供水管道漏損因素及控制技術研究

摘" 要：供水管網是城市必不可少的基礎設施，其漏損率的大小是判斷供水企業經營和維護能力綜合水平的一項關鍵指標。因此，控制供水管網漏損率，是鞏固和提升城市飲水安全的重要內容，也是實現城市供水工程長效化的必然要求，對節約水資源、增加水費收入和降低工程運行成本，具有積極的促進作用。該文綜合分析城市供水管線的漏損因素，針對管網運行現狀中不同的漏損問題，提出有效的控制技術，確保管網運行穩定、安全。

關鍵詞：供水；管網漏損；漏損因素；控制技術；智慧水務

中圖分類號：TU991.33" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）15-0140-04

Abstract： The water supply network is an indispensable infrastructure in urban area， and its leakage rate is a key indicator for judging the comprehensive level of the operation and maintenance capabilities of water supply enterprises. Therefore， controlling the leakage rate of the water supply network is an important part of consolidating and improving the safety of drinking water in urban area， and it is also an inevitable requirement to realize the long-term effect of urban water supply projects， which has positive effects on saving water resources， increasing water fee income， and reducing project operation costs. This paper comprehensively analyzes the leakage factors of urban water supply pipelines and proposes effective control techniques， so as to ensure the stable and safe operation of the pipeline network.

Keywords： urban and rural water supply; pipe leakage; leakage factor; control technology; smart water

作為城鎮最重要的基礎設施之一，供水管網承擔著保質保量向用戶輸送飲用水的責任。但因長期運行中可能存在外力破壞、管網老化等原因，供水管道經常出現破損，從而導致自來水泄漏，同時由于供水管網普遍深埋地下，難以及時發現滲漏，使得管網滲漏成為國內外供水行業普遍面臨的問題[1]，不僅帶來水資源浪費和經濟損失，甚至造成城鎮供水危機、水質的二次污染等次生災害。截至2020年，我國城市供水管網綜合漏損率為13.39%，部分城市甚至超過25%，治理管網漏損工作迫在眉睫。

國外發達國家相對較早地開展了城鎮化建設，對管網漏損的治理已達到較為成熟的程度。其中，日本、美國等國家表現較好，已將供水管網漏損率控制在8%以下，荷蘭、德國、瑞士等國分別將漏網率控制在6.3%、4.9%、4.9%以下。而我國供水管網平均漏損率各省市差異較大，一些省市漏損率能控制在12%以下，個別省市漏損率在20%以上。因此，如何在城鎮化發展到大尺度、高密度的時候，降低管網漏損率，實現水資源節約、能源節約是社會經濟可持續發展的目標。為進一步減少管道漏損，國家發改委和住建部組織開展了公共供水管網漏損治理試點建設，要求2020年我國公共供水管網漏損率高于12%的試點城市（縣城）建成區，到2025年漏損率不高于8%；其他試點城市（縣城）建成區，漏損率在2025年不高于7%。

1" 管網漏損因素

1.1" 管材及接口

供水系統將自來水通過管網送到千家萬戶，而管網漏損的主要原因之一就是因管道材料老化而產生的漏損。我國城鎮供水的常用管材有鋼管、鑄鐵管、預應力混凝土管和塑料管材等。城鎮管網具有一定的特殊性，施工過程也并非一蹴而就，通常老舊管網采用鍍鋅管或水泥管作為管材，但上述管材超過規定的使用年限后容易發生漏損問題。其中水泥管因自重較大，如接頭處采用柔性橡膠接頭，可能存在漏水、管道位移和地面沉降不均勻等問題。此外，鋼筋抗拉強度的降低，也會造成水泥管開裂，甚至發生爆管事故；鑄鐵管也是比較常見的管材，存在含磷、硫較多和外力不均勻等問題，特殊情況下還會出現斷裂的情況。此外，鑄鐵管一般選用橡膠柔性接口或膨脹水泥剛性接口，其中膨脹水泥剛性接口應用比較廣泛，但易受外界環境因素的影響，發生破裂變形；塑料管材，因其膨脹系數大，隨著塑料老化而產生裂紋，從而導致水的滲漏[2-3]。

1.2" 設計及施工不當

隨著城市規模的不斷擴大，居民用水量也急劇增加，造成管網漏損的原因之一是管道設計指標落后于實際供水要求。由于設計之初對城市發展的預測不夠全面，加之受資金等因素的影響，管網規劃建設前瞻性不足，一些原有的配水管線在設計時只考慮了最初的用水規模，而在用水激增時又面臨著供水規模過小、管線流速過高、易造成跑冒滴漏等問題。在設計過程中對管材伸縮變量認識不足。部分金屬管材受溫度影響極易產生伸縮現象，且設計時沒有考慮環網需求，僅根據用水量和供水點的距離進行設計，管網結構不合理導致運行安全難以得到保障[4]；施工因素也是造成漏損的一大原因，通常情況下，管線施工選址不合理、施工標準執行不嚴格等問題都會在施工過程中發生。由于供水管網通常采用地下敷設方式，即使出現質量問題，也難以被及時察覺，具有一定的隱蔽性，如果施工安裝時沒有按照既定的施工標準和圖紙進行施工，這也給后續的維護增加了一定的難度[5-6]。

1.3" 載荷與沉降

城市管網一般都是建立在地面下面，建立在公路下面的管網一般會受到動負荷和靜負荷2種壓力，在城市供水管道的長期運行中，管道中水的重量和管道自身的重量會使管道產生輕微沉降，同時地質土壤分布不均勻，會使管道產生不均勻的沉降，這種現象會使管道受到不均勻的力，嚴重時會使管道破裂。隨著城市建設的不斷進步，交通方面也出現了不規律的變化，這種不規律的變化導致了動載荷的不斷加強，最終會出現管線損壞的現象，超過了設計的最大負荷。城市建設過程中城市供水需求量日益增大，導致供水壓力逐漸增高，當局部水壓超過設計值時，同樣會使管道受損幾率增大[7]。

2" 城市供水管網漏損的控制策略

2.1" 把控管材及接口選用質量

在選用管材時，還需要結合城市建設的實際施工情況，保證管材的正常使用，避免施工期間因管材原因而耽誤施工。對于管道內部材料的選擇，優先選擇管壁內部光滑的材料，選擇適合的材料與多種材料進行對比。在管網材料選擇上，一般優先選用球墨鑄鐵管和PE管，其中球墨鑄鐵管組織致密，組織以鐵素體為主，同時存在強度更高、伸長率更大、彎曲變形更小和能承受更大負荷的球體石墨，是管網材中較為理想的管材；PE管具有適應高溫、低溫，能夠經受多種化學物質侵蝕，接口強度高等特點，是柔性布置的理想管材[8]。

2.2" 提高城市管網設計及工程施工質量

科學的管網設計，使管網輸水能力始終保持在最佳狀態，避免因管道內部壓力變化而引起的破壞，降低漏損率，同時保證管段內的水壓、水流量等始終處于合理參數范疇。管線周邊的街道也需要在設計過程中，在盡可能提高參考范圍的同時，考慮到車流負荷和各種環境狀況因素，明確這些因素的發生概率和影響程度，并利用已有資料建立預報模型，以便為管網此后的運維提供可靠依據。在管道施工中，需要重點做好以下幾點：一是要科學選擇針對狹窄街巷等施工路段需要避讓溝渠等結構的支管；二是管材安裝前做好質量檢測，并按施工規范進行操作；三是項目竣工后做好驗收材料的審核工作，施工資料需存檔建檔[9]。

2.3" 優化漏損檢測設備與技術

實踐表明，管網破損較大的漏點漏水量約占總量的80%，對管網漏損檢測設備和技術進行優化，快速發現漏點，及時修復，可有效降低管網漏損。謝豐權等[10]應用光纖傳感技術開展漏損監測，研究結果顯示沿管道布置的光纖傳感器能夠識別出直徑為毫米量級的漏孔，當管內水壓一定時，與泄漏孔直徑線性相關的散射光信號強度對數，在檢測漏點的同時可以對漏點進行定位，誤差在±1.5 m內。與現有的探漏技術相比，光纖傳感技術能適應各種管徑、不同管道的埋設深度和長度及多種惡劣工作環境（腐蝕、強電磁場、高溫和高壓等），實現遠距離供水管道漏損在線監測。此外，基于EPANET平臺建立的管網水力模型能模擬管網節點漏損情況及獲取各時間點節點水壓，同時利用BI-LSTM進行分析，可得出漏損節點位置和各節點發生漏損的概率。董文瑾等[11]利用雙向LSTM（BI-LSTM）神經網絡分析管網漏損時節點水壓的變化規律，結果表明基于雙向LSTM神經網絡的供水管網漏損定位模型準確率為88.54%，對供水管網漏損節點的定位具有良好的效果。DMA分區技術是通過加裝流量計、閥門操作等措施，將供水系統劃分為若干個具有永久邊界、相對獨立的區域，是近年來解決城市管網供水漏損問題的重要技術手段。科倫坡南部供水工程通過加裝閥門和流量計，將供水管網劃分為若干個獨立的DMA分區，監測各分區內進出水量，有效縮短了管網破損到修復的時間，降低漏損水量，將漏損率從49%降低到10%左右[12]。余春曉等[13]結合重慶山地城市地形高差大、供水范圍廣、供水管網復雜及外部條件惡劣的區域特點，通過干管加獨立子網的方式建立北碚DMA示范區，摸索出一整套山地城市組團式供水管網DMA分區數據分析方法，使該區域管網漏損率降至7.22%。龔瓏聰等[14]選取福州世紀藍景城小區作為基于窄帶物聯網（NB-LOT）與獨立計量區（DIMA）技術相結合的小區定量漏損管控試點，NB-LOT智能遠傳水表采集數據實時傳輸到漏損平臺，根據連續監測數據確定夜間最小流量檢測限，及時判斷新的漏損點，該平臺連續一年的實時監測數據表明月度真實漏損率均低于5%，從而將NB-IOT與DMA技術相結合，對漏損點進行快速準確識別和修復，使管網漏損情況得到有效控制，節約水資源量約28×104 m3，能夠為小區供水管網定量漏損控制提供借鑒。隨著傳感器成本的降低，數據采集越來越密集，大數據技術的發展為DMA有效管理提供技術支撐，大數據技術指導DMA漏損控制決策成為必然趨勢，在今后的管網漏損控制中將大數據與DMA相結合可為管網漏損控制提供新的思路與方法[15]。

2.4" 搭建智慧水務

近年來興起的以物聯網和大數據為基礎建立的智慧水務系統，為城市供水管網的漏損控制提供了新的思路，物聯網依托互聯網，通過信息傳感技術，依據約定的協議，可以加強對物體智能化的監控和管理，大數據技術具有較強的運算能力，數據處理能力強，在漏損監測預警等方面具有廣闊的應用前景。張一凡等[16]在試驗小區內搭建小型智慧水務系統，利用平臺運算能力、遺傳算法對管道壓力進行管理，對閥門數量、位置、開啟等方面進行優化，使管網壓力分布更趨合理，漏損量從36.26 L/s降低至31.27 L/s。丹東振安區水廠利用水廠和管網測壓點的大數據，在研究水廠高、低峰供水時段壓力、流量變化特點的基礎上，結合管網測壓點布局、地形落差和測壓點數據變化，選取最大流量時段最不利點壓力作為臨界點壓力，通過水廠變頻裝置PLC編程優化，對水廠09：00—16：00和23：00—05：00壓力進行調配，降低管網漏損率30.76%，達到減少管網漏損、防止爆管、控制漏損反彈和維護檢漏成果的目的[17]。鹽源縣為實現各部門統籌調度、優化配置水資源，實現水資源供需平衡，降低掛網漏損，搭建起集大數據、物聯網、RS（遙感技術）和GIS（地理信息系統）等為一體的智慧水務綜合管理平臺，同時結合DMA分區計量進行數據分析，可實現漏損發生位置的快速定位，并提前做好漏損預警[18]。沈陽水務集團將一次供水管網和二次供水管網分為9個大區和1 976個小區，通過構建漏損率智能管控系統，并整合現有的遠傳計量系統數據，建立了統一的計量信息大數據分析平臺，對“一次壓”和“二次壓”漏損率進行精準核算，實現了分區計量信息化、管網漏損分析智能化和流程管理數字化[19]。濱海水務大港油田水務分公司通過構建一體化數字化管理平臺、搭設漏損控制分區計量專用數據服務器和建立管網漏損計算模型，通過數據平臺對比分析和區域夜間最小流量對比，有效減少大港油田管網日漏失水量3 700 m3，該區域漏損率降至22.1%[20]。

3" 結束語

我國城市供水管網在管道老化、技術手段投入有限、監管體制落后等因素的影響下，管網漏水現象較為普遍。管網漏水不僅對供水企業正常運行造成不利影響，而且浪費了水資源。在水資源稀缺程度日益加深的情況下，如何有效控制管網漏損率，提高城市供水效率，降低成本，提高效益，成為供水行業迫切需要解決的問題之一。供水企業應明確造成供水管網漏損的相關因素，建立切實可行的供水管網監控管理體系，制定應對爆管等問題的措施，建立完善的監控管理體系，同時與“智慧城市”建設、在線檢測等科技手段緊密結合，實現供水管網漏損的有效控制，實現企業降本增效。

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