上海供水漏损分析及漏损控制措施研究

崔旭峰

城市供水管网是城市赖以生存和发展的重要基础设施,其正常运行和有效工作已成为城市可持续发展的重要前提条件。上海市是我国最先进行现代进程迈进的城市之一,杨树浦水厂是我国最早的地表水源自来水厂之一,已经有120多年的历史。目前上海市区总共有4家自来水公司,包括市南公司、市北公司、闵行公司和浦东公司,按区片供水,从20世纪90年代开始,管网速度增长很快,2004年上海市区DN75以上管道长度已经达到10 000 km[1]。

然而随着上海市供水管网的快速发展,管网漏水已经成为制约企业发展的一个重要因素。近几年管网漏损统计资料表明,上海市管网年漏水点数高达10 000个,漏损水量超过120万m3/d,不仅大量浪费水资源,产生大量经济损失,并且对城市安全造成潜在的威胁[2]。

1 上海供水漏损分析

对上海城区供水产生漏损的原因进行分析,大致有以下4个方面：1)管材质量问题。上海给水管道中DN75以上口径管道通常为球墨铸铁管,采用胶圈滑入式柔性接口。其他管材还有超大口径的钢管和DN50以下的镀锌管,以及DN200以下的PE管,其中球墨铸铁管占据了地下管网总长的56%[1]。在 20世纪60年代～80年代中,采用了一批技术性能较差的管材,包括连续铸造的灰口铸铁管、自应力钢筋混凝土管、石棉水泥管等,本身强度不是很高,并且埋设时管外面的防腐层容易造成损伤生锈,强度降低,发生漏水和爆管的频率较高[3]。2)管道接口问题。在上海现有管网中存在大量钢管焊接接口和铸铁管的石棉水泥刚性接口,这种接口形式容易造成松动,受到气温影响、地面不均匀沉降以及压力、外力等其他诱发因素容易产生漏水。3)施工问题。在管道施工中由于管沟基础及回填土处理不符合规范要求,管沟底部不平,回填土中含有硬物、未分层夯实或管道两边的密实度不同,使管道局部受力显著增加,大大增加了漏水的可能性。4)运营管理问题。在运行管理方面,随着上海城市建设的发展,给水管网的规模不断扩大,管网供水压力调节不当,管网中产生水锤现象导致管道损坏而漏水;部分用户乱开消火栓私接水等现象也会导致供水漏损。

2 降低管网漏损的措施

1)对易受损管道进行分阶段改造。管网更新改造是降低漏损的长远性基本措施。要对上海市区范围内易受损的管道进行分阶段的改造,妥善解决已经埋在地下质量欠佳的管道,有计划、有步骤予以更新、改造,比如对刚性管道加装柔性接口,对管道纵向收缩进行补偿,更换老旧管道等。第20届国际自来水协会报告《配水系统供水持续性和可靠性的规划和设计》建议,配水管网的合理更新率为1.5%[4]。为迎接2010年的上海世博会,上海积极进行供水管网改造工程建设,浦东新区改造供水管网总长度达79 km,金山区在 2008年～2009年期间改造陈旧供水管网30 km,市南地区改造供水管道总长度达50 km,有效的降低了管道漏水几率,提高了供水安全性。另外,在管道施工上加强对施工的管理,规范施工过程,减少人为原因导致的供水系统的漏损。

2)强化检漏工作和提高检漏技术。降低漏损的关键是及时发现和修复漏水点,特别是及时发现不冒出地面的暗漏。检漏可以根据检漏效果、技术经济分析等,确定自建队伍进行或委托专业队伍进行。漏损控制主要有被动检漏法、主动检漏法和压力控制法。被动检漏法是待地下漏水冒出地面后发现漏水的方法。主动检漏法则是采用各种检漏方法及相应仪器,主动检查地下管道漏水的方法。上海市在1911年就建立起检漏制度,使用区域检漏法和音听法检测漏水点,1990年后普遍使用电子仪器检漏,目前Permalog等检漏仪已经在市北公司、浦东公司应用于检漏和分析管网动态[1]。

3)强化数字化管理,建立供水管网漏损预警控制系统。加强供水管理是降低漏损的基础。建立完整的供水管网技术档案和管网GIS系统,形成科学、高效、丰富、翔实的供水管网漏损控制体系,实行区域化实时监控,并且能够在无人值守的情况下,自动收集供水管网的漏水信息,定期进行漏水检测,及时发现漏水和修复漏水管道。GIS应用于管网信息系统中,使得管理水平产生了巨大的飞跃,通过建立管网系统中央数据库,能够高效、准确的定位管道、阀门、消火栓、用户接水管、水表等管网组件,有效地对管道的运行状况进行实时监测,及时了解管道运行时的负荷、水压、流速等状况,对供水安全可靠性进行评估,为今后如何进行管网维护提供了辅助决策,为规划、设计及管网维护管理提供决策依据,有助于制定合理可行的更新、维修方案,确保安全供水。

上海市在1998年初步建立起管网的GIS和水力系统模型,目前浦东、市北两家自来水公司正在重组GIS系统,市南公司和闵行公司正致力于管网图档的数字化[1]。

3 基于GIS和遗传算法的供水漏损控制系统的建立

一个完整的供水漏损控制系统要能实现3个功能,首先对供水漏损水平做出评价,其次确定漏水点的位置,最后采取措施改善管道供水条件,其中探测漏水点是最为关键的部分[5]。常规的检漏方法是采用听漏棒、探漏仪等仪器对潜在的漏水区域进行扫描探测,在这个过程中需要花费工程技术人员的大量时间、精力,是一件费时费力的工作。随着GIS技术的发展以及上海供水企业逐步建立起供水GIS系统,可以实时获得管道运行时的负荷、水压、流速等状况,通过引入漏损参量的水动力学模型,将每个模拟结果与已知的流量计量和压力监测点进行比对,最终预测可能的管道漏水位置。

引入漏损参量的水动力学模型的预测过程可以采用遗传算法、BP神经网络、粒子群算法等[5]。遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是近几年发展起来的一种崭新的全局优化算法,是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型,是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。

遗传算法是一种迭代算法,它在每一次迭代时都拥有一组解,这组解最初是随机生成的,在每次迭代时又有一组新的解由模拟进化和继承的遗传操作生成,每个解都有一目标函数给予评判,一次迭代成为一代收敛问题的最优解,具体步骤见图1[5]。

4 结语

城市给水管网漏损控制问题是供水行业的一项重要的复杂性课题。管网漏损检测与控制是一项系统工程,必须运用系统工程的方法,进行学科交叉,全方位的开展城市供水管网漏损控制技术的研究。上海市作为我国经济较为发达的大城市之一,减少供水漏损,提高供水效率,具有重要的社会意义和经济价值。

[1]郑小明,姚黎光,宋仁元.上海供水管网概况、问题及对策[J].上海水务,2007,23(1)：11-15.

[2]张志明.供水管网漏损控制分区装表计量技术和应用[D].上海：同济大学硕士学位论文,2006.

[3]冯 凯,于大海.上海公共供水管道受损原因和对策[J].上海水务,2004,20(4)：10-12.

[4]中国城镇供水协会.城市供水2010年技术进步发展规划及2020年远景目标[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

[5]李华昌,谢淑兰,易忠胜.遗传算法的原理与应用[J].矿冶,2005,14(1)：87-90.