0 引言
水量计量对于供水企业的运行管理、财务核算以及节约用水，具有重要的作用。根据供水走向，从给水厂通过供水管网最后到用户，可以建立三级计量网络[1，2]。一级计量指在各个给水厂的出厂干管上安装流量计，以便整体掌握供水流量；三级计量是对用户用水量的水表计量，以便掌握用户用水情况，它是水费收取的依据。二级计量是对一级计量和三级计量的衔接，其在供水管网上布置流量计应达到以下目的[3]：
（1）对供水管网的管段流量进行全面监测，了解供水管网运行状况，为供水管网的优化调度提供数据。
（2）某一管段发生事故（如爆管等）时，其附近流量监测点能在最短的时间监测到这一异常情况，从而能够主动定位，查找爆管和漏水问题。
（3）实现管网分区管理，提高自来水公司的管理服务水平。
（4）实现DMA分区计量，加强漏损控制，降低产销差。
随着供水行业对管网运行管理的重视，在实施供水管网流量监测时，需要注意其实施的具体步骤以及基本的理论分析。供水管网流量监测项目的实施需要考虑流量计选择、流量监测点位确定、供水管网分区等问题。
1 流量计选择
目前，常用的流量计有质量流量计、涡街流量计、电磁流量计和超声波流量计。其中，质量流量计主要应用于食品加工、医药、石油化工、废水处理、天然气等行业；涡街流量计主要适用于各种饱和蒸汽、高温气体。电磁流量计和超声波流量计主要用于自来水供水计量。电磁流量计和超声波流量计的性能和特点如下。电磁流量计：测量与液体的温度、压力、密度、黏度无关；测量精度0.2%~0.5%；量程比1000：1；适用管径2~2000mm；具有准确度高、量程较大、无水头损失、直管段要求短等优点。但是它的造价随管径增大而成倍增加。
超声波流量计：测量与液体的电导率、压力、温度、密度等无关；时差法超声波流量计测量精度0.5%，多普勒超声波流量计测量精度1%~3%；量程0~10m3/s；适用管径6~6000mm；具有准确度高、量程大、无水头损失、安装方便等优点；其造价不因管径加大而增加，尤其适用于较大口径场合。但它从原理到结构较为复杂，故障排除较困难。
电磁流量计和超声波流量计基本上都能满足所有口径的管道，但在精度上电磁流量计要比超声波流量计高一些。从经济比较上来看，电磁流量计随着口径的增大，价格不断提高，而超声波流量计价格相对较高，但不论口径怎样变化，价格基本保持不变。
流量计的选型一般要综合考虑仪表性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济因素五个方面的因素[4~8]。
（1）仪表性能。包括准确度、重复性、线性度、范围度、流量范围、信号输出特性、响应时间、材质（是否为非金属管道或内部涂敷绝缘材料的管道）、仪表形式（一体或分体型）等。
（2）流体特性。包括水温、水压、流量。
（3）安装条件。包括仪表安装位置和场所（室内或室外、地上或地下），水流动方向，检测件上下游直管段长度、管径、维修空间、电源、接地、辅助设备等。
（4）环境条件。包括环境温度、湿度、电磁干扰、安全性、防爆、管道振动等。
（5）经济因素。包括仪表购置费、安装费、运行费、校验费、维修费、仪表使用寿命、备品配件等。
应注意上述要求之间本身也存在着矛盾，任何一种流量计都不能完全满足，因此具体选用流量计时，要着重考虑以下实际情况：
（1）虽然进口流量计一般质量较好，性能稳定，但缺少备品配件，维修困难且费用高。国产流量计性能稍差，但价廉且易于维修。当前应结合具体情况综合考虑为宜。
（2）应进行经济分析，除考虑流量计的一次投资外（购置费、安装费），还需考虑后续投资（折旧费、维修费、检定费等）。
（3）同一自来水公司选用流量计的种类或形式不宜过多，应尽可能一致，以便于仪表的维修，尤其对一些维修力量薄弱的中小型供水企业更为重要。
2 供水管网流量监测点的选址
一般自来水公司都已建立起供水管网水力模型，可帮助进行管段流量的灵敏度分析、聚类分析等，所以流量监测点的选址可大致按照以下3个步骤进行：
（1）根据管网水力模型和流量监测点优化布置理论初选流量监测点位置。
（2）根据管网分区原则对城市供水管网进行分区。
（3）根据DMA方案设计原则对分区方案和流量监测点初步方案进行整合、修改，得到流量监测点布置的最终方案。
流量监测点优化布置方法一般都是参照压力监测点的优化布置方法得到的[9，10]，即利用管网水力模型，对管段流量进行灵敏度分析、聚类分析，进而实现流量监测点的优化布置。
2.1 流量监测点选址的经验原则[11]
（1）流量监测点应布置在对用户用水量变化比较敏感的管段上；
（2）供水干管上设置流量监测点；
（3）较大口径的枝状管网上设置流量监测点；
（4）供水分界线处应设置流量监测点；
（5）大用户或国家重要部门和单位处应设置流量监测点；
（6）对城市的经济开发区、工业园区设置流量监测点；
（7）易爆管处设置流量监测点。
2.2 流量监测点优化布置理论
城市供水管网的运行工况会受到各种因素的影响，其中管网的节点流量最为敏感。当某一节点流量发生变化时，必然会引起相关管段的流量变化，但对具体各管段的影响程度则各不相同。流量监测点优化布置理论主要是通过节点流量变化对管段流量的影响来计算影响系数矩阵[9]，在影响系数矩阵的基础上实现优化布置。
2.2.1 灵敏度分析法[12]
灵敏度分析法是在影响系数矩阵的基础上，根据数理统计的原理计算各管段的灵敏度[13]，将各管段的灵敏度由大到小排序，根据具体经济技术条件给定监测点的数目，按灵敏度值由大到小选择管段，并在其上布置流量监测装置。
该方法的优点是计算简单、实用，其缺点是针对性不强。由于某一管段的灵敏度是该管段流量对管网中所有节点的流量变化的反映，就有可能出现这样一种情况：虽然某管段的灵敏度值较大，但仍然存在某个或某些节点的流量变化对其流量变化的影响几乎为零。
2.2.2 有效监测矩阵法
有效监测矩阵法[9]是在影响系数矩阵的基础上，依次计算标准化的影响系数矩阵、有效监测矩阵。有效监测矩阵中的1或0元素分别代表该管段是否能监测对应节点的流量变化。
该方法依次引入有效监测范围、最小全覆盖监测集和重合度的概念，在满足覆盖全部节点的条件下使监测集合的重合度最大。
有效监测矩阵法克服了灵敏度分析法针对性不强的缺点，可以确定监测装置所能监测到的节点或区域。
2.2.3 聚类分析法
该方法是以模糊聚类理论为基础发展出的流量监测点优化布置方法。以影响系数矩阵为初始矩阵，求出等价闭包矩阵，再用编网法或者最小支撑树法对等价闭包矩阵进行聚类分析，并得到聚类中心，进而按欧式距离求出到聚类中心距离最小的管段作为安装流量计的管段[10]。
该方法的优点是：有一定的理论基础为依托，布置结果可靠、准确，并且该方法选择的流量监测点有较好的代表性。但是该方法理论性强，需要有详细的管网资料（如详细的管网拓扑结构、节点水量信息等），另外涉及到大量的分析、计算，工作量巨大。
2.3 分区计量原则
分区计量是指把供水管网分为多个区域，使进入该区域的流量能够独立计量。其设计的目的[14~16]是通过流量计量数据与抄表计量数据的比较确定漏损水平、寻找漏损位置；当管道发生破裂时，可以快速确定区域，查找爆管位置。根据我国一些分区管理经验和国外的文献资料[17]，供水管网分区管理主要有三种模式：管理分区、压力分区、区域计量分区（DMA）。
2.3.1 管理分区
大型城市人口众多、管网庞大复杂，管理分区就是最大限度利用城市中已有的明显边界线对管网进行区域划分，如行政区边界、主干道、铁路，以及大型河流等。另一方面，要考虑到各个自来水营业区域的划分，这样有利于后期的水量校对，及时发现管网的产销差，在管理上，结构清晰直观，权责明确，适合作为最初的分区管理模式。
2.3.2 压力分区
由于供水管网中压力与漏损呈正相关关系，可以根据城市的地形和用户对水压的要求，将管网分为若干个压力区。压力分区后，可对管网中的高压区进行重点监测，通过对其局部控制，降低整个管网的平均水压，减少漏失水量以及爆管发生的几率。
2.3.3 区域计量分区
对于城市供水管网发展较为完善的供水企业可以考虑区域计量分区。区域计量分区是根据管网的供水走向，通过设置流量计以及关闭阀门将管网分为若干个相对独立的区域，从而实现对各个区域进出流量的监测[18]，而这样的区域即简称为DMA。区域计量分区可以及时发现爆管或漏损等问题并加以定位，减少检测时间。区域计量分区是降低供水产销差的有效途径，是现代化供水管理的发展方向之一。
在国外的现行标准中，按照区域内包含住户数量的多少，DMA可分为以下三种规模[12]，见表1。
针对我国大型城市中供水服务人口较多的实际情况，可以增大区域计量分区中用水户数量的设计标准。
3 工程实例
FS市是我国南方一座经济发达的大型城市。FS市自来水公司平均日供水量约为70万m3/d，总服务人口97万。随着城市的发展和供水规模的扩大，公司面临着一些新的问题，如：对爆发事故的发生不能及时定位、管网漏损控制方法需要改进、用水计量管理水平需要提高等。为了寻求爆管事故预警的方法，进一步加强管网漏损控制以及提高公司运行管理能力，公司决定从2008年开始实施供水管网流量监测项目。自来水公司现已建立完善的管网模型，可以利用管网模型进行流量监测点的优化布置和管网分区。
供水管网流量监测点实施方案的具体流程见图1。
图1 供水管网流量监测点实施方案步骤示意
3.1 流量计选择
FS市供水管网大部分管径均为DN1200以下，根据对部分自来水公司的调研以及经济比较分析，认为在口径不大的管道上安装电磁流量计成本较低，因此FS市自来水公司选定A、B、C三类电磁流量计，其中A类用于分区计量，控制漏损，具有较高精度，能实时输出瞬时量；B类用于分区计量，控制漏损，精度较高，能定时输出累计量；C类用于监控管网，精度较低，能实时传输瞬时量及流向。
3.2 流量监测点布置
依照管理分区原则，主要结合FS市几条河流对城市的自然分区以及主要干道的行政区域划分将供水管网分为6个一级区块，在各个区块的管网主要分界处（主要是过河管道）设置A类或B类流量计。
对管网模型进行简化，然后采用有效监测矩阵法对简化后的管网进行计算分析，选择能够对管网全部节点进行监控的管段集合作为流量监测点的位置，得到初步的流量监测点选址方案。
利用EPANET对管网水压进行模拟，得到高压区的分布情况，见图2。结合压力分区、区域计量分区原则，着重突出对区域进出水量的独立计量，将管网分为25个二级区块。适当调整流量监测点的位置，使其便于对各二级区块进行计量与监测，得到117个流量监测点（包括了一级分区的流量监测点），二级分区的流量监测点安装B类或C类电磁流量计。分区情况和监测点的位置见图3。
图2 管网压力分布
图3 FS市管网分区及流量监测点布置
3.3 投资成本估算
FS市流量监测项目采用A类、B类、C类三种类型流量计，不同类型、不同管径的流量计采购单价见表2。
根据FS市工程造价的实际情况，不同管径的流量计安装施工成本见表3。
假设流量计使用寿命为10年，其维护管理费用按采购、安装费用的20%计算，则FS市流量监测项目的总成本为1187.64万元。
4 结束语
供水管网流量监测项目的实施，有助于提高自来水公司的运行管理水平以及对管网漏损的控制力度。本文利用数学优化的方法布置流量监测点，并与分区计量相结合，对FS市供水管网流量监测方案进行探讨，对大型供水管网流量监测有一定的指导意义。
为达到流量监测点布置的预期目标，流量监测点技术方案的实施过程中还应注意现场勘查情况，确保方案的可行性，然后按积极稳妥、循序渐进、总体规划、逐步实施的原则，先对必要性强、位置重要的流量监测点进行建设[19]。
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