管网漏损空间分布估算与漏损优化控制

　　在近日由中国水网主办的2007城市水业高级技术论坛，清华大学环境工程系副研究员刘书明博士管网漏损空间分布的估算与漏损优化控制问题发表了主题演讲。以下根据其发言内容整理，未经本人审核。

　　首先感谢中国水网给我机会。我是三月份刚刚加盟到清华大学，在这以前，我在英国进行了八年“抗战”。刚回到国内，对业界来讲也是非常陌生的，非常感谢中国水网给我这个机会跟大家做一个了解。
　　我今天谈的话题是稀缺数据管网。相对来讲。国外管网的管理比我们成熟很多，但是也存在了很多问题。他们的发展过程对中国目前的情况来讲，非常有借鉴的意义。中国逐步的认识到了管网的重要性，如果我们能从国外的发展中当中吸取一些经验，或者是教训，不管是对污水发展还是供水发展，都是有很大的意义。
　　今天先想带领大家简单回顾下英国管网的漏损情况。第二个对管网的漏损意见做个一般性的阐述。第三就是描述一下英国在过去几十年的技术发展中，出现了技术间隙，我不知道对这个翻译的准确不准确。最后就是通过我国采取的几个方法，方法的应用以及重要性，对我国目前管网漏损情况的一个启示。
　　7月3日，中国水网登了一条消息，英国泰晤士水务准备投资约10亿英镑来解决漏损问题。2006年，泰晤士水务每日漏损的自来水达到8.94亿升，他们的目标是2010年减少到7%以上。
　　英国管网是什么样子的呢？它比我国管网的年龄大多了，中国的管网是建国之后铺设的，有四五十年的历史。而英国管网是维多利亚时代铺设，50%的管网都超过了100年。这些管网的漏损率很高，昨天DFS公司的总裁说欧洲的管网漏损率达30%到60%。会议期间的时候，大家都讨论这些数据。这个数据是真实的，泰晤士的漏损估计今年大概是38.6%。英国水表安装率非常低，2007年才达到30%左右。这是历史原因造成的，之前的英国人觉得他们有生存、吃饭、喝水的权利，政府有义务提供水，并且不能收费。近几年慢慢改变了，从70年代开始，水务公司、自来水公司控制并慢慢涨价。同时，在用户中开始装水表，因此漏损率也只是估计。英国的水费不是按表收，而是按户收。你家有几个卧室，收你多少钱。
　　英国的漏损管理也是从上个世纪的70年代到80年代开始。这是伴随着英国供水企业私有化进程开始的。中国也刚刚踏上这条路，肯定很快的会提到这个问题。在早期，刚刚开始做漏损管理时，主要是工程的技术。因为计算机的发展，很多系统得到了广泛应用。管理层次的技术就开始运用到漏损管理中，而且也有一些综合的管理方法，慢慢的在供水企业里面开始应用。现在国外的漏损率是30%多，在10年前时他们的漏损率是30%到60%之间，相对降低了30%。
　　下面这表显示英国主要几个水务公司统计的漏损情况，横坐标指的是泰晤士水务公司，纵坐标指的是每一天从每一户漏损多少升，这是不同的年度开始，从2000年到2006年出具的数据。我们能明显地看到泰晤士主要服务的区域是东南部区域，这个地区的经济相对来说非常发达。
　　咱们了解了英国的情况后，我想对漏损做一个一般性的阐述。其实说到底，这和人为什么生病是差不多的道理，管网老了以后肯定有漏损。昨天也有专家说30%的漏损是从接口发生的，这个我同意。漏损原因还有很多，负面影响也有很多。首先是水资源的浪费，特别我国水资源紧缺，在可持续性发展方面，减少漏损的意义就更大些。还有一点从水质的安全性、稳定性，大漏损或者爆管的发生，会产生管道负压的产生，导致管网水质的恶化。
　　解决漏损的方案很简单，但是越简单就越不好做。第一就是硬方案，就是哪漏我换哪儿的管道；第二就是软方案，通过压力管理法，这是近几年在西方国家里面，欧美还有日本一些国家里面用的非常多的方法，在咱们国内，在学术界里面也有谈论的。两个方法区别在于，硬方案的投资非常大。比如北京管网，你把图画一遍都是不太现实的；软方案的投资相对来讲少点，主要是通过降低水压降低漏损量。
　　但是不管哪种方法，它的前提是我要知道漏损在什么地方发生，或评价某区域损失了多少水。一般从两个方面解决这个问题。第一类就是探测类。定义漏损点，方法很多，第一种就是被动检测法，就是有人报告哪儿爆管，还有一种根据声音、音频，也就是说水从管道里漏水时发生摩擦，及跟土壤发生摩擦产生的波长。上面这些方法在测量漏损点中非常准确。另一类就是使用DMA法和最小液压流量法来评价管网漏水。DMA法即区域分区装表法，它实际上是控制一个管网分区的入水口和出水口，通过控制这两个点看流量的多少。如果有流量差的话，那是水有漏损或者被偷。最小液压流量法是利用管网内水的漏失压力有很大的关系。如果管网里还有水流走的话，我们有理由相信，绝大多数都是漏掉的，当然也会有一些企业的因素。还有就是近几年随着SCADA技术的广泛应用，可以通过水力模拟的方法，进行对整个管网的布控，以达到评价管网漏水的目的。
　　不同的技术有不同的优势和劣势。第一类是优点精确的告诉大家哪些地方漏水，缺点就是不容易查到，因为北京的管道网络太多。第二是测量类的，他可能告诉你哪个小区漏水，但是不能很明确的告诉具体地方。
　　英国过去的20、30年发生了什么变化？因为在最初装测量点的时候，在哪个地方安装都是凭借经验做。导致有些区域装的特别密集，有些区域装的特别少。如果是装的特别密集的话，DF的聚焦技术就能用。像国内的情况是只有一个入口的流量数据，那怎么来利用现有的技术尽快的找到漏损点，这是需要考虑的问题。
　　之前，我国通过水力学计算的方法来寻找这个点。原理就利用了水压的关系，那么下面我一步一步给大家阐述这个。首先看一下点的漏损，那么点的漏损在漏损管理界，一般是通常采用了模拟一个小孔流的流量关系，也就是一个水从小孔里面流出来以后它跟水压的关系，那就是一个指数关系，两个参数，一个是漏损系数，一个是漏损指数。
　　漏损系数比如是属性、管龄，还有管材。一般来讲跟管材是有关系的。下面的图是我们实验中拍的一些照片，还有一个列表，这个图片显示一个问题，不同的管材还有漏损口的形状不同的话，漏损指数是不一样的，比如你是一个圆孔或者是一个方孔，或者你裂缝是沿着管径或者是顺着，都是不一样的。
　　我们通过点漏损的机损方法，根据系统水力模型的耦合方法，进行对整个的管网系统做一个全盘的优化，看看到底是哪一个地方漏水。第一步是收集管网的基础资料，西方国家的资料相对来说比较完整一些，因为企业的发展过程当中非常注意保存这些，然后利用GIS系统，可以分析管网的空间结构，建立数字管网。之后再利用水力学模拟软件的模型，然后运用点漏损计算方法，加上这个区域尺度的管网数据，这样就可以对这个管网进行一次的模拟
　　管网优化是很麻烦的事情，管网肯定是分散性的，涉及到太多的统计学计算，而且如果进行一遍统计学计算就会耗费很大的时间，如果是上百万次的话，会耗费多长时间呢？所以计算量非常大。
　　要想进行优化，就要找到它的平衡方程。水从这点取走了，只有两种可能性，第一有人用水，第二是漏水。我们知道有两种可能性，但不知道他们各自占的比例是多少。那么对于整个管网来讲也是这样的。
　　我想回到前面这个数据，还有一个数据，就是我们知道各个结点，虽然我不知道它的确实值，但是我知道它们之间的关系，比如你服务了多少户人家，大约的比例可以知道了。那么怎么进行估算呢？首先我们看最小流量，假设80%，80%漏了以后，我就可以通过这个放在水力模型里面，套进去以后经过水力模型，我就可以算出各个结点的用水量，有了水压我就可以算漏水量，再回去就可以算供水量了，因为水压变了一次，你漏损量变一次，漏损量变一次，用水量就变一次，最后达到一个平衡。
　　最后的结果，我们可以得出类似这样的图，我不知道漏在哪个点上。红色的区域显示的漏水比较多的区域。第一点，我可以用探测技术，比如在整个管网区域里面给我探，就在红色区域里面探，大大的提高了工作效率。第二个我们的漏损量，做出这个估量图之后，根据报告，有慢渗的情况，从另外一个估算是准确的。还有一点根据这个图，我们可以建立起分析管网的监控体系，就是对红色区域的管网重点加护，因为它有可能会爆，对蓝色区域，可以弱一点监护。如果要更换，是要更换红色的，而不是蓝色区域的。
　　这个图还有一个作用，因为我们经常谈压力控制法，压力控制法主要的压力，就是我通过来控制管网的工作压力，既要保证你达到了用户应该的供水需求的压力，又要尽量的减少你的工作压力，因为这个工作压力是随着管网的用水量而随时在变化的，假如你的泵不变的话，是随时在变化的，在夜间管网的压力是最高的，同时这时间漏损也是最大的，在7、8点钟的时候，这个时候的用水量是最大的，水压是最小的。那么尽量保证压力是平衡状态的，是稳定状态的，当然有很多方法来解决，比如昨天讲的那个技术，就是通过调整泵，通过泵的技术控制这个压力，我们今天谈的通过装了一个减压阀控制，当然解决一个问题有不同的角度。当然解决这么一个问题，刚才我举了一个例子，如果我有50条的话，就有50次方，如果有100条就有100次方。那么我们对这个管网进行水力计算的时候，左边这个图和右边这个图对比我们可以看到，在漏损量比较大的红色区域，恰恰是对应于结点的压力比较大的区域，这就给我们一个暗示，也就是说我们必须要去减压嘛！我们控制压力高的区域，而不是控制压力低的区域，控制压力高的区域就可以了。
　　也就是说我们对装减压可能的位置，应该是红色区域，那么红色区域的管道呢？整个管网的管道是36条，红色是17条，这是一个很大的节省。
　　这个优化过程，我也不想展开讲，因为这是涉及到基因算法里面内部的东西。最后的结果就是我们发现，通过装四个减压泵，就在红色区域里面，可以使这个平均减漏量达到20%左右，这也是一个很可怕的数据。
　　最后我想做一个很简单的小结。第一个采用分区测量的方法。该方法能有效地、快速地评价一个区域的漏损量，但要想知道具体漏损位置，测量人员必须采用点测技术。点测技术对大的管网区域无能为力，太费时间。测量人员要找起他方法测量，即漏损空间分布法。但是它不是基于数据非常密集的管网，如果是非常密集的话就好说了，那没有数据只能控制模拟来做。压力管理法可以有效地提高搜索空间，提高优化效率。这种方法对数据来讲要求比较弱，基础资料一定要有，那么减少你管网入口的流量就可以。
　　第二点说我们没有办法但是还要解决的目前问题，就是咱们的稀缺数据。稀缺数据就采用模拟的方法。这种模拟很可能产生误差，而且产生了误差后大家可能不能觉察到。因此这只能是一个缓兵之计，还是需要积累到一定的数据替换掉模型。
　　第三个就是我国的供水管理水平相对来讲很低。供水管网的漏损管理应采取工程方法与系统管理并举的策略。国内现在有工程方法，但没有管理方法，或者管理方法很弱。目前，国内外还在思考着不同的问题。我觉得国外的公司经过几十年的时间，他们还是发现有很多问题，并且发现要优化管网就必须提高管理的层次。我觉得我国要借鉴别人的经验和不足，避免类似的问题。对管理来讲，很重要的一点就是基础数据。如果没有常年积累的基础数据的话，那就什么也谈不上。如果我国刚刚开起步的话，就很有必要注意这一点。
　　目前，我国的漏损率很低，而西方国家达到30%多以上，甚至50%以上。但是我认为咱们国家的漏损形势更加严峻，因为咱们国家的管网才几十年，西方国家的管网已经有了100年甚至150年以上的时间。
　　另外，英国水资源比中国丰富，仍然非常注重控制漏水。因为国外觉得资源的漏损是一种损失。从可持续发展的角度来讲，必须加强管理，减少损失。这也对应了国家倡导的节能减排。减少漏损不但减少水资源的浪费，还能节约能源。因为处理问题都是需要耗能的，你减少漏水的话就是节能。
　　最后一点就是我国管网的漏失管理处于起步阶段，我国一定要加强数据的积累。另外，还有基础数据的积累。国外很多供水公司的数字管网都非常完善，也是经过漫长的时间，慢慢积累的。经过积累期后，他们比较有经验，开始在中国推广市场。我还想强调下数据积累的重要性。如果没有如此的数据积累，一切将无从谈起。
　　这就是今天我要讲的内容，谢谢大家！
（中国水网）

编辑：全新丽