市政給水管網(wǎng)漏損檢測與處置系統(tǒng)設(shè)計研究

韋健

現(xiàn)如今，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，城市居住人口不斷增加，城市內(nèi)部對于水資源的使用需求也在逐漸地增大，市政給水管網(wǎng)的鋪設(shè)在城市內(nèi)部不斷延伸，滿足每家每戶的用水需要。但是，在實際運行中，我國市政給水管網(wǎng)的漏損檢測以及處置方式仍處在相對落后的階段，大多仍在使用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，這已經(jīng)難以滿足實際的檢測需要，需要針對現(xiàn)存的漏損特點來進行市政給水管網(wǎng)漏損檢測與處置系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化使用。

一、市政給水管網(wǎng)漏損主要形式種類

在市政給水管網(wǎng)的漏損上，主要分為明漏和暗漏兩種方式。前者常常是用肉眼可以直接看到的管線漏損，有著明顯的漏水情況，例如：像管道爆管、管道破損等，后者主要是不容易直接觀察到的地下管道漏損。具體來說主要的市政給水管道漏損種類分為以下四種。第一，是管道系統(tǒng)漏水。按照不同漏水發(fā)生部位、漏水起因以及漏水量，可以細致劃分成多種漏水類型，例如管線配件漏水、管道老化腐蝕漏水、爆管漏水等；第二，管道附件漏水。在市政給水管網(wǎng)中，管道附件常常是作為重要的配件組成部分來運行的，通常包括水閥、水表等內(nèi)容。通常在整個市政給水管網(wǎng)中會包括大量的市政給水管網(wǎng)附件，在給水管網(wǎng)長時間運行中，管道附件出現(xiàn)漏水現(xiàn)象的可能性也比較高，其中比較常見的就是水閥、水表漏水；第三，調(diào)節(jié)構(gòu)筑物漏水。在整個市政給水管網(wǎng)中，存在著一部分調(diào)節(jié)構(gòu)筑物來對內(nèi)部的供水情況進行調(diào)整調(diào)度，保證在市政給水管線的覆蓋范圍內(nèi)，百姓能夠均勻平穩(wěn)地用到生活用水，起到緩解供水與用水之間的供需矛盾的作用。通常主要會涉及的供水構(gòu)筑物為水塔、水池，在實際運行中可能會受到水源進出口管道的影響，出現(xiàn)一定程度的漏水現(xiàn)象；第四，未計費耗水。未計費耗水主要是指在進行對市政給水管網(wǎng)的升級更新時，產(chǎn)生的大量未計費耗水，這也會造成對水資源一定的浪費。在實際操作中主要就是對管道灌水試壓用水、管道搶修耗水等。

二、市政給水管網(wǎng)出現(xiàn)漏損情況的主要原因

1.市政給水管網(wǎng)自身的質(zhì)量問題

首先，在市政給水管網(wǎng)的規(guī)劃上，沒有綜合考慮整個城市的人口發(fā)展數(shù)量以及未來居民區(qū)建設(shè)可能產(chǎn)生的供水需求，導致整個市政給水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計水平相對較低，在實際建成之后，無法滿足居民點用水需要，只能夠臨時對供水管線進行改造，導致整個供水管線在使用上出現(xiàn)問題，導致漏損的產(chǎn)生；其次，市政給水管網(wǎng)所使用的管道質(zhì)量往往決定了市政給水管線漏損現(xiàn)象發(fā)生的可能性，如果選擇使用的管道材質(zhì)較差，在使用中沒有表現(xiàn)出應有的耐壓性特征，就可能會導致在運行中出現(xiàn)管道漏損的現(xiàn)象；最后，市政給水管網(wǎng)所使用的管道配件質(zhì)量較差時，也可能會對管網(wǎng)的安全穩(wěn)定性造成較大的影響，當水閥閥門、消防栓等配件的閥桿、螺栓密封不嚴，內(nèi)置的法蘭密封件出現(xiàn)脫落就可能會產(chǎn)生漏損現(xiàn)象。

2.安裝施工問題

第一，在市政給水管網(wǎng)鋪設(shè)時，對于管道溝槽基礎(chǔ)的施工質(zhì)量不佳。在施工前期的施工現(xiàn)場實地勘察階段中，沒有建立起完整的勘查機制，這就導致在一些軟土地基上進行施工時，沒有進行砂墊層的預設(shè)，導致市政給水管網(wǎng)的基礎(chǔ)管道溝槽強度條件不足，在開啟正式的管道施工之后，就容易產(chǎn)生管道受力不均勻的情況，增加管道出現(xiàn)漏損的可能性；第二，在市政給水管網(wǎng)進行施工時，需要進行大量的管道連接施工，在進行管道連接施工的過程中，施工人員一旦對相關(guān)的工藝技巧掌握得不夠熟練，很可能就會出現(xiàn)在實際作業(yè)中操作不合理的情況出現(xiàn)，導致在進行管網(wǎng)焊接時出現(xiàn)焊縫寬度不均勻、有氣孔等現(xiàn)象的產(chǎn)生。這類管道一旦投入到實際使用當中，就可能會造成管網(wǎng)出現(xiàn)漏損；第三，施工過程中工程監(jiān)管的不到位。通常在市政給水管網(wǎng)的施工中，需要進行嚴格的施工監(jiān)管，以保證在建設(shè)以后管網(wǎng)能夠保證嚴格的質(zhì)量完成施工，而施工監(jiān)管不到位時，很容易由于一些施工操作上的失誤，導致整個管網(wǎng)出現(xiàn)漏損的問題。

3.市政給水管網(wǎng)運行問題

首先，在市政給水管網(wǎng)的運行中，需要時刻承受水流所產(chǎn)生的壓力，管網(wǎng)供水的壓力不斷增加，一旦超過整個管網(wǎng)自身的實際耐壓上限，產(chǎn)生爆管的風險也就直線上升；其次，水錘破壞問題。在市政給水管網(wǎng)的運行過程中，常常需要進行給水管網(wǎng)的開啟關(guān)閉，通過水泵的開停來實現(xiàn)對區(qū)域面積內(nèi)供水水量的調(diào)節(jié)作用，但是，在實際操作中，這種行為會使得市政給水管網(wǎng)中的水流流速產(chǎn)生巨大的變化，速度變化所產(chǎn)生的壓力波動也被稱為水錘，會對管道造成一定的破壞，一旦壓力波動超出水管承受的上限，很可能就會產(chǎn)生管道漏損；第三，市政給水管網(wǎng)的定期維護運行不足，通常市政給水管網(wǎng)中所設(shè)計到較多的設(shè)備內(nèi)容角度，導致在檢修過程中需要進行項目內(nèi)容比較復雜，對于一些隱藏較深的安全隱患難以及時發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生管道漏損問題的可能性比較高。

4.外界環(huán)境影響

市政給水管網(wǎng)還會受到外界環(huán)境的影響。一方面，市政給水管網(wǎng)通常都處在外界的自然條件環(huán)境下，會受到外界自然條件的溫度變化影響，從管道周邊的土質(zhì)到管道自身的材質(zhì)都會受到冬季低溫的影響，熱脹冷縮，在溫差變化比較劇烈的情況下，很可能就會發(fā)生市政給水管網(wǎng)的漏損現(xiàn)象；另一方面，隨著市政給水管網(wǎng)的鋪設(shè)不斷延伸，管道自身所承受的外部荷載也在不斷變化，隨著時間變化以及居民生活環(huán)境的變化，會出現(xiàn)一定程度上的管道位移現(xiàn)象，嚴重情況下會出現(xiàn)一定的管道漏損現(xiàn)象。

三、市政給水管網(wǎng)漏損檢測與處置系統(tǒng)設(shè)計

1.市政給水管網(wǎng)漏損檢測方法

通常在市政給水管網(wǎng)中使用的漏損檢測方法，是在管網(wǎng)上進行若干的傳感器安裝，通過計算機數(shù)據(jù)實時對管網(wǎng)運行中的水壓變化數(shù)據(jù)進行采集，從而做到對管網(wǎng)是否發(fā)生漏損進行檢測。這就使得管網(wǎng)中傳感器的布置方位以及密度決定了對管網(wǎng)檢測的全面性，如果壓力傳感器的布置不準確，那么獲得的管網(wǎng)壓力變化信息就會差強人意，影響到檢測的正確性。對此需要專業(yè)的工作人員在此基礎(chǔ)上進行對市政給水管網(wǎng)供水壓力變化監(jiān)測點的調(diào)整。

首先，需要明確給水管網(wǎng)壓力監(jiān)測點的布置方法。通常在壓力監(jiān)測點的選擇上，僅從壓力等非空間屬性來對市政給水管網(wǎng)的壓力變化情況進行分布分析，容易缺少對市政給水管網(wǎng)整體運行上的空間分布相關(guān)性了解，無法做到對市政給水管網(wǎng)整體運行的內(nèi)在狀態(tài)分析，因此，需要選擇整個市政給水管網(wǎng)的節(jié)點坐標以及節(jié)點壓力狀態(tài)，來對市政給水管網(wǎng)進行圈定，運用包含空間特征的坐標以及非空間特征的節(jié)點壓力數(shù)值來描述整個市政給水管網(wǎng)的運行屬性，并進行相應的數(shù)據(jù)采集，繪制出整個市政給水管網(wǎng)節(jié)點在正常運行與產(chǎn)生漏損下的壓力變化圖。同時可以使用一種基于分布密度來實現(xiàn)的聚類算法，來依照預設(shè)監(jiān)測點的原始特征進行各個節(jié)點的特征矩陣構(gòu)建，進而對整個特征矩陣進行聚類分析，保證聚集在一起的監(jiān)測節(jié)點能夠在其空間屬性和非空間屬性上表現(xiàn)出一定的相似性。

其次，根據(jù)收集到的選點方法以及壓力變化圖進行市政給水管網(wǎng)的樣本數(shù)據(jù)收集。整個市政給水管網(wǎng)檢測其核心是對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法思想的運用，所以在實踐中需要進行一定的數(shù)據(jù)樣本來作為基本的運行訓練。因此，一方面需要進行整個市政給水管網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)采集，按照上述辦法在管網(wǎng)內(nèi)進行20個壓力傳感點的布置，在試驗中以人工的方式進行輕微的漏損處理，讓傳感器采集到漏損發(fā)生時，市政給水管網(wǎng)所檢測到的供水壓力變化，之后將漏損數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)按照不同的市政給水管段進行打亂，再取一定的數(shù)據(jù)樣本作為模擬訓練的數(shù)據(jù)樣本，再從剩下的樣本數(shù)據(jù)中選取相同的數(shù)量來作為測試樣本。

最后進行數(shù)據(jù)的預處理，并以此建立起市政給水管網(wǎng)漏損的檢測模型。通常在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的過程中，比較常用的是歸一化方法來進行對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的預處理。歸一化方法能夠有效地消除收集到的數(shù)據(jù)之間不同量綱的影響，具體公式表達為：

在公式中，X1主要表示歸一化運算之后的數(shù)據(jù)，X為原始數(shù)據(jù)，Xmax表示原始數(shù)據(jù)中數(shù)值最大的數(shù)據(jù)，Xmin表示原始數(shù)據(jù)中數(shù)值最小的數(shù)據(jù)。在應用歸一化方式對數(shù)據(jù)進行預處理之后，就可以使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的最優(yōu)模型來進行市政給水管網(wǎng)漏損檢測模型的功能性檢驗，驗證整個模型在使用中的準確性，保證其符合市政給水管網(wǎng)的水力學標準。

2.市政給水管網(wǎng)漏損檢測與處置系統(tǒng)

（1）最優(yōu)調(diào)度工況調(diào)整

當管網(wǎng)發(fā)生漏損情況時，一方面，需要降低整個市政給水管線的損失，另一方面，則需要盡可能地保證其他區(qū)域的居民用水狀況，而傳統(tǒng)的人工處理與調(diào)度方式過慢，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)如今快速恢復供水的實際需求，因此，需要使用計算機系統(tǒng)來更加精準地應對市政給水管線出現(xiàn)的漏損。

在實際的漏損處置工作中，通常會先進行漏損點位的尋找，再主要通過閥門來對市政給水管線內(nèi)部的管段水流進行截停，從而開展維修工作。然而在關(guān)閉泄露管網(wǎng)段落之后，很可能會由于內(nèi)部管線的壓力變化，導致在整體上產(chǎn)生一系列破壞，因此，需要進行管網(wǎng)的處置調(diào)整。在通過上述的漏損檢測模型檢驗到市政給水管網(wǎng)中存在的漏損之后，通過線上關(guān)閉閥門的方式將產(chǎn)生漏損的管道的兩端閥門進行關(guān)閉，而在實際工作中直接對管網(wǎng)的閥門直接進行調(diào)控時的隨機性較大，對管網(wǎng)造成損傷的可能性也會相對提高，因此，需要通過適當?shù)拈y門優(yōu)化調(diào)度來調(diào)整其他非漏損管段的閥門，實現(xiàn)對管段內(nèi)部壓力的均衡化分布。當閥門處于調(diào)度狀態(tài)時，常常默認其為100%開啟，而隨著調(diào)度工況的變化，閥門開關(guān)的局部阻力系數(shù)變化會使得水頭的損失變大，導致管段內(nèi)部的壓力下降。下面是局部水頭損失量的計算公式：

其中Hm為主要的局部水頭損失量，v為過水斷面的平流速，g為重力加速度。通過該計算公式能夠獲得每一個水壓檢測點的壓力數(shù)據(jù)值，并以此來進行對閥門的優(yōu)化調(diào)節(jié)，保證內(nèi)部水壓的均衡性。

（2）市政給水管網(wǎng)處置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整體上市政給水管網(wǎng)的漏損檢測和處置系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)功能設(shè)計為以下三層。首先是設(shè)備控制層。設(shè)備控制層是整個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)層級，主要包括裝載在市政給水管網(wǎng)上的壓力傳感器、閥門等設(shè)備內(nèi)容，通過傳感器市政給水管網(wǎng)現(xiàn)場運行中的水壓、水質(zhì)、流量進行信息收集，再通過數(shù)據(jù)傳輸傳遞給PLC。PLC將采集到的模擬信息轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信息，并將其存儲起來。同時PLC還會對轉(zhuǎn)化好的數(shù)字信息進行掃描，針對其中存在漏損風險的管段數(shù)據(jù)做出反饋，由PLC將指令傳輸給市政給水管網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備，通過閥門將管段關(guān)閉；其次，是數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)傳輸層主要通過市政給水管網(wǎng)連接節(jié)點上安裝的交換機以及光纖，與PLC和上位管理用的計算機設(shè)備連接起來，以此實現(xiàn)市政給水管網(wǎng)兩端供水與用水之間的信息交流。最后是中央管理層。中央管理層在整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中主要承載著功能模組，將設(shè)備控制層收集到的數(shù)據(jù)按照漏損檢測模型進行檢驗，并針對其中可能存在風險的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行示警，再由數(shù)據(jù)傳輸層，將現(xiàn)場控制指令傳遞到設(shè)備控制層，對閥門的開度進行調(diào)解。

在整個系統(tǒng)上最主要搭載的還是上文中闡明的基礎(chǔ)的對市政給水管網(wǎng)節(jié)點壓力數(shù)據(jù)收集、檢測、漏損檢測、漏損部位的智能化處置等功能性需求設(shè)計。同時還需要搭載一定的系統(tǒng)上的非功能性需求設(shè)計。例如安全性需求。這就需要針對不同的訪問人員的訪問權(quán)限進行不同的設(shè)定，避免不法人員對整個檢測處置系統(tǒng)進行惡意的設(shè)置修改，影響到在實際使用中對市政給水管網(wǎng)的檢測與處置能力。又或者是穩(wěn)定性需求。該系統(tǒng)關(guān)系到地區(qū)市政給水管線的運行穩(wěn)定性，針對穩(wěn)定性特點，為保障居民的用水需求，就需要保證一定的穩(wěn)定性。最后是便捷性特點。平時使用系統(tǒng)對市政給水管網(wǎng)進行維護的是相關(guān)的水務(wù)工作人員。水務(wù)工作人員通常對于計算機的相關(guān)實用技術(shù)并不是十分了解，因此，在系統(tǒng)設(shè)計上也應當盡可能的簡潔化操作，保證操作界面清楚明了，發(fā)生故障時也能夠精準地進行定位，保證在使用上的方便程度。

（3）市政給水管網(wǎng)漏損檢測與處置系統(tǒng)的使用關(guān)鍵

在使用市政給水管管網(wǎng)漏損檢測與處置系統(tǒng)時，需要注重對于整個管網(wǎng)的更新改造。在使用前期需要對管網(wǎng)進行一定的壓力傳感器的安裝，傳統(tǒng)的管網(wǎng)布局不一定能夠適合進行壓力傳感器的安裝，并且一些年歲比較久遠的市政給水管網(wǎng)中，管線的材質(zhì)較差，也可能會存在老化嚴重的顯現(xiàn)，對此在進行管網(wǎng)改造時，就需要對管線進行一定的更新?lián)Q代。需要多角度對升級改造計劃進行設(shè)計，并且在改造過程中加強工作監(jiān)督，尤其是對其中涉及新舊管道連接的節(jié)點，要進行重點關(guān)注。在整體的市政給水管網(wǎng)升級完成，并且漏損檢測與處置系統(tǒng)安裝結(jié)束以后，需要進行一定的試運行工作，將檢測到的市政給水管網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)與之前的運行數(shù)據(jù)進行比較，保證整個市政給水管網(wǎng)保持正常的運行。在后續(xù)的運行過程中，水務(wù)工作人員除了利用系統(tǒng)對市政給水管網(wǎng)進行檢查以外，還需要定期請專業(yè)人員來對漏損檢測與處置系統(tǒng)進行運行監(jiān)測，針對其中的算法運行以及系統(tǒng)安全漏洞做好安全監(jiān)測，保證運行上的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對市政給水管網(wǎng)的長效檢測。

四、結(jié)語

在市政給水管網(wǎng)的運行中，一旦出現(xiàn)意外的漏損現(xiàn)象，就很有可能會對區(qū)域居民的用水情況造成干擾，因此應當積極開發(fā)市政給水管網(wǎng)漏損檢測與處置系統(tǒng)，通過信息化技術(shù)來改變傳統(tǒng)的人力巡查檢測方式，提高對漏損現(xiàn)象的檢驗效率，進一步加強居民用水穩(wěn)定性的有效把控，從基礎(chǔ)上實現(xiàn)及早發(fā)現(xiàn)、及早修理，實現(xiàn)市政給水領(lǐng)域的可持續(xù)長效發(fā)展。