上海供水漏損分析及漏損控制措施研究

崔旭峰

城市供水管網是城市賴以生存和發展的重要基礎設施,其正常運行和有效工作已成為城市可持續發展的重要前提條件。上海市是我國最先進行現代進程邁進的城市之一,楊樹浦水廠是我國最早的地表水源自來水廠之一,已經有120多年的歷史。目前上海市區總共有4家自來水公司,包括市南公司、市北公司、閔行公司和浦東公司,按區片供水,從20世紀90年代開始,管網速度增長很快,2004年上海市區DN75以上管道長度已經達到10 000 km[1]。

然而隨著上海市供水管網的快速發展,管網漏水已經成為制約企業發展的一個重要因素。近幾年管網漏損統計資料表明,上海市管網年漏水點數高達10 000個,漏損水量超過120萬m3/d,不僅大量浪費水資源,產生大量經濟損失,并且對城市安全造成潛在的威脅[2]。

1 上海供水漏損分析

對上海城區供水產生漏損的原因進行分析,大致有以下4個方面：1)管材質量問題。上海給水管道中DN75以上口徑管道通常為球墨鑄鐵管,采用膠圈滑入式柔性接口。其他管材還有超大口徑的鋼管和DN50以下的鍍鋅管,以及DN200以下的PE管,其中球墨鑄鐵管占據了地下管網總長的56%[1]。在 20世紀60年代～80年代中,采用了一批技術性能較差的管材,包括連續鑄造的灰口鑄鐵管、自應力鋼筋混凝土管、石棉水泥管等,本身強度不是很高,并且埋設時管外面的防腐層容易造成損傷生銹,強度降低,發生漏水和爆管的頻率較高[3]。2)管道接口問題。在上海現有管網中存在大量鋼管焊接接口和鑄鐵管的石棉水泥剛性接口,這種接口形式容易造成松動,受到氣溫影響、地面不均勻沉降以及壓力、外力等其他誘發因素容易產生漏水。3)施工問題。在管道施工中由于管溝基礎及回填土處理不符合規范要求,管溝底部不平,回填土中含有硬物、未分層夯實或管道兩邊的密實度不同,使管道局部受力顯著增加,大大增加了漏水的可能性。4)運營管理問題。在運行管理方面,隨著上海城市建設的發展,給水管網的規模不斷擴大,管網供水壓力調節不當,管網中產生水錘現象導致管道損壞而漏水;部分用戶亂開消火栓私接水等現象也會導致供水漏損。

2 降低管網漏損的措施

1)對易受損管道進行分階段改造。管網更新改造是降低漏損的長遠性基本措施。要對上海市區范圍內易受損的管道進行分階段的改造,妥善解決已經埋在地下質量欠佳的管道,有計劃、有步驟予以更新、改造,比如對剛性管道加裝柔性接口,對管道縱向收縮進行補償,更換老舊管道等。第20屆國際自來水協會報告《配水系統供水持續性和可靠性的規劃和設計》建議,配水管網的合理更新率為1.5%[4]。為迎接2010年的上海世博會,上海積極進行供水管網改造工程建設,浦東新區改造供水管網總長度達79 km,金山區在 2008年～2009年期間改造陳舊供水管網30 km,市南地區改造供水管道總長度達50 km,有效的降低了管道漏水幾率,提高了供水安全性。另外,在管道施工上加強對施工的管理,規范施工過程,減少人為原因導致的供水系統的漏損。

2)強化檢漏工作和提高檢漏技術。降低漏損的關鍵是及時發現和修復漏水點,特別是及時發現不冒出地面的暗漏。檢漏可以根據檢漏效果、技術經濟分析等,確定自建隊伍進行或委托專業隊伍進行。漏損控制主要有被動檢漏法、主動檢漏法和壓力控制法。被動檢漏法是待地下漏水冒出地面后發現漏水的方法。主動檢漏法則是采用各種檢漏方法及相應儀器,主動檢查地下管道漏水的方法。上海市在1911年就建立起檢漏制度,使用區域檢漏法和音聽法檢測漏水點,1990年后普遍使用電子儀器檢漏,目前Permalog等檢漏儀已經在市北公司、浦東公司應用于檢漏和分析管網動態[1]。

3)強化數字化管理,建立供水管網漏損預警控制系統。加強供水管理是降低漏損的基礎。建立完整的供水管網技術檔案和管網GIS系統,形成科學、高效、豐富、翔實的供水管網漏損控制體系,實行區域化實時監控,并且能夠在無人值守的情況下,自動收集供水管網的漏水信息,定期進行漏水檢測,及時發現漏水和修復漏水管道。GIS應用于管網信息系統中,使得管理水平產生了巨大的飛躍,通過建立管網系統中央數據庫,能夠高效、準確的定位管道、閥門、消火栓、用戶接水管、水表等管網組件,有效地對管道的運行狀況進行實時監測,及時了解管道運行時的負荷、水壓、流速等狀況,對供水安全可靠性進行評估,為今后如何進行管網維護提供了輔助決策,為規劃、設計及管網維護管理提供決策依據,有助于制定合理可行的更新、維修方案,確保安全供水。

上海市在1998年初步建立起管網的GIS和水力系統模型,目前浦東、市北兩家自來水公司正在重組GIS系統,市南公司和閔行公司正致力于管網圖檔的數字化[1]。

3 基于GIS和遺傳算法的供水漏損控制系統的建立

一個完整的供水漏損控制系統要能實現3個功能,首先對供水漏損水平做出評價,其次確定漏水點的位置,最后采取措施改善管道供水條件,其中探測漏水點是最為關鍵的部分[5]。常規的檢漏方法是采用聽漏棒、探漏儀等儀器對潛在的漏水區域進行掃描探測,在這個過程中需要花費工程技術人員的大量時間、精力,是一件費時費力的工作。隨著GIS技術的發展以及上海供水企業逐步建立起供水GIS系統,可以實時獲得管道運行時的負荷、水壓、流速等狀況,通過引入漏損參量的水動力學模型,將每個模擬結果與已知的流量計量和壓力監測點進行比對,最終預測可能的管道漏水位置。

引入漏損參量的水動力學模型的預測過程可以采用遺傳算法、BP神經網絡、粒子群算法等[5]。遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)是近幾年發展起來的一種嶄新的全局優化算法,是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型,是一種通過模擬自然進化過程搜索最優解的方法。

遺傳算法是一種迭代算法,它在每一次迭代時都擁有一組解,這組解最初是隨機生成的,在每次迭代時又有一組新的解由模擬進化和繼承的遺傳操作生成,每個解都有一目標函數給予評判,一次迭代成為一代收斂問題的最優解,具體步驟見圖1[5]。

4 結語

城市給水管網漏損控制問題是供水行業的一項重要的復雜性課題。管網漏損檢測與控制是一項系統工程,必須運用系統工程的方法,進行學科交叉,全方位的開展城市供水管網漏損控制技術的研究。上海市作為我國經濟較為發達的大城市之一,減少供水漏損,提高供水效率,具有重要的社會意義和經濟價值。

[1]鄭小明,姚黎光,宋仁元.上海供水管網概況、問題及對策[J].上海水務,2007,23(1)：11-15.

[2]張志明.供水管網漏損控制分區裝表計量技術和應用[D].上海：同濟大學碩士學位論文,2006.

[3]馮 凱,于大海.上海公共供水管道受損原因和對策[J].上海水務,2004,20(4)：10-12.

[4]中國城鎮供水協會.城市供水2010年技術進步發展規劃及2020年遠景目標[M].北京：中國建筑工業出版社,2005.

[5]李華昌,謝淑蘭,易忠勝.遺傳算法的原理與應用[J].礦冶,2005,14(1)：87-90.