浅析给水管网DMA优化分区方法研究尉世磊

浅析给水管网DMA优化分区方法研究尉世磊

尉世磊

遵义市供水有限责任公司贵州遵义563000

摘要：独立计量分区(DistrictMeteredArea,简称DMA)作为一种新型给水管网管理模式的提出对提高供水系统的管理水平有着重要的意义.近年来,在DMA分区方法、漏损控制、压力管理和管网水质保护等方面取得了一定的研究成果.该文在概述DMA分区基本原理和分区设计基本原则的基础上,重点介绍DMA分区方法的研究进展,分析各分区方法的优劣势,并对各分区方法进行总结,指出DMA分区方法的改进目标,展望了DMA分区方法在未来给水管网分析中的研究方向和潜在应用价值.

关键词：给水管网；DMA优化分区

随着经济的快速发展，城市规模的不断扩大，相对应的城市供水管网的规模也在增大．供水企业进入“加强管理，提高效益”时期，用户对水量和水质要求的提高也加大了供水系统的运行难度．运用分析软件对管网系统建立模型，应用模型工具管理维护管网系统是发展的趋势．实行区块化供水是降低电耗、降低漏损、提高供水效益的重要途径．分区装表计量检漏(DistrictMeterArea，DMA)技术是当前国内外漏损控制的有效手段，如何进行区块划分是该技术应用的难题．应用InfoWorksWS软件建立管网模型，验证分区的合理性，为DMA技术应用提供支持．

1.DMA分区概述

1.1DMA分区漏失控制原理

DMA分区是通过关闭管道上的阀门等方法，将管网分解为若干个具有特定边界且相对独立的区域，并在每个区域的进、出水管上安装流量计，从而实现对各个区域进出流量的监测,其典型设计示意图.DMA管理的关键是根据对各分区流量的正确分析确定各区域的漏失状态.

1.2DMA分区设计原则

DMA设计是一项复杂且繁重的工作，对相关研究成果进行总结得到了DMA设计应考虑的基本问题.不同地区应根据自身供水情况设定管网经济漏失指标，该指标决定了DMA分区规模.在进行DMA规模确定时应充分考虑经济性，DMA规模越小，分区内的水表及其附件安装和维护费用越高，但检漏精度也越高.国际上通常以500~3000户作为DMA设计规模的依据，同时还要考虑当地的地形条件（如地形落差）和水质污染等问题.

2.DMA分区方法研究概述

DMA分区发展至今，诸多研究学者对DMA分区方法进行了较深入的研究.按其发展过程可分为经验法和计算法两大类，具体介绍如下.

2.1经验分区方法

DMA分区规划方案最初大多数采用经验分区方法，即结合DMA分区的原则，考虑行政区划和道路河流等天然分割线划定分区边界，确定分区间连接管道开闭状态，从而获得DMA分区.赵洪宾等根据我国供水管网的现状，提出了建立基于管网微观模型的管网分区方法，在模型中确定管网分区阶层数后，将铁路、河流和主要干道等设置为大区域边界，初步设置区域规模和边界，根据区域间的应急管道设置和水力计算情况，反复改善方法，以最优情况作为分区结果.周玉文等对某地供水管网进行分区时以依附行政边界为前提，着重以主干道和河流等明显边界作为分界线，并对改造后的管网进行模拟分析，验证其可行性.对给水管网经验分区方法进行了探索，并取得一定的成果.许刚等提出了分级计量分区方法，即以行政区划为基础，以河流、加压站等为分界线，结合分区原则进行一级分区，在一级分区基础上，以边界计量水表数量尽可能少为原则进行二级分区，针对大用户进行三级分区.

目前国内已经进行管网分区的城市大都是依据自然地理条件或行政区划进行划分的，该方法利用现有的较明显的边界进行分区规划，以达到简化管理的目的.经验分区方法有较为完整的给水管网分区流程，利用水力模型可以模拟分析分区对供水管网的影响，分区经验推动着分区方法的理论研究.但该分区方法随机性强，没有考虑管网的水力限制条件，例如如何节省能耗、提高供水管网运行效率等问题，也没有明确的评价指标确保分区方案的合理性.因此需要对分区方法进行更深入的研究.

2.2计算分区方法

计算分区方法根据图论的基本原理，将供水节点等效为图的顶点，管段等效为图的边，构造管网的拓扑结构图，按照一定原则对该拓扑图进行划分得到分区结果，国内外诸多学者对该方法进行了较深入的研究.

2.3供水分界线法

Swamee等基于图论的原理，根据供水管网的水力流通性将其等效为有向图，根据管段流向逐级搜索各个水源的供水区域，在供水区域边界处的管道上安装阀门，将管道截断形成DMA.李黎武等在水源供水区域的基础上还考虑了管网的等水压线和流量分布，为供水系统分区提供了直观的判断依据.一些研究学者基于该方法对优化供水区域的大小、多水源等问题进一步研究.该方法大多数是基于某一时刻水源的供水范围，结合经验确定的DMA规模来划分DMA边界.但在不同的用水时刻，其供水范围处于动态的变化中，而且该方法也没有明确的依据来评价DMA的好坏.

Todini提出了用于量化管网可恢复性的恢复力指数，并将其定义为需水节点的实际能量和需求能量之差与总输入能量和需求能量之差.Armando等提出了基于恢复力指数的原理，计算水源的每个需水节点的最小能量来确定最短能量耗损路径，从而确定水源的影响范围的方法.该分区方法在一定程度上提高了DMA分区的水力可靠性.Nardo等对该方法进行改进，使用遗传算法对DMA边界的公共节点集进行交换选择，使DMA分区的恢复力指数更优.结果表明该方法可以应用到大的供水系统，分区后的性能指数比传统经验地分区方法更好.Gomes等提出了一种用决策支持系统进行DMA分区的方法，考虑了DMA分区的经济效益，即漏失减少的收益与DMA安装费用的差值.该方法基于图论中最小路径的原理，搜索最大用水时水源的供水范围，初步将给水管网划分为合适的DMA分区，以收益函数最大化为目标，应用模拟退化算法确定DMA接入点的位置.

Ferrari等提出了新的分区方法，首先根据管网规模和形状确定主输水管，再根据主输水管上供水节点的供水范围确定DMA分区，各DMA直接连接到主输水管上，每个DMA分区间没有连接管.对于实际的供水管网，各用水节点处于动态变化之中，水源的供水区域也随之改变，而以上方法均是针对某时刻管网供水节点的影响范围来进行DMA分区，因此得到的分区结果仅代表特定时刻的最优分区.

2.4图划分方法

基于图论的基本原理，根据给水管网系统的供水节点和管段的基本属性（如节点流量、标高，管段流量、管径等），将管网等效为无向加权拓扑图.采用不同的方法对管网无向拓扑图的节点进行划分，得到DMA分区.诸多研究人员对此类的方法进行了研究.

Sempewo选择平衡节点流量和分区管段长度作为顶点的权重、管段流量和管径作为边的权重构造加权的管网拓扑图.使用METIS图划分软件对构造的管网图进行划分，目标是将该管网等效图的顶点划分为k个子区域，使每个子区域的顶点权重总和相同，割边的权重之和最小.结果发现该工具对分区数量较为敏感，对于不同权重的加权图，分区数量差异较大.DiNA等基于Sempewo的原理，使用METIS软件提供的多级k-way图分区法对管网进行分区，并提出了对分区方案进行选择的评价指标.Nardo等基于该原理对算法进行优化，联合深度优先搜索算法和蚁群算法对管网加权图进行划分.

3.结语

总的来说，给水管网DMA理论分区方法的研究有待深入开展.城市给水管网系统较为庞大和复杂，管网中水力影响因素众多，且不同水力影响因素之间相互影响.近年来，相关研究学者对DMA分区方法进行了大量研究，但至今仍没有一套成熟的分区方法.经验分区方法随机性强，分区结果缺乏科学依据.在优化管网水力性能的基础上，对DMA分区的安装费用及管网水泵的运行费用进行优化.该方法在模型构建、合理确定优化目标函数、选择算法实现求解、分区评价等方面还需进一步研究.

参考文献：

[1]刘俊,周鹏.谱聚类在给水管网分区优化中的应用[J].土木建筑与环境工程,2016,38(06):142-147.

[2]李斌,蒋浩,聂锦旭,王琦,王志红,张国力.基于节点能量冗余差的给水管网DMA分区方法研究[J].给水排水,2017,53(03):120-126.