水管漏水檢測(cè)精準(zhǔn)定位

1.1 管網(wǎng)漏損分析方法和分類

1.1.1 國(guó)內(nèi)漏損水量分析方法

1、水量平衡表

國(guó)內(nèi)水量平衡表(表1-1)以國(guó)際水協(xié)推薦的水量平衡表為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行了適當(dāng)修正。一是重新定義了真實(shí)漏失的構(gòu)成要素;二是摒棄了容易引起誤解的表觀漏損概念。修正后的水量平衡表更易于理解和進(jìn)行水平衡計(jì)算。

表1-6 國(guó)內(nèi)水量平衡表

漏損水量分析時(shí)，系統(tǒng)的邊界為從水廠配水流量計(jì)至用戶計(jì)費(fèi)水表的整個(gè)配水管網(wǎng)。為得到可靠的漏損水量分析結(jié)果，確保水量數(shù)據(jù)(供水總量、收費(fèi)用水量、免費(fèi)用水量等)的完整、準(zhǔn)確和時(shí)間同步非常重要。

2、相關(guān)術(shù)語定義

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損控制及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ-92)，相關(guān)術(shù)語定義如下：

(1)供水管網(wǎng)(Water Distribution System)

連接水廠和用戶水表(含)之間的所有管道及其附屬設(shè)施的總稱。

(2)供水總量(System Input Quantity)

進(jìn)入供水管網(wǎng)中的全部水量之和，包括自產(chǎn)水量和外購水量。

(3)注冊(cè)用水量(Authorized Consumption)

已到供水單位登記注冊(cè)的家庭、商業(yè)、工業(yè)等用戶的計(jì)費(fèi)用水量和免費(fèi)用水量之和。

(4)計(jì)費(fèi)用水量(Billed Authorized Consumption)

經(jīng)供水單位注冊(cè)的計(jì)費(fèi)用戶的用水量。

(5)免費(fèi)用水量(Unbilled Authorized Consumption)

當(dāng)?shù)卣块T規(guī)定減免收費(fèi)的水量和沖洗管網(wǎng)等自用水量。

(6)漏損水量(Water Losses)

供水總量和注冊(cè)用水量之間的差值。由真實(shí)漏失、計(jì)量損失和其他損失的水量組成。

(7)真實(shí)漏失(Real Losses)

由于各種類型的管線漏點(diǎn)、管網(wǎng)中水箱及水池等滲漏和溢流造成的實(shí)際水量損失。

(8)明漏水量(Reported Leakage)

由于管線自然破損或施工等外力破壞，水上地面后被動(dòng)發(fā)現(xiàn)的管網(wǎng)漏點(diǎn)的漏失水量。

(9)暗漏水量(Unreported Leakage)

漏水發(fā)生在地面以下、常規(guī)技術(shù)可以檢測(cè)到的管網(wǎng)漏點(diǎn)的漏失水量。

(10)背景漏失(Background Leakage)

因滲水或流量很小，利用目前技術(shù)無法檢測(cè)到的管網(wǎng)漏點(diǎn)的漏失水量。

(11)計(jì)量損失(Metering Losses)

由于計(jì)量結(jié)算點(diǎn)位置變化、計(jì)量表具性能限制等因素導(dǎo)致的水量損失。

(12)其他損失(Other Losses)

各種形式的未注冊(cè)用水和管理性因素導(dǎo)致的水量損失，包括竊水、用戶拒查、無檔用戶用水、抄收和數(shù)據(jù)處理過程中的未見數(shù)水量等。

(13)區(qū)域管理(Regionalization Management)

將較大區(qū)域的供水管網(wǎng)劃分為若干供水區(qū)域，對(duì)每個(gè)供水區(qū)域管網(wǎng)漏損進(jìn)行量化和控制的管理方式。

(14)獨(dú)立計(jì)量區(qū)(District Metered Area)

供水管網(wǎng)按一定的規(guī)模分割成單獨(dú)計(jì)量的封閉支狀供水區(qū)域，一般區(qū)域內(nèi)用戶不超過5000戶，進(jìn)水口不超過2個(gè)。

(15)夜間最小流量(Minimum Night Flow)

獨(dú)立計(jì)量區(qū)24小時(shí)內(nèi)最小進(jìn)水流量。通常出現(xiàn)在用戶用水量處于最低的夜間。

(16)零壓測(cè)試(Zero-pressure Test)

關(guān)閉獨(dú)立計(jì)量區(qū)的邊界閥門后放水，通過監(jiān)測(cè)壓力是否下降至零以辨別區(qū)域邊界是否封閉的測(cè)試方法。

(17)漏損率(Water Losses Ratio)

管網(wǎng)漏損水量與供水總量之比，通常用百分比表示。

(18)真實(shí)漏失率(Real Losses Ratio)

管網(wǎng)真實(shí)漏失水量與供水總量之比，通常用百分比表示。

(19)基本漏損率(Benchmark Water Losses Ratio)

管網(wǎng)漏損率評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)值

(20)單位供水量管長(zhǎng)(Pipe Length per Unit Water Supply)

管網(wǎng)管道總長(zhǎng)(DN≥75)與供水總量之比。

(21)量程比(Turndown Ratio)

水表常用流量和最小流量的比值。

1.1.2 漏損水平評(píng)價(jià)指標(biāo)

20世紀(jì)90年代以來，漏損控制和評(píng)價(jià)一直是全球供水行業(yè)研究的熱點(diǎn)，國(guó)際水協(xié)(International Water Association, IWA)、世界銀行開發(fā)的國(guó)際供水與污水處理績(jī)效管理網(wǎng)絡(luò)(The International Benchmarking Network for Water and Sanitation Utilities, IBNET)、澳大利亞等國(guó)家或協(xié)會(huì)組織分別建立了評(píng)價(jià)各自漏損狀況的績(jī)效指標(biāo)。我國(guó)采用管網(wǎng)漏損率和管網(wǎng)真實(shí)漏失率作為管網(wǎng)漏損評(píng)定指標(biāo)。

1、管網(wǎng)漏損率

管網(wǎng)漏損率是衡量管網(wǎng)漏損狀況的一個(gè)重要指標(biāo)之一，管網(wǎng)漏損率的計(jì)算采用式(1-1)進(jìn)行計(jì)算，即：

RWL=(Qs-Qa)/Qs×100% (1-1)

式中，

RWL ——管網(wǎng)漏損率(%);

Qs ——供水總量(萬m3);

Qa ——注冊(cè)用水量(萬m3)。

2、真實(shí)漏失率

真實(shí)漏失率是用來評(píng)價(jià)明漏、暗漏、背景漏失、管網(wǎng)中水箱及水池等滲漏和溢流情況的指標(biāo)，是衡量管網(wǎng)漏損狀況另一個(gè)重要指標(biāo)，其計(jì)算采用式(1-2)進(jìn)行計(jì)算，即：

RRL=(Qr1+Qr2+Qr3+Qr4)/Qs×100% (1-2)

式中，

RRL——管網(wǎng)真實(shí)漏失率(%);

Qr1——明漏水量(萬m3);

Qr2——暗漏水量(萬m3);

Qr3——背景漏失水量(萬m3);

Qr4——水箱、水池的滲漏和溢流(萬m3)。

1.1.3 供水管網(wǎng)漏損量估算

要達(dá)到真正降漏，需從機(jī)理上研究漏失，建立精準(zhǔn)漏失模型。一般對(duì)供水管網(wǎng)漏損水量的估算采取三種思路，水量平衡分析、夜間最小流量分析以及基于水力模型的漏水量分析。需要指出的是，這三種方法并非絕對(duì)獨(dú)立的，通過綜合利用多種方法，可以獲得更為精確的結(jié)果。

1、水量平衡分析

完整的漏損控制計(jì)劃常常是供水漏損的優(yōu)化計(jì)劃，而計(jì)量是有效供水漏損優(yōu)化計(jì)劃的核心組成部分。利用前述的水量平衡表，逐項(xiàng)排查進(jìn)行供水管網(wǎng)的水量平衡審計(jì)，結(jié)合各類水量計(jì)量的先進(jìn)理念，系統(tǒng)了解國(guó)際水協(xié)關(guān)于無收益水量管理系統(tǒng)中未收費(fèi)合法用水量、表觀漏損以及真實(shí)漏損的計(jì)量和統(tǒng)計(jì)方法，重點(diǎn)分析未計(jì)量免費(fèi)授權(quán)用水量的估算方法和依據(jù)，最終獲得可信度高的供水管網(wǎng)水量平衡分析結(jié)果，是降低供水管網(wǎng)漏損的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)于所有用于水量平衡分析的原始數(shù)據(jù)，應(yīng)經(jīng)過考察證實(shí)其準(zhǔn)確性，以避免較為明顯的誤差。對(duì)于無法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的項(xiàng)目，估計(jì)應(yīng)有理有據(jù)，使結(jié)果符合實(shí)際情況。

水量平衡統(tǒng)計(jì)分析的具體步驟如下：

(1)統(tǒng)計(jì)供水總量

供水總量由自產(chǎn)供水量和外購供水量?jī)刹糠纸M成，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)流量計(jì)量設(shè)備的水量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

(2)統(tǒng)計(jì)計(jì)費(fèi)用水量

計(jì)費(fèi)用水量由計(jì)費(fèi)計(jì)量用水量、計(jì)費(fèi)未計(jì)量用水量和向管網(wǎng)外部輸出的水量組成，根據(jù)用戶收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)或記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

(3)統(tǒng)計(jì)免費(fèi)用水量

免費(fèi)用水量包括當(dāng)?shù)卣块T規(guī)定減免收費(fèi)的水量以及沖洗管網(wǎng)等自用水量。

(4)計(jì)算注冊(cè)用水量

注冊(cè)用水量為計(jì)費(fèi)用水量和免費(fèi)用水量之和。

(5)計(jì)算漏損水量

漏損水量為供水總量減去注冊(cè)用水量。

(6)計(jì)算真實(shí)漏失

真實(shí)漏失為明漏水量、暗漏水量、背景漏失以及水箱、水池的滲漏和溢流之和。

1)明漏、暗漏的漏點(diǎn)流量計(jì)算

(1-3)

式中，

Q——漏水流量(m3/s);

C1——覆土對(duì)漏水出流影響，折算為修正系數(shù)，根據(jù)管徑大小取值：DN1550取0.96，DN75300取0.95，DN300以上取0.94。在實(shí)際工作過程中，一般取C1=1;

C2——流量系數(shù)(取0.6);

A——漏水孔面積(m2)，一般采用模型計(jì)取漏水孔的周長(zhǎng)，折算為孔口面積，在不具備條件時(shí)，可憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行目測(cè);

H——孔口壓力(mH2O)，一般應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，不具備條件時(shí)，可取管網(wǎng)平均控制壓力。

g——重力加速度，取9.8m/s2

2)明漏水量和暗漏水量的計(jì)算

漏點(diǎn)水量=漏點(diǎn)流量×漏點(diǎn)存在時(shí)間

明漏存在時(shí)間：自發(fā)生破損至修復(fù)的時(shí)間。

暗漏存在時(shí)間：一般取管網(wǎng)檢漏周期的一半。

3)背景漏失水量的計(jì)算

背景漏失水量=單位管長(zhǎng)夜間最小流量×小區(qū)管線總長(zhǎng)×?xí)r間

4)水箱、水池的滲漏和溢流的計(jì)算

各供水單位根據(jù)實(shí)際情況估算。

(7)計(jì)算計(jì)量損失

計(jì)量損失由居民用戶總分表差和非居民用戶表具誤差組成，分別按公式(1-4)和公式(1-5)進(jìn)行計(jì)算。

(1-4)

式中，

Qm1——居民用戶總分表差;

Qmr——按戶抄表的居民用水量;

Cmr——居民用戶總分表差率，各供水單位根據(jù)樣本實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

(1-5)

式中，

Qm2——非居民用戶表具誤差;

QmL——非居民用戶用水量;

CmL——非居民用戶表具計(jì)量損失率，各供水單位根據(jù)樣本實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

(8)計(jì)算其他損失

其他損失為漏損水量減去真實(shí)漏失和計(jì)量損失。

2、夜間最小流量分析

夜間最小流量理論作為一種重要的漏失量的計(jì)算方法，其原理是將被測(cè)管網(wǎng)分為若干 DMA 計(jì)量區(qū)域，以記錄夜間流量為基礎(chǔ)，通過插值法計(jì)算物理漏失量。最小夜間流量一般出現(xiàn)在凌晨 2h~4h 階段，在此時(shí)間段內(nèi)用水量達(dá)到一天中最低值，物理漏損占總流量的比例最大。夜間最小流量法是漏損量估算的有效手段，通過估計(jì)差異系數(shù)來評(píng)估被測(cè)區(qū)域的總漏失率，達(dá)到評(píng)價(jià)供水管網(wǎng)漏失水平的指標(biāo)。利用夜間最小流量進(jìn)行分析，一般多采用比較法與經(jīng)驗(yàn)法。

利用比較法是指，通過對(duì)比夜間最小流量與日平均實(shí)際用水量，得到他們的比值，即為夜間最小流量的分配系數(shù)，再考察該值的合理性。計(jì)算公式如式(1-6)：

α=q_(l-mnf)/q_ac (1-6)

式中，

α——夜間最小流量分配系數(shù)(%);

q_(l-mnf)——夜間最小流量值(km3 );

〖 q〗ac——日平均的實(shí)際用水量(km3 )。

若α數(shù)值大于一定值，認(rèn)為供水管網(wǎng)漏損嚴(yán)重。英國(guó)取值為 40%，美國(guó)取值為 50%。

經(jīng)驗(yàn)法是指選取不同經(jīng)驗(yàn)參數(shù)繪制用水標(biāo)準(zhǔn)圖，并與實(shí)際用水量圖進(jìn)行比較，分析管網(wǎng)滲漏狀況。

3、基于水力模型的漏水量分析

城市供水管網(wǎng)漏失模型的建立均采用參數(shù)擬合法或經(jīng)驗(yàn)公式法，漏損模型常用的有孔口漏失模型以及一致性漏失模型?？卓诼┦Ｐ图俣卓诔霈F(xiàn)在管道中間，漏水量與壓力有關(guān)，符合漏水量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?整體漏損量并非均勻分布在所有漏點(diǎn)上，漏損量與水壓呈指數(shù)關(guān)系?？卓诼┦Ｐ涂勺鳛槁p發(fā)生后供水管網(wǎng)功能預(yù)測(cè)和供水管網(wǎng)可靠性分析;一致性模型更能真實(shí)反映管網(wǎng)漏失狀況。

國(guó)際方面，從水力學(xué)角度而言，單個(gè)漏點(diǎn)可認(rèn)為小孔口自由出流，其關(guān)系式如式(1-7)：

q_l=Aμ√2gP (1-7)

式中，

A——供水管道漏口面積(m2);

g——重力加速度(kg·m/s2);

μ——孔口流量系數(shù)，取值為 0.6~0.62。

該公式是通過測(cè)量管段壓力大致值，再測(cè)量漏口面積得到的。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，漏失與壓力的關(guān)系與上式吻合性差，說明簡(jiǎn)單的孔口出流方程很難解釋復(fù)雜的漏失問題。

Germanopoulos, Andres 等對(duì)漏失模型進(jìn)行研究，假設(shè)漏失在管道中均勻分布，背景漏失常用經(jīng)驗(yàn)公式如式(1-8)：

q(L-k)=β_k l_ij 〖(P_k)〗^(α_k ) (1-8)

式中，

α_k——漏損指數(shù);

β_k——漏損系數(shù)，取值范圍為 0.5~2.5;

P_k——第 k 條管段兩端 i 與 j 節(jié)點(diǎn)壓力平均值(MPa)。

則節(jié)點(diǎn)漏失量如式(1-9)所示：

q_(L-i)=∑?1/2 β_k l_k 〖(P_k)〗^(α_k ) (1-9)

1985年，英國(guó)水專家協(xié)會(huì)(WAA)在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立壓力與漏失量非線性數(shù)學(xué)模型，Germanopoulos 將此漏失公式引入供水管網(wǎng)分析中，建立一致漏失模型，如式(1-10)所示：

q_L=αL_ij [((P_i-z_i )+(P_j-z_j ))/2]^1.18 (1-10)

式中，

z_i，z_j——節(jié)點(diǎn) i 與節(jié)點(diǎn) j 的地面高程(0.01MPa)。

1989 年，Sinozuka以面積相同的圓形孔口代替非規(guī)則漏口，提出異于中國(guó)點(diǎn)式模型的新漏失模型：

q_l=0.64A√2gP (1-11)

上述漏水量模型中，漏水量與漏口形狀有很大相關(guān)性，實(shí)際管網(wǎng)中管段破壞處漏口面呈不規(guī)則形狀，非規(guī)則形狀漏口較圓形孔口對(duì)水流的摩擦阻力大，該模型不同程度的增加管道漏失量。

國(guó)際上通用漏失指數(shù)取值范圍為 0.5~2.5，漏失指數(shù)與管材性質(zhì)有關(guān)，非金屬管道漏失指數(shù)在 1.25~1.75 之間;金屬管道漏失指數(shù)在 0.5~1.5 之間。管道漏口面積呈不規(guī)則形狀，為準(zhǔn)確計(jì)量漏口面積，將 0.5cm 厚的薄粘土紙覆在漏水孔上，測(cè)量掀下薄粘土紙的面積即為漏口面積，通過上式計(jì)算漏水量。

我國(guó)基于水力模型的漏水量估計(jì)的研究也發(fā)展了多年。1986 年，中國(guó)供排水協(xié)會(huì)參考日本水道協(xié)會(huì)的點(diǎn)式漏失量模式，用漏失面積反映管段破壞程度，漏失計(jì)算公式如式(1-12)：

q_l=0.421A√P (1-12)

2000年，馮啟民規(guī)定管段水流方向前提下，假設(shè)管段破壞時(shí)，漏點(diǎn)將出現(xiàn)在管道的下游節(jié)點(diǎn)，提出一個(gè)假設(shè)的點(diǎn)式漏損模型。2005年，李杰將管道漏口模擬為薄壁銳緣孔口出流，水流在管道中的流線呈弧線彎曲，流過孔口的水流斷面面積迅速縮小。根據(jù)水力學(xué)原理，給出孔口出流的漏失量模型。

2005 年，哈工大趙洪賓教授認(rèn)為單個(gè)漏點(diǎn)形式存在孔口出流或淹沒出流兩種形式，建立漏水量數(shù)學(xué)模型，指出漏失指數(shù)0.5<β<1.5;王維燕采用區(qū)域裝表法對(duì)實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)進(jìn)行流量實(shí)測(cè);周建華認(rèn)為管網(wǎng)漏損水量管道上的孔洞，漏水量與P0.5成正比例關(guān)系，漏口面積不隨壓力變化而變化;另一部分為管道接口處漏損水量，此處漏口面積隨壓力增大而增加，漏水量與P1.5成正比例函數(shù)，同樣的認(rèn)為漏失指數(shù)0.5<β<1.5之間。

2010 年，孫井泉利用產(chǎn)銷差量化分析的結(jié)果和漏失模型，調(diào)整管網(wǎng)壓力以模擬管網(wǎng)物理漏失水量，其中管網(wǎng)漏失模擬實(shí)驗(yàn)通過人為調(diào)整管網(wǎng)觀測(cè)點(diǎn)壓力，采用夜間最小流量原理，用流量計(jì)記錄小區(qū)夜間最小流量，分析壓力和流量關(guān)系。2012 年，盛澤斌對(duì)管道漏口大小、管道埋設(shè)深度以及土壤等外界因素對(duì)水流產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)研究不同用戶、不同漏點(diǎn)、不同特性管網(wǎng)的漏失量與壓力之間關(guān)系。

狹義的供水管網(wǎng)漏損是指由于管體、附配件和接口等管道部件破裂或調(diào)節(jié)構(gòu)筑物漏水等原因引起的從給水廠輸出的水流經(jīng)給水管網(wǎng)時(shí)，有一部分水未經(jīng)使用而流失到管外的現(xiàn)象。作為市政公用工程系統(tǒng)，城市供水管網(wǎng)在運(yùn)行過程中時(shí)刻處于壓力狀態(tài)，且受到水中余氯等化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，老化故障速度較快，另一方面，城市供水管網(wǎng)存在輸水管線長(zhǎng)、沿途地形復(fù)雜的問題，有些管線穿越道路、田地，附屬物較少，間隔距離長(zhǎng)，不斷遭到地質(zhì)因素的破壞，不同土質(zhì)(酸堿度)侵蝕以及人為的挖掘、施工和耕地等造成管線破損、泄漏，缺少必要的維護(hù)和管理，最終導(dǎo)致管線上出現(xiàn)漏點(diǎn)，甚至爆管。常見的漏損形式如下：

(1)管道漏損：管道包括管體、配件和接口三部分。管體和配件漏水是由于銹蝕穿孔或腐蝕破裂，接口漏水則由剛性接口滲漏、柔性接口密封膠圈損壞、承插式接口脫落、接頭破裂等不同原因造成。

(2)調(diào)節(jié)構(gòu)筑物漏損：供水管網(wǎng)中常見的調(diào)節(jié)構(gòu)筑物有水池、水塔、水箱和泵站。調(diào)節(jié)構(gòu)筑物除了本身漏水以外，其進(jìn)出水口或上下管道及配件的漏水也不可小視。

(3)管道附配件漏損：閥門軸桿密封填料處漏水、沖洗排水閥關(guān)閉不嚴(yán)、通氣閥失靈串水、預(yù)留閥門關(guān)閉不嚴(yán)等造成的閥門漏水;消火栓關(guān)閉不嚴(yán)導(dǎo)致的消防栓漏水。此外還有過濾網(wǎng)銹蝕、破裂漏水、法蘭接口處漏水、水表漏水等。

廣義的管網(wǎng)漏損，除狹義的管網(wǎng)漏損(也即是所謂“真實(shí)漏損”或“物理漏損”)外，還應(yīng)包括表觀漏損的部分。表觀漏損由兩部分構(gòu)成：失竊和計(jì)量誤差。失竊是指通過未經(jīng)授權(quán)私接管道等不合法方式偷盜的供水系統(tǒng)中的水資源，計(jì)量誤差是指由于供水管網(wǎng)中的各類與營(yíng)業(yè)收費(fèi)相關(guān)的計(jì)量工具的誤差導(dǎo)致的水量損失。

由以上定義，我們將真實(shí)漏損和表觀漏損之和稱為供水管網(wǎng)的漏損。此外，供水管網(wǎng)中還有一部分免費(fèi)供水量，這部分水量是合法有效的，但由于政策安排、供水系統(tǒng)自用等原因并沒有對(duì)使用者收取費(fèi)用。將供水管網(wǎng)的漏損加上這部分免費(fèi)供水量之后，得到的就是供水管網(wǎng)的無收益水量(NRW, non-revenue water)，也稱為產(chǎn)銷差水量。

在全球范圍內(nèi)，第三世界國(guó)家的飲用水管道蝕損現(xiàn)象最為嚴(yán)重，其中一些城市中竟然有高達(dá)60%的用水量因管道漏損而流失，如菲律賓首都馬尼拉市總供水量的58%因供水管網(wǎng)的漏損而流失。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)供水系統(tǒng)的管理和保護(hù)水平比較高技術(shù)先進(jìn)，這一問題相對(duì)較輕，但仍不容忽視，英、美兩國(guó)的管網(wǎng)都約存在12%的漏耗。

以英國(guó)為例，2010-2011各大水務(wù)公司的供水管網(wǎng)漏損率變化范圍從14%到27%，而英國(guó)各大水務(wù)由于沒有全部裝表到戶，因此用水量更多的采用估算方法，這也給漏損率的計(jì)算帶來了一定的不確定性。