北京市dma分區(qū)方法研究與實(shí)踐

北京市dma分區(qū)方法研究與實(shí)踐

20世紀(jì)80年代，“多腔”一詞出現(xiàn)在一個(gè)或多個(gè)入口，以及一個(gè)獨(dú)立的供水區(qū)，入口處和出水口的流量是由注冊(cè)限制的。作為一種有效控制管網(wǎng)漏失的方法,DMA的理念已經(jīng)被各國(guó)供水企業(yè)所普遍接受,但在國(guó)內(nèi)還鮮見(jiàn)具體實(shí)踐的報(bào)道。中科院生態(tài)環(huán)境研究中心和北京自來(lái)水集團(tuán)合作,以北京市二環(huán)內(nèi)供水管網(wǎng)為基礎(chǔ),對(duì)DMA進(jìn)行了劃分和2個(gè)示范區(qū)的實(shí)踐,對(duì)示范區(qū)的水壓和水質(zhì)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)以檢驗(yàn)DMA的安全性。1dma的大小掌握供水管網(wǎng)的特點(diǎn)是合理劃分DMA的前提。北京市二環(huán)內(nèi)供水管網(wǎng)屬環(huán)狀網(wǎng),供水干線(管徑≥400mm)呈環(huán)狀結(jié)構(gòu),在劃分DMA時(shí)將供水干線排除在外,保持其原有的環(huán)狀結(jié)構(gòu)以保證供水安全,只對(duì)供水支線進(jìn)行DMA分區(qū)。對(duì)環(huán)狀管網(wǎng)進(jìn)行DMA規(guī)劃時(shí)需要關(guān)閉更多的邊界閥門(mén)以實(shí)現(xiàn)各個(gè)DMA的獨(dú)立分區(qū),由此而產(chǎn)生更多需要解決的問(wèn)題。DMA的大小是規(guī)劃時(shí)要考慮的首要因素,其主要體現(xiàn)在用戶(hù)數(shù)(NumberofProperties,NP)和管線長(zhǎng)度(MainsLength,LM)上。國(guó)外進(jìn)行DMA劃分時(shí)大多把用戶(hù)數(shù)NP作為DMA大小的參考標(biāo)準(zhǔn)。由于北京市二環(huán)內(nèi)用戶(hù)密集、人口密度大,因此DMA用戶(hù)數(shù)NP不能?chē)?yán)格參照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn),也不應(yīng)把NP作為衡量DMA大小的唯一指標(biāo)。DMA的主要功能是監(jiān)測(cè)管網(wǎng)的漏失,管線長(zhǎng)度LM不僅影響漏失監(jiān)測(cè)功能的發(fā)揮(管線越長(zhǎng)越難進(jìn)行漏失點(diǎn)定位,但是管線太短會(huì)增加DMA應(yīng)用的投資),而且對(duì)DMA內(nèi)水壓和水質(zhì)也有直接影響,分析后認(rèn)為針對(duì)北京市供水管網(wǎng)而言,LM是決定DMA大小更合適的指標(biāo)。在北京市二環(huán)內(nèi)供水管網(wǎng)DMA劃分時(shí),綜合考慮NP和LM兩個(gè)因素,NP平均控制在3000戶(hù)左右,LM控制在10km左右。北京市配水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(GIS)提供了管線、閥門(mén)、道路等全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),此系統(tǒng)信息準(zhǔn)確、功能強(qiáng)大,是二環(huán)內(nèi)DMA規(guī)劃的主要依據(jù)。2北京二環(huán)路污水管道亞區(qū)的步驟2.1創(chuàng)建gis圖層根據(jù)GIS提供的管網(wǎng)、道路、河流等數(shù)據(jù)信息,綜合考慮DMA的大小(包括NP和LM),劃分臨時(shí)DMA的邊界。創(chuàng)建GIS圖層,清楚表達(dá)臨時(shí)DMA的范圍和邊界。初步劃分時(shí)盡量把原有的水力邊界作為DMA的邊界,一方面可以保持DMA區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和地址(如街道、小區(qū)等)的完整性,減少新建管段和邊界閥門(mén)的數(shù)量,降低投資,方便用戶(hù)統(tǒng)計(jì)和DMA管理;另一方面保持原有的水力邊界可以最大限度地減少DMA內(nèi)管線的沿程水頭損失。2.2dma的文化建構(gòu)該步驟統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)有用戶(hù)數(shù)NP、月均用水量CM和管線長(zhǎng)度LM。北京自來(lái)水集團(tuán)營(yíng)銷(xiāo)分公司有用戶(hù)用水量和地址的詳細(xì)記錄,為DMA各項(xiàng)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)提供了基本資料。從GIS上得到臨時(shí)DMA包含的街道和小區(qū)名稱(chēng),結(jié)合營(yíng)銷(xiāo)數(shù)據(jù)中用戶(hù)地址統(tǒng)計(jì)臨時(shí)DMA的NP和CM。后續(xù)進(jìn)行的DMA示范區(qū)的實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)營(yíng)銷(xiāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的用戶(hù)數(shù)略小于真實(shí)用戶(hù)數(shù)(這是由抄表方式和統(tǒng)計(jì)誤差造成的),真實(shí)用戶(hù)數(shù)可以由統(tǒng)計(jì)結(jié)果乘以調(diào)整系數(shù)得到(調(diào)整系數(shù)根據(jù)DMA示范區(qū)的真實(shí)用戶(hù)數(shù)和統(tǒng)計(jì)用戶(hù)數(shù)之間的關(guān)系得出,約為1.2～1.5)。此步驟得到的DMA用戶(hù)數(shù)只是用來(lái)反映DMA的大小,但不是反映DMA大小的唯一指標(biāo),此精確度已能滿足DMA劃分的要求。北京市二環(huán)內(nèi)的用戶(hù)基本上都裝有水表,DMA的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是戶(hù)外供水管線,因此統(tǒng)計(jì)臨時(shí)DMA的管線長(zhǎng)度時(shí)不包括進(jìn)戶(hù)管,只統(tǒng)計(jì)管徑>15mm的供水管線。GIS中有管線的詳細(xì)信息(包括長(zhǎng)度、管徑、地址等),利用GIS的統(tǒng)計(jì)功能得到臨時(shí)性DMA的管線長(zhǎng)度LM。2.3dma指標(biāo)調(diào)整根據(jù)臨時(shí)DMA的NP和LM,調(diào)整得到正式的DMA,調(diào)整后需重新統(tǒng)計(jì)DMA的各項(xiàng)指標(biāo),確保DMA的NP在3000戶(hù)左右,LM在10km左右。最后修改完成DMA的劃分,并生成相應(yīng)的GIS圖層。2.4管線設(shè)置進(jìn)水口進(jìn)水口的選擇是DMA劃分的另一項(xiàng)重要內(nèi)容。北京市二環(huán)內(nèi)DMA多數(shù)只需一個(gè)進(jìn)水口,但在以下兩種情況下需特殊考慮:①DMA內(nèi)存在重要用戶(hù),如大型醫(yī)院和賓館等;②個(gè)別用戶(hù)數(shù)NP較大(Np>4000戶(hù))的DMA。當(dāng)存在任意一種情況時(shí)需要設(shè)置兩個(gè)進(jìn)水口,保證供水安全和消防安全。選擇水力條件最好的管線作為DMA的進(jìn)水口,其中水力條件好指的是從此管線進(jìn)水到達(dá)DMA末端用戶(hù)的整體水頭損失最小。通常情況下,滿足此條件的管線管徑較大。選擇進(jìn)水口時(shí)需要考慮的另一個(gè)因素是盡量使用水大戶(hù)位于DMA管網(wǎng)末端,這樣可以防止管線末端用水量少而出現(xiàn)水流停滯的現(xiàn)象。根據(jù)DMA的CM和流量計(jì)測(cè)量范圍計(jì)算流量計(jì)口徑,若計(jì)算出的流量計(jì)口徑和選定的進(jìn)水口管徑不同,安裝流量計(jì)時(shí)可通過(guò)變徑解決。2.5dma管網(wǎng)關(guān)閉此步驟需要的信息是GIS提供的閥門(mén)口徑、地址以及與管線的關(guān)系。北京市二環(huán)內(nèi)管網(wǎng)龐大復(fù)雜,DMA之間的管線連接關(guān)系各異,因此只有對(duì)每個(gè)DMA管網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析、整理需要關(guān)閉的邊界閥門(mén),才能通過(guò)關(guān)閉閥門(mén)使各個(gè)DMA管網(wǎng)獨(dú)立。需要注意的是有些DMA的邊界閥門(mén)關(guān)閉會(huì)對(duì)相鄰DMA產(chǎn)生影響,因此要協(xié)調(diào)好相鄰DMA間的關(guān)系,達(dá)到各個(gè)DMA管網(wǎng)獨(dú)立的目的。若關(guān)閉已有的閥門(mén)不能滿足要求,則需要安裝新閥門(mén)。3dma測(cè)壓及水質(zhì)監(jiān)測(cè)根據(jù)北京市二環(huán)內(nèi)DMA劃分的結(jié)果,從中選取兩個(gè)具有代表性的DMA作為示范區(qū)。兩個(gè)DMA示范區(qū)內(nèi)的用戶(hù)均以居民住宅為主,夾雜少量辦公樓,管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)良好,管網(wǎng)示意見(jiàn)圖1。2個(gè)示范區(qū)代表北京市二環(huán)內(nèi)DMA大小的整體水平(見(jiàn)表1),因此在示范區(qū)范圍內(nèi)對(duì)DMA的水壓、水質(zhì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)整個(gè)二環(huán)內(nèi)DMA的劃分和實(shí)施具有指導(dǎo)作用。DMA的水壓和水質(zhì)雖然與監(jiān)測(cè)漏失的功能沒(méi)有直接關(guān)系,但卻是其應(yīng)用實(shí)踐中必須解決的問(wèn)題。只有解決好DMA的水壓和水質(zhì)問(wèn)題,才是DMA長(zhǎng)期運(yùn)行達(dá)到監(jiān)測(cè)漏失功能的基本保證。在示范區(qū)選定的進(jìn)水口處安裝流量計(jì),關(guān)閉邊界閥門(mén)和進(jìn)口閥門(mén)進(jìn)行零壓測(cè)試,保證邊界閥門(mén)完全關(guān)閉。零壓測(cè)試結(jié)束后打開(kāi)進(jìn)口閥門(mén),開(kāi)始連續(xù)測(cè)量DMA的進(jìn)口流量。兩示范區(qū)采用的流量計(jì)均為管道式電磁流量計(jì),流量計(jì)自動(dòng)記錄DMA的瞬時(shí)進(jìn)口流量,記錄間隔設(shè)置為1min。與流量計(jì)連接的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集存儲(chǔ),定期下載流量數(shù)據(jù)。由于DMA只保留一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)水口,若進(jìn)水口壓力不變,區(qū)域內(nèi)整體水壓比實(shí)施前會(huì)有所降低,為此在示范區(qū)內(nèi)的合適位置設(shè)置測(cè)壓點(diǎn)?？紤]到安裝和測(cè)試的方便,測(cè)壓點(diǎn)主要布設(shè)在DMA區(qū)域內(nèi)的消火栓上,監(jiān)測(cè)DMA較大管線的水壓,檢驗(yàn)分區(qū)后壓力是否能滿足供水壓力的要求。壓力表自動(dòng)間隔15min記錄水壓,人工收取存儲(chǔ)的壓力數(shù)據(jù)。DMA的實(shí)施有可能對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生不利影響:①在DMA邊界上關(guān)閉邊界閥門(mén)可能造成管線死端的水流停滯;②若DMA規(guī)劃過(guò)大、管線過(guò)長(zhǎng),水流進(jìn)入DMA后在管網(wǎng)內(nèi)停留的時(shí)間就越長(zhǎng),余氯衰減會(huì)造成管網(wǎng)末端余氯過(guò)低,從而引起細(xì)菌微生物的復(fù)活和滋生。但是,DMA的實(shí)施也有可能防止產(chǎn)生水質(zhì)問(wèn)題,即DMA實(shí)施以前整個(gè)區(qū)域內(nèi)存在幾個(gè)進(jìn)水口,區(qū)內(nèi)水流緩慢,停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng);而DMA實(shí)施以后只保留一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)水口,減少了這種現(xiàn)象的發(fā)生。為了保證DMA內(nèi)管網(wǎng)水質(zhì)的安全,在兩個(gè)DMA示范區(qū)內(nèi)有針對(duì)性地連續(xù)監(jiān)測(cè)了管網(wǎng)末梢處的水質(zhì),檢測(cè)指標(biāo)包括濁度、總鐵、細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群,另外抽樣檢測(cè)了示范區(qū)內(nèi)管網(wǎng)末梢余氯。4監(jiān)測(cè)和分析mama模式的結(jié)果4.1dma用水特征DMA進(jìn)口的流量計(jì)自動(dòng)記錄進(jìn)口流量,在此基礎(chǔ)上計(jì)算示范區(qū)的日進(jìn)水量。根據(jù)進(jìn)口流量計(jì)記錄下的瞬間流量,積分求出每小時(shí)的平均流量,繪制DMA的24h進(jìn)水曲線(見(jiàn)圖2)。DMA進(jìn)水量包括用戶(hù)用水量和背景漏失量?jī)刹糠?背景漏失量主要受管網(wǎng)水壓影響,一天中隨時(shí)間變化微小,因此DMA用水曲線的趨勢(shì)類(lèi)似于24h的進(jìn)水曲線。對(duì)比冬、夏兩季節(jié)的進(jìn)水曲線發(fā)現(xiàn),兩季趨勢(shì)基本相同,但是兩季每天各小時(shí)的進(jìn)水量會(huì)因居民生活方式的不同而有所差別。兩個(gè)示范區(qū)一致的是夏季高峰用水量均大于冬季高峰用水量,但用水高峰時(shí)間略有差異(DMA1#冬、夏兩季用水高峰都出現(xiàn)在早7:00和晚21:00;DMA2#夏季用水高峰出現(xiàn)在早8:00和晚21:00左右,而冬季出現(xiàn)在早9:00和晚18:00點(diǎn)左右)。重要的是最小夜間流量和最小流量時(shí)段變化很小,兩示范區(qū)冬、夏兩季的最小流量時(shí)段都出現(xiàn)在凌晨1:00—4:00,冬、夏兩季的最小夜間流量變化非常小,這些微小的變化都在誤差范圍內(nèi),因此可以認(rèn)為季節(jié)用水量變化對(duì)最小夜間流量沒(méi)有影響。通過(guò)最小夜間流量監(jiān)測(cè)DMA漏失時(shí),不需要考慮季節(jié)變化的影響。4.2區(qū)域內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置采用與上述計(jì)算流量同樣的方法得到兩示范區(qū)的壓力24h變化曲線,結(jié)果見(jiàn)圖3。壓力曲線顯示,一天中壓力隨著用水量的變化而變化,全天壓力在凌晨0:00—4:00最低。北京給水管網(wǎng)屬于水泵加壓系統(tǒng),在夜間用水量較小時(shí)供水水壓相應(yīng)降低。夏季所有測(cè)壓點(diǎn)的壓力均在260kPa以上,且所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中壓力最低點(diǎn)與進(jìn)口之間存在5～25kPa的壓降PD。兩個(gè)示范區(qū)內(nèi)的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)均勻分布在較大管線上,PD能真實(shí)反映整個(gè)區(qū)域內(nèi)的水頭損失。夏季DMA1#的24h壓降PD的變化見(jiàn)圖4。圖4說(shuō)明,PD隨著DMA進(jìn)水量的增加而升高,DMA1#的壓降PD在夏季用水高峰(早7:00和晚21:00)時(shí)達(dá)到最大,從而可以進(jìn)一步推測(cè)在冬季全天任意時(shí)間的PD也不會(huì)超過(guò)25kPa。只要保證冬季進(jìn)水口的水壓不變,兩個(gè)示范區(qū)全年的供水壓力不會(huì)低于260kPa,完全能滿足服務(wù)要求。由此可見(jiàn),兩示范區(qū)的大小(包括NP、LM)和進(jìn)水口選擇是正確的,而且合理的DMA規(guī)劃完全能滿足供水壓力要求。此外,影響PD的因素還有DMA管線長(zhǎng)度LM、平均管齡(管齡越大則壓降越大)等。根據(jù)各個(gè)因素對(duì)水頭損失的影響,可以推測(cè)對(duì)于有一個(gè)進(jìn)水口、進(jìn)水量<1500m3/d、管線長(zhǎng)度<10km、平均管齡<15年的DMA,區(qū)域內(nèi)較大管線的壓降不會(huì)大于25kPa。對(duì)于其他具有相同特征的DMA來(lái)說(shuō),只要得知進(jìn)水口壓力就可以推測(cè)出區(qū)域內(nèi)的壓力。雖然這種推測(cè)會(huì)受到管線的管徑和位置、用水量分布等的影響而出現(xiàn)偏差,但是可以省去對(duì)每個(gè)DMA進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)和模型壓力預(yù)測(cè)的繁瑣步驟,尤其是在DMA大規(guī)模實(shí)施中顯得尤為重要。4.3管網(wǎng)末端余氯測(cè)定指標(biāo)有符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求余氯的抽樣檢測(cè)顯示DMA管網(wǎng)末梢余氯含量均遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),能有效抑制水中細(xì)菌的再繁殖。余氯的抽樣檢測(cè)在夏季進(jìn)行,由于夏季管道中余氯的衰減速度比冬季快得多,因此推測(cè)冬季時(shí)管網(wǎng)末梢的余氯仍能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。其他指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。在一個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)期間,所有監(jiān)測(cè)指標(biāo)均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006),示范區(qū)DMA的實(shí)施均沒(méi)有引起水質(zhì)問(wèn)題。關(guān)閉邊界閥門(mén)造成的死端也并沒(méi)有對(duì)居民用水水質(zhì)造成影響,DMA示范區(qū)的大小合適也不會(huì)引起水質(zhì)惡化。若今后用模型對(duì)DMA內(nèi)水流停留時(shí)間和余氯衰減進(jìn)行預(yù)測(cè),將為了解DMA內(nèi)的水質(zhì)情況提供有力的幫助。5dma管理影響管網(wǎng)水壓和水質(zhì)在依據(jù)北京市給水