我國(guó)城市供水管網(wǎng)漏損控制技術(shù)發(fā)展與展望
引言
城市供水管網(wǎng)安全運(yùn)行是城市建設(shè)和人民生活的基本保障。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市供水管網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模日益增長(zhǎng)。然而，由于城市供水管網(wǎng)漏失，導(dǎo)致每年損失的水量超過(guò)太湖的實(shí)際蓄水量，不僅造成了大量?jī)?yōu)質(zhì)水資源的浪費(fèi)、干擾正常生產(chǎn)生活秩序，而且可能帶來(lái)供水水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和地下公用設(shè)施損壞等次生危害。因此，對(duì)于供水企業(yè)來(lái)說(shuō)，防控由于管網(wǎng)漏損或破損導(dǎo)致的供水事故、水量損失和水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)是管網(wǎng)運(yùn)行管理中的重要內(nèi)容。
“十二五”期間，國(guó)家高度重視給排水管網(wǎng)建設(shè)，做好管網(wǎng)漏失控制是實(shí)現(xiàn)城市節(jié)水降耗、提高水資源利用效率的重要措施。目前，我國(guó)供水管網(wǎng)漏損嚴(yán)重，平均管網(wǎng)漏損率約為18%，在部分地區(qū)漏損率高達(dá)35%以上。在城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損控制方面，與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在較大差距，存在漏損構(gòu)成不清、漏損監(jiān)測(cè)與控制效率低的問(wèn)題，亟需形成適合我國(guó)情況的管網(wǎng)漏損綜合監(jiān)測(cè)與控制共性關(guān)鍵技術(shù)；谒胶夥治雠c分區(qū)管理的管網(wǎng)漏損評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)，從我國(guó)供水管網(wǎng)漏損現(xiàn)狀與管理技術(shù)水平出發(fā)，由定量漏損的水平衡分析方法、綜合漏失監(jiān)測(cè)方法和漏失綜合控制方案等多項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容組成，形成了基于分區(qū)調(diào)度、區(qū)域控壓、DMA壓力調(diào)控的漏失控制與管理綜合技術(shù)，技術(shù)路線如圖1所示。通過(guò)技術(shù)應(yīng)用示范為供水企業(yè)漏損控制提供了技術(shù)支撐和解決方案，在北京市供水管網(wǎng)的應(yīng)用取得了年節(jié)水3000余萬(wàn)m3的效果，未來(lái)有望通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施與北京的示范作用在全國(guó)進(jìn)行推廣應(yīng)用。
1基于水平衡分析與分區(qū)管理的管網(wǎng)漏損評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)技術(shù)
由于管網(wǎng)深埋于地下，漏失點(diǎn)的監(jiān)測(cè)非常困難，對(duì)管道破損點(diǎn)的修復(fù)、管網(wǎng)更新、壓力控制等方法的實(shí)施造成困難，因此管網(wǎng)漏失的監(jiān)測(cè)和控制是目前減少管網(wǎng)漏損的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。管網(wǎng)漏損評(píng)價(jià)是有效進(jìn)行漏失監(jiān)測(cè)和控制的基礎(chǔ)，可以從漏損水量評(píng)估、管線漏損狀況評(píng)價(jià)和管網(wǎng)漏損狀態(tài)評(píng)價(jià)等不同尺度上進(jìn)行。對(duì)漏損水量進(jìn)行定量評(píng)估，可以反映管網(wǎng)的整體健康狀況以及企業(yè)的管理水平和用戶的文明水平。而管線或管網(wǎng)漏損狀態(tài)評(píng)價(jià)，則可以為漏損檢測(cè)和管網(wǎng)維護(hù)方案的優(yōu)化提供支持。
1.1適合我國(guó)供水管網(wǎng)的水平衡分析方法
我國(guó)目前采用漏損率指標(biāo)評(píng)價(jià)供水管網(wǎng)漏損，雖然規(guī)定了漏損率的計(jì)算方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)如何確定各構(gòu)成要素的影響程度，缺乏必要的分析方法。水量平衡表是明確漏損主要組成的一種非常好的工具。國(guó)際水協(xié)的標(biāo)準(zhǔn)水量平衡表已經(jīng)被很多國(guó)家的供水部門采用并作為供水管網(wǎng)漏損控制工作的基本依據(jù)。但由于我國(guó)管網(wǎng)特征和計(jì)量方式等多方面的差異，不能照搬國(guó)際水協(xié)的水平衡分析方法，需要提出適合我國(guó)情況的可實(shí)施的方法。因此，在學(xué)習(xí)吸收國(guó)際水協(xié)的水平衡法的基礎(chǔ)上，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)水量平衡表的部分內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和細(xì)化(見(jiàn)表1)，一是摒棄了“表觀漏損”這一難以理解的術(shù)語(yǔ)，而將計(jì)量誤差單獨(dú)拿出來(lái)作為一個(gè)大項(xiàng)，將竊水、用戶拒查、水表漏立戶等造成的損失統(tǒng)一歸入“其他損失”;二是將真實(shí)漏失分為明漏、暗漏、背景漏失和水箱、水池的滲漏及溢流。修正后的水平衡表更符合我國(guó)供水企業(yè)運(yùn)行管理實(shí)際情況，且各項(xiàng)概念更加清晰，不容易給人帶來(lái)誤解，解決了之前我國(guó)供水行業(yè)對(duì)漏損水量構(gòu)成要素不明確的難題。
使用修正的水量平衡表對(duì)各構(gòu)成要素的水量進(jìn)行量化分析時(shí)，供水總量和計(jì)費(fèi)用水量可根據(jù)計(jì)量數(shù)據(jù)直接計(jì)算，免費(fèi)用水量可通過(guò)向消防部門收集相關(guān)數(shù)據(jù)獲得，其他免費(fèi)用水量(如管線沖洗等)也可通過(guò)計(jì)量或估算方式獲得，漏損水量構(gòu)成要素中的漏失水量、計(jì)量損失水量和其他損失水量則需要以樣本試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算確定。如計(jì)量損失水量是由于各級(jí)計(jì)量表具之間的計(jì)量差值以及水表本身計(jì)量性能限制造成的水量損失，前者主要是居民查表入戶后的總分表誤差，后者主要是大用戶水表的計(jì)量損失。通過(guò)開展總分表計(jì)量損失試驗(yàn)以及不同計(jì)量精度水表的串聯(lián)試驗(yàn)，可以得到這兩種因素的計(jì)量損失率。從而能夠確定整個(gè)管網(wǎng)由于計(jì)量損失造成的損失水量。
1.2基于噪聲信號(hào)和DMA流量數(shù)據(jù)的管網(wǎng)漏損綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)
我國(guó)管網(wǎng)漏失嚴(yán)重的主要原因之一是漏失監(jiān)測(cè)水平有限、效率較低；诼┦綔y(cè)儀的漏失監(jiān)測(cè)技術(shù)是主動(dòng)檢漏法的一種，能監(jiān)測(cè)到漏水點(diǎn)，對(duì)于漏水點(diǎn)定位具有直接的作用，但不能判斷漏失的大小。我國(guó)很多供水單位都在嘗試管網(wǎng)分區(qū)管理，這就為管網(wǎng)漏失的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)提供了另一層尺度；贒MA的漏失監(jiān)測(cè)可以監(jiān)測(cè)到流量變化，直接反映漏失量，但無(wú)法定位漏水點(diǎn)。盡管理論上通過(guò)逐步縮小檢測(cè)區(qū)域的方法，可以最終找到漏失點(diǎn)的位置及漏失量的大小，但是這種方法工作強(qiáng)度非常大，經(jīng)常需要在深夜進(jìn)行，而且在一個(gè)區(qū)域內(nèi)頻繁地開閉一些閥門，會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)水流頻繁發(fā)生變化，使管垢脫落，帶來(lái)水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)。將DMA流量判斷和漏失探測(cè)儀監(jiān)測(cè)相結(jié)合，形成綜合的漏失監(jiān)測(cè)方法，技術(shù)路線見(jiàn)圖2。即根據(jù)DMA夜間最小流量曲線和漏失探測(cè)儀的報(bào)警信號(hào)，能同時(shí)得到漏失大小和漏失位置信息，可以大大提高漏失檢測(cè)效率。
2基于DMA漏失控制與水廠泵站調(diào)節(jié)的管網(wǎng)漏損高效控制技術(shù)
漏失控制可以從主動(dòng)檢漏、管網(wǎng)維護(hù)、壓力控制、科學(xué)管理4個(gè)方面進(jìn)行。主動(dòng)查找漏水點(diǎn)并及時(shí)進(jìn)行修復(fù)是目前絕大部分供水單位主要采取的漏失控制措施，也是一項(xiàng)最基本的漏失控制措施。壓力控制，相對(duì)來(lái)講是見(jiàn)效最快的漏失控制措施。因?yàn)槁┧c(diǎn)的泄漏速率是與壓力直接相關(guān)的，壓力降下來(lái)后漏水速率會(huì)立即有所降低。但是，要進(jìn)行壓力控制需要對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)管理，同時(shí)需要在區(qū)域入水口處安裝相應(yīng)的壓力控制設(shè)備，這一投資高于漏水點(diǎn)檢測(cè)和修復(fù)，但低于管網(wǎng)更新改造。因此，壓力控制是管網(wǎng)漏損控制的重要技術(shù)手段之一，在滿足用戶用水需求的前提下，通過(guò)合理降低管網(wǎng)壓力，可以有效降低漏失水量、破損頻率和漏失自然生長(zhǎng)率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能、降耗和延長(zhǎng)管網(wǎng)資產(chǎn)壽命的目的。
目前我國(guó)在管網(wǎng)分區(qū)管理、壓力調(diào)控方面進(jìn)行了一些嘗試，但仍缺乏足夠的科學(xué)支持。在北京市供水管網(wǎng)10個(gè)DMA進(jìn)行壓力控制試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓力控制對(duì)于漏損控制均有一定的效果，并且不同DMA對(duì)壓力控制的響應(yīng)效果不同。平均每km管道上，每降1m的壓力可以節(jié)水0.11L/s。由于DMA一般在管徑300mm以下的管道中實(shí)施，因此，若將上述壓力控制效果擴(kuò)展到全北京市，則可以估算出壓力控制所取得的效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京市供水管網(wǎng)管徑在300mm以下管道總長(zhǎng)為4863km，按上述壓力控制效果計(jì)算，每降1m的壓力可以節(jié)水1690萬(wàn)m3，節(jié)水潛力巨大。但同時(shí)，由于不同DMA控壓節(jié)水效果差異較大，壓力控制不應(yīng)盲目地去開展，而是應(yīng)該有針對(duì)性地進(jìn)行。
調(diào)研收集全國(guó)36個(gè)DMA數(shù)據(jù)(其中北京21個(gè)，其他15個(gè))，通過(guò)背景流量評(píng)估模型可以得到DMA基本屬性對(duì)可達(dá)最低夜間流量的影響，從而定量地計(jì)算出在某一目標(biāo)壓力下可以達(dá)到的最低夜間流量水平，進(jìn)而明確壓力控制的效果。根據(jù)管網(wǎng)基礎(chǔ)屬性和目標(biāo)控制壓力，可以計(jì)算出在不同漏失控制策略下的節(jié)水效果，進(jìn)而分析每種漏失控制策略的成本和效益，最終針對(duì)不同的DMA選擇適當(dāng)?shù)穆┦Э刂撇呗。漏失控制策略包含：保持現(xiàn)狀、只檢漏不控壓、只控壓不檢漏、既檢漏又控壓。
DMA壓力控制是在管網(wǎng)末端進(jìn)行壓力調(diào)控，而要實(shí)現(xiàn)全管網(wǎng)的壓力控制，從水廠泵站端進(jìn)行壓力控制是最經(jīng)濟(jì)、高效的措施。對(duì)于單水廠供水的管網(wǎng)來(lái)說(shuō)，水廠泵站壓力調(diào)控比較簡(jiǎn)單，只需要確定好管網(wǎng)中的最不利點(diǎn)之后，再由此來(lái)反推水廠出廠壓力即可。但對(duì)于多水廠供水的環(huán)狀管網(wǎng)來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)水廠的壓力調(diào)控都會(huì)影響到整個(gè)管網(wǎng)的壓力空間分布，因此，情況要復(fù)雜得多。通常供水單位可以通過(guò)每個(gè)水廠逐步減壓的方式進(jìn)行嘗試，最終得到一個(gè)相對(duì)較低的管網(wǎng)平均壓力。例如，北京市近年來(lái)通過(guò)嘗試，已經(jīng)將全市管網(wǎng)平均壓力水頭降低了2m左右，每年可以節(jié)水3000萬(wàn)m3以上。
為了更好地實(shí)現(xiàn)水廠泵站的調(diào)節(jié)，可以參考DMA的概念，提出水廠控壓區(qū)的概念(PRZ)，通過(guò)管網(wǎng)局部管道的管理，使每個(gè)水廠的供水范圍相對(duì)固定，使得調(diào)節(jié)某個(gè)水廠的壓力時(shí)，對(duì)供水范圍外的壓力影響降低；贒MA漏失控制與基于水廠泵站調(diào)節(jié)相結(jié)合的漏失綜合控制方法的基本思想和技術(shù)路線見(jiàn)圖3是：首先，通過(guò)按照水廠的供水范圍將管網(wǎng)劃分成多個(gè)壓力調(diào)度區(qū)(PRZ)，根據(jù)各區(qū)域的最不利點(diǎn)壓力情況，分析水廠泵站減壓的可行性;其次，在每個(gè)PRZ內(nèi)部再劃分多個(gè)DMA，根據(jù)局部壓力情況及DMA屬性，確定適合的漏失控制策略。PRZ的壓力調(diào)控與DMA的漏失控制相互作用，反復(fù)聯(lián)動(dòng)考慮，形成管網(wǎng)分級(jí)分區(qū)的漏失控制方案。圖4給出一個(gè)管網(wǎng)分級(jí)分區(qū)漏失控制的示意圖，一般先根據(jù)管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系、地面高程以及水廠供水范圍，劃分水廠壓力調(diào)度區(qū)，如PRZ1和PRZ2，這兩個(gè)區(qū)域的總體壓力分別主要由水廠1和水廠2調(diào)控，調(diào)控目標(biāo)由兩個(gè)區(qū)的最不利點(diǎn)A和B分別確定。同時(shí)，在兩個(gè)PRZ內(nèi)，又劃分成多個(gè)DMA，根據(jù)其屬性計(jì)算最低可達(dá)到的夜間流量，進(jìn)而通過(guò)成本效益分析，得到各DMA的最優(yōu)漏失控制策略。PRZ的壓力調(diào)控與DMA的漏失控制相互作用，應(yīng)把二者協(xié)同考慮。這就形成了管網(wǎng)分級(jí)分區(qū)的漏失控制方案。
分級(jí)分區(qū)的管網(wǎng)漏失控制技術(shù)在北京市供水管網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)用，得到了良好的節(jié)水效果。在保證滿足有效需求的前提下，對(duì)西南部田村山、東北部孫河和五廠供水區(qū)域采取相對(duì)獨(dú)立的供水調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了“一張大網(wǎng)、三個(gè)區(qū)域”的供水調(diào)度格局，每年節(jié)水2600余萬(wàn)m3，節(jié)電730多萬(wàn)kW˙h。在分區(qū)控壓方面，目前已累計(jì)建成望京、回龍觀、亦莊等6個(gè)壓力控制區(qū)，年節(jié)水1600萬(wàn)m3，節(jié)電480萬(wàn)kW˙h。北京市自來(lái)水集團(tuán)結(jié)合獨(dú)立計(jì)量區(qū)(DMA)建設(shè)，對(duì)壓力較高小區(qū)進(jìn)行壓力控制，累計(jì)建設(shè)壓力控制小區(qū)(PMA)29處。在已完成壓力調(diào)控的小區(qū)中，日節(jié)水量最高為205m3，最低為8m3，平均日節(jié)水量約76m3(年節(jié)水約2.77萬(wàn)m3)，單位管長(zhǎng)單位壓降節(jié)水量平均值為0.32m3/(h˙km˙m)。
3結(jié)論與展望
管網(wǎng)漏損控制是節(jié)約水資源、提高管網(wǎng)運(yùn)行效率的重要措施，也是降低管網(wǎng)水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)的重要保障。我國(guó)在管網(wǎng)漏損控制與管理技術(shù)已經(jīng)取得了一些有益的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。基于水平衡分析與分區(qū)管理的管網(wǎng)漏損評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)，從認(rèn)識(shí)漏損、掌握漏損和控制漏損三個(gè)層面提出了漏損控制與管理的高效方法。在漏損評(píng)價(jià)方面，建立適合我國(guó)管網(wǎng)運(yùn)行和管理特點(diǎn)的水平衡分析方法，定量化解析漏損，為漏損的精準(zhǔn)化控制提供了前提。在漏損監(jiān)測(cè)方面，將基于分區(qū)流量監(jiān)測(cè)的存量漏損估算方法和新增漏損預(yù)警方法與基于噪聲監(jiān)聽(tīng)的漏損監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行融合，形成綜合的漏損監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了漏損流量與位置的同時(shí)判別，提高了監(jiān)測(cè)能力。在漏損控制方面，將基于DMA的管網(wǎng)壓力調(diào)控的漏損控制策略與基于泵站調(diào)節(jié)的方法相結(jié)合，形成了基于壓力控制的管網(wǎng)漏損綜合控制方法，為水廠漏損控制提供了優(yōu)化方案。
漏損管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對(duì)于規(guī)模較大的供水管網(wǎng)，漏損控制和管理的難度更為突出。對(duì)于供水企業(yè)，漏損控制的好壞直接體現(xiàn)了企業(yè)產(chǎn)供銷全過(guò)程管理水平和資源使用效率，各供水單位在管網(wǎng)漏損控制方面做了大量的工作，初步取得了一些成效，當(dāng)仍還有許多需要繼續(xù)完善的內(nèi)容，如加強(qiáng)漏損解析方法的精確性、建立更準(zhǔn)確的計(jì)量損失水量和漏失水量計(jì)算方法、完善基于DMA的漏損控制技術(shù)、優(yōu)化基于管網(wǎng)分區(qū)和智能調(diào)度的壓力調(diào)控技術(shù)。管網(wǎng)分區(qū)管理是壓力調(diào)控、管網(wǎng)精細(xì)化管理的基礎(chǔ)，只有開展了分區(qū)計(jì)量才能實(shí)現(xiàn)區(qū)域漏損的測(cè)定與壓力控制。目前，上海、南京、合肥、紹興等地的供水企業(yè)多采用了分區(qū)計(jì)量和大表遠(yuǎn)傳等較先進(jìn)的技術(shù)手段和管網(wǎng)的分區(qū)管理，這也在一定程度上反映了我國(guó)供水管網(wǎng)管理的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。未來(lái)，在DMA數(shù)據(jù)資料管理和分析利用方面都還有待于進(jìn)一步提升，例如完善基于最小夜間流量變化的新增漏失甄別預(yù)警技術(shù)，開展DMA進(jìn)口至一級(jí)水表、樓門表至戶表兩級(jí)水量對(duì)比分析，建立融合最小夜間流量和總分表水量差的管網(wǎng)漏損量化考核指標(biāo)體系，以逐步形成更精細(xì)化的綜合管理體系和指標(biāo)。此外，對(duì)不同的管網(wǎng)分區(qū)應(yīng)根據(jù)其特性制定不同的管理目標(biāo)，對(duì)壓力調(diào)控效果在不同分區(qū)的差異應(yīng)進(jìn)行深入分析以指導(dǎo)壓力控制的優(yōu)化實(shí)施等。
致謝
本文研究成果是在水專項(xiàng)“十二五”課題“城市供水管網(wǎng)水質(zhì)安全保障與運(yùn)行調(diào)控技術(shù)(2012ZX07408002)”的資助下完成的，課題承擔(dān)單位為中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，合作單位包括同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京市自來(lái)水集團(tuán)有限責(zé)任公司、鄭州自來(lái)水投資控股有限公司。本文介紹的管網(wǎng)漏損綜合監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)與控制技術(shù)內(nèi)容為課題的研究成果，主要由中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心和北京市自來(lái)水集團(tuán)有限責(zé)任公司完成。
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