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给水管网漏损分析及预测 摘要 给水管网漏损是供水行业普遍存在的问题。漏损不仅浪费了宝贵的水资源， 还给供水企业造成较大的经济损失，因此世界各国都把供水行业的漏损作为一 项重要课题进行研究。 在收集国内外漏损资料和对供水部门实际调查的基础上，通过对供水部门 管网漏损原因的分析，提出了控制漏损的对策，并从设计、施工、管理等多方 面，提出减少漏损频率和降低漏水量的技术措施。 运用层次分析法对给水管网漏损影响因素进行分析，得出给水管网漏损各 影响因素的相对重要性权重，为供水行业漏损深入研究提供了一种新思路、新 方法。将粒子群优化算法引入b p 神经网络的优化中，成功地克服了b p 算法所 具有的对初始权值敏感，容易陷入局部极小的缺点，大大提高了模型的收敛速 度和精度。采用p s o - b p 神经网络模型建模，对供水管道安全使用时间进行预测。 为漏损控制、管网维护等的经济分析以及管网的改造和扩建提供基础和依据， 在给水管网漏损管理中起到管道漏损预警的作用，并对管网改扩建与漏损防治 相结合起到一定的促进作用。 关键词：漏损层次分析法p s o b p 预测 a n a l y s i sa n d f o r e c a s to fl e a k a g e i nw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m s 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 sa s 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 e n 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 c a d st om u c hf i n a n c i a ll o s s l e a k a g eo f w 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 ni m p o r t a n ti s s u eo fc o n c e r nt os t u d yi nt h ew o r l d b a s e do nt h el e a k a g ed a t ac o l l e c t i n gf r o mi n t e r n a la n do v e r s e aa n dt h ei n v e s t i g a t i o n f r o mw a t e ri n d u s t r i e s ，a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h er e a s o n sf o rt h ep i p en e t w o r kl e a k a g e ， m e a s u r e sf o rc o n t r o l l i n gl e a k a g ew e r ep r o p o s e d ，a n da l s ot h et e c h n i c a lm e a s u r e s f o r r e d u c i n gl e a k a g ef r e q u e n c ya n dl e a k a g e c o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t q u a n t i t yw e r ep r e s e n t e df r o mt h ev i e wo fd e s i g n ， t h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s si su s e df o ra n a l y s i so fi n f l u e n c ef a c t o r so fl e a k a g eo f w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m s ，e d u c i n gr e l a t i v e l yw e i g h t i n e s so ft h e s ef a c t o r s ，b r i n g i n gf o r w a r d an e wm e t h o df o rt h em o r es t u d yo ft h el e a k a g eo fw a t e ri n d u s t r i e s p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o ni si n t r o d u c ei n t ot h eo p t i m i z a t i o no fb pn e t w o r k ，s u c c e s s f u l l yo v e r c o m i n gt h e d e f e c to fs e n s i t i v i t yo fb pa r i t h m e t i cf o ri n i t i a l i z a t i o nw e i g h ta n de a s i l yr u n n i n gi n t ol o c a l i n f i n i t e s i m a l ，g r e a t l ya d v a n c i n gm o d e l sc o n v e r g e n c es p e e da n dp r e c i s i o n t h em o d e lo f p s o b pi su s e df o rf o r e c a s t i n gt h es e c u r i t yt i m eo fw a t e rs u p p l yp i p e t h ef o r e c a s t p r o v i d e sb a s i so fe c o n o m i ca n a l y s i sc o n c e r n i n gl e a k a g ec o n t r o la n dp i p em a i n t e n a n c e ， s u p p l i e st h ef u n c t i o no fw a r n i n gi na d v a n c ei nt h em a n a g e m e n to fl e a k a g eo fw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m s ，p r o m o t e st h ec o m b i n et h er e c t i f ya n de x t e n do fw a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e m sw i t ht h ep r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n go fl e a k a g e k e yw o r d s ：l e a k a g e ，a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，p s o - b p ，f o r e c a s t 表格清单 表2 - 1 管网漏损组成和分类9 表3 - i 判断矩阵标度及其含义2 1 表3 - 2r 值2 3 表3 3 判断矩阵2 5 表3 - 4 计算结果2 5 表4 一l 网络训练误差4 i 表4 - 2 土层特性表4 3 表4 4 车辆荷载动力系数k 4 4 表4 3 车辆分类及换算系数4 5 表4 - 5 某市道路平均日交通量统计表4 5 表4 6b p 网络和p s 0 - b p 网络的预测值比较4 9 插图清单 图3 - 1 层次结构模型图2 0 图3 - 2 层次分析结构图2 4 图4 - 1 人工神经元模型图2 9 图4 2b p 神经网络的基本结构3 l 图4 - 3p s o b p 算法流程图3 8 图4 42 0 0 2 年厦门市各种管材漏点数统计图4 6 图4 5b p 网络求解流程图见图4 7 图4 - 6b p 网络收敛曲线图4 7 图4 7p s o - b p 网络收敛曲线图4 8 图4 - 8b p 网络和p s o - b p 网络的预测结果曲线比较图4 8 图4 9b p 网络和p s o b p 网络的预测结果相对误差曲线4 9 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及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金魍王些盔堂 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谢意。 学位论文作者签字：i 司而捞签字日期：一c 年印月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目里王些太 兰岜- 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： i 办雨隽 导师签名： 签字日期：锄p c 年年月lz 日 签字日期：砷年中月f p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话：y 淞刘i mj 邮编： 致谢 本文的研究工作是在导师沈致和教授的悉心指导下完成的。导师严谨的治 学态度，一丝不苟的工作精神，平易近人的作风，以及对科学和教育事业的无 私奉献精神，都使我受益匪浅。在这几年的学习和工作中，导师对我的关心、 支持和爱护使我终生难忘。在此，谨向恩师致以崇高的敬意和衷心的谢意。 在研究生学习阶段和论文选题的过程中，还得到了土木于水利学院多位老 师的精心指导和帮助，对他们表示诚挚的感谢! 同时，也向本论文的评阅人和 答辩委员们表示衷心的感谢! 在课题的研究和论文写作过程中，还得到了黄国涛、乐永生、王勇等同学 的帮助，感谢他们与我一起度过这段难忘的学习历程! 最后，感谢我的家人! 正是他们的默默奉献及理解、支持和帮助，才使我 的学业和论文工作得以顺利完成。 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 水资源现状且卅p 从全球范围来看，地球上水资源储量很丰富，而其中淡水资源却非常有限， 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，而占世界总人口4 0 的 8 0 个国家却严重缺水。1 9 7 7 年3 月的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就是水”。 我国拥有世界上2 0 的人口，但却只平均占有世界水资源的7 。我国水资 源总量为2 8 1 2 4 亿m 。，位居世界第六位，然而由于我国人口众多，人均占有水 资源量仅为2 3 4 0m 。，约为世界人均占有量的l 4 ，是美国的1 5 ，加拿大的 l 5 0 ，位居世界第1 1 0 位，被列入世界十二个贫水国家名单。并且，随着我国 改革开放的不断深入，经济建设的迅速发展，人民生活水平的持续提高，城市 需水量大幅度增加。目前我国三分之二的城市存在供水不足，其中比较严重的 缺水城市达1 l o 个，全国城市缺水总量为6 0 亿m 。据预测，2 0 3 0 年我国人口 将达到1 6 亿，届时人均水资源量仅为1 7 6 0 m 。水资源的短缺是我国也是全世 界面临的一种隐患，随着经济的发展，水的供需矛盾日益突出。 近年来，全国水污染仍呈发展趋势，工业发达地区尤为严重。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 、i 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，全国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。 1 1 2 我国城市给水管网漏失现状乜们 城市供水系统是城市居民生活和经济发展的重要基础设施，由城市供水水 源、给水处理系统和输配水管网系统等组成。近二十年来，随着经济的快速发 展，城市化程度的加快，城市规模不断扩大，根据城市发展需要改扩和新建了 许多供水管网，更换了大量的老化管道，但仍有为数极多的应该退役的管道在 运行。由于供水设施陈旧、技术水平提高缓慢、管理体系尚存在着诸多问题等 原因使我国城市供水漏损问题相当严重。 管网漏失现已成为供水行业普遍存在的严重现象，给水管网漏损水量占总 用水量的比例越来越大。据全国5 0 0 家城市供水企业的调查统计，目前全国供水 平均漏失率为1 2 1 3 ，漏失率超过8 的城市占6 1 ；漏失率为1 0 - - - 2 0 的城市 有2 0 9 个，占统计城市数的4 2 ：漏失率为2 0 - - - 3 0 的城市有1 1 9 个，占统计城市 数的2 4 1 漏失率大于3 0 的城市有2 0 个，占统计城市数的4 。与发达国家相比， 我国单位管长单位时间的漏水量高达2 7 7 m 3 ( h k m ) ，是瑞典的1 1 5 4 倍、德国 的8 15 倍、美国的2 7 7 倍、泰国的1 2 倍。 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1 7 9 2 ，年 供水漏损总量为4 7 亿m 3 ，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。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 0 元m 3 d 。 因此前面所计算的5 1 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。 在水资源匮乏、水污染严重、制水成本日益增加以及城市用水供需矛盾不 断扩大的情况下，深入系统地研究漏失问题，积极探索有效的漏失控制方法， 对于有效地利用水资源，减少对环境的危害，减少运行和管理费用，改善服务 质量，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。 1 2 国内外给水管网漏损问题研究现状 随着地球上水资源的日益贫乏、生产成本的日渐高涨和能源的日趋紧张， 世界各国都把漏失问题作为一项重要的课题来研究，它已成为整个给水事业一 个不可分割的重要组成部分，国际供水协会召开的每届国际会议上都把漏失问 题列为一个重要的专题。 发达国家非常重视有关漏失的研究工作，很早开展了漏失检测技术及设备 的研究、开发工作，并成立了相关学术研究机构，如英国水研究中心( w r c ) 专 门发表报告，论述漏失控制的内容、方法和对策；美国供水协会( a w w a ) 在1 9 7 6 年成立了漏失检测和计量委员会；日本水道协会( j w w a ) 专门对漏失问题进行 了研究，在长期工程实践中取得了良好的漏失控制效果，如日本给水管网漏失 率由1 9 7 5 年的1 8 9 逐年降低到1 9 9 5 年的9 7 ；新加坡的未计量水率由1 9 8 9 年的l o 6 逐年降低到1 9 9 5 年的6 3 1 引。 发展中国家对此项工作也给以足够的重视，在国际会议上发表大量文章， 结合自身特点对漏失及其控制问题进行研究n 3 1 钔。 1 2 1 给水管网漏失检测技术n 5 。1 9 1 发达国家都很重视漏失检测仪器设备的开发和生产，漏失检测技术及设备 和其它科学技术一样也存在着一个发展的过程。 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。听漏棒 2 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 以判定超过某一声强的微弱漏水声的存在。 在六十年代开始出现了声音增强的测量仪器，如电子耳，它仍滞留在听漏 棒的工作原理上，用它来确定漏点取得了带有局限性的成功。进一步可以精确 定点的仪器是类似听诊器的薄膜听漏仪。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震动产生相应反应，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。 在薄膜听漏仪的基础上人们又发明了电子放大听漏仪。其主要由传感器、 电子放大器和耳机组成。电子放大昕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。这种听漏方法往往需要夜间工作，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，电子放大听漏仪己具备记忆功能，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。 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声 的相关检漏仪。相关检漏仪主要由一台相关仪主机( 无线电接收机和微处理器 等组成) 、两台无线台发射机( 带前置放大器) 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，以及穿越铁路或河底、 被冰雪项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，显 示了它特有的优越性。 9 0 年代初，又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地发射信号；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 m 。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。 漏水噪声自动记录仪是由多台数据记录仪和一台控制器组成的整体化声波 接收系统。噪声自动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相关记录仪，可 记录管道各处的漏水声信号，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客观地记录分析，从而准确性极高。 8 0 年代中期，日本开发成功地表雷达，利用无线电波对地下漏水情况进 行探查，可以用图像显示地下管道及其漏水孔周围的情况。地表雷达分辨率高， 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 与其他漏失检测仪器配合使用。 目前，常用的漏损检测设备主要有：听漏棒；电子听漏仪；噪声自动记录 仪；相关仪等。供水企业选用检测设备应根据地理位置、经济及技术等条件综 合确定。 1 2 2 给水管网漏失检测方法呦m 1 1 英国是最早实施漏失控制的国家之一，早在7 0 年代英国供水行业的漏失 管理和控制工作早就已经起步了，其标志是1 9 8 0 年7 月国家水协常设委员会发 布了漏失控制方法和实践( 简称第2 6 号报告) ，该报告归纳了如下五种漏失 检测方法。 1 2 2 1 被动检漏法 被动检漏法是待地下管道漏水冒出地面后才去检修的方法。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，具有 广泛的社会性和群众性，但发现的漏失以明漏为主，往往造成大量漏水后才能 发现，因此被动检漏法适合于埋在泥土地下，附近又无河道和下水道的输水管 线。 1 2 2 2 音听检漏法 音听检漏法是采用音听仪器寻找漏水声，并确定漏水地点的方法。一般给 水管道漏水从漏口喷出时会产生以下三个成音频率： ( 1 ) 第一个频率喷出管道的水与漏口产生摩擦产生的振动，其频率主要为 3 0 0 - - 一2 5 0 0 h z ，沿管壁向远处传播，传送的距离与漏水声音的大小、管材、管径 和土壤条件有关。 ( 2 ) 第二个频率喷出管道的水与周围介质撞击产生的振动，其频率通常为 1 0 0 - - 8 0 0 h z ，以漏斗形式通过土壤向地面扩散。 ( 3 ) 第三个频率通常漏水点附近因水流冲刷而产生空穴，喷出管道的水在 空穴内转动时形成的漏水声波，其频率通常为2 0 - 2 5 0 h z ，该漏水声波传送距 4 离短。 音听检漏法是根据以上成音频率进行检测漏点的，音听检漏法可分为阀栓 听音( 亦称直接听音) 和地面听音( 亦称间接听音) 两种，前者用于查找漏水 的线索和范围，简称漏点预定位，后者用于确定漏水点位置，简称漏点精确定 位。阀栓听音法是用听漏棒或电子放大听漏仪等音听仪器直接在管道暴露点( 如 消火栓、阀门等) 听测由漏水点产生的漏水声，从而确定漏水管道，缩小漏水 检测范围。金属管道漏水声频率一般在3 0 2 5 0 0 h z 之间，而非金属管道漏水声 频率一般在1 0 0 7 0 0 h z 之间。听测点距漏水点位置越近，听测到的漏水声越大； 反之，越小。地面听漏法是用阀栓听音法已经发现漏水声，或不能用阀栓音听 法确定该管段是否有漏水时，用电子放大昕漏仪等音听仪器在地面上听测地下 管道的漏水点。如果漏情复杂而又需及时检准漏点时，只能采取打下钢钎再用 音听仪器听漏。 按英国水研究中心估计，音听检漏法约可查地下漏水的8 0 ，当然这个数 字取决于检漏人员的素质和数量，音听设备的性质和管理工作。 1 2 2 3 区域装表法 区域装表法是把供水区划分为若干个用水小区，对用水小区，除留一个( 或 二个) 装有水表的进水管外，关闭小区与外界的联系阀门。在抄用户水表时， 同时抄进水管水表。如果我们把该区内用户水表和区域水表的抄表日期放在同 一天，并使抄表时间差的因素缩小到相当小的程度，如果水表的精度达到要求， 则两者之间的差值就是该区域在抄表间隔期间的漏失水量。如果漏失水量未超 过允许值，则认为符合要求，不需要在该区进行音听法检漏；如果漏失水量超 过允许值，则需在该区进行音听法检漏。 1 2 2 4 区域测漏法 在深夜用水稀少时，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。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，则说明该条管段有漏水。用这样的办法可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，然后再用音听法具体检漏。 区域测漏法又可分为直接区域测漏与间接区域测漏。直接区域测漏就是在 测定时除了关闭所有进入该区的闸门( 不包括测漏水表) 外，关闭所有用户水 表前的进水闸门，这样测得的流量就是此时该区内管网的漏失水量。间接区域 测漏就是在测定时关闭所有进入该区的闸门( 不包括测漏水表) ，原则上不关闭 用户的进水闸门，这样测得的流量为管网漏失水量和个别用户的用水量。间接 区域测定法是利用排队理论。就是说不是所有用户都是同时用水，有一间隙可 能用水很少甚至不用水，这在深夜生活用水地区，这样的机会很大。用户数越 多，持续用水时间越长，则平均不用水空隙时间越少，这也是制约区域大小的 一个因素。 1 2 2 5 区域装表兼区域测漏法 同时具有区域装表法及区域测漏法装置，区域的装表在白天或一定时间间 隔里起区域装表法的作用，当需要测漏时起区域测漏法的测漏水表作用。当进 水量与用户水量之差较大时，用区域测漏法检漏。该法对流量的测定要求较高， 既要求测流范围大，又要求其精度要高，为了能测得夜间最小流量，其最小流 量感受度也要好。 随着计量仪表的发展，尤其是智能化数据传输方便，使区域测漏法和区域 装表法容易使用，只要管网条件允许，这两种方法可以有效地测量区域内的漏 水量。美国a w w a 曾指出，先用计量仪表确定漏失水量，再用音听检漏法最终确 定漏水地点的方法永远比单纯使用音听检漏法好。这一结论与w r c 的观点是一 致的。 近年来，漏失监测技术发展迅速，目前使用最广泛的漏失监测技术是“不 间断夜间流量监测 。不间断夜间流量监测是对每个小区的夜间流量作定期或不 问断的监测，观察流量上的细微变化。若夜流量超过某个阈值，就应调查漏失 的位置。不间断夜间流量监测技术分为四个步骤：流量的监侧、数据的采集和 通讯、数据的分析以及漏失定位。在流量监测技术方面，电磁和超声波流量计 逐渐代替了传统的机械式或机电式流量计，这不仅因为它们的价格现在己能普 遍接受，而且流量测量范围大，无需供电，使用方便。在数据采集和通讯方面， 最常用的脉冲发生器、脉冲计数器和数据记录仪，可与流量计配合使用。此外， 多通道记录仪正获得普及，顶迭式计算机和p c 机可用来与数据记录仪进行通 讯。在数据分析和解释方面，一般都利用数据记录仪生产厂家的软件对记录下 来的数据进行编程操作，显示出结果，并进一步分析数据记录仪采集的数据。 在漏失定位技术方面，普遍采用分段测试法，一般是在各个水表处安装一个记 录显示仪，这样就将漏失点孤立在一个地段或一条马路上，然后用音听检漏仪 器进行精确定位。 目前音听法是确定漏水地点的最有效手段。随着新技术的开发，微电子技 术发展和器件成本的降低，仪器装备成本也会下降。但是，由于音听法的测试 范围小，所以要全面检查一个区，需要时间较长，人工费用昂贵。其它检测方 法还有雷达检漏法，氢气检漏法，水力分析方法，压力调整法等。 1 2 3 给水管网漏损预测模型的研究 预测模型是将数学中的预测方法应用到给水管网的漏损预测工作中，揭示 出漏损历史数据中隐含的规律，可以预测漏损未来的变化趋势，改变了供水行 6 业被动的漏损管理模式，对给水管网的运营和管理具有非常重要的意义。 天津大学的张宏伟，应用多元线性回归分析理论，对供水管道投入使用后 产生漏损的出现时间进行了预测，建立了供水管道漏损控制预测模型心引。 哈尔滨工业大学的赵洪宾，针对给水管网漏失的特点，采用时间序列法研 究了给水管网的线性指数平滑模型和二次曲线平滑模型，又采用灰色序列法建 立了g m ( 1 1 ) 拓扑模型，并通过预测模型经济分析和比较，证明了灰色序列法 预测效果优于指数平滑法心引。 同济大学的耿为民，引入自回归滑动平均混和过程时间序列预测模型，预 测月漏损水量，并将管网供水压力引入该模型形成修正的预测模型，使模型精 度有了较大的改善；采用叠合模型的预测方法预测了给水管网漏损件数；采用 神经网络b p 模型建模，预测了多发漏损管材的安全使用时间，对管网改扩建与 漏损防治相结合起到了一定的促进作用比引。 邱云龙，王圃等，用方差一协方差优选组合模型将灰色模型和二次指数平 滑模型进行组合，并应用于对给水管网漏损的预测比纠。 s h a m i r 认为管道漏损次数与管道铺设年限呈相关关系，提出了管道漏损情况随 年限变化的回归预测模型。采用回归分析方法建立给水管网漏损控制频率随管 道敷设年限变化的模型，但影响漏损的原因众多，而管道敷设年限只是其中之 一，因此预测效果不理想拉6 l 。 w a l s k i 将管道口径、温度因素引入模型，致力于收集确定模型所需的数据 和参数，建立了给水管网使用年限变化的回归预测模型，但由于管道使用年限 和漏损率并不存在必然的关系，因此，模型的精度不高乜 心引。 英国w r c 尝试考虑漏损经济分析来作为漏损控制的目标，并且尽可能地提 高数据质量和分析技术，y h o s o i 在论文中提出了优化供水管网漏损预测周期模 型，在分区管理模型中得到有效的验证心引。 1 3 本课题研究的目的、意义 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。 如果能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，那么不仅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。 运用层次分析法对给水管网漏损影响因素进行分析，从而得到给水管网漏 损各影响因素的相对重要性，在给水管网的建设、设计、施工、管理过程中，可 根据确定的管网漏损影响因素次序采取针对性措施，做好管网渗漏的防治工 作，更有效地尽早发现可能的渗漏点，从而减少城市自来水的浪费。 通过建立数学模型来预测未来给水管网管道的安全使用时间，有助于采取 7 措施对管道进行更换或维护，为提高给水管网漏损预测、预防和快速反应及事 故处理能力，有效地降低漏损事故发生率和事故损失，为管网管理、维护、更 新改造优化方案提供依据。 1 4 本课题研究的主要内容 论文所进行的主要研究内容为： ( 1 ) 对国内外的水资源现状及我国城市供水现状进行了分析，综合论述了 国内外给水管网漏损问题研究现状； ( 2 ) 结合国内外相关文献，通过对供水部门管网漏损发生原因的分析，总 结提出了控制漏损的管理措施； ( 3 ) 应用系统工程方法对给水管网漏损影响因素进行分析； ( 4 ) 运用粒子群优化神经网络对给水管网管道安全使用时间进行预测，从 而为供水管网漏损控制、维护等方面提供基础依据，为管理者和决策者提供一 定的决策支持，进而结束被动的运行维护管理方法。 8 第二章给水管网漏损分析 2 1 给水管网漏损组成和分类 一直以来，世界上绝大多数国家对供水系统漏损的量化定义都很含糊，鉴 于这种情况，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，漏损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 分类叫( 见表2 - 1 ) 。 表2 一l 管网漏损组成和分类 计量售水量 售水量 b i l l e dm e t e r e d 售水量 b i l l e d c o n s u m p t i o n r e v e n u e a u t h o r i z e d 未计量售水量 w a t e r 系统有效供水 c o n s u m p t i o n b i l l e du n m e t e r e d 量a u t h o r i z e d c o n s u m p t i o n c o n s u m p t i o n计量免费供水量 免费供水量 u n b i l l e dm e t e r e d u n b i l l e d c o n s u m p t i o n a u t h o r i z e d 未计量免费供水量 c o n s u m p t i o n u n b i l l e du n m e t e r e d 系统供水总 c o n s u m p t i o n 量s y s t e m非法用水( 偷盗，欺诈) i n p u tv o l u m e u n a u t h o r i z e d 帐面漏水量 c o n s u m p t i o n a p p a r e n tl o s s表计量误差 产销差水量 m e t e r i n gi n a c c u r a c i e s n o n r e v e n u e 系统漏水量 输水管及干管漏水量 w a t e r ( n r w ) u n b i l l e d 管网漏水量 l e a k a g e o nt r a n sa n d a u t h o r i z e d 物理漏水量 m a i n s c o n s u m p t i o n r e a ll o s so r 水池水塔等渗漏及溢 p h y s i c a ll o s s流l e a k a g e & o v e r f l o w a ts t o r a g e 进户管漏损量 l e a k a g e s e r v i c e 9 表中名词含义： 供水总量：指水厂供出的经计量确定的全部水量。 有效供水量：水厂将水供出厂外后，各类用户实际使用到的水量，包括收 费的( 即售水量) 和不收费的( 即免费供水量) 。 售水量：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。 免费供水量：实际供应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量。 供水系统帐面漏损：又称为“纸上漏水量 。它指的是由于用户水表计量不 准确，收费或财务上的错误，未经授权的非法用水等给水司带来经济上损失的 部分水量。 供水系统物理漏损：指的是通过系统输配水管网及城市蓄水设备漏损及溢 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， 物理漏损更是对水资源的一种巨大浪费。 城市供水系统的物理漏损一般被认为发生在系统的以下各个部分： 输水干管及一级输水系统； 城市配水管网； 连接用户的支管； 输配水系统的管件，比如阀门及计量仪表等； 水池水塔等渗漏及溢流。 根据法国和欧洲的经验，遥过水池水塔等渗漏及溢流量一般都不高，通过 输水干管的漏损可占总漏量的8 5 ，通过阀门及计量仪表等管件的漏损可占总 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。 产销差水：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= 免费供水量+ 物理漏 水量+ 帐面漏水量。 此外，漏损可以按照是否通过被发现或主动检漏措施探测到，可以进一步 分为以下几种类型： 背景渗漏( b a c k g r o u n dl e a k a g e ) ； 暗漏( u n r e p o r t e db u r s t s ) ，指已发生漏水但还没有冒出地面的漏损； 明漏( r e p o r t e db u r s t s ) ，指漏水己冒出地面的漏损。 背景渗漏，又称为不可检测的漏损( u n d e t e c t a b l el 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 l o 常可观，占物理漏损量的很大一部分。由于背景渗漏很难被检测到，对于其控 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漏损，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，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 t r 0 1 ) 检测到的漏点， 在系统中也经常出现，其漏损水量处于中等水平，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。 明漏的流量一般都很大，是可以被用户或路人发现的漏损，多为爆管事件， 对周围环境及用户会产生较大的影响。 2 2 给水管网漏损程度衡量指标乜3 据建设部于2 0 0 2 年颁布的城市给水管网漏损控制及评定标准，我国城 市供水企业管网基本漏损率不应大于1 2 ，同时，还制定了相应的评定标准的 修正措施和统计要求。共提供了三种统计计算城市管网漏损率的方法： ( 1 ) 漏损率：是指给水管网漏水量与供水总量之比，计算公式为： 尼：与卑1 0 0 ( 2 一1 ) 式中：r 。一管网年漏损率( ) ； q 8 _ 年供水量( k m 3 ) ； q 。一年有效供水量( k i n 3 ) 。 ( 2 ) 单位管长漏水量：单位管道长度( o n 7 5 m m ) ，每小时的平均漏水量， 计算公式如下： q = 盟l 鱼2),x876(2- 式中：q 。一单位管长漏水量( m 3 ( k m h ) ) ； l 。一管网管道总长( k m ) 。 ( 3 ) 单位供水量的管长：即管网管道总长( d n 7 5 m m ) 与平均日供水量之比， 其计算公式如下： 厶2 扩 。3 ) 3 6 5 式中：l 。一单位供水量管长( k m k m 3 d ) 。 2 3 给水管网漏损原因分析乜h 3 2 3 管道漏损的原因复杂，其影响因素也很多，一处漏水或爆管，可能是几方 面因素共同作用的结果，其影响因素归纳起来主要有以下几种。 2 3 1 管材质量不佳 供水管网早期采用的管材以灰口铸铁，小口径多为镀锌管石棉管为主。据 统计，我国8 0 以上的管道是灰口铸铁管，随着管网的运行，人们逐渐发现灰口 铸铁的漏失成为管道漏损发生的主要组成部分。灰口铸铁管导致漏水的原因主 要是灰口铸铁管本身材质和制作工艺的缺陷造成的。 分析灰口铸铁管的漏水原因，灰口铸铁管在管道运行中，确实存在一定弊 端：( 1 ) 从材质看：铸铁管较脆，没有韧性，其延伸率几乎为零，属于典型的脆 性管材，连续烧制的工艺也使管子的强度有所降低，不适用于高内压、重荷载、 强震动的环境，尤其我国灰口铸铁管材质的力学性能和管型一直停留在发达国 家2 0 世纪3 0 年代的水平，其抗拉强度和管环抗弯强度一般都比国家标准低，有 些厂家在生产过程中用强度较低的生铁，使得铸铁管质量下降。( 2 ) 从接口看： 灰口铸铁管填料接口刚性强，当温度低，接头刚性过强，粘接强度很大时，易 使水管拉断或接头部位脱落，导致水管漏水，原因是接头刚性过强，当土壤有 不均匀沉陷时，从力学角度分析会使水管变成一根很长的承重梁，容易造成接 头处折管，造成漏水。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。 相对而言球墨铸铁管的材质成分中片状的石墨组织变成了球状，既维持了 原铸铁管的性能，又增加了抗拉性、延伸性、弯曲性和耐冲击性，使其具有耐 腐蚀性好，强度高，具有韧性的特质，因此其漏失率比灰铁管大大下降，为人 们普遍应用，逐渐取代了铸铁管。 而镀锌管是在小口径的钢管上镀一层锌进行防腐，但这层锌一般都较薄， 很容易就消耗殆净，所起的作用有限，特别是镀锌质量较差的情况下，镀锌钢 管朝阳极腐蚀结垢，因此极容易产生锈蚀结垢，发生漏水并影响水质，成为小 口径管道漏水的主要原因。而石棉管不但漏水严重，而且石棉有毒，不适宜做 为饮用水管道使用。 随着对灰口铸铁管、镀锌管和石棉管的认识，建设部已经禁止了这些管材 的使用，而推广使用球墨铸铁、u p v c 、p e 等管材。但在现状管网组成中这些 管材，尤其是灰口铸铁管仍然占据着不小的比例，需要经过长时间的管道更新 改造才能全部取代。 2 3 2 地质土层条件的影响 土壤的性质是影响漏损量的首要因素，它对漏损量的影响远大予其他因素。 主要表现为以下几点： ( 1 ) 不同性质的土壤对金属管道的腐蚀性不同。一般黏性土壤对管道的腐蚀 性比非黏性土壤强。 ( 2 ) 不同性质的土壤对管道的沉降不同。当水量变化时，黏性土壤中的管道 比非黏性土壤中管道容易发生沉降。 ( 3 ) 埋管道的某些地段隐藏着腐殖土。 1 2 ( 4 ) 施工过程未对管道较长距离存在的腐殖土或含水量较高的淤泥质土层 进行处理。 ( 5 ) 寒冷地区不同的土质具有不同的冻胀程度，产生不均匀沉降。 2 3 3 接口质量不佳 在我国，接口漏水是造成管道漏损的一个重要原因。 ( 1 ) 管道上接口太多，漏水概率大。 ( 2 ) 施工质量的合格率难以保证，通水时即有渗漏。 ( 3 ) 接口往往是应力集中点，当管段发生伸缩、不均匀沉降时，应力传递 至接口处，接口经不起应力作用产生松动，甚至破裂。 ( 4 ) 接头刚性太强。根据不同管材选用合适的接口十分重要。铸铁管承插 接口方式有灌铅、石棉水泥接口、膨胀水泥接口、