随着城市化的加剧, 给水管网作为城市发展的生命线, 规模不断扩大, 构造复杂度也不断提高, 运行管理难度直线增加。据统计, 我国城市管网漏损普遍, 国内的供水管网漏失率平均达到27%, 且呈逐年上升的趋势^[1]。住建部早在《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》中提出了2项提高 (安全、效益) 和3项降低 (电耗、药耗、漏失) 的发展目标^[2]。当前对供水行业的发展而言, 最关键的一个问题是, 如何提高给水管网的管理水平, 优化管网拓扑结构, 减小管道漏失, 提高供水效率, 从根本上降低管网产销差, 提高供水的安全可靠性。

　　 结合我国供水管网现状特点, 利用WNW7.0模型软件建立城市供水管网的水力模型, 提出了DBS (Distribution Blocking System) 区块化方案。DBS区域计量不同于DMA (District Metered Area) 区域计量, 更适于我国常见的大型供水管网系统。

　　 (1) 管网规划设计:DMA直接将供水管网按供水范围划分为3 000~5 000用户的小型子系统若干个, 适用于管网规模不大的城市, 而DBS通过分离供水管网主干管和干管的供水功能, 将其逐级划分为若干个子系统, 实现阶层化供水, 最末级则按DMA区域计量模式进行分区, 更适用于国内常见的大型供水管网。

　　 (2) 分区目的:DMA分区主要负责提高水司的检漏效率, 降低产销差, 但是DBS分区同时还负责实现对管网水压的管理和对水质的改善, 有助于水司对供水管网实现更有效的管理。

　　 (3) 工程可操作性:DBS需要安装的阀门和流量计更少, 维护成本和人工成本更低。

　　 (1) 确定分区阶层。一般根据管网规模、可靠性要求及资金状况等条件来确定区块规模。我国的给水管网系统分区时至少采用两级分区系统:第一阶层主要实现合理配水;第二阶层主要实现流量计量、压力控制、改善水质等其他功能。

　　 (2) 划定区域规模。划定区域规模时需要充分考虑管网的结构特点, 利用WNW7.0划分出第一级分区, 并在第一级分区的基础上依次实现第二、三级分区。划分区块时, 以各水厂出水干管、主干管供水分界线作为分区边界条件, 能够减小混合供水面积, 有效地改善水质。除此之外, 还应该考虑区域内具体地形条件以及天然和人为的障碍, 如河流水域、铁路、山区、人口密度等。

　　 (3) 确定合理进水点。进水点数量关系到区域内水压、流量及供水安全。单点进水虽然有利于确定压力控制点, 实现各供水区域独立, 但在发生事故时, 供水安全性不及多点进水, 所以一般建议采用两点进水。通过WNW7.0可模拟确定不同的分区方案进水点数目和位置。

　　 (4) 评估分区效果。利用WNW7.0模拟评估分区方案的合理性, 包括压力的均衡性、水龄长短及余氯浓度分布等, 在此基础上进一步完善分区方案。同时明确主干管、配水管, 便于管理和安装阀门、水表等, 另外为防止产生死水区, 应在管道末梢形成环状或设置排水设备。

　　 M市位于我国东北部, 全市总面积3.882 7万km², 总人口278.5万人。地势西北高东南低, 地形以山地、丘陵为主, 呈现出中山、低山、丘陵、河谷盆地4种地质形态, 市区中部属于盆地地貌, 城区地势高差不大。该市自来水公司日供水能力19.086万m³。在该市的西南方向共设有A、B两座水厂, 其中夜间只有A水厂进行供水。同时, 该市还设有94个二级加压站分别向城区各地加压供水, 以保证末端用户的用水可靠性。

　　 (1) 该市自来水公司目前对城市给水管网中水质变化、管网的优化运行、供水的安全可靠性技术缺乏研究。

　　 (2) M市大部分供水管网铺设时间较长, 管网老化严重, 管网漏失量大, 造成水资源与能源浪费, 影响了正常的工农业生产。

　　 (3) 给水管网内部由于过长时间没有清理, 管壁上附有大量的污垢、细菌等, 水流在管内的流动导致供水发生了二次污染, 用户端水质明显下降。

　　 M市供水管网基本成环状布局, 各管段相互连接, 彼此互通, 缺乏独立性。M市供水公司为了进一步明确各区域供水责任, 切实减小供水产销差, 在该省率先利用水力模型对该市供水管网进行DBS分区模拟, 在此基础上进一步分析修改, 实现全市供水管网区块化供水。

　　 首先, 根据M市供水管网压力南高北低的现状条件, 将其分为南北两片一级供水阶层。其次, 考虑到M市的行政区块划分以及地理分布状况, 根据M市河流、道路、铁轨等本身就存在的自然边界, 形成了北一、北二、南一、南二、南三、南四这6个二级供水阶层, 各区域之间尽量减少连接, 对现有的相邻区域之间的边界阀门进行适当的关阀操作并设置区域紧急联络管, 如图1所示, 图中方框为主要关闭的阀门。同时, 在一些不适宜进行关阀操作的管道上安装双向流量计, 如供水范围较大的主干管等。分区后效果如图2所示, 通过分区, 各区域可以实现独立计量, 进而可明确各区域内部产销差, 把产销差控制绩效考核明确到各营销公司, 通过各区域的漏损控制和管理措施, 供水产销差可明显降低。

　　 通过区块化, 大的管网系统被分割为若干相对独立的小区域, 各区域内的最不利点的水头值和其余节点的水头值差距减小, 管网压力更加均衡。M市区块化方案确定之后, 在模型中经过水力计算, 可以发现区块化高峰用水时段的最大压力下降5.37%, 最小压力提高1.01%;一般用水时段的最大压力下降5.78%, 最小压力提高1.64%。区块化有利于节能降耗、减少管网漏失和爆管事故的发生。北二区区块化前后管网压力变化见图3。

　　 水龄是评价水质好坏的重要指标, 通过区块化, 供水主干管和干管实现了功能分离, 阶层化供水实现, 各区块之间相对独立, 区块内部的水流的流动距离缩短, 各节点供水路径简化, 供水时间缩短, 水龄降低。区块化之前平均水龄10.507h, 区块化之后平均水龄8.557h, 水龄时间最大可缩短18.56%。由此可见, 区块化后较好地改善了管网水质。图4给出了3个关键点水龄随时间的变化情况。

　　 本工程通过采用DMA分区方式对M市供水管网进行重新划分管理, 有效改善了M市供水的水质不佳、水压不均衡情况。在DMA分区中, 第一阶层主要负责全管网的水量管理, 但目前关于如何分划区块并没有成熟的理论和技术支持, 只能依靠经验进行分区。为实现供水管网一级分区, 本文比较了2种分区方案:

　　 方案一:按管理原则划分

　　 M市主城区主要由A水厂供水, 故拟按照A水厂3根出厂管的供水路径进行划分。

　　 运用水力模型分析发现1#和3#出厂管供水路径基本重复, 为实现区域独立计量, 需要在相邻的小管段上关闭阀门, 同时在较大的管段上安装双向流量计, 这势必会影响管网当前的运行状态, 导致管网末端节点流量不足, 影响用水安全性。

　　 方案二:按压力原则划分

　　 M市管网的压力分布很不均匀, 南部管网压力偏大, 北部管网压力偏小, 南北压力差值较大。而且南北管网中间仅有数条大型主干管相连, 易于分区独立计量。

　　 综上所述, 按照压力分区原则将M市供水管网划分为北部低压区和南部高压区, 可以更好地保证供水安全性。DMA分区方法与原则需要结合当地实际自然情况和管网布局情况, 最大限度降低DMA分区的工程量和工程难度, 确保在最经济条件下满足供水的安全性和可靠性。

　　 实现DBS分区后, 水压均衡、水龄降低、水质提高, 管网最大压力值最高下降5.78%, 最小压力值最大提高1.64%;水龄时间最大可缩短18.56%。与M市现有的环状管网布局相比, 管网DBS模式使管网管理实现水量分区计量, 提高管理效率。