智慧供水管网渗漏探测技术探讨

展明武，钱中阳

(1.中国市政工程西北设计研究院有限公司新疆分公司，新疆乌鲁木齐 830017；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

近年来全国各城镇供水管网大力实施漏损控制，以分区计量管理为主，因地制宜结合其他措施，控制漏损成效显著，管网漏损率持续降低。2020年全国城市公共供水综合漏损率约为13.4%[1]。为进一步降低漏损，揭示管网漏损规律，根据现有管网数据资源，出现了多种新型智慧管网漏损控制算法模型，提升漏损控制成效，但这类研究仅能发现某区域或管段的渗漏，均存在基础数据偏少、误差较大等问题，还需大量数据训练优化[2]。因此，有必要在全部或局部管道，选用合适的智能渗漏探测技术，快速准确预测定位渗漏点，并且此类技术能为智慧管网提供大量传感数据，为进一步降低漏损提供有力的数据支撑。

1 渗漏检测方法分析

管网的渗漏检测主要分为智能渗漏检测和人工检测这2种。现有智能渗漏检测建立在智慧管网漏损控制及监测系统(漏控监测系统)框架下，主要使用各种数据建立各种漏损控制算法模型，预测破损、分析漏损、识别定位渗漏位置。随着技术的进步，当前各类数据的完善、漏损算法的优化、管理的创新，漏损控制有了很大提升，但这些数据获取和使用已经到了一个瓶颈，对渗漏的预测、优化、定位、管理控制能力提升已显不足。

人工渗漏检测方法主要有被动检测和主动检测，被动检测即不借助工具即可发现明显漏水；主动检测使用辅助工具，主要有听音法、相关仪检漏法、示踪气体检漏法、探地雷达检漏法、管道内窥法等[3]，均有各自特点及适用范围。人工渗漏检测与人员响应速度、检测方法、技术水平等有关，检测工具虽然随着时代在进步，但技术没有突破性进展，检测效率、成功率提升很少。

为解决智能渗漏检测和人工渗漏检测的不足，根据不同管网环境，使用红外热成像、分布式测温光纤、机敏网等智能渗漏探测技术，直接获取管网渗漏点附近的传感数据，可得到高准确度的渗漏点，预测信息，完善新型漏控监测系统，进一步提升漏损控制效率。

2 智慧管网漏损控制及监测系统框架

漏控监测系统主要由感知层、网络层、存储及数据层、应用层等组成(图1)，其利用GIS、BIM、物联网等现代信息技术对管网数据进行测量采集、传输、数据存储及处理、智能控制、决策分析。漏控监测系统除建立快速、精准的数据处理及漏损控制算法模型外，难点是获取可靠、大量的管网相关数据。

图1 智慧供水管网漏损控制及监测系统框图Fig.1 Block Diagram of Leakage Control and Monitoring System for Smart Water Supply Pipelines Network

漏控监测系统的数据由传感数据、常规管网数据、地形、气象及其他系统监测感知数据，结合数据中心计算、存储、软件等数据资源组成。传感数据由感知层通过各种仪表、监测技术获取，包括：①常规监测感知数据，如流量、压力、水位、温度、水质、泵站运行状态等；②使用智能渗漏探测技术获取的数据，如分布式温度、压力和渗漏点预测信息等。传感数据通过物联网、专网、互联网等网络传输至数据层统一接口。常规管网数据包括管网基础数据(管材、管径、管龄、管段长度、防腐措施、周边环境等)、维护数据(故障维护信息)、运行状态信息数据(流量、压力、泵站运行状态等)、用户数据、非法用水数据等[2]。

3 智能渗漏探测技术

智能渗漏探测技术，需配合漏损水量管理、独立计量区域(district metered area，DMA)管理等措施以及漏损控制模型使用，是漏控监测系统的完善和补充。根据基本理论依据不同，智能渗漏探测技术主要有红外热成像、分布式测温光纤、机敏网和其他智能渗漏探测技术等。

3.1 红外热成像渗漏探测技术

红外热成像技术根据周围环境的灰度信息和温度信息来进行渗漏检测[4]，具有快速、非接触、探测面大和探测距离远等优点，能直观地显示物体表面的温度高低变化，应用广泛；缺点是图像对比度低、细节分辨力较差、成本较高，较少在直埋管道的渗漏检测中使用。

3.2 分布式测温光纤渗漏探测技术

分布式光纤测温根据分布式光纤的点温度变化(变冷或变暖)来判断管道渗漏点，具有对温度信号极敏感、方向性好、光强高、温度和空间定位精度高、成本较低、无盲区等优势，适用于范围广、长距离实时分布式监测[5]。

3.3 机敏网渗漏探测技术

管道外包覆机敏网材料层形成机敏网传感器，根据渗漏时管道局部应力(温度等)变化或渗漏时导致机敏网传感矩阵信号中断判断渗漏点[6]。其具有精度较高、判断漏点较准确、探测区域广等优点，是一种新技术，处在研究前沿，市场化不成熟，价格高，使用少。

3.4 其他智能渗漏探测技术

较常见的探测技术有压力传感器、导电聚合物漏水检测线缆等。压力传感器根据渗漏时管道周围土壤、墙壁、保护(温)层等介质压力变化，来判断渗漏点，多布置在管道阀门、管道连接口或法兰接口等附近，一般配合其他渗漏探测技术(如机敏网)使用。导电聚合物漏水检测线缆根据漏水检测线缆在渗漏处导通，整条线缆电阻的变化来判断渗漏点。其主要应用在机房、智能楼宇、厂房等环境较稳定的室内场合，每段线缆较短，不适用微漏、潮湿多尘环境。

各种渗漏探测技术根据选用原则、应用场合和应用前景，按5级评价(差、较差、一般、较好、好)，技术应用对比如表1所示。

表1 渗漏探测技术应用比较Tab.1 Comparison on Application of Leakage Detection Technology

注：①分布式测温光纤；②机敏网传感器；③红外热成像摄像机；④管廊温湿度、集水坑液位等仪表；⑤流量计、压力传感器、水表等；⑥导电聚合物漏水检测线缆图2 智能渗漏探测技术应用场合示意图Fig.2 Schematic Diagram of Applications in Smart Leakage Detection Technology

4 智能渗漏探测技术的应用

供水管线根据环境、敷设方式不同，通常划分为明敷管线、直埋管线、入廊管线(管廊、地沟)、建构筑物内管线等。对不同管线可采用不同的智能渗漏探测技术，如明敷管线，容易发现渗漏，一般采取定期人工巡检方式。

4.1 智能渗漏探测技术选用原则

选用原则以管线敷设方式和环境为前提，以实用性、先进性、规范性、可靠性、可管理和可维护性、扩展和兼容性等为原则，综合考虑技术成熟性、成本、技术难度(制造、运输、施工、维护等难易程度)等因素，根据整体管网最终确定智能渗漏探测技术的使用场合，如图2所示。

4.2 直埋管线

直埋管线因埋于地下，不便检测，建议可沿管网伴行敷设分布式测温光纤(图3)，建立测温光纤渗漏探测系统。此方式可能会因雨天、季节性地下水变化、冬季极端低温等因素产生误报，需根据地区差异、气候变化、地下水变化等不同环境调整计算模型，减少误差。此外，在环境比较稳定、变化不大或植被少的场合，比如工业厂区，也可使用红外热成像技术，在管道沿线附近，按成像半径布置红外热成像摄像机[7]。

图3 基于分布式测温光纤的供水管道渗漏检测Fig.3 Leakage Detection of Water Supply Pipeline Based on Distributed Temperature Measuring Fiber

4.3 入廊管线

有设置综合管理平台的管廊，入廊管线的渗漏监测由平台的环境监测系统提供。在环境监测数据调用不便时，或未设置环境监测的廊道、地沟等，可利用其他监测技术另设渗漏监测系统。

(1)调用管廊内环境监测系统的相关信号，如温湿度检测信号、集水坑液位检测信号等。根据渗漏时环境温度、湿度变化、集水坑液位和潜污泵运行状况，再结合管廊内视频监控画面，综合判断管廊内出现的渗漏情况。该方式监测结果准确、稳定，需要与管廊公司协调，申请调用管廊环境检测信号接入水源端渗漏监测管理系统。

(2)入廊管线另设渗漏监测系统，目前可行的渗漏探测技术主要有红外热成像技术、分布式测温光纤技术等。因管廊舱室狭长，利用红外热成像技术，布置红外热成像摄像机需避开遮挡物，满足一定距离，布置数量较多，施工相对不便，地沟环境则基本无法安装。而利用分布式测温光纤技术，非常适合狭窄区域布置，安装敷设方便，价格较便宜。

通过以上分析，另设管廊输水管线渗漏检测系统时，建议采用分布式光纤测温系统。

4.4 建构筑物中管线

建构筑物中管线的主要敷设方式有明装、管道井、吊顶内、地下空间、墙体内等，因管线渗漏时，很容易被人员发现，一般可不设渗漏监测系统。但对渗漏要求较高的场所(如机房、智能建筑等)、无人值守场所、不易查看的隐蔽场所等，可设置红外热成像摄像机，采集管线所在区域的温度信息，判断渗漏点。同时在环境比较稳定的场合也可采用导电聚合物漏水检测线缆，及时发现渗漏。

4.5 智能渗漏探测技术应用特点和不足

随着技术的发展，智能渗漏探测技术呈现出分布式、多点化、频率高、范围广、智能化等特点。智能渗漏探测技术可在供水管道多种场合下使用，是今后智慧管网漏损控制的重要手段，可取得不错的渗漏监测效果，主要有以下优点。①渗漏探测数据精准。智能渗漏探测技术可获取大量监测点信息，能准确预测渗漏点，且可根据探测精度要求，调整获取数据频次，丰富管网数据。②漏点探测速度快。减少人工探测渗漏点的时间，降低找寻渗漏点的难度。

智能渗漏探测技术主要有以下不足。①实际供水管网应用较少。只在少数要求较高的场所上应用，如智能建筑、智慧管网。②在直埋老旧供水管网中使用局限性大，基本只在新建或维修更换管道时使用，且后期使用和维护可能遇到一系列问题，如埋地的智能渗漏探测器损坏、反应灵敏度下降、维护更新问题等，有待积累经验，并完善解决方法。③对渗漏监测水平和漏损控制的提升缺少量化，目前很少有实际工程案例及经验，缺少相关研究数据。

5 工程实例

某市新区新建再生水利用工程采用低区和高区串联供水的供水方式。再生水厂提升泵站为第一分区变频供水，同时为第二分区转输供水，调节水池和加压泵站向第二分区供水。工程规模主要有直埋输配水再生水管网共计16.675 km，入廊输配水再生水管网共计8.97 km，提升泵站、调节水池、加压泵站各一组。为使该工程使用中满足漏损率不大于10%的要求，综合考虑工程预算、工程难度、施工简易程度，最终实施漏控方案如下。

首先，综合考虑管网信息，采用二级方式，合理进行DMA区块划分，在供水低区和高区建立2个一级计量分区；在每条供水道路建立一个二级分区，共计9个二级计量分区；在各用户处建立3级计量分区。在各区块输水管网开始、结束处、支管段设置流量计和压力表、终端用户处设置智能水表等仪表。根据总输水流量、各区块及用户端水流量值，采用水平衡分析法，统计水量差值。其次，监控各区块最小夜间流量，以及二次供水的流量、压力、液位、水质等数据，根据模型计算及时发现渗漏区域及管段，控制漏损。直埋管线不采用其他探测技术，入廊管线采用管廊环境监测系统进行渗漏监测，根据调试和竣工半年的管网运行情况，漏损率低于5%，整体管网DMA分区计量运行良好，管廊环境监测数据准确可靠，入廊管线比采用DMA漏损控制为主的直埋管线更迅速、准确地发现渗漏点。

该工程建设规模较小，且管网运行时间短、数据积累少，仅利用管廊环境监测数据进行管网渗漏探测，其余管网未使用渗漏探测技术。通过技术、经济综合考虑，采用较合理的一次设计、分期建设的方式实施智能管网渗漏探测技术。

6 结语

通过科技创新，建立智慧管网渗漏监测系统，结合量化的DMA区块流量、压力等数据，使用智能渗漏探测技术，利用物联网及云平台建立智能漏损监测及分析系统模型，结合人工检测方法及严格的管理措施，进行渗漏监测，能有效提高渗漏检测速度，提升漏损管理质量，降低误报率和综合漏损率。