（市政工程专业论文）城市供水管网泄漏报警系统研究.pdf

中文摘要 本课题以城市供水管网的漏损定位为核心研究内容，在针对该问题的研究过 程中，进行了供水管网的状态和故障的数学模拟，并建立了泄漏检测定位数学模 型，以期达到漏损控制、提高供水企业经济效益和社会效益的最优目的。 首先，介绍了我国的水资源现状和城市供水管网的漏损现状；供水管网的漏 损原因；国内外对管网泄漏检测研究的进展，包括检漏设备和检漏方法的发展过 程及现状；针对我国管网的实际状况，提出了新的泄漏定位思想虚拟分区法。 然后，本文选择了华北滨海某区供水管网作为研究区域。该区域管网上设置 了较为先进的s c a d a 在线监测系统，为课题提供了丰富的基础资料和管网运行 资料。 接着，本文在管网水力平差程序的基础上，以节点水压的计算值和实测值之 间的差的平方和为目标函数，通过随机数逐步最优法和遗传算法这两种优化方法 对目标函数进行求解，得到了管网中各管段的粗糙度系数的模拟值。通过对两种 方法进行比较，可以看出：遗传算法的计算误差比随机数逐步最优法的计算误差 低，可是，随机数逐步最优法的计算误差在某种程度上是能够满足要求的，并且 随机数逐步最优法的运行时间比遗传算法的运行时间要少很多。在使用时，可以 根据实际需要选择适合的优化算法对目标管网进行状态估计。 最后，在管网状态估计的基础上，对管网进行故障( 泄漏) 模拟，建立管网 故障模拟数据库。利用多元统计学上的聚类分析方法，对管网故障模拟的数据进 行聚类分析，将所研究管网的所有管段虚拟的分为1 4 个区域，完成了“虚拟分 区”。并利用多元统计学上的判别分析方法，成功的对一实际发生的泄漏情况进 行故障定位。 运用可视化编程工具d e l p h i 结合微软的m s s q l 数据库软件将上述理论开发 成可视化的、简单易用的计算机程序，便于使用。 关键词：供水管网泄漏检测定位状态模拟随机数逐步最优遗传算法 聚类分析判别分析 a b s t r a c t t h er e s e a r c hi sm a i n l ya b o u tl e a k a g ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o ni nm u n i c i p a l w a t e rs u p p l yn e t w o r k i nt h i sp a p e r , t h es t a t e so fn e t w o r ki nn o r m a la n di nd e s 仃o y e d a r es i m u l a t e d , a n dt h el e a k a g el o c a l i z a t i o nm o d e la r ee s t a b l i s h e dt or e d u c el e a k a g e e f f e c t i v e l ya n da d v a n c et h ee c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i to f w a t e rc o m p a n i e s f i r s to fa l l ，t h ea c t u a ls t a t eo fw a t e rr e s o n r c ea n dl e a k a g ei nm u n i c i p a lw a t e r s u p p l yn e t w o r k , a n dt h er e a s o no fl e a k a g e ，a n dt h ee v o l v e m e n to fr e s e a r c h i n go n l e a k a g ei n c l u d i n ge q u i p m e n ta n dt h ew a yo fl e a k a g ed e t e c t i o na r ei n 打o d u c e d an e w l e a k a g ed e t e c t i o ni d e a , v i r t u a lf i e l d sd i v i d e d ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls t a t eo fw a t e r n e t w o r k so f o u rc o u n t r yi sp u tf o r w a r d s e c o n d l y , o n em u n i c i p a lw a t e rs u p p l yn e t w o r ki nn o r t ho fc h i n a ，s e t t i n g a d v a n c e ds c a d a s y s t e mi ss e l e c t e da st h eo b j e c to f r e s e a r c h , c o n s e q u e n t l yp r o v i d i n g d a t as u p p o r tf o re s t a b l i s h i n ga na c c u r a t el e a k a g ed e t e c t i o nm o d e l t h i r d l y , a c c o r d i n go nh y d r a u l i ca n a l y s i so fw a t e rn e t w o r k ，t h es q u a r eo ft h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ew a t e rp r e s s u r ec a l c u l a t e da n dt h ew a t e rp r e s s u r em e a s u r e di s s h i l l t h ef u n c t i o no fs u mi ss u p p o s e da so b j e c t i v ef u n c t i o n t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni s s o l v e db a s e do nt h er a n d o mo p t i m i z ea l g o r i t h m ( r o a ) a n dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t h es o l u t i o no f t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni s j u s tt h er o u g h n e s so f p i p e c o m p a r i n g t h es o l u t i o n so ft h eo b j e c t i v ef u n c t i o n s ，a l t h o u g ht h es o l u t i o n sf r o mb o t ha l g o r i t h m s a r es u i t a b l e , t h ea c c u r a c yo f g ai sb e r e tt h a nt h eo n eo f r o a ，b u tt h et i m es p e n d i n g b yg a i sm u c hl o n g e rt h a nr o a s ot h em o r ea d a p t a b l ea l g o r i t h ms h o u l db es e l e c t e d a c c o r d i n ga c t u a ls t a t eo f w a t e rn e t w o r k i nt h ee n d ，b a s e do nt h es t a t ee s t i m a t i o no fw a t e rn e t w o r k , t h es t a t eo fw a t e r n e t w o r ki nd e s t r o y e di ss i m u l a t e da n dt h ed a t a b a s eo f w a t e rp r e s s u r ei nw a t e rn e t w o r k d e s 扛o y e di sp r o v i d e d t h ed a t a b a s eo fw a t e rp r e s s u r ei sa n a l y s i sb yc l u s t e rm e t h o d ， w i t ht h ew a t e rn e t w o r ks t u d i e di sd i v i d e di n t o1 4a r e a s ，e a c ho n eo fw h i c hi sas m a l l w a t e rn e t w o r k t h ed i s c r i m i n a t e a n a l y s i sm e t h o di su s e dt oa na c t u a ll e a k a g eo f w a t e r n e t w o r k ，a n dt h el e a k a g ei sl o c a t e da c c u r a t e l y t h e p r o g r a mb a s e do nt h et h e o r i e sa c c o u n t e da b o v ei sd e v e l o p e db yd e l p h ia n d m s s q l a n di se a s yt ou s e k e yw o r d s ：w a t e r s u p p l yn e t w o r k , l e a k a g ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o n , s t a t e s i m u l a t i o n , r a n d o mo p t i m i z ea l g o r i t h m , g e n e t i ca l g o r i t h m , c l u s t e r - a n a l y s i s ， d i s c r i m i n a t e a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：叙洼 签字日期： 卯年卫月二1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 唐澎 签字日期：肋彳年2 月2 日 一名：沁j 叛 签字日期：妒。6 年t 月1 ，i - e t 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 。1 ，1 水资源现状 水是生命之源，是大自然赋予人类无法替代的宝贵资源。但它是有限的，不 是取之不尽用之不竭的l ”。 据水文地理学家的估算，地球上的水资源总量约为1 3 8 x1 0 ”m 3 ，其中 9 7 5 是海水( 1 3 4 5 x 1 0 ”m 3 ) 。淡水只占2 5 ，其中绝大部分为极地冰雪冰 川和地下水，适宜人类享用的仅为o 0 1 【2 l 。 随着全球性环境污染的加剧及世界人口的不断增加，水资源的紧张局势不断 恶化。早在1 9 7 7 年8 月联合国水资源大会就向全世界发出了“水不久将成为一 场深刻的社会危机”的警告。1 9 9 3 年1 月第4 1 届联合国大会做出了每年3 月2 2 日为“世界水日”的决定。这不仅说明水的问题已引起国际社会的普遍关注，而 且也为全人类共同携手合理开发利用和保护水资源提供了契机p j 。 2 0 0 3 年3 月来自世界各地1 6 5 个国家和地区的l 万名代表聚集日本京都， 参加第三届世界水论坛会议，主题为：全球水资源状况迅速恶化，“水危机”日 趋严重【2 】。 我国是一个水资源短缺、水旱灾害频繁的国家，如果按水资源总量考虑，水 资源总量居世界第六位，但是我国人口众多，若按人均水资源量计算，人均占有 量只有2 5 0 0m 3 ，约为世界人均水量的l 4 ，在世界排第1 1 0 位( 按1 4 9 个国家统 计，统一采用联合国1 9 9 0 年人口统计结果) ，已经被联合国列为1 3 个贫水国家 之一【3 】。 加之我国水资源主要来源于降水，而降水遭受大气环流，海陆位置以及地形、 地势等因素的影响，在地区分布上很不均匀，总体格局是南方多，北方少，东南 多，西北少。在时间分布上更显不平衡，大多数降水集中于夏季7 、8 、9 三个月 份。我国西北、华北以及某些沿海地区受水资源贫乏的影响，使这些地区的国民 经济发展受到严重的制约1 4 5 1 。 多年来，我国水资源质量不断下降，水环境持续恶化。根据全国2 2 2 2 个监 测站监测结果统计的，从中我们可以看出，我国七大水系的污染程度存在着差异， 如果以污染程度大小进行排序，其结果为：辽河、海河、淮河、黄河、松花江、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 长江，其中，辽河、海河、淮河污染最重。综合考虑我国地表水资源质量现状， 符合地面水环境质量标准的i 、类标准只占3 2 2 ( 河段统计) ，符合 类标准的占2 8 9 ，属于、t v 类标准的占3 8 9 ，如果将类标准也作为污 染统计，则我国河流长度有6 7 8 被污染，约占监测河流长度的2 3 ，可见我国 地表水资源污染非常严重1 3 1 。与此同时，城市内及其附近的湖泊已普遍严重富营 养化。 我国地表水资源污染严重，地下水资源污染也不容乐观。“八五”期间水利 部组织有关部门完成了中国水资源质量评价，其结果表明，我国北方五省区 和海河流域地下水资源，无论是农村( 包括牧区) 还是城市，浅层水或深层水均 遭到不同程度的污染，局部地区( 主要是城市周围、排污河两侧及污水灌区) 和 部分城市的地下水污染比较严重，污染呈上升趋势，2 3 以上到监测的井水质不 符合生活饮用卫生标准【3 】。 水源污染所导致的缺水和事故不断发生，不仅使工厂停产、农业减产甚至绝 收，而且造成了不良的社会影响和较大的经济损失，严重地威胁了社会的可持续 发展，威胁了人类的生存。 根据水利部 2 1 世纪中国水供求分析，2 0 1 0 年我国工业、农业、生活及 生态环境总需求水量在中等干早年为6 9 8 8 亿m 3 ，缺水3 1 8 亿m 3 。这表明，2 0 1 0 年后我国将开始进入严重缺水期u j 。 1 1 2 城市供水漏损现状 供水管网作为城市公用建设的首要基础设施，对于保证城市经济的稳定发 展、人民生活水平的提高以及社会的安定，有着举足轻重的地位。但由于一些无 法预测和无法控制因素的影响，供水管网会不可避免的遭到一定程度的破坏，从 而造成部分自来水的漏损。地球上人类可利用的自然资源是有限的，而经过净化 处理和输配的自来水更是来之不易，所以世界各国都非常重视城市供水管网的漏 损控制工作，将漏损量的大小作为衡量供水管网技术和运行的一项重要指标。 1 1 2 1 城市供水管网漏损的概念和内涵 国外衡量漏损水平有三种主要指标：漏损率，相当于我国的损失率；未售水 百分率，即( 出水总量一售水总量) 出水总量( 相当于我国的产销差率或者未 计量水率) ；单位管长单位时间漏水量，一般以m 3 ( k m h - 1 ) 表示。由于各城 市人口密度和工业用水所占比例不同，往往同样管道长度，单位时间单位长度的 漏水量不同，所以，多数管理者认为，单位管道长度单位时间的漏水量的表达式 相对比较合适。在实际工作中，未计量水量是一个常用概念，是指水厂生产的水 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 量和售水量的差额( 也可以叫产销差率) 。未计量水可分为下列4 部分：管网 漏损水量( 即指在供水管网中漏掉的水量) 。水表误差。非法用水。管网 自用水( 冲刷管网用水) 。严格来说，未计量水还应该包括市政绿化和消防用水 ( 这些水目前基本上没有计量) 等。其中，供水管网的漏损水量是主要的【”。 1 1 2 2 我国城市供水管网的漏损概况 根据1 9 9 8 年城市供水统计年鉴【6 】，5 6 1 个城市的漏损率平均为1 3 ；5 4 9 个城市的单位管长漏损量平均3 2 m 3 ，( k m h ) 。1 9 9 8 年全国城市供水漏损总量 为3 4 9 7 亿o ，相当于近1 0 座供水量1 0 0 万m 3 d 的特大型水厂的一年供水总量。 城市供水在无利润的情况下，其平均成本约为0 9 元t , m 3 ，如果按此计算，那么 每年我国城市供水行业因漏损而造成的经济损失达3 1 4 7 亿元。由于自来水是经 过给水设施加工处理和输配的水资源，在工程建设和运行管理等方面，需要投入 大量的人力、物力和财力，尤其是远距离输水工程，其建设周期长、投资大、运 行维护费用高，一般建设这类供水设施需投资1 0 0 0 3 0 0 0y c ( m 3 d ) ，因此前 面所计算的3 1 4 7 亿元仅仅是直接经济损失，而实际上的经济损失将远远超过这 个数字。 1 9 9 9 年全国城市年供水量为2 6 4 3 9 亿m 3 ，其中约有4 0 0 4 亿m 3 中途损失 掉了。日本漏水调查专家高桥键一先生认为，中国目前的供水管网漏损情况相当 于日本2 0 世纪7 0 年代水平，1 9 7 2 年日本东京和大阪的水漏损率在3 0 左右， 经过近3 0 年的努力，现在已经控制在1 0 以下。他们准备再用5 年时间，把漏 损率降到8 左右【刀。 据2 0 0 0 年城市供水统计年鉴i s 】，全国5 9 3 个城市中，供水管道总长度 ( d n 7 5 m m 以上) 为1 3 5 0 9 4 9 3 k m ，年供水总量达2 8 0 1 3 亿i t l 3 ，管网漏损率平 均为1 5 6 1 ，漏损总量达4 3 7 4 亿m 3 ，假设城市供水平均成本为1 1 0y c m 3 , 每 年我国城市供水行业因漏损而造成的经济损失高达4 8 1 1 亿元。1 9 9 5 年国际供水 协会年会统计资料介绍的1 8 个国家和地区的城市未计量水比率平均为1 6 。9 ， 漏损率平均值为1 1 8 。 根据2 0 0 2 年城市供水统计年鉴【9 】，全国6 6 0 个城市中，供水管道总长度为 3 1 2 6 万k m ，年供水总量达4 6 6 4 6 亿岔，目前，据对其中4 0 8 个城市的统计表 明，管网漏损率平均为2 1 5 ( 远远高于1 2 的国家考核标准) ，漏损总量将近 达t 0 0 亿m ，。 城市供水管网的漏损问题普遍存在，而且随着管网使用年限和管网长度逐年 增加，漏损量也逐渐增长【。 预计未来1 0 年每年递增供水量7 1 0 万m 3 d ，如果不采取相应措施减少损失 量，还要增加供水量来弥补水量的漏损。因此，必须加强城市供水管网的管理， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 建立健全各种管理制度，明确职责范围，加强内部监督和外部检查，最大限度地 减少明漏、暗漏和偷水的损失。当前要特别注意管道输水损失。要逐步淘汰铸铁 管( 因其脆性大、强度低，易于发生爆管) ，积极培训检漏技术人员，学习和掌握 检漏新技术、新设备，或聘请专业检漏公司，进行漏损点普查和漏损率测定，最 大限度地降低漏损水量嘲。 1 1 3 城市供水漏损原因及研究意义 1 1 3 1 城市供水漏损原因 造成给水管道漏损的原因主要有以下几个方面 1 l - l $ 】： ( 一) 管材质量不佳 我国水管应用铸铁管和预应力钢筋混凝土管的比较多，少量使用钢管、石棉 水泥管、塑料管和球墨铸铁管。铸铁管本身比较脆，是比较差的管道材质。在装 卸过程中易产生裂缝、防腐层破坏等缺点；预应力管的质量问题往往是设计或生 产过程中造成的，如钢筋布置不当，保护层不好，使钢筋锈蚀等，都可能引起管 道爆裂。 ( 二) 管材老化 各种材料都或长或短地存在一定的寿命，都存在老化现象，有的材料当时是 先进的。但在后来的推广使用中发现有不可克服的缺点而必须淘汰，如p v c 给 水塑料管因铅污染问题已在北京禁止使用。给水管道的改造费用一般都很高。市 政道路也不可能允许过于频繁地开挖。这样，供水管道局部带病超期服役在所难 免，供水漏损也就必然存在。 ( 三) 接口质量不好 这在我国可能是造成管道漏损的很重要的原因。解放后大规模推行石棉水泥 接口、膨胀水泥接口。这类接口刚性强，气温降低时，容易引起水管受收缩拉力 而断裂，或在管道不均匀沉降时弯矩过大而径向裂开。在接口过程中，如填料填 塞得不均匀，石棉水泥口敲打得不密实，则管道在正常工作时会出现接口漏水。 接口质量不好主要表现为：通水时即有渗漏；接口经不起土壤不均匀沉陷或 水管伸缩以及水压高等因素而漏水；接口刚性太强。当土壤有不均匀沉陷时， 使水管在力学上变成一根很长的承重梁，使水管产生环向断裂( 小口径管道) 或 大头处挠断( 大口径管道) 。在严冬水温降低时，水管收缩，接口刚性过强可能 使水管拉断或某接口脱开一段距离，导致水管漏水。 ( 四) 阀门锈蚀、磨损 检验发现闸阀的主要问题是密封性差，蝶阀的主要问题是传动结构可靠性 差，另外阀门的材质有待进一步改进。我国阀门质量和发达国家的产品相比有着 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 相当大的差距。 ( 五) 施工质量不高 施工质量的好坏直接影响建筑产品的质量。给水管道施工质量不高主要表现 为：水管基础不好。这往往表现为管沟沟底不平整，如机械挖泥无其它修平措 施，更容易使沟底不平。结果使水管沉陷较多，以致逐步损坏接口甚至管道； 覆土不实，这对大e l 径管道来说更严重。覆土未分层夯实和管道两边的密度不均 匀，使管道受力显著增加，管道很容易爆裂；支墩后座土壤松动。大口径管道 弯头、t 型管处有较大的推力，主要靠支墩后座土壤的被动土压力支撑。支墩后 座土壤松动将引起支墩较大的位移。从而使弯头、t 型管产生较大的位移；水 管接转过多。水管接转过多，再加上管道的接口质量差等其它因素的影响容易使 接口损坏或脱开。 ( 六) 气温低 低温时管道收缩使管道增加新的应力，尤其在管道接口刚性较强的时候。另 外低温时水压往往偏高，个别地方由于冰冻也增加漏水因素。根据有关部门的统 计，气温低已成为某些地区管道漏损的主要原因。 ( 七) 其它工程的影响 附近开挖管渠、深沟、打桩、拔桩、降低地下水位、推土等工程的施工过程， 可能引起地下水管的损坏。主要表现为：附近开挖深沟。沟底越深，距离水管 越近，水管下土壤产生的沉降量越大；降低地下水位。为了施工需要降低地下 水位，将影响到水管附近的地下水位下降，从而使管道下土壤的压力增加。不均 匀的水位下降和不同的土壤条件，将使管道承受不均匀沉降的压力，导致管道或 接口损坏；打桩和拔桩。打桩时，由于土壤挤压和振动会使管道周围的土壤变 形。一般在管道附近打深桩，易使管道向上凸起，引起管道损坏，而拔桩可能引 起相反的结果。 ( 八) 管道防腐措施不力 内壁防腐不佳的金属管道，遇到软水或p h 值较低的水，就可能腐蚀。管壁 腐蚀会显著影响管道的输水能力及水质，也使管壁变薄，强度降低，从而引起管 道局部穿孔漏水，严重的则发生爆裂。 ( 九) 道路交通负载过大 管道设计时考虑承受一定的车辆活负载。如果埋管过浅或车辆过重都会相对 地使活负载增加。路基不好，地下管道漏水，路面质量不好等因素，可能导致路 面凹凸不平，从而直接增加对管道的活负载，引起管道接口漏水甚至管道爆裂。 ( 十) 其它因素 引起给水管道漏损除了上述因素外，还有其它的一些偶发因素。如水压过高、 天津大学硕士学位论文第一章绪论 水锤破坏等。水压过高，管道受力也相应增加，漏水与爆裂概率也随之增加。水 泵的停车和闸门的关闭等会引发水锤现象，增大管内的水压。管道越长，关闭闸 门越快，水锤引起的压力增减值越大，管道和水泵爆裂的可能性也越大。 1 1 3 2 城市供水漏损研究可行性 针对上述我国供水行业现存的实际需要解决的问题，从我国的供水行业维护 管理现状和研究现状出发，为了更好地利用资源，改善给水服务供应，提高供水 企业地经济效益和服务效益，进行管网漏损管理研究，进而有效地预测漏损、控 制漏损，对于解决供水中的漏损问题有着非常重要的意义。而漏损问题又是综合 解决我国目前供水行业现存实际问题地关键。因为我国属于缺型兴国家，供水量 不足的问题是不可避免的，只能从节水、供水合理化及区域调度的方法解决；水 质偏低、污染严重、资金短缺等问题是由我国国情和经济发展水平等多方面的客 观因素决定的。因此为了更好的合理利用水资源，需要加强对供水行业的管理工 作和维护工作，最大程度的将低供水管网漏损，以满足现代城市供水日益紧张的 需求。 当前，世界各国都把漏损控制作为一项重要工作来进行研究、开发和实施， 它已成为整个给水事业的一个不可分割的重要组成部分。我国也十分重视此项工 作，在城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划 1 9 i 中明确提出把“降低漏耗” 作为五个主攻方向之一。作为一种潜在的利润，估计执行适当的漏损控制策略后， 有资料表明仅英国每年估计就会节省3 0 0 0 万美元，甚至这个数字可能也是比较 保守的。因此，探索供水管网漏损控制理论和方法，提高供水安全可靠性，有效 控制供水管网漏损及突发事故的发生是很必要的。 1 1 3 3 城市供水漏损研究意义 由于供水管网漏损一方面浪费了部分取水、处理和输配的成本，另一方面还 要额外增加投资用于增加水量、提高部分地区的水压以及更换、维修破损管道及 管道配件设施。管道出现漏损而长时间未被发现，则会由于泥土流失而使路面塌 陷，影响建筑物和路面交通安全，严重时会造成人员和物质损伤。因此，进行供 水管网漏损控制和管理具有重大意义，如： ( 一) 节约水源 我国水资源人均占有量为2 7 8 0 m 3 ，是世界第十七位，为世界人均占有量 l o s o o m 3 的四分之一。由于淡水资源贫乏，不少地区出现水荒，许多城市如大连、 青岛、天津等地区，不得不花费大量建设资金从远距离引水解决城市供水的需求， 部分城镇因供水不足以制约当地工农业生产的发展，也给居民生活带来用水不 便。加强漏损防止对策可以把节约的水移作别用来发挥效益。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( - - ) 延缓扩建 水厂建设每l 立方米造价约在3 0 0 1 0 0 0 元之间( 远距离取水造价更大) ， 减少供水管网漏损就等于增加产水，可以延续或降低建设规模，节约建设投资。 ( 三) 降低成本 自来水是经过净化处理并经水泵增压后才由水厂把水供往用户的。净化、增 压过程需要消耗电能、混凝剂和消毒剂，降低漏损就能减少生产过程中各种消耗， 节约费用支出，达到降低制水成本的目的。 ( 四) 预防二次污染 自来水在输送过程中，若发生泄漏，地表排放的污水渗入土壤，会造成供水 管网二次污染，降低泄漏，就可大大减少发生这种水质污染的可能性。 进行供水管网漏损控制，目的就是通过研究漏损的原因、机理和规律，制定 改进措施和应急对策并付诸实现，从而把漏损减少到最低限度，以此来达到减少 生产和管理成本、节约水资源、减少对公共环境的危害、推迟或减少供水系统的 建设投资，提高供水管理水平和服务质量的目的。因此，对国民经济发展和城市 建设有着非常深远的实际意义。 1 2 国内外检漏发展概况 城市供水管网漏损是供水行业普遍存在的严重问题，漏损不仅浪费了宝贵的 水资源，而且还使供水企业蒙受巨大的经济损失，甚至造成严重的社会问题。因 此，世界各国都非常重视供水管网的漏损控制工作，将漏损量的大小作为衡量供 水管网技术与运行状况的一个重要的指标，并将漏损控制作为一项重要的课题来 研究。 1 2 1 国内外研究现状 世界各国尤其是西方发达国家都把供水管网漏损问题作为一项重要的课题 来研究，国际供水协会召开的每届国际会议上都把漏损问题列为一个重要的专 题。发达国家非常重视有关漏损的研究工作，很早开展了漏损检测技术及设备的 研究、开发工作，并成立了相关学术研究机构 2 0 - 3 0 】，如英国水研究中心( w r c ) 专门发表报告，论述漏水控制工作的内容、方法和对策；美国用水工程协会 ( a 、队) 在1 9 7 6 年成立了检漏专业委员会；日本水道协会( m 偈，a ) ，也专门 对漏损控制进行研究，而且都很重视仪器设备的开发和生产。在长期工程实践中 取得了良好的效果。漏损控制已经被作为国民生产中的大系统工程来研究。 目前，我国多数供水设施陈旧、技术水平提高缓慢、管理体制存在许多问题 天津大学硕士学位论文第一章绪论 等原因使城市供水管网漏损率高于国家所规定的标准，距国际发达国家的先进水 平还有很大的差距。各地供水公司开展漏水调查工作，配备有简单的仪器设备， 以管道事故抢修为主，漏水调查靠老工人的经验，多数单位管道漏水控制效果不 好。近几年由于国内经济环境和市场管理机制的改善、有关用水节水政策措施的 颁布，供水管网检漏受到各级政府和各地供水公司的重视，国外成熟的技术与设 备进人国内市场，为开展漏水调查工作提供了良好的条件，各地供水公司相继引 进了不少西方发达国家的先进漏水检测设备。一些供水公司根据自身状况也成立 了相应的检漏队伍，专门从事漏水控制工作，取得了一定的效果，但从总体上来 看和发达国家还有一定的差距，检漏技术人员较少，专业技能较低，对先进设备 的引进和使用没有很好消化，工程经验不足，虽有先进的仪器设备也无法达到应 有的效果f 3 i 3 2 1 。 1 2 2 国内外检漏设备及方法 1 2 2 1 检漏设备 最早出现的检漏仪器是听漏棒【33 1 ，它没有声音增强，仅靠它来确定漏点是 很困难的，但是经过一定训练后，人们可以判定超过一定声强的微弱漏水声的存 在。之后出现了带有声音增强功能的听音杆、电子耳等检漏仪器【3 4 】，用它来确 定漏点取得了带有局限性的成功，提高了定位漏点的准确度，从而提高工作效率。 进一步可以精确定点的器械是类似听诊器的薄膜听漏仪。它实际上就是一个 机械的声音增强器。在薄膜听漏仪的基础上人们又发明了电子放大听漏仪。电子 放大听漏仪是利用传感器把地面震动声音转为音频电压输出，然后通过电子放大 器放大到用耳机可以听到的音量。该仪器一般配合听漏棒仪器使用。首先利用听 漏棒圈定漏水管段后，再用电子放大听漏仪在漏水管段进行精确定点。利用这种 仪器往住需要夜间工作，因为白天外界的干扰声源多，难以准确捕捉漏水声音信 号。目前，电子放大听漏仪已从原来的模拟信号处理发展到现代数字信号处理。 由于采用数字信号处理，使得抗环境噪声干扰能力增强。随着微电脑的发展，电 子放大听漏仪已具备记忆功能，即可以将所测数据储存并在接下去的测量中在显 示器上显示出来，可以准确方便地进行测量比较，从而圈定漏水管段或精确判断 漏水点 3 5 】。 较为高级的检测仪器相关检漏仪的出现，提高了测试速度、准确度，并不受 埋深影响、不依赖经验等特点p ”9 】。1 9 6 0 年英国水研究中心开发了世界上第1 台相关检漏仪，但其体积非常庞大，实用性很差。经过多年的开发和研究，英、 美、法、日相继研制成功了实用性很强的轻型检漏仪。2 0 世纪9 0 年代初期又研 制出利用水噪声的相关检漏仪，提高了检漏设备的可靠性和准确性。日本、美国 天津大学硕士学位论文第一章绪论 在8 0 年代中期还开发了地质雷达，利用无线电波对漏水情况进行检测，并用图 像显示漏水点周围的情况，实现漏水点的精确定位。德国采用模式识别技术( 根 据泄漏信号强度来测定泄漏位置) 。 近年来，欧洲空间局对卫星通信系统的用户进行定位时，开发了一种信息处 理技术，人们从中得到启发，利用数学技术，诸如浑沌理论或分数维为基础的算 法，以及使用神经网络和模糊逻辑方法来分析数据，测定地下水管的泄漏位置， 而且这些方法可在较为廉价的计算机上开发运行。 1 2 2 2 检漏方法 8 0 年代初期，国外的漏损检测和控制已经起步，1 9 8 0 年7 月英国国家水利 常设委员会在泄露方法和实践( 2 6 号报告) 中就已经提到了5 种泄露控制方 法。当前，城市供水管网漏损控制的方法主要有被动检漏法、音听检漏法、区域 装表法、区域测漏法、区域装表兼区域测漏复合法、相关检测法、小区全面声音 检测法、不间断流量检测法、最小夜流量法、应力波法、压力调整法、负压波法、 水力分析法等。下面将介绍一些主要的检测方法【4 8 】： 被动检漏法：是最原始也是经济的检漏方法，主要依靠检漏人员和市民义务 报警，以发现明漏为主，对暗漏一般无能为力，该方法具有极大的局限性，不能 作为主要的检漏方法。 大地湿度检测法：地下管网因为漏水，而其周围大地的导电性在潮湿时会有 所增加，利用仪器测试测区大地的导电性，异常区可能是管网漏水点，这种方法 在某些土质上有较高的灵敏度。 水平衡探测法，也称为经验法、三步法：第一步是利用夜间人们已经休息， 关闭所有的用水器具，在供水管网正常条件下，检测总水表是否走动，或者在正 常供水情况下，分片、分段逐级进行总干管与分干管测漏；第二步是检查下水道， 帮助查找漏水区域；第三步是用各种测漏仪器精确定位。 区域流量测定法，也称区域装表法：首先，将漏水调查区域根据管网状况及 需要，划分为几个小区域，然后，把划分出来的小区域内的管网除留出进水管外， 与外部管网截断，然后在进水管上安装流量计，即可测量出流入该区域的水量。 计量小区内总用水量，同一时刻计量该区所有用户水表水量，对两个流量进行比 较，其差值为小区的漏损水量，若在允许范围内，则不需检修，若超出允许值， 则需要进一步进行音听检漏确定具体漏点。该法初期投资较大，受水表走率不准 的影响大。 升压检漏法：采用的原理类似给水工程中的“打压试验”，目的是将地下暗 漏点变为地面上明漏，开挖准确率1 0 0 。但是，这种方法对供水管网具有一定 破坏性。 9 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 收集式检漏法：该方法对正常的输送管道，通过计算机、传感器组成监测系 统，及时发现管道内壁腐蚀穿孔及外壁防腐层的损坏，并指出泄漏点。其技术要 点必须是在承载流体的装置上，与流体最接近的装置外表面制作可以汇聚泄漏流 体的空间。检测仪器具有检测管内泄漏及管於腐蚀物出现的功能，同时与中央控 制室计算机连接成应答系统，当腐蚀物出现时，检测仪器发出讯号，控制室收到 讯号后发出报警指示，并在计算机屏幕上显示发生事故的地点及存储该点的处理 档案。由于检测系统是免维护结构，所以要求可靠性高，必须要求可靠性设计。 管内调查法：将可用于水中的麦克风、摄像机，送入管线内进行聆听视察， 看是否有反常现象，而这反常现象可能就是泄漏，但目前的困难是追踪电缆的配 置，也许解决此问题的方法为自我推进系统的配置。常用的仪器有内窥镜、井中 电视等。 红外线照相法：自然界的一切物体都辐射红外线，但是温度高低不同的材料 辐射的强度也不同。在冬天漏水现象会造成其邻近地区温度的上升，但在夏天则 会降低邻近地区的温度，因此这也能成为另外一种侦测地下漏水的方法。至少半 年的时间内，在对地表温度分布状况了解后，用此种特定功能的红外线摄像机及 监视系统就有可能被加以运用。目前常用的设备有：红外线测温仪、红外热电视 和红外热像仪等。 示踪气体探测法：在周围环境噪音很大，或管道埋深较深，如条件允许，可 用示踪气体法确定漏点的位置。其适应一切管道、槽缸，对于像供水管道、输气 管道、充气电缆等直埋设施的漏点定位特别有效。其中氢气是一种最为理想的示 踪气体，因为在所有的气体中，其质量最轻、粘滞性最小、渗透性最强，穿透直 埋管道的漏点渗出地面的速度快，且沿地表横向扩散的范围不大，因此具很高的 探测准确度。氢气示踪法的基本原理是将5 的氢气和9 5 的氮气混合气体注 入管道中，然后用氢气检漏仪在管道上检索，检测示踪气体，通过检测泄漏处冒 出至地面的示踪气体准确定位泄漏位置。该方法在技术上可彳亍，但到目前为止无 法证实气体对人体是无害的 地质雷达系统检漏法：地质雷达系统的原理是将射入地下的电磁波的反射收 集后，在阴极射线管( c r t ) 的银幕上以八色图形显示。此仪器将被装载于交通 工具上，包括中央主机( c e n t r a lf l a m e ) 、天线( a n t e n n a ) 的内装式发射器 ( t r a n s m i t t e r ) 及接收器( r e c e i v e r ) ，能与中央主机以几十米的电缆连线。地质 雷达所能收集的资料是非常丰富的，可以检测到目前难以发现的管道泄漏，并且 能收集管道的不均匀下沉等现象的资料，以应用于预防性的管道测量。此外，这 一系列的地下资料亦可以配合原有的资料库，用以保养、维修管道，甚至有助于 建立管网的数据图形系统。目前，地质雷达系统已达到实用的阶段，并引起各产 l o 天津大学硕士学位论文第一章绪论 业界的注意及期待。另一方面，地质雷达系统也存在某些困难，即其所呈现于屏 幕的图形信息必须要接受过特殊训练并有实际经验的工程人员来加以解析，这一 问题目前已在积极研讨中，预计将在不久之后得以解决。 漏水声波检漏法；声波检测技术在国外发展很快，是目前管道检漏技术的重 要组成部分，对管道检漏具有重要的意义：一是可以节约能源；二是可以减少污 染，确保社会安定和人民的生命财产安全。但这一工作很复杂，因为管道的类型、 管道所处的位置和管道周边的边界条件各不相同、千差万别。声波检漏就是以被 输送的液质由管道裂缝、孔洞外溢( 或喷射) 时所发出的声音作为声源，用灵敏 的声学换能器，即接收传感器，将漏泄声音转换成电信号，再经信号处理确定漏 点位置。由于种种复杂情况，漏泄所产生的声波能量不同、中心频率不同、传播 速度和衰减不同，因而为远距离探测带来难度。 应力波法：是利用流体泄漏时引发的沿管壁传播的应力波来判断泄漏和定位 对外带包层或埋地的管道，应力波衰减很快，长距离难以检测，限制了这种方法 的应用 负压波法：近年来，国内外发展起来一种新的检测技术基于现代控制理 论、信号处理的泄漏检测与定位方法，即负压波法。它利用管道突然泄漏时，会 引发在液体中传播的瞬态负压波，通过捕捉负压波传播到上下游的时间差来定 位。负压波法是一种声学方法，所谓压力波实际是在管输介质中传播的声波。当 管道发生泄漏时，由于管内外的压差，泄漏点的液体迅速流失，压力下降。泄漏 点两边的液体由于压差而向泄漏点处补充，这一过程依次向上下游传递，相当于 泄漏点处产生了以一定速度传播的负压波，根据泄漏产生的负压波传播到上下游 的时间差和管内压力波传播速度就可以计算出泄漏点的位置。 水力分析法：随着应用数学和计算机技术的发展，科学工作者在不断丰富和 完善检漏技术、仪器和方法的同时，也不断结合水力方程，综合水力方法对城市 供水管网的漏损预测及定位进行了研究，建立了相应的数学模型。 利用管网解析法推断漏水位置：假设漏水在节点发生，将从漏水孔泄露的漏 水量作为未知数。和通常的管网解析方法相反，求解漏水发生的节点位置和漏水 孔面积的问题，即一部分节点水压为已知数，而一部分节点水量( 漏水量) 为未 知数的问题。 利用流速测量普查检漏法：测量供水管道内的水流速度及其变化量，用来分 析流速变化与漏水点的关系，确定管段内的漏损量，并辅以检漏仪器对漏点进行 准确测定。 利用s c a d a 模型法对供水管网一些节点的水压和流量进行自动监测，并采 用无线传递的方式实时将水压和流量信号传回控制中心，分析管内水压变化与漏 天津大学硕士学位论文第一章绪论 水点的位置，以此来监控整个供水系统的工作状况。s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ) 即铺设于供水系统中的水压或流量自动监测仪系统。常见 的诊断方法有水压测量检漏。首先建立供水管网系统的基本状态方程式，然后推 导出管网运行中出现流量扰动引起水压状态变化的基本关系式，分析漏水量与压 差之间的关系，利用测压方法测出a p ，以达到寻求漏水管段的目的；而后运用 一些数学方法，例如人工神经网络来进行定位。该法响应速度较快，可快速检出 管道较大的泄漏，但投资很大，沿管道需要安装复杂的控制传感系统。 1 3 主要研究目标、内容、方法概述 根据以上情况，本文以供水管网泄漏的检测定位、管网的漏损控制问题为最 终目标。着重对其实现时必须解决的一些问题进行了深入细致的研究。 要建立一个准确、可靠的泄漏定位模型，需要大量的、真实的管网在事故状 态时的运行数据，而实际上，每一事故点的事故次数不可能足够多，而且已有的 历史事故资料记录也不完备，导致其相应的数据量很少，自然也无法建模。为此， 运用了计算机模拟的方法进行建模。首先，选择了华北滨海某区的供水管网作为 研究管网，该区域用水性质比较单一，面积适中，管网中已装有压力监测点对管 网压力情况进行监测，能够为建立一个准确、可靠的泄漏检测定位模型提供数据 支持，比较适合课题研究的开展。 在此基础上，结合实际监测数据和泄漏事故的历史记录，进行了泄漏检测和 定位模型的研究。 首先要进行一系列工作建立供水管网的水力学模型。第一步：利用计算机编 程工具编写可视化的管网平差程序；第二步：根据管网压力监测数据以及管网水 力平差程序，利用优化算法估算管网中各管段的粗糙度系数以及各节点水量；第 三步：当各管段的粗糙度系数模拟误差达到所需要求时，利用得到的各管段的粗 糙度系数对管网进行水力学计算，建立水力学模型。 水力学模型建成后，在其基础上对管网故障进行计算机模拟，建立管网故障 数据库，为进一步分析做准备。 然后，在管网故障数据库的基础上，运用聚类分析和判别分析理论建立