供水管網滲漏分區噪音預警體系的構建

劉友飛，孔國海，許杭波

(紹興市水務產業有限公司，浙江紹興 312000)

隨著物聯網和互聯網技術帶來的革命，分區預警系統(噪音預警技術)在過去5年里得到了飛速的發展，引進的來自歐洲、美國、中東、亞洲等自來水公司的區域漏水預警技術，對管網重要節點及薄弱環節實行長久監測，大大縮短了人工檢漏周期，可及時發現小漏點，避免了小漏釀成大漏，引發爆管事故。尤其是德國FAST公司開發的區域漏水預警技術，其通過高靈敏度的傳感器在夜間水壓上升、環境噪音最小的情況下自動監測管網漏水噪音，每天將數據利用網絡技術自動上傳到數據系統平臺，以表格和地圖的方式將漏點的情況直觀展示出來，同時利用統計和頻率的算法對可疑的漏點進行分析和評估，從而實現24 h的全天候管道漏水監測和分析。

1 紹興水司檢漏瓶頸

1.1 薄弱管線存在安全隱患

雖然，經過近幾年的管網改造，紹興市區已經將全部HABOS管、大部分自應力管改造成球墨鑄鐵管道，正在逐步消除因管材原因和管道老化產生的漏水現象。但是，城區仍存在管齡超過20年的大口徑灰口鑄鐵管，部分管道還存在人工聽音檢測盲區和較多的漏損現象，主要表現：一是2017年檢出DN400及以上總管暗漏點共計47處，其中37處為薄弱管道漏點；二是2018年檢出57處總管漏點，其中45處為薄弱管道漏點。

1.2 人工檢漏存在局限影響

一是人防依賴性過強：人工檢漏模式是目前國內外各水司探測漏點位置最常見的方式，在水司漏損率降低到一定程度后也暴露出一定的局限性，檢漏質量無法追蹤控制，人防與技防缺一不可。

二是檢漏實時性較差：對每一段供水管線無法做到定人定時定點定期進行巡檢排查，對突發漏點特別是溫差變化明顯時管道熱脹冷縮劇烈和受到外力產生的大口徑、大漏量的漏點更是無法及時有效的處理，造成漏水損失和重大安全隱患。

三是管理時效性不夠強：檢漏工對材質好、埋設時間短、漏點較少的供水管道，檢漏排查周期約半個月，對漏點頻發的薄弱管道檢漏周期約一周，檢漏工無法做到每日每條管道的巡檢及漏點排查。

四是環境氣候影響較大：受到氣候原因限制，如遇到雨雪、大風等惡劣天氣，人工常用的普通機械式聽音設備和電子檢漏儀器受到過大的干擾無法正常探測漏點，且易發生設備故障、損壞，巡檢周期延長，效率也明顯降低。

五是特殊管道難度過大：受巡檢工況因素限制，如遇到管道埋設過深，埋設在綠化帶下，地表土層松軟或是穿河流倒虹管等情況，檢漏儀器功能將大打折扣。

2 滲漏預警技術調研

目前，常用的檢漏技術有人工聽音法、噪音預警儀等，檢漏技術優缺點對比如表1所示。

表1 檢漏技術優缺點對比Tab.1 Comparison of Advantages and Disadvantages of Leak age Detection Techniques

3 理論研究及技術路線

3.1 基于DMA的滲漏預警體系

傳統的漏水探測聽音技術，如巡檢、相關、定位，雖然可以勝任常規的檢漏任務，但小漏、難漏、薄弱非金屬管和主干管網的監測和預警就成為了難題。在提出分區、分壓管理的同時，紹興水務產業公司也提出了分區漏水預警的概念，即結合DMA、PMA的管理應用，對管網漏水噪音進行預警監測，完成對管網漏水流量、管網壓力、管網漏水噪音的全方位綜合監測，可以最大限度地完成供水管網的安全供水、漏水控制的任務。構建基于DMA的滲漏預警體系，已經迫在眉睫。

3.2 基于DMA的滲漏預警體系構建方案

3.2.1 創新技術構建

以DMA分區計量為基礎，部署滲漏預警軟件為支撐，預警儀現場安裝調試后，信號接收到預警移動平臺應用，從單技術應用轉向基于DMA的控漏技術體系聯動，建立分區預警體系。通過對重要管線和薄弱節點的長久監測，及時發現處置漏點隱患，縮短人工檢漏周期，提升管網安全預警能力和信息化管理水平，實現主動控漏。創新技術構建如圖1所示。

圖1 創新技術示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Innovative Technology

3.2.2 創新機制構建

以DMA分區計量為基礎，發揮噪音預警體系的“感、傳、知、用”。感-感知：傳感器采集夜間最小噪音數值；傳-傳輸：每天通過GSM傳輸數據包；知-分析：通過記錄儀反饋的夜間最小噪音數值分析評估此區域是否有漏水發生；用-應用：系統業務工單的應用及決策。圍繞經濟漏損原則，運用技防手段強化對總管的安全預警機制，時刻掌握總管周圍及所在區域是否存在安全隱患，在最短時間內發現并處置。創新機制構建如圖2所示。

圖2 創新機制示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Innovative Mechanism

3.2.3 創新模式構建

通過滲漏預警系統，即時采集傳輸預警數據，促進人工與技術檢漏無縫銜接。高靈敏度傳感器實現準確預警，降低誤報率，結合物聯網技術和水云平臺的大數據分析，解決分區計量難以解決的小背景漏失和人工難以聽到的疑難漏點。創新模式構建如圖3所示。

3.2.4 創新隊伍構建

創新隊伍的構建將預警技術和專業人才結合，建立智能化管網運維隊伍，使人機結合作用最大化。紹興市水務產業公司“智能檢漏小組”共有7名成員，平均年齡為28歲，主要負責在供水主干管及薄弱管道安裝預警儀器，實行“以機為主、以人為輔”的巡檢方式，及時高效地發現并處置安全隱患。使用現代化技術和設備，實現科學檢漏，加速人才培養，保持隊伍穩定。創新隊伍構建如圖4所示。

4 預警點設置方法與原則

4.1 預警點設置方法

《城鎮供水管網漏水探測技術規程》(GJJ 159—2011)中指出，在探測區域供水管網圖上應合理標注噪音預警儀布設的地點和編號。應根據被探測管道的管材、管徑等情況確定噪音預警儀的布局間距；應隨管徑的增大而相應遞減，應隨水壓的降低而相應遞減，應隨接頭、三通等管件的增多而相應遞減。當噪音法用于漏點探測預定位時，還應根據閥栓密度進行加密測量，并相應減少噪音預警儀的布局間距。

4.2 課題滲漏預警試點選擇

統計歷年來檢漏工上報的漏點數量和歷史爆管，對漏點頻發、老化程度明顯、管道受外力影響的城區一環內DN400及以上共19條薄弱總管進行噪音預警試點。截至2019年4月，紹興城區漏水預警系統一期計劃共計181處噪音預警儀已經成功完成，云服務器上將已完成的線狀網絡組建成片狀網絡。

圖3 創新模式示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Innovative Mode

圖4 創新隊伍示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Innovative Team

5 技術研究總結

5.1 典型案例

案例一：通過滲漏預警系統和人工檢漏的有機結合，消除大口徑管道安全隱患。

2019年4月15日，小舜江一期DN1400鋼管噪音預警儀報警，報警數值為99，4月15日9點—4月16日凌晨經人工排查，在距噪音預警儀6 m處發現漏點，開挖后確認漏點為加強筋處泄漏管道電焊輕微開裂引起，存在重大安全隱患，管道埋深超過3.5 m。 DN1400管漏點預警儀報警及修理如圖5所示。

圖5 DN1400管漏點預警儀報警及修理圖Fig.5 Alarm of Noise Loggers and Pipe Maintenance of DN1400

案例二：針對工況復雜的特殊管道，利用預警系統破除人工檢漏局限。

2019年4月1日，霞西路云棲路東首DN1000鑄鐵管報警，管道埋深為2 m，漏點位于綠化帶中灌木叢深1.6 m處，極隱蔽，為人工檢漏盲區，不借助預警系統幾乎不可能被發現。DN1000管漏點預警儀報警及修理如圖6所示。

圖6 DN1000管漏點預警儀報警及修理圖Fig.6 Alarm of Noise loggers and Pipe Repairing of DN1000

案例三：人機協同，及時高效地檢出總管隱患點，彌補人工檢漏周期長的問題。

2019年3月13日，噪音預警儀在解放北路有報警，懷疑有漏水產生，人工跟蹤后定位漏點，此漏點為DN600鑄鐵管套筒，開裂深度為1.6 m，且有增大趨勢，若未及時發現，極容易出現爆管等安全事故。DN600管漏點預警儀報警及修理如圖7所示。

圖7 DN600管漏點預警儀報警及修理圖Fig.7 Alarm of Noise Loggers and Pipe Repairing of DN600

5.2 總結統計

5.2.1 漏點統計

在噪音預警儀一年的運行階段，通過分區預警系統提供的報警信息共檢出31處漏點，年漏損水量共88.5萬m3，年漏損經濟效益為210.6萬元。漏點統計單如表2所示，檢出漏點分布如圖8所示。

5.2.2 漏點分析

噪音預警儀檢出的漏點漏量大小主要低于3 m3，占比為71%。檢出漏點漏量大小分析如圖9所示。

圖8 檢出漏點分布圖Fig.8 Proportion Diagram of Detected Leakages

表2 漏點統計單Tab.2 Statistics of Water Leakages

圖9 檢出漏點漏量大小分析圖Fig.9 Analysis Diagram of Volume of Detected Leakages

噪音預警儀檢出的漏點管徑主要為DN400～DN800及以上，占比為45%。檢出漏點管徑大小分析如圖10所示。

噪音預警儀檢出的漏點埋深主要為1～2 m，占比為52%。檢出漏點埋深情況分析如圖11所示。

圖10 檢出漏點管徑大小分析圖Fig.10 Analysis of Pipe Diameters of Detected Leakages Events

圖11 檢出漏點埋深情況分析圖Fig.11 Depths Analysis of Detected Leakages

6 成效分析

6.1 保障管網安全

據統計公司啟用噪音預警儀至今，共檢出暗漏點及重要隱患點共31處。其中，DN400及以上大口徑總管漏點達21處，占68%；劣質管材管道漏點14處，占45%；漏水量小于3 m3/h的小漏點22處，占71%；供水隱患點6處，占19%，有效地防止大口徑總管爆漏等安全事故的發生。

6.2 直接經濟效益

噪音預警儀投入運行成效顯著，促進了人工與技術檢漏無縫銜接，明顯提高了人工檢漏效率，并降低了成本，同時保障了管網安全，控制了管網漏損。據統計，設備檢出的漏點按年漏失水量計算，可節約水88萬m3，年漏損與人工成本經濟效益為210萬元。

6.3 間接經濟效益

在發生重大突發性爆管事故時，利用系統智能化聯動分析，并鎖定爆管區域，縮小范圍后，搶修人員在第一時間趕赴現場，為高效搶修贏得時間，減少了因爆管事故引起的道路坍塌、車輛與物資損壞等帶來的次生影響，使處置更高效、搶修更迅捷、損失更低。

6.4 提高工作效率

針對環境氣候影響的雨季、冬季以及特殊管道等人工無法操作儀器聽音巡檢的情況，通過高靈敏度噪音預警方式可以替代人工開展巡檢工作，可及時有效地發現和處置小漏點及管網隱患點。

通過自動報警和實時的數據分析與DMA分區計量做到互補，及時高效地發現、處理漏點可以幫助巡檢人員最大幅度地縮小檢漏定點范圍，大大提高了檢漏人員的工作效率，為公司逐步提升信息化管理水平和今后無人檢漏打下基礎。

7 結語與展望

紹興水務產業公司管網的漏損控制經歷了不同的發展階段，從最初的簡單控制措施(以事后管道搶修維修為主)到被動漏損控制(以人工巡查檢漏為主)，再發展到當前從單技術應用轉向基于DMA的控漏技術體系聯動，建立分區預警體系，通過對重要管線和薄弱節點的長久監測，及時發現處置漏點隱患，縮短人工檢漏周期，提升了管網安全預警能力和信息化管理水平，實現了主動控漏。通過滲漏預警系統，即時采集傳輸預警數據，促進人工與技術檢漏無縫銜接，將預警技術和專業人才結合，建立智能化管網運維隊伍，使人機結合作用最大化。

區域化供水管網滲漏預警體系的構建，建立了管網運行管理新模式、新機制，實現了管網智能化預測和決策，改變了管網運營模式，實現了安全經濟運行。通過技術創新，推動漏損控制由人工化向數字化、智能化、智慧化轉變，是供水信息化建設從行業前列向行業標桿的一次飛躍。不斷地完善推動區域化供水管網滲漏預警體系，并對成果進行推廣應用，可更好地履行城鎮節水責任，提升行業控漏水平。