上海供水漏損分析及漏損控制措施研究

崔旭峰

城市供水管網(wǎng)是城市賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其正常運(yùn)行和有效工作已成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要前提條件。上海市是我國最先進(jìn)行現(xiàn)代進(jìn)程邁進(jìn)的城市之一,楊樹浦水廠是我國最早的地表水源自來水廠之一,已經(jīng)有120多年的歷史。目前上海市區(qū)總共有4家自來水公司,包括市南公司、市北公司、閔行公司和浦東公司,按區(qū)片供水,從20世紀(jì)90年代開始,管網(wǎng)速度增長很快,2004年上海市區(qū)DN75以上管道長度已經(jīng)達(dá)到10 000 km[1]。

然而隨著上海市供水管網(wǎng)的快速發(fā)展,管網(wǎng)漏水已經(jīng)成為制約企業(yè)發(fā)展的一個重要因素。近幾年管網(wǎng)漏損統(tǒng)計(jì)資料表明,上海市管網(wǎng)年漏水點(diǎn)數(shù)高達(dá)10 000個,漏損水量超過120萬m3/d,不僅大量浪費(fèi)水資源,產(chǎn)生大量經(jīng)濟(jì)損失,并且對城市安全造成潛在的威脅[2]。

1 上海供水漏損分析

對上海城區(qū)供水產(chǎn)生漏損的原因進(jìn)行分析,大致有以下4個方面：1)管材質(zhì)量問題。上海給水管道中DN75以上口徑管道通常為球墨鑄鐵管,采用膠圈滑入式柔性接口。其他管材還有超大口徑的鋼管和DN50以下的鍍鋅管,以及DN200以下的PE管,其中球墨鑄鐵管占據(jù)了地下管網(wǎng)總長的56%[1]。在 20世紀(jì)60年代～80年代中,采用了一批技術(shù)性能較差的管材,包括連續(xù)鑄造的灰口鑄鐵管、自應(yīng)力鋼筋混凝土管、石棉水泥管等,本身強(qiáng)度不是很高,并且埋設(shè)時管外面的防腐層容易造成損傷生銹,強(qiáng)度降低,發(fā)生漏水和爆管的頻率較高[3]。2)管道接口問題。在上?，F(xiàn)有管網(wǎng)中存在大量鋼管焊接接口和鑄鐵管的石棉水泥剛性接口,這種接口形式容易造成松動,受到氣溫影響、地面不均勻沉降以及壓力、外力等其他誘發(fā)因素容易產(chǎn)生漏水。3)施工問題。在管道施工中由于管溝基礎(chǔ)及回填土處理不符合規(guī)范要求,管溝底部不平,回填土中含有硬物、未分層夯實(shí)或管道兩邊的密實(shí)度不同,使管道局部受力顯著增加,大大增加了漏水的可能性。4)運(yùn)營管理問題。在運(yùn)行管理方面,隨著上海城市建設(shè)的發(fā)展,給水管網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,管網(wǎng)供水壓力調(diào)節(jié)不當(dāng),管網(wǎng)中產(chǎn)生水錘現(xiàn)象導(dǎo)致管道損壞而漏水;部分用戶亂開消火栓私接水等現(xiàn)象也會導(dǎo)致供水漏損。

2 降低管網(wǎng)漏損的措施

1)對易受損管道進(jìn)行分階段改造。管網(wǎng)更新改造是降低漏損的長遠(yuǎn)性基本措施。要對上海市區(qū)范圍內(nèi)易受損的管道進(jìn)行分階段的改造,妥善解決已經(jīng)埋在地下質(zhì)量欠佳的管道,有計(jì)劃、有步驟予以更新、改造,比如對剛性管道加裝柔性接口,對管道縱向收縮進(jìn)行補(bǔ)償,更換老舊管道等。第20屆國際自來水協(xié)會報(bào)告《配水系統(tǒng)供水持續(xù)性和可靠性的規(guī)劃和設(shè)計(jì)》建議,配水管網(wǎng)的合理更新率為1.5%[4]。為迎接2010年的上海世博會,上海積極進(jìn)行供水管網(wǎng)改造工程建設(shè),浦東新區(qū)改造供水管網(wǎng)總長度達(dá)79 km,金山區(qū)在 2008年～2009年期間改造陳舊供水管網(wǎng)30 km,市南地區(qū)改造供水管道總長度達(dá)50 km,有效的降低了管道漏水幾率,提高了供水安全性。另外,在管道施工上加強(qiáng)對施工的管理,規(guī)范施工過程,減少人為原因?qū)е碌墓┧到y(tǒng)的漏損。

2)強(qiáng)化檢漏工作和提高檢漏技術(shù)。降低漏損的關(guān)鍵是及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)漏水點(diǎn),特別是及時發(fā)現(xiàn)不冒出地面的暗漏。檢漏可以根據(jù)檢漏效果、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等,確定自建隊(duì)伍進(jìn)行或委托專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行。漏損控制主要有被動檢漏法、主動檢漏法和壓力控制法。被動檢漏法是待地下漏水冒出地面后發(fā)現(xiàn)漏水的方法。主動檢漏法則是采用各種檢漏方法及相應(yīng)儀器,主動檢查地下管道漏水的方法。上海市在1911年就建立起檢漏制度,使用區(qū)域檢漏法和音聽法檢測漏水點(diǎn),1990年后普遍使用電子儀器檢漏,目前Permalog等檢漏儀已經(jīng)在市北公司、浦東公司應(yīng)用于檢漏和分析管網(wǎng)動態(tài)[1]。

3)強(qiáng)化數(shù)字化管理,建立供水管網(wǎng)漏損預(yù)警控制系統(tǒng)。加強(qiáng)供水管理是降低漏損的基礎(chǔ)。建立完整的供水管網(wǎng)技術(shù)檔案和管網(wǎng)GIS系統(tǒng),形成科學(xué)、高效、豐富、翔實(shí)的供水管網(wǎng)漏損控制體系,實(shí)行區(qū)域化實(shí)時監(jiān)控,并且能夠在無人值守的情況下,自動收集供水管網(wǎng)的漏水信息,定期進(jìn)行漏水檢測,及時發(fā)現(xiàn)漏水和修復(fù)漏水管道。GIS應(yīng)用于管網(wǎng)信息系統(tǒng)中,使得管理水平產(chǎn)生了巨大的飛躍,通過建立管網(wǎng)系統(tǒng)中央數(shù)據(jù)庫,能夠高效、準(zhǔn)確的定位管道、閥門、消火栓、用戶接水管、水表等管網(wǎng)組件,有效地對管道的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,及時了解管道運(yùn)行時的負(fù)荷、水壓、流速等狀況,對供水安全可靠性進(jìn)行評估,為今后如何進(jìn)行管網(wǎng)維護(hù)提供了輔助決策,為規(guī)劃、設(shè)計(jì)及管網(wǎng)維護(hù)管理提供決策依據(jù),有助于制定合理可行的更新、維修方案,確保安全供水。

上海市在1998年初步建立起管網(wǎng)的GIS和水力系統(tǒng)模型,目前浦東、市北兩家自來水公司正在重組GIS系統(tǒng),市南公司和閔行公司正致力于管網(wǎng)圖檔的數(shù)字化[1]。

3 基于GIS和遺傳算法的供水漏損控制系統(tǒng)的建立

一個完整的供水漏損控制系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)3個功能,首先對供水漏損水平做出評價,其次確定漏水點(diǎn)的位置,最后采取措施改善管道供水條件,其中探測漏水點(diǎn)是最為關(guān)鍵的部分[5]。常規(guī)的檢漏方法是采用聽漏棒、探漏儀等儀器對潛在的漏水區(qū)域進(jìn)行掃描探測,在這個過程中需要花費(fèi)工程技術(shù)人員的大量時間、精力,是一件費(fèi)時費(fèi)力的工作。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展以及上海供水企業(yè)逐步建立起供水GIS系統(tǒng),可以實(shí)時獲得管道運(yùn)行時的負(fù)荷、水壓、流速等狀況,通過引入漏損參量的水動力學(xué)模型,將每個模擬結(jié)果與已知的流量計(jì)量和壓力監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行比對,最終預(yù)測可能的管道漏水位置。

引入漏損參量的水動力學(xué)模型的預(yù)測過程可以采用遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群算法等[5]。遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)是近幾年發(fā)展起來的一種嶄新的全局優(yōu)化算法,是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型,是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法。

遺傳算法是一種迭代算法,它在每一次迭代時都擁有一組解,這組解最初是隨機(jī)生成的,在每次迭代時又有一組新的解由模擬進(jìn)化和繼承的遺傳操作生成,每個解都有一目標(biāo)函數(shù)給予評判,一次迭代成為一代收斂問題的最優(yōu)解,具體步驟見圖1[5]。

4 結(jié)語

城市給水管網(wǎng)漏損控制問題是供水行業(yè)的一項(xiàng)重要的復(fù)雜性課題。管網(wǎng)漏損檢測與控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,必須運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法,進(jìn)行學(xué)科交叉,全方位的開展城市供水管網(wǎng)漏損控制技術(shù)的研究。上海市作為我國經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的大城市之一,減少供水漏損,提高供水效率,具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)價值。

[1]鄭小明,姚黎光,宋仁元.上海供水管網(wǎng)概況、問題及對策[J].上海水務(wù),2007,23(1)：11-15.

[2]張志明.供水管網(wǎng)漏損控制分區(qū)裝表計(jì)量技術(shù)和應(yīng)用[D].上海：同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[3]馮 凱,于大海.上海公共供水管道受損原因和對策[J].上海水務(wù),2004,20(4)：10-12.

[4]中國城鎮(zhèn)供水協(xié)會.城市供水2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[5]李華昌,謝淑蘭,易忠勝.遺傳算法的原理與應(yīng)用[J].礦冶,2005,14(1)：87-90.