（环境工程专业论文）城市供水管网运行状态研究.pdf

摘要 中文摘要 本课题以城市供水管网的运行状态为研究内容，为便于研究，建立了供水管 网物理模型；基于该物理模型，进行供水管网的常规运行和漏损模拟实验；建立 管网状态估计数学模型，并进行漏损状态分析；在此基础上开展了压力分布研究 和管网水质模型研究，为实际供水管网的模拟和控制提供科学的方法和依据。 首先，基于管流的变态相似理论，推导供水管网原型和实验模型之间的各种 相似关系，分析并确定了承压管网符合欧拉相似定律；依据管网的简化原则，对 所研究区域复杂的管网进行简化，得到适合建立实验模型的管网简化结构；提出 构建供水管网实验模型的具体方法和步骤，确定实验模型的变态率和具体参数： 应用美国国家环境保护总局开发的管网模拟软件e p a n e t2 0 软件模拟管网运行 情况，对比管网实验模型和原型的运行检测数据，证明模型的管道流量、流速指 标能够与原型很好地满足相似关系，此模拟方法有效可靠。 其次，针对城市供水管网压力监测点设置较少，且采集的状态变量有限。不 能全面有效地反映管网的运行状态这一实际情况，建立了基于粒子群优化算法 ( p s o ) 的b p 神经网络状态估计模型。p s o 是基于群体智能技术的全局优化技 术，通过粒子间的相互作用，对解空间进行智能搜索，从而发现最优解。应用 p s o 对神经网络权值进行优化，建立p s o b p 神经网络。结果证明，p s o b p 方 法具有满意的收敛速度和精度。 再次，采用多种方法进行管网模型的渗漏和爆管实验，在实验数据的基础上 进行漏损的相关性分析。从供水管网的压力分布特性出发，提出了运用趋势分析 法建立供水管网压力分布曲线和三维趋势面模型，讨论了模型求解的步骤。结果 表明，该模型能够实现管网压力的连续性模拟，为解决城市供水管理和调度系统 中管网压力模拟问题提供了一个新方法，增强了决策的科学性和准确性。 最后，介绍了余氯衰减数学模型。本文采用一级动力学方程对余氯在主流体 和管壁中的衰减进行描述，建立余氯动态模型；模型考虑了管网中余氯沿管道水 流的反应过程、余氯与管壁上微生物的反应过程、余氯在管壁腐蚀过程中的消耗 以及余氯在主流和管壁之间的质量传输过程；利用e p a n e t2 0 模拟求解，并在 物理模型的构架中，使用m a t l a b 软件进行余氯分布模拟分析。 关键词：供水管网物理模型相似理论状态估计漏损压力控制水质模型 a b s t r a c t 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 to p e r a t i n gs t a t eo ft h ew a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , e x p e r i m e n t a lm o d e li se s t a b l i s h e dc o n v e n i e n tf o rs t u d y i n g g e n e r a la n dl e a k a g e o p e r a t i n gs t a t ea r es i m u l a t e di nt h ee x p e r i m e n t a lm o d e l ，m a t h e r m a t i c sm o d e lo ft h e n e t w o r ks t a t ee s t i m a t i o ni se s t a b l i s h e d a l s o ，l e a k a g es t a t ei sa n a l y z e d , p r e s s u r e d i s t r i b u t i o nm o d e la n dw a t e rq u a l i t ym o d e la r eb a s e do ne x p e r i m e n t a lm o d e l ，a l lo f t h es t u d yp r o v i d i n gm e t h o da n df o u n d a t i o nf o rs i m u l a t i o na n dc o n t r o lo fr e a lw a t e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k f i r s t ，s e v e r a ld i f f e r e n ts i m i l a r i t yr e l a t i o n sb e t w e e na c t u a ln e t w o r ka n d e x p e r i m e n t a lm o d e la r ed e d u c e db a s e do nd i s t o r t e ds i m i l a r i t yt h e o r yo fp i p el i q u i d ， f i n a l l y , e u l e rs i m i l a r i t yt h e o r yi sc h o s e nt ou s e n e t w o r ks i m p l i f yt h e o r yi su s e di n s i m p l i f yt h ec o m p l i c a t e dn e t w o r ko ft h i sa r e a ，p r o p e rn e t w o r ks t r u c t u r ei sf i n df o r c o n s t r u c t i o no fe x p e r i m e n t a lm o d e l ，p o s s i b l em e t h o da n d p r o c e s sa r ep u tc o n s t r u c t i n g t h ee x p e r i m e n t a lm o d e lo fw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h ed i s t o r t e dr a t ea n dp a r a m e t e r o fe x p e r i m e n t a lm o d e la r ed e c i d e d e p a n e ts o f t w a r ei su s e df o rs i m u l a t i n gt h e o p e r a t i n gs t a t eo fw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，w e l ls i m i l a r i t yr e l a t i o n s h i po fp i p e r u n o f fa n df l o wv e l o c i t yb e t w e e nt h em o d e la n dt h ea c t u a ln e t w o r ka sw e l la s c r e d i b i l i t yo ft h es i m u l a t i o nm e t h o da r ep r o v e db yt h eo p e r a t i n ga n dm o n i t o r i n gd a t a s e c o n d l y , o w i n gt ol e s sm o n i t o r i n gn o d e si nw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , t h e c o l l e c t e ds t a t ev a r i a b l e sa r el i m i t e da n dc a n te f f e c t i v e l yr e f l e c tt h eo p e r a t i n gs t a t eo f t h en e t w o r k , s oab ps t a t ee s t i m a t i o nm o d e lb a s e do np a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) i se s t a b l i s h e d p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sak i n do fs t o c h a s t i c g l o b a lo p t i m i z a t i o nb a s e do ns w a r f f li n t e l l i g e n c e ，t h r o u g ht h ei n t e r a c t i o no f p a r t i c l e s ， p s os e a r c h e st h es o l u t i o ns p a c ei n t e l l i g e n t l ya n df i n d so u tt h eb e s ts o l u t i o n , a d o p t s t h ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o no p t i m i z e st h ep o w e rv a l u eo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s e tu pp s o b pn e t w o r kt of m dt h es o l u t i o no ft h em o d e l r e s u l to ft h ep s o b pm o d e l s h o w st h a tp s o - b pn e t w o r ki sb e t t e ri nw a t e rd e m a n d p r e d i c t i o na n dp o s s e s s e sh i g h e r f o r e c a s t i n gp r e c i s i o na n da c c u r a c y t h i r d l y ，e x p e r i m e n t a t i o no fl e a k a g ea n db u r s ti nn e t w o r km o d e la r ep r o c e s s e d ， l e a k a g ec o r r e l a t i v ea n a l y s i sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a b a s e do nt h ed i s t r i b u t i o n o fp r e s s u r ei nw a t e rs u p p l yn e t w o r k ，p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nc u r v ea n dt h r e ed i m e n s i o n a l a b s t r a c t s u r f a c em o d e la lep u tf o r w a r d m e t h o do fs o l v i n gt h em o d e li sd i s c u s s e dt h a th a s b e e nv a l i d a t e dw i t ha ne x a m p l e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h em o d e lc a nr e a l l yc a r r y o u tt h ec o n t i n u o u ss i m u l a t i o no fp r e s s u r ei nn e t w o r k , a n dp r o v i d ean e wm e t h o dt o r e s o l v et e c h n i c a lp u z z l e so ft h ep r e s s u r es i m u l a t i o no fn e t w o r ki nu r b a nw a t e rs u p p l y a n do p e r a t i o ns y s t e m ，a n de n h a n c et h er a t i o n a l i t ya n dv e r a c i t yo fs tr a t e g y i nt h ea n d m o d e l so fr e s i d u a lc h l o f i n ed e c a yi nn e t w o r ki sd i s c u s s e d t h em o d e l o ff i r s t o r d e rd e c a yr e a c t i o ni sa d o p t e df o rc h l o r i n ed e c a yd y n a m i cm o d e l t h e c o n s u m p t i o no fc h l o r i n er e a c t i n gw i t hc h e m i c a l sa n dm i c r o b e si nb u l kw a t e lw i m b i o f i l m so nt h ep i p ew a ri sd i s c u s s e d ，b e s i d e s ，t h er f t a s st r a n s p o r to fc h l o r i n ef r o m b u l kw a t e rt op i p ew a i li sc o n s i d e r e dt o o n l ep i p e ss i m u l a t i o ns o f t w a r ee p a n e t2 0 w h i c hi sd e v e l o p e db yn a t i o n a le n v i r o n m e n tp r o t e c t i n gb u r e a uo fu s ai su s e dt o s o l v i n gt h em o d e l ，a n dt h em a t l a bs o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t i n gt h ed i s t r i b u t i o no f t h ec h l o r i n ei nt h en e t w o r kb a s e do nt h ed a t ao fe x p e r i m e n t a lm o d e l k e yw o r d s ：w a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，e x p e r i m e n t a lm o d e l ，s i m i l a r i t yt h e o r y , s t a t ee s t i m a t i o n , l e a k a g e ，p r e s s u r ec o n t r o l ，w a t e rq u a l i t ym o d e l 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，也不包含为获得鑫洼盘堂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：名册签字嗍如吕年r 学位论文版权使用授权书 月刁日 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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：抓 习日 | 导师签名歹厶雾名 签字日期：抄矿年厂月砂芦 天津大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 1 1 1 课题的研究背景 水资源是人类生存和发展的根本。我国是一个水资源总量丰富的国家，我国 的淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯 和加拿大，名列世界第四位。但是，我国的人均水资源量只有2 3 0 0 立方米，仅 为世界平均水平的1 4 ，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。同时，我国又是 世界上用水量最多的国家。仅2 0 0 2 年，全国淡水取用量达到5 4 9 7 亿立方米，大 约占世界年取用量的1 3 ，是美国1 9 9 5 年淡水供应量4 7 0 0 亿立方米的约1 2 倍。 另外，我国的水资源还存在着地区和季节分布严重不均、地表水污染日趋严重、 过度开发等问题。因此，在现有水资源的状态下，加强供水设施的管理，减少供 水事故的发生，是提高水资源的利用效率、节约用水的重要举措。 城市供水管网是人民赖以生存的重要基础设施，管网和运行设施的高效运 行，供水水力和水质安全，历来受到政府和运营机构的高度重视。做为现代文明 的标志之一，城市集中供水走过了1 0 0 多年的历程。这一个多世纪以来，城市集 中供水为社会的发展提供了稳定、安全、可靠的水源，对于提高人类的生活水平 和生活质量起到了举足轻重的作用。我国城市供水事业自新中国成立以来有了迅 速发展，1 9 4 9 年，全国仅有水厂6 0 座；2 0 0 4 年城市供水厂达到30 0 0 座，供水 管网长度3 5 84 1 0 千米，供水日综合生产能力2 47 5 3 万立方米，城市供水总量 4 9 0 亿立方米，用水普及率达8 9 0 。随着国家经济的发展，城市集中供水模式 逐渐走入大多数人的生活，城市供水对人民生活水平的提高发挥着愈来愈重要的 作用。 城市供水管网的建设需要大量的管道、阀门、检查井、加压泵站等基本固定 设施的投入；在日常运行过程中供水管网还要大量电力维持，供水管网是大多数 城市的电能消耗的第一大户；供水管网做为地下的承压的管道，遇到压力不均匀 或外部荷载变化，或由于管网腐蚀造成管道局部脆弱，会出现管网渗漏或管网爆 管情况，不仅损失了大量的清洁水源，同时流失的水还到走了大量的动力势能： 天津大学博士学位论文 第一章绪论 大规模的爆管会在一定程度上对城市的其它基础设施，如路面、电力管道、通讯 管道等造成破坏性危害；对于小规模的管网渗漏，由于难以发现，不仅造成了长 期累积性的浪费，还会对土壤冲击产生路面不均匀沉降等问题：另外，从水厂到 用户经过管网输配的过程中，还可能由于管材、渗漏、停留时间等原因造成水质 的二次污染，使原本出厂达标的自来水到达用户时不能满足国家规定的饮用水水 质标准。 因此，如何在了解供水设施运行模式的基础上，深入的研究管网的运行状况， 合理控制和调节供水设施的运行状态，在保证供水水质和水量的同时减少漏失 量，是本课题研究的主要目的。在国家大力倡导循环经济和节能减排的今天，本 课题具有重要意义。 1 1 2 课题的研究意义 供水系统是城市的命脉，是保障人民生活、发展生产不可缺少的物质基础， 直接关系到社会的稳定和经济的发展，有及其重要的地位。随着城市化进程的加 快，经济发展以及人民生活水平的提高，社会对城市供水的供给安全可靠性以及 服务质量提出了越来越高的要求。目前，城市供水系统还存在着管网漏损、管网 运行管理不善和管网水质等问题。 1 1 2 1 管网漏损问题 引起管网漏损的具体原因很多，例如管网内部压力分布不均、管道服役时间 过长、地震等灾难性地质变化、外部荷载的突然变化等。 管道服役时间过长在一些城市的老城区尤为严重，很多供水管网敷设时间在 5 0 年以上，管材质量差、长期超限运行、年久失修、老化严重，已经不能承受 管网的水压，造成爆管以及各种形式的明漏、暗漏。 管材是漏损的又一个重要影响因素。现有供水管网中，灰口铸铁管占较大的 比重，大多数城市达5 0 以上，个别城市甚至达9 0 以上；大多数安装时间较 长的灰1 3 铸铁管的质量己不符合国家规范的要求，灰1 3 铸铁管抗压强度低，加之 管网配件质量差，接口技术落后，导致管网抗腐蚀强度低：此外，材质差、抗冲 击和抗腐蚀能力差的普通水泥管和镀锌管也占有相当比例。因此，逐渐改造和取 代低品质管材是控制漏损的有效方式。 地震等灾难性地质变化是造成管网大面的突发性破坏的另一原因。我国位于 世界两大地震带环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板 块和菲律宾海板块的挤压，中国地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广，是 一个震灾严重的国家。地震发生后，受到损坏的供水管网具有整体变形严重、修 天津大学博士学位论文第一章绪论 复困难等特点。 根据2 0 0 4 年城市供水统计年鉴，全国5 2 9 座城市的平均漏损率为17 9 2 ， 年供水漏损总量为4 7 亿立方米【，相当于近1 3 座供水量1 0 0 万m 3 d 的特大型 水厂一年的供水总量。城市供水在无利润的情况下，其平均成本约为1 1 元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5 1 7 亿 元。管网漏损除了产生直接的经济损失外，还会造成较大的社会损失，甚至造成 灾害。据查证，供水干管泄漏是导致滑坡事故和引起建筑物的基础设施损坏的重 要原因【2 1 。 针对上述存在的问题，从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，改善给水服务供应和提高供水企业的经济效益和服务效益，进行管 网漏损管理研究和控制管网漏损率是非常必要的。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，它已成为整个供水事业的一个不可分割的 重要组成部分。我国建设部也十分重视此项工作，在城市供水行业2 0 0 0 年技 术进步发展规划中明确提出把“降低漏耗”作为五个主攻方向之一。 漏损研究带来的潜在利润是十分可观的，假设经过有效的漏损管理和控制， 漏损率下降至1 2 0 0 ，与2 0 0 4 年相比可减少漏损水量1 5 5 3 亿立方米，挽回漏 损所造成的经济损失可达1 7 0 8 亿元。因此，探索给水管网漏损控制理论和方法， 提高供水安全可靠性，有效控制和降低管网漏损率是十分必要的。 在水资源匮乏、水污染严重、建设资金短缺以及城市供水不能满足正常用水 的情况下，加强漏损控制对于有效地利用水资源，减少对环境的危害，减少或延 缓给水系统建设投资，降低运行和管理费用，改善服务供应，提高供水企业的经 济效益和社会效益，具有十分重要的意义。目前，我国管网漏损现象仍十分严重， 漏损控制可以有效地节约水资源，提高供水企业的经济效益。漏损是供水行业普 遍存在的现象，给水管网漏损问题应是标本兼治，并以治本为目标。而要想从根 本上解决漏损问题，应从漏损原因上和漏损机理上进行合理的分析，从而为选择 漏损控制方法并采取针对性措施提供依据。 1 1 2 2 管网运行管理问题 合理的管理是供水管网高效运行的关键环节，目前我国的管网运行管理方面 主要存在以下及各方面的问题： ( 1 ) 管网需水量大量增加与管网管径改造工作滞后之间的矛盾：一些城 市经济发展迅速造成人口大量增加，用水量骤增，与此同时，与此同时，局部地 区供水管径偏小，供水压力明显不足，断水现象时有发生，给居民用水带来不便， 成为供水瓶颈。 天津大学博士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 城市供水格局发生了较大变化：为适应城市供水发展的需要，一些 城市将不同时期或不同地区的供水管网进行联网供水，出现了管材混杂的情况， 承压标准较低的管段处于超负荷运行状态，爆管事故增多。 ( 3 ) 供水水源的变化：一些城市由于新建水源工程，将地下水源更换为 地表水源，或增大地表水源比例，为弥补被替代的补压井的压力损失，提高了管 网压力，超出原管网的设计标准，一部分管道破损，管网漏损严重。 ( 4 ) 供水管网布局不合理：长期以来，管网大多凭经验进行布局，缺乏 统筹规划的思想，致使管线连接复杂、铺设冗余，系统布局不合理，导致管网优 化运行决策难度大。 1 1 2 3 管网水质问题 当前，我国大多数的城市供水企业在净水厂的水处理工艺和消毒技术等方面 已经达到国际水平，水在净水厂经过严格处理后，各项水质指标达到国家生活饮 用水卫生标准。但是，当饮用水经过复杂庞大的供水管网被输送到用户终端时， 庞大的底下管网就如同一个大型反应器，出厂水在管网中均有一定的停留时间， 水在这样的反应器内发生着复杂的物理、化学和生物变化，从而导致饮用水水质 发生变化，进入用户时水质会有所下降，甚至可能达不到国家规定的饮用水卫生 标准。 我国饮用水卫生专家分析近年来的饮用水二次污染后发现，出厂水经供水管 网和二次供水设施后水质合格率下降了近2 0 。对国内数个给水管网进行调查统 计和模拟计算，发现管网中水的流经时间普遍较长，可达a n 十个小时【3 】。水在 管网中发生复杂的物理、化学、生物学变化，管网末端的水质，特别是浊度和余 氯可能发生明显的降低。据相关资料报道【4 】 5 】【6 1 ，对国内4 5 个城市( 其中回函3 6 个) 的调研函件结果( 平均值) 分析，管网水浑浊度比出厂水增加0 3 8n t u ， 色度增加0 4 5c u ，铁浓度增加0 0 4m g l ，锰浓度增加0 0 2m g l ，细菌总数增 加1 8c f u l ，大肠杆菌增加o 4 个l ，这些数据表明我国城市供水己经存在管网 水质恶化、二次污染的问题，降低了饮用水的质量，影响了居民的身体健康。 分析给水管网水质污染的原因，主要有三个方面：一是管网的管材问题，以 灰铸铁管为主要材料的管道质量和性能较差，腐蚀造成的二次污染严重；二是管 网中存在消毒副产物和管网水质的化学及生物稳定性问题：三是管网布局不合 理，部分区域存在管道流速过缓，水在管网中的停留时间过长，造成余氯浓度过 低。 由此可见，在注重饮用水水源保护、处理工艺合格、保证出厂水水质达标的 基础上，防止管网水质恶化，并将优质饮用水安全输送到终端用户，是城市供水 天津大学博士学位论文第一章绪论 企业急需解决的问题。随着人们对水质要求的提高和水源污染问题的日益严重， 管网水质二次污染问题近年来日益突出，因此，研究管网水质二次污染及防治对 策逐渐成为供水领域中的重要内容。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 管网漏损问题研究 对供水管网漏损问题的研究，一方面集中在给水管网漏损检测技术、方法、 仪器设备开发和生产上，另一方面集中在用于管网更新改造或降低漏损率的漏损 控制模型上。 1 2 1 1 国外研究现状 ( 1 ) 城市供水漏损检测仪器 发达国家都很重视漏损检测仪器设备的开发和生产 7 】 8 】 9 】，精确的检测仪器 是发现漏损的最直接和有效的方式，漏损检测技术及设备随着其它相关科学的进 步二不断发展。 1 ) 最早出现的查漏仪器是听漏棒，它结构简单，只需要一个带有尖头的金 属棒和一个类似小碗状的接听头部，用于查听管件、消火栓或入户接口。普通渗 漏形成的声波微弱，听漏棒没有声音增强功能，因此靠它来确定漏点是很困难的。 2 ) 在六十年代开始出现了声音增强的测量仪器，如电子耳，它的工作原理 上与听漏棒相同，但是声音的放大为捡漏工作的准确性带来了进步。 3 ) 薄膜听漏仪是类似听诊器的精确定点的仪器，它是利用了一个吊有重块 的薄膜，该薄膜可以对极微弱的大地振动产生相应的反应，然后通过一个胶皮管 传向检漏人员的耳朵，它实际上就是一个机械的声音增强器。 4 ) 电子放大听漏仪器在薄膜听漏仪的基础上发明的，它主要由传感器、电 子放大器和耳机组成。电子放大听漏仪是利用传感器把地面振动声音转为音频电 压输出，然后通过电子放大到用耳机可以听到的音量，该仪器一般配合听漏棒使 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。这种听漏方法往往需要夜间工作，因为白天外界干扰声源多，难以准确捕 捉漏水声音信号。随着计算机的发展，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，可以准确方便的进行 测量比较，从而圈定漏损管段或精确判断漏水点。 5 ) 八十年代中期，英国、美国、法国、日本等国相继开发成功金属管道传 天津大学博士学位论文 第一章绪论 声的相关检漏仪。相关检漏仪主要由一台相关主机( 无线电接收机和微处理器等 组成) 、两台发射机( 代前置放大器) 和两个高灵敏度振动传感器组成。相关检 漏仪虽然也是依赖漏水声音进行工作，但不是像一般音听漏仪那样依赖漏水声音 在传播中信号强度变化来确定漏水点，而是利用漏水声音传到两个传感器的时间 差来确定漏水点。相关检漏仪只对具有相同频率的声音信号进行相关处理，可以 将有用信号即漏水信号和干扰信号自动区分并将干扰信号滤掉，相关检漏仪不仅 比一般的听漏仪灵敏度高，而且由于能够处理掉不相关的干扰信号，具有很强的 抗干扰能力，即使在白天噪音充斥的城区内，以及穿过铁路或河底、被冰雪覆盖 的管道等难以用常规听漏仪检漏的情形都可用相关检漏仪检漏，这显示了它特有 的优越性。 6 ) 九十年代初，研制成功了水传声的相关检漏仪。水传声式与管道式相关 仪有三点不同：发射的信号比管道传声的相关仪要强；发射装置的探头用软管系 着，直接插入消火栓或用户进水管，与水接触后方能有效的发射信号；接收机的 灵敏度更高，被测水管的长度可扩大到1 0 0 0 2 0 0 0 米。德国采用f f t 技术来进行 声信号的信号处理，提高了信噪比，又改进了相关处理速度和精度的矛盾，使测 试程度有了较大的提高。 7 ) 漏水噪声自动记录仪是由多台数据记录仪和精度器组成的整体化声波接 受系统。噪声记录仪利用漏水声波的连续性，避开间歇性噪音，并将漏水噪声及 其信噪比予以提升，通过长时间监测来判断记录仪附近有无漏水。当装有专门软 件的计算机对数据记录仪进行编程后，只要将记录仪放在管网的不同位置，如消 火栓、阀门等管道暴露点，按预设时间同时自动开关记录仪，可记录管道各处 的漏水信号，该信号经数字化后自动存入记录仪中，并通过专用软件在计算机上 进行处理，从而快速探测装有记录仪的管网区域内是否存在漏水。该仪器一个显 著的优点是它本身配有声音过滤器装置，可以接收到人耳无法听到而对测量有用 的声频范围；另一个显著的优点是可以整个晚上而不是短暂的几秒钟对声音状况 进行可观的记录分析，从而准确性极高i l u j 。 ( 2 ) 城市供水漏损检测方法 在漏损检测仪器研发的同时，发达国家也非常重视漏损检测方法的研究，如 英国水研究中心( w r c ) 发表的报告【l l 】中论述了供水管网漏损控制的内容、方 法和针对不同漏损的对策；美国供水协会( a w w a ) 在1 9 7 6 年成立了漏损检测 和计量委员会；日本水道协会( 冈，a ) 专门成立研究机构对漏损问题进行了研 究。目前常用的漏损控制方法有被动检漏法、音听检漏法、区域测漏法、区域声 音检测法、区域装表检漏法及复合法、压力调整法、雷达检漏法、氢气检漏法等。 1 ) 被动检漏法 天津大学博士学位论文第一章绪论 被动检漏法是待地下管道漏水冒出地面后发现漏水进行检修的方法。被动检 漏法主要依靠专门人员进行巡查查漏和用户报漏两种方式。被动检漏法投资少， 但发现的漏损以明漏为主，往往造成大量漏水后才能发现。 2 ) 音听检漏法 音听检漏法是目前国内外最广泛使用的一种主动检漏方法。当压力水从漏水 口喷出，会产生三个成音频率，第一个成音频率为水与孔口发生摩擦产生振动， 然后沿管、土层传播开来，其传播的距离与漏水口大小、管材、土质有关；第二 个成音频率为漏水口喷出的水喷到周围的泥土上产生的频率，这是漏水判断时主 要利用的频率；第三个成音频率为漏水点附近的土壤因水流冲刷而产生空穴，水 在空穴内转动而产生的声音。根据漏水产生的成音频率，可以用听漏棒、电子放 大音听仪、相关检漏仪进行检漏。 3 ) 区域管理方法。对管网进行分区域检测主要有以下几种方法： i ) 区域装表法 此法把供水区分为若干个小区，除留一或二个装有水表的进水管外，关闭小 区与外界的联系阀门，使小区内总用水量可计量，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。 i i ) 区域测漏法( 最小流量法) 分为直接和间接区域测漏法两种。此法同样把供水区分为若干个小区，检测 时关闭所有该区的连通阀门，并设置旁通管计量管道内流量，若采用直接区域测 漏法则同时关闭所有用户水表进水闸门，直接测得该区漏水量，若超出允许值， 则进一步确定漏点；若采用间接区域测漏法，则不完全关闭用户的进水闸门，在 深夜用水最少时测定一段时间，测得的是管网漏水量和个别用户的用水量。 i i i ) 区域装表和测漏复合法 兼备区域装表法和区域测漏法的复合方法，区域所装的水表在白天或一定时 间间隔内区域装表法起作用，当需要区域测漏时区域测漏法起作用。 i v ) 区域声音检测法【1 2 】 区域声音检测法是利用噪声记录仪对某一供水区域管道的声音信息进行监 听并自动进行记录，然后将声音记录成功输入计算机，通过特定的软件对该区域 是否有漏水和漏水点位置进行判断。目前，英国水务公司利用噪声记录仪已经非 常普遍，并适用于所有的管材。 4 ) 压力调整法 压力调整法是用控制手段降低管内过高的压力以降低漏损量。工作压力越 大，发生管道破裂或接口破坏的可能性越大，管道漏水的可能性和漏水量越大， 天津大学博士学位论文第一章绪论 工作压力越低，漏水量越小，甚至当工作压力降低到某一程度时，就不会漏水。 水压控制方法就是基于此原理，通过监测管网中压力监测点压力变化，及时调整 过剩压力到满足用户压力需求的程度，从而降低管网漏水量。随着计算机控制系 统和遥测、遥感、遥控系统在供水行业的普遍使用，使用遥控阀控制流量，实现 压力均衡，使得降低漏损成为一种更为经济和先进的方法。现已有供水部门在管 网中安装自动减压阀，利用通过s c a d a 系统优化阀门开启度设置，进行管网压 力控制，以实现降低管网漏损量，均衡管网压力以及控制管网局部压力等压力控 制目标。 5 ) 雷达检漏法 探地雷达是利用发射电磁波的反向收集，对地下管线进行测定，可以精确地 绘制出地下管线的横断面图，并可根据水管周围的图像判断是否漏水。探地雷达 所能收集的资料非常丰富，除可探测出地下供水管道、煤气管、下水道、电缆等 位置及地下土壤情况，也可检测难以发现的管道漏损和管道的不均匀沉降等资 料，进一步提高了漏损的控制水平。八十年代中期，日本开发成功地表雷达测漏 装置，利用无线电波对地下漏水情况进行探察，可以用图象显示地下管道及其漏 水孔周围的情况。地表雷达分辨率极高，可实现漏水点的精确定位，而且有直观 的优点，但是一次搜索范围极小，只能与漏损检测仪配合使用。 6 ) 氢气检漏法 英国的一些流量控制公司于1 9 9 7 年开始从事这方面的研究。这种方法一般 使用在一些不适合使用常规声学方法的地区。如：缺乏明显的漏损噪声的地区： 缺乏有效的噪声记录仪放置点的地区等。氢气检漏法可适用于气、水混合管道或 纯气体管道的探漏。具体方法为：将9 5 的氮气与5 的氢气混合气体通过一个 进口( 如消火栓、用水点) 充入管道，气、水混合气体将沿管道推进并在破损处 溢出，气体在很短的时间内就会上升至地面，同时利用一台高敏度的氢气探测装 置沿管道探察，则很容易发现漏点。目前这种方法已经被逐渐应用于主干管或用 户支管的检漏，并且被证明是非常有效的。 检漏技术还有很多，还有一些在理论上可行，但在实际中难以推广使用的方 法，如示踪检漏法，在水中加入无毒易检测的示踪剂，测出示踪剂从而确定漏水 地点，但这种方法在实际应用中存在困难，所以应用不是很广泛。 随着科学技术突飞猛进的发展，计算机技术的广泛应用，仪器设备不断更新 换代，漏损检测技术和控制方法有了很快的发展。漏损检测技术、信号分析处理 技术与计算机模拟分析技术相结合进行漏损分析和定位工作是目前研究的热点 【】3 】。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 2 1 2 国内研究现状 目前，国内的检漏方法主要是被动检漏辅以不同的主动检漏方法。很多供水 部门一方面装备了先进的供水报漏、检修的调度系统，加大了管道巡视力度和抢 修力度，另一方面加强主动检漏工作，很多城市已经采用了不同的主动检漏方法， 并聘请专门的检漏公司进行暗漏的检测工作，采用较多的是音听法、区域测漏法 和区域装表法，近年来不少城市已在积极地寻求和试用一些更先进的探漏方法， 很多研究人员和一线生产人员在这方面做了多方面的研究和论述。 近年来，进行压力控制也成为国内的新兴的研究领域，将自控调节阀用于管 网漏损控制【l4 | ，通过s c a d a 系统优化阀门开启度设置，从而进行管网压力控制， 以实现降低管网漏损量和均衡管网压力的控制目标，s c a d a 系统已在国内很多 水司得到实施。 赵洪宾建立了年漏损件数预测的指数平滑模型，该模型分别采用线性指数平 滑法和二次曲线指数平滑法对年漏损件数进行预测，得出二次曲线指数平滑法的 预测精度高于线性指数平滑法的预测精度【l5 1 。二次曲线指数平滑模型是建立在随 着二次曲线增加减少的趋势的时间序列的基础上的，根据管道寿命周期的“浴缸 曲线”【l 引，在一定年限内，实际管网年漏损件数并不一定呈现某种增加的趋势， 极有可能呈现二次抛物线甚至不规则曲线，这就降低了指数平滑模型的预测精 度。 耿为民建立了月漏损量预测的自回归滑动平均模型( a r m a ) 模型【i7 1 ，该模 型是建立在平稳时间序列的基础上的，但在冬季严寒地区，入冬后伴随着爆管漏 管明显增加，月漏损量也大大增加，因此对于冬季严寒地区该模型精确度降低。 该方法通过一系列数学方法对给水管网漏损历史数据进行分析，揭示出漏损历史 数据隐含的发展规律，可以判断出给水管网漏损的未来变化趋势，而且为漏损控 制、管网维护等方面的经济分析提供基础依据。 李霞【l8 j 基于实验数据和泄漏事故的历史记录，结合实际管网建立了三个供水 管网在线泄漏检测定位模型：基于概率神经网络( p n n ) 的泄漏定位统计模型， 基于贝叶斯理论( b a y e s i a n t h e o r y ) 的泄漏定位机理模型和基于聚类分析和模糊 识别理论的泄漏定位机理模型，并论述了各模型的适用范围、优缺点。从管网漏 损控制的其它方面事故的及时抢修和事故的积极预防展开论述，建立了故障 时的阀门调度模型和自控阀优化调节的压力控制模型，从系统工程的角度较全面 地进行了管网漏损的控制。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 2 2 管网水力模型研究 供水管网系统是一个拓扑结构复杂、规模庞大、用水变化随机性强、运行控 制为多目标的网络结构。以往对埋在地下的供水管网多属经验性的管理，不能直 接进行试验和测试，实现科学化、现代化管理非常困难。为了准确全面的了解管 网运行的水力情况，国内外学者在供水管网的建模方面进行了大量的研究。2 0 世纪8 0 年代，在计算机技术飞速发展的推动下，英国在管网建模与应用方面做 了大量的工作，并提出了建模的标准。我国也在8 0 年代末着力开展了建模理论 与实践的研究。 供水管网大致可以分为两类：微观模型和宏观模型【l9 1 。管网微观模型通常分 为静态模型和动态模型，静态模型是动态模型的基础，动态模型是静态模型在时 间维度上的连续。 管网动态水力模型应包括蓄水池设备的动态构件，因此管网动态水力模型涉 及一系列的稳态模型的解并连接描述管网系统中蓄水池设备动态特性的一组微 分方程。管网动态模型是假设用水量曲线和外部供水曲线是随时间变化，在给定 的时间段内水池和水泵的调度保持不变，但从一时间段到下一时间段它们是变化 的。每一次系统边界条件随时间的变化称为一个水力事件。每个水力事件期间称 为一个水力时间段，通常为一小时。每一个水力事件都可改变给水管网系统的状 态，这种管网系统状态( 通常称之为准动态) 认为是在每一个水力时间段的开始 时，瞬时发生并在此期间系统状态保持不变。因此管网动态水力模型是在一系列 时间段上求解静态序列的过程。模型的动态主要表现在水池节点的水位变化，可 用微分方程模拟。建立与实际供水管网的宏观特征相吻合的工况模型是实现供水 管网优化运行的先决条件。 随着计算机技术的日新月异，水力模拟软件也得到了快速的发展。2 0 世纪 8 0 年代，软件开发走向商品化，并开始重视拟稳定状态水力模拟系统和g i s 、 c a d 技术开发及应用。这一时期典型的程序系统如a q u a ( a k r o n 大学，1 9 8 5 ) ， w a d i s o ( g e s s l e r - w a l s k i ，1 9 8 5 ) 。9 0 年代是软件系统蓬勃发展的时期，出现了 大量的商品化软件，如p i p e f l o 、w a t e r m a p 、f a a s t - 3 、k y p i p e 2 、e p a n e t 、 w a t n e t 、h 2 0 n e t 、8 m 、s t o n e r 、s y n e r g e e 、w a t e r c a d 等，其中以美国 的h e a s t a d 公司的w a t e r c a d 应用较广。各类应用软件向着智能化、图形化方向 发展，并为用户提供方便的界面和强大的功能。 g o o d w i l l 【2 0 】等学者研究发现管网漏损与服务压力有直接关系，漏水量随服务 压力增大而增大，如果能将过剩服务压力减小到满足用户压力需求的程度，就可 降低管网漏水量，因此降低管网漏损可以通过控制管网的压力来实现。压力控制 天津大学博士学位论文第一章绪论 不仅包括降低管网压力至满足用户需求的程度以减少管网漏水量，还包括均衡管 网压力，控制管网末端局部压力等。通过监测管网