我國城市供水管網(wǎng)漏損控制技術(shù)發(fā)展與展望
引言
城市供水管網(wǎng)安全運行是城市建設(shè)和人民生活的基本保障。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，城市供水管網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模日益增長。然而，由于城市供水管網(wǎng)漏失，導致每年損失的水量超過太湖的實際蓄水量，不僅造成了大量優(yōu)質(zhì)水資源的浪費、干擾正常生產(chǎn)生活秩序，而且可能帶來供水水質(zhì)風險和地下公用設(shè)施損壞等次生危害。因此，對于供水企業(yè)來說，防控由于管網(wǎng)漏損或破損導致的供水事故、水量損失和水質(zhì)風險是管網(wǎng)運行管理中的重要內(nèi)容。
“十二五”期間，國家高度重視給排水管網(wǎng)建設(shè)，做好管網(wǎng)漏失控制是實現(xiàn)城市節(jié)水降耗、提高水資源利用效率的重要措施。目前，我國供水管網(wǎng)漏損嚴重，平均管網(wǎng)漏損率約為18%，在部分地區(qū)漏損率高達35%以上。在城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損控制方面，與國際先進水平相比仍存在較大差距，存在漏損構(gòu)成不清、漏損監(jiān)測與控制效率低的問題，亟需形成適合我國情況的管網(wǎng)漏損綜合監(jiān)測與控制共性關(guān)鍵技術(shù)。基于水平衡分析與分區(qū)管理的管網(wǎng)漏損評價、監(jiān)測與控制技術(shù)，從我國供水管網(wǎng)漏損現(xiàn)狀與管理技術(shù)水平出發(fā)，由定量漏損的水平衡分析方法、綜合漏失監(jiān)測方法和漏失綜合控制方案等多項技術(shù)內(nèi)容組成，形成了基于分區(qū)調(diào)度、區(qū)域控壓、DMA壓力調(diào)控的漏失控制與管理綜合技術(shù)，技術(shù)路線如圖1所示。通過技術(shù)應(yīng)用示范為供水企業(yè)漏損控制提供了技術(shù)支撐和解決方案，在北京市供水管網(wǎng)的應(yīng)用取得了年節(jié)水3000余萬m3的效果，未來有望通過行業(yè)標準的頒布實施與北京的示范作用在全國進行推廣應(yīng)用。
1基于水平衡分析與分區(qū)管理的管網(wǎng)漏損評價與監(jiān)測技術(shù)
由于管網(wǎng)深埋于地下，漏失點的監(jiān)測非常困難，對管道破損點的修復(fù)、管網(wǎng)更新、壓力控制等方法的實施造成困難，因此管網(wǎng)漏失的監(jiān)測和控制是目前減少管網(wǎng)漏損的一個重點和難點。管網(wǎng)漏損評價是有效進行漏失監(jiān)測和控制的基礎(chǔ)，可以從漏損水量評估、管線漏損狀況評價和管網(wǎng)漏損狀態(tài)評價等不同尺度上進行。對漏損水量進行定量評估，可以反映管網(wǎng)的整體健康狀況以及企業(yè)的管理水平和用戶的文明水平。而管線或管網(wǎng)漏損狀態(tài)評價，則可以為漏損檢測和管網(wǎng)維護方案的優(yōu)化提供支持。
1.1適合我國供水管網(wǎng)的水平衡分析方法
我國目前采用漏損率指標評價供水管網(wǎng)漏損，雖然規(guī)定了漏損率的計算方法及評定標準，但對如何確定各構(gòu)成要素的影響程度，缺乏必要的分析方法。水量平衡表是明確漏損主要組成的一種非常好的工具。國際水協(xié)的標準水量平衡表已經(jīng)被很多國家的供水部門采用并作為供水管網(wǎng)漏損控制工作的基本依據(jù)。但由于我國管網(wǎng)特征和計量方式等多方面的差異，不能照搬國際水協(xié)的水平衡分析方法，需要提出適合我國情況的可實施的方法。因此，在學習吸收國際水協(xié)的水平衡法的基礎(chǔ)上，對標準水量平衡表的部分內(nèi)容進行調(diào)整和細化(見表1)，一是摒棄了“表觀漏損”這一難以理解的術(shù)語，而將計量誤差單獨拿出來作為一個大項，將竊水、用戶拒查、水表漏立戶等造成的損失統(tǒng)一歸入“其他損失”;二是將真實漏失分為明漏、暗漏、背景漏失和水箱、水池的滲漏及溢流。修正后的水平衡表更符合我國供水企業(yè)運行管理實際情況，且各項概念更加清晰，不容易給人帶來誤解，解決了之前我國供水行業(yè)對漏損水量構(gòu)成要素不明確的難題。
使用修正的水量平衡表對各構(gòu)成要素的水量進行量化分析時，供水總量和計費用水量可根據(jù)計量數(shù)據(jù)直接計算，免費用水量可通過向消防部門收集相關(guān)數(shù)據(jù)獲得，其他免費用水量(如管線沖洗等)也可通過計量或估算方式獲得，漏損水量構(gòu)成要素中的漏失水量、計量損失水量和其他損失水量則需要以樣本試驗的結(jié)果進行計算確定。如計量損失水量是由于各級計量表具之間的計量差值以及水表本身計量性能限制造成的水量損失，前者主要是居民查表入戶后的總分表誤差，后者主要是大用戶水表的計量損失。通過開展總分表計量損失試驗以及不同計量精度水表的串聯(lián)試驗，可以得到這兩種因素的計量損失率。從而能夠確定整個管網(wǎng)由于計量損失造成的損失水量。
1.2基于噪聲信號和DMA流量數(shù)據(jù)的管網(wǎng)漏損綜合監(jiān)測技術(shù)
我國管網(wǎng)漏失嚴重的主要原因之一是漏失監(jiān)測水平有限、效率較低；诼┦綔y儀的漏失監(jiān)測技術(shù)是主動檢漏法的一種，能監(jiān)測到漏水點，對于漏水點定位具有直接的作用，但不能判斷漏失的大小。我國很多供水單位都在嘗試管網(wǎng)分區(qū)管理，這就為管網(wǎng)漏失的監(jiān)測評價提供了另一層尺度；贒MA的漏失監(jiān)測可以監(jiān)測到流量變化，直接反映漏失量，但無法定位漏水點。盡管理論上通過逐步縮小檢測區(qū)域的方法，可以最終找到漏失點的位置及漏失量的大小，但是這種方法工作強度非常大，經(jīng)常需要在深夜進行，而且在一個區(qū)域內(nèi)頻繁地開閉一些閥門，會導致管道內(nèi)水流頻繁發(fā)生變化，使管垢脫落，帶來水質(zhì)惡化風險。將DMA流量判斷和漏失探測儀監(jiān)測相結(jié)合，形成綜合的漏失監(jiān)測方法，技術(shù)路線見圖2。即根據(jù)DMA夜間最小流量曲線和漏失探測儀的報警信號，能同時得到漏失大小和漏失位置信息，可以大大提高漏失檢測效率。
2基于DMA漏失控制與水廠泵站調(diào)節(jié)的管網(wǎng)漏損高效控制技術(shù)
漏失控制可以從主動檢漏、管網(wǎng)維護、壓力控制、科學管理4個方面進行。主動查找漏水點并及時進行修復(fù)是目前絕大部分供水單位主要采取的漏失控制措施，也是一項最基本的漏失控制措施。壓力控制，相對來講是見效最快的漏失控制措施。因為漏水點的泄漏速率是與壓力直接相關(guān)的，壓力降下來后漏水速率會立即有所降低。但是，要進行壓力控制需要對管網(wǎng)進行分區(qū)管理，同時需要在區(qū)域入水口處安裝相應(yīng)的壓力控制設(shè)備，這一投資高于漏水點檢測和修復(fù)，但低于管網(wǎng)更新改造。因此，壓力控制是管網(wǎng)漏損控制的重要技術(shù)手段之一，在滿足用戶用水需求的前提下，通過合理降低管網(wǎng)壓力，可以有效降低漏失水量、破損頻率和漏失自然生長率，實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能、降耗和延長管網(wǎng)資產(chǎn)壽命的目的。
目前我國在管網(wǎng)分區(qū)管理、壓力調(diào)控方面進行了一些嘗試，但仍缺乏足夠的科學支持。在北京市供水管網(wǎng)10個DMA進行壓力控制試驗，發(fā)現(xiàn)壓力控制對于漏損控制均有一定的效果，并且不同DMA對壓力控制的響應(yīng)效果不同。平均每km管道上，每降1m的壓力可以節(jié)水0.11L/s。由于DMA一般在管徑300mm以下的管道中實施，因此，若將上述壓力控制效果擴展到全北京市，則可以估算出壓力控制所取得的效果。據(jù)統(tǒng)計，北京市供水管網(wǎng)管徑在300mm以下管道總長為4863km，按上述壓力控制效果計算，每降1m的壓力可以節(jié)水1690萬m3，節(jié)水潛力巨大。但同時，由于不同DMA控壓節(jié)水效果差異較大，壓力控制不應(yīng)盲目地去開展，而是應(yīng)該有針對性地進行。
調(diào)研收集全國36個DMA數(shù)據(jù)(其中北京21個，其他15個)，通過背景流量評估模型可以得到DMA基本屬性對可達最低夜間流量的影響，從而定量地計算出在某一目標壓力下可以達到的最低夜間流量水平，進而明確壓力控制的效果。根據(jù)管網(wǎng)基礎(chǔ)屬性和目標控制壓力，可以計算出在不同漏失控制策略下的節(jié)水效果，進而分析每種漏失控制策略的成本和效益，最終針對不同的DMA選擇適當?shù)穆┦Э刂撇呗。漏失控制策略包含：保持現(xiàn)狀、只檢漏不控壓、只控壓不檢漏、既檢漏又控壓。
DMA壓力控制是在管網(wǎng)末端進行壓力調(diào)控，而要實現(xiàn)全管網(wǎng)的壓力控制，從水廠泵站端進行壓力控制是最經(jīng)濟、高效的措施。對于單水廠供水的管網(wǎng)來說，水廠泵站壓力調(diào)控比較簡單，只需要確定好管網(wǎng)中的最不利點之后，再由此來反推水廠出廠壓力即可。但對于多水廠供水的環(huán)狀管網(wǎng)來說，任何一個水廠的壓力調(diào)控都會影響到整個管網(wǎng)的壓力空間分布，因此，情況要復(fù)雜得多。通常供水單位可以通過每個水廠逐步減壓的方式進行嘗試，最終得到一個相對較低的管網(wǎng)平均壓力。例如，北京市近年來通過嘗試，已經(jīng)將全市管網(wǎng)平均壓力水頭降低了2m左右，每年可以節(jié)水3000萬m3以上。
為了更好地實現(xiàn)水廠泵站的調(diào)節(jié)，可以參考DMA的概念，提出水廠控壓區(qū)的概念(PRZ)，通過管網(wǎng)局部管道的管理，使每個水廠的供水范圍相對固定，使得調(diào)節(jié)某個水廠的壓力時，對供水范圍外的壓力影響降低；贒MA漏失控制與基于水廠泵站調(diào)節(jié)相結(jié)合的漏失綜合控制方法的基本思想和技術(shù)路線見圖3是：首先，通過按照水廠的供水范圍將管網(wǎng)劃分成多個壓力調(diào)度區(qū)(PRZ)，根據(jù)各區(qū)域的最不利點壓力情況，分析水廠泵站減壓的可行性;其次，在每個PRZ內(nèi)部再劃分多個DMA，根據(jù)局部壓力情況及DMA屬性，確定適合的漏失控制策略。PRZ的壓力調(diào)控與DMA的漏失控制相互作用，反復(fù)聯(lián)動考慮，形成管網(wǎng)分級分區(qū)的漏失控制方案。圖4給出一個管網(wǎng)分級分區(qū)漏失控制的示意圖，一般先根據(jù)管網(wǎng)拓撲關(guān)系、地面高程以及水廠供水范圍，劃分水廠壓力調(diào)度區(qū)，如PRZ1和PRZ2，這兩個區(qū)域的總體壓力分別主要由水廠1和水廠2調(diào)控，調(diào)控目標由兩個區(qū)的最不利點A和B分別確定。同時，在兩個PRZ內(nèi)，又劃分成多個DMA，根據(jù)其屬性計算最低可達到的夜間流量，進而通過成本效益分析，得到各DMA的最優(yōu)漏失控制策略。PRZ的壓力調(diào)控與DMA的漏失控制相互作用，應(yīng)把二者協(xié)同考慮。這就形成了管網(wǎng)分級分區(qū)的漏失控制方案。
分級分區(qū)的管網(wǎng)漏失控制技術(shù)在北京市供水管網(wǎng)進行應(yīng)用，得到了良好的節(jié)水效果。在保證滿足有效需求的前提下，對西南部田村山、東北部孫河和五廠供水區(qū)域采取相對獨立的供水調(diào)度，實現(xiàn)了“一張大網(wǎng)、三個區(qū)域”的供水調(diào)度格局，每年節(jié)水2600余萬m3，節(jié)電730多萬kW˙h。在分區(qū)控壓方面，目前已累計建成望京、回龍觀、亦莊等6個壓力控制區(qū)，年節(jié)水1600萬m3，節(jié)電480萬kW˙h。北京市自來水集團結(jié)合獨立計量區(qū)(DMA)建設(shè)，對壓力較高小區(qū)進行壓力控制，累計建設(shè)壓力控制小區(qū)(PMA)29處。在已完成壓力調(diào)控的小區(qū)中，日節(jié)水量最高為205m3，最低為8m3，平均日節(jié)水量約76m3(年節(jié)水約2.77萬m3)，單位管長單位壓降節(jié)水量平均值為0.32m3/(h˙km˙m)。
3結(jié)論與展望
管網(wǎng)漏損控制是節(jié)約水資源、提高管網(wǎng)運行效率的重要措施，也是降低管網(wǎng)水質(zhì)惡化風險的重要保障。我國在管網(wǎng)漏損控制與管理技術(shù)已經(jīng)取得了一些有益的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗；谒胶夥治雠c分區(qū)管理的管網(wǎng)漏損評價、監(jiān)測與控制技術(shù)，從認識漏損、掌握漏損和控制漏損三個層面提出了漏損控制與管理的高效方法。在漏損評價方面，建立適合我國管網(wǎng)運行和管理特點的水平衡分析方法，定量化解析漏損，為漏損的精準化控制提供了前提。在漏損監(jiān)測方面，將基于分區(qū)流量監(jiān)測的存量漏損估算方法和新增漏損預(yù)警方法與基于噪聲監(jiān)聽的漏損監(jiān)測方法進行融合，形成綜合的漏損監(jiān)測方法，實現(xiàn)了漏損流量與位置的同時判別，提高了監(jiān)測能力。在漏損控制方面，將基于DMA的管網(wǎng)壓力調(diào)控的漏損控制策略與基于泵站調(diào)節(jié)的方法相結(jié)合，形成了基于壓力控制的管網(wǎng)漏損綜合控制方法，為水廠漏損控制提供了優(yōu)化方案。
漏損管理是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對于規(guī)模較大的供水管網(wǎng)，漏損控制和管理的難度更為突出。對于供水企業(yè)，漏損控制的好壞直接體現(xiàn)了企業(yè)產(chǎn)供銷全過程管理水平和資源使用效率，各供水單位在管網(wǎng)漏損控制方面做了大量的工作，初步取得了一些成效，當仍還有許多需要繼續(xù)完善的內(nèi)容，如加強漏損解析方法的精確性、建立更準確的計量損失水量和漏失水量計算方法、完善基于DMA的漏損控制技術(shù)、優(yōu)化基于管網(wǎng)分區(qū)和智能調(diào)度的壓力調(diào)控技術(shù)。管網(wǎng)分區(qū)管理是壓力調(diào)控、管網(wǎng)精細化管理的基礎(chǔ)，只有開展了分區(qū)計量才能實現(xiàn)區(qū)域漏損的測定與壓力控制。目前，上海、南京、合肥、紹興等地的供水企業(yè)多采用了分區(qū)計量和大表遠傳等較先進的技術(shù)手段和管網(wǎng)的分區(qū)管理，這也在一定程度上反映了我國供水管網(wǎng)管理的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。未來，在DMA數(shù)據(jù)資料管理和分析利用方面都還有待于進一步提升，例如完善基于最小夜間流量變化的新增漏失甄別預(yù)警技術(shù)，開展DMA進口至一級水表、樓門表至戶表兩級水量對比分析，建立融合最小夜間流量和總分表水量差的管網(wǎng)漏損量化考核指標體系，以逐步形成更精細化的綜合管理體系和指標。此外，對不同的管網(wǎng)分區(qū)應(yīng)根據(jù)其特性制定不同的管理目標，對壓力調(diào)控效果在不同分區(qū)的差異應(yīng)進行深入分析以指導壓力控制的優(yōu)化實施等。
致謝
本文研究成果是在水專項“十二五”課題“城市供水管網(wǎng)水質(zhì)安全保障與運行調(diào)控技術(shù)(2012ZX07408002)”的資助下完成的，課題承擔單位為中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，合作單位包括同濟大學、浙江大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京市自來水集團有限責任公司、鄭州自來水投資控股有限公司。本文介紹的管網(wǎng)漏損綜合監(jiān)測評價與控制技術(shù)內(nèi)容為課題的研究成果，主要由中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心和北京市自來水集團有限責任公司完成。
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