供水管網(wǎng)漏失檢測技術(shù)現(xiàn)狀與進展概要

1、?管網(wǎng)設(shè)計與運行？供水管網(wǎng)漏失檢測技術(shù)現(xiàn)狀與進展舒詩湖1何文杰1,2趙明1高金良1袁一星1趙洪賓1 (1哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090;2天津 自來水集團有限公司，天津300040 摘要 針對供水管網(wǎng)漏失檢測主要依靠儀 器、缺乏系統(tǒng)方法的現(xiàn)狀，綜述了國內(nèi)外管網(wǎng)漏失檢測儀器設(shè)備及主要技術(shù)的發(fā)展，重點介紹了基于供水管網(wǎng)水力模型校核的漏失檢測新技術(shù)的原理及其應(yīng)用。認為必 須運用系統(tǒng)工程方法解決大規(guī)模供水管網(wǎng)漏失檢測這個難題。關(guān)鍵詞供水管網(wǎng)漏失檢測模型校核Current applicati on and rece nt developme nt of leakage detecti

2、 ontech no logies in w ater supply net w orksShu Shihu1,He Wenjie1,2,Zhao Ming1,Gao Jinliang1,Yuan Y ixing1,Zhao Hongbin1(1.S chool of M unici p al and Envi ronment al En gi n eeri ng,H arbi n I n stit ute of Tech no log y,Harbi n150090,Chi na; 2.Tianjin W aterworks Group Co.丄 td.,Tianji n300040,Chi

3、 naAbstract:Based on reviewi ng of equip ment s and tech no logies for leakage detecti on in water supply n etworks bot h n ati on wide and worldwide,it is un doubted t hat t he curre nt leakage detect ion mai nly relied on equip ment s while few systematic met hods were developed or applied.Due to

4、t hese,a new leakage detect ion tech no logy based on water supply network system model calibration was p resented in t his article.Conclusion was proposed t hat systematic met hods were quite n ecessary to detect leakage in large O scale water supply network,which had become more demanding in appli

5、catio ns.K eyw ords:Water supply n etworks;Leakage detectio n;M odel calibrati on我國20世紀(jì)90年代前建成的輸配水系統(tǒng)管材多數(shù)不達標(biāo)，特別是6070 年代建造的城市供水管網(wǎng)，水壓普遍低于0.2M Pa而在80年代以后，隨著工業(yè)的發(fā) 展、人口的增長，許多供水單位在原來管網(wǎng)的條件下，將出廠水壓提高到0.40.6M Pa, 這使舊管網(wǎng)的漏失現(xiàn)象日趨嚴重，加之多數(shù)供水企業(yè)未采取有效的管道保護措施，管 網(wǎng)運行不合理，導(dǎo)致陳舊的管網(wǎng)不堪重負，漏損嚴重。不僅嚴重浪費經(jīng)過凈化的優(yōu)質(zhì) 水資源，也浪費了電能等重要能源，而且使管網(wǎng)水質(zhì)

6、通過漏損點受到外源污染，導(dǎo)致飲 用國家十一五”科技支撐計劃項目（2006BAJ08B03;黑龍江省自然科學(xué)基金重點項 目（Z J G0503o水衛(wèi)生安全隱患。隨著全球水資源日益不足、供水生產(chǎn)成本日漸高 漲以及能源緊缺不斷加劇，世界各國都把給水管網(wǎng)的漏失問題作為一項重要的課題 來研究，這已成為全世界供水科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，國際水協(xié)（IWA召開的每屆 國際會議上都將漏失問題列為一個重要專題來探討。發(fā)達國家非常重視漏失及其控 制的研究工作，很早就開展了漏失檢測技術(shù)及設(shè)備的研究和開發(fā)工作，并成立了相關(guān) 學(xué)術(shù)研究機構(gòu)。例如英國水研究中心（WRC發(fā)表專題報告來論述漏失控制的內(nèi)容、 方法和對策；美國供水

7、協(xié)會（A WWA在1976年成立了漏失檢測和計量委員會；日本 水道協(xié)會（J WWA對漏失問題進行了長期研究和實踐，并取得了較好的漏失控制效 果114給水排水 Vol134 No16 2008近年來，發(fā)展中國家也很重視管網(wǎng)漏失及其控制工作，并結(jié)合管網(wǎng)的實際情況對 漏失控制進行了研究。1檢漏儀器的發(fā)展常用的漏失檢測設(shè)備主要有：聽漏棒、聽漏餅、電子放大聽漏儀、噪聲自動記 錄儀和相關(guān)儀等。目前自來水公司主要采用電子放大聽漏儀，其次為聽漏棒，再次為聽漏餅。相關(guān)儀已開始應(yīng)用或正計劃應(yīng)用，以后將作為檢漏的主要工具。在管道資 料齊全的情況下，使用相關(guān)儀檢測漏失具有快速準(zhǔn)確的優(yōu)勢。但是，由于相關(guān)儀也是 依靠漏水

8、聲音傳播特點測出漏點與探測點之間的距離，因此檢測工作也受管道中其他干擾噪音的影響。為了更加準(zhǔn)確地測出漏水點，一般測試中應(yīng)該反復(fù)測試幾個管 段得到多組數(shù)據(jù)，以便驗證測試結(jié)果的可靠性。如果多個測試結(jié)果相近，說明測出的漏點范圍可信度較高；如果測出的結(jié)果相差甚遠，則應(yīng)慎重對待。多探頭相關(guān)儀是一 種技術(shù)含量較高的檢漏設(shè)備，使用簡便，能把逐段相關(guān)檢漏發(fā)展成大面積相關(guān)檢漏，同 時降低了檢漏人員的工作強度，對管網(wǎng)漏損控制起到了積極的作用。與普通相關(guān)儀 相比,多探頭相關(guān)儀在計算機的使用中存在弱點，如果操作者使用不當(dāng)或操作錯誤可 能會破壞系統(tǒng)中的文件，另一方面也應(yīng)注意防止計算機病毒的侵襲1。日本、美國在20世紀(jì)8

9、0年代中期還開發(fā)了地質(zhì)雷達，利用無線電波對漏水情 況進行檢測，并用圖像顯示漏水點周圍的情況，實現(xiàn)漏水點的精確定位。目前，地質(zhì)雷 達系統(tǒng)已進入實用化階段，并引起各產(chǎn)業(yè)界的注意及期待。但地質(zhì)雷達也存在某些 不足,即其所呈現(xiàn)于屏幕的圖形信息必須要接受過特殊訓(xùn)練并經(jīng)有實際經(jīng)驗的工程 人員解析，這一問題目前已在積極研討中，預(yù)計將在不久后得到解決2?，F(xiàn)有檢漏設(shè)備主要通過漏失信號的采集，特征信號的提取、處理、參數(shù)擬合等 方法進行漏失檢測和控制，但漏失信號受環(huán)境噪聲、管道傳聲特性和監(jiān)測點位置、 埋設(shè)狀況影響很大，并且一般不能保證信號真實地反映漏失情況，因此通常檢測精度 不是很高，只靠儀器設(shè)備還不能很好的解決大

10、規(guī)模管網(wǎng)漏失檢測這個難題。2檢漏技術(shù)的發(fā)展1997年,IWA 成立了 Water Lo ss Task Force (WL TF。WL TF 由全世界 15 個國 家70多位代表組成，主要從事供水管網(wǎng)水量管理、漏失控制和壓力管理的工作。WL TF在大量管網(wǎng)屬性(管材、管齡等數(shù)據(jù)和爆管事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一 系列使不同組分漏失最小化的工作指標(biāo)和管理方法3,其中在DMA(Dist rict MeterArea小區(qū)使用分步測試法（Step Testi ng結(jié)合最小夜流量法 MN F （Mi nimum NightFlow檢測管段漏失是一種比較有效的方法4,見圖1。但是，這需要安裝一定數(shù)量的

11、流量計和關(guān)閉測試管段支管的閥門逐條管段進行測試，比較費時費力。圖1最小夜流量檢漏法示意A WWA提出了用水審核法（Water Audit Met hodology,并編制了相應(yīng)的軟件。2003年AWWA漏失控制委員會重新修訂了 IWA/AWWA用水審核法的指導(dǎo)手 冊。用水審核法告訴我們不同種類的漏失量以及水廠的損失有多大，使水廠對漏失作出重要評估和設(shè)置合理的漏失控制目標(biāo)，并且它有一套合理的運行參數(shù)評估管網(wǎng) 平均壓力5。然而，用水審核法只是從管理層面提出一系列宏觀的漏失控制手段，依賴于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。近年來，基于水力瞬變反問題分析的漏失檢測技術(shù)得到很大發(fā)展。伍悅濱等人6提出了基于水力瞬變分析的

12、漏失數(shù)值模擬理論框架，指出該問題實質(zhì)就是求解系 統(tǒng)辯識反問題進行參數(shù)識別。首先設(shè)定漏失系數(shù)為系統(tǒng)待識別參數(shù)，并給出激勵、響應(yīng)以及二者間的傳遞模式。然后建立反問題分析模型，應(yīng)用特征線法計算雅可比矩陣，運用Newton2 Rap hson算法最小化壓力測量值與計算值之間的偏差，求解模 型。并通過算例管網(wǎng)闡明了數(shù)值模擬的具體步驟。基于水力瞬變反問題分析的漏失 檢測的理論研究很多，但是幾乎沒有在實際管網(wǎng)中得到應(yīng)用的報道。原因主要在于 瞬變流產(chǎn)生的波在管網(wǎng)中是不斷衰減的，很難獲得準(zhǔn)確的瞬變流數(shù)據(jù)給水排水 Vol134 No16 2008115116給水排水 Vol 134 No 16 20083利用管網(wǎng)

13、水力模型進行漏失檢測的研究進展利用管網(wǎng)水力模型進行漏失檢測一直是建模工作者努力的方向。2006年吳正易和Sage 7提出基于供水管網(wǎng)水力模型校核的漏失檢測新技術(shù)，并在英國某城市得到應(yīng)用。模型校核是基于自然進化和基因遺傳原理的模型參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，通過在一定范圍內(nèi)自動調(diào)整式(1中三個模型參數(shù)，采用遺傳算法自動搜索和評價各種方案，使 模型模擬值和實測數(shù)據(jù)的誤差最小，通過優(yōu)化計算獲得較好的模型參數(shù)8 oX =(f i ,m j ,t ,s k ,t(1Min F ( X(2式中f i第i組管道的粗糙系數(shù)或調(diào)整系數(shù)；m j ,t第j組節(jié)點在t時間的用水量調(diào)整系數(shù);s k ,t元件k (管道、閥門和水泵在時

14、間t時的運行狀態(tài);F ( X誤差目標(biāo)函數(shù)。為了把水力模型校核的方法應(yīng)用于管網(wǎng)漏失檢測，將節(jié)點流量分為典型流量和 調(diào)節(jié)流量(漏失量，典型流量等于基準(zhǔn)流量(24h平均流量或最高時流量乘以時變化系 數(shù)，典型流量可以通過水表或流量計測量。節(jié)點總流量見式 (3,漏失量見式(4oQ j (t =Q bj 保at (t m j>,t (3(t =Q j (t -Q b j(t p<at (t(4式中Q j (t節(jié)點j在t時間的總流量；Q bj節(jié)點j的基準(zhǔn)流量;p at (t1時間內(nèi)的流量變化系數(shù)；m j ,t節(jié)點j在t時間的用水量調(diào)整系數(shù)；Q lj(t節(jié)點j的調(diào)節(jié)流量,也就是漏失量。當(dāng)某節(jié)點存在

15、大的漏損時，模型校核后該節(jié)點的用水量調(diào)整系數(shù)m j ,t值一般比其他無漏損的節(jié)點大很多。通過評價用水量調(diào)整系數(shù)可以有效找出存在大的漏損的 節(jié)點，并在管網(wǎng)圖上顯示出來(見圖2。然后可以利用相關(guān)儀等漏失檢測設(shè)備在這些 節(jié)點附近進行漏失探測，大大縮小了探測的地理范圍，節(jié)約了時間。該方法對管網(wǎng)水 力模型的精度要求很高，要求輸入模型的管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和管道屬性等數(shù)據(jù)以及監(jiān)測 點實測數(shù)據(jù)足夠準(zhǔn)確，管網(wǎng)中監(jiān)測點數(shù)量和位置的合理性也非常重要。4結(jié)論城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個復(fù)雜而又龐大的系圖2基于供水管網(wǎng)水力模型校核的漏失檢測結(jié)果統(tǒng),管網(wǎng)漏損的因素很多，管網(wǎng)漏損檢測與控制是一項系統(tǒng)工程，僅靠儀器設(shè)備難以解決。因此必須

16、運用系統(tǒng)工程方法，進行學(xué)科交 叉，利用先進的理念和技術(shù)，強大的科研隊伍，先進的管理制度，全方位的開展城市供水 管網(wǎng)系統(tǒng)漏損控制技術(shù)的研究。供水管網(wǎng)的漏失及其控制問題是一個復(fù)雜而非常有 意義的研究課題。供水行業(yè)仍然需要進行大量的研究工作，使其日臻完善。參考文獻1李永剛多探頭相關(guān)儀的特點與應(yīng)用中國給水排水，2007,23(2:1061082王繼華，彭振斌,關(guān)鑲鋒.供水管網(wǎng)檢漏技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.桂林工學(xué)院學(xué)報，2004,24(4:4564603 Pilcher R ,Hamilton S ,Chapman H ,et al.Leakage location &repair guida ne

17、e n otes version 1.Water Loss Task Force ,IWA.2007,(3:12184 Morris on J ,Tooms S ,Rogers D.DMA man ageme nt guida neenotes version I.Water Loss Task Force ,IWA.2007,(2:25365 Lewis J M ,FannerP V.Experie nee of using t he IWA/AWWAwater audit met hodology in salt lake city public utilities public utilities departmen t.C onferenceProceedi ngs ofLeakage.Halifax ,Ca nada ,20056伍悅濱，劉天順.基于瞬變反問題分析的給水管網(wǎng)漏失數(shù)值模擬哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,37(11:148314857Wu Z Y ,Sage P.Water loss detection via genetic algorit hm optimization 2basedmodelcalibratio n.ASCE8t hAnnual Intern ati onal Symposiumo