供水管道漏損因素及控制技術(shù)研究

摘" 要：供水管網(wǎng)是城市必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，其漏損率的大小是判斷供水企業(yè)經(jīng)營(yíng)和維護(hù)能力綜合水平的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。因此，控制供水管網(wǎng)漏損率，是鞏固和提升城市飲水安全的重要內(nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)城市供水工程長(zhǎng)效化的必然要求，對(duì)節(jié)約水資源、增加水費(fèi)收入和降低工程運(yùn)行成本，具有積極的促進(jìn)作用。該文綜合分析城市供水管線的漏損因素，針對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀中不同的漏損問題，提出有效的控制技術(shù)，確保管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全。

關(guān)鍵詞：供水；管網(wǎng)漏損；漏損因素；控制技術(shù)；智慧水務(wù)

中圖分類號(hào)：TU991.33" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0140-04

Abstract： The water supply network is an indispensable infrastructure in urban area， and its leakage rate is a key indicator for judging the comprehensive level of the operation and maintenance capabilities of water supply enterprises. Therefore， controlling the leakage rate of the water supply network is an important part of consolidating and improving the safety of drinking water in urban area， and it is also an inevitable requirement to realize the long-term effect of urban water supply projects， which has positive effects on saving water resources， increasing water fee income， and reducing project operation costs. This paper comprehensively analyzes the leakage factors of urban water supply pipelines and proposes effective control techniques， so as to ensure the stable and safe operation of the pipeline network.

Keywords： urban and rural water supply; pipe leakage; leakage factor; control technology; smart water

作為城鎮(zhèn)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，供水管網(wǎng)承擔(dān)著保質(zhì)保量向用戶輸送飲用水的責(zé)任。但因長(zhǎng)期運(yùn)行中可能存在外力破壞、管網(wǎng)老化等原因，供水管道經(jīng)常出現(xiàn)破損，從而導(dǎo)致自來水泄漏，同時(shí)由于供水管網(wǎng)普遍深埋地下，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏，使得管網(wǎng)滲漏成為國(guó)內(nèi)外供水行業(yè)普遍面臨的問題[1]，不僅帶來水資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成城鎮(zhèn)供水危機(jī)、水質(zhì)的二次污染等次生災(zāi)害。截至2020年，我國(guó)城市供水管網(wǎng)綜合漏損率為13.39%，部分城市甚至超過25%，治理管網(wǎng)漏損工作迫在眉睫。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相對(duì)較早地開展了城鎮(zhèn)化建設(shè)，對(duì)管網(wǎng)漏損的治理已達(dá)到較為成熟的程度。其中，日本、美國(guó)等國(guó)家表現(xiàn)較好，已將供水管網(wǎng)漏損率控制在8%以下，荷蘭、德國(guó)、瑞士等國(guó)分別將漏網(wǎng)率控制在6.3%、4.9%、4.9%以下。而我國(guó)供水管網(wǎng)平均漏損率各省市差異較大，一些省市漏損率能控制在12%以下，個(gè)別省市漏損率在20%以上。因此，如何在城鎮(zhèn)化發(fā)展到大尺度、高密度的時(shí)候，降低管網(wǎng)漏損率，實(shí)現(xiàn)水資源節(jié)約、能源節(jié)約是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。為進(jìn)一步減少管道漏損，國(guó)家發(fā)改委和住建部組織開展了公共供水管網(wǎng)漏損治理試點(diǎn)建設(shè)，要求2020年我國(guó)公共供水管網(wǎng)漏損率高于12%的試點(diǎn)城市（縣城）建成區(qū)，到2025年漏損率不高于8%；其他試點(diǎn)城市（縣城）建成區(qū)，漏損率在2025年不高于7%。

1" 管網(wǎng)漏損因素

1.1" 管材及接口

供水系統(tǒng)將自來水通過管網(wǎng)送到千家萬戶，而管網(wǎng)漏損的主要原因之一就是因管道材料老化而產(chǎn)生的漏損。我國(guó)城鎮(zhèn)供水的常用管材有鋼管、鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土管和塑料管材等。城鎮(zhèn)管網(wǎng)具有一定的特殊性，施工過程也并非一蹴而就，通常老舊管網(wǎng)采用鍍鋅管或水泥管作為管材，但上述管材超過規(guī)定的使用年限后容易發(fā)生漏損問題。其中水泥管因自重較大，如接頭處采用柔性橡膠接頭，可能存在漏水、管道位移和地面沉降不均勻等問題。此外，鋼筋抗拉強(qiáng)度的降低，也會(huì)造成水泥管開裂，甚至發(fā)生爆管事故；鑄鐵管也是比較常見的管材，存在含磷、硫較多和外力不均勻等問題，特殊情況下還會(huì)出現(xiàn)斷裂的情況。此外，鑄鐵管一般選用橡膠柔性接口或膨脹水泥剛性接口，其中膨脹水泥剛性接口應(yīng)用比較廣泛，但易受外界環(huán)境因素的影響，發(fā)生破裂變形；塑料管材，因其膨脹系數(shù)大，隨著塑料老化而產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致水的滲漏[2-3]。

1.2" 設(shè)計(jì)及施工不當(dāng)

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，居民用水量也急劇增加，造成管網(wǎng)漏損的原因之一是管道設(shè)計(jì)指標(biāo)落后于實(shí)際供水要求。由于設(shè)計(jì)之初對(duì)城市發(fā)展的預(yù)測(cè)不夠全面，加之受資金等因素的影響，管網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)前瞻性不足，一些原有的配水管線在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了最初的用水規(guī)模，而在用水激增時(shí)又面臨著供水規(guī)模過小、管線流速過高、易造成跑冒滴漏等問題。在設(shè)計(jì)過程中對(duì)管材伸縮變量認(rèn)識(shí)不足。部分金屬管材受溫度影響極易產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象，且設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮環(huán)網(wǎng)需求，僅根據(jù)用水量和供水點(diǎn)的距離進(jìn)行設(shè)計(jì)，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致運(yùn)行安全難以得到保障[4]；施工因素也是造成漏損的一大原因，通常情況下，管線施工選址不合理、施工標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不嚴(yán)格等問題都會(huì)在施工過程中發(fā)生。由于供水管網(wǎng)通常采用地下敷設(shè)方式，即使出現(xiàn)質(zhì)量問題，也難以被及時(shí)察覺，具有一定的隱蔽性，如果施工安裝時(shí)沒有按照既定的施工標(biāo)準(zhǔn)和圖紙進(jìn)行施工，這也給后續(xù)的維護(hù)增加了一定的難度[5-6]。

1.3" 載荷與沉降

城市管網(wǎng)一般都是建立在地面下面，建立在公路下面的管網(wǎng)一般會(huì)受到動(dòng)負(fù)荷和靜負(fù)荷2種壓力，在城市供水管道的長(zhǎng)期運(yùn)行中，管道中水的重量和管道自身的重量會(huì)使管道產(chǎn)生輕微沉降，同時(shí)地質(zhì)土壤分布不均勻，會(huì)使管道產(chǎn)生不均勻的沉降，這種現(xiàn)象會(huì)使管道受到不均勻的力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使管道破裂。隨著城市建設(shè)的不斷進(jìn)步，交通方面也出現(xiàn)了不規(guī)律的變化，這種不規(guī)律的變化導(dǎo)致了動(dòng)載荷的不斷加強(qiáng)，最終會(huì)出現(xiàn)管線損壞的現(xiàn)象，超過了設(shè)計(jì)的最大負(fù)荷。城市建設(shè)過程中城市供水需求量日益增大，導(dǎo)致供水壓力逐漸增高，當(dāng)局部水壓超過設(shè)計(jì)值時(shí)，同樣會(huì)使管道受損幾率增大[7]。

2" 城市供水管網(wǎng)漏損的控制策略

2.1" 把控管材及接口選用質(zhì)量

在選用管材時(shí)，還需要結(jié)合城市建設(shè)的實(shí)際施工情況，保證管材的正常使用，避免施工期間因管材原因而耽誤施工。對(duì)于管道內(nèi)部材料的選擇，優(yōu)先選擇管壁內(nèi)部光滑的材料，選擇適合的材料與多種材料進(jìn)行對(duì)比。在管網(wǎng)材料選擇上，一般優(yōu)先選用球墨鑄鐵管和PE管，其中球墨鑄鐵管組織致密，組織以鐵素體為主，同時(shí)存在強(qiáng)度更高、伸長(zhǎng)率更大、彎曲變形更小和能承受更大負(fù)荷的球體石墨，是管網(wǎng)材中較為理想的管材；PE管具有適應(yīng)高溫、低溫，能夠經(jīng)受多種化學(xué)物質(zhì)侵蝕，接口強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是柔性布置的理想管材[8]。

2.2" 提高城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)及工程施工質(zhì)量

科學(xué)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)，使管網(wǎng)輸水能力始終保持在最佳狀態(tài)，避免因管道內(nèi)部壓力變化而引起的破壞，降低漏損率，同時(shí)保證管段內(nèi)的水壓、水流量等始終處于合理參數(shù)范疇。管線周邊的街道也需要在設(shè)計(jì)過程中，在盡可能提高參考范圍的同時(shí)，考慮到車流負(fù)荷和各種環(huán)境狀況因素，明確這些因素的發(fā)生概率和影響程度，并利用已有資料建立預(yù)報(bào)模型，以便為管網(wǎng)此后的運(yùn)維提供可靠依據(jù)。在管道施工中，需要重點(diǎn)做好以下幾點(diǎn)：一是要科學(xué)選擇針對(duì)狹窄街巷等施工路段需要避讓溝渠等結(jié)構(gòu)的支管；二是管材安裝前做好質(zhì)量檢測(cè)，并按施工規(guī)范進(jìn)行操作；三是項(xiàng)目竣工后做好驗(yàn)收材料的審核工作，施工資料需存檔建檔[9]。

2.3" 優(yōu)化漏損檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)

實(shí)踐表明，管網(wǎng)破損較大的漏點(diǎn)漏水量約占總量的80%，對(duì)管網(wǎng)漏損檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，快速發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，及時(shí)修復(fù)，可有效降低管網(wǎng)漏損。謝豐權(quán)等[10]應(yīng)用光纖傳感技術(shù)開展漏損監(jiān)測(cè)，研究結(jié)果顯示沿管道布置的光纖傳感器能夠識(shí)別出直徑為毫米量級(jí)的漏孔，當(dāng)管內(nèi)水壓一定時(shí)，與泄漏孔直徑線性相關(guān)的散射光信號(hào)強(qiáng)度對(duì)數(shù)，在檢測(cè)漏點(diǎn)的同時(shí)可以對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行定位，誤差在±1.5 m內(nèi)。與現(xiàn)有的探漏技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)能適應(yīng)各種管徑、不同管道的埋設(shè)深度和長(zhǎng)度及多種惡劣工作環(huán)境（腐蝕、強(qiáng)電磁場(chǎng)、高溫和高壓等），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供水管道漏損在線監(jiān)測(cè)。此外，基于EPANET平臺(tái)建立的管網(wǎng)水力模型能模擬管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)漏損情況及獲取各時(shí)間點(diǎn)節(jié)點(diǎn)水壓，同時(shí)利用BI-LSTM進(jìn)行分析，可得出漏損節(jié)點(diǎn)位置和各節(jié)點(diǎn)發(fā)生漏損的概率。董文瑾等[11]利用雙向LSTM（BI-LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析管網(wǎng)漏損時(shí)節(jié)點(diǎn)水壓的變化規(guī)律，結(jié)果表明基于雙向LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的供水管網(wǎng)漏損定位模型準(zhǔn)確率為88.54%，對(duì)供水管網(wǎng)漏損節(jié)點(diǎn)的定位具有良好的效果。DMA分區(qū)技術(shù)是通過加裝流量計(jì)、閥門操作等措施，將供水系統(tǒng)劃分為若干個(gè)具有永久邊界、相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，是近年來解決城市管網(wǎng)供水漏損問題的重要技術(shù)手段?？苽惼履喜抗┧こ掏ㄟ^加裝閥門和流量計(jì)，將供水管網(wǎng)劃分為若干個(gè)獨(dú)立的DMA分區(qū)，監(jiān)測(cè)各分區(qū)內(nèi)進(jìn)出水量，有效縮短了管網(wǎng)破損到修復(fù)的時(shí)間，降低漏損水量，將漏損率從49%降低到10%左右[12]。余春曉等[13]結(jié)合重慶山地城市地形高差大、供水范圍廣、供水管網(wǎng)復(fù)雜及外部條件惡劣的區(qū)域特點(diǎn)，通過干管加獨(dú)立子網(wǎng)的方式建立北碚DMA示范區(qū)，摸索出一整套山地城市組團(tuán)式供水管網(wǎng)DMA分區(qū)數(shù)據(jù)分析方法，使該區(qū)域管網(wǎng)漏損率降至7.22%。龔瓏聰?shù)萚14]選取福州世紀(jì)藍(lán)景城小區(qū)作為基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-LOT）與獨(dú)立計(jì)量區(qū)（DIMA）技術(shù)相結(jié)合的小區(qū)定量漏損管控試點(diǎn)，NB-LOT智能遠(yuǎn)傳水表采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)铰p平臺(tái)，根據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定夜間最小流量檢測(cè)限，及時(shí)判斷新的漏損點(diǎn)，該平臺(tái)連續(xù)一年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明月度真實(shí)漏損率均低于5%，從而將NB-IOT與DMA技術(shù)相結(jié)合，對(duì)漏損點(diǎn)進(jìn)行快速準(zhǔn)確識(shí)別和修復(fù)，使管網(wǎng)漏損情況得到有效控制，節(jié)約水資源量約28×104 m3，能夠?yàn)樾^(qū)供水管網(wǎng)定量漏損控制提供借鑒。隨著傳感器成本的降低，數(shù)據(jù)采集越來越密集，大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展為DMA有效管理提供技術(shù)支撐，大數(shù)據(jù)技術(shù)指導(dǎo)DMA漏損控制決策成為必然趨勢(shì)，在今后的管網(wǎng)漏損控制中將大數(shù)據(jù)與DMA相結(jié)合可為管網(wǎng)漏損控制提供新的思路與方法[15]。

2.4" 搭建智慧水務(wù)

近年來興起的以物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的智慧水務(wù)系統(tǒng)，為城市供水管網(wǎng)的漏損控制提供了新的思路，物聯(lián)網(wǎng)依托互聯(lián)網(wǎng)，通過信息傳感技術(shù)，依據(jù)約定的協(xié)議，可以加強(qiáng)對(duì)物體智能化的監(jiān)控和管理，大數(shù)據(jù)技術(shù)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，在漏損監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。張一凡等[16]在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)搭建小型智慧水務(wù)系統(tǒng)，利用平臺(tái)運(yùn)算能力、遺傳算法對(duì)管道壓力進(jìn)行管理，對(duì)閥門數(shù)量、位置、開啟等方面進(jìn)行優(yōu)化，使管網(wǎng)壓力分布更趨合理，漏損量從36.26 L/s降低至31.27 L/s。丹東振安區(qū)水廠利用水廠和管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)的大數(shù)據(jù)，在研究水廠高、低峰供水時(shí)段壓力、流量變化特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)布局、地形落差和測(cè)壓點(diǎn)數(shù)據(jù)變化，選取最大流量時(shí)段最不利點(diǎn)壓力作為臨界點(diǎn)壓力，通過水廠變頻裝置PLC編程優(yōu)化，對(duì)水廠09：00—16：00和23：00—05：00壓力進(jìn)行調(diào)配，降低管網(wǎng)漏損率30.76%，達(dá)到減少管網(wǎng)漏損、防止爆管、控制漏損反彈和維護(hù)檢漏成果的目的[17]。鹽源縣為實(shí)現(xiàn)各部門統(tǒng)籌調(diào)度、優(yōu)化配置水資源，實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡，降低掛網(wǎng)漏損，搭建起集大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、RS（遙感技術(shù)）和GIS（地理信息系統(tǒng)）等為一體的智慧水務(wù)綜合管理平臺(tái)，同時(shí)結(jié)合DMA分區(qū)計(jì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可實(shí)現(xiàn)漏損發(fā)生位置的快速定位，并提前做好漏損預(yù)警[18]。沈陽(yáng)水務(wù)集團(tuán)將一次供水管網(wǎng)和二次供水管網(wǎng)分為9個(gè)大區(qū)和1 976個(gè)小區(qū)，通過構(gòu)建漏損率智能管控系統(tǒng)，并整合現(xiàn)有的遠(yuǎn)傳計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建立了統(tǒng)一的計(jì)量信息大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，對(duì)“一次壓”和“二次壓”漏損率進(jìn)行精準(zhǔn)核算，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)計(jì)量信息化、管網(wǎng)漏損分析智能化和流程管理數(shù)字化[19]。濱海水務(wù)大港油田水務(wù)分公司通過構(gòu)建一體化數(shù)字化管理平臺(tái)、搭設(shè)漏損控制分區(qū)計(jì)量專用數(shù)據(jù)服務(wù)器和建立管網(wǎng)漏損計(jì)算模型，通過數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)比分析和區(qū)域夜間最小流量對(duì)比，有效減少大港油田管網(wǎng)日漏失水量3 700 m3，該區(qū)域漏損率降至22.1%[20]。

3" 結(jié)束語

我國(guó)城市供水管網(wǎng)在管道老化、技術(shù)手段投入有限、監(jiān)管體制落后等因素的影響下，管網(wǎng)漏水現(xiàn)象較為普遍。管網(wǎng)漏水不僅對(duì)供水企業(yè)正常運(yùn)行造成不利影響，而且浪費(fèi)了水資源。在水資源稀缺程度日益加深的情況下，如何有效控制管網(wǎng)漏損率，提高城市供水效率，降低成本，提高效益，成為供水行業(yè)迫切需要解決的問題之一。供水企業(yè)應(yīng)明確造成供水管網(wǎng)漏損的相關(guān)因素，建立切實(shí)可行的供水管網(wǎng)監(jiān)控管理體系，制定應(yīng)對(duì)爆管等問題的措施，建立完善的監(jiān)控管理體系，同時(shí)與“智慧城市”建設(shè)、在線檢測(cè)等科技手段緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)漏損的有效控制，實(shí)現(xiàn)企業(yè)降本增效。

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