随着国内供水企业SCADA、GIS、DMA等信息化系统和物联网技术逐步完善,水司进行管网建模的条件日渐成熟。但大多数水司建模思路是利用GIS数据和SCADA数据进行全管网模型构建,建模的过程往往复杂和耗时,即便经过校验后的模型,一般在半年之后误差变大,需重新校验,投入大量人力、物力和财力,但在实际运用中效果并不理想,这就要求供水企业应避免盲目地开展建模工作。为了提高给水管网的管理水平,特别是减少供水产销差,国内外在一些地区大都进行分区域管理模式尝试,然而,虽然大多数研究结果都肯定了分区域管理的有效性,也有越来越多的地区开始采用此种管理模式,但对按分区理念进行设计和改造的管网在水力特性等方面仍未开展广泛的研究,其效用尚未充分发挥^[1],笔者从水司分区计量管理模式、理念和实际工程出发,提出基于物联网监测的现状供水系统分区建模方法(简称“分区建模”),“分区建模”借鉴了漏损控制中“分区计量”网格化管理的理念,是对于常规建模思路的一种转变和实践。

1980年初,英国水务研究协会在“漏损控制与实践”的报告中首次提出了DMA的概念,作为当前管网漏损控制的重要技术手段,DMA分区计量管理模式已在国内大多数水司得到广泛的应用和实践。分区计量管理是通过监测和分析各分区的流量变化规律,评价管网漏损并及时作出反馈,将管网漏损监测、控制工作及其管理责任分解到各分区,实现供水的网格化、精细化管理。

基于此,本文提出了基于物联网监测的现状供水系统分区建模技术方法,将庞杂的供水管网,切割成数个或数十个可独立建模的管网分区区块,通过在边界位置设置对应的模型组件(如虚拟水池、用水节点和对应模式曲线),划分为若干个相对独立的供水子系统,在子系统模型建立阶段按照常规的建模流程进行模型搭建和模型校核,校核后的分区模型可独立运作,也可根据分析需求,合并相邻的片区模型,以此逐步扩大分析范围,实现“父子”模型联动性与长效性。基于物联网监测的管网系统分区建模示意见图1。

“拆解组合,化繁为简”是分区建模的基本精神。通过此技术方法,可将原本“高不可攀”的水力建模,落实到每个水司。对比传统建模而言,分区建模优势如下。

对于一个较小管网的模型建立和校核,其复杂程度会小很多,模型的建立进程要比整体模型的建立快很多。各区域的管网元素相对独立,相互之间的影响被降到最小,分区模型更有利于模型的校核,模型校核在于准确地定位模型误差的位置,较小的模型利于对误差进行更精确的量化与定位。对模型精度影响较大的是管网需水量的准确性,对此可借由现今普遍装置的边界流量计,直接测量进出该区块的准确水量,就可以在更小范围内找出需水量误差的位置及大小。

目前多数供水企业都已建立管网分区计量,在建模工作中,可充分利用该优势,在一级分区、二级分区甚至三级DMA分区的基础上进行分区模型的构建。建模过程中可充分利用各供水区域间已安装的远传压流监测设备。而后期的更新维护,更可以根据各分区的建设与运行情况、地理信息系统更新等信息,仅需针对分区模型进行个别的更新维护。同时高精度分区模型的合并分析,将反过来评估现有计量分区合理性,进一步指导管网精细化分区操作和管理。

阶段性开展分区建模,最终建立完整管网模型。分区建模可根据管网各区域的基础条件或供水管理的轻重缓急,排定顺序逐步实施。例如,对基础管网条件、在线监测设备完善的区域,可优先建立试点分区管网模型。在建模过程中摸索适合自己实际情况的建模方案,包括管网资料检验方法、用户水量分配方法、用水规律测试方法等。试点模型区域的建立方法和过程会对其他分区模型、整体管网模型的建立具有指导作用,将建模经验推广到其他区域,能加快全管网模型的建设进程。

对于大型供水企业,通过对分区块管网模型的建立、校核、更新维护^[3],能让供水企业人员快速上手,快速培养一批高水平的模型应用和维护人员。针对各分区模型规模和布局,可设置由专项建模小组同时进行管网拓扑建立、水量分配、模型校核、维护等工作,然后进行合并应用。这种模型管理和维护的方式,可降低投入成本,在有效性和实时性两方面提升模型运维的质量。

分区建模的关键在于降低数据采集、管网参数修正的难度,从而缩短建模周期和降低维护难度,探索适合水司自身的建模方案和标准流程。以下列出几个管网分区建模思考方向,供水司实施参考。

许多水司已经建立管网分区管理机制,一般各级分区边界都会安装监控流量计,因此考虑以现有的各级分区为建模单元,顺势以此建立分区管网模型,可单独辅助对应计量分区的管理,也可以组合相邻片区模型,组建全区域管网模型。

对于已经实施管线物探的区域,GIS数据可信度高,可以优先考虑分区建模。也就是随着管线物探与GIS数据的逐步完备,依序实施分区建模。而分区建模的模型校正,也可以当作GIS数据的反馈验证,以此确认GIS数据的真实性。

随着供水企业对数据采集与监视控制系统(SCADA)的不断完善,一般大用户配有远传水表,可以及时获取大用户的需水量。由于一般大用户需水量占管网需水量比重高,部分地区大用户需水量占到整个供水管网的50%以上,引入大用户需水量信息,将有利于提高现有节点需水量反演精度。

沿着供水管线顺藤摸瓜,切割供水子系统作为分区建模的范围,是对管网整体性变动最小的切割方式。就流体力学的角度而言,也是最合理的分区模型建立方式。

常规管网水力模型构建流程主要包含以下几个步骤:数据的采集、数据整理校验、管网模型建立、管网模型校核、管网模型验证与应用。上述建模流程是个繁琐迭代的过程,直至整体模型精度达到实际应用的精度要求,水力模型才能投入使用。常规供水管网水力模型的构建流程如图2所示。

分区建模的构建流程,可分为6个阶段 (见图3)。首先是选定建模的分区,明晰管网边界进行管网切割,接着在切割边界点设置水池或用水节点等虚拟设施,模拟被截断管线的水流进出状态,然后进行管网仿真与模型校正,最后,将2个或者多个独立完成建模的分区,取消两者交界处的虚拟设施,合并成为更大的分区模型,并以此重复管网仿真与模型校正,进而实现分区建模的需求目标。

分区模型边界:切割之后的管网分区,在切割边界点设置水池或用水节点等虚拟设施,模拟被截断管线的水流进出状态。再以切割点的水头模式(Head Pattern)或用水模式(Demand Pattern)进行管网仿真与模型校正。切割点虚拟水池的水头模式,可根据安装于现场的压力计,长时间纪录压力随时间的变化趋势,以此换算水头模式。至于切割点虚拟用水节点的用水模式,则根据安装于现场的边界流量计,长时间纪录流量随时间的变化趋势,以此换算用水模式。

分区模型合并:相邻2个分区模型的合并作业分为2个阶段。首先是以一个连接节点取代虚拟边界上的虚拟设施 (水池或用水节点)。之后再比较合并前后管网任意节点与管线的压力与流量值是否存在差异。如果存在明显差异,表示原先合并处的某些虚拟设施,其设定值存在误差。此时应该回到独立分区模型,重新修正该虚拟边界的进出水模式设定值。

北方某经济技术开发区供水范围约158 km²,供水服务总人口为38万人,目前区域内供水均外购所属上级管辖行政区域自来水公司,管网总长度约340 km,供水能力约7万m³/d,管材以球墨铸铁、铸铁、PE为主。该水司建模前充分结合规划分区管理模式下给水管网的特性,开展了基于已有分区模式下给水管网分区建模的方法,对传统的建模方法进行策略转化,全管网进行了三级分区,优先构建9个二级子片区水力模型,基于分区建模技术路线,指导9个子片区模型合并完善3个一级分区水力模型,并最终实现全管网模型的构建,此项实践案例表明,充分利用分区域管理模式的特点,能够简化模型运维过程,提高精度和效率,分区建模的成功经验可为同行企业水力建模提供技术借鉴。部分二级分区模型切割、合并如图4所示。

合并后的一级分区进行模型计算、校验后,为确保分区建模技术方案的可行性,与二级分区布设的对应在线监测点位进行比较,结果基本一致,对比分析结果见表1和表2。

此项实践案例表明,充分利用分区域管理模式的特点,能够简化模型运维过程,提高精度和效率,分区建模的成功经验可为同行企业水力建模提供技术借鉴。

对供水管网实施分区模型建立、分区模型校核、分区模型管理以及分区模型运用是一种对传统管网建模思路的革新,以模型应用为核心,构建机动、灵活的水力模型平台,高效地指导供水管网调度、分析、运维管理。通过此技术方法,可将原本“高不可攀”的水力建模,落实到每个水司。分区建模不仅大幅简化水力模型的复杂问题,更可借此将管网切割成可拼凑独立单元的观念进一步应用在管网模型的数据库管理。以各自独立的管网单元为数据库的基本管理单元,可将庞杂的管网数据管理,转化为简单维护与容易扩充的管网数据库,科学构建供水调度决策系统,这也是下一步研究方向。