我国城市供水管网漏损控制技术发展与展望
引言
城市供水管网安全运行是城市建设和人民生活的基本保障。随着我国社会经济的快速发展和城市化进程的加快，城市供水管网的建设规模日益增长。然而，由于城市供水管网漏失，导致每年损失的水量超过太湖的实际蓄水量，不仅造成了大量优质水资源的浪费、干扰正常生产生活秩序，而且可能带来供水水质风险和地下公用设施损坏等次生危害。因此，对于供水企业来说，防控由于管网漏损或破损导致的供水事故、水量损失和水质风险是管网运行管理中的重要内容。
“十二五”期间，国家高度重视给排水管网建设，做好管网漏失控制是实现城市节水降耗、提高水资源利用效率的重要措施。目前，我国供水管网漏损严重，平均管网漏损率约为18%，在部分地区漏损率高达35%以上。在城镇供水管网漏损控制方面，与国际先进水平相比仍存在较大差距，存在漏损构成不清、漏损监测与控制效率低的问题，亟需形成适合我国情况的管网漏损综合监测与控制共性关键技术。基于水平衡分析与分区管理的管网漏损评价、监测与控制技术，从我国供水管网漏损现状与管理技术水平出发，由定量漏损的水平衡分析方法、综合漏失监测方法和漏失综合控制方案等多项技术内容组成，形成了基于分区调度、区域控压、DMA压力调控的漏失控制与管理综合技术，技术路线如图1所示。通过技术应用示范为供水企业漏损控制提供了技术支撑和解决方案，在北京市供水管网的应用取得了年节水3000余万m3的效果，未来有望通过行业标准的颁布实施与北京的示范作用在全国进行推广应用。
1基于水平衡分析与分区管理的管网漏损评价与监测技术
由于管网深埋于地下，漏失点的监测非常困难，对管道破损点的修复、管网更新、压力控制等方法的实施造成困难，因此管网漏失的监测和控制是目前减少管网漏损的一个重点和难点。管网漏损评价是有效进行漏失监测和控制的基础，可以从漏损水量评估、管线漏损状况评价和管网漏损状态评价等不同尺度上进行。对漏损水量进行定量评估，可以反映管网的整体健康状况以及企业的管理水平和用户的文明水平。而管线或管网漏损状态评价，则可以为漏损检测和管网维护方案的优化提供支持。
1.1适合我国供水管网的水平衡分析方法
我国目前采用漏损率指标评价供水管网漏损，虽然规定了漏损率的计算方法及评定标准，但对如何确定各构成要素的影响程度，缺乏必要的分析方法。水量平衡表是明确漏损主要组成的一种非常好的工具。国际水协的标准水量平衡表已经被很多国家的供水部门采用并作为供水管网漏损控制工作的基本依据。但由于我国管网特征和计量方式等多方面的差异，不能照搬国际水协的水平衡分析方法，需要提出适合我国情况的可实施的方法。因此，在学习吸收国际水协的水平衡法的基础上，对标准水量平衡表的部分内容进行调整和细化(见表1)，一是摒弃了“表观漏损”这一难以理解的术语，而将计量误差单独拿出来作为一个大项，将窃水、用户拒查、水表漏立户等造成的损失统一归入“其他损失”;二是将真实漏失分为明漏、暗漏、背景漏失和水箱、水池的渗漏及溢流。修正后的水平衡表更符合我国供水企业运行管理实际情况，且各项概念更加清晰，不容易给人带来误解，解决了之前我国供水行业对漏损水量构成要素不明确的难题。
使用修正的水量平衡表对各构成要素的水量进行量化分析时，供水总量和计费用水量可根据计量数据直接计算，免费用水量可通过向消防部门收集相关数据获得，其他免费用水量(如管线冲洗等)也可通过计量或估算方式获得，漏损水量构成要素中的漏失水量、计量损失水量和其他损失水量则需要以样本试验的结果进行计算确定。如计量损失水量是由于各级计量表具之间的计量差值以及水表本身计量性能限制造成的水量损失，前者主要是居民查表入户后的总分表误差，后者主要是大用户水表的计量损失。通过开展总分表计量损失试验以及不同计量精度水表的串联试验，可以得到这两种因素的计量损失率。从而能够确定整个管网由于计量损失造成的损失水量。
1.2基于噪声信号和DMA流量数据的管网漏损综合监测技术
我国管网漏失严重的主要原因之一是漏失监测水平有限、效率较低。基于漏失探测仪的漏失监测技术是主动检漏法的一种，能监测到漏水点，对于漏水点定位具有直接的作用，但不能判断漏失的大小。我国很多供水单位都在尝试管网分区管理，这就为管网漏失的监测评价提供了另一层尺度。基于DMA的漏失监测可以监测到流量变化，直接反映漏失量，但无法定位漏水点。尽管理论上通过逐步缩小检测区域的方法，可以最终找到漏失点的位置及漏失量的大小，但是这种方法工作强度非常大，经常需要在深夜进行，而且在一个区域内频繁地开闭一些阀门，会导致管道内水流频繁发生变化，使管垢脱落，带来水质恶化风险。将DMA流量判断和漏失探测仪监测相结合，形成综合的漏失监测方法，技术路线见图2。即根据DMA夜间最小流量曲线和漏失探测仪的报警信号，能同时得到漏失大小和漏失位置信息，可以大大提高漏失检测效率。
2基于DMA漏失控制与水厂泵站调节的管网漏损高效控制技术
漏失控制可以从主动检漏、管网维护、压力控制、科学管理4个方面进行。主动查找漏水点并及时进行修复是目前绝大部分供水单位主要采取的漏失控制措施，也是一项最基本的漏失控制措施。压力控制，相对来讲是见效最快的漏失控制措施。因为漏水点的泄漏速率是与压力直接相关的，压力降下来后漏水速率会立即有所降低。但是，要进行压力控制需要对管网进行分区管理，同时需要在区域入水口处安装相应的压力控制设备，这一投资高于漏水点检测和修复，但低于管网更新改造。因此，压力控制是管网漏损控制的重要技术手段之一，在满足用户用水需求的前提下，通过合理降低管网压力，可以有效降低漏失水量、破损频率和漏失自然生长率，实现节水、节能、降耗和延长管网资产寿命的目的。
目前我国在管网分区管理、压力调控方面进行了一些尝试，但仍缺乏足够的科学支持。在北京市供水管网10个DMA进行压力控制试验，发现压力控制对于漏损控制均有一定的效果，并且不同DMA对压力控制的响应效果不同。平均每km管道上，每降1m的压力可以节水0.11L/s。由于DMA一般在管径300mm以下的管道中实施，因此，若将上述压力控制效果扩展到全北京市，则可以估算出压力控制所取得的效果。据统计，北京市供水管网管径在300mm以下管道总长为4863km，按上述压力控制效果计算，每降1m的压力可以节水1690万m3，节水潜力巨大。但同时，由于不同DMA控压节水效果差异较大，压力控制不应盲目地去开展，而是应该有针对性地进行。
调研收集全国36个DMA数据(其中北京21个，其他15个)，通过背景流量评估模型可以得到DMA基本属性对可达最低夜间流量的影响，从而定量地计算出在某一目标压力下可以达到的最低夜间流量水平，进而明确压力控制的效果。根据管网基础属性和目标控制压力，可以计算出在不同漏失控制策略下的节水效果，进而分析每种漏失控制策略的成本和效益，最终针对不同的DMA选择适当的漏失控制策略。漏失控制策略包含：保持现状、只检漏不控压、只控压不检漏、既检漏又控压。
DMA压力控制是在管网末端进行压力调控，而要实现全管网的压力控制，从水厂泵站端进行压力控制是最经济、高效的措施。对于单水厂供水的管网来说，水厂泵站压力调控比较简单，只需要确定好管网中的最不利点之后，再由此来反推水厂出厂压力即可。但对于多水厂供水的环状管网来说，任何一个水厂的压力调控都会影响到整个管网的压力空间分布，因此，情况要复杂得多。通常供水单位可以通过每个水厂逐步减压的方式进行尝试，最终得到一个相对较低的管网平均压力。例如，北京市近年来通过尝试，已经将全市管网平均压力水头降低了2m左右，每年可以节水3000万m3以上。
为了更好地实现水厂泵站的调节，可以参考DMA的概念，提出水厂控压区的概念(PRZ)，通过管网局部管道的管理，使每个水厂的供水范围相对固定，使得调节某个水厂的压力时，对供水范围外的压力影响降低。基于DMA漏失控制与基于水厂泵站调节相结合的漏失综合控制方法的基本思想和技术路线见图3是：首先，通过按照水厂的供水范围将管网划分成多个压力调度区(PRZ)，根据各区域的最不利点压力情况，分析水厂泵站减压的可行性;其次，在每个PRZ内部再划分多个DMA，根据局部压力情况及DMA属性，确定适合的漏失控制策略。PRZ的压力调控与DMA的漏失控制相互作用，反复联动考虑，形成管网分级分区的漏失控制方案。图4给出一个管网分级分区漏失控制的示意图，一般先根据管网拓扑关系、地面高程以及水厂供水范围，划分水厂压力调度区，如PRZ1和PRZ2，这两个区域的总体压力分别主要由水厂1和水厂2调控，调控目标由两个区的最不利点A和B分别确定。同时，在两个PRZ内，又划分成多个DMA，根据其属性计算最低可达到的夜间流量，进而通过成本效益分析，得到各DMA的最优漏失控制策略。PRZ的压力调控与DMA的漏失控制相互作用，应把二者协同考虑。这就形成了管网分级分区的漏失控制方案。
分级分区的管网漏失控制技术在北京市供水管网进行应用，得到了良好的节水效果。在保证满足有效需求的前提下，对西南部田村山、东北部孙河和五厂供水区域采取相对独立的供水调度，实现了“一张大网、三个区域”的供水调度格局，每年节水2600余万m3，节电730多万kW˙h。在分区控压方面，目前已累计建成望京、回龙观、亦庄等6个压力控制区，年节水1600万m3，节电480万kW˙h。北京市自来水集团结合独立计量区(DMA)建设，对压力较高小区进行压力控制，累计建设压力控制小区(PMA)29处。在已完成压力调控的小区中，日节水量最高为205m3，最低为8m3，平均日节水量约76m3(年节水约2.77万m3)，单位管长单位压降节水量平均值为0.32m3/(h˙km˙m)。
3结论与展望
管网漏损控制是节约水资源、提高管网运行效率的重要措施，也是降低管网水质恶化风险的重要保障。我国在管网漏损控制与管理技术已经取得了一些有益的研究成果和应用经验。基于水平衡分析与分区管理的管网漏损评价、监测与控制技术，从认识漏损、掌握漏损和控制漏损三个层面提出了漏损控制与管理的高效方法。在漏损评价方面，建立适合我国管网运行和管理特点的水平衡分析方法，定量化解析漏损，为漏损的精准化控制提供了前提。在漏损监测方面，将基于分区流量监测的存量漏损估算方法和新增漏损预警方法与基于噪声监听的漏损监测方法进行融合，形成综合的漏损监测方法，实现了漏损流量与位置的同时判别，提高了监测能力。在漏损控制方面，将基于DMA的管网压力调控的漏损控制策略与基于泵站调节的方法相结合，形成了基于压力控制的管网漏损综合控制方法，为水厂漏损控制提供了优化方案。
漏损管理是一项复杂的系统工程，对于规模较大的供水管网，漏损控制和管理的难度更为突出。对于供水企业，漏损控制的好坏直接体现了企业产供销全过程管理水平和资源使用效率，各供水单位在管网漏损控制方面做了大量的工作，初步取得了一些成效，当仍还有许多需要继续完善的内容，如加强漏损解析方法的精确性、建立更准确的计量损失水量和漏失水量计算方法、完善基于DMA的漏损控制技术、优化基于管网分区和智能调度的压力调控技术。管网分区管理是压力调控、管网精细化管理的基础，只有开展了分区计量才能实现区域漏损的测定与压力控制。目前，上海、南京、合肥、绍兴等地的供水企业多采用了分区计量和大表远传等较先进的技术手段和管网的分区管理，这也在一定程度上反映了我国供水管网管理的现状和发展趋势。未来，在DMA数据资料管理和分析利用方面都还有待于进一步提升，例如完善基于最小夜间流量变化的新增漏失甄别预警技术，开展DMA进口至一级水表、楼门表至户表两级水量对比分析，建立融合最小夜间流量和总分表水量差的管网漏损量化考核指标体系，以逐步形成更精细化的综合管理体系和指标。此外，对不同的管网分区应根据其特性制定不同的管理目标，对压力调控效果在不同分区的差异应进行深入分析以指导压力控制的优化实施等。
致谢
本文研究成果是在水专项“十二五”课题“城市供水管网水质安全保障与运行调控技术(2012ZX07408002)”的资助下完成的，课题承担单位为中国科学院生态环境研究中心，合作单位包括同济大学、浙江大学、清华大学、哈尔滨工业大学、北京市自来水集团有限责任公司、郑州自来水投资控股有限公司。本文介绍的管网漏损综合监测评价与控制技术内容为课题的研究成果，主要由中国科学院生态环境研究中心和北京市自来水集团有限责任公司完成。
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