節(jié)點可能遠離減壓閥。信息和通信技術解決方案可將關鍵節(jié)點的壓力讀數(shù)傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂?/span>(PLC裝置，該裝置使用電動執(zhí)行器調節(jié)閥門的開度。與外地減壓閥不同，RRTC戰(zhàn)略要求在關鍵節(jié)點處確定一個在運行周期內不會改變的目標壓力，因為該壓力通常接近供水所需的壓力（例如，取決于當?shù)睾０位蚪ㄖ锏母叨龋┮虼耍?guī)劃RRTC控制戰(zhàn)略比外地控制戰(zhàn)略更加穩(wěn)健，因為外地控制戰(zhàn)略的閥門開啟模式嚴格依賴于模擬過程中假設的需求情景。
結果標明，要比較RRTC和外地減壓閥的壓力控制戰(zhàn)略來進行滲漏管理，需要對配水管網進行先進的水力建模。盡管本研究中采用的并在WDNetXL系統(tǒng)中實現(xiàn)的模型細節(jié)可在一些參考文獻中找到如[17][1]但仍值得提及一些關鍵的建模要求，以支持壓力控制規(guī)劃。
為了對可能出現(xiàn)的壓力缺乏情況進行水力學上一致的分析，同時尋找最佳解決方案，必需對所有需水組成局部進行壓力驅動建模[18]
體積泄漏模型為沿管道分布的隨壓力變化的流出量。本文的分析采用Germanopoulo模型[19]其中第i個管道的泄漏流量計算公式為qi=βiPiαi第i個管道的平均壓力為Piαi和βi參數(shù)取決于管道的劣化水平和材料。
遠程實時控制減壓閥的高級水力模型，出于規(guī)劃目的假定臨界節(jié)點的壓力瞬間達到即不預先定義局部控制的時間模式）
上述DMA 設計戰(zhàn)略對水流路徑進行了重新配置，導致管網內水頭損失發(fā)生變化，從而局部改變了原始配置的壓力。減壓閥通過調節(jié)受控區(qū)域上游的水頭（即能量）對壓力進行全局控制，旨在最大限度地減少壓力過剩，同時與恰當供水的最低壓力相匹配。
可以認為，通過減壓閥進行全面減壓意味著減少管網中可用的水頭（能量）從而減少了通過重新配置水流路徑進行減壓的空間。這種情況反過來又會減少關閉閘閥的數(shù)量，并在DMA 邊境的分區(qū)節(jié)點上安裝更多的流量計。反之亦然，打開減壓閥后，關閉閘閥的機會更多，水流流量也會隨之改變，水頭損失也會隨之增加。后一種情況下，流量計的數(shù)量會減少，裝置和維護本錢會降低，水量平衡也會更可靠。
由于配水管網中的水路存在冗余，因此并不存在唯一的最佳解決方案，而是存在許多替代方案，減壓閥和DMA 配置的共同作用下，最大限度地減少流量計的數(shù)量和實際漏失水量。
整合減壓閥規(guī)劃和DMA 設計的順序遵循兩個主要步驟。
1確定減壓閥控制變量，即RRTC戰(zhàn)略中臨界節(jié)點的目標壓力或局部控制戰(zhàn)略中時間模式目標壓力的多個值。實際上，遠程實時控制減壓閥代表臨界節(jié)點的期望壓力條件，也應通過局部控制來滿足。因此，確定遠程實時控制減壓閥臨界節(jié)點處的唯一目標壓力將為局部控制提供目標壓力的時間模式。如前所述，水力模型WDNetXL可以對遠程實時控制減壓閥進行仿真。上海實驗室純水設備
2通過求解與水力DMA 設計相同的多目標優(yōu)化問題（見第4節(jié)）來搜索最佳壓力控制解決方案，并將第一步中確定的減壓閥控制目標值作為附加決策變量。
04.案例研究
CaseStudi
該綜合戰(zhàn)略用于支持DMA 優(yōu)化設計，旨在減少實際鄉(xiāng)村配水管網中泄漏的同時優(yōu)化流量和壓力監(jiān)測。該配水管網為約12,000名居民提供服務，分區(qū)順序是基于WDNetXL平臺中配水管網水文模型初步劃分方案實施的圖1
該模型包括987個節(jié)點和1,105根管道，管道長度約為38千米。最初的配水管網配置已包括一個外地減壓閥，其壓力設置見圖2實際上，該閥門只調節(jié)了這個配水管網的一條供水管道，而一個半關的閘閥則調節(jié)了另一條供水管道（圖1中的黑色方形）壓力。根據(jù)年度水量平衡估算，這個分區(qū)的真實漏失水量約占58%即每天59立方米/千米左右。
實施DMA 優(yōu)化設計綜合順序之前，通過關閉第二條既有進水管線，重新配置了既有進水方案，以便通過減壓閥控制壓力。
假設可以裝置一個遠程實時控制減壓閥，控制節(jié)點的設置如圖3中"Pset"所示。根據(jù)當?shù)毓┧⻊找?guī)則以及私人蓄水池的存在向用戶保證的最低壓力設定為6米水頭（mofwatercolumnmWC
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圖 1.配水管網布局和饋水管線細節(jié)
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圖 2.外地減壓閥的初始壓力設置
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圖 3.新的饋水配置和控制遠程實時控制減壓閥的關鍵節(jié)點位置
第一階段確定了25個拓撲分割方案，每個模塊最多有56個分區(qū)節(jié)點，分隔25個分段。圖4顯示了拓撲分段方案，最大分段數(shù)是第二階段搜索最佳水力DMA 設計時假定的同時優(yōu)化了遠程實時控制減壓閥關鍵節(jié)點的壓力設置。
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圖 4管網拓撲分割
如表1所示，第二階段提出了六種解決方案，包括不同的滲漏減少量（占原滲漏量的百分比）和線性水量損失。
表 1.用于遠程實時控制減壓閥的DMA 設計方案
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每個分區(qū)方案都確定了一組在分區(qū)節(jié)點處裝置分割閥們和壓力表的戰(zhàn)略。事實上，所有解決方案中流量計和關閉閥門的總數(shù)均為56個。進一步，每個解決方案都給出了各遠控減壓閥的最佳壓力設定值。值得注意的不同的解決方案代表了裝置流量計數(shù)量和降低真實漏失之間的不同權衡。例如，解決方案1顯示了流量計的最少數(shù)量，盡管它并沒有減少原始泄漏量。上海實驗室純水設備但該方案中，遠控減壓閥的入口壓力設定值是所有方案中最大的
第2至第6個解決方案包括更多的流量計和更少的閘閥，盡管它位于不同的分區(qū)節(jié)點處。不同入口流量的重新配置會導致不同的過水路由變更方案，從而導致不同的局部壓力供給。事實上，盡管解決方案3至6中遠控減壓閥的入口壓力設定值相同，但配水管網中泄漏降幅在繼續(xù)增加。
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圖 5.DMA 設計方案1
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圖 6.DMA 設計方案2
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圖 7.DMA 設計方案3
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圖8.DMA 設計方案4
圖5至圖10顯示了表1中六種解決方案的DMA 配置，以青色正方形顯示了分隔DMA 流量計位置。為清晰起見，該圖只顯示了可能裝置在流量計同一檢修井中的壓力計。
值得注意的不同的漏損下降率也與平均管道壓力有關。詳細而言，表1顯示，解決方案1和2漏損下降率最低，但平均管道壓力最高（超越16米水頭）反之亦然，從方案3方案6平均壓力沒有變化，這與這些方案的漏損下降率相似是一致的
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圖9.DMA 設計方案5
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圖10.DMA 設計方案6
表1中的數(shù)據(jù)分析與圖5至圖10中各方案的DMA 布局相結合，為技術人員選擇執(zhí)行設計中最有效的配置提供了決策支持。更詳細地說，方案3一種水力DMA 配置，能以最少的流量計（27個）減少最多的泄漏。事實上，方案4至6中流量計數(shù)量的增加并不能從技術上減少實際漏失水量。
圖11顯示了方案3中關閉閘閥的位置，這決定了水網中水流路徑的重新配置。圖12至圖16出現(xiàn)了DMA 設計方案3下的水力模擬結果。 上海純水設備
圖13顯示了典型的日常運行周期中，每小時輸送給客戶的水量以及實際漏失的水量。值得注意的通過遠程實時控制減壓閥進行壓力控制的情況下，與壓力相關的漏損量在一天中會發(fā)生變化，這是由修改后水流路徑的水頭損失造成的
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圖 11.DMA 設計方案3中關閉的閘閥
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圖 12.DMA 方案3中的節(jié)點壓力
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圖 13.DMA 設計方案3中的客戶需求量（青色）和實際漏失水量（藍色）
圖14還顯示了每條管道的預期延長漏損，單位為立方米/公里·天。最高值（深藍色）主要位于老城中心，這是由于管徑小而假定較高的老化參數(shù)，而郊區(qū)則表示出較高的壓力。這些信息為今后更換管道提供了可靠的參考，但還需要進行細致的水力分析。
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圖 14.DMA 設計方案3中的延長泄漏
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圖 15.DMA 設計方案3中遠程實時控制減壓閥控制節(jié)點的壓力
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圖 16.DMA 設計方案 3中外地減壓閥控制節(jié)點目標壓力的時間規(guī)律
如圖15顯示，經過驗證，遠程實時控制減壓閥可使控制節(jié)點的目標壓力堅持恒定。實際上，如果無法裝置遠程實時控制減壓閥，同樣的模擬也可提供外地減壓閥控制（即圖1中原始配置的同一控制節(jié)點）目標壓力時間模式；如圖16所示，其趨勢反映了客戶的需求。 上海純水設備
4.1.DMA 適應性選擇
4.1.AdaptablselectofDMA
如上所述，DMA 設計方案3確定了應關閉的閘閥，以盡量減少實際漏失水量。然而，實際環(huán)境中，流量計的裝置位置應與預算限制或實際裝置可行性等因素相匹配。通過拓撲片段的嵌套，可以取消一些流量計，從而合并連續(xù)的DMA
如文獻[20]所述，所采用的DMA 設計戰(zhàn)略允許根據(jù)專家判斷、分段嵌套或有效計量來執(zhí)行某些規(guī)范，以減少流量計。為完整起見，圖17舉例說明了如何將流量計從27個（方案3減少到9個。結果形成7個用于水平衡的DMA 圖中還顯示了61個壓力表的位置，包括位于DMA 邊境（關閉閘閥兩側）原27個流量計的閥門井內以及由技術人員決定的DMA 中心位置的壓力表。
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圖 17.根據(jù)解決方案 3選擇的DMA 示例
05.結論
Conclus
配水管網的壓力控制對于控制和減少水損失至關重要，甚至在規(guī)劃設施更新之前。監(jiān)測流量和壓力也是支持這類鄉(xiāng)村基礎設施的管理、運行和規(guī)劃活動的一項重要任務。本工作提出了一種壓力控制戰(zhàn)略，將創(chuàng)新的DMA 設計方法與減壓閥(PRV同步優(yōu)化相結合。提供了關閉閘閥和設置流量計的最佳位置，以分隔DMA 同時還能為減壓閥設定目標值，兼顧RRTC和本地控制。實際上，關閉閥通過重新配置水流路徑實現(xiàn)了局部壓力控制，而位于控制區(qū)域上游的減壓閥實現(xiàn)了全局壓力控制。
值得注意的配水管網上游設計和設置減壓閥除了能減少滲漏，還能提高DMA 設計方案的可靠性，以應對DMA 實施后可能出現(xiàn)的水力條件變化。
實際配水系統(tǒng)上的演示證明了該策略的有效性和適應性，能適應通常會阻礙實施"優(yōu)化"區(qū)域設計的實際限制因素。
該戰(zhàn)略作為一個整體在WDNetXL平臺上實現(xiàn)，GIS和Excel環(huán)境下工作。
數(shù)據(jù)和圖片來自WDNetXL本次推送中的局部照片為譯者添加，非原文配圖）由IDEA -RTs.r.l提供(www.idea-rt.com工作部分由“2007-2013年發(fā)展和凝聚力基金-A PQ研究普利亞地區(qū)”區(qū)域計劃“未來研究”資助。 上海純水設備
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