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点-线-网-智慧 供水管网漏损控制这样做

2022-11-09 10:01来源:给水排水作者:杨海燕等关键词:供水管网漏损供水管线智慧供水管网收藏点赞

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以N市为例,对供水管网漏损现状进行分析,漏失水量在漏损水量中占比为64.3%,计量损失水量占比为0.1%,其他损失水量占比为35.6%,漏损水量主要集中于漏失水量及其他损失水量。从点-线-网-智慧四个维度出发对N市供水管网漏损系统化控制措施进行研究。对于漏失水量,首先对供水管网资料进行收集,通过分析供水管网数据,从点的方面出发,采取调控压力、优化压力监测点的措施;从线的方面出发,采取管道更新的措施;从网的方面出发,采取划分DMA计量分区、计量网络搭建的措施;从智慧的方面出发,采取建设智慧管网体系的措施。对于其他损失水量,采取加大监管、稽查力度,完善管理控制措施对偷盗水量及管理因素导致的漏损水量进行控制。

供水管网漏损是每个国家都存在的问题。2015年国务院通过了“水十条”,将公共供水管网漏损率控制目标分成了两级:一级为公共供水管网漏损率控制在10%以内,二级为公共供水管网漏损率控制在12%以内。为加强公共供水管网漏损控制、提高水资源利用率,住房和城乡建设部办公厅、国家发展改革委办公厅于2022年1月19日印发了《关于加强公共供水管网漏损控制的通知》,其中对全国城市公共供水管网漏损率提出了新要求:到2025年,城市公共供水管网漏损率达到漏损控制及评定标准确定的一级评定标准的地区,进一步降低漏损率;未达到一级评定标准的地区,将漏损率控制到10%以内。

目前,国内外对供水管网漏损的研究集中于对检漏方法、漏损水量的确定、漏损原因、智慧供水管网漏损控制等方面。现国内外在供水管网漏损研究中对系统化控制措施的研究较少,本文以N市为例,通过点-线-网-智慧四个维度对N市的漏损系统化控制措施进行研究,对供水管网漏损控制的措施提出建议,为其他城市的供水管网漏损系统化控制提供借鉴思路。

点-线-网-智慧指的是从点线面体四个维度出发,对供水管网漏损控制措施进行研究。点的方面是从供水管网压力点出发,对压力进行分析调控并优化压力;线的方面是从供水管线出发,对供水管线的材质、管径、管龄等要素进行分析,得出需要改造更新的管线;网的方面是从供水管网计量分区出发,实现快速及时的发现供水管网漏损点,确定漏损点的具体位置;智慧的方面是从智慧管网出发,实现对点-线-网三个方面的综合,进行数据的监控。

01 N市主城区漏损现状

2021年,N市城市公共供水总量59877.99万m3,注册用户用水量53359.24万m3,其中注册用户计费用水量50152.32万m3。2021年城市供水管网综合漏损率10.89%。漏损率反映了供水单位的供水效率,这一指标既与技术应用水平、管理精细化程度密切相关,也不可避免地受到供水管网特征的影响和制约。为最大程度减少客观因素影响,科学、公平评定漏损控制水平,本文从居民抄表到户水量、单位供水量管长、年平均出厂压力以及最大冻土深度四个方面设置了修正值,对N市漏损率进行修正值计算。结果显示漏损率标准修正值1.20%,经过计算修正后的供水管网漏损率为10.89%-1.20%=9.69%。

经过修正后的漏损率已经达到一级评定标准,根据供水管网漏损率控制新要求,需要进一步降低漏损率,结合N市漏损水量现状,采取相应的控制措施,有效降低漏损率。对未达到一级评定标准的城市以及达到一级评定标准需要进一步降低漏损率的城市提供借鉴。

02 N市主城区漏损系统化控制措施

通过对N市主城区漏损现状进行分析,对漏损原因进行细化,采取点-线-网-智慧四个维度的措施进行控制,对预期效果进行评估。

2.1 漏损原因分析

参考《城镇供水管网漏损控制及评定标准》(CJJ 92-2016)中的水量平衡表,对N市漏损水量进行统计及计算可得表1。

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根据2021年N市水量平衡分析表绘制2021年N市漏损水量构成图,如图1所示。

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根据2021年N市漏损水量构成图中可以明显看出,明漏水量、暗漏水量以及背景漏失水量在漏损水量中占有较大的比例,占有64.3%的比例,偷盗水量及未注册用水和用户拒查等管理因素导致的损失水量占有35.6%的比例,表具误差损失水量仅占0.1%的比例,对N市来说,控制漏损的工作重点在漏失水量的控制以及其他损失水量上。

2.2 漏失水量控制措施

2.2.1 供水管网压力点

N市中心城区为狭长地形,水厂主要分布在城市西边,供水模式由西往东经长距离输送,供水线路较长。同时,N位于丘陵地带,城区内各区域地势相差较大,用水点所需供水服务压力存在较大差异性。既有的现状管网材质老旧、管径偏小,管网水头损失普遍较大,现状管网用水点压力逐年下降,随着中心区改造实施带来的人口增加和用水量的提升,存在高峰期水量供应不足和高层户表水压不足的问题。

压力调控即在保证用户正常用水的前提下降低管网的富裕压力,可大大降低管网由于压力过高造成漏失的频率。

选取N市2020年全市用水量最高日9月15日的压力数据作为典型日数据,各时刻管网平均压力变化见图2。管网的用水压力随用水量有明显的昼夜变化,并且有早晚用水高峰,以9月15日凌晨用水量趋于稳定,压力维持在较高值,4:00平均压力最高为34.6mH2O,随着管网用水量增多,压力逐渐下降,22:00管网平均压力最低为18.7mH2O。

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首先对N市进行供水管网压力区域分级。根据《城镇供水服务》(CJ/T 316),供水管网末梢压力不应低于14 mH2O。根据《城市给水工程规划规范》(GB 50282-2016),有条件的城市可适当提高供水水压,满足用户接管点处服务水头28 mH2O的要求,相当于将水送至6层住宅所需的最小水头,以保证六层住宅由城市水厂直接供水或由管网中加压泵站加压供水,从而多层住宅建筑屋顶上可不设置水箱,降低水质污染的风险。因此,将N市压力调控分为4个等级:14mH2O以下、14~28mH2O、28~55mH2O、55mH2O以上。

图3及图4为最高压时段以及最低压时段即凌晨4:00以及夜晚22:00压力调控前水利模拟结果图。由图可知,凌晨4:00进行压力调控前中心部分的管网压力点大部分都小于14mH2O,并且在其他区域存在55mH2O以上的高压区域。夜晚22:00进行压力调控前压力较多区域的管网压力点都小于14mH2O,并且也存在55mH2O以上的高压区域。

通过合理布局区域集中调蓄加压设施、更新压力不足小区的增压设施,使N市主城区供水管网整体压力稳定在14~55mH2O,消除了低于14mH2O的压力不足区域和供水服务压力在55mH2O以上的过高压力区。此外,还可以通过闲时降压的措施对高压力区进行降压。在凌晨1:00~6:00对加压泵站压力进行主动下调,降低出站压力,减少出站流量,降低区域漏损。新建扩建集中调蓄加压设施分布如图5所示。

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图6及图7为最高压时段以及最低压时段即凌晨4:00以及夜晚22:00压力调控后水利模拟结果图。由图可知。凌晨4:00经过压力调控后,压力小于14mH2O的压力点均提升到了14mH2O以上,55mH2O以上的高压区域全部调整到了55mH2O以下,14~28mH2O的压力点占少数,28~55mH2O的压力点占大多数。夜晚22:00经过压力调控后,压力小于14mH2O的压力点均提升到了14mH2O以上,55mH2O以上的高压区域全部调整到了55mH2O以下,14~28mH2O的压力点与28~55mH2O的压力点各占一半。

同时,各城市逐步在供水管网中增加了压力监测点,但由于初期设立监测点时往往依据经验设置,随着城市的飞速发展、管网的改造和扩建,以及压力监测数据上传的有效性和实时性不能保证,原有压力监测点的数据已无法满足供水调度的需求。优化压力监测点布置是非常重要的。

目前,N市主城区供水管网共有78处测压点,测压点日均压力值为0.28MPa,说明测压点布置以监测干管供水压力为主,缺少对压力不足的支管、小区的压力监测。

从完整监测供水管网运行压力、保障供水安全、降低管道漏损的角度,管线中布置测压点越多则效果越好,从经济角度考虑,须选择关键代表性位置布置测压点,并尽可能充分利用现有资源、避免重复建设。

建议N市新增主城区供水管网大用户用水点、管网水力最不利点、控制点、以及大管段交叉处的压力监测点,依托供水管网计量分区,逐步实现对每个一级、二级、DMA分区的流量计量与压力监测。

2.2.2 供水管线

随着城市人口数量的增多,过去铺设的供水管网存在着管材落后,管径偏小,管龄较大的问题。为减少供水管道漏失水量,需要对现状管网进行供水管道更新改造。

N市现状DN75以上供水管道总长4893.2 km,供水管道管材种类较多,主要包括PE管、普通铸铁、钢管、水泥管、球墨铸铁管,占全部管道总长96%以上,其中,PE管最多,占比为26.3%,普通铸铁管次之,占比22.4%;钢管、水泥管、球墨铸铁管占比分别为19.99%、15%、13.2%。

管材种类繁多会带来不同管材衔接以及匹配的问题,导致漏损现象产生。在城市供水管道早期建设中,对铸铁管道接口的设计大部分为硬性接口,接口形式以铅麻接口或水泥和麻接口等为主,容易出现漏水问题;后采用石棉水泥或膨胀水泥等形式作为管道接口,这些形式的接口刚性和握固力较好,但是容易收到外界环境影响发生断裂。而橡胶圈形式的柔性接口可以降低温差的影响,使得不均匀的沉降问题得到解决,预防出现外界温差影响的横向断裂,具有较强的安全性和稳定性,降低了供水管道接口处漏损出现的可能性。

N市供水管道管径分布如表2所示,管径在DN75~400的管道占比约80%,DN400以上的管径占比约20%。存在管径普遍偏小的问题。管网管径偏小会导致管网水头损失变大,节点压力下降等问题。

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N市供水管道管龄分布如图8所示,在所有供水管道中,管龄大于50年的管道总长达68.37 km,约占DN75以上供水管道总长的1.39%,主要分布于城市现状建成区的中心区域。管龄过大的管道更容易产生破损及断裂,产生漏损现象。

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综合管龄、管径及管材3个因素的考虑,对50年以上管龄的供水管道以及管龄在20年以上的管径较小、实际状况较差、管材落后的管道进行管道改造。管道改造的方式主要从管材、管径进行改造。管材方面可以扩大球墨铸铁管以及塑料管的使用面积,管道接口采用柔性接口;对供水管道中管径较小的管道进行管径的增大。

在进行管道更新的同时,加强应急抢修以及日常巡检工作。

抢修人员配备交通工具和先进的抢修设备,实行24 h值班制,并采取分区域、分口径管理的抢修管理模式,提高抢修反应能力和抢修速度;对抢修人员实施以抢修数量、速率、质量等为主要内容的定量考核计酬办法,提高抢修人员的工作积极性。制订和完善管网抢修预案,并组织开展实战演练,提高了对各类突发事件的应急处理能力;强化抢修队伍对供水管网设施的巡检、维护和保养。

2.2.3 供水管网计量分区

根据2021年N市修复暗漏漏损点统计表,从报漏时间到确定漏点所花费的平均时间超过24h,有的漏损点超过96h才能确定漏损点位置,效率较低。需要进行分区计量工作,及时发现片区水量异常,加快相关信息的传递,为下一步应急抢修工作的开展节省时间。

根据《城镇供水管网漏损控制及评定标准》(CJJ 92-2016,2018年版)中对供水管网分区管理的规定,对N市供水管网实施分区计量。对进入每个区域的流量持续监测,明晰漏损的主要组分与漏控目标,及时确定漏损位置,计量分区划分依据与方式如表3所示。

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分区计量管理有两种基本实施路线:由最高一级分区到最低一级分区(或DMA)逐级细化的实施路线,即自上而下的分区路线。由最低一级分区(或DMA)到最高一级分区逐级外扩的实施路线,即自下而上的分区路线。自上而下和自下而上的分区路线各有优势,互为补充。供水单位可根据供水格局、供水管网特征、运行状态、漏损控制现状、管理机制等实际情况合理选择,也可以根据具体情况采用两者相结合的路线。

根据N市主城区供水格局现状结合计量分区划分原则,将计量分区级别划分为三级,一级分区共9个,二级分区共92个,DMA分区共455个。分区计量管理实施方式采取自上而下的分区路线,由最高一级分区到DMA分区逐级细化进行实施。N市一级与二级计量分区分布如图9所示。

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在分区计量建设实施方面,总体上按照从主城区中心逐步向外围辐射的方式开展。同时,选择优先在漏损相对集中的区域开展。N市计量分区建设顺序为A、BF、C-D、E、G-H、J。DMA分区计量分布如图10所示。

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实施DMA分区计量可以对区域内用水量、瞬时流量、最小流量进行详细准确的计量,便于进行用水量预测和经济评价;通过DMA加装压力调节装置,调节入口压力,实施压力管理;根据最小夜间流量变化曲线可以快速发现新发生的管道漏损,缩小漏损点定位查找区域,辅助漏损点定位;确定不同区域的漏损程度,识别最大可能漏损区域,从漏损排查与漏损控制维护成本比较的角度,科学指导确定重点漏损监测控制区域。

根据N市供水特点、管网拓扑结构、用户集聚等因素,通过在主要供水主干管网上安装电磁流量计,在减少测量误差的情况下,对各分区流量进行实时监测。为精确测量进出一级、二级计量分区的流量,在供水管线与一级、二级计量分区边界的交叉处安装电磁流量计。

对DMA分区内的小区进行“一户一表”改造,传统的水费抄收方式主要是参照院落里的总表或是楼房单元进行计算,每个分表是由居民自己记录并结算,这种方式存在比较明显的弊端:水司以总表为抄收结算依据,而用户各室内分表与总表之间往往有很大的计量误差,在一定程度上会带来纠纷与矛盾隐患;总表管道的产权不明确,如果遇到爆管,不及时维修必然会造成大量水资源的浪费,而费用的追缴与责任的划分较为困难。完善表务管理功能,建立单独的表务系统,实现对水表的全生命周期管理,进行“一户一表”工程的改造,十分有必要性。水表的选择在符合标准参数的情况下,着重考虑安装的便利性、施工的安全性及经济投入最小化,是否具有远传功能等。

2.2.4 智慧管网

供水管网系统是城市基础设施的一部分,智慧城市的建设离不开智慧管网的建设。供水管网要达到智慧的状态,需要实时掌握供水管网系统中设备的运行情况和水力状态信息,然后,立即做出相应的决策方案。N市利用ArcGIS技术,构建了一套供水管网GIS管理及运行调度系统。

供水智能化系统主要功能包括生产运行数据实时监测、分区计量管理、SCADA生产调度管理、设备管理、报表统计、外勤管理等功能。

对于压力方面,供水智能化系统具备水力计算模型,能够以分析图的形式实时反映管网中压力、流量、流速、供水分界线等运行现状,可以对不同时刻之间能够进行对比分析,展示发生变化的信息,针对供水能力不足或事故受影响区域进行统计展示。

对于管线方面,供水智能化系统的管线数据依据三种模式进行更新。工程测量人员在管道覆土前可以通过现场数据采集及实时上传;抢维修测量人员携带智能化测量装备进行现场施工过程中,若观测到现状管网数据发现变化,对管道数据进行重新采集,并上传更新;外勤人员上报了数据错误至GIS系统时,内业人员在GIS系统进行初步审核,对于需现场核查的数据,测量人员对现场进行错误GIS数据勘查和复测,复测完成的数据可上传至后台GIS系统中。

对于分区计量方面,供水智能化系统可以通过瞬时流量进行计算,展示分区内每天的最小流量和对应压力,推断漏损位置,通过对分区内今日供水量和前4天供水量对比,并对水量趋势规律进行分析,可以查找供水管网内存在的问题,通过对分区的进水表、出水表、大用户的水量叠加分析,逐条排除各个影响元素,可以找到漏损准确位置,通过对每个分区的漏损率排名分析,可以锁定漏损严重的分区,并进行重点监控和改造,降低漏损率。

2.3 其他损失水量控制措施

2.3.1 偷盗水量控制

根据N市数据统计显示,N市偷盗水量为807.74万m3,在总漏损水量中占比11%左右,同样也是需要重点控制的部分。

普通居民通过计量仪表盗水,企、事业单位及洗浴、餐饮业等通过破坏供水管道、动用公共消防用水的情况比较严重。具体包括四种主要行为:擅自在城市供水管道上连接水管用水的;故意损毁用水计量装置,致使用水计量不准确或者失效而用水的;非消防需要擅自开启消防栓用水的;采用其他方式盗用城市供水的,控制措施见表4。

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2.3.2 管理措施完善

根据N市数据统计显示,N市未注册用水和用户拒查等管理因素导致的损失水量为2611.08万m3,在总漏损水量中占比24.6%左右,同样也是需要重点控制的部分。

对于绿化用水,可通过以下管理措施控制水量:绿地实行分级管理,在绿地的管理上可根据当地水资源供需状况将城市绿地分为不同等级的绿地,并相应采用相应等级的养护标准,实现绿地节约用水管理科学化精细化;设置公共取水点,实施市政市容绿化用水定点取水计量收费,供水企业和市容绿化用水单位签订供水合同,并向用水单位统一发放取水IC卡,需要用水时,工作人员到取水点刷卡取水即可。

对于未注册用水及用户拒查水表导致的水量损失。通过推进“一户一表”改造,避免水量损失。传统的水费抄收方式存在许多弊端:总表和分表之间存在着较大的计量误差;其二,相关工作人员入户进行水表的抄录工作,必然会给社会带来负担,也给居民的日常生活造成不便,随之而来的治安问题也非常棘手;其三,总表管道产权不够清楚,如果发生爆管,维修不及时必然浪费大量水资源,而责任的划分和费用的追缴必然是难上加难。推进“一户一表”改造工程,有以下优点:不再干扰居民日常生活;漏损现象极大缓解;限制用户偷水、抗费;计量准确、水压稳定。

同时,还需要加大宣传力度,让人们意识到依法用水的重要性。通过设立宣传咨询台、悬挂横幅、摆放知识展板、发放宣传手册等途径向广大市民宣传N市水资源现状、以及合法用水的意义。

2.4 预期效果

供水管网供水压力在满足用户需求同时,实现管网压力时空相对均衡;完善更新公共供水管网,新建供水管网严格按照标准和规范规划建设,消除管龄50年以上的供水管道;实现主城区供水管网分区计量全覆盖,完成一级、二级计量分区建设,结合主城区内老旧小区改造、城市更新及新区建设,逐步实现主城区全域DMA分区计量,力争在1 h内发现并锁定具体漏点位置;智慧管网建设可实现实时监测水力状态,快速发现漏损位置。

通过完善防偷盗政策以及管理政策,对其他损失水量进行控制。

N市主城区通过统筹实施漏失水量控制措施以及其他损失水量控制措施,预计2025年可实现公共供水管网漏损率不高于7%的目标。

03 结 论

本文以N市为例,从点-线-网-智慧四个维度出发,对供水管网漏损系统化控制措施进行研究。得出的结论如下:

(1)基于水量平衡分析表对N市供水管网漏损现状进行分析。明漏水量、暗漏水量以及背景漏失水量在漏损水量中占有64.3%的比例,偷盗水量及未注册用水和用户拒查等管理因素导致的损失水量占有35.6%的比例,计量损失水量占0.1%的比例,对N市来说,控制漏损的工作重点在漏失水量的控制以及其他损失水量上。

(2)通过采取点-线-网-智慧四个维度的措施控制漏损水量。采取压力调控以及压力监测点优化的措施,对压力过大、过小的压力点进行调整,并优化监测位置,提高准确性和及时性。采取管道更新的措施,对管龄较大、管径较小、管材落后的管道进行管道更新,并采用柔性接口。采取DMA计量分区划分及计量网络搭建的措施,对分区水量进行监测,快速发现漏损点。

(3)通过对供水管网漏损系统化控制措施进行研究。对于漏损率已经达到一级评定标准的城市,可参照点-线-网-智慧四个方面的措施进行补充,进一步降低漏损率。对于漏损率未达到一级评定标准的城市,可优先采取点和线方面的措施,然后再采取网和智慧方面的措施降低漏损率。


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