【上海水處理設備網www.esdzu.com】鄉村配水管網(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計量（districtmeterareaDMA 優化設計戰略和減壓閥的優化設置。DMA 設計戰略包括通過關閉區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，用于鄉村配水管網深入分析、規劃和管理，并在意大利南部鄉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新方法，同時展示了該方法在水務公司的應用，以支持從業人員在復雜的現實環境下做出決策。

A bstract

01.引言

Introduct

根據技術文獻，歐洲大部分鄉村配水管網（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，但發現和修復時間較短；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發生積極影響，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約水資源，還可以提高系統的水流容量，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略來減少漏失水量: 上海實驗室純水設備

i規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，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。考慮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，據報道[4]壓力控制戰略還能降低爆管率。

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（即緊鄰閥門下游）來研究減壓閥的最佳運行戰略（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健性方面具有已知優勢外，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]建議通過分區計量（DMA 對配水管網進行監測。DMA 配水管網的子部分，通常設計用于水平衡分析，并可發現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/流量監測可以提供數據，預先定位新的滲漏點，加快檢測和維修活動。此外，流量和壓力監測對于校準配水管網的水力模型以進行分析并支持規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量，提出了通過可實現的滲漏減少來驅動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節點分隔而成的DMA 分區；

ii通過確定分區節點來設計DMA 并關閉分區節點處的閥門來最大限度地減少DMA 分區的真實漏失。

本文提出的解決方案是通過求解多目標優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，以保證各處恰當的供水壓力。另一方面，兩種壓力控制戰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的水務公司的要求進行系統監控和減少漏損。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系統中得以實施，用于對配水管網進行深度分析、規劃和管理[14]因為它已經集成了可定制的優化組件，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 

壓力控制戰略

漏損控制

魯棒性

02.通過DMA 設計實現壓力管理

PressurmanagthroughDMA design

實際的配水管網管理環境中，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的專業知識。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"解決方案持懷疑態度，因為這些方案缺乏靈活性，無法適應當地條件和實際限制因素（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。該階段解決了一個雙目標優化的問題，目的找到最佳的折衷方案，即盡可能地減少分區節點，并獲得最大的基礎設施模塊化指數值[15-16]該指數來自于對復雜網絡理論中模塊化指數的重新表述，以表征作為基礎設施系統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，這就意味著在分區數量較少的劃分方案中的分區節點也會在分區數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節點，以重新配置水流路徑并降低分區內的壓力。該階段包括一個多目標優化解決方案，目的最大限度地減少分區入口流量計的數量（即沒有關閉閥門的分區節點）和預期的真實漏失，同時確保有足夠的壓力來恰當地滿足供水需求。

需要注意的這種DMA 設計戰略是對現有配水管網的一種重新設計。事實上，考慮到現有管道的限制條件、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。

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圖源：住建部《城鎮供水管網分區計量管理工作指南》

網址：https://www.gov.cn/xinwen/2017-10/24/5233965/files/775202aa79cb4cbab71909d289551537.pdf

03.

整合減壓閥規劃和DMA 設計

IntegratPRVplanandDMA design

通過減壓閥進行的壓力控制可采用傳統（外地）或遠程實時控制（remotreal-timcontrolRRTC戰略。外地控制包括調節閥門開度，以堅持設備下游所需的目標壓力。這種戰略通常采用目標壓力讀數集成在同一設備中的水力機械閥。由于外地減壓閥調節的受控區域上游的壓力，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關鍵節點的目標壓力調節閥門開度，而關鍵節點可能遠離減壓閥。信息和通信技術解決方案可將關鍵節點的壓力讀數傳輸到可編程邏輯控制(PLC裝置，該裝置使用電動執行器調節閥門的開度。與外地減壓閥不同，RRTC戰略要求在關鍵節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，取決于當地海拔或建筑物的高度）因此，規劃RRTC控制戰略比外地控制戰略更加穩健，因為外地控制戰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系統中實現的模型細節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，以支持壓力控制規劃。

為了對可能出現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，出于規劃目的假定臨界節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 設計戰略對水流路徑進行了重新配置，導致管網內水頭損失發生變化，從而局部改變了原始配置的壓力。減壓閥通過調節受控區域上游的水頭（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量，并在DMA 邊境的分區節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量和實際漏失水量。

整合減壓閥規劃和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戰略中臨界節點的目標壓力或局部控制戰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化問題（見第4節）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

該綜合戰略用于支持DMA 優化設計，旨在減少實際鄉村配水管網中泄漏的同時優化流量和壓力監測。該配水管網為約12,000名居民提供服務，分區順序是基于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了另一條供水管道（圖1中的黑色方形）壓力。根據年度水量平衡估算，這個分區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，控制節點的設置如圖3中"Pset"所示。根據當地供水服務規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

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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個分區節點，分隔25個分段。圖4顯示了拓撲分段方案，最大分段數是第二階段搜索最佳水力DMA 設計時假定的同時優化了遠程實時控制減壓閥關鍵節點的壓力設置。

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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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每個分區方案都確定了一組在分區節點處裝置分割閥們和壓力表的戰略。事實上，所有解決方案中流量計和關閉閥門的總數均為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節點處。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中的數據分析與圖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，而郊區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點目標壓力的時間規律

如圖15顯示，經過驗證，遠程實時控制減壓閥可使控制節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，從而合并連續的DMA

如文獻[20]所述，所采用的DMA 設計戰略允許根據專家判斷、分段嵌套或有效計量來執行某些規范，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，甚至在規劃設施更新之前。監測流量和壓力也是支持這類鄉村基礎設施的管理、運行和規劃活動的一項重要任務。本工作提出了一種壓力控制戰略，將創新的DMA 設計方法與減壓閥(PRV同步優化相結合。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了局部壓力控制，而位于控制區域上游的減壓閥實現了全局壓力控制。

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 實施后可能出現的水力條件變化。

實際配水系統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"優化"區域設計的實際限制因素。

該戰略作為一個整體在WDNetXL平臺上實現，GIS和Excel環境下工作。

數據和圖片來自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年發展和凝聚力基金-A PQ研究普利亞地區”區域計劃“未來研究”資助。 上海純水設備

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