外水測算技術在供水管網(wǎng)漏水檢測中的應用

蔣海磚,戴咸毅

(南寧市勘測設計院集團有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引 言

當前城市供水管網(wǎng)分布范圍廣且檢測難度大,傳統(tǒng)漏水檢測模式效率低下,成本較高,缺乏側重方向,已無法滿足城市發(fā)展建設的需求,開創(chuàng)一種新型高效的探漏模式迫在眉睫。考慮到供水管漏點水流去向與排水管外水入滲密切相關[1],即可利用外水測算成果為供水管網(wǎng)漏水檢測提供方向,快速鎖定漏水嚴重區(qū)域,縮小檢測范圍,提高探漏效率。本文分析了當前國內(nèi)外探漏技術發(fā)展概況,提出一種外水測算+供水管網(wǎng)漏水檢測的新模式,并重點展示其在南寧市建成區(qū)某區(qū)域供水管網(wǎng)漏水檢測中的實際應用成效。

1 國內(nèi)外探漏技術發(fā)展概況

城市供水管線鋪設方式均為地埋式,由于道路地質災害、管材腐蝕、人為施工破壞等原因[2],供水管普遍存在漏水現(xiàn)象。為控制漏損率,保障供水安全,國外一些發(fā)達國家早在20世紀40年代就開展了供水管網(wǎng)漏損控制技術及相關設備的研究,先后成功開發(fā)了相關檢漏儀[3]、聽漏儀[4]、地質雷達[5]等高科技設備,大大提高了檢測設備的可靠性和準確性。我國城市供水管網(wǎng)漏水檢測工作起步較晚,在20世紀80年代才開始建立漏水檢測隊伍,其設備及檢測模式大多參照國外發(fā)達國家相關技術[6],主流檢測模式主要為“普查式”,即每次需對城市內(nèi)所有供水管線進行全面檢測,從而降低城市供水管網(wǎng)漏損率,具體方法包含環(huán)境調(diào)查法、聽音法[7]、相關分析法[8]等。

普查式漏水檢測在近幾年城市漏損控制中的確取得了一定成效,但因其檢測效率低、成本高、無側重方向、檢測周期長等缺點,已無法滿足當前城市高速發(fā)展對供水管網(wǎng)漏損控制[9]的要求。

2 外水測算技術

外水測算是基于片區(qū)的用水量及排污情況,基于水量平衡和物質守恒兩種原理應用于外水量測算中,通過測算,掌握片區(qū)污水系統(tǒng)外來水量。

2.1 分區(qū)監(jiān)測

根據(jù)城市污水匯水范圍,結合污水處理廠、一體化處理設施、泵站、雨污管網(wǎng)之間的相關運行關系,以及范圍內(nèi)的河網(wǎng)水系、道路,排水口分布等實際情況,了解整個區(qū)域的水量構成,科學進行合理分區(qū)。通常將單個污水提升泵站的收水范圍劃分成一個片區(qū)。

監(jiān)測內(nèi)容主要為排水管網(wǎng)和典型地塊流量水質監(jiān)測。管網(wǎng)流量水質監(jiān)測點布設在片區(qū)污水收集系統(tǒng)末端以及主要分支;典型地塊流量水質監(jiān)測點布設在典型地塊接入市政排水管道處。監(jiān)測點布設數(shù)量及位置以滿足各片區(qū)總水量、水質濃度及水質濃度本底值計算需求為準。

2.2 基于水量平衡測算

通過收集掌握城市水務部門各片區(qū)用水量數(shù)據(jù),按折污系數(shù)估算片區(qū)內(nèi)的理論污水排放量,實際片區(qū)監(jiān)測的總污水排放量與理論污水排放量的差值可估算為片區(qū)外水量,理論污水排放量的計算公式:

W=Wi×ξi

(1)

其中:Wi:實際用水量,單位m3/d;

ξi:依據(jù)《南寧市城市污水專項規(guī)劃修編》(2015—2030年),污水排放系數(shù)值取0.9;

W:污水總量為片區(qū)理論污水排放總量,單位m3/d。

由于受供水資料完整性、污水收集系統(tǒng)運行狀態(tài)及算法本身的局限性等因素影響,上述理論污水排放量與實際監(jiān)測污水排放量差值與實際外水量存在一定誤差,但對了解各片區(qū)污水系統(tǒng)外水入滲的嚴重性仍有較大意義。

2.3 基于物質守恒測算

根據(jù)污水處理廠服務范圍內(nèi)的典型地塊(主要考慮居民小區(qū)、經(jīng)營性場所、行政事業(yè)單位等類型)水質及水量,并結合各類型地塊用水比例,加權平均得到各片區(qū)排污水質參數(shù)的基準值。再通過片區(qū)污水收集系統(tǒng)末端總流量及水質監(jiān)測結果,根據(jù)物質守恒法計算得到片區(qū)內(nèi)的理論外水量。計算公式:

Qt=Qs+Qg

(2)

QtCt=QsCs+QgCg

(3)

由式(2)和式(3)得:

式中:Qt、Ct分別為片區(qū)污水收集系統(tǒng)末端監(jiān)測總流量(m3/d)和監(jiān)測水質濃度(mg/L);

Qs、Cs分別為片區(qū)理論污水排放總量(m3/d)和污水水質濃度本底值(mg/L);

Qg、Cg分別為片區(qū)外水入滲量(m3/d)和外水水質基準值(mg/L)。

3 外水測算+供水管網(wǎng)漏水檢測模式

鑒于排水管外水入滲入流的主要原因之一為供水管漏損,隨著外水測算技術在國內(nèi)各城市的廣泛實施[10],一種新型漏水檢測模式應運而生,即通過利用外水測算技術分析各片區(qū)外水入滲地下排水管網(wǎng)的嚴重性,根據(jù)分析成果鎖定優(yōu)先開展供水管網(wǎng)漏水檢測范圍,實現(xiàn)快速止損,進而提高漏水檢測效率,具體操作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

4 案例展示

4.1 項目基本情況

南寧市某污水處理廠服務面積約 67 km2,設計處理規(guī)模為35萬m3/d,主要收集服務范圍內(nèi)所有污水管水量及部分雨水管截流水量。2020年9月至2020年11月期間,監(jiān)測污水廠進水水質濃度總體較低,疑似存在大量外水入侵等情況。

4.2 確定漏水嚴重片區(qū)

(1)監(jiān)測方案

①監(jiān)測點位布設

根據(jù)該污水系統(tǒng)范圍內(nèi)的河網(wǎng)水系、道路、排水口分布等實際情況,將該范圍劃分為A、B、C、D、E、F六個片區(qū),共布設末端流量水質監(jiān)測點35個(A片區(qū)3個,B片區(qū)1個,C片區(qū)6個,D片區(qū)12個,E片區(qū)7個,F片區(qū)6個),典型地塊流量水質監(jiān)測點24個(A片區(qū)6個,B片區(qū)1個,C片區(qū)7個,D片區(qū)2個,E片區(qū)3個,F片區(qū)5個),監(jiān)測點布設情況如圖2所示。

圖2 各片區(qū)監(jiān)測點布設情況示意圖

②流量監(jiān)測

末端流量監(jiān)測采用流量計法(選用美國ADS流量計),典型地塊流量監(jiān)測采用容器法,流量監(jiān)測時長為1天,流量計法監(jiān)測采用連續(xù)監(jiān)測取日總流量,容器法監(jiān)測采用多次監(jiān)測平均值換算日總流量;在同等工況下,經(jīng)現(xiàn)場比對測試,同一個監(jiān)測點采用流量計法及容器法分別進行監(jiān)測,總流量偏差均在10%以內(nèi)。

③水質監(jiān)測

水質監(jiān)測通過現(xiàn)場采樣送檢方式,與流量監(jiān)測同步進行,檢測指標以氨氮為主。

(2)流量水質監(jiān)測結果

本次監(jiān)測結果數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場監(jiān)測及實驗室檢測,片區(qū)末端流量監(jiān)測值通過流量計直接讀取,典型地塊流量監(jiān)測值則通過容器法多次監(jiān)測換算得出,水質監(jiān)測結果以檢測機構出具的檢測報告為準。末端流量水質監(jiān)測結果如表1所示,典型地塊流量水質監(jiān)測結果如表2所示。

表1 片區(qū)末端流量水質監(jiān)測結果

表2 片區(qū)典型地塊流量水質監(jiān)測結果

(3)基于水量平衡測算

根據(jù)城市水務公司提供的供水數(shù)據(jù)可計算理論污水排放量,數(shù)據(jù)如表3所示。經(jīng)與實際監(jiān)測所得污水總量對比發(fā)現(xiàn):該污水廠服務范圍內(nèi)A片區(qū)理論污水排放量與實際監(jiān)測污水排放量相差甚遠,以約12.75萬m3/d的差值遠超其余五個片區(qū),故推測A片區(qū)存在大量外水入滲情況。

(4)基于物質守恒測算

①污水水質濃度本底值計算

通過各類型地塊用水比例加權平均計算得出污水水質濃度本底值Cs,用于物質守恒測算外水量。片區(qū)水質本底值計算結果如表4所示。

表4 片區(qū)水質本底值計算結果

②各片區(qū)外水量測算

基于物質守恒的外水量測算公式,根據(jù)片區(qū)末端監(jiān)測的流量水質數(shù)據(jù),可測算出各片區(qū)理論外水量,數(shù)據(jù)如表5所示。六個片區(qū)測算外水總量約10.82萬m3/d,其中A片區(qū)外水量約7.20萬m3/d(占比高達66.54%),其余片區(qū)外水量合計約3.62萬m3/d(占比33.46%)。

表5 各片區(qū)物質守恒測算結果

(5)綜合分析結論

綜合上述A、B、C、D、E、F六個片區(qū)水量平衡測算及物質守恒測算結果(如圖3所示),發(fā)現(xiàn)A片區(qū)外水入滲情況最為突出,即屬漏水嚴重片區(qū),故應優(yōu)先開展A片區(qū)供水管網(wǎng)漏水檢測工作。

圖3 各片區(qū)外水入滲情況分析圖

4.3 漏水檢測結果

采用主動探漏方式對A片區(qū)(約12 km2)市政道路兩側供水管網(wǎng)進行漏水檢測,通過地面聽音法、閥栓聽音法、鉆孔聽音法、探地雷達法等多種技術手段對A片區(qū)供水管網(wǎng)進行“望、聞、問、切”,精準定位供水管漏點。累計發(fā)現(xiàn)漏水點149處,其中暗漏點76處,明漏點73處。漏點分布情況如圖4所示。

圖4 A片區(qū)供水管漏點分布圖

4.4 應用成效

經(jīng)對A片區(qū)進行全面外水排查,共發(fā)現(xiàn)外水總量為5.37萬m3/d(達到物質守恒測算外水量的74.58%),其中自來水入滲水量為3.12萬m3/d,其余2.25萬m3/d水量為其他類型外水。

在水務部門修復A片區(qū)149處供水管漏點后,利用流量計、管道內(nèi)窺鏡等手段對排水管自來水入滲情況進行復核,進一步驗證供水管網(wǎng)漏水與排水管網(wǎng)入滲的關聯(lián)性。經(jīng)復核,供水管漏點修復后污水系統(tǒng)水量共減少約3.12萬m3/d(占A片區(qū)實際排查外水量58.10%),修復前后外水入滲情況對比如圖5、圖6所示。

圖5 修復前后某排水暗渠外水入滲情況對比圖(左為修復前,右為修復后)

圖6 修復前后某排水暗渠外水入滲情況對比圖(左為修復前,右為修復后)

5 結 語

外水測算+供水管網(wǎng)漏水檢測模式在本案例中取得了顯著成效,其實用性強,漏水檢測效率高,社會經(jīng)濟效益大,是一種完全可推廣、可復制的新型漏水檢測模式。具體優(yōu)勢如下:

(1)漏水檢測效率高,針對性強,縮短了檢測周期。本案例中,采用外水測算+供水管網(wǎng)漏水檢測模式在A片區(qū)市政道路兩側供水管網(wǎng)中探明的總漏點高達149處,而傳統(tǒng)檢測模式因無法鎖定漏水嚴重區(qū)域,需對6個片區(qū)逐一進行漏水檢測,其時間跨度長,且沒有針對性,效率低下。

(2)抓大放小,快速止損。由于地下供水管周邊土壤難以持續(xù)“消化”大量漏水,水流主要沿軟弱土層入滲至周邊排水管網(wǎng)或溢出地表再流入排水管網(wǎng)。故鎖定漏損嚴重的區(qū)域進行主動探漏,有利于快速查找漏損量較大的漏點,實現(xiàn)快速止損。

(3)可推廣性強。此模式不受地域限制,不僅適用于全國各地市政供水管網(wǎng)漏水檢測,還可應用在小區(qū)內(nèi)部的供水管漏水檢測中。

(4)社會經(jīng)濟效益大。該靶向制導模式有助于快速降低城市供水管網(wǎng)漏損率,能為管網(wǎng)運營機構和政府公共事業(yè)創(chuàng)造巨大經(jīng)濟價值。