智慧供水管網(wǎng)滲漏探測技術探討

展明武，錢中陽

(1.中國市政工程西北設計研究院有限公司新疆分公司，新疆烏魯木齊 830017；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

近年來全國各城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)大力實施漏損控制，以分區(qū)計量管理為主，因地制宜結合其他措施，控制漏損成效顯著，管網(wǎng)漏損率持續(xù)降低。2020年全國城市公共供水綜合漏損率約為13.4%[1]。為進一步降低漏損，揭示管網(wǎng)漏損規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)有管網(wǎng)數(shù)據(jù)資源，出現(xiàn)了多種新型智慧管網(wǎng)漏損控制算法模型，提升漏損控制成效，但這類研究僅能發(fā)現(xiàn)某區(qū)域或管段的滲漏，均存在基礎數(shù)據(jù)偏少、誤差較大等問題，還需大量數(shù)據(jù)訓練優(yōu)化[2]。因此，有必要在全部或局部管道，選用合適的智能滲漏探測技術，快速準確預測定位滲漏點，并且此類技術能為智慧管網(wǎng)提供大量傳感數(shù)據(jù)，為進一步降低漏損提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 滲漏檢測方法分析

管網(wǎng)的滲漏檢測主要分為智能滲漏檢測和人工檢測這2種。現(xiàn)有智能滲漏檢測建立在智慧管網(wǎng)漏損控制及監(jiān)測系統(tǒng)(漏控監(jiān)測系統(tǒng))框架下，主要使用各種數(shù)據(jù)建立各種漏損控制算法模型，預測破損、分析漏損、識別定位滲漏位置。隨著技術的進步，當前各類數(shù)據(jù)的完善、漏損算法的優(yōu)化、管理的創(chuàng)新，漏損控制有了很大提升，但這些數(shù)據(jù)獲取和使用已經(jīng)到了一個瓶頸，對滲漏的預測、優(yōu)化、定位、管理控制能力提升已顯不足。

人工滲漏檢測方法主要有被動檢測和主動檢測，被動檢測即不借助工具即可發(fā)現(xiàn)明顯漏水；主動檢測使用輔助工具，主要有聽音法、相關儀檢漏法、示蹤氣體檢漏法、探地雷達檢漏法、管道內窺法等[3]，均有各自特點及適用范圍。人工滲漏檢測與人員響應速度、檢測方法、技術水平等有關，檢測工具雖然隨著時代在進步，但技術沒有突破性進展，檢測效率、成功率提升很少。

為解決智能滲漏檢測和人工滲漏檢測的不足，根據(jù)不同管網(wǎng)環(huán)境，使用紅外熱成像、分布式測溫光纖、機敏網(wǎng)等智能滲漏探測技術，直接獲取管網(wǎng)滲漏點附近的傳感數(shù)據(jù)，可得到高準確度的滲漏點，預測信息，完善新型漏控監(jiān)測系統(tǒng)，進一步提升漏損控制效率。

2 智慧管網(wǎng)漏損控制及監(jiān)測系統(tǒng)框架

漏控監(jiān)測系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡層、存儲及數(shù)據(jù)層、應用層等組成(圖1)，其利用GIS、BIM、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術對管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行測量采集、傳輸、數(shù)據(jù)存儲及處理、智能控制、決策分析。漏控監(jiān)測系統(tǒng)除建立快速、精準的數(shù)據(jù)處理及漏損控制算法模型外，難點是獲取可靠、大量的管網(wǎng)相關數(shù)據(jù)。

圖1 智慧供水管網(wǎng)漏損控制及監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.1 Block Diagram of Leakage Control and Monitoring System for Smart Water Supply Pipelines Network

漏控監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由傳感數(shù)據(jù)、常規(guī)管網(wǎng)數(shù)據(jù)、地形、氣象及其他系統(tǒng)監(jiān)測感知數(shù)據(jù)，結合數(shù)據(jù)中心計算、存儲、軟件等數(shù)據(jù)資源組成。傳感數(shù)據(jù)由感知層通過各種儀表、監(jiān)測技術獲取，包括：①常規(guī)監(jiān)測感知數(shù)據(jù)，如流量、壓力、水位、溫度、水質、泵站運行狀態(tài)等；②使用智能滲漏探測技術獲取的數(shù)據(jù)，如分布式溫度、壓力和滲漏點預測信息等。傳感數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)層統(tǒng)一接口。常規(guī)管網(wǎng)數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)(管材、管徑、管齡、管段長度、防腐措施、周邊環(huán)境等)、維護數(shù)據(jù)(故障維護信息)、運行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)(流量、壓力、泵站運行狀態(tài)等)、用戶數(shù)據(jù)、非法用水數(shù)據(jù)等[2]。

3 智能滲漏探測技術

智能滲漏探測技術，需配合漏損水量管理、獨立計量區(qū)域(district metered area，DMA)管理等措施以及漏損控制模型使用，是漏控監(jiān)測系統(tǒng)的完善和補充。根據(jù)基本理論依據(jù)不同，智能滲漏探測技術主要有紅外熱成像、分布式測溫光纖、機敏網(wǎng)和其他智能滲漏探測技術等。

3.1 紅外熱成像滲漏探測技術

紅外熱成像技術根據(jù)周圍環(huán)境的灰度信息和溫度信息來進行滲漏檢測[4]，具有快速、非接觸、探測面大和探測距離遠等優(yōu)點，能直觀地顯示物體表面的溫度高低變化，應用廣泛；缺點是圖像對比度低、細節(jié)分辨力較差、成本較高，較少在直埋管道的滲漏檢測中使用。

3.2 分布式測溫光纖滲漏探測技術

分布式光纖測溫根據(jù)分布式光纖的點溫度變化(變冷或變暖)來判斷管道滲漏點，具有對溫度信號極敏感、方向性好、光強高、溫度和空間定位精度高、成本較低、無盲區(qū)等優(yōu)勢，適用于范圍廣、長距離實時分布式監(jiān)測[5]。

3.3 機敏網(wǎng)滲漏探測技術

管道外包覆機敏網(wǎng)材料層形成機敏網(wǎng)傳感器，根據(jù)滲漏時管道局部應力(溫度等)變化或滲漏時導致機敏網(wǎng)傳感矩陣信號中斷判斷滲漏點[6]。其具有精度較高、判斷漏點較準確、探測區(qū)域廣等優(yōu)點，是一種新技術，處在研究前沿，市場化不成熟，價格高，使用少。

3.4 其他智能滲漏探測技術

較常見的探測技術有壓力傳感器、導電聚合物漏水檢測線纜等。壓力傳感器根據(jù)滲漏時管道周圍土壤、墻壁、保護(溫)層等介質壓力變化，來判斷滲漏點，多布置在管道閥門、管道連接口或法蘭接口等附近，一般配合其他滲漏探測技術(如機敏網(wǎng))使用。導電聚合物漏水檢測線纜根據(jù)漏水檢測線纜在滲漏處導通，整條線纜電阻的變化來判斷滲漏點。其主要應用在機房、智能樓宇、廠房等環(huán)境較穩(wěn)定的室內場合，每段線纜較短，不適用微漏、潮濕多塵環(huán)境。

各種滲漏探測技術根據(jù)選用原則、應用場合和應用前景，按5級評價(差、較差、一般、較好、好)，技術應用對比如表1所示。

表1 滲漏探測技術應用比較Tab.1 Comparison on Application of Leakage Detection Technology

注：①分布式測溫光纖；②機敏網(wǎng)傳感器；③紅外熱成像攝像機；④管廊溫濕度、集水坑液位等儀表；⑤流量計、壓力傳感器、水表等；⑥導電聚合物漏水檢測線纜圖2 智能滲漏探測技術應用場合示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Applications in Smart Leakage Detection Technology

4 智能滲漏探測技術的應用

供水管線根據(jù)環(huán)境、敷設方式不同，通常劃分為明敷管線、直埋管線、入廊管線(管廊、地溝)、建構筑物內管線等。對不同管線可采用不同的智能滲漏探測技術，如明敷管線，容易發(fā)現(xiàn)滲漏，一般采取定期人工巡檢方式。

4.1 智能滲漏探測技術選用原則

選用原則以管線敷設方式和環(huán)境為前提，以實用性、先進性、規(guī)范性、可靠性、可管理和可維護性、擴展和兼容性等為原則，綜合考慮技術成熟性、成本、技術難度(制造、運輸、施工、維護等難易程度)等因素，根據(jù)整體管網(wǎng)最終確定智能滲漏探測技術的使用場合，如圖2所示。

4.2 直埋管線

直埋管線因埋于地下，不便檢測，建議可沿管網(wǎng)伴行敷設分布式測溫光纖(圖3)，建立測溫光纖滲漏探測系統(tǒng)。此方式可能會因雨天、季節(jié)性地下水變化、冬季極端低溫等因素產生誤報，需根據(jù)地區(qū)差異、氣候變化、地下水變化等不同環(huán)境調整計算模型，減少誤差。此外，在環(huán)境比較穩(wěn)定、變化不大或植被少的場合，比如工業(yè)廠區(qū)，也可使用紅外熱成像技術，在管道沿線附近，按成像半徑布置紅外熱成像攝像機[7]。

圖3 基于分布式測溫光纖的供水管道滲漏檢測Fig.3 Leakage Detection of Water Supply Pipeline Based on Distributed Temperature Measuring Fiber

4.3 入廊管線

有設置綜合管理平臺的管廊，入廊管線的滲漏監(jiān)測由平臺的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供。在環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)調用不便時，或未設置環(huán)境監(jiān)測的廊道、地溝等，可利用其他監(jiān)測技術另設滲漏監(jiān)測系統(tǒng)。

(1)調用管廊內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的相關信號，如溫濕度檢測信號、集水坑液位檢測信號等。根據(jù)滲漏時環(huán)境溫度、濕度變化、集水坑液位和潛污泵運行狀況，再結合管廊內視頻監(jiān)控畫面，綜合判斷管廊內出現(xiàn)的滲漏情況。該方式監(jiān)測結果準確、穩(wěn)定，需要與管廊公司協(xié)調，申請調用管廊環(huán)境檢測信號接入水源端滲漏監(jiān)測管理系統(tǒng)。

(2)入廊管線另設滲漏監(jiān)測系統(tǒng)，目前可行的滲漏探測技術主要有紅外熱成像技術、分布式測溫光纖技術等。因管廊艙室狹長，利用紅外熱成像技術，布置紅外熱成像攝像機需避開遮擋物，滿足一定距離，布置數(shù)量較多，施工相對不便，地溝環(huán)境則基本無法安裝。而利用分布式測溫光纖技術，非常適合狹窄區(qū)域布置，安裝敷設方便，價格較便宜。

通過以上分析，另設管廊輸水管線滲漏檢測系統(tǒng)時，建議采用分布式光纖測溫系統(tǒng)。

4.4 建構筑物中管線

建構筑物中管線的主要敷設方式有明裝、管道井、吊頂內、地下空間、墻體內等，因管線滲漏時，很容易被人員發(fā)現(xiàn)，一般可不設滲漏監(jiān)測系統(tǒng)。但對滲漏要求較高的場所(如機房、智能建筑等)、無人值守場所、不易查看的隱蔽場所等，可設置紅外熱成像攝像機，采集管線所在區(qū)域的溫度信息，判斷滲漏點。同時在環(huán)境比較穩(wěn)定的場合也可采用導電聚合物漏水檢測線纜，及時發(fā)現(xiàn)滲漏。

4.5 智能滲漏探測技術應用特點和不足

隨著技術的發(fā)展，智能滲漏探測技術呈現(xiàn)出分布式、多點化、頻率高、范圍廣、智能化等特點。智能滲漏探測技術可在供水管道多種場合下使用，是今后智慧管網(wǎng)漏損控制的重要手段，可取得不錯的滲漏監(jiān)測效果，主要有以下優(yōu)點。①滲漏探測數(shù)據(jù)精準。智能滲漏探測技術可獲取大量監(jiān)測點信息，能準確預測滲漏點，且可根據(jù)探測精度要求，調整獲取數(shù)據(jù)頻次，豐富管網(wǎng)數(shù)據(jù)。②漏點探測速度快。減少人工探測滲漏點的時間，降低找尋滲漏點的難度。

智能滲漏探測技術主要有以下不足。①實際供水管網(wǎng)應用較少。只在少數(shù)要求較高的場所上應用，如智能建筑、智慧管網(wǎng)。②在直埋老舊供水管網(wǎng)中使用局限性大，基本只在新建或維修更換管道時使用，且后期使用和維護可能遇到一系列問題，如埋地的智能滲漏探測器損壞、反應靈敏度下降、維護更新問題等，有待積累經(jīng)驗，并完善解決方法。③對滲漏監(jiān)測水平和漏損控制的提升缺少量化，目前很少有實際工程案例及經(jīng)驗，缺少相關研究數(shù)據(jù)。

5 工程實例

某市新區(qū)新建再生水利用工程采用低區(qū)和高區(qū)串聯(lián)供水的供水方式。再生水廠提升泵站為第一分區(qū)變頻供水，同時為第二分區(qū)轉輸供水，調節(jié)水池和加壓泵站向第二分區(qū)供水。工程規(guī)模主要有直埋輸配水再生水管網(wǎng)共計16.675 km，入廊輸配水再生水管網(wǎng)共計8.97 km，提升泵站、調節(jié)水池、加壓泵站各一組。為使該工程使用中滿足漏損率不大于10%的要求，綜合考慮工程預算、工程難度、施工簡易程度，最終實施漏控方案如下。

首先，綜合考慮管網(wǎng)信息，采用二級方式，合理進行DMA區(qū)塊劃分，在供水低區(qū)和高區(qū)建立2個一級計量分區(qū)；在每條供水道路建立一個二級分區(qū)，共計9個二級計量分區(qū)；在各用戶處建立3級計量分區(qū)。在各區(qū)塊輸水管網(wǎng)開始、結束處、支管段設置流量計和壓力表、終端用戶處設置智能水表等儀表。根據(jù)總輸水流量、各區(qū)塊及用戶端水流量值，采用水平衡分析法，統(tǒng)計水量差值。其次，監(jiān)控各區(qū)塊最小夜間流量，以及二次供水的流量、壓力、液位、水質等數(shù)據(jù)，根據(jù)模型計算及時發(fā)現(xiàn)滲漏區(qū)域及管段，控制漏損。直埋管線不采用其他探測技術，入廊管線采用管廊環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行滲漏監(jiān)測，根據(jù)調試和竣工半年的管網(wǎng)運行情況，漏損率低于5%，整體管網(wǎng)DMA分區(qū)計量運行良好，管廊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)準確可靠，入廊管線比采用DMA漏損控制為主的直埋管線更迅速、準確地發(fā)現(xiàn)滲漏點。

該工程建設規(guī)模較小，且管網(wǎng)運行時間短、數(shù)據(jù)積累少，僅利用管廊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管網(wǎng)滲漏探測，其余管網(wǎng)未使用滲漏探測技術。通過技術、經(jīng)濟綜合考慮，采用較合理的一次設計、分期建設的方式實施智能管網(wǎng)滲漏探測技術。

6 結語

通過科技創(chuàng)新，建立智慧管網(wǎng)滲漏監(jiān)測系統(tǒng)，結合量化的DMA區(qū)塊流量、壓力等數(shù)據(jù)，使用智能滲漏探測技術，利用物聯(lián)網(wǎng)及云平臺建立智能漏損監(jiān)測及分析系統(tǒng)模型，結合人工檢測方法及嚴格的管理措施，進行滲漏監(jiān)測，能有效提高滲漏檢測速度，提升漏損管理質量，降低誤報率和綜合漏損率。