2018, Vol. 35
供水管网是城市的生命线，它的有效运转关系到居民的正常用水和供水企业的经济效益. 供水管网漏损不仅造成水资源浪费，还会引发公共环境危害. 据中华人民共和国住房与建设部城市建设统计年鉴的供水统计资料，我国供水管网的漏失量一直高居不下，漏失率自2009年起超过我国供水管网漏损标准的12%，近年来漏失率更是呈上升趋势（见图1），供水管网的漏损控制工作迫在眉睫. 究其原因是随着我国社会经济水平的迅速发展和城市化进程的加快，供水需求和城市给水系统的规模日益增大，但供水管网布局和规划欠科学，管道分级概念不明确。传统的管网布置过分强调环状管网的安全和运行，使给水管网连通过度，管网拓扑结构错综复杂，导致供水管网的调度、漏损及其控制等问题越发突出[1-3].
供水管网的漏损控制是一个系统问题，包括漏损控制的理念、方法、流程与评价指标. 漏损控制方法主要有2种：被动控制和主动控制. 被动控制是指对明漏引起的管网漏失进行控制，如用户观察到或管网管理人员根据不明的压力下降发现的爆管. 该方法在短期内降低了管网维护的成本，但长远来看效果不佳. 主动控制是指自来水公司组织专门人员周期性地监测和维修管网漏失，包括定期漏损探测、压力管理、DMA管理. 由于城市供水管网的规模大，拓扑结构复杂，定期漏损探测会耗费大量成本. 压力管理是通过合理设置减压阀和涡轮泵有效平衡管网压力来控制漏损[4-5]. DMA管理将整个给水管网分成若干个独立子区域，使其布局更合理和管理更科学，从而提高供水系统管理水平[6].
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图 1 2004~2013年全国供水量及漏损情况统计 Figure 1 Statistics of national water supply and leakage during 2004~2013 |
传统的分区给水是根据城市地形特点将整个给水系统分为若干个区，每区有独立的泵站和管网，各区之间有适当的联系，主要有串联和并联两种形式保证供水可靠和运行调度[7]。不同于一般概念上的并联或串联分区，DMA管理是一种新型供水模式，即按照一定原则将大型管网划分为若干个规模较小的子系统，对每个子系统实行专门管理，在一定程度上降低管理难度. 为保证安全供水，各区域之间用应急管道连接. 区域计量是管网分区的主要目的之一，通过区域计量对每个子系统进行水量监测和水压控制，可以更及时地确定供水产销差[8]，并分析其原因，特别是能及时发现漏失问题，从而提高管网漏损监测的效率[9]. 除了进行漏损监控外，还可以在进行水量分配和设施规划时获得有用的信息，如管道的功能、有关供水的各种数据（水量、水压、流向）等，这有利于管网的日常配水管理和对水质进行保护和控制[10].
1980年，英国水工业协会首次提出DMA管理概念，引起了国内外水行业的关注. 近年来国内外部分专业人士先后在一些地区尝试了DMA管理的模式. 国外城市供水管网区域化起步较早，伦敦、东京、那不勒斯等城市较早开展了DMA的构建[11-12]. 而国内则起步较晚，北京、香港、南京等城市在DMA研究和应用方面进行了积极的探索[13-15]，取得了很好的成果，为我国给水管网分区管理模式深入研究提供了借鉴. DMA管理模式应用于给水管网管理中是对传统供水管理模式的拓展. 目前DMA管理模式的研究涉及分区方法、给水管网漏失控制、压力管理、管网水质保护等方面，但近年来没有相关的文章对DMA分区方法进行比较分析，本文重点介绍目前DMA分区方法的研究进展，对比不同分区方法的优势，指出DMA分区方法改进目标，以供相关研究人员参考.
本文首先对DMA分区漏失控制的原理及分区原则进行介绍；然后对DMA分区方法进行分类，并进行对比分析；再介绍与DMA相关的其他研究，如供水产销差、给水系统可靠性、水质保护等；最后给出结论和展望.
1 DMA分区概述 1.1 DMA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, 其典型设计示意图如图2所示. 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.
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图 2 典型DMA分区设计示意图 Figure 2 Schematic diagram of typical DMA configuration |
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500~3 000户作为DMA设计规模的依据[16]，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[6]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[17]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. 文献[18-19]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[20]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[21]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[22]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[23-24]. 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[25]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的商. Armando等[26]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[27]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[28]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[29]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[30]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. Di N A等[31]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[32]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.
2.5 节点聚类法Herrera等[33]为了控制管网漏失，提出了一种半监督聚类方法对供水管网进行水力分区，以管网的衔接属性和基本水力信息作为限制条件，构造管网的拓扑矩阵，利用谱聚类算法对相似的供水节点完成聚类，完成DMA分区. 为了提高运算效率，其采用快速的多代理方法，以水源为初始点，搜索与其相似的用水节点，提出了一种半监督多代理自适用的聚类算法，形成分区[34]. 但该方法仅适用于DMA数量少于供水点数量的情况.
Perelman等[35]根据管道内水流的流向确定节点连接的强弱关系，对强连接子图进行延伸形成混合聚类子图，当达到一定规模时即形成分区. 该方法根据管网的有向拓扑结构进行分区，考虑了管段流向的动态变化，但没有考虑管网的水力限制.
根据给水管网系统和复杂网络系统特征的相似性，Diao等[36]将给水管网等效为复杂网络系统，基于复杂网络的分层分解理论对管网拓扑图进行划分. 该方法使用模块性(Q)作管网拓扑图划分的评价指标，理想的划分是分区内部连接边密集，社区之间的连接边较少. Campbell等[37]基于复杂网络社区结构理论，考虑了管网的水力和能量原则，根据管网的实际结构和特点确定分区的数量，解决了人为设定分区数量的问题. Nardo等[38]在完成边界划分的基础上对阀门和水表的安装位置进行优化. 该方法没有对模块性指标在分区中的含义进行解释，不能真实反映分区的优劣.
2.6 多目标优化方法上述分区方法是基于管网的拓扑结构和水力条件，以管网的水力性能为优化目标进行DMA划分，但未考虑DMA安装的经济指标. 近年来，部分研究学者对DMA分区的多目标优化方法进行研究.
Hajebi等[39]考虑了多个优化目标和限制条件，其中目标为管网的结构目标（不同水力运行阶段割边最小化，边界连接管径最小化）和水力目标（节点最小需求压力、最小耗散能量、分区最小标高差，最大管网恢复力），限制条件除了基本的节点连续方程和能量方程外，还考虑了流速、水池标高等. 但是，正如作者所言，该分区方法没有对最优分区方案进行比较和筛选，不能保证得到的分区方案是最优的，而且该分区方法是基于重力驱动的给水管网分区，并未应用到压力驱动的管网中.
Paola等[40]以各分区供水量的均匀性和分区内节点水压差值最小化为目标，同时考虑了经济因素（漏水量、动力费），确定目标函数，利用K-Means聚类算法产生多种DMA分区方案. Paola在后续的研究中还对上述方法进行了改进，以分区管网的弹性偏差指数和总运行费用作为优化目标，完成DMA分区.
在多目标的优化分区方法研究中同时考虑水力优化和经济因素的研究成果较少，在模型构建、合理确定优化目标函数、选择算法实现求解、分区评价等方面仍存在较大的研究空间.
3 DMA分区评价DMA分区完成以后，需要通过不同的评价指标对DMA分区方案进行评估以论证方案的合理性，常用的评价指标有供水产销差、供水可靠性、水质变化等.
3.1 供水产销差供水产销差是指供水企业在一段时间内供水总量和收费水量之差，是评价供水系统的重要指标. 影响供水产销差的因素主要有管网漏损、水表计量误差、无法计量用水和非法用水等. 近年来国内学者分别从不同方面进行了研究. Ferrari[41]指出分区方案的有效实施需要对不同可行的方案进行供水产销费用对比，通过对比分区所需费用以及分区后获得的收益来评价DMA分区的优劣，在众多方案中确定最优方案. Daai等[42]通过在各DMA分区安装减压阀实现压力管理，从而降低漏损和爆管频率，除了将传统意义上的阀门安装费用和漏失节约费用进行直接对比得到供水产销差外，还可从压力管理的角度评价供水产销差，并将其运用于英国两个真实的管网中取得了理想的效果. 李树森等[43]通过分区计量把整个管网系统划分为若干个小区，对各子区域单独管理，明确各子区域职责，从而达到降低供水产销差的目的. 李露等[44]通过DMA分区提高了检漏速度和效率、实现了积极主动地查漏，降低了供水产销差. 舒诗湖[45]提出以控制管理损失水量为主的思路，重点做好消火栓管理、水表计量管理、二次供水设施管理以及业绩考核与激励工作.
3.2 给水系统可靠性给水系统可靠性是指规定的使用状态下，在规定时间内完成预定功能的性能. 对管网来说，预定功能是指在正常工作条件下，保证用户所需的水量和水压；在事故情况下，水量和水压不低于规定的限度，而在时间上不超过允许减少水量和降低水压的时间. Wagner等[46]分别从给水系统拓扑结构和给水系统的水力条件出发将给水系统可靠性指标分为机械可靠度和水力可靠度两个方面. 机械可靠度以供水管网中各个组件的机械可靠度为基础，即各个组件失效或者保持有效的概率是已知的，在此基础上计算管网机械可靠度. 水力可靠度[47]是指在一定时间段内的某一特定情况下，给水系统可以提供满足用户所需水量和水压的概率，常利用随机模拟法（如蒙特卡罗法）对给水系统的水力可靠度进行直接评估. Ostfeld等[48]应用随机模拟对单一和复合供水系统进行可靠度分析，在可靠度分析程序的基础上建立随机模拟结构框架，用输水量、输送需求比以及优质供水量对可靠度进行量化. Awumah等[49]基于信息熵理论，首次利用熵值法评估给水系统的可靠度. Setiadi等[50]通过多个具有不同设计形式和布局的管网案例，以成本为目标构建不同的函数式，研究结果表明，管网熵值与可靠度之间具有较强的联系. 徐祖信等[51]在国内供水管网可靠度领域研究了线性优化技术与水分配系统基于可靠性的优化设计相结合的方法，研究结果表明该方法可应用于大、中型给水系统，具有一定的实用价值. 赵新华等[52]利用最小路不交化法对城市管网可靠度进行评估，并用实例验证其算法的可行性. 庄宝玉[53]通过建立流量熵和可恢复性指数模型，将两种模型应用于算例管网的可靠性分析中，结果表明流量熵、可恢复性指数与系统可靠性存在正相关的关系. 何忠华[54]引入剩余能量因子表征管段的剩余供水能力，并结合熵理论建立了供水管网剩余能量熵计算模型，通过与经典的供水管网可靠性指标进行比较，证实了剩余能量熵作为供水管网可靠性度量指标的可行性. 刘星海[55]根据耐受度理论的研究，建立了可用能量耐受度指标、管道水力耐受度指标、管径敏感熵流量指标。通过以上三个新的耐受度指标间接得出管网抵抗不确实扰动时的可恢复力.
以上机械可靠度研究只考虑了节点间的连通性，没有考虑供水的服务水平，即在满足机械可靠度的前提下，用户所获得的水量水压并不一定能满足要求. 而水力可靠度则是研究在管网中某些管段失效的情况下，如何保证供水系统仍能满足用户对供水水量水压的要求. 因此，水力可靠度应该成为评价供水管网可靠度的重点.
3.3 水质可靠性目前对给水系统水质可靠性方面的研究较少，管网水质问题与机械可靠性和水力可靠性相比，影响范围更大，发生事故后更难处理. 近些年有部分专家学者开始针对水质可靠性进行研究. Zhao等[56]建立了水质可靠性模型，用节点水质的达标率作为节点水质可靠性的指标，用类似计算管网水力可靠性的方法求得管网的水质可靠性，结果表明该方法能很好地应用于实践中. 戴舒等[57]基于大量的检测数据，建立了相关水质模型并对其中参数反复校核，确保了水质模拟结果的准确性. 舒诗湖等[58]结合上海市的地方需求和国家需求，对多级消毒、漏损控制、管道冲洗、非开挖修复和布局优先5个方面进行研究，以确保上海市供水管网系统安全运行和用户端用水安全. 赵新华等[59]以相对水质熵表征管网水质可靠度，结合某市实际管网案例绘制出管网等水质可靠度分布图，为管网改造扩建提供了依据. 凌文翠等[60]建立了DMA示范区，并对示范区内的水压水质检测，其认为只要DMA规划合理，就可以保证DMA区域内水压与水质满足用户需求和供水安全. 陶涛等[61]针对城市供水系统中突发污染事件，提出了供水管网水质监测点的布置方法，并结合ZJ市管网，提出了该市基于突发污染事件的管网水质监测点优化布置方案. 结果表明该方案具有一定的实际指导意义和应用价值. 许仕荣[62]提出基于节点水龄的供水管网水质监测点的优化布置，该方法可用于监测城市供水管网中的余氯、色度、电导率等水质参数. 李寻等[63]通过动态模拟供水管网的水质，可以得到供水管网的允许节点水龄和允许节点最大水龄，为管网的安全供水提供了科学依据.
4 总结与展望总的来说，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，管网中水力元件众多，且不同水力元件之间相互影响. 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. 计算分区方法与供水分界线分区方法基于某一时刻（如最大用水量、消防用水时）供水节点的供水范围，结合经验确定的DMA规模来划分DMA的边界，运用一些评价指标（如恢复力指数）选择较优分区. 而实际管网各节点的用水量不断变化，水源的供水区域也处于动态变化之中，因此得到的分区结果不一定是最优的. 图划分方法基于图论的基本原理，根据平衡节点和管段属性值对加权管网拓扑图进行划分. 节点聚类法基于一定的水力和能量原则对管网节点进行聚类，其中等效为复杂网络聚类的方法，对于大型复杂的管网有较好的分区结果，但缺乏实际的物理意义. 多目标优化法考虑了水力和经济等因素，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.
不同的DMA分区方法各有其优缺点，结合各分区方法和管网自身特点开发出一种自动生成最优分区方案的方法是研究方向之一. 最优分区后，DMA在给水管网中的应用也需要进一步研究，如DMA在应对突发污染时的水质保护研究[64]、DMA爆管定位的研究[65]、智慧水务中需水量预测模型的构建和管理[66]等.
在DMA分区评价方面，供水产销差主要是从主动检漏和压力管理方面实现漏损控制. 给水系统可靠性方面的研究大多应用于中小型给水系统，对大型给水系统的应用研究有待深入. 此外，对水质可靠性的研究相对较少.
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