超大城市供水系统管网漏损控制策略与潜力分析

唐君言,司马文卉,赵政阳,孙学良,李东来

(1. 中国城市规划设计研究院,北京 100044;2. 中规院(北京)规划设计有限公司,北京 100044;3. 西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 西安 710048)

0 前 言

党的十八大以来,习近平总书记提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的水利工作方针,并将“节水优先”摆在了首要位置。党的十九大也提出要实施国家节水行动,这标志着节水已经成为国家意志和全民行动,实施管网漏损治理是落实国家节水总体部署的重要行动。2022年国家发展改革委与住房和城乡建设部办公厅发布了关于组织开展公共供水管网漏损治理试点建设的通知,提出公共供水管网漏损率高于12%(2020年)的试点城市(县城)建成区,2025年漏损率不高于8%,其他试点城市(县城)建成区,2025年漏损率不高于7%。因此,推进公共供水管网漏损治理,提高水资源利用效率,缓解城市水资源供需平衡矛盾,对于推进水资源全面节约和循环利用具有重要意义。

近些年来,公共供水管网漏损治理工作广受关注。张志果指出科学溯源是供水管网漏损控制的必要前提,需找出漏损的具体原因,科学开展漏损控制[1]。王晨婉等人认为漏损识别与压力管理是管网漏损控制中的重要部分,基于水力数据的漏损控制技术发展潜力巨大[2]。李蒲剑等人梳理了管网漏损控制领域的相关研究,指出漏损控制技术在工程实践中需结合成熟的综合管理体系才能发挥效能[3]。杜谓堂从管材、施工、规划等方面分析漏损成因,并通过控制施工质量、加强巡查检漏等措施降低漏损[4]。庄玉泽等人以居住数量为决策变量,给排水流量、管径、流速限制为约束条件,优化供排水工程系统,有益于管网漏损控制[5]。总体上看,目前在管网漏损控制方面的研究大多从局部看待管网漏损问题,而超大城市往往供水范围大、区域跨度广、管网分布复杂、漏损原因多样,亟需一套更为系统全面的管网漏损控制策略。

针对超大城市目前存在的供水管网漏损率较高的问题,本文在分析漏损原因的基础上,从管网改造、分区计量、压力调控、信息化管理等角度提出相应控制策略,以期降低城市供水管网漏损量、减少水资源浪费,并为其他城市系统全面解决供水管网漏损问题提供一定参考。

1 供水现状

本文研究区域供水范围包括3个相对独立的供水管网系统,分别为片区1、片区2和片区3,其中片区1和2为已建区域,片区3为新区。供水范围内整体地形呈西北高东南低的趋势,采用主力水厂+调峰水厂的供水模式。

1.1 供水系统现状

供水范围内共有四座供水水厂,总供水量呈逐渐上升的趋势,2021年供水量达101 202.83万m3。主力水厂1、水厂2利用自西北向东南的自然坡降采用重力供水方式,供水量占比达94.61%,调峰水厂3、水厂4采用水泵加压供水方式,供水量仅占5.39%。依托西北向东南方向总体自然坡降,管网随各环道路及交通干线敷设,各环各网实现供水互补、联通互济。主要水厂及管网分布见图1。

图1 主要水厂及管网分布

该地区水厂1、水厂2位于片区2西北方向,与片区2高差较大,可直接通过重力流向片区2方向供水,水厂3、水厂4采用水泵加压供水,供水区域管网运行较为平稳,绝大部分区域供水压力保持在0.26～0.40 MPa。管网流速主要集中在1.0 m/s以内,总体流向趋势为自西向东,自北向南。

该地区现状供水管道管材以球墨铸铁管为主,由于近年城市建设速度较快,供水管道更新频率较高,仅有5.16%管道建设年限在30 a以上,供水管网整体状况良好。但是部分二次供水设施管材材质、安装质量不达标,维护管理不到位,存在“跑冒滴漏”等现象。

1.2 管网漏损分析

(1) 管网漏损率

根据该地区2021年供水数据,供水管网漏损总水量为10 725万m3,其中漏失水量占比63%,计量损失占比31%,其他损失占比6%。

1) 综合漏损率RWL管网漏损水量与供水总量之比,通常用百分比表示。

(1)

式中:RWL为综合漏损率,%;Qs为供水总量,万m3;Qa为注册用水量,万m3。

2) 漏损率RBL

用于评定或考核供水单位或区域的漏损水平,由综合漏损率减去漏损率修正系数而得到。

RBL=RWL-Rn

(2)

Rn=R1+R2+R3+R4

(3)

式中:RBL为漏损率,%;RWL为综合漏损率,%;Rn为漏损率修正系数;R1为居民抄表到户水量的修正值,m3;R2为单位供水量管长的修正值,m;R3为年平均出厂压力的修正值;R4为最大冻土深度的修正值,m。经计算, 2021年该地区供水管网漏损率约为9.58%。

(2) 漏损原因分析

造成地区供水管网漏损主要原因有:一是由于目前探漏技术单一、计量分区不完善,存在大量管道漏失水量未被检出;二是“一户一表”普及率低,仍存在大量总表用户,大量损失未得到有效计量;三是末端管网漏损相对严重,小区内管网老化导致漏失水量较大。

1) 漏损探测效果欠佳

目前的检漏方法多为人工检测,采用的主要仪器包括相关仪、听音棒、检漏仪等常规仪器,仅对埋深较浅、漏损明显的管道有比较好的作用,仍存在大量未探测到或者无法及时探测到的漏损点位[6]。另外,以一个季度为周期对全部地下管网进行一次暗漏探测的工作频率偏低,探漏效果欠佳。

2) 分区计量系统建设不完善

片区1和2均为已建区域,管网布局呈现大口径输水管道多环线、多射线、互联互通的特点,分区计量改造难度大、成本高。目前该地区划定了一级计量分区,部分区域有少量二级、三级计量分区,DMA分区计量尚未开展。整体上看,缺乏对于夜间最小流量的监测,无法全面有效的掌握漏损情况,难以快速及时进行漏损治理。

3) 一户一表、智能水表占比低

目前片区1和片区2的老旧小区多数都不能确保“一户一表”制,近年来实施的“一户一表”改造工程开展效果不佳,部分居民拒绝承担改造费,住户积极性不高。目前“一户一表”改造率偏低,居民抄表到户水量占比仅为8%。因此,表具造成的计量漏损尚未得到有效计量。

4) 管网漏损以末端管网、管道老化为主

对有统计的管网漏损从漏损原因、不同管径漏损情况、漏损产生的区域进行分析,发现漏损以管道及附属设施老化、自然损坏为主,DN100以下管径管道发生损坏事故次数占比较高。

2 管网漏损控制

2.1 总体策略

针对该地区目前供水管网漏损存在的问题,从“夯实硬件基础,强化管网改造”、“健全顶层设计,推动分区计量”、“加强过程控制,优化压力调控”、“完善信息管理,推进平台建设”4个方面系统控制管网漏损。

2.2 供水管网改造

城市供水管网改造是降低供水管网漏损率的一项重要工作[7]。供水管网改造主要针对超过使用年限、材质落后和受损失修的市政供水管道及阀门井等附属设施、小区管网及附属设施以及老旧二次供水设施等进行改造。

以现状供水管线为基础,根据现状管道管材、管道管龄、近5 a内的维修次数、供水范围、管道所在道路等级、停水影响范围、改造现场施工条件等因素对供水管线进行安全评估,得到高危管线共计13处,主要分布如图2所示。

图2 高危管线分布

结合市政管网高危等级,优先对漏损突出的区域进行管网改造。部分管道所处道路为城市交通要道,单独为改造管道而进行交通封闭成本较高,可结合道路更新、新建其它地下设施等情况,同步完成老旧管网更新改造。对于管道的附属设施,包括阀门井、调节流量用的阀门、供应消防用水的消火栓等开展附属设施普查工作。对于超期使用且严重损坏的无维修价值的设施,采取“有即换”的方式,逐步推进附属设施更换工作;对于未到期且损坏不严重的设施,遵循“有即改”的原则,稳步推进维修工作,解决附属设施滴漏问题。

2.3 分区计量

该地区分区计量不完善,未系统进行计量损失水量的统计,但经过估算,该地区计量损失占漏损水量的比重达31%左右,占比相对较大。分区计量作为控制漏损的有利手段[8-9],通过流量监控,能够实时监测大管道大漏点的爆发,精准查找小管道的小漏点。

由于片区1和2为已建区域,管网相对完善且拓扑关系非常复杂,不宜采取自上而下的分区计量方式。结合管网现状条件和漏损控制需要,对已建成区域(片区1、片区2)和待建设区域(片区3)分别采取自下而上、自上而下的分区计量划分方式,并以片区3作为推动分区计量的示范区域,划定一级-二级-三级-DMA的四级分区,探索分区建设经验,进而带动全域推广分区计量建设。

目前,片区1、片区2和片区3供水管网系统相对独立,各区有独立的流量计进行计量,因此以这3个片区作为该地区供水范围内的一级分区,如图3所示一旦发生泄漏,可大致判断泄漏点区域。

图3 一级分区

为了提升服务范围内的计量管理水平,结合该地区供水服务范围内的分流站、主干管网分布情况,以相对独立的计量区域设置监控流量计,便于采用分段漏损测试的技术手段,成功锁定漏损区域,降低产销差,共划定29个二级分区如图4所示。

图4 二级分区

在一、二级分区的基础上,于片区3探索精细化管理模式,进一步提升检漏效率,三级分区如图5所示。该片区区域跨度相对较大,2016年5月该片区由于管网漏损原因产销差高达46.83%,后续利用分区计量思路,将漏点锁定在特定区段,在14 km的小范围内迅速发现3处大型暗漏,维修后产销差降至26.99%。因此,分区计量对于迅速发现管网漏损具有重大意义。后续可在三级分区的基础上进行DMA分区,以用户数不超过5 000户,进出水口数量不超过2个,供水规模在2 000～5 000 m3/日为标准,划分 DMA分区计量单元。通过逐级分区计量,使数据统计和分析日益精细化,为漏损控制提供科学依据,及时锁定漏点并采取相应措施,进而显著降低管网漏损。

图5 三级分区

此外,该地区的大用户用水具有相对比较完备的计量体系,但是绿化环卫用水计量等尚未实现全覆盖,偷盗水现象依然存在,居民抄表到户水量占比仅为8%,“一户一表”改造率偏低,智能水表推广难度大,导致由于表具计量误差、偷盗水等软性因素带来被动漏失,不利于精准查找漏损原因,进而实施供水管网漏损控制。因此,结合老旧院落改造计划,通过加大“一户一表”改造力度,提升居民抄表到户率,并随“一户一表”改造普及智能水表,实现分层级的水量监控分析和水量传递管控,有效提高管网漏损控制水平。有条件的区域,对绿化环卫等用水实施精细化计量,禁止“包干用水”。通过定点计量取水,规范取水制度,加强管理减少“偷盗水”现象发生,降低因管理因素导致的漏失水量,进而降低管网漏损率。

2.4 压力调控优化

城市供水管网运行过程中,管压与管网漏损水量之间也存在紧密的联系,当城市供水管网管压超出某一压力限值情况下时,会导致供水管网爆管次数增加。因此合理调控供水管网压力,可以有效的降低城市漏损率,保证城市供水系统安全、高效的运行[10-11]。

结合该地区地形特征和用水分布,实行管网的压力分区管理。由于各用户用水量变化以及管网破损等因素,供水压力极易不平衡不稳定。为了将管网压力维持在合理经济压力范围以内,可分片区选择主控压力点,加大对压力的监控力度,具体压力控制点如图6所示。

图6 压力控制点分布

相关研究表明,管网压力与漏失量之间呈指数关系[12],即:

L1/L0=(P1/P0)N1

(4)

式中:L1与L0分别为工况1、0下的管道泄漏速率,m/s;P1与P0分别为工况1、0下的管道压力,MPa;N1为经验指数取值,一般在0.5～1.5。

以片区2为例,该地区经过多年运行管理总结表明,控制点的经济合理压力在0.28 MPa左右,如图7所示。当控制点压力低于经济压力P0时,会导致部分区域供水水压不足,当压力高于经济压力时,从上述经验公式可以看出,相应的管道泄漏量也会随之增加。因此,为了将管网压力控制在合理范围之内,需要及时对管网运行压力进行感知,采取相应措施进行调节。

图7 片区2主控压力点压力变化

为了优化管网运行压力,通过不断完善SCADA系统,及时反馈并优化管网系统运行压力,使压力恢复到经济压力范围,从而供水管网整体压力运行平稳。为实现压力的实时监控和反馈,必须进一步完善管网的感知网络和调度水平。一方面结合主干输水管网建设,增设控流站,通过增加和优化关键点位及监控盲区的压力监测点布置,扩大数据覆盖范围,实行管网压力实时监控;另一方面对局部地势较高的区域增设高位调节水池,便于稳定供水管网的流量和压力,实现区域内供水压力的平稳调度,达到压力控制的先进水平。通过进一步优化压力调控,使输水管网中的供水压力更接近用户的需要,并在一定程度上减少爆管次数,同步降低明漏、暗漏及背景漏失等,确保安全优质的供水服务。

2.5 供水智能化建设

供水管网信息化管理是实现供水管网科学高效管理与优化运行的有效方式。应用供水管网地理信息系统、管网运行实时监测通信系统和大数据分析等数字化信息技术,能够为供水管网日常生产运行管理决策提供科学依据,进而优化运行管理[13]。

该地区多年来持续推进供水系统综合信息平台建设,目前已经建立了管网GIS系统、SCADA系统以及水力模型等,供水系统综合信息平台也已实现了管网状态数据、设备设施数据等的全面管理,但在分区计量以及数据整合方面存在缺失,仍有进一步完善优化的空间。通过进一步推进供水综合应用平台建设,打通信息孤岛,实现数据共享,构建一体化、可拓展的供水智能化体系,推进城市给水系统全面可视化、动态化和科学化管理,从而有效控制管网漏损率。

3 潜力分析

3.1 节水降碳

通过开展供水管网漏损治理,能够节约大量水资源,进一步缓解城市水资源供需矛盾,提升水资源利用效率,落实国家碳达峰碳中和的目标。

结合国家对公共供水管网漏损率不高于7%的要求,假定该地区供水量不发生较大变化的情况下,若能够将供水管网漏损率从9.58%控制在7%以下,以2021年供水量(101 202.83万m3)为基础,每年至少能够节水约2 611万m3。由于主力水厂均为重力流供水水厂,水厂供水能耗相对较低,以平均能耗378.4 kWh/万m3(该地区水司多年平均供水能耗)进行核算,每年至少能够节省能耗约988 002.4 kWh,取电能和标准煤的折标煤系数为0.4,共可节约395.2 t标准煤,根据煤炭的碳排放因子为2.66 t二氧化碳/吨标准煤,减少二氧化碳排放量为1 051.2 t,具有较为明显的碳减排潜力。

3.2 供水安全

劣质管材、管网破损极易导致管网内部形成管垢和生物膜,管垢和生物膜发生不稳定反应脱落时,会引起“黄水”“红水”等现象,影响供水水质。附着在管壁上的管垢会降低供水管网的输水能力,增大供水能耗,还会增加“爆管”的风险。

开展供水管网漏损控制,通过更新、改造老旧供水管网,能够提高供水水质,保障城市供水稳定;通过供水管网压力调控,能够进一步优化供水管网压力分布,从而降低爆管次数,减少因为压力过大导致的明漏水量;通过供水管网分区计量,能够较为迅速的监测到漏损严重的点位,从而精准快速进行抢修;通过供水智能化建设,能够迅速对管网漏损进行响应和调度,降低因为管网漏损带来的风险,保障供水安全。

4 结 论

本文依托于某超大城市供水管网运行现状,针对目前供水管网漏损率较高的问题,提出了一种通过强化管网改造、优化压力调控、推动分区计量、完善信息管理的系统控制策略,形成结论如下:

(1) 通过对已建区域和待建区域分别采取自下而上和自上而下的分区计量划分方式,先在部分区域落实一级——二级——三级——DMA的四级计量分区,进而探索全域推广分区计量建设的模式,为超大城市供水管理精细化提供了新的思路。

(2) 实行管网的压力分区管理,增加关键点压力监测,加大对供水管网运行压力的感知力度,将主控点压力控制在经济压力0.28 MPa左右,通过优化管网运行压力,实现区域内供水平稳调度,降低管网漏损率。

(3) 通过系统开展供水管网漏损治理工作,将供水管网漏损率控制在7%以下,在保障供水安全的同时,能够实现节水约2 611万m3、节能约988 002.4 kWh、降碳1 051.2 t的目标,具有较大的节水降碳潜力。