1. 引言
為了用水安全、提高經(jīng)濟(jì)收益，必須要重視管網(wǎng)建設(shè)，使其安全運(yùn)行。供水管網(wǎng)老化、超限服役、部分管材差、缺乏完善管理等原因 ，使得平均漏損率達(dá)15%以上的城市占大部分，而發(fā)達(dá)國(guó)家僅為6%~8%。漏損率居高不下，經(jīng)濟(jì)損失慘重。針對(duì)城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)現(xiàn)狀，相關(guān)專家提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略和解決方案。目前常用的基于儀器設(shè)備的漏損檢測(cè)方法 [4] [5] [6] 有流量法、壓力法、聽(tīng)音法、相關(guān)分析法、示蹤氣體法、探測(cè)雷達(dá)法等。操作性強(qiáng)，便于攜帶，但對(duì)專業(yè)度要求高，且不適用于大范圍檢測(cè)。同時(shí)多數(shù)研究者基于算法或者編程軟件建立了管網(wǎng)漏損預(yù)測(cè)和定位模型 。但是建模對(duì)于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言要求較高，過(guò)程較為復(fù)雜，同時(shí)又由于缺乏足夠的管網(wǎng)數(shù)據(jù)資料及各種不確定因素等，導(dǎo)致模型精確度偏低，在實(shí)際應(yīng)用中技術(shù)不成熟。為快速精確定位，可以基于模型算法快速定位可能的漏損區(qū)域，再結(jié)合硬件設(shè)備進(jìn)行人工檢漏，兩者結(jié)合，精確定位漏損點(diǎn)。同時(shí)借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家治理思路，采用DMA (district metering area)分區(qū)計(jì)量管理和壓力調(diào)控等措施，漏損率大幅下降。
2. 國(guó)內(nèi)外管網(wǎng)漏損現(xiàn)狀2.1. 國(guó)外供水管網(wǎng)漏損現(xiàn)狀目前，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用分區(qū)計(jì)量、壓力調(diào)控、被動(dòng)檢漏等手段，先后引入流速檢漏儀、水壓檢漏儀等。在設(shè)備和監(jiān)測(cè)技術(shù)的加持下，部分發(fā)達(dá)國(guó)家的漏損率取得重大突破。部分國(guó)家漏損率如下，平均漏損率為10.63%，如圖1。2.2. 國(guó)內(nèi)供水管網(wǎng)漏損現(xiàn)狀管網(wǎng)周圍地面凹陷、水資源被浪費(fèi)都是管網(wǎng)漏損帶來(lái)的最直接影響。雖然我國(guó)城市供水量、供水管長(zhǎng)、總用水量、用水普及率逐年增長(zhǎng)，但供水企業(yè)仍面臨各種困難，如管道老化、管材差、超期服役的管網(wǎng)等。根據(jù)《中國(guó)建設(shè)報(bào)》2014年報(bào)告，我國(guó)每年漏失的水量高達(dá)70多億立方米，足夠1億人用。據(jù)官方資料，漏損率超過(guò)15%的有600多個(gè)城市，嚴(yán)重的可達(dá)70%以上，發(fā)達(dá)國(guó)家的最好水平是6%~8%。供水管網(wǎng)漏損給我國(guó)帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
圖1. 一些國(guó)家目前的平均管網(wǎng)漏損率1) 根據(jù)中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004~2016年中國(guó)城市和縣城的用水普及率及城市供水管道長(zhǎng)度，見(jiàn)圖2：
圖2. 2004~2016年中國(guó)城市和縣城的用水普及率及城市供水管道長(zhǎng)度2) 據(jù)2021年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》資料，我國(guó)2005~2019年供水總量及人均用水量，見(jiàn)圖3：3) 據(jù)《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部》官方數(shù)據(jù)顯示，1996~2019年中國(guó)城市平均管網(wǎng)漏損率，見(jiàn)圖4：圖4. 1996~2019年中國(guó)城市平均管網(wǎng)漏損率
2.3. 國(guó)內(nèi)外供水管網(wǎng)漏損現(xiàn)狀對(duì)比
和國(guó)外相比，我國(guó)管網(wǎng)的漏損率相對(duì)較高，平均管網(wǎng)漏損率為15.66%，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)70%以上，而發(fā)達(dá)國(guó)家僅為6%~8%。歐洲部分國(guó)家和地區(qū)平均單位管長(zhǎng)漏損量為0.77 m3/km?h，而中國(guó)平均單位管長(zhǎng)漏損為1.85 m3/km?h。我國(guó)部分偏遠(yuǎn)地區(qū)供水設(shè)施老舊，管理技術(shù)仍不夠完善，導(dǎo)致管網(wǎng)漏損率仍居高不下，大多數(shù)情況下都是在管網(wǎng)出現(xiàn)事故的時(shí)候進(jìn)行及時(shí)搶修。常用的管網(wǎng)檢測(cè)方法有相關(guān)分析法、聽(tīng)音法等。而部分發(fā)達(dá)國(guó)家很早就開(kāi)始關(guān)注管網(wǎng)漏損問(wèn)題，因此不管在技術(shù)還是管理方式上都具有借鑒作用。3. 城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)現(xiàn)狀3.1. 供水管道腐蝕老化現(xiàn)象嚴(yán)重老舊城區(qū)由于基礎(chǔ)設(shè)施落后，加上管網(wǎng)維護(hù)不到位、使用年限較長(zhǎng)等原因?qū)е鹿芫W(wǎng)腐蝕老化現(xiàn)象嚴(yán)重。管道內(nèi)壁的銹蝕物質(zhì)會(huì)隨著水流沖刷作用進(jìn)入居民的生活用水中，影響居民的生活。此外，余氯因管道結(jié)垢被耗盡，導(dǎo)致水中滋生各類細(xì)菌，加劇管道腐蝕，水質(zhì)惡化，發(fā)生二次污染，降低管網(wǎng)輸水能力 。3.2. 管材較差，管道超限服役導(dǎo)致漏損現(xiàn)象嚴(yán)重對(duì)于沒(méi)有做內(nèi)襯的管道或者內(nèi)部防腐不到位的，較易銹蝕，加上早期建設(shè)的管道使用年限較長(zhǎng)，或多或少的會(huì)存在漏損問(wèn)題，從而加大水資源的浪費(fèi)，使得供水成本增大。不同年份管網(wǎng)敷設(shè)占比情況及管道材質(zhì)占比情況，見(jiàn)圖5。其中部分管道使用年限超過(guò)50年以上，存在很大程度的漏損風(fēng)險(xiǎn)。管材較差也會(huì)削弱管網(wǎng)壽命，造成漏損。圖5. 敷設(shè)管道占比情況(a)和不同管材占比情況(b)
3.3. 供水管網(wǎng)缺乏維護(hù)和管理，信息化管理水平低由于部分城市管道建立的時(shí)間較長(zhǎng)，缺乏相關(guān)的資料。加上有關(guān)部門沒(méi)有科學(xué)有效的對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行定期管理和維護(hù)，這就使得管理人員無(wú)法詳細(xì)了解到供水管網(wǎng)的管材、管徑、使用年限以及可能存在的漏損區(qū)域，導(dǎo)致后期供水管網(wǎng)的管理與維護(hù)較難 。部分管理部門缺乏相應(yīng)的管理知識(shí)和能力，依靠經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)工人工作。大部分城市管網(wǎng)資料沒(méi)有建立起系統(tǒng)化、智慧化的管理方案，不能第一時(shí)間對(duì)管網(wǎng)漏損地方進(jìn)行預(yù)警和排查。針對(duì)管網(wǎng)存在的問(wèn)題，相關(guān)專家提出了如下控制策略和管理機(jī)制。改造超年限、破損、管材差的管道。選用優(yōu)質(zhì)管材，諸如，鋼管、鑄鐵管等。改造老舊小區(qū)管網(wǎng)，便于用水計(jì)量管理，實(shí)行一戶一表制。實(shí)施供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量原則，完善其他用水計(jì)量管理，諸如，消防、綠化、市政等用水量。這樣才能準(zhǔn)確計(jì)量用水量。根據(jù)水量變化特征，合理調(diào)度供水壓力，均衡高、低壓區(qū)。水量小時(shí)，合理降壓。逐步均衡管網(wǎng)壓力，降低漏損量。4.4. 供水管網(wǎng)智能化建設(shè)部分城市由于信息化水平低，缺乏足夠的管網(wǎng)數(shù)據(jù)，只能憑借經(jīng)驗(yàn)控漏。基于物聯(lián)網(wǎng)搭建智慧管理平臺(tái)，進(jìn)行信息化、常態(tài)化、科學(xué)化的管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)水量、水質(zhì)、水壓變化，對(duì)管網(wǎng)漏損的位置能夠準(zhǔn)確查找，并及時(shí)控制漏損。部分供水企業(yè)開(kāi)展漏損工作不到位、內(nèi)部管理制度不完善、員工積極性不高，導(dǎo)致管網(wǎng)漏損嚴(yán)重。因此企業(yè)要進(jìn)行嚴(yán)格的績(jī)效考核，完善相關(guān)管理制度，落實(shí)責(zé)任制，規(guī)范工作流程，提高相關(guān)人員的專業(yè)技能。同時(shí)地方政府也要加大對(duì)管網(wǎng)控漏的資金投入。5. 供水管網(wǎng)漏損控制技術(shù)的研究進(jìn)展漏損控制技術(shù)包括常用的硬件檢漏技術(shù)、建立供水管網(wǎng)模型預(yù)測(cè)管網(wǎng)漏損時(shí)間，定位漏損點(diǎn)。但單獨(dú)使用某一種方法效果不盡如人意，需二者結(jié)合使用，節(jié)約人力、物力。目前我國(guó)較為有效的控漏檢漏方法為采用DMA分區(qū)計(jì)量方式，在部分試驗(yàn)區(qū)已取得較好的結(jié)果，漏損率顯著下降，但普及率較低，管理還不夠完善。表1. 常用的供水管網(wǎng)硬件檢漏設(shè)備
5.2. 供水管網(wǎng)模型的研究與發(fā)展通過(guò)管網(wǎng)模型，對(duì)管網(wǎng)漏損區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)和定位，及時(shí)采取措施，減少經(jīng)濟(jì)損失。天津大學(xué)李霞 建立了基于遺傳算法(GA)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計(jì)模型，根據(jù)已有管網(wǎng)信息推求未知信息，從而擴(kuò)大管網(wǎng)的信息量，利用貝葉斯算法估計(jì)管網(wǎng)可能發(fā)生漏損區(qū)域的概率，從而進(jìn)行漏損的檢測(cè)和定位。同時(shí)根據(jù)管網(wǎng)壓力變化采用聚類分析法對(duì)其進(jìn)行分類，實(shí)行虛擬分區(qū)，縮小檢測(cè)范圍。對(duì)于未實(shí)現(xiàn)分區(qū)且供水規(guī)模較大的管網(wǎng)適合此方法進(jìn)行檢漏。天津大學(xué)張瑛 結(jié)合EPANET水力模擬軟件并采用水量平衡法、夜間最小流量法和管網(wǎng)的水力模擬法，建立動(dòng)態(tài)的供水管網(wǎng)漏損模型。此法彌補(bǔ)了以上三個(gè)方法單獨(dú)使用的不足，得到了各條管段的漏損信息。經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲模擬，最終得到漏損系數(shù)C，從而提出了關(guān)于管網(wǎng)漏損新的擬合方法。但此方法實(shí)際過(guò)程還存在其他因素的干擾，諸如，管徑、埋深等，導(dǎo)致實(shí)際的管網(wǎng)漏損率的表達(dá)式仍需修正。最后將管網(wǎng)的漏損模型與地理信息系統(tǒng)GIS結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及漏損的精確定位。合肥工業(yè)大學(xué)閆麗芳 利用層次分析法建立供水管網(wǎng)漏損評(píng)價(jià)因素模型。分析如管材、管徑、管道使用時(shí)常、管道運(yùn)行時(shí)的壓力、管道埋深等可能導(dǎo)致管網(wǎng)漏損的各個(gè)因素之間的相互權(quán)重關(guān)系，便于科學(xué)指導(dǎo)管網(wǎng)建設(shè)、施工、設(shè)計(jì)及維護(hù)管理等。同時(shí)結(jié)合MATLAB編程軟件，將粒子群優(yōu)化算法(PSO)引入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，克服了BP對(duì)初始值的敏感性，建立了PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。此模型能夠預(yù)測(cè)供水管網(wǎng)的安全使用時(shí)間，大大提高了模型的運(yùn)算收斂速度及精確度，對(duì)管網(wǎng)漏損起到預(yù)測(cè)作用。但由于數(shù)據(jù)不全以及建模的復(fù)雜性導(dǎo)致模型的精確度也被大大削弱，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在偏差。綜上，基于算法或者水力模擬軟件構(gòu)建的供水管網(wǎng)模型的方法在一定程度上可以對(duì)管網(wǎng)漏損的概率進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)管網(wǎng)漏損區(qū)域進(jìn)行粗略定位，縮小檢測(cè)范圍。其中李霞基于概率論思想利用貝葉斯方法對(duì)管網(wǎng)漏損區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)和定位，雖不能精確定位，但可定位到某一區(qū)域，同時(shí)對(duì)水力模擬誤差、監(jiān)測(cè)誤差具有良好的免疫，此法具有較好的發(fā)展空間，同時(shí)利用聚類算法的思想實(shí)現(xiàn)虛擬分區(qū)，適合我國(guó)管網(wǎng)密度大的特點(diǎn)，可以縮短檢測(cè)區(qū)域，提高檢測(cè)效率。壓力對(duì)管道影響顯著，張瑛建立的供水管網(wǎng)模型能夠很好的表征管網(wǎng)漏損的情況，為今后的管網(wǎng)壓力管理工作提供理論依據(jù)，但影響管網(wǎng)漏損的因素較多，導(dǎo)致模型的精確度及可靠性還有待提高。閆麗芳建立的PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以對(duì)管道安全使用時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，可對(duì)超限使用的管網(wǎng)進(jìn)行預(yù)警，但由于歷史資料不足削弱了模型精度。建模過(guò)程較為復(fù)雜，需要借鑒其他研究者的優(yōu)缺點(diǎn)，才能取長(zhǎng)補(bǔ)短，建立一個(gè)高效便捷的模型還有很長(zhǎng)的路要走。湖南大學(xué)黃茂林 通過(guò)DEM分區(qū)計(jì)量體系并結(jié)合EPANET2.0軟件，分析在DMA分區(qū)計(jì)量中的閥門數(shù)量及安裝位置對(duì)管網(wǎng)水壓以及水質(zhì)指標(biāo)的影響。對(duì)閥門數(shù)量及安裝的位置運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，閥門數(shù)量與壓降成正比，超過(guò)此范圍，壓降不明顯；閥門數(shù)量與漏損量成反比，閥門數(shù)量越多，漏損量越少。總結(jié)得出：通過(guò)控制閥門數(shù)量實(shí)現(xiàn)降壓是經(jīng)濟(jì)有效的。同濟(jì)大學(xué)張志明將DMA技術(shù)運(yùn)用于實(shí)踐，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域每個(gè)小區(qū)安裝水表，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量計(jì)數(shù)據(jù)及小區(qū)抄表數(shù)據(jù)，得到產(chǎn)銷差及夜間漏損量。同時(shí)，建立供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型預(yù)測(cè)和計(jì)算管網(wǎng)漏損量。將DMA技術(shù)與管網(wǎng)水力模型相結(jié)合的辦法在試驗(yàn)區(qū)取得了較好的結(jié)果，對(duì)今后管網(wǎng)漏損及水質(zhì)控制具有較好的指導(dǎo)作用。李克非等人在吉林市市區(qū)四個(gè)區(qū)域內(nèi)采取分區(qū)計(jì)量，在分區(qū)計(jì)量前進(jìn)行全市用水排查，通過(guò)流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)流量，通過(guò)三年的運(yùn)行實(shí)踐，產(chǎn)銷差率由原來(lái)的46.8%降低到33%左右。許剛等人 針對(duì)目前供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量問(wèn)題存在的不足之處進(jìn)行了改進(jìn)，提出了對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行兩級(jí)分區(qū)管理的思路。建立分區(qū)后，由一級(jí)總公司統(tǒng)一建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及管理平臺(tái)，實(shí)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理，動(dòng)態(tài)分析管網(wǎng)異常狀態(tài)，量化二級(jí)分公司的漏水量。子公司下設(shè)供水所，管理相應(yīng)的二級(jí)分區(qū)，包括確保流量計(jì)每天正常工作，對(duì)流量計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行核查，收集匯總等。工程實(shí)踐結(jié)果表明，結(jié)合一、二級(jí)流量數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確的對(duì)漏損點(diǎn)進(jìn)行定位，使得供水產(chǎn)銷差明顯降低。劉鎖祥等人進(jìn)行水量平衡分析，進(jìn)一步明確管網(wǎng)漏損情況，針對(duì)北京市復(fù)雜的管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，采用獨(dú)立分區(qū)計(jì)量和壓力調(diào)控的手段，壓力調(diào)控為分區(qū)調(diào)度、區(qū)域控壓、小區(qū)控壓三個(gè)方面。同時(shí)建立管網(wǎng)GIS模型和水力模型系統(tǒng)對(duì)管網(wǎng)壓力進(jìn)行優(yōu)化。建立專職檢漏人員，將人工查找定位與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)相結(jié)合，并不斷推進(jìn)衛(wèi)星探漏等技術(shù)，查找暗漏、破損的管網(wǎng)。通過(guò)上述技術(shù)措施，北京市漏損率連續(xù)10年下降，降到9.85%。在控漏方面，紹興市通過(guò)開(kāi)展全面管網(wǎng)普查，通過(guò)完善分區(qū)建設(shè)、信息化，智能化的管網(wǎng)控制措施。漏損率從20%降到5%，具有很強(qiáng)的示范帶頭作用。鄭州市實(shí)現(xiàn)了漏損率從2011年的23.63%到9.23%飛躍，該市通過(guò)完善分區(qū)計(jì)量管理，結(jié)合壓力調(diào)控，搭建物聯(lián)網(wǎng)智能平臺(tái)等措施，進(jìn)行智能檢漏控漏。五年內(nèi)，改造老舊管網(wǎng)112余公里，建立一級(jí)計(jì)量分區(qū)7個(gè)、二級(jí)25個(gè)、獨(dú)立的子分區(qū)(DMA) 1882個(gè)。綜上，一系列的工程實(shí)踐證明，實(shí)行DMA分區(qū)計(jì)量方法，在檢漏控漏方面成效顯著。可以將DMA方法與供水管網(wǎng)模型結(jié)合，同時(shí)結(jié)合智能化管理或者分區(qū)管理或者安裝多個(gè)閥門調(diào)控管道壓力的思路進(jìn)行優(yōu)化完善并提高控漏效果。問(wèn)題在于DMA技術(shù)推廣范圍還較小，如何擴(kuò)大試驗(yàn)區(qū)域值得思考。有條件的可以借鑒吸收成功案例經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本地區(qū)情況，優(yōu)化改造方法。但對(duì)一些沒(méi)有條件實(shí)行此方法的區(qū)域如何控漏檢漏還值得深入思考。供水管網(wǎng)長(zhǎng)度、用水普及率以及我國(guó)的用水量正在逐年上升，但全球水資源匱乏，供水管網(wǎng)又存在各種各樣的問(wèn)題，這無(wú)疑又增加了全球水資源的負(fù)擔(dān)以及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，尋求經(jīng)濟(jì)有效的管網(wǎng)控漏檢漏方法是當(dāng)前最關(guān)心的問(wèn)題。影響管網(wǎng)漏損有很多原因，采用單一的漏損控制方法是無(wú)法取得良好的治理效果的，必須要雙管齊下，兩頭抓。將硬件檢測(cè)與軟件模型進(jìn)行結(jié)合，先采用軟件模型進(jìn)行大范圍地查找，找到管網(wǎng)漏損區(qū)域，再運(yùn)用硬件設(shè)備小范圍查找。實(shí)現(xiàn)從出現(xiàn)漏損再去補(bǔ)救到精準(zhǔn)定位節(jié)約人力物力的轉(zhuǎn)變。但由于缺乏動(dòng)態(tài)管理、管網(wǎng)資料不健全、歷史資料不足、建模的過(guò)程較復(fù)雜，導(dǎo)致管網(wǎng)漏損的原因有很多，諸如管材、管徑和埋深以及管道周圍自然因素的干擾等原因，致使模型很大程度上不能很好地模擬自然條件下管網(wǎng)漏損情況，模型的精確度以及在實(shí)際工程中的使用情況均較低。管網(wǎng)漏損問(wèn)題愈來(lái)愈受到供水企業(yè)的重視，部分實(shí)驗(yàn)區(qū)域及城市通過(guò)采取DMA分區(qū)管理技術(shù)并結(jié)合管網(wǎng)模型及智能化管理，最終取得較好成效。結(jié)合實(shí)際情況，企業(yè)應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的管理措施，制定本地區(qū)的行之有效的漏損目標(biāo)，進(jìn)行智能化管理，從而實(shí)現(xiàn)有效的控漏檢漏。來(lái)源:楊丹 揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州
