供水管网可持续管理的综合压力控制策略
摘要
城市配水管网(Water Distribution Networks，WDNs)中的压力控制可以减少漏损、延缓设施老化并（更）有效地进行的更新工作。本文介绍了一种控制压力以减少漏损的综合方法，该方法结合了最新的分区计量（district metered areas，DMA）优化设计策略和减压阀的优化设置。DMA设计策略包括通过关闭区域边界的一些闸阀来重新配置水流路径的可能性，而本地或远程实时控制驱动的减压阀的优化设置则提高了减少漏损和最终解决方案的可靠性。该集成方法被应用到WDNetXL平台中，用于城市配水管网深入分析、规划和管理，并在意大利南部城市的实物配水管网上进行了示范应用。综上，本工作提出了一种创新方法，同时展示了该方法在水务公司的应用，以支持从业人员在复杂的现实环境下做出决策。
Abstract
01.引言
Introduction
根据技术文献，欧洲大部分城市配水管网（WDNs）建于上个世纪，已经超过了使用寿命。这种基础设施老化最明显的影响就是水量漏失，包括实际漏失水量和爆管漏水。爆管造成的漏损流量较大，但发现和修复时间较短；与此不同的是，实际漏失水量还包括背景漏损和未检出的裂隙，因此对年度水平衡有重大影响[1]。控制漏失水量还会对水资源分配系统产生积极影响，不仅可以通过减少取水、水处理和抽水过程中的碳足迹来节约水资源，还可以提高系统的水流容量，延长设施寿命[2]。由于供水漏损是设施老化和压力的共同影响，因此可以通过以下两种主要策略来减少漏失水量:
(i)规划有效的设施更新维修工程 和/或
(ii)实施最佳压力管理 (例[3])。
实际上，尽管设施复原是一个旨在更新基础设施的中长期解决方案，但其成本通常高于压力管理，在欧洲许多地区，所需的投资远远高于可用的预算。此外，已有的经验表明，在更换管道之前，如果没有对配水管网当前和预期的水力条件进行仔细分析，（反而）很可能会增加渗漏。考虑到水头损失降低和新管道漏损减少的综合影响，下游管网压力（和漏损）会升高。因此，压力管理是将配水管网管理与更新计划结合起来的第一步。除减少实际漏失水量外，据报道[4]压力控制策略还能降低爆管率。
当压力超过向用户提供充足供水服务所需的值时（即服务压力），通常会使用减压阀进行控制。在过去的二十年中，许多研究都是基于本地压力读数（即紧邻阀门下游）来研究减压阀的最佳运行策略（如[5-7]），而信息和通信技术则使得实施远程实时控制减压阀成为可能。最近对本地减压阀和远程实时控制减压阀进行了比较[1]，结果表明远程实时控制减压阀除了在控制稳健性方面具有已知优势外，还提高了压力控制和减少泄漏的效率。
为了实施有效漏损控制策略，国际文献（如[3]）建议通过分区计量（DMAs）对配水管网进行监测。DMA是配水管网的子部分，通常设计用于水平衡分析，并可发现由于渗漏或未经授权的用水而导致的异常情况。因此，基于DMA的压力/流量监测可以提供数据，预先定位新的渗漏点，加快检测和维修活动。此外，流量和压力监测对于校准配水管网的水力模型以进行分析并支持规划和管理决策也非常重要。
DMA的设计主要遵循配水管网的拓扑结构，因为其基础是确定将每个DMA与配水管网其他部分分开的管道，并在这些管道上安装流量计。以往的研究提出了多种优化DMA识别的方法，如：可靠性最大化（如[8-9]）、DMA边界处开启阀门数量最小化（如[10]），甚至考虑弹性和最小压力[11]。最近，观察到DMA设计需要关闭闸阀以减少流量计的数量，提出了通过可实现的渗漏减少来驱动DMA设计的想法[12]。事实上，通过关闭阀门改变原有水流路径可减少压力和渗漏。Laucelli等人[13]提出了一种结构化的DMA设计方法，其基础是：
(i)将配水管网拓扑细分为由不同分区节点分隔而成的DMA分区；
(ii)通过确定分区节点来设计DMA，并关闭分区节点处的阀门来最大限度地减少DMA分区的真实漏失。
本文提出的解决方案是通过求解多目标优化问题获得的，其中关闭阀门的位置是通过最大限度地减少（昂贵的）流量计安装数量和漏失水量来确定的。
本工作介绍了两种主要压力控制方法的整合，即运行减压阀和设计DMA。这种整合有两个主要原因：一方面，许多配水管网已经使用减压阀实现了压力控制，因此在设计DMA时应考虑到对管网中水流路径的改变，以保证各处恰当的供水压力。另一方面，两种压力控制策略的整合有望提供更高效的管网运行管理，并在异常情况下（如需水量变化）具有更强的鲁棒性（robustness）。
该策略已在位于意大利南部的几个实际配水管网上得到验证，以支持一家咨询公司（即IA.ING s.r.l.）设计DMA，目的是按照管理这些系统的水务公司的要求进行系统监控和减少漏损。许多被分析的配水管网已经采用了带有本地控制的减压阀，并显示出相当高的漏损率，甚至超过了总供水量的50%，每天损失的水量超过50m3/km。
该策略在WDNetXL系统中得以实施，用于对配水管网进行深度分析、规划和管理[14]，因为它已经集成了可定制的优化组件，更重要的是，作为支持压力控制管理配水管网泄漏的关键要求，它还集成了一致性和鲁棒性的水力分析模块。此外，在Excel和GIS环境下的WDNetXL平台上进行这种高级分析，旨在为研究成果及时传递给实践者提供一个实用的例子。
压力控制策略
漏损控制
鲁棒性
02.通过DMA设计实现压力管理
Pressure management through DMA design
在实际的配水管网管理环境中，DMA的设计主要遵循经验方法，依靠对配水管网拓扑结构的直观分析和技术人员对特定系统的专业知识。遗憾的是，这项工作很少得到配水管网水力（模型）分析的支持，包括与压力相关的漏失模型，也没有考虑到配水管网分区效果的可衡量指标。此外，技术人员和决策者通常对实施"最优"解决方案持怀疑态度，因为这些方案缺乏灵活性，无法适应当地条件和实际限制因素（如不切实际的仪表安装方案、计量装置的精度不足等）。文献[13]中提出的结构化方法旨在克服这些局限性，使技术人员能够在所有阶段跟踪和检查DMA设计过程，同时推动和调整最终解决方案以满足实际需要。
第一个设计阶段需要进行拓扑分割，将配水管网划分为不同的虚拟分区。该阶段解决了一个双目标优化的问题，目的是找到最佳的折衷方案，即尽可能地减少分区节点，并获得最大的基础设施模块化指数值[15-16]。该指数来自于对复杂网络理论中模块化指数的重新表述，以表征作为基础设施系统的配水管网的模块化属性。由拓扑分割所得的众多解决方案相为嵌套，这就意味着在分区数量较少的划分方案中的分区节点也会在分区数量较多的划分方案中。
第二阶段是DMA水力设计，确定拓扑分段方案中应关闭阀门的分区节点，以重新配置水流路径并降低分区内的压力。该阶段包括一个多目标优化解决方案，目的是最大限度地减少分区入口流量计的数量（即没有关闭阀门的分区节点）和预期的真实漏失，同时确保有足够的压力来恰当地满足供水需求。
需要注意的是，这种DMA设计策略是对现有配水管网的一种重新设计。事实上，考虑到现有管道的限制条件、当前的老化状况和实际用水需求，它可以尽可能地重新配置水流路径。
图源：住建部《城镇供水管网分区计量管理工作指南》，
网址：https://www.gov.cn/xinwen/2017-10/24/5233965/files/775202aa79cb4cbab71909d289551537.pdf
03.
整合减压阀规划和DMA设计
Integrating PRV planning and DMA design
通过减压阀进行的压力控制可采用传统（本地）或远程实时控制（remote real-time control，RRTC）策略。本地控制包括调节阀门开度，以保持设备下游所需的目标压力。这种策略通常采用目标压力读数集成在同一设备中的水力机械阀。由于本地减压阀调节的是受控区域上游的压力，用户用水需求随时间的变化会导致通过配水管网的水头损失发生变化，因此需要定义目标压力值的时间模式，以保证在需求高峰时有足够的压力条件，并避免在需求低谷时压力过高。
减压阀的远程实时控制包括根据关键节点的目标压力调节阀门开度，而关键节点可能远离减压阀。信息和通信技术解决方案可将关键节点的压力读数传输到可编程逻辑控制(PLC)装置，该装置使用电动执行器调节阀门的开度。与本地减压阀不同，RRTC策略要求在关键节点处确定一个在运行周期内不会改变的目标压力，因为该压力通常接近供水所需的压力（例如，取决于当地海拔或建筑物的高度）。因此，规划RRTC控制策略比本地控制策略更加稳健，因为本地控制策略的阀门开启模式严格依赖于模拟过程中假设的需求情景。
结果表明，要比较RRTC和本地减压阀的压力控制策略来进行渗漏管理，需要对配水管网进行先进的水力建模。尽管本研究中采用的并在WDNetXL系统中实现的模型细节可在一些参考文献中找到（如[17]、[1]），但仍值得提及一些关键的建模要求，以支持压力控制规划。
为了对可能出现的压力不足情况进行水力学上一致的分析，同时寻找最佳解决方案，必须对所有需水组成部分进行压力驱动建模[18]。
体积泄漏模型为沿管道分布的随压力变化的流出量。本文的分析采用Germanopoulos模型[19]，其中第i个管道的泄漏流量计算公式为qi=βiPiαi，第i个管道的平均压力为Pi，αi和βi参数取决于管道的劣化程度和材料。
远程实时控制减压阀的高级水力模型，出于规划目的，假定临界节点的压力瞬间达到（即不预先定义局部控制的时间模式）。
上述DMA设计策略对水流路径进行了重新配置，导致管网内水头损失发生变化，从而局部改变了原始配置的压力。减压阀通过调节受控区域上游的水头（即能量），对压力进行全局控制，旨在最大限度地减少压力过剩，同时与恰当供水的最低压力相匹配。
可以认为，通过减压阀进行全面减压意味着减少管网中可用的水头（能量），从而减少了通过重新配置水流路径进行减压的空间。这种情况反过来又会减少关闭闸阀的数量，并在DMA边界的分区节点上安装更多的流量计。反之亦然，打开减压阀后，关闭闸阀的机会更多，水流流量也会随之改变，水头损失也会随之增加。在后一种情况下，流量计的数量会减少，安装和维护成本会降低，水量平衡也会更可靠。
由于配水管网中的水路存在冗余，因此并不存在唯一的最佳解决方案，而是存在许多替代方案，在减压阀和DMA配置的共同作用下，最大限度地减少流量计的数量和实际漏失水量。
整合减压阀规划和DMA设计的程序遵循两个主要步骤。
1) 确定减压阀控制变量，即RRTC策略中临界节点的目标压力或局部控制策略中时间模式目标压力的多个值。实际上，远程实时控制减压阀代表临界节点的期望压力条件，也应通过局部控制来满足。因此，确定远程实时控制减压阀临界节点处的唯一目标压力将为局部控制提供目标压力的时间模式。如前所述，水力模型WDNetXL可以对远程实时控制减压阀进行仿真。
2) 通过求解与水力DMA设计相同的多目标优化问题（见第4节）来搜索最佳压力控制解决方案，并将第一步中确定的减压阀控制目标值作为附加决策变量。
04.案例研究
Case Study
该综合策略用于支持DMA的优化设计，旨在减少实际城市配水管网中泄漏的同时优化流量和压力监测。该配水管网为约12,000名居民提供服务，分区程序是基于WDNetXL平台中配水管网水文模型初步划分方案实施的（图1）。
该模型包括987个节点和1,105根管道，管道长度约为38千米。最初的配水管网配置已包括一个本地减压阀，其压力设置见图2。实际上，该阀门只调节了这个配水管网的一条供水管道，而一个半关的闸阀则调节了另一条供水管道（图1中的黑色方形）的压力。根据年度水量平衡估算，这个分区的真实漏失水量约占58%，即每天59立方米/千米左右。
在实施DMA优化设计综合程序之前，通过关闭第二条既有进水管线，重新配置了既有进水方案，以便通过减压阀控制压力。
假设可以安装一个远程实时控制减压阀，控制节点的设置如图3中"Pset"所示。根据当地供水服务规则以及私人蓄水池的存在，向用户保证的最低压力设定为6米水头（m of water column，mWC）。
图 1. 配水管网布局和馈水管线细节
图 2. 本地减压阀的初始压力设置
图 3. 新的馈水配置和控制远程实时控制减压阀的关键节点位置
第一阶段确定了25个拓扑分割方案，每个模块最多有56个分区节点，分隔25个分段。图4显示了拓扑分段方案，最大分段数是在第二阶段搜索最佳水力DMA设计时假定的，同时优化了远程实时控制减压阀关键节点的压力设置。
图 4 管网拓扑分割
如表1所示，第二阶段提出了六种解决方案，包括不同的渗漏减少量（占原渗漏量的百分比）和线性水量损失。
表 1. 用于远程实时控制减压阀的DMA设计方案
每个分区方案都确定了一组在分区节点处安装分割阀们和压力表的策略。事实上，所有解决方案中流量计和关闭阀门的总数均为56个。进一步，每个解决方案都给出了各远控减压阀的最佳压力设定值。值得注意的是，不同的解决方案代表了安装流量计数量和降低真实漏失之间的不同权衡。例如，解决方案1显示了流量计的最少数量，尽管它并没有减少原始泄漏量。但该方案中，远控减压阀的出口压力设定值是所有方案中最大的。
第2至第6个解决方案包括更多的流量计和更少的闸阀，尽管它们位于不同的分区节点处。不同入口流量的重新配置会导致不同的过水路由变更方案，从而导致不同的局部压力供给。事实上，尽管解决方案3至6中远控减压阀的出口压力设定值相同，但配水管网中泄漏降幅在持续增加。
图 5. DMA设计方案1
图 6. DMA设计方案2
图 7. DMA设计方案3
图8. DMA设计方案4
图5至图10显示了表1中六种解决方案的DMA配置，以青色正方形显示了分隔DMA的流量计位置。为清晰起见，该图只显示了可能安装在流量计同一检修井中的压力计。
值得注意的是，不同的漏损下降率也与平均管道压力有关。详细而言，表1显示，解决方案1和2的漏损下降率最低，但平均管道压力最高（超过16米水头）。反之亦然，从方案3到方案6，平均压力没有变化，这与这些方案的漏损下降率相似是一致的。
图9. DMA设计方案5
图10. DMA设计方案6
表1中的数据分析与图5至图10中各方案的DMA布局相结合，为技术人员选择执行设计中最有效的配置提供了决策支持。更详细地说，方案3是一种水力DMA配置，它能以最少的流量计（27个）减少最多的泄漏。事实上，方案4至6中流量计数量的增加并不能从技术上减少实际漏失水量。
图11显示了方案3中关闭闸阀的位置，这决定了水网中水流路径的重新配置。图12至图16呈现了DMA设计方案3下的水力模拟结果。
图13显示了在典型的日常运行周期中，每小时输送给客户的水量以及实际漏失的水量。值得注意的是，在通过远程实时控制减压阀进行压力控制的情况下，与压力相关的漏损量在一天中会发生变化，这是由修改后水流路径的水头损失造成的。
图 11. DMA设计方案3中关闭的闸阀
图 12. DMA方案3中的节点压力
图 13. DMA设计方案3中的客户需求量（青色）和实际漏失水量（蓝色）
图14还显示了每条管道的预期延长漏损，单位为立方米/公里·天。最高值（深蓝色）主要位于老城中心，这是由于管径小而假定较高的老化参数，而郊区则表现出较高的压力。这些信息为今后更换管道提供了可靠的参考，但还需要进行细致的水力分析。
图 14. DMA设计方案3中的延长泄漏
图 15. DMA设计方案3中远程实时控制减压阀控制节点的压力
图 16. DMA 设计方案 3 中本地减压阀控制节点目标压力的时间规律
如图15显示，经过验证，远程实时控制减压阀可使控制节点的目标压力保持恒定。实际上，如果无法安装远程实时控制减压阀，同样的模拟也可提供本地减压阀控制（即图1中原始配置的同一控制节点）的目标压力时间模式；如图16所示，其趋势反映了客户的需求。
4.1. DMA的适应性选择
4.1. Adaptable selection of DMAs
如上所述，DMA设计方案3确定了应关闭的闸阀，以尽量减少实际漏失水量。然而，在实际环境中，流量计的安装位置应与预算限制或实际安装可行性等因素相匹配。通过拓扑片段的嵌套，可以取消一些流量计，从而合并连续的DMA。
如文献[20]所述，所采用的DMA设计策略允许根据专家判断、分段嵌套或有效计量来执行某些标准，以减少流量计。为完整起见，图17举例说明了如何将流量计从27个（方案3）减少到9个。结果形成7个用于水平衡的DMA。图中还显示了61个压力表的位置，包括位于DMA边界（关闭闸阀两侧）、原27个流量计的阀门井内以及由技术人员决定的DMA中心位置的压力表。
图 17. 根据解决方案 3 选择的 DMA 示例
05.结论
Conclusions
配水管网的压力控制对于控制和减少水损失至关重要，甚至在规划设施更新之前。监测流量和压力也是支持这类城市基础设施的管理、运行和规划活动的一项重要任务。本工作提出了一种压力控制策略，将创新的DMA设计方法与减压阀(PRVs)的同步优化相结合。它提供了关闭闸阀和设置流量计的最佳位置，以分隔DMA；同时还能为减压阀设定目标值，兼顾RRTC和本地控制。实际上，关闭阀通过重新配置水流路径实现了局部压力控制，而位于控制区域上游的减压阀实现了全局压力控制。
值得注意的是，在配水管网上游设计和设置减压阀除了能减少渗漏，还能提高DMA设计方案的可靠性，以应对DMA实施后可能出现的水力条件变化。
在实际配水系统上的演示证明了该策略的有效性和适应性，它能适应通常会阻碍实施"优化"区域设计的实际限制因素。
该策略作为一个整体在WDNetXL平台上实现，在GIS和Excel环境下工作。
数据和图片来自WDNetXL（本次推送中的部分照片为译者添加，非原文配图），由IDEA-RT s.r.l提供(www.idea-rt.com)。工作部分由“2007-2013年发展和凝聚力基金-APQ研究普利亚地区”区域计划“未来研究”资助。
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