智慧供水管網(wǎng)滲漏探測(cè)技術(shù)探討

展明武，錢中陽(yáng)

(1.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司新疆分公司，新疆烏魯木齊 830017；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

近年來全國(guó)各城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)大力實(shí)施漏損控制，以分區(qū)計(jì)量管理為主，因地制宜結(jié)合其他措施，控制漏損成效顯著，管網(wǎng)漏損率持續(xù)降低。2020年全國(guó)城市公共供水綜合漏損率約為13.4%[1]。為進(jìn)一步降低漏損，揭示管網(wǎng)漏損規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)有管網(wǎng)數(shù)據(jù)資源，出現(xiàn)了多種新型智慧管網(wǎng)漏損控制算法模型，提升漏損控制成效，但這類研究?jī)H能發(fā)現(xiàn)某區(qū)域或管段的滲漏，均存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)偏少、誤差較大等問題，還需大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練優(yōu)化[2]。因此，有必要在全部或局部管道，選用合適的智能滲漏探測(cè)技術(shù)，快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)定位滲漏點(diǎn)，并且此類技術(shù)能為智慧管網(wǎng)提供大量傳感數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步降低漏損提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 滲漏檢測(cè)方法分析

管網(wǎng)的滲漏檢測(cè)主要分為智能滲漏檢測(cè)和人工檢測(cè)這2種。現(xiàn)有智能滲漏檢測(cè)建立在智慧管網(wǎng)漏損控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(漏控監(jiān)測(cè)系統(tǒng))框架下，主要使用各種數(shù)據(jù)建立各種漏損控制算法模型，預(yù)測(cè)破損、分析漏損、識(shí)別定位滲漏位置。隨著技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前各類數(shù)據(jù)的完善、漏損算法的優(yōu)化、管理的創(chuàng)新，漏損控制有了很大提升，但這些數(shù)據(jù)獲取和使用已經(jīng)到了一個(gè)瓶頸，對(duì)滲漏的預(yù)測(cè)、優(yōu)化、定位、管理控制能力提升已顯不足。

人工滲漏檢測(cè)方法主要有被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)，被動(dòng)檢測(cè)即不借助工具即可發(fā)現(xiàn)明顯漏水；主動(dòng)檢測(cè)使用輔助工具，主要有聽音法、相關(guān)儀檢漏法、示蹤氣體檢漏法、探地雷達(dá)檢漏法、管道內(nèi)窺法等[3]，均有各自特點(diǎn)及適用范圍。人工滲漏檢測(cè)與人員響應(yīng)速度、檢測(cè)方法、技術(shù)水平等有關(guān)，檢測(cè)工具雖然隨著時(shí)代在進(jìn)步，但技術(shù)沒有突破性進(jìn)展，檢測(cè)效率、成功率提升很少。

為解決智能滲漏檢測(cè)和人工滲漏檢測(cè)的不足，根據(jù)不同管網(wǎng)環(huán)境，使用紅外熱成像、分布式測(cè)溫光纖、機(jī)敏網(wǎng)等智能滲漏探測(cè)技術(shù)，直接獲取管網(wǎng)滲漏點(diǎn)附近的傳感數(shù)據(jù)，可得到高準(zhǔn)確度的滲漏點(diǎn)，預(yù)測(cè)信息，完善新型漏控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)一步提升漏損控制效率。

2 智慧管網(wǎng)漏損控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

漏控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層等組成(圖1)，其利用GIS、BIM、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量采集、傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、智能控制、決策分析。漏控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除建立快速、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理及漏損控制算法模型外，難點(diǎn)是獲取可靠、大量的管網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 智慧供水管網(wǎng)漏損控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block Diagram of Leakage Control and Monitoring System for Smart Water Supply Pipelines Network

漏控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由傳感數(shù)據(jù)、常規(guī)管網(wǎng)數(shù)據(jù)、地形、氣象及其他系統(tǒng)監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)中心計(jì)算、存儲(chǔ)、軟件等數(shù)據(jù)資源組成。傳感數(shù)據(jù)由感知層通過各種儀表、監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取，包括：①常規(guī)監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)，如流量、壓力、水位、溫度、水質(zhì)、泵站運(yùn)行狀態(tài)等；②使用智能滲漏探測(cè)技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，如分布式溫度、壓力和滲漏點(diǎn)預(yù)測(cè)信息等。傳感數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)層統(tǒng)一接口。常規(guī)管網(wǎng)數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(管材、管徑、管齡、管段長(zhǎng)度、防腐措施、周邊環(huán)境等)、維護(hù)數(shù)據(jù)(故障維護(hù)信息)、運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)(流量、壓力、泵站運(yùn)行狀態(tài)等)、用戶數(shù)據(jù)、非法用水?dāng)?shù)據(jù)等[2]。

3 智能滲漏探測(cè)技術(shù)

智能滲漏探測(cè)技術(shù)，需配合漏損水量管理、獨(dú)立計(jì)量區(qū)域(district metered area，DMA)管理等措施以及漏損控制模型使用，是漏控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完善和補(bǔ)充。根據(jù)基本理論依據(jù)不同，智能滲漏探測(cè)技術(shù)主要有紅外熱成像、分布式測(cè)溫光纖、機(jī)敏網(wǎng)和其他智能滲漏探測(cè)技術(shù)等。

3.1 紅外熱成像滲漏探測(cè)技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)根據(jù)周圍環(huán)境的灰度信息和溫度信息來進(jìn)行滲漏檢測(cè)[4]，具有快速、非接觸、探測(cè)面大和探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，能直觀地顯示物體表面的溫度高低變化，應(yīng)用廣泛；缺點(diǎn)是圖像對(duì)比度低、細(xì)節(jié)分辨力較差、成本較高，較少在直埋管道的滲漏檢測(cè)中使用。

3.2 分布式測(cè)溫光纖滲漏探測(cè)技術(shù)

分布式光纖測(cè)溫根據(jù)分布式光纖的點(diǎn)溫度變化(變冷或變暖)來判斷管道滲漏點(diǎn)，具有對(duì)溫度信號(hào)極敏感、方向性好、光強(qiáng)高、溫度和空間定位精度高、成本較低、無盲區(qū)等優(yōu)勢(shì)，適用于范圍廣、長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)分布式監(jiān)測(cè)[5]。

3.3 機(jī)敏網(wǎng)滲漏探測(cè)技術(shù)

管道外包覆機(jī)敏網(wǎng)材料層形成機(jī)敏網(wǎng)傳感器，根據(jù)滲漏時(shí)管道局部應(yīng)力(溫度等)變化或滲漏時(shí)導(dǎo)致機(jī)敏網(wǎng)傳感矩陣信號(hào)中斷判斷滲漏點(diǎn)[6]。其具有精度較高、判斷漏點(diǎn)較準(zhǔn)確、探測(cè)區(qū)域廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種新技術(shù)，處在研究前沿，市場(chǎng)化不成熟，價(jià)格高，使用少。

3.4 其他智能滲漏探測(cè)技術(shù)

較常見的探測(cè)技術(shù)有壓力傳感器、導(dǎo)電聚合物漏水檢測(cè)線纜等。壓力傳感器根據(jù)滲漏時(shí)管道周圍土壤、墻壁、保護(hù)(溫)層等介質(zhì)壓力變化，來判斷滲漏點(diǎn)，多布置在管道閥門、管道連接口或法蘭接口等附近，一般配合其他滲漏探測(cè)技術(shù)(如機(jī)敏網(wǎng))使用。導(dǎo)電聚合物漏水檢測(cè)線纜根據(jù)漏水檢測(cè)線纜在滲漏處導(dǎo)通，整條線纜電阻的變化來判斷滲漏點(diǎn)。其主要應(yīng)用在機(jī)房、智能樓宇、廠房等環(huán)境較穩(wěn)定的室內(nèi)場(chǎng)合，每段線纜較短，不適用微漏、潮濕多塵環(huán)境。

各種滲漏探測(cè)技術(shù)根據(jù)選用原則、應(yīng)用場(chǎng)合和應(yīng)用前景，按5級(jí)評(píng)價(jià)(差、較差、一般、較好、好)，技術(shù)應(yīng)用對(duì)比如表1所示。

表1 滲漏探測(cè)技術(shù)應(yīng)用比較Tab.1 Comparison on Application of Leakage Detection Technology

注：①分布式測(cè)溫光纖；②機(jī)敏網(wǎng)傳感器；③紅外熱成像攝像機(jī)；④管廊溫濕度、集水坑液位等儀表；⑤流量計(jì)、壓力傳感器、水表等；⑥導(dǎo)電聚合物漏水檢測(cè)線纜圖2 智能滲漏探測(cè)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Applications in Smart Leakage Detection Technology

4 智能滲漏探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

供水管線根據(jù)環(huán)境、敷設(shè)方式不同，通常劃分為明敷管線、直埋管線、入廊管線(管廊、地溝)、建構(gòu)筑物內(nèi)管線等。對(duì)不同管線可采用不同的智能滲漏探測(cè)技術(shù)，如明敷管線，容易發(fā)現(xiàn)滲漏，一般采取定期人工巡檢方式。

4.1 智能滲漏探測(cè)技術(shù)選用原則

選用原則以管線敷設(shè)方式和環(huán)境為前提，以實(shí)用性、先進(jìn)性、規(guī)范性、可靠性、可管理和可維護(hù)性、擴(kuò)展和兼容性等為原則，綜合考慮技術(shù)成熟性、成本、技術(shù)難度(制造、運(yùn)輸、施工、維護(hù)等難易程度)等因素，根據(jù)整體管網(wǎng)最終確定智能滲漏探測(cè)技術(shù)的使用場(chǎng)合，如圖2所示。

4.2 直埋管線

直埋管線因埋于地下，不便檢測(cè)，建議可沿管網(wǎng)伴行敷設(shè)分布式測(cè)溫光纖(圖3)，建立測(cè)溫光纖滲漏探測(cè)系統(tǒng)。此方式可能會(huì)因雨天、季節(jié)性地下水變化、冬季極端低溫等因素產(chǎn)生誤報(bào)，需根據(jù)地區(qū)差異、氣候變化、地下水變化等不同環(huán)境調(diào)整計(jì)算模型，減少誤差。此外，在環(huán)境比較穩(wěn)定、變化不大或植被少的場(chǎng)合，比如工業(yè)廠區(qū)，也可使用紅外熱成像技術(shù)，在管道沿線附近，按成像半徑布置紅外熱成像攝像機(jī)[7]。

圖3 基于分布式測(cè)溫光纖的供水管道滲漏檢測(cè)Fig.3 Leakage Detection of Water Supply Pipeline Based on Distributed Temperature Measuring Fiber

4.3 入廊管線

有設(shè)置綜合管理平臺(tái)的管廊，入廊管線的滲漏監(jiān)測(cè)由平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供。在環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)用不便時(shí)，或未設(shè)置環(huán)境監(jiān)測(cè)的廊道、地溝等，可利用其他監(jiān)測(cè)技術(shù)另設(shè)滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(1)調(diào)用管廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)信號(hào)，如溫濕度檢測(cè)信號(hào)、集水坑液位檢測(cè)信號(hào)等。根據(jù)滲漏時(shí)環(huán)境溫度、濕度變化、集水坑液位和潛污泵運(yùn)行狀況，再結(jié)合管廊內(nèi)視頻監(jiān)控畫面，綜合判斷管廊內(nèi)出現(xiàn)的滲漏情況。該方式監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定，需要與管廊公司協(xié)調(diào)，申請(qǐng)調(diào)用管廊環(huán)境檢測(cè)信號(hào)接入水源端滲漏監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。

(2)入廊管線另設(shè)滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前可行的滲漏探測(cè)技術(shù)主要有紅外熱成像技術(shù)、分布式測(cè)溫光纖技術(shù)等。因管廊艙室狹長(zhǎng)，利用紅外熱成像技術(shù)，布置紅外熱成像攝像機(jī)需避開遮擋物，滿足一定距離，布置數(shù)量較多，施工相對(duì)不便，地溝環(huán)境則基本無法安裝。而利用分布式測(cè)溫光纖技術(shù)，非常適合狹窄區(qū)域布置，安裝敷設(shè)方便，價(jià)格較便宜。

通過以上分析，另設(shè)管廊輸水管線滲漏檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，建議采用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。

4.4 建構(gòu)筑物中管線

建構(gòu)筑物中管線的主要敷設(shè)方式有明裝、管道井、吊頂內(nèi)、地下空間、墻體內(nèi)等，因管線滲漏時(shí)，很容易被人員發(fā)現(xiàn)，一般可不設(shè)滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但對(duì)滲漏要求較高的場(chǎng)所(如機(jī)房、智能建筑等)、無人值守場(chǎng)所、不易查看的隱蔽場(chǎng)所等，可設(shè)置紅外熱成像攝像機(jī)，采集管線所在區(qū)域的溫度信息，判斷滲漏點(diǎn)。同時(shí)在環(huán)境比較穩(wěn)定的場(chǎng)合也可采用導(dǎo)電聚合物漏水檢測(cè)線纜，及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏。

4.5 智能滲漏探測(cè)技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)和不足

隨著技術(shù)的發(fā)展，智能滲漏探測(cè)技術(shù)呈現(xiàn)出分布式、多點(diǎn)化、頻率高、范圍廣、智能化等特點(diǎn)。智能滲漏探測(cè)技術(shù)可在供水管道多種場(chǎng)合下使用，是今后智慧管網(wǎng)漏損控制的重要手段，可取得不錯(cuò)的滲漏監(jiān)測(cè)效果，主要有以下優(yōu)點(diǎn)。①滲漏探測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)。智能滲漏探測(cè)技術(shù)可獲取大量監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滲漏點(diǎn)，且可根據(jù)探測(cè)精度要求，調(diào)整獲取數(shù)據(jù)頻次，豐富管網(wǎng)數(shù)據(jù)。②漏點(diǎn)探測(cè)速度快。減少人工探測(cè)滲漏點(diǎn)的時(shí)間，降低找尋滲漏點(diǎn)的難度。

智能滲漏探測(cè)技術(shù)主要有以下不足。①實(shí)際供水管網(wǎng)應(yīng)用較少。只在少數(shù)要求較高的場(chǎng)所上應(yīng)用，如智能建筑、智慧管網(wǎng)。②在直埋老舊供水管網(wǎng)中使用局限性大，基本只在新建或維修更換管道時(shí)使用，且后期使用和維護(hù)可能遇到一系列問題，如埋地的智能滲漏探測(cè)器損壞、反應(yīng)靈敏度下降、維護(hù)更新問題等，有待積累經(jīng)驗(yàn)，并完善解決方法。③對(duì)滲漏監(jiān)測(cè)水平和漏損控制的提升缺少量化，目前很少有實(shí)際工程案例及經(jīng)驗(yàn)，缺少相關(guān)研究數(shù)據(jù)。

5 工程實(shí)例

某市新區(qū)新建再生水利用工程采用低區(qū)和高區(qū)串聯(lián)供水的供水方式。再生水廠提升泵站為第一分區(qū)變頻供水，同時(shí)為第二分區(qū)轉(zhuǎn)輸供水，調(diào)節(jié)水池和加壓泵站向第二分區(qū)供水。工程規(guī)模主要有直埋輸配水再生水管網(wǎng)共計(jì)16.675 km，入廊輸配水再生水管網(wǎng)共計(jì)8.97 km，提升泵站、調(diào)節(jié)水池、加壓泵站各一組。為使該工程使用中滿足漏損率不大于10%的要求，綜合考慮工程預(yù)算、工程難度、施工簡(jiǎn)易程度，最終實(shí)施漏控方案如下。

首先，綜合考慮管網(wǎng)信息，采用二級(jí)方式，合理進(jìn)行DMA區(qū)塊劃分，在供水低區(qū)和高區(qū)建立2個(gè)一級(jí)計(jì)量分區(qū)；在每條供水道路建立一個(gè)二級(jí)分區(qū)，共計(jì)9個(gè)二級(jí)計(jì)量分區(qū)；在各用戶處建立3級(jí)計(jì)量分區(qū)。在各區(qū)塊輸水管網(wǎng)開始、結(jié)束處、支管段設(shè)置流量計(jì)和壓力表、終端用戶處設(shè)置智能水表等儀表。根據(jù)總輸水流量、各區(qū)塊及用戶端水流量值，采用水平衡分析法，統(tǒng)計(jì)水量差值。其次，監(jiān)控各區(qū)塊最小夜間流量，以及二次供水的流量、壓力、液位、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，根據(jù)模型計(jì)算及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏區(qū)域及管段，控制漏損。直埋管線不采用其他探測(cè)技術(shù)，入廊管線采用管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行滲漏監(jiān)測(cè)，根據(jù)調(diào)試和竣工半年的管網(wǎng)運(yùn)行情況，漏損率低于5%，整體管網(wǎng)DMA分區(qū)計(jì)量運(yùn)行良好，管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，入廊管線比采用DMA漏損控制為主的直埋管線更迅速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)。

該工程建設(shè)規(guī)模較小，且管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間短、數(shù)據(jù)積累少，僅利用管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管網(wǎng)滲漏探測(cè)，其余管網(wǎng)未使用滲漏探測(cè)技術(shù)。通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合考慮，采用較合理的一次設(shè)計(jì)、分期建設(shè)的方式實(shí)施智能管網(wǎng)滲漏探測(cè)技術(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過科技創(chuàng)新，建立智慧管網(wǎng)滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合量化的DMA區(qū)塊流量、壓力等數(shù)據(jù)，使用智能滲漏探測(cè)技術(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)及云平臺(tái)建立智能漏損監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)模型，結(jié)合人工檢測(cè)方法及嚴(yán)格的管理措施，進(jìn)行滲漏監(jiān)測(cè)，能有效提高滲漏檢測(cè)速度，提升漏損管理質(zhì)量，降低誤報(bào)率和綜合漏損率。