（市政工程专业论文）给水管网漏损控制策略.pdf

摘要 摘要 漏失是供水行业普遍存在的严重现象。漏失不仅浪费了宝贵的水资源，还给供 水企业造成了巨大的经济损失。如何在保证供水安全可靠的前提下，解决供水管网 漏损严重的问题，长期以来一直网扰世界供水行业。因而城市给水管网漏损控制问 题己成为供水行业的一项重要课题。 本文在分析了漏失产生原因后，对现有的各种控制管网漏失控制策略进行比 较：结合我国的供水行业的现状，确定了利用现有管网当中控制阀门资源，实施压 力控制减低漏损的策略。 本文在传统水力学的基础上，引进了考虑漏失存在的连续性方程，并通过差分 进化算法对对实际管网进行校核计算，从而很好地完成对管网的水力分析计算、管 网建模和优化调度等。压力控制中的减压阀的控制模型，根据对用户水量的预测， 提前制定阀门方案，解决将可能出现的管网压力过高问题。通过差分进化算法，对 减压阀出口的压力进行计算得到最优的阀门控制方案 将该方法应用于居民生活小区给水管网系统，比较应用压力管理策略前后的压 力下降，得出了压力管理能够降低管网漏失量，具有很好的社会效益和经济效益的 结论。 关键词：给水管网漏失控制压力管理 a d s t r a c t a b s t r a c t l e a k a g eo fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m si sas e r i o u sp r o b l e mi nw a t e ri n d u s t r i e s l e a k a g en o to n l yw a s t e sp r e c i o u sw a t e rr e s o u r c e s ，b u ta l s ol e a d st om u c hf i n a n c i a l l o s s h o wt os o l v et h i sp r o b l e ma n da s s u r eas t a b l ew a t e rs u p p l yi sad i l e m m at ou s s ol e a k a g eo fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m sh a sb e c o m ea l li m p o r t a n ti s s u eo fc o n c e m t os t u d yi nt h ew o r l d b a s e do nt h ea n a l y s i so fl e a k a g e ，c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gw a y so fs o l v e l e a k a g em a t t e r , a n dc o m b i n e dw i t ht h ew a t e ri n d u s t r i e ss i t u a t i o no fo u rc o u n t r y , t h i s p a p e rp r o p o s eas u g g e s t i o nt h a tm a k i n gu s eo ft h ec o n t r o lv a l v e si nw a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mt oc o n t r o le x o r b i t a n tp r e s s u r e ，t h i ss u g g e s t i o nw i l lh e l pu st or e d u c el e a k a g e b a s e do nt h et r a d i t i o n a lb a s e de q u a t i o no ft h eh y d r a u l i c s ，i n t r o d u c et h e c o n t i n u i t ye q u a t i o n sw h i c hr e l a t e dt ot h el e a k a g e a n dc a l c u l a t et h ew a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mb yd i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h m ，t h i sp a p e ra n a l y s et h ew a t e rp r e s s u r e u n d e rt h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，t h e np r o m o t eam o d l et os e t t l ew a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e ma n dg i v eao p t i m i z i a t o ns e t t l e m e n t b yp r e d i c t i n gt h ew a t e rv o l u m e ，t h em o d e lo fp r vi nt h ep r e s s u r ec o n t r o lg i v e ap l a na h e a dt or e d u c et h er i s kt h a tt h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e ms u f f e re x o r b i t a n t p r e s s u r e t h , ep a p e rc a l c u l a t et h ep r e s s u r ei nt h eo u t l e to ft h ep r va n dg e tt h eb e s t v a l v e sc o n t r o lp l a nb yd i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h m c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n tp r e s s u r e sc h a n g e s ，i tc a ns h o wt h a tt h ep e s sc o n t r o l s t r a t e g yh a v et h ef a v o r a b l es o c i e t a lb e n e f i ta n de c o n o m i cb e n e f i t k e y w o r d s ：w a t e r di s t r i b u t i o n sy s t e m ；l e a k a g ec o n t r o l ；p r e s sc o n t r o l i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：之锄 力妒了年歹月5 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： l 锄 其 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题背景 地球上的淡水资源非常有限，真正可供人类使用、易于取到的淡水仅占地球水 资源的0 2 6 。并且水资源分布很不均衡，约6 5 的水资源集中在不到1 0 个国家里， 而人口占世界总人口的4 0 的8 0 个国家却严重缺水，另外2 6 个国家的水资源也很 少 6 7 。联合国用水会议曾发出警告说：“水不久将成为一个深刻的社会危机， 石油危机之后的下一个危机便是水 。 我国水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ，位居世界第六位，然而由于人口众多，我国人 均占有水资源量仅2 3 4 0 m 3 ，约为世界人均占有量的1 4 ，是美国的1 5 ，加拿大的 1 5 0 ，位居世界第1 1 0 位，被列入世界1 2 个贫水国家名单。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r 乏的影响，使这些地区的国民经济发展受到严重的制约 6 ，8 ， 9 近年来，全国水污染仍呈发展趋势，工业发达地区水域污染尤为严重。据7 大 水系和内陆河流的1 1 0 个重点河段统计，符合“地面水环境质量标准”i 、1 i 类的 占3 2 ，i i i 类的占2 9 ，i v 、v 类的占3 9 。与此同时，城市内及其附近的湖泊已普 遍严重富营养化。此外，全国以地下水源为主的城市，地下水几乎全部受到不同程 度的污染。目前，我国8 0 的水域、4 5 的地下水受到污染，9 0 以上的城市水源严 重污染。水源污染不但影响到人们的健康和工农业生产，而且使有限的水资源遭到 破坏，对城市供水造成严重危害 8 随着我国改革开放的深入，经济建设的迅速发展，人民生活水平的不断提高， 城市用水需求量大幅度增加。为满足这种增长的需要，水厂建设规模越来越大，引 水距离越来越远。由于给水工程是系统工程，一般工程量较大、施工较复杂，建设 周期较长，故所需的资金相对较多，从而形成了城市给水工程建设资金普遍严重不 第一章绪论 足的状态，不少城市的供水不能适应用水发展的需要。 1 2 我国城市供水管网漏失现状 据统计，在全国6 6 6 个城市中，有3 3 0 个城市不同程度缺水，其中严重缺水的 达1 0 8 个城市；在3 2 个百万人口以上的特大城市中，有3 0 个城市长期遭受缺水的 团扰。值得注意的是，在我国经济比较发达，人口比较集中的地区，特别是水资源 短缺的城市，水的供需矛盾尤为突出。在国家大力提倡“开源节流并重，资源合理 配置”的方针指引下，全国各级政府主管部门的重视和全民节水意识加强，每年己 节约用水2 6 亿m 3 ，但全国城市日缺水量仍在1 6 0 0 万m 3 以上，影响4 0 0 多万城市人 口的正常生活，城市工业每年因缺水丽造成的经济损失达2 3 0 0 亿元。缺水问题己 成为我国城市开发建设的中心问题和经济发展的制约因素，并且关系到社会的稳定 1 0 ，1 1 。 城市供水系统是城市的重要基础设施，在保障人民生活和经济建设中发挥着重 要的作用，对城市发展具有全局性和先导性的影响。从1 8 8 1 年在中国的旅顺铺设 第一根供水管道至今已有百余年的历史，在九百六十万平方公里的土地上，仅城市 就埋下了2 0 多万公里的供水管线。近十几年来，尽管根据城市发展需要改扩和新 建了许多给水管网，更换了大量的老化管线，但仍有为数极多的应该退役的管线在 运行。由于供水设施陈旧、技术水平提高缓慢、管理体制尚存在着诸多问题等原因 使我国城市供水漏失现象严重 1 2 ，1 3 ，1 4 1 3 本课题研究的目的和意义 随着社会和生产的发展，以及水资源的日益贫乏、制水成本的日益高涨和能源 紧缺，城市给水管网漏损及其控制问题己成为供水行业的一项重要课题。 如何在保证供水安全可靠的前提下解决供水管网漏损的问题，长期以来一直困 扰世界供水行业，因此降低供水产销差、有效的控制漏损己成为从事供水管网工作 的科技人员和学者致力研究的重要目标。 分析漏损产牛的原因，我们可以找到漏损控制的四条对策： 1 ) 管网的维修管理，管道材质及阀门的更换。 2 第一章绪论 2 ) 紧急抢修。 3 ) 永不间断的检漏修漏。 4 ) 采用压力管理方法降低管网的压力。 在现有的条件下，进行管网漏失研究，控制管网漏失率，找到一条最适合企业 在现有条件下能够经济有效控制漏损的策略，无疑对提高供水企业的经济效益和服 务效益具有深远的意义。 1 4 本课题主要研究内容 本课题着眼于国内城市给水管网目益严重的漏失问题。国内控制漏失的研究还 处于刚刚起步的阶段，急需展开这方面的研究。特别是对于占漏失水量最大比例的 渗漏及背景漏失，力图寻找一条有效的适应我国现状的控制漏失的途径。 本文主要研究内容有： 1 通过对管网漏损原因的分析，提出漏损控制的策略。引入i w a 提出的水平 衡表对实际漏损进行评估，提出降低背景漏失的方法。 2 建立考虑漏失的给水管网模型，通过对于有限的已知数据来校核管网模型， 建立最优化数学模型，对节点的漏失系数采用差分进化算法求解。指导漏 损控制中的微观建模。 3 应用主动压力管理，通过加装调压设备，在保证正常供水的前提下，根据 用水量调节管网中的压力，使管网处于最优的压力条件下运行。为实现对 开启度优化调度，建立最优化数学模型，采用差分进化算法求解，实现了 对管网输配水范围内的压力控制点位置和开启度的优化调度和管理。达到 降低漏损的目的。 第一章漏损的原冈及对簟分析 第二章漏损的原因及对策分析 21 给水管网漏损的主要原因分析 2t 1 管材 在2 0 世纪7 0 年代以前国内在城市供水管道主要使用灰口铸铁管、预应力混 凝土管和钢管。到8 0 年代以后，随着国家对城市基础设施建设投入逐年增加和住 宅产业的快速发展，对城市地下水管道和建筑室内管道的质量要求也不断提高，原 有的管道品种己不能满足工程需要，球墨铸铁管、预应力钢筋混凝土符、塑料管， 塑料金属复合管开始在工程建设中得到广泛应用。 根据天津市自来水公司2 0 0 0 年按管材分类的管网检出的漏点统训 1 5 1 2 0 誓 芩 8 0 数 6 0 4 0 2 0 0 _ j i j i 一 ，【 防l 圈21 从图21u f 看山，镀锌管和灰口铸铁管漏点所占比例较大。 镀锌管的防腐蚀性能不太理想。由于在运输和安装过程中镀锌层不可避免地受 到不同程度的损伤，容易受到腐蚀介质的作用。镀锌管的防腐蚀镀锌层太薄，一般 只有霉点几毫米不能形成氧化锌保护层加r 镀锌管管壁较薄，使用十儿年后就 很容易形成结垢、腐蚀以至穿孔，特别是连接仟道的螺纹部分更是如此。通过分析 第一章漏损的原因及对策分析 漏水原因可知，灰口铸铁管在管道运行中存在一定的弊端：1 ) 在材质方面。铸铁管 较脆，不耐震动，连续浇铸的工艺使管道外壁的强度有所降低，有些厂家在生产过 程中使用强度较低的生铁，使得铸铁管质量下降。另外，铸铁管长期运行受到腐蚀 时，易造成漏水。2 ) 在接口方面，灰口铸铁管接口填料刚性较强，易使管道拉断或 接头部位脱落，导致管道漏水；当土壤有不均匀沉陷时，从力学角度分析会使管道 变成一根很长的承重梁。容易造成接头处折管而漏水。此外，接口质量差接口材料 用量比例不准，敲打不密实，也容易造成接口漏水 1 5 。 2 1 2 施工质量问题 ( 1 ) 铸铁管在接口过程中，油麻填塞不均匀，石棉水泥口或青铅接口敲打不密 实，有的管道竣工后不进行打压试验，致使送水时出现漏水。( 2 ) 沟槽底部和管子 上部没有用沙或细土铺垫、回填，当沟槽出现不均匀沉降时，易使刚性大的管道产 生纵向断裂或承口处断裂。( 3 ) 在承插接头的弯头、丁字支管顶端、管堵顶端等处， 推力较大。若支墩后背土质松动，可使弯头或丁字支管顶端、管堵顶端等处的接口 拉开，引起漏水。( 4 ) 法兰同管线不垂直，两法兰片不平行，垫圈太薄或安歪，拧 紧螺丝时没按对角线或少上螺栓等，都会导致法兰受力不匀而渗水 1 6 1 。 2 1 3 温度的影响 由于管内的水温和管外的土壤温度随季节变化，使管道本身也随温度的变化而 发生伸缩变化，因而在管壁上产生相应的轴向应力。根据虎克定律，气温较低时， 管道受轴向拉应力；相反气温较高时，管道受轴向压应力，而管道的抗压强度均大 于抗拉强度。因此低温时管道收缩使管道增加新的应力，容易使管道损坏，出现漏 水现象，尤其在接口刚性较强的地方更为严重。 2 1 4 地基原因 因地基不良与松软，产生不均匀下沉或管下有大石块、硬物造成局部应力集中， 在内外负荷作用下造成管道断裂、管口豁裂。 1 ) 在管道上覆荷载的作用下，在某些薄弱区域将会产生相对较大的沉陷，导致 管道接头拉裂，管内外压力的不平衡又进一步加剧了扰动，直至管道损坏。 第二章漏损的原凼及对策分析 2 ) 沟槽开挖或超挖使基底产生反弹、扰动后。在回填土重量作用下，又使反弹、 扰动( 或超挖) 部位产生较大的沉降值和差异沉降，并使接口开裂。 3 ) 沟槽回填后，拔桩引起的管沟地基的土层损失，严重松动了管道的地基，造 成管道的不均匀下沉，促使接头开裂。 4 ) 沟槽回填两侧不对称产生较大的水平位移及管道间错位，促使接头开裂，发 生塌陷。 5 ) 外界打桩振动，挤压使粉砂产生扰动、液化，土体结构被破坏。待超空隙水 消散后，管道严重下沉，接头开裂。另外附近深基坑开挖，井点降水引起管道的不 均匀沉降也会导致接头的开裂。 6 ) 车辆严重超载，在冲击荷载的作用下，可能产生严重下沉，造成管道接头错 位裂开。 7 ) 早期的管道接头多为刚性设计，抵抗不均匀沉降的能力很差，加之接头构造 防水设计考虑较少，管道接头开裂漏水已存在先天不足。 2 1 5 运行管理 1 ) 供水压力超过管道承受强度。随着城市建设的发展，给水管网的规模也在 不断地扩大，管网的供水压力也越来越高。供水压力的增高对管道强度的要求也会 相应提高。同时，管道的漏损量也相应随之增加。 2 ) 因水泵开停次数多，闸门开关频繁，使管内水流速度不断发生变化，水锤 作用连续发生，致使管道损坏 1 7 。 2 2 给水管网漏损分类 漏损可以按照是否通过被发现或主动检漏措施探测到，可以分为以下几种类 型： 背景渗漏( b a c k g r o u n dle a k a g e ) 背景渗漏( b a c k g r o u n dl e a k a g e ) ，又称为不可检测的漏失( u n d e t e c t a b l e l e a k s ) 。一般而言，当单个的漏点的漏水量低于4 0 0 - 5 0 0 升小时，一般的检漏设 备则难以检测到了。这些不可检测到的微小流量的漏水统称为背景渗漏，多发生在 6 第二章漏损的原因及对策分析 管道的接头，密封性差的管件，以及金属管道中的微小腐蚀的漏孔。虽然对于每一 个漏点而言，漏水量非常微小，但由于它们难以被检测到，并且大量的存在，所以 其总量非常可观，占物理漏失量的很大一部分。 由于背景渗漏很难被检测到，对于其的控制就比较困难，一般而言，通过更换 管道管件的方式可以有效的降低，但成本非常昂贵。一种有效且经济的方法是通过 系统压力控制的方法。 暗漏( u n r e p o r t e db u r s t s ) ： 暗漏指已发生漏水但还没有冒出地面的漏失，又称为可以通过主动检漏措施 ( a c t i v el e a k a g ec o n l x 0 1 ) 检测到的漏点，在系统中也经常出现。其漏失水量处于中等 水平，取决于系统的压力，运行情况，土壤情况及管道的状况等等。 暗漏持续时间则取决于主动检漏措施的积极性及强度。一个供水系统的检测周 期如果为一年，漏点当中的一些有可能发生在刚刚检测之后，则其持续时间将为近 一年，即漏到下一个检测周期检测出为止。而此时有些漏点也有可能仅仅发生几 天而己。综合而言，根据以往经验，暗漏平均持续时间为检测周期的一半，即若检 测周期为一年，平均暗漏的持续时间为半年，若检测周期缩短为半年，则平均暗漏 的持续时间为3 个月。这一规律可以作为供水企业制定经济合理的漏失检测计划的 重要依据。 明漏( r e p o r t e db u r s o 明漏指漏水已冒出地面的漏失。其流量一般都很大，是可以被用户或路人发现 的漏失，多为爆管事件，对周围环境及用户会产生较大的影响。一般地说，对其处 理速度都很快，因此漏失的持续时间都不长。因此，即使具有较大的漏水流量，但 漏水的量却不大，也易于发现。 2 3 给水管网漏损控制对策 当前，城市供水管网漏损控制的方法有许多种，概括起来主要有以下四种策略： 1 ) 管网的维修管理，管道材质及阀门的更换。 2 ) 紧急抢修。 3 ) 永不间断的检漏修漏。 7 第章漏损的原冈及对策分析 4 ) 采用压力管理方法降低管网的压力。 2 3 1 管网的维修管理 该策略采取的是“事前预防 措施，固然能起到一定的降低漏失率作用，但是 消耗了巨大的物力、人力和财力，增加了供水企业的制水成本； 2 3 2 紧急抢修 该策略是只有在出现爆管事故时采取的最被动的漏损控制措施； 2 3 3 检漏修漏 2 3 3 1 夜间最小流量测定法 夜间最小流量测定法是在夜间着眼于不使用水的时段内漏失的调查方法。把区 域周围的阀门关掉，调整到封闭状态。把区域周围的某一个阀门打开，测定其流量， 此时的最小流量值即为漏失量。测定时可以使用各种的探测仪器，包括使用高精度 可搬式最小流量测定仪。如果漏失水量未超过允许值，则认为符合要求，不需要在 该区进行漏失探测；如果漏失水量超过允许值，则需在该区进行漏失探测仪检漏。 该方法能够很好的快速进行测量区域内漏失量的测定，判断是否存在大型的漏失， 结合漏失检测仪器对该区域内的管网进行漏失点定位。 2 3 3 2 区域测漏法 关闭检漏小区与外界联系的阀门，仅留装有在线流量计的旁通管。测定一段时 间，测得的最低流量可视为区内管网的漏水量。如果通过关闭区内阀门，对比流量 变化，可确定漏失的管段。如果漏失水量未超过允许值，则认为符合要求，不需要 在该区进行检漏；如果漏失水量超过允许值，则关闭部分阀门，缩小测漏地区，再 比较缩小地区前后的最低流量。如果流量不变或在允许值内变化，则说明除排出在 外的那条管段漏失情况正常。如果差距较大，则说明该条管段又漏水。用这样的办 法可以一步步地把所有可能漏水地点缩小到两个闸门之间的管段上。该漏失探测方 法能够将区域内的管网漏失点尽量缩小在最小范围的区域内，甚至于缩小在某一条 管段上，然后利用漏失探测仪器进行漏失精确定位。这种方法的特点是简单实用， 只要测量仪器有足够的精度，就能够很好的解决管网漏失点位置难以确定的难题。 第二章漏损的原凶及对策分析 但是该方法需要将管网划分为足够小的区域以方便测量，同时需要投入大量的人力 物力并进行培训。日本的许多地区就利用这种方法进行漏点探测。例如东京都地区 就将整个地区划分为2 4 个设定地域，每个地域包括了8 个支所、1 7 个事业所进行 漏失的探测、维修。但是效果非常的明显，在? 年时间里，将管网漏水量为2 亿l 千6 百i n 3 ，漏失率为1 2 7 降低到漏失量为1 亿5 千万m 3 ，漏失率为年配水量的 8 9 。 2 3 3 3 瞬态流进行管段漏失点测试 利用瞬态流进行管网漏失点测试的研究是近几年来兴起的管网测漏方法。利用 管网中流体瞬态变化，考虑漏失点出现对流态的影响，应用网格法或者反问题法进 行瞬态分析，确定管段漏点 2 4 ，3 2 ，3 4 现在有效的瞬态分析方法分为两种，阻尼法和反射波法。 阻尼法是指当瞬态压力波沿管线传播时，管道的摩擦阻力和漏失将引起整个瞬 态过程的衰减。这样通过将有漏失存在时管道的阻尼与没有漏失时管道的阻尼相比 较，检测出漏失的存在并将其定位。2 0 0 1 年w a n g 成功地完成了单管的实验室验证， 但由于管网中很多非管元件都会产生阻尼，从中很难区分出漏失产生的阻尼与反 射，因此该方法目前还不能应用于环状管网。 反射波法是指当一个行进的瞬态压力波到达处漏失点时，压力波被部分反 射，另一部分将继续传播。如果能区分出反射波信号( 通常是第一个反射波) ，那么 就可确定漏失位置，即反射时间乘以波速的一半。应用这种方法，1 9 9 9 b r u n o n e 用 一根直径9 3 8 m m 、长3 5 2 米的聚乙烯管对漏失点( 其面积为管道截面积的5 ) 成 功地完成了测试。2 0 0 0 年l e ee t a l 用一根直径2 2 m m 的铜管，对漏失点为直径l mm 的孔口进行测试，同样得到了正确的结果。但目前将这种方法应用到实际管网还很 困难，因为管网中的任何非管元件都可能产牛瞬态反射，单纯的漏失反射很难确定。 瞬态流分析方法是立足于单管分析的方法，还难以应用于复杂的实际管网，并且实 际应用中的干扰因素非常多，因此不足以指导实际的管网的漏点检测。 综合以上所述，可以看出这些漏失点的探测方法大部分需要建立在精密仪器的 基础上，并且投入大量的人力物力。我国现在所用的这些漏失探测仪器基本上从国 外进口，造价非常的昂贵，比如一台德国产雷迪相关仪进口价格是3 5 万。但是在 9 第_ 章漏损的原因及对策分析 我国北方一些地区( 管网埋深较深) ，所受条件的限制非常的多，仪器使用的效果并 不明显。同时我国现有的水司也难以集中大规模的人力进行长期的漏失点探测和检 查。 先进的漏失探测仪器能够探测出管段上大规模的漏失。但是我国现在的管网漏 失大部分来源于管段的小型漏口的漏失，还包括管段部件的渗漏。这些小型的管段 漏失用仪器探测一般是难以探测出来的，因此使用这些探测仪器来降低我国的管网 漏失量是不经济的。 策略3 固然是主动控漏，但是对于不可避免的漏失( 背景渗漏) 是很难通过检 漏方法检测到的，这类漏失中虽然对于每一个漏水点而言，漏水量非常微小，但是 漏点大量存在，积少成多，漏水总量还是相当可观的，占物理漏失量的很大一部分。 2 3 4 压力管理 压力管理即在保证用户正常用水的前提下，通过加装调压设备，根据用水量调 节管网压力为最优的运行条件。压力管理方法的优点显而易见。若管网压力过高， 即使积极采取主动检漏、修补漏点的措施，也无可避免地会不断出现新的漏点，造 成“补老漏出新漏的恶性循环。采取压力管理方法，确保供水管网满足用户压力 需求的前提下降低管网的富余压力，可大大降低管网由于压力过高造成漏失的频 率，尤其是对降低背景渗漏等不可避免的漏失有很好的效果。另外，压力管理还可 以有效降低爆管事故发生的可能性，延长管道的使用寿命。 综上所述策略4 则能有效减少背景渗漏量。因此，压力管理方法被认为是一种 减少供水管网漏损最为快速、有效的主动控漏方法。 1 0 第三章给水管网漏损评价 第三章给水管网漏损评价 3 1 给水管网漏损水量组成 3 1 1国内管网漏失评价方法 我国于2 0 0 2 年首次制定的供水管网漏损控制和管理的行业标准城市供水管 网漏损控制及评定标准( c j j9 2 2 0 0 2 ) 定义了“供水总量”、“有效供水量”、“管 网漏水量”、“漏损率”和“基本漏损率 ，为城市供水管网漏损控制和管理建立了 可行的评定标准。同时，引进国际先进技术，规范了供水管网漏损检测技术方法，成 为国内供水行业管网漏损控制中有效的管理技术规范，指导供水行业不断提高管网 漏损控制技术水平，取得了良好的效果。 5 3 1 2 国外经验 鉴于一直以来绝大多数国家对供水系统水漏失的量化定义都很含糊，国际水协 于1 9 9 6 年成立了一个工作小组，组员为来自英国，美国，西班牙，德国，日本等 国的供水系统专家。工作组前后花了三年的时间，考察了各国的具体情况，从供水 系统的水量平衡，即供水的水源，不同用户的使用情况，漏失的组成等方面给予一 个相对统一，完整且具有较高适用性的定义及分类( 见表3 1 ) 。此表目前已是北美 供水公司管理人员用于其水量结算及水漏失控制工作的基本依据。 表中名词含义： 系统供水总量( t o t a lw a t e rs u p p l y ) ：水厂供出的经计量确定的全部水 量。 系统有效供水量( e f f e c t i v ew a t e rs u p p l y ) ：水厂将水供出厂外后，各类 用户的合法用水量 系统有效供水量：包括收费的( 即售水量) 和不收费的( 即免费供水量) 。 售水量( w a t e ra c c o u n t e df o r ) ：收费供应的水量。包括生产运营用水、 公共服务用水、居民家庭用水以及其他计量用水。 第三章给水管州漏损计价 黔鬻b 1 1 1 e d l 1 e t e r c dc o n s u m d t i o n 黪鹱_ 辩 计量售水量 r e v e n u e 蛰豢一i 舅 w a t e r + 水世 懿 许水盛 m 1 ie d m e t e r c dc o n s u m p t i o n 未训= | 抟倍水量 藤 u n b l l 】e dl k t e r e dc o n s o t t o n 计量免费口 水盈 馥精巍蕊秘豳燕 免费供水量 u n b i l i e du 1 1 m e t c r e dc o n s u m p t 】o n 戮滚滋 未计量免钝供水帚 雾 u n a u o rz c dl o n 1 0 n m 浊川水( 街益、欺诈等) n o n 帐】溜球量 k e v e n u o c u $ t o m e l r e t e ri n a c e u r a c i e s w a t s r 裘“量误麓 产销茬水 _ t c r 盈 l o s s e s ( m w ) 系统 搬水最 输水竹盟下i t 蹦水盆 管网踊水 ( 物理漏水呈) 水池，水蟮等涪漏及溢流 l e a k a g eo ns e iec o n n e c t l lj d 进一管精失量 褒3 i 水量、r 衡表 免费供水量( c o n s u m p t i o nf o rf r e e ) ：实际供廊并服务于社会而又不收取 水费的水量。如消防灭火等政府规定减免收费的水量及冲洗在役管道的自 用水最。 帐面漏失( a p p a 心n tl o s s ) ，又称为“纸上漏水量( p a p e rl o s s ) ”：它指的是由 于用户水表计带不准确，收费或财务j 的错误，未经授权的非法用水等给 第三章给水管网漏损评价 水公司带来经济上损失的部分水量。 供水系统物理漏失( p h y s i c a ll o s so rr e a ll o s s ) ：通过系统输配水管网 及城市蓄水设备渗漏，漏失及溢流到外界的部分水量。它增加了不必要的 供水设施建设，加大了运行操作成本，物理漏失更是对水资源的一种巨大 浪费。 产销差水量( n r w ，n o nr e v e n u ew a t e r ) 供水企业提供给城市输水配水 系统的自来水总量与所有用户的用水量总量中收费部分的差值定义为产销 差水。产销差水量= 免费供水量+ 物理漏水量+ 帐面漏水量 城市供水系统的物理漏失一般被认为发生在系统的以下各个部分： 1 输水干管及一级输水系统 2 城市配水管网 3 连接用户的支管 4 输配水系统的管件，比如阀门及计量仪表等 5 水池水塔等渗漏及溢流 根据法国和欧洲的经验，通过水池水塔等渗漏及溢流量一般都不高，通过输 水干管的漏失可占总漏量的1 0 ，通过阀门及计量仪表等管件的漏失可占总漏量的 1 0 ，其他的则通过配水管道及连接用户的支管漏掉了。 根据明细程度可将水量平衡表的标准格式分为两个层次。第一层次为宏观上的 年度供水管网水量平衡单元。平衡计算的主要目标单元为产销差和真实漏损。产销 差指供水企业提供给城市输配水系统的自来水总量与所有用户的用水量总量中收 费部分的差值。它在图中为年度系统供水总量与售水量间的差额。真实漏损指从加 压系统到用户测量点的物理漏损量，是系统损失水量与表观漏损量的差额。第二层 为第一层的细分单元，用于校验漏损管理策略的有效性 1 8 。真实漏损量在第二层 的分项数据的确定可根据当地实际情况和相关管道属性参数，用基于2 4 h 的分区测 量法或最小夜间流量法分析得到真实漏损的具体数值。将这些相关函数计算值的各 项加和与平衡算法所得值对比，从而确定管网漏损与管道属性之间的相关性。 1 9 ，2 9 水量平衡表通常需要一年左右的建立，并需对后续相关数据加以观测加完善。 第三章给水管网漏损评价 3 2 给水管网控漏指标 3 2 1不可避免的物理漏失量 不可避免物理漏损量是指在现有技术下不可避免的物理损失量。在大量调查统 计数据基础上，建立了u a r l ( l d ) 与管网管道长度l m ( k m ) 、用户接管数n c ( 个) 、用 户管道总长度l p ( 1 ( 1 1 1 ) 和管网平均压力水头p ( m ) 间的关系为： u a r l = ( 1 8 l m + o 8 n c + 2 5 l p ) p 。 上式表明，u a r l 主要发生在用户端的管道和区域内，而在输水管道中所占比例 甚低，与目前国内的普遍认识具有较大的区别 5 ，3 8 。 不可避免漏损量参考数据见下表3 2 单位：l ( 接户管d ) 干管接户管平均运行压力m 数个k m2 04 06 08 01 0 0 2 03 4 6 81 1 21 4 61 7 0 4 02 55 07 51 0 01 2 5 6 02 2 4 46 68 81 1 0 8 02 14 1 6 2 8 2 1 0 3 i 0 0 2 03 95 97 89 8 表3 2 管道物理漏失量参考指标 例如平均运行压力2 0 m 的干管若每k m 有2 0 个接户管，则在最佳维护条件下每 日的漏损量仍可能达到3 4 l ，而同一管路在4 0 m 的压力下漏损量将加倍。而当压力不 变，接户管数加倍时，单位漏损量为2 5 l ，并未减半。因此在比较管网管理水平时，应 结合考虑运行压力和接户管数，在同等条件下比较 1 9 。 3 2 2 系统漏控指标 系统漏控指标i l i 是一个无量纲的比例值，定义为供水系统现有的年物理漏失 总量( c u r r e n ta n n u a lr e a ll o s s ) 除以系统不可避免的物理漏失量( u a r l ) ，即： i l i = 现有的物理漏失量系统不可避免的物理漏失量 系统漏控指标反映了供水企业现行的控漏水平。根据对若干个供水企业调查的 结果显示，1 2 个系统的i l i 低于2 ，也就是说他们采取了积极的控漏措施，控漏水 平很好。而8 个供水系统的i l i 高于8 ，说明其控漏水平较低，无论从经济的角度 还是环境的角度，都需要采取积极的行动提高其控漏水平。剩余的供水企业则处于 1 4 第三章给水管网漏损评价 2 - 8 之间，基本还算合理，这充分说明了不同管网的漏损控制水平存在很大差别 5 。 3 2 3 给水管网经济漏控水平 经济漏控水平( e c o n o m i cl e v e lo fl e a k a g e ，e l l ) ：从理论上讲，e l l 就是当 用于控漏所需的投入与控漏所节省的水的价值相当的时候的i l i 值 3 7 3 。 不可避免的物理漏失的概念仅仅从技术的角度考虑，经济漏控水平则引入了费 用的概念。对于不同的系统，其要求是不同的。表3 3 给出了i w a 推荐给供水企业 的确定其经济漏控水平的指导。 e l l 目标 水资源的考虑建设运行的考虑财务上的考虑 水资源非常有限，或如果漏失高于此水平，则 开发水资源费用很高。由于政策法 l 一3 规或消费者的能力，不可能通过提 难以开发新的水资源糟开发新的供水设施 高水费增力【1 收入 水资源是是足够的，只要保持现有的控漏水水资源可以以合理的价格进行开 3 5 但从持续性发展的角平，则现有的供水设施足发或购买。一定的水费增长可以被 度要求节水以满足需求量用户接受 水资源极为丰富，且易现有供水设施1 f 常稳定，现有的水处理成本很低。完全可以 5 8 于，宜丁开采可靠的满足需求转嫁剑用户 8 从建设运行及财务的角度考虑，有些供水系统可以保持较高的i l i ( 7 8 ) ，但一般主张 以上供水系统冈采取- 定的措施，逐步降低至更低的水甲。 表3 3 经济控漏水平建议 3 2 4 供水服务性能指标 国际水协根据计算涉及的水量平衡标准格式中单元是否与售水有关，可将指标 分为水资源指标、财务指标和运行指标。同时全部性能指标可按照反映管网综合状 况的详细程度分为l 、2 、3 三个等级，详见表3 4 。 ( 1 ) 1 级指标( l 1 ) ：表达供水的效率和效益的总体管理状况，也称基础指标。通 常包括无效供水率、未计量用水率、真实漏损率、表观漏损率等。其中未计量用水 率可直接由平衡标准格式结果计算，真实和表观漏损率是常规指标。本级指标局限 于比较单一管网系统内的工况，无法对不同系统进行比较。 ( 2 ) 2 级指标( l 2 ) ：考虑了不同区域的管道压力状况，信息较为深入，能用于比 较不同的管网系统，通常以单位有压接户头真实漏损量表示，该部分指标未在考察 第三章给水管网漏损评价 管网漏损水平的指标中出现。 ( 3 ) 3 级指标( l 3 ) ：在考虑了成本和管理因素的基础上提出未计费用水率和供 水设施漏损指标 1 9 。 指未计量真实漏损表观漏损供水设施单位成本 标 无效供水率真实漏损量 用水率率 童 漏损指标 产销差 类财务指 型 水资源指标运行指标运行指标运行指标运行指标财务指标 标 级 别 l 1l ll 1l il 2l 3l 3 丝 l ( 接户 0 接户l ( 接户 位 头d ) 头a 头d 1 1 1 ) 真实 未计量 计漏水外地引 用水量漏损水量表观漏损 真实漏损量 真实漏损 未计量用 算 量入水 系统供f 畿户头量接户头 lo o o ( 接 量基底 水成本 方( 本量) 水量数数 户头数3 6 5 漏损量 年运行成 法 地取 1 0 0 水压)本x 1 0 0 水量+ 1 0 0 当接户头 当接户头 密度 密度 当接户头密 在良好漏 未计费用 仅说明水资源 2 0 k m 干 c r ) d ，m b r ( f ) ( i - 1 ，2 ，n p ；j _ 1 2 ，d ) 式中：d b ( j ) ：产生 0 ，l 】之间随机数发生器的第j 个估计值；m b r ( i ) l ， 2 ，d 一个随机选择的序列，用它来确保“加+ - 至少从屹，g + i 获得一个参数；c r ： 交叉算子，取值范围为 0 ，l 】。 边界条件的处理： 在有边界约束的问题中，确保产生新个体的漏失系数在可行域中。将不符合边 界约束的新个体用在可行域中随机产生的参数向量代替。即：若，g + 巧，那么： ，g + i2 r a 卵嘭 ( x ，( t ) + 华( i ：l ，2 ，n p ；j - 1 ，3 ，d ) 6 对临时种群进行评价，调用e p a n e t 进行水力平差，并计算临时种群中每个 个体的目标函数值。 7 进行选择操作，得到新种群。 选择：为决定试验向量吩，g + i 是否会成为下一代中的成员，d e 按照贪婪准则将 试验向量与当前种群中的目标向量 g + t 进行比较。如果目标函数要被最小化，那 么具有较小目标函数值的向量将在下一代种群中赢得一席地位。 8 进化代数k = k + i ，转步骤( 4 ) 。 第五章考虑漏失的给水管网模型 5 3 2 4 差分进化算法求解优化模型流程图 开杏台 产生初始漏矣系数初始群体l 调用e p a n e ：对初始群体进l c 足) o f 歹m b r ( i ) ( i _ l ，2 ，n p ；j = l ，2 ，d ) 式中：r a n d b