超大城市供水系統(tǒng)管網(wǎng)漏損控制策略與潛力分析

唐君言,司馬文卉,趙政陽,孫學良,李東來

(1. 中國城市規(guī)劃設計研究院,北京 100044;2. 中規(guī)院(北京)規(guī)劃設計有限公司,北京 100044;3. 西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 西安 710048)

0 前 言

黨的十八大以來,習近平總書記提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的水利工作方針,并將“節(jié)水優(yōu)先”擺在了首要位置。黨的十九大也提出要實施國家節(jié)水行動,這標志著節(jié)水已經(jīng)成為國家意志和全民行動,實施管網(wǎng)漏損治理是落實國家節(jié)水總體部署的重要行動。2022年國家發(fā)展改革委與住房和城鄉(xiāng)建設部辦公廳發(fā)布了關(guān)于組織開展公共供水管網(wǎng)漏損治理試點建設的通知,提出公共供水管網(wǎng)漏損率高于12%(2020年)的試點城市(縣城)建成區(qū),2025年漏損率不高于8%,其他試點城市(縣城)建成區(qū),2025年漏損率不高于7%。因此,推進公共供水管網(wǎng)漏損治理,提高水資源利用效率,緩解城市水資源供需平衡矛盾,對于推進水資源全面節(jié)約和循環(huán)利用具有重要意義。

近些年來,公共供水管網(wǎng)漏損治理工作廣受關(guān)注。張志果指出科學溯源是供水管網(wǎng)漏損控制的必要前提,需找出漏損的具體原因,科學開展漏損控制[1]。王晨婉等人認為漏損識別與壓力管理是管網(wǎng)漏損控制中的重要部分,基于水力數(shù)據(jù)的漏損控制技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮骩2]。李蒲劍等人梳理了管網(wǎng)漏損控制領(lǐng)域的相關(guān)研究,指出漏損控制技術(shù)在工程實踐中需結(jié)合成熟的綜合管理體系才能發(fā)揮效能[3]。杜謂堂從管材、施工、規(guī)劃等方面分析漏損成因,并通過控制施工質(zhì)量、加強巡查檢漏等措施降低漏損[4]。莊玉澤等人以居住數(shù)量為決策變量,給排水流量、管徑、流速限制為約束條件,優(yōu)化供排水工程系統(tǒng),有益于管網(wǎng)漏損控制[5]。總體上看,目前在管網(wǎng)漏損控制方面的研究大多從局部看待管網(wǎng)漏損問題,而超大城市往往供水范圍大、區(qū)域跨度廣、管網(wǎng)分布復雜、漏損原因多樣,亟需一套更為系統(tǒng)全面的管網(wǎng)漏損控制策略。

針對超大城市目前存在的供水管網(wǎng)漏損率較高的問題,本文在分析漏損原因的基礎上,從管網(wǎng)改造、分區(qū)計量、壓力調(diào)控、信息化管理等角度提出相應控制策略,以期降低城市供水管網(wǎng)漏損量、減少水資源浪費,并為其他城市系統(tǒng)全面解決供水管網(wǎng)漏損問題提供一定參考。

1 供水現(xiàn)狀

本文研究區(qū)域供水范圍包括3個相對獨立的供水管網(wǎng)系統(tǒng),分別為片區(qū)1、片區(qū)2和片區(qū)3,其中片區(qū)1和2為已建區(qū)域,片區(qū)3為新區(qū)。供水范圍內(nèi)整體地形呈西北高東南低的趨勢,采用主力水廠+調(diào)峰水廠的供水模式。

1.1 供水系統(tǒng)現(xiàn)狀

供水范圍內(nèi)共有四座供水水廠,總供水量呈逐漸上升的趨勢,2021年供水量達101 202.83萬m3。主力水廠1、水廠2利用自西北向東南的自然坡降采用重力供水方式,供水量占比達94.61%,調(diào)峰水廠3、水廠4采用水泵加壓供水方式,供水量僅占5.39%。依托西北向東南方向總體自然坡降,管網(wǎng)隨各環(huán)道路及交通干線敷設,各環(huán)各網(wǎng)實現(xiàn)供水互補、聯(lián)通互濟。主要水廠及管網(wǎng)分布見圖1。

圖1 主要水廠及管網(wǎng)分布

該地區(qū)水廠1、水廠2位于片區(qū)2西北方向,與片區(qū)2高差較大,可直接通過重力流向片區(qū)2方向供水,水廠3、水廠4采用水泵加壓供水,供水區(qū)域管網(wǎng)運行較為平穩(wěn),絕大部分區(qū)域供水壓力保持在0.26～0.40 MPa。管網(wǎng)流速主要集中在1.0 m/s以內(nèi),總體流向趨勢為自西向東,自北向南。

該地區(qū)現(xiàn)狀供水管道管材以球墨鑄鐵管為主,由于近年城市建設速度較快,供水管道更新頻率較高,僅有5.16%管道建設年限在30 a以上,供水管網(wǎng)整體狀況良好。但是部分二次供水設施管材材質(zhì)、安裝質(zhì)量不達標,維護管理不到位,存在“跑冒滴漏”等現(xiàn)象。

1.2 管網(wǎng)漏損分析

(1) 管網(wǎng)漏損率

根據(jù)該地區(qū)2021年供水數(shù)據(jù),供水管網(wǎng)漏損總水量為10 725萬m3,其中漏失水量占比63%,計量損失占比31%,其他損失占比6%。

1) 綜合漏損率RWL管網(wǎng)漏損水量與供水總量之比,通常用百分比表示。

(1)

式中:RWL為綜合漏損率,%;Qs為供水總量,萬m3;Qa為注冊用水量,萬m3。

2) 漏損率RBL

用于評定或考核供水單位或區(qū)域的漏損水平,由綜合漏損率減去漏損率修正系數(shù)而得到。

RBL=RWL-Rn

(2)

Rn=R1+R2+R3+R4

(3)

式中:RBL為漏損率,%;RWL為綜合漏損率,%;Rn為漏損率修正系數(shù);R1為居民抄表到戶水量的修正值,m3;R2為單位供水量管長的修正值,m;R3為年平均出廠壓力的修正值;R4為最大凍土深度的修正值,m。經(jīng)計算, 2021年該地區(qū)供水管網(wǎng)漏損率約為9.58%。

(2) 漏損原因分析

造成地區(qū)供水管網(wǎng)漏損主要原因有:一是由于目前探漏技術(shù)單一、計量分區(qū)不完善,存在大量管道漏失水量未被檢出;二是“一戶一表”普及率低,仍存在大量總表用戶,大量損失未得到有效計量;三是末端管網(wǎng)漏損相對嚴重,小區(qū)內(nèi)管網(wǎng)老化導致漏失水量較大。

1) 漏損探測效果欠佳

目前的檢漏方法多為人工檢測,采用的主要儀器包括相關(guān)儀、聽音棒、檢漏儀等常規(guī)儀器,僅對埋深較淺、漏損明顯的管道有比較好的作用,仍存在大量未探測到或者無法及時探測到的漏損點位[6]。另外,以一個季度為周期對全部地下管網(wǎng)進行一次暗漏探測的工作頻率偏低,探漏效果欠佳。

2) 分區(qū)計量系統(tǒng)建設不完善

片區(qū)1和2均為已建區(qū)域,管網(wǎng)布局呈現(xiàn)大口徑輸水管道多環(huán)線、多射線、互聯(lián)互通的特點,分區(qū)計量改造難度大、成本高。目前該地區(qū)劃定了一級計量分區(qū),部分區(qū)域有少量二級、三級計量分區(qū),DMA分區(qū)計量尚未開展。整體上看,缺乏對于夜間最小流量的監(jiān)測,無法全面有效的掌握漏損情況,難以快速及時進行漏損治理。

3) 一戶一表、智能水表占比低

目前片區(qū)1和片區(qū)2的老舊小區(qū)多數(shù)都不能確保“一戶一表”制,近年來實施的“一戶一表”改造工程開展效果不佳,部分居民拒絕承擔改造費,住戶積極性不高。目前“一戶一表”改造率偏低,居民抄表到戶水量占比僅為8%。因此,表具造成的計量漏損尚未得到有效計量。

4) 管網(wǎng)漏損以末端管網(wǎng)、管道老化為主

對有統(tǒng)計的管網(wǎng)漏損從漏損原因、不同管徑漏損情況、漏損產(chǎn)生的區(qū)域進行分析,發(fā)現(xiàn)漏損以管道及附屬設施老化、自然損壞為主,DN100以下管徑管道發(fā)生損壞事故次數(shù)占比較高。

2 管網(wǎng)漏損控制

2.1 總體策略

針對該地區(qū)目前供水管網(wǎng)漏損存在的問題,從“夯實硬件基礎,強化管網(wǎng)改造”、“健全頂層設計,推動分區(qū)計量”、“加強過程控制,優(yōu)化壓力調(diào)控”、“完善信息管理,推進平臺建設”4個方面系統(tǒng)控制管網(wǎng)漏損。

2.2 供水管網(wǎng)改造

城市供水管網(wǎng)改造是降低供水管網(wǎng)漏損率的一項重要工作[7]。供水管網(wǎng)改造主要針對超過使用年限、材質(zhì)落后和受損失修的市政供水管道及閥門井等附屬設施、小區(qū)管網(wǎng)及附屬設施以及老舊二次供水設施等進行改造。

以現(xiàn)狀供水管線為基礎,根據(jù)現(xiàn)狀管道管材、管道管齡、近5 a內(nèi)的維修次數(shù)、供水范圍、管道所在道路等級、停水影響范圍、改造現(xiàn)場施工條件等因素對供水管線進行安全評估,得到高危管線共計13處,主要分布如圖2所示。

圖2 高危管線分布

結(jié)合市政管網(wǎng)高危等級,優(yōu)先對漏損突出的區(qū)域進行管網(wǎng)改造。部分管道所處道路為城市交通要道,單獨為改造管道而進行交通封閉成本較高,可結(jié)合道路更新、新建其它地下設施等情況,同步完成老舊管網(wǎng)更新改造。對于管道的附屬設施,包括閥門井、調(diào)節(jié)流量用的閥門、供應消防用水的消火栓等開展附屬設施普查工作。對于超期使用且嚴重損壞的無維修價值的設施,采取“有即換”的方式,逐步推進附屬設施更換工作;對于未到期且損壞不嚴重的設施,遵循“有即改”的原則,穩(wěn)步推進維修工作,解決附屬設施滴漏問題。

2.3 分區(qū)計量

該地區(qū)分區(qū)計量不完善,未系統(tǒng)進行計量損失水量的統(tǒng)計,但經(jīng)過估算,該地區(qū)計量損失占漏損水量的比重達31%左右,占比相對較大。分區(qū)計量作為控制漏損的有利手段[8-9],通過流量監(jiān)控,能夠?qū)崟r監(jiān)測大管道大漏點的爆發(fā),精準查找小管道的小漏點。

由于片區(qū)1和2為已建區(qū)域,管網(wǎng)相對完善且拓撲關(guān)系非常復雜,不宜采取自上而下的分區(qū)計量方式。結(jié)合管網(wǎng)現(xiàn)狀條件和漏損控制需要,對已建成區(qū)域(片區(qū)1、片區(qū)2)和待建設區(qū)域(片區(qū)3)分別采取自下而上、自上而下的分區(qū)計量劃分方式,并以片區(qū)3作為推動分區(qū)計量的示范區(qū)域,劃定一級-二級-三級-DMA的四級分區(qū),探索分區(qū)建設經(jīng)驗,進而帶動全域推廣分區(qū)計量建設。

目前,片區(qū)1、片區(qū)2和片區(qū)3供水管網(wǎng)系統(tǒng)相對獨立,各區(qū)有獨立的流量計進行計量,因此以這3個片區(qū)作為該地區(qū)供水范圍內(nèi)的一級分區(qū),如圖3所示一旦發(fā)生泄漏,可大致判斷泄漏點區(qū)域。

圖3 一級分區(qū)

為了提升服務范圍內(nèi)的計量管理水平,結(jié)合該地區(qū)供水服務范圍內(nèi)的分流站、主干管網(wǎng)分布情況,以相對獨立的計量區(qū)域設置監(jiān)控流量計,便于采用分段漏損測試的技術(shù)手段,成功鎖定漏損區(qū)域,降低產(chǎn)銷差,共劃定29個二級分區(qū)如圖4所示。

圖4 二級分區(qū)

在一、二級分區(qū)的基礎上,于片區(qū)3探索精細化管理模式,進一步提升檢漏效率,三級分區(qū)如圖5所示。該片區(qū)區(qū)域跨度相對較大,2016年5月該片區(qū)由于管網(wǎng)漏損原因產(chǎn)銷差高達46.83%,后續(xù)利用分區(qū)計量思路,將漏點鎖定在特定區(qū)段,在14 km的小范圍內(nèi)迅速發(fā)現(xiàn)3處大型暗漏,維修后產(chǎn)銷差降至26.99%。因此,分區(qū)計量對于迅速發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)漏損具有重大意義。后續(xù)可在三級分區(qū)的基礎上進行DMA分區(qū),以用戶數(shù)不超過5 000戶,進出水口數(shù)量不超過2個,供水規(guī)模在2 000～5 000 m3/日為標準,劃分 DMA分區(qū)計量單元。通過逐級分區(qū)計量,使數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析日益精細化,為漏損控制提供科學依據(jù),及時鎖定漏點并采取相應措施,進而顯著降低管網(wǎng)漏損。

圖5 三級分區(qū)

此外,該地區(qū)的大用戶用水具有相對比較完備的計量體系,但是綠化環(huán)衛(wèi)用水計量等尚未實現(xiàn)全覆蓋,偷盜水現(xiàn)象依然存在,居民抄表到戶水量占比僅為8%,“一戶一表”改造率偏低,智能水表推廣難度大,導致由于表具計量誤差、偷盜水等軟性因素帶來被動漏失,不利于精準查找漏損原因,進而實施供水管網(wǎng)漏損控制。因此,結(jié)合老舊院落改造計劃,通過加大“一戶一表”改造力度,提升居民抄表到戶率,并隨“一戶一表”改造普及智能水表,實現(xiàn)分層級的水量監(jiān)控分析和水量傳遞管控,有效提高管網(wǎng)漏損控制水平。有條件的區(qū)域,對綠化環(huán)衛(wèi)等用水實施精細化計量,禁止“包干用水”。通過定點計量取水,規(guī)范取水制度,加強管理減少“偷盜水”現(xiàn)象發(fā)生,降低因管理因素導致的漏失水量,進而降低管網(wǎng)漏損率。

2.4 壓力調(diào)控優(yōu)化

城市供水管網(wǎng)運行過程中,管壓與管網(wǎng)漏損水量之間也存在緊密的聯(lián)系,當城市供水管網(wǎng)管壓超出某一壓力限值情況下時,會導致供水管網(wǎng)爆管次數(shù)增加。因此合理調(diào)控供水管網(wǎng)壓力,可以有效的降低城市漏損率,保證城市供水系統(tǒng)安全、高效的運行[10-11]。

結(jié)合該地區(qū)地形特征和用水分布,實行管網(wǎng)的壓力分區(qū)管理。由于各用戶用水量變化以及管網(wǎng)破損等因素,供水壓力極易不平衡不穩(wěn)定。為了將管網(wǎng)壓力維持在合理經(jīng)濟壓力范圍以內(nèi),可分片區(qū)選擇主控壓力點,加大對壓力的監(jiān)控力度,具體壓力控制點如圖6所示。

圖6 壓力控制點分布

相關(guān)研究表明,管網(wǎng)壓力與漏失量之間呈指數(shù)關(guān)系[12],即:

L1/L0=(P1/P0)N1

(4)

式中:L1與L0分別為工況1、0下的管道泄漏速率,m/s;P1與P0分別為工況1、0下的管道壓力,MPa;N1為經(jīng)驗指數(shù)取值,一般在0.5～1.5。

以片區(qū)2為例,該地區(qū)經(jīng)過多年運行管理總結(jié)表明,控制點的經(jīng)濟合理壓力在0.28 MPa左右,如圖7所示。當控制點壓力低于經(jīng)濟壓力P0時,會導致部分區(qū)域供水水壓不足,當壓力高于經(jīng)濟壓力時,從上述經(jīng)驗公式可以看出,相應的管道泄漏量也會隨之增加。因此,為了將管網(wǎng)壓力控制在合理范圍之內(nèi),需要及時對管網(wǎng)運行壓力進行感知,采取相應措施進行調(diào)節(jié)。

圖7 片區(qū)2主控壓力點壓力變化

為了優(yōu)化管網(wǎng)運行壓力,通過不斷完善SCADA系統(tǒng),及時反饋并優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)運行壓力,使壓力恢復到經(jīng)濟壓力范圍,從而供水管網(wǎng)整體壓力運行平穩(wěn)。為實現(xiàn)壓力的實時監(jiān)控和反饋,必須進一步完善管網(wǎng)的感知網(wǎng)絡和調(diào)度水平。一方面結(jié)合主干輸水管網(wǎng)建設,增設控流站,通過增加和優(yōu)化關(guān)鍵點位及監(jiān)控盲區(qū)的壓力監(jiān)測點布置,擴大數(shù)據(jù)覆蓋范圍,實行管網(wǎng)壓力實時監(jiān)控;另一方面對局部地勢較高的區(qū)域增設高位調(diào)節(jié)水池,便于穩(wěn)定供水管網(wǎng)的流量和壓力,實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)供水壓力的平穩(wěn)調(diào)度,達到壓力控制的先進水平。通過進一步優(yōu)化壓力調(diào)控,使輸水管網(wǎng)中的供水壓力更接近用戶的需要,并在一定程度上減少爆管次數(shù),同步降低明漏、暗漏及背景漏失等,確保安全優(yōu)質(zhì)的供水服務。

2.5 供水智能化建設

供水管網(wǎng)信息化管理是實現(xiàn)供水管網(wǎng)科學高效管理與優(yōu)化運行的有效方式。應用供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)、管網(wǎng)運行實時監(jiān)測通信系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析等數(shù)字化信息技術(shù),能夠為供水管網(wǎng)日常生產(chǎn)運行管理決策提供科學依據(jù),進而優(yōu)化運行管理[13]。

該地區(qū)多年來持續(xù)推進供水系統(tǒng)綜合信息平臺建設,目前已經(jīng)建立了管網(wǎng)GIS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)以及水力模型等,供水系統(tǒng)綜合信息平臺也已實現(xiàn)了管網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、設備設施數(shù)據(jù)等的全面管理,但在分區(qū)計量以及數(shù)據(jù)整合方面存在缺失,仍有進一步完善優(yōu)化的空間。通過進一步推進供水綜合應用平臺建設,打通信息孤島,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,構(gòu)建一體化、可拓展的供水智能化體系,推進城市給水系統(tǒng)全面可視化、動態(tài)化和科學化管理,從而有效控制管網(wǎng)漏損率。

3 潛力分析

3.1 節(jié)水降碳

通過開展供水管網(wǎng)漏損治理,能夠節(jié)約大量水資源,進一步緩解城市水資源供需矛盾,提升水資源利用效率,落實國家碳達峰碳中和的目標。

結(jié)合國家對公共供水管網(wǎng)漏損率不高于7%的要求,假定該地區(qū)供水量不發(fā)生較大變化的情況下,若能夠?qū)⒐┧芫W(wǎng)漏損率從9.58%控制在7%以下,以2021年供水量(101 202.83萬m3)為基礎,每年至少能夠節(jié)水約2 611萬m3。由于主力水廠均為重力流供水水廠,水廠供水能耗相對較低,以平均能耗378.4 kWh/萬m3(該地區(qū)水司多年平均供水能耗)進行核算,每年至少能夠節(jié)省能耗約988 002.4 kWh,取電能和標準煤的折標煤系數(shù)為0.4,共可節(jié)約395.2 t標準煤,根據(jù)煤炭的碳排放因子為2.66 t二氧化碳/噸標準煤,減少二氧化碳排放量為1 051.2 t,具有較為明顯的碳減排潛力。

3.2 供水安全

劣質(zhì)管材、管網(wǎng)破損極易導致管網(wǎng)內(nèi)部形成管垢和生物膜,管垢和生物膜發(fā)生不穩(wěn)定反應脫落時,會引起“黃水”“紅水”等現(xiàn)象,影響供水水質(zhì)。附著在管壁上的管垢會降低供水管網(wǎng)的輸水能力,增大供水能耗,還會增加“爆管”的風險。

開展供水管網(wǎng)漏損控制,通過更新、改造老舊供水管網(wǎng),能夠提高供水水質(zhì),保障城市供水穩(wěn)定;通過供水管網(wǎng)壓力調(diào)控,能夠進一步優(yōu)化供水管網(wǎng)壓力分布,從而降低爆管次數(shù),減少因為壓力過大導致的明漏水量;通過供水管網(wǎng)分區(qū)計量,能夠較為迅速的監(jiān)測到漏損嚴重的點位,從而精準快速進行搶修;通過供水智能化建設,能夠迅速對管網(wǎng)漏損進行響應和調(diào)度,降低因為管網(wǎng)漏損帶來的風險,保障供水安全。

4 結(jié) 論

本文依托于某超大城市供水管網(wǎng)運行現(xiàn)狀,針對目前供水管網(wǎng)漏損率較高的問題,提出了一種通過強化管網(wǎng)改造、優(yōu)化壓力調(diào)控、推動分區(qū)計量、完善信息管理的系統(tǒng)控制策略,形成結(jié)論如下:

(1) 通過對已建區(qū)域和待建區(qū)域分別采取自下而上和自上而下的分區(qū)計量劃分方式,先在部分區(qū)域落實一級——二級——三級——DMA的四級計量分區(qū),進而探索全域推廣分區(qū)計量建設的模式,為超大城市供水管理精細化提供了新的思路。

(2) 實行管網(wǎng)的壓力分區(qū)管理,增加關(guān)鍵點壓力監(jiān)測,加大對供水管網(wǎng)運行壓力的感知力度,將主控點壓力控制在經(jīng)濟壓力0.28 MPa左右,通過優(yōu)化管網(wǎng)運行壓力,實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)供水平穩(wěn)調(diào)度,降低管網(wǎng)漏損率。

(3) 通過系統(tǒng)開展供水管網(wǎng)漏損治理工作,將供水管網(wǎng)漏損率控制在7%以下,在保障供水安全的同時,能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水約2 611萬m3、節(jié)能約988 002.4 kWh、降碳1 051.2 t的目標,具有較大的節(jié)水降碳潛力。