我国西南地区城市供水管网漏损分析及控制研究★

邓媛媛 高 霖 王明振

(重庆文理学院建筑工程学院，重庆 402160)

·水·暖·电·

我国西南地区城市供水管网漏损分析及控制研究★

邓媛媛 高 霖*王明振

(重庆文理学院建筑工程学院，重庆 402160)

城市供水管网是城市经济发展的命脉。以我国西南地区城市管网漏损现状为研究对象，结合近九年的西南地区供水管网运营数据，采用MATLAB软件，运用统计回归法，对影响供水管网的五大因素包括年代、管网密度、管径、管材、管网压力进行分析并建立西南地区城市供水管网漏损估计模型。根据所建立的模型，提出降低我国城市供水管网漏损的意见和建议。

西南地区，供水管网，漏损，统计回归，MATLAB

0 引言

水乃生命之源。供水管网作为运输水的载体，必然承担着不可小觑的作用。但是在我国很多地区均存在着较为严重的供水管网漏损现象。供水管网漏损不仅浪费了可贵的水资源，还严重的影响了整个供水系统的正常工作，从而造成很多不必要的损失。引起城市缺水的主要原因除水资源本身的匮乏、水质污染以及人们节水意识不强等，城市供水管网的漏损也是造成城市缺水的主要原因。

大部分发达国家对管网漏损检测技术的发展相当重视，漏损检测技术和其他科学技术一样，也存在着一个发展的过程[1,2]。而此项工作在发展中国家也同样受到了足够的重视。2015年3月5日，国务院总理李克强在谈到“协调推动经济稳定增长和结构优化”时强调，要推进新型城镇化取得新突破，提升城镇规划建设水平，加强城市供水、供气、供电等基础设施的建设。

早在2002年，建设部就已发布了《城市供水管网漏损控制和评定标准》[3]，其中规定：“我国自来水业的管网漏损率不能超过12%，并且强制性要求必须严格执行”。2005年出版的建设部文件《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》以贯彻科学的发展观为城市供水行业的技术进步提出了更高的要求：坚持以人为本，就必须不断提高城市供水水质，保证人民群众的饮水安全；建设和谐社会，就必须统筹城市供水技术进步与全面发展。文件要求：城市供水管网漏损率，到2010年应不大于12%，到2020年大中城市的管网漏损率应控制在10%以下，城市供水管网漏水抢修及时率达到96%以上。

缺水问题制约着我国城市的发展、经济的进步以及人民生活水平的提高[4]。近二十年内，为了满足人们的生活需求、适应城市的发展，增建了许多供水管网，更换了大量应被淘汰的管道，但仍有部分应该被淘汰的管道还在继续超负荷的使用和运行，导致我国城市供水管网漏损问题相当严重[5]。据统计，在我国一些城市水资源的漏损率竟达到30%[6]。我国西南地区又属于季节性严重缺水的地区。综上可看出对供水管网漏损现状进行分析并提出行之有效的控制措施是刻不容缓的。因此，本文针对我国西南地区供水管网运营基本数据采用MATLAB软件建立供水管网漏损模型，利用模型对西南地区供水管网整体状况进行评估，并对其做出相应的控制，从而减少供水管网的漏损。

1 西南地区供水管网漏损数据统计与分析

本文主要研究管道自身特性对管网漏损的影响，其他外界因素，例如天气、温度等不作为研究考虑对象。收集了2007年—2015年我国西南地区，即重庆、四川、贵州、云南、西藏这五个省市的城市供水系统资料进行统计[7]。基础数据包括使用年代、管网密度、管径、管道材质、管网压力以及漏损量，其中管道材质又分为球墨铸铁管、钢管、铸铁管、预应力钢筋混凝土管、塑料管、石棉水泥管等，以便进行可靠的数据分析。

1.1数据的收集

在收集的西南地区各年份对应的各地区数据中，以2015年贵州省部分地区原始数据为例，列于表1中。

表1 2015年贵州省部分地区原始数据

1.2数据的处理

经初步分析得出漏损总量与管道特性因素之间存在线性关系的结论，将按照年份的先后顺序将数据归总至一起。将管网特性分为五大类：使用年代、管网密度、管径、管道材质和管网压力。其中，管网密度和管网压力项缺少数据的城市直接剔除。而管道材质中又分为球墨铸铁管、钢管、铸铁管、预应力钢筋混凝土管、塑料管、石棉水泥管以及其他管材，若这几项中个别项缺少数据则默认数据为0，若全部管道材质项缺少数据则剔除该城市。管道长度分为管径75 mm以上的管道长度和管径不大于75 mm的管道长度，由于原始数据中管道长度项中只有合计项与管径75 mm以上的管道长度项，则通过计算得出管径不大于75 mm的管道长度值。最终得到全部的有效、可用数据。将部分数据列于表2，以便保证建模过程中数据的可靠性。

2 管网漏损模型构建

表2 数据处理后的部分有效数据

2.1多元线性回归的方法

供水管网的漏损与管道自身的特性有一定的关联，通过分析所收集的西南地区9年的管网漏损数据，得出漏损与管道特性因素之间存在线性关系。

在回归分析中，多元回归由多个自变量的最佳组合来共同预测或估计因变量，比只用一个自变量进行预测或估计更加可靠和有效，并符合实际情况。

多元线性回归模型的一般形式为：

Yi=β0+β1X1i+β2X2i+…+βkXki+ui(i=1,2,…,n)

(1)

式中：k——解释变量的数目；

βk——回归系数；

Xki——各个影响因素。

式(1)为总体回归函数的随机表达式，它的非随机表达式为：

Yi=β0+β1X1i+β2X2i+…+βkXki(i=1,2,…,n)

(2)

其中，βj为偏回归系数。

多元线性回归采用的方法是直接回归方法。由于数据量大，采用MATLAB数学运算软件直接进行多元线性回归，其主要步骤如下：

1)b=regress(Y,X)，确定回归系数的点估计值。其中，Y为漏损总量n×1的矩阵；X依次为管龄、管网密度、管径、管道材质及管网压力(ones(n,1),X1,…,Xm)的矩阵。

2)[b,bint,r,rint,stats]=regress(Y,X)，求回归系数的点估计和区间估计，并检验回归模型。

其中，b为回归系数；bint为回归系数的区间估计；r为残差；rint为残差置信区间；stats为检验回归模型的统计量。

3)求出残差以及其置信区间：rcoplot(r,rint)。

4)回归系数越大，残差越小，则表明自变量与因变量之间的线性关系越显著。

2.2模型的建立

1)对缺少数据源的数据进行剔除；

2)MATLAB中新建变量x和y，复制数据，新建x矩阵，新建y矩阵，在命令行中输入以下命令：

>>[b,bint,r,rint,stats]=regress(Y,X)；

>>b,bint,stats

>>rcoplot(r,rint)

3)在得到的置信区间图中，红色部分表示数据偏离较多，则将这些数据剔除，再重新拟合一次。重新拟合后的数据线性关系效果更显著。

由分析可知，利用使用年代、管网密度、管径、管道材质、管网压力等因素作为模型的回归项。建立的模型设有12个自变量分为五大类：使用年代、管网密度、管径、管道材质、管网压力，因变量为管网漏损量。运用MATLAB软件得出各自的回归系数。最终建立的供水管网漏损模型为：

Y=0.028 7X1+0.298 1X2+1.224 9X3-2.770 3X4+1.144 9X5+0.056 8X6+0.480 8X7+1.498 8X8-0.545 3X9+0.071 1X10-0.509 7X11+28.541 4X12

(3)

式中：Y——漏损总量；

X1——使用年代；

X2——管径不大于75 mm的管道长度；

X3——管径75 mm以上的管道长度；

X4——管网密度；

X5——球墨铸铁管；

X6——钢管；

X7——铸铁管；

X8——预应力钢筋混凝土管；

X9——塑料管；

X10——石棉水泥管；

X11——其他管材；

X12——管网水平均压力值。

回归系数的大小反映了各因素对管网漏损影响作用的大小。式(3)中，管材对于管网的漏损具有很大的影响[8]，多数回归系数为正数，另有管网密度项、其他管材项的回归系数为负数。证明这两个因素对管网漏损的影响作用很小。利用供水管网漏损模型对整个管网系统进行分析、评估及预测，针对供水管网中容易出现漏损情况的管道进行重点检测，避免盲目探测、浪费人力物力[9]。

2.3模型回判验证

将原始数据代入到模型的自变量X中，计算得到的Y值即管网漏损总量，再与收集的漏损总量原始数据对比，得到差额。若计算漏损总量正好落在原始数据的可容许误差范围内，则回判成功。若有极少数项超出可容许误差范围，则将超出的项剔除再进行回判，直至成功。若回判不成功，则重新整理数据，修正模型系数，最终得到可靠的计算模型。

从置信区间可以判断得到的供水管网漏损模型是否具有可靠性。置信区间是指由样本统计量所构造的总体参数的估计区间。在统计学中，一个概率样本的置信区间(Confidence interval)是对这个样本的某个总体参数的区间估计。置信区间展现的是这个参数的真实值有一定概率落在测量结果周围的程度。置信区间给出的是被测量参数的测量值的可信程度。由此可见得到的供水管网漏损模型具有可靠性。

3 漏损控制措施

本文研究了供水管网各因素对管网漏损的影响，根据实际的数据统计，由式(3)中所建立的供水管网漏损模型对供水管网的漏损控制提出以下几点建议：

1)由管径因素模型中可以看出管径75 mm以上的管道比管径不大于75 mm的管道对管网漏损影响的作用更大。因此，建议在用水量需求较小的区域管网建设中应尽量采用小管径管道，对于在用水量较大的区域可采取相应分流措施。2)管网内部压力作为管网漏损因素中影响作用相对较大的因素，将一般使用性供水管网内的压力稳定在0.20 MPa～0.29 MPa范围内[10]，可以降低管网的漏损量。3)对管道使用年限的标准加以规范，超出使用年限的管道应尽快更换，可直接降低管道的漏损并提高供水管网整体的运营效率。总之，供水管网漏损情况可以利用供水管网漏损模型进行评估，这对我国西南地区城市供水管网漏损的治理具有一定的参考意义，也对其他城市供水管网漏损分析和控制提供参考。

[1] K.H.Ng.C.S.Foo,Y.K.Chan.Unaccounted-for Water-Singapore’s experience[J].Water SRT Aqua，1997，46(5)：242-251.

[2] S.E.Kristerson and O.Bergstedt General Report:“Recent techniques in leak detection”.Proceedings 18h International Water Supply Congress[J].Riode Janeiro，1988：GR4-20-4-22.

[3] CJJ 92—2002，城市供水管网漏损控制及评定标准[S].

[4] 中国给水排水编辑部.仇保兴副部长谈我国目前的水情[J].中国给水排水,2006,22(24):14.

[5] 魏 群.城市节水工程[M].北京：中国建筑工业出版社,2006：15-20.

[6] 冼骏峰.中国自来水漏水调查技术探讨[J].地下管线管理,1997(3):97-100.

[7] 中国城镇供水排水协会.中国城市供水统计年鉴[M].北京:中国城镇供水排水协会，2007—2015.

[8] 王翠萍.供水管网管材的选用[J].建材技术与应用,2005(2):36-38.

[9] 耿为民.控制给水管网的漏损[J].城市公用事业,2005(2):17-18.

[10] 梁艺荣.浅谈供水管网的管理与维护[J].大众科技，2009(1):14-20.

LeakageandcontrolanalysesofurbanwatersupplynetworkinsouthwesternChina★

DengYuanyuanGaoLin*WangMingzhen

(CollegeofArchitectureEngineering,ChongqingUniversityofArtsandSciences,Chongqing402160,China)

Urban water supply network is the lifeblood of urban economic development. Taking the current leakage situation of urban pipe network in southwestern China as the research object, the data of water supply network operation in southwest China in the past nine years are combined with, MATLAB software is adopted and the statistical regression method is applied. The five factors of water supply network leakage include pipe age, network density, diameter, materials, internal pressure are analyzed and the leakage estimation model of urban water supply network for southwestern China is established. According to the established model, the comments and suggestions on reducing the leakage of urban water supply network in southwestern China are proposed.

southwestern China, water supply network, leakage, statistical regression, MATLAB

1009-6825(2017)30-0113-03

2017-08-19★:重庆文理学院校级科技项目(R2015JJ06)；重庆文理学院学生科研项目(XSKY2016120)；国家自然科学基金资助项目(51678544)

邓媛媛(1998- )，女,在读本科生

高 霖(1988- )，女,博士,讲师

TU990.3

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