A3：科技智慧
通过实施合理的压力分区和精准的压力控制，可以显着减少管网的漏损。然而，基于实际供水管网条件制定分区方案面临挑战，同时，直接验证分区管理和压力管理对漏损量及系统能耗的具体影响往往较为困难。以澳门地区为研究对象，在传统水力模型的基础上引入了压力依赖需求（Pressure Dependent Demand，PDD）节点模型，将传统水力模型中的节点需水量进一步细分为用户需水量和漏损量。通过对供水管网漏损的水力模型进行校验，量化不同供水分区方案下的漏损量和能耗变化，为澳门供水分区的科学划分提供了坚实的依据，并为供水压力管理提供了一个相关完善的指导方案。
全球供水管网漏损问题严峻，每年因漏损浪费的水量高达1 260亿m3/年，造成巨大经济损失。我国2023年城市供水管网漏损量约为83亿m3/年，相当于澳门83年的总供水量。漏损不仅浪费水资源，还显着增加能耗和运营成本。澳门供水管网整体漏损率较低（约7%~8%），但澳门半岛的分区漏损率超过9%。降低漏损率需依赖科学的管理方法。合理的分区与压力优化不仅能降低漏损率，还可减少管道破裂风险，提升供水系统稳定性及运行效率。
在合理分区及压力管理的基础上，可利用水力模型模拟管网漏损。传统的需水量驱动水力模型（Demand Driven Analysis，DDA）仅考虑用户的需水量，而未将管网节点的漏损率纳入分析，导致其难以准确反映压力变化对漏损的动态影响。因此，本研究引入了压力依赖需求（Pressure Dependent Demand，PDD）模型，将供水压力与漏损特性直接关联，并引入各水厂的水泵效率曲线，构建了压力驱动的漏损水力模型。通过对澳门供水管网的分区优化与压力控制进行研究，提出了优化方案，将显着降低澳门半岛分区漏损率，并定量分析其在漏损控制与能耗节约方面的效果，为供水系统高效运行提供理论与实践支持。
01 研究方法
为解决传统需水量驱动模型在漏损管理中的局限性，本研究提出了利用构建基于压力驱动的供水管网漏损水力模型，以实现漏损控制的精细化分析。
1.1 水力模型的扩展及校准
传统需水量驱动模型（DDA）在建模时，通常将已知的用户用水量赋值到管网节点上，然后通过用水厂出厂的总供水量减去已知的用户用水量，得到未分配的水量。这些未分配的水量再按照一定的规则分配到不同的节点。然而，这种方法未能充分考虑漏损量随压力变化的特性，因此在漏损管理中的应用受到了限制。本研究在DDA基础上扩展压力依赖需求（PDD）节点，将漏损量与供水压力直接关联，利用Epanet中的流量发射器（Emitter）功能模拟漏损点的压力依赖特性，精确反映压力变化对漏损的影响。
扩展后的压力驱动漏损水力模型需将管网漏损率纳入分析，通过综合分析历史数据，结合主动测漏量、不可避免漏损量（UARL）及未检测漏损量进行估算。压力依赖需求节点的漏损量通过Epanet模型中的流量发射器（Emitter）导入节点，见式（1）：
q=CPn （1）
式中：q——节点漏损流量，L/s；C——漏损系数；P——节点压力，mH2O。n——压力指数，反映漏损流量对压力的敏感程度，初始设定为0.5。
节点压力通过水力模型和MATLAB提取，漏损系数由式(1)计算后附加至模型节点，并引入各水厂及管网泵站的水泵效率曲线，完成模型构建。随后，通过实际运行数据（流量、能耗、压力）校准模型，并采用均方根误差和平均绝对百分比误差评估准确性。该压力驱动漏损水力模型可弥补传统模型不足，为供水管网精细化管理提供支持。
1.2 漏损点模拟及模型应用分析
完成模型构建与校准后，利用压力驱动漏损水力模型深入分析供水管网的分区管理与压力优化，并拟定多种方案，量化漏损量与能耗变化，为漏损控制和供水效率提升提供依据。
1.2.1 分区优化
模型结合压力动态变化，精确识别最低自由水头节点分布，科学划定压力相近的分区范围，优化分区边界，确保供水压力均衡，避免实际供水中因压力不足影响用户用水。
1.2.2 压力优化
根据分区优化结果，制定科学的供水调度方案，综合评估水源供水能力与管道水力负荷，合理分配水量，确保各区域供水需求得到满足。同时，通过动态调整压力分布，优化管网运行状态，平衡漏损率与能耗，降低供水过程中的资源浪费与运行成本。结合用水高峰与低谷的变化规律，确定24 h压力的最佳控制范围，进一步提升供水系统的安全性、稳定性和运行效率，保障持续可靠的供水服务。
1.2.3 方案评估
量化评估优化方案的效果，包括：①漏损率改善；②水泵能耗变化；③系统运行稳定性；④施工可行性（结合阀门操作性及管网连通性等）。
02 案例实践
2.1 研究根据
澳门供水区域结构复杂，需在满足动态供水需求的同时提升运行效率并优化漏损控制，本研究重点分析高、低区在压力分布、漏损特性及供水需求上的差异。根据2019年至2021年澳门半岛高、低区供水管网的统计数据显示，高区的年平均总物理漏损量约为2980m3/d，低区则约为12690m3/d。总物理漏损量由3部分组成：已检测漏损量、不可避免漏损量以及未被检测漏损量。
通过分析与计算，得出澳门低区与高区在2019年至2021年间的年平均分类物理漏损量如表1所示。
表1 澳门低区与高区平均分类物理漏损量
这些漏损量需要转化为分区内不同漏损类型的漏点数量。根据数据显示，半岛高区的年平均已检测漏点数为36个，低区则为225个，按测漏频率推算每个漏点的漏水时间约180d，因此每个已检漏水点的平均漏损量约为1.2m3/h。合理假设不可避免单一漏损点的漏损量为已检测漏点漏损量的25%（约为0.288m3/h），则可计算出高区约有121个不可避免漏点，低区约有533个。同样，假设未检测漏损量为已检测漏损量的45%（即0.54m3/h），得出高区未检测漏点约为108个，低区约为455个。
这些漏点数据需导入水力模型的相应管网节点，节点选择基于管材、管龄及爆漏记录等条件。漏点数据以漏损系数和节点压力的形式导入模型。节点压力数据通过水力模型和MATLAB代码提取，而漏损系数则根据式（1）计算得出。
随后，将相关漏点导入管网节点，并引入各水厂的水泵效率曲线。模型校准与验证采用2019年和2021年的供水调度数据，包括供水量、水泵运行、阀门调度及主要压力监测点的实测数据。结果显示，模拟结果与实际数据的误差均在2%以内（见图1~图2），表明模型具有较高的准确性和适用性。
图1 模型结果与各水厂供水数据校核
图2 模型结果与各压力监测点24h平均数据校核
2.2 供水管网分区优化研究
澳门半岛供水系统按地势分为低区（海拔低于22m）和高区（海拔高于22m）。随着城市扩展，现有分区方案需优化。目前的压力分区基于早期地形与水压分布设定，旨在高效控制供水压力。由于澳门以唐楼为主，采用直接供水模式，优化分区时需特别关注自由水头较低的区域，以确保最低供水压力要求（25.5mH2O）。
通过压力驱动漏损水力模型分析发现，低区管网中有7个自由水头较低（26～35m）的区域（见图3），主要位于低区的高地势部分。将这些区域调整至高区后，可降低低区供水压力，减少漏损，同时避免高地势区域供水压力不足的问题。
图3 澳门半岛最不利关键点位置及自由水头较低的7个区域分布情况
澳门半岛供水分区优化研究围绕三大关键因素展开：最不利点供水压力分析、水源点及主干管工作负荷分析，以及施工可行性，并结合漏损水力模型进行深入评估。
2.2.1 水源点的工作负荷及管道供水负荷
澳门半岛高区的供水模式主要依赖A水厂的高区泵、SV泵站以及半岛70高位水池的共同支持（见图4）。其中，半岛70高位水池和SV泵组直接向用户供水，其水源均来自A水厂。根据表2，现有的供水系统可满足高区全天的需水需求。
图4 澳门半岛高区供水管网分布情况
表2 高区优化前供水状况
通过水力模型的计算与分析，优化分区后，半岛高区将新增超过5000个用户，需水量从417m3/h增至662m3/h。研究表明，半岛高区供水安全需除了现时的供水系统之外，还需要依靠半岛低区清水池和半岛50高位水池的同时供应补充，以满足新增需求，如表3所示。
表3 分区优化后高区供水状况
分区优化后，半岛高区需水量显着增加，给水源点和管道带来新挑战。通过水力模型分析发现，高区两条1号和2号DN200主输水管道（见图4）水头损失将分别达15.77m/km和15.39m/km（见图5），导致高峰时段最不利点位置供水压力不足（低于25.5mH2O），影响供水稳定性。为确保系统长期稳定运行，需重点降低管网水头损失。
图5 配水管道水头损失、水池水位及最不利点压力
2.2.2 施工可行性与管网优化方案
澳门市区街道密集、地下管线复杂，管网优化面临施工协调困难、交通干扰及高成本等挑战。为尽量减少开掘点，本研究利用水力模型提出两套优化方案，并规划七项改善工程，兼顾现有管网实际与未来用水需求，提升系统效率。
（1）方案1。利用现有低区DN300管道，通过三项改善工程将其规划为高区主供水管道。合理调压避免大规模新建工程，满足高区用水需求，方案具高可行性（见图6）。
（2）方案2。在现有两条DN300低区管道的基础上，通过实施四项改善工程接入高区，进一步提升供水能力，降低水头损失，优化压力分配，并有效减少漏损（见图6）。模拟显示，优化后主输水管水头损失降至3.5m/km以下，最不利点（大炮台）供水压力将超26.5m，显着提升输水效率和系统稳定性，并增强系统适应未来需求的能力。
图6 澳门半岛高区管道优化建议方案
2.3 供水管网压力对于漏损率及能耗的优化研究
本研究通过重新划分澳门半岛供水压力分区，利用压力驱动的漏损水力模型，评估分区优化对管网漏损率及供水能耗的影响。优化方案将半岛低区自由水头较低的7个细区调整至半岛高区，将显着降低半岛低区供水压力的需求，同时提升系统运行效率和可持续性。
2.3.1 漏损率的变化分析
供水管网压力是影响漏损率的关键因素。优化分区后，半岛低区供水压力将下降约5m，使半岛低区漏损量显着减少。然而，半岛高区新增的7个细区中，264个节点因压力提升可能导致漏损率上升。研究通过漏损水力模型对压力调整后的整体漏损情况进行了详细分析（见表4）。
（1）半岛低区漏损变化。优化后，低区的出厂供水压力下降，日漏损量由将12688m3减少至10944m3，年漏损量预计减少约636560m3，降幅达13.7%。这是由于压力降低减少了管道中的渗漏，特别是在低区覆盖范围广、供水量大的情况下，压力优化的效果尤为显着。
（2）半岛高区漏损变化。高区新增的7个细区因压力上升，日漏损量将由2982m3增至4267m3，预计年增约469390m3，增幅43.0%。漏损集中在新增的264个节点，平均自由水头由31.96m升至35.19m。尽管压力提升导致漏损增加，这些暗漏点可通过后续检测与修复进一步降低。
（3）整体漏损变化。综合上述，由于半岛低区漏损减少幅度大于高区漏损增加幅度，澳门半岛整体漏损量呈下降趋势。优化后，年漏损量减少约167000m3，物理漏损率从9.34%降至9.09%，下降0.25个百分点，表明分区优化能有效控制漏损。
表4 供水区域优化前后漏失量变化百分比
2.3.2 潜在问题与解决措施
尽管分区优化整体上降低了漏损率，但半岛高区新增区域的压力提升仍带来一定风险。首先，管网节点压力过高，新增的264个节点承受更高的压力，可能导致管道老化加剧或漏损点增多。其次，漏损率短期增加，半岛高区漏损率的上升可能在短期内抵消部分低区漏损减少的效果。
为应对上述问题，研究提出以下解决措施：
（1）管网监测与维护。在新增半岛高压区域部署实时压力监测系统，动态调整压力分配，并定期开展管道检测和修复工作，特别是针对新增的暗漏点，及时发现并修复，减少长期漏损量。
（2）优化管网布局。结合澳门半岛未来用水需求增长趋势，对半岛高区关键管道进行扩容或改造，以分散压力，降低管网节点的压力负荷。
2.3.3 能耗的优化效果
供水压力的优化不仅能降低漏损率，也可对供水系统的能耗产生显着的正面影响。澳门半岛低区覆盖范围广，日供水量约为158860m3，是半岛高区的17倍。通过水力模型的模拟分析显示，降低低区的供水压力对整体能耗的节约效果尤为显着。
（1）半岛低区能耗变化。出厂供水压力预计由50.01mH2O降至45.66mH2O，管网平均压力下降11.84%。通过优化水泵配置，低区水厂的单位电耗可显着降低。
（2）半岛高区能耗变化。高区管网平均压力预计由50.20mH2O提升至53.14mH2O，增幅为5.86%。虽然高区压力有所上升，但因其供水量较小，对整体能耗的影响有限。
（3）整体能耗变化。优化后，澳门半岛水厂总单位电耗预计由0.192kW·h/m3至0.177kW·h/m3，节能幅度达到7.81%。这一节能效果不仅将降低供水成本，还可减少碳排放，为澳门供水系统的绿色发展提供了支持。
03 结 论
本研究基于压力驱动的漏损水力模型，全面分析了澳门供水管网的压力优化与分区管理问题，并提出了针对性优化方案。主要结论如下：
（1）引入压力依赖需求模型（PDD）可更精准地关联压力与漏损，准确模拟不同压力条件下的漏损情况。
（2）通过重新划分澳门半岛高低区供水压力，预计可显著降低半岛低压区域的漏损率，减少整体系统能耗，并将提升供水系统的运行效率和稳定性。特别是低区高地势用户的供水压力可得到保障，低区漏损率将大幅下降。
（来源：给水排水）