给排水管网漏损控制与水资源保护策略研究

冯 伟

（太原供水集团有限公司，山西 太原 030009）

0 引言

随着全球气候变化和人口增长，水资源的短缺问题日益凸显。在这样的背景下，给排水管网的漏损问题成为影响水资源利用效率的重要因素。漏损不仅导致了宝贵的水资源的浪费，还可能引发一系列的环境和社会问题。目前，众多城市和乡村地区都面临着供水紧张的问题。尤其在干旱季节，由于给排水管网的老化、破损等原因，漏损率逐年上升。这不仅增加了供水成本，还对周边环境造成了污染。近年来，管网漏损的研究主要集中在其预测和实时监测上。吴文红等[1]利用布谷鸟优化策略（CS）与遗传机制（GA）对管道系统中的漏损点进行定位预测。王彤等[2]将经过小波去噪处理的管网流动监测数据融入PSO优化的最小二乘支持向量机（LSSVM）预测框架中，实现了对突发性漏损的快速检测，并较为精确地估计了漏损规模。苏彦博等[3]基于NSGA-II的多目标优化策略在漏损定位上，能够精确并稳定地识别出实际漏损发生的近邻区域。王彤等[4]结合图论方法和贝叶斯统计学，可以实现对管网漏损的精确定位。这些研究为漏损的及时发现和处理提供了技术支持，但对于漏损的深层次原因和长期影响，尚未进行深入探讨。在此背景下，本文的创新之处在于更加深入地分析了漏损对水资源的影响。与前人的研究不同，本文不仅从数量上进行了分析，还从质量上进行了深入研究，揭示了漏损对水质的潜在威胁，以及这种威胁如何影响到最终的用户。此外，本文还综合考虑了多种漏损控制技术，结合实际情况，提出了一套完整的漏损管理和维护策略。这一策略不仅有助于减少水资源的浪费，还可以确保供水的安全和可靠。

1 给排水管网漏损的现状

1.1 漏损的定义和分类

（1）漏损的定义

给排水管网漏损，通常指的是在供水和排水过程中，由于各种原因导致的水流量损失。这种损失不仅浪费了宝贵的水资源，还可能导致供水不足、水质下降、基础设施损坏等一系列问题。

（2）漏损的分类

根据漏损的原因和性质，可以将其分类为以下几类：物理漏损：由于管道老化、材料劣化、施工质量问题或自然灾害（如地震、地面沉降）导致的管道破裂或接口松动。这种漏损通常是持续的，且随着时间的推移可能逐渐加剧。操作性漏损：由于操作不当、维护不足或设备故障导致的漏损。例如，阀门未完全关闭、泵站压力过高等。隐性漏损：这种漏损不容易被直接观察到，但可以通过系统的水平衡分析来检测。例如，由于计量设备的误差、非法接驳或盗水行为导致的损失。季节性漏损：在某些特定的季节或天气条件下，由于温度变化、土壤湿度变化等因素导致的漏损。例如，冬季由于低温导致的管道冻裂。

1.2 漏损的主要原因

给排水管网的漏损问题已经成为全球范围内的关注焦点，特别是在水资源紧缺的地区。为了更好地理解和解决这一问题，首先需要深入探讨其主要原因。

（1）管材老化与劣化

随着时间的推移，管道材料会因为腐蚀、疲劳和其他自然因素而老化和劣化。例如，铸铁管、钢管和混凝土管都可能因为长时间的使用和环境因素而失去其原有的强度和韧性。

（2）施工质量问题

施工过程中的疏忽或不当操作，如接口未密封好、管道未按规定深度埋设或管道受到机械损伤，都可能导致漏损。

（3）地质和土壤条件

在地震、地面沉降或土壤酸碱度变化的地区，管道更容易出现破裂或移位。此外，某些土壤中的化学物质可能会腐蚀管道材料。

（4）水压变化

突然的水压变化，如水泵启停或阀门快速开闭，可能会导致水击现象，从而损坏管道。

（5）维护不足

定期的管网检查和维护是预防漏损的关键。但由于资金、技术或人力资源的限制，许多地区的管网得不到适当的维护。

1.3 漏损对水资源的影响

（1）水资源的浪费

漏损直接导致宝贵的水资源浪费。据统计，某些城市的供水系统中，漏损率高达20%以上。这意味着每生产1 000m的自来水，就有200m2在输送过程中丢失。这不仅增加了生产成本，而且在水资源紧张的地区，这种损失更是无法承受的。

（2）地下水位的下降

当供水系统中的水不断地从裂缝和破损的管道中渗漏到地下时，这些水可能会进入地下水系统。在某些情况下，这种渗漏可能会导致地下水位的显著下降，从而影响到周边的生态系统和人类活动。例如，过去十年中，某地区由于长时间的管网漏损，地下水位下降了约3m，导致了当地农业的严重受损。

（3）水质的恶化

漏损不仅仅是水的物理损失，还可能导致水质的恶化。当水从破损的管道中渗漏时，它可能会与土壤、有害化学物质和其他污染物混合，从而导致供水的水质下降。此外，当地下水位下降时，地下的有害物质可能会进入供水系统，进一步恶化水质。据研究，某城市由于长时间的管网漏损，导致供水中的有害物质浓度增加了约15%。

2 现有的漏损控制技术和方法概述

给排水管网的漏损问题已经引起了全球的关注，特别是在水资源紧缺的地区。为了有效地控制和预防漏损，研究者和工程师们已经开发了一系列的技术和方法。

2.1 漏损检测技术

给排水管网的漏损问题对全球的水资源管理构成了巨大的挑战。为了有效地定位和修复这些漏点，研究者和工程师们已经开发了一系列先进的漏损检测技术。

（1）声学检测技术

声学检测技术的原理是当水从管道中泄漏时，会产生特定的声音或振动。声学检测技术就是利用这些声音或振动来定位漏点。使用的设备包括地面麦克风、声学探测器、数字信号处理器等。虽然声学检测技术具有快速、准确、无需大面积挖掘等优点，但是该技术容易受到环境噪声的干扰，需要经验丰富的操作员进行解析。

（2）红外线热成像技术

红外线热成像技术的原理是泄漏的水会改变土壤或地面的温度。红外线热成像摄像机可以检测这些温度变化，从而定位漏点。所使用的设备是红外线热成像摄像机。其优点是可以在夜间或低光环境下工作，无需接触地面。但也会受到环境温度变化的干扰，因此需要专业培训的操作员。

（3）气体跟踪法

气体跟踪法的原理是向管网中注入特定的气体（如氦气），然后使用探测器检测气体的泄漏位置。使用气体注入设备、气体探测器等设备。优点是对于小漏点和难以检测的地方特别有效。但也面临需要多次注入和检测、成本较高等局限性。

2.2 漏损预防技术

随着全球对水资源的日益关注，漏损预防技术在给排水管网管理中的重要性也日益凸显。有效的预防策略可以大大减少水资源的浪费，降低维护成本，并确保供水的可靠性和安全性。

（1）智能水表技术

智能水表技术通过实时监测水流量和压力，可以及时发现异常，从而预防漏损[5]。设备包括：智能水表、远程传输设备、数据分析平台。具有实时监控、自动报警、无需人工巡检等优点，但是初次安装成本较高，需要专业培训的操作员。

（2）管网模型与模拟技术

管网模型与模拟技术的原理在于利用计算机模型模拟管网的运行，预测潜在的漏损点。所利用的设备包括：计算机、专业软件、数据传输设备。优点在于可以预测未来的漏损点，为维护和更新提供决策支持。但是需要大量的数据输入，模型可能不完全准确。

（3） 材料与设计创新

材料与设计创新通过使用先进的材料和设计方法，提高管网的耐久性和可靠性。需要的设备包括：高性能的管材、新型的连接件、先进的施工技术。优点在于延长管网的使用寿命，减少维护次数。然而，新材料和技术的成本可能较高，需要时间验证其效果。

2.3 漏损修复方法

给排水管网的漏损不仅会导致水资源的浪费，还可能引起其他的环境和社会问题。因此，及时、有效地修复漏点是至关重要的。以下是当前广泛使用的漏损修复方法。

（1）传统挖掘修复

传统挖掘修复通过挖掘地面，直接访问并修复漏点。使用的设备包括：挖掘机、修复工具、替换材料。优点在于修复彻底，适用于大面积的损坏。但可能导致交通阻塞、环境破坏和较高的修复成本。

（2）无挖技术修复

无挖技术修复通过小孔或现有的接口修复漏点，无需大面积挖掘。所需要的设备有：特殊的修复工具、材料和设备。优点在于修复速度快，对环境和交通的影响较小。但是不适用于某些复杂或大面积的损坏。

（3）管道衬里技术

管道衬里技术的原理在于在现有的管道内部安装一个新的衬里，从而修复漏点。设备包括：衬里材料、安装工具。具有修复整段管道，延长管道的使用寿命等优势，但需要专业的操作员和设备，而且可能不适用于某些类型的管道。

（4）管道替换技术

管道替换技术，顾名思义，就是完全替换损坏的管道段。需要新的管材、连接件、施工设备。优点在于修复彻底，适用于严重损坏的管道。但成本高，施工时间长，对环境和交通的影响大。

2.4 管网管理与维护

给排水管网作为城市基础设施的重要组成部分，其管理与维护对于确保供水的持续性和安全性至关重要。随着技术的进步和城市化的加速，管网管理与维护的策略和方法也在不断发展和完善。

（1）实时监测与数据分析

通过安装传感器和其他设备，实时收集管网的运行数据，并进行分析，以预测和防止潜在问题[6]。优点在于可以及时发现和处理问题，减少停水事件和其他紧急情况。但需要大量的设备和数据处理能力，可能涉及隐私和安全问题。

（2）定期巡检与维护

通过定期的巡检和维护，确保管网的正常运行，并预防潜在的问题。能够可以及时发现和处理小问题，延长管网的使用寿命。同时也需要大量的人力和物力，成本较高。

（3）管网更新与升级

根据管网的年龄、材料和其他因素，定期进行更新和升级[7]。这种方式可以提高管网的效率和可靠性，减少漏损和其他问题。但需要大量的投资，可能影响供水服务。

（4）公众参与教育

通过公众参与和教育，增强公众对水资源保护的意识，减少不必要的用水和浪费。优点在于可以增强公众的水资源保护意识，减少不必要的用水和浪费。局限性在于需要时间和努力，效果可能不明显。

3 水资源保护策略

水资源是地球上最宝贵的自然资源之一，对于人类的生存和发展至关重要。随着全球气候变化和人口增长，水资源的压力日益增大，因此制定并实施有效的水资源保护策略变得尤为重要。

3.1 水资源合理定价

水资源合理定价是水资源管理的核心策略之一，其目的是通过经济手段，鼓励用户节约用水，减少浪费，并确保水资源的可持续利用。合理的水价可以反映水资源的真实价值，包括其生产成本、环境成本和稀缺成本[8]。在制定水价时，应考虑到不同用户群体的需求和支付能力，如家庭、工业和农业用户。此外，水价还应考虑到地区差异、季节变化和水资源短缺的情况。为了确保水价的公平性和透明性，政府应建立一个独立的水价监管机构，负责水价的制定、调整和监督。此外，政府还应加强公众教育和宣传，提高公众对水资源价值的认识，鼓励公众参与水价的制定和监督。

3.2 雨水收集与再利用

雨水收集与再利用是近年来受到广泛关注的水资源管理策略[9]。随着全球气候变化和城市化进程的加速，许多地区面临着水资源短缺的问题。雨水，作为一种自然、可再生的水资源，具有巨大的利用潜力。通过建立雨水收集系统，可以有效地收集和存储雨水，减少对地下水和河流的依赖。再利用技术，如简单的过滤和消毒，可以使雨水达到一定的水质标准，用于非饮用目的，如冲洗、灌溉和冷却。此外，雨水再利用还可以减少城市内涝和河流污染的风险。为了推广雨水收集与再利用，政府和企业应加大投资，提供技术支持和培训，同时加强公众教育和宣传，增强公众的环保意识和参与度。

3.3 污水处理与再利用

污水处理与再利用是现代城市和工业区水资源管理的关键环节。随着工业化和城市化的发展，大量的污水被排放，如果不经处理直接排放，将对环境和水体造成严重污染。污水处理技术旨在去除污水中的有害物质，如有机物、重金属和病原体，使其达到排放或再利用的标准[10]。经过处理的污水可以用于农田灌溉、工业冷却、公园绿化和街道清洗等非饮用用途，从而减少对淡水资源的需求。此外，再利用污水还可以回收其中的有价值成分，如氮、磷和有机物，为农业和工业提供原料。为了推广污水处理与再利用，政府应制定相关政策和标准，鼓励技术研发和创新，同时加强公众教育和宣传，增强公众的环保意识和参与度。

4 案例分析

4.1 案例背景

××市，位于中国的中部地区，随着近年来的工业化和城市化进程，面临着日益严重的水资源短缺问题。尤其在干旱季节，市区多次出现供水紧张的情况。同时，由于污水处理设施不完善，大量的工业和生活污水被直接排放到附近的河流，导致水质恶化。

4.2 解决策略

该市政府决定采取一系列措施，包括：建设新的污水处理厂，并对旧的处理厂进行升级。

推广雨水收集和再利用技术。加强对工业企业的监管，确保其污水得到妥善处理。具体的实施过程：2019年，完成了两座新的污水处理厂的建设，提高了污水处理能力。2020年，启动了雨水收集和再利用的试点项目，覆盖了市区的5个主要公园。2021年，对10家主要的工业企业进行了污水处理设施的检查和升级。

4.3 效果评估

最终污水处理能力提高了30%，污水处理率从70%提高到90%。通过雨水收集和再利用，每年节约了约200万m3的水资源。河流的水质得到了明显改善，COD和氨氮浓度分别下降了40%和30%，河流的水质达到了国家Ⅱ类标准，与2018年相比，水质等级提高了2级。

5 结论

经过深入的研究和探讨，本文对漏损及其对水资源的多方面影响进行了全面的分析。漏损不仅导致了宝贵的水资源的浪费，还对地下水位和水质产生了不良的影响。此外，本文还深入探讨了漏损的检测、预防和修复技术，以及如何通过合理的水资源定价和保护策略来确保水资源的可持续利用。主要结论如下：（1）漏损对水资源的影响不容忽视。它不仅导致了大量的水资源浪费，还可能引起地下水位的下降和水质的恶化，从而对生态环境和人类健康产生潜在的威胁。（2）现有的漏损检测、预防和修复技术为提供了有效的工具来应对这一问题。通过综合应用这些技术，可以更好地管理和维护水管网，从而减少漏损和其带来的负面影响。（3）合理的水资源定价和保护策略是确保水资源可持续利用的关键。通过对水资源进行合理定价，可以鼓励用户节约用水，同时为水资源的保护和管理提供资金支持。总之，为了确保水资源的可持续利用，必须对漏损问题给予足够的重视，并采取有效的措施来应对它带来的挑战。