1. 引言
為了用水安全、提高經濟收益，必須要重視管網建設，使其安全運行。供水管網老化、超限服役、部分管材差、缺乏完善管理等原因 ，使得平均漏損率達15%以上的城市占大部分，而發達國家僅為6%~8%。漏損率居高不下，經濟損失慘重。針對城鎮供水管網現狀，相關專家提出了相應的應對策略和解決方案。目前常用的基于儀器設備的漏損檢測方法 [4] [5] [6] 有流量法、壓力法、聽音法、相關分析法、示蹤氣體法、探測雷達法等。操作性強，便于攜帶，但對專業度要求高，且不適用于大范圍檢測。同時多數研究者基于算法或者編程軟件建立了管網漏損預測和定位模型 。但是建模對于計算機語言要求較高，過程較為復雜，同時又由于缺乏足夠的管網數據資料及各種不確定因素等，導致模型精確度偏低，在實際應用中技術不成熟。為快速精確定位，可以基于模型算法快速定位可能的漏損區域，再結合硬件設備進行人工檢漏，兩者結合，精確定位漏損點。同時借鑒發達國家治理思路，采用DMA (district metering area)分區計量管理和壓力調控等措施，漏損率大幅下降。
目前，發達國家普遍采用分區計量、壓力調控、被動檢漏等手段，先后引入流速檢漏儀、水壓檢漏儀等。在設備和監測技術的加持下，部分發達國家的漏損率取得重大突破。部分國家漏損率如下，平均漏損率為10.63%，如圖1。管網周圍地面凹陷、水資源被浪費都是管網漏損帶來的最直接影響。雖然我國城市供水量、供水管長、總用水量、用水普及率逐年增長，但供水企業仍面臨各種困難，如管道老化、管材差、超期服役的管網等。根據《中國建設報》2014年報告，我國每年漏失的水量高達70多億立方米，足夠1億人用。據官方資料，漏損率超過15%的有600多個城市，嚴重的可達70%以上，發達國家的最好水平是6%~8%。供水管網漏損給我國帶來了嚴重的經濟損失。
1) 根據中華人民共和國住房和城鄉建設部官方數據統計，2004~2016年中國城市和縣城的用水普及率及城市供水管道長度，見圖2：
圖2. 2004~2016年中國城市和縣城的用水普及率及城市供水管道長度2) 據2021年《中國統計年鑒》資料，我國2005~2019年供水總量及人均用水量，見圖3：3) 據《住房和城鄉建設部》官方數據顯示，1996~2019年中國城市平均管網漏損率，見圖4：圖4. 1996~2019年中國城市平均管網漏損率
和國外相比，我國管網的漏損率相對較高，平均管網漏損率為15.66%，嚴重時可達70%以上，而發達國家僅為6%~8%。歐洲部分國家和地區平均單位管長漏損量為0.77 m3/km?h，而中國平均單位管長漏損為1.85 m3/km?h。我國部分偏遠地區供水設施老舊，管理技術仍不夠完善，導致管網漏損率仍居高不下，大多數情況下都是在管網出現事故的時候進行及時搶修。常用的管網檢測方法有相關分析法、聽音法等。而部分發達國家很早就開始關注管網漏損問題，因此不管在技術還是管理方式上都具有借鑒作用。老舊城區由于基礎設施落后，加上管網維護不到位、使用年限較長等原因導致管網腐蝕老化現象嚴重。管道內壁的銹蝕物質會隨著水流沖刷作用進入居民的生活用水中，影響居民的生活。此外，余氯因管道結垢被耗盡，導致水中滋生各類細菌，加劇管道腐蝕，水質惡化，發生二次污染，降低管網輸水能力 。對于沒有做內襯的管道或者內部防腐不到位的，較易銹蝕，加上早期建設的管道使用年限較長，或多或少的會存在漏損問題，從而加大水資源的浪費，使得供水成本增大。不同年份管網敷設占比情況及管道材質占比情況，見圖5。其中部分管道使用年限超過50年以上，存在很大程度的漏損風險。管材較差也會削弱管網壽命，造成漏損。圖5. 敷設管道占比情況(a)和不同管材占比情況(b)
3.3. 供水管網缺乏維護和管理，信息化管理水平低由于部分城市管道建立的時間較長，缺乏相關的資料。加上有關部門沒有科學有效的對管網進行定期管理和維護，這就使得管理人員無法詳細了解到供水管網的管材、管徑、使用年限以及可能存在的漏損區域，導致后期供水管網的管理與維護較難 。部分管理部門缺乏相應的管理知識和能力，依靠經驗指導工人工作。大部分城市管網資料沒有建立起系統化、智慧化的管理方案，不能第一時間對管網漏損地方進行預警和排查。針對管網存在的問題，相關專家提出了如下控制策略和管理機制。改造超年限、破損、管材差的管道。選用優質管材，諸如，鋼管、鑄鐵管等。改造老舊小區管網，便于用水計量管理，實行一戶一表制。實施供水管網分區計量原則，完善其他用水計量管理，諸如，消防、綠化、市政等用水量。這樣才能準確計量用水量。根據水量變化特征，合理調度供水壓力，均衡高、低壓區。水量小時，合理降壓。逐步均衡管網壓力，降低漏損量。部分城市由于信息化水平低，缺乏足夠的管網數據，只能憑借經驗控漏。基于物聯網搭建智慧管理平臺，進行信息化、常態化、科學化的管理，實時監測管網水量、水質、水壓變化，對管網漏損的位置能夠準確查找，并及時控制漏損。部分供水企業開展漏損工作不到位、內部管理制度不完善、員工積極性不高，導致管網漏損嚴重。因此企業要進行嚴格的績效考核，完善相關管理制度，落實責任制，規范工作流程，提高相關人員的專業技能。同時地方政府也要加大對管網控漏的資金投入。漏損控制技術包括常用的硬件檢漏技術、建立供水管網模型預測管網漏損時間，定位漏損點。但單獨使用某一種方法效果不盡如人意，需二者結合使用，節約人力、物力。目前我國較為有效的控漏檢漏方法為采用DMA分區計量方式，在部分試驗區已取得較好的結果，漏損率顯著下降，但普及率較低，管理還不夠完善。通過管網模型，對管網漏損區域進行預測和定位，及時采取措施，減少經濟損失。天津大學李霞 建立了基于遺傳算法(GA)的BP神經網絡狀態估計模型，根據已有管網信息推求未知信息，從而擴大管網的信息量，利用貝葉斯算法估計管網可能發生漏損區域的概率，從而進行漏損的檢測和定位。同時根據管網壓力變化采用聚類分析法對其進行分類，實行虛擬分區，縮小檢測范圍。對于未實現分區且供水規模較大的管網適合此方法進行檢漏。天津大學張瑛 結合EPANET水力模擬軟件并采用水量平衡法、夜間最小流量法和管網的水力模擬法，建立動態的供水管網漏損模型。此法彌補了以上三個方法單獨使用的不足，得到了各條管段的漏損信息。經過反復推敲模擬，最終得到漏損系數C，從而提出了關于管網漏損新的擬合方法。但此方法實際過程還存在其他因素的干擾，諸如，管徑、埋深等，導致實際的管網漏損率的表達式仍需修正。最后將管網的漏損模型與地理信息系統GIS結合，從而實現管網的動態監測及漏損的精確定位。合肥工業大學閆麗芳 利用層次分析法建立供水管網漏損評價因素模型。分析如管材、管徑、管道使用時常、管道運行時的壓力、管道埋深等可能導致管網漏損的各個因素之間的相互權重關系，便于科學指導管網建設、施工、設計及維護管理等。同時結合MATLAB編程軟件，將粒子群優化算法(PSO)引入到BP神經網絡中，克服了BP對初始值的敏感性，建立了PSO-BP神經網絡模型。此模型能夠預測供水管網的安全使用時間，大大提高了模型的運算收斂速度及精確度，對管網漏損起到預測作用。但由于數據不全以及建模的復雜性導致模型的精確度也被大大削弱，在實際應用中會存在偏差。綜上，基于算法或者水力模擬軟件構建的供水管網模型的方法在一定程度上可以對管網漏損的概率進行預測，對管網漏損區域進行粗略定位，縮小檢測范圍。其中李霞基于概率論思想利用貝葉斯方法對管網漏損區域進行檢測和定位，雖不能精確定位，但可定位到某一區域，同時對水力模擬誤差、監測誤差具有良好的免疫，此法具有較好的發展空間，同時利用聚類算法的思想實現虛擬分區，適合我國管網密度大的特點，可以縮短檢測區域，提高檢測效率。壓力對管道影響顯著，張瑛建立的供水管網模型能夠很好的表征管網漏損的情況，為今后的管網壓力管理工作提供理論依據，但影響管網漏損的因素較多，導致模型的精確度及可靠性還有待提高。閆麗芳建立的PSO-BP神經網絡模型可以對管道安全使用時間進行預測，可對超限使用的管網進行預警，但由于歷史資料不足削弱了模型精度。建模過程較為復雜，需要借鑒其他研究者的優缺點，才能取長補短，建立一個高效便捷的模型還有很長的路要走。湖南大學黃茂林 通過DEM分區計量體系并結合EPANET2.0軟件，分析在DMA分區計量中的閥門數量及安裝位置對管網水壓以及水質指標的影響。對閥門數量及安裝的位置運用遺傳算法進行分析研究。結果表明，在一定范圍內，閥門數量與壓降成正比，超過此范圍，壓降不明顯；閥門數量與漏損量成反比，閥門數量越多，漏損量越少。總結得出：通過控制閥門數量實現降壓是經濟有效的。同濟大學張志明將DMA技術運用于實踐，對實驗區域每個小區安裝水表，通過實時監測流量計數據及小區抄表數據，得到產銷差及夜間漏損量。同時，建立供水管網動態水力模型預測和計算管網漏損量。將DMA技術與管網水力模型相結合的辦法在試驗區取得了較好的結果，對今后管網漏損及水質控制具有較好的指導作用。李克非等人在吉林市市區四個區域內采取分區計量，在分區計量前進行全市用水排查，通過流量計實時監測管網流量，通過三年的運行實踐，產銷差率由原來的46.8%降低到33%左右。許剛等人 針對目前供水管網分區計量問題存在的不足之處進行了改進，提出了對供水管網進行兩級分區管理的思路。建立分區后，由一級總公司統一建立數據采集系統及管理平臺，實行數據動態管理，動態分析管網異常狀態，量化二級分公司的漏水量。子公司下設供水所，管理相應的二級分區，包括確保流量計每天正常工作，對流量計數據進行核查，收集匯總等。工程實踐結果表明，結合一、二級流量數據，能夠準確的對漏損點進行定位，使得供水產銷差明顯降低。劉鎖祥等人進行水量平衡分析，進一步明確管網漏損情況，針對北京市復雜的管網拓撲關系，采用獨立分區計量和壓力調控的手段，壓力調控為分區調度、區域控壓、小區控壓三個方面。同時建立管網GIS模型和水力模型系統對管網壓力進行優化。建立專職檢漏人員，將人工查找定位與遠程監測相結合，并不斷推進衛星探漏等技術，查找暗漏、破損的管網。通過上述技術措施，北京市漏損率連續10年下降，降到9.85%。在控漏方面，紹興市通過開展全面管網普查，通過完善分區建設、信息化，智能化的管網控制措施。漏損率從20%降到5%，具有很強的示范帶頭作用。鄭州市實現了漏損率從2011年的23.63%到9.23%飛躍，該市通過完善分區計量管理，結合壓力調控，搭建物聯網智能平臺等措施，進行智能檢漏控漏。五年內，改造老舊管網112余公里，建立一級計量分區7個、二級25個、獨立的子分區(DMA) 1882個。綜上，一系列的工程實踐證明，實行DMA分區計量方法，在檢漏控漏方面成效顯著。可以將DMA方法與供水管網模型結合，同時結合智能化管理或者分區管理或者安裝多個閥門調控管道壓力的思路進行優化完善并提高控漏效果。問題在于DMA技術推廣范圍還較小，如何擴大試驗區域值得思考。有條件的可以借鑒吸收成功案例經驗，結合本地區情況，優化改造方法。但對一些沒有條件實行此方法的區域如何控漏檢漏還值得深入思考。供水管網長度、用水普及率以及我國的用水量正在逐年上升，但全球水資源匱乏，供水管網又存在各種各樣的問題，這無疑又增加了全球水資源的負擔以及經濟負擔。因此，尋求經濟有效的管網控漏檢漏方法是當前最關心的問題。影響管網漏損有很多原因，采用單一的漏損控制方法是無法取得良好的治理效果的，必須要雙管齊下，兩頭抓。將硬件檢測與軟件模型進行結合，先采用軟件模型進行大范圍地查找，找到管網漏損區域，再運用硬件設備小范圍查找。實現從出現漏損再去補救到精準定位節約人力物力的轉變。但由于缺乏動態管理、管網資料不健全、歷史資料不足、建模的過程較復雜，導致管網漏損的原因有很多，諸如管材、管徑和埋深以及管道周圍自然因素的干擾等原因，致使模型很大程度上不能很好地模擬自然條件下管網漏損情況，模型的精確度以及在實際工程中的使用情況均較低。管網漏損問題愈來愈受到供水企業的重視，部分實驗區域及城市通過采取DMA分區管理技術并結合管網模型及智能化管理，最終取得較好成效。結合實際情況，企業應當采取相應的管理措施，制定本地區的行之有效的漏損目標，進行智能化管理，從而實現有效的控漏檢漏。來源:楊丹 揚州大學環境科學與工程學院 江蘇 揚州
