城市供水管网水漏损管理技术研究现状综述

付恒阳

(陕西理工大学 历史文化与旅游学院 秦岭与蜀道地理研究所， 陕西 汉中 723000)

城市供水管网水漏损管理技术研究现状综述

付恒阳

(陕西理工大学 历史文化与旅游学院 秦岭与蜀道地理研究所， 陕西 汉中 723000)

城市供水管网水漏损导致了水资源的大量浪费。为了梳理水漏损管理技术国内外发展现状，明确今后水漏损管理技术开发的重点内容，分别从帐面漏失管理、物理漏失管理和管网综合管理3个方面对目前国内外城市供水管网水漏损管理中普遍采用的技术和方法进行综述，从实用性、精确性和操作的难易程度几个方面剖析各种技术的优势及不足，指出未来的研究方向：(1)进一步优化DMA技术；(2)研发综合的多目标决策框架；(3)优化在线监测和检测技术；(4)强化理论的实践与应用研究。

供水管网； 水漏损； 泄漏监测； 泄漏定位

城市供水管网水漏损常得不到足够重视，直到发生管网破裂、路面塌陷、居民区停水及地下管线隧道坍塌等事故，造成大量水流失及经济损失，相关部门才采取补救措施。新华社2014年通过对我国408个大中城市供水管网统计结果表明，城市供水系统的管网漏损率平均为21.5%。若以平均漏损率20%计算，我国水务公司一年的漏损水量为102亿吨。若以每吨水成本1.5元计算，每年因漏损造成的直接经济损失为154亿元。除去正常范围内的流失率，如果城市供水管网漏损率能够降低10%，即可节省至少52亿立方米的水，保守计算相当于2000多个昆明湖的水量[1]。

供水管网水漏损会导致资源和能源浪费，甚至供水服务中断，并有可能诱发致病菌入侵管道致使水质污染。如果供水基础设施老化，加之供水系统的管理不善，会导致供水过程中更大的水漏损。为了更有效地节约用水，有必要对目前水漏损预防的技术和方法进行分析和评价。在管网漏损监控技术方面，目前全球主要侧重于帐面漏失管理、物理漏失管理和管网综合管理。

本文选取了上述3个水漏损管理层面中目前流行的技术、方法及研究热点，通过对这些技术与方法的分析，理清每种技术的优缺点及未来需要改进的地方，为水漏损管理从业人员及研究人员提供参考。

1 供水系统帐面漏失管理方法

供水系统帐面漏失(apparent loss)又称为“纸上漏水量”或“无收益水”，是指由于用户水表计量不准导致的仪表漏损量、抄表误差、财务上的数据处理及计费错误、未经授权的非法用水等给水务公司带来的经济上损失的部分水量[2]。尤其是大量用户仪表不准或未经授权用水持续发生时，抄表得出的用水量总数远小于实际用水量，导致水务公司经济损失。有数据显示，全球每年约160亿立方米的供水漏失属于帐面漏失，直接经济损失约合每年65亿美元。亚洲开发银行(ADB)估计，在亚洲，水务公司50%～65%的无收益水属于帐面漏失[3]。在我国，多数城市也存在较为突出的供水系统帐面漏失问题。

用户水表走表不准通常是帐面漏失的主要原因。在我国，多数城市老城区居民用户普遍使用的是机械水表，这些水表像大多数机械设备一样，通常随着使用年限的增加走表精度逐渐降低，造成水务公司收入损失以及不公平的计费政策。针对这一问题，采取一定的措施可以使计量误差最小化，如安装高精度水表、定期检测，废旧水表及时更换等。

在城市供水系统中，一些用水户存在有意或无意的水龙头滴漏现象。目前大多数城市广泛使用的水表都无法检测超低流量的水流，这种现象也会加剧用水计量结果的不准确[4]。针对这一问题，目前已研发出能够测量超低流量的电磁感应智能水表，能有效解决因水表计量不到超低流量而造成的供水帐面漏失[5]。

人工抄表误差或统计错误以及不科学的计量技术，是导致供水产销差增大的另一主要原因。为解决此问题，目前我国正在积极推行智能化城市供水监测系统，通过智能水表和智能阀门，能有效记录居民的用水习惯和每月用水量，实现自动抄表和精确计量，极大地减少由于人工抄表错误和数据处理错误造成的的帐面漏失。

未经授权用水也是造成“帐面漏失”的一个主要因素，该问题的解决不仅需要工程技术措施，而且需要社会文化措施，包括联合当地社区管理部门，帮助水务公司做好合法用水教育及监督工作。工程技术方面，最近实验研究表明，在监测供水系统中是否存在未经授权用水时，可以采用压力监测、逆计算技术和快速瞬态测试装置方法获得未授权用水的位置和特性[6]。当然，由于供水网络复杂的拓扑结构以及区别非法用水和合法用水导致的压力瞬变的困难性，难以保证该方法在实践中的有效性。

2 供水系统物理漏失管理优化技术

供水系统物理漏失(real ross)，指的是通过系统输配水管网及城市蓄水设备渗漏，漏失及溢流到外界的部分水量。为减少供水系统物理漏失和实现最优泄漏检测和控制，一些优化技术和方法相继用于物理漏失管理。

2.1 遗传算法

Savic等[7]最先采用遗传算法(GAs)提高和改进供水系统漏失管理，他们采用隔离阀作为决策变量和最小容许压力作为约束条件，通过压力水头最小化实现压力调节最优化，以减少供水系统中的水渗漏。在此基础上，许多研究者应用遗传算法来解决供水系统的水泄漏管理优化问题，例如阀门位置优化、阀门调整优化、和基于逆瞬态分析的泄漏检测优化等。

利用遗传算法解决供水系统易漏区检漏的最优化问题已经成功在英国、泰国得以验证。该方法功能强大，将会是传统优化技术的革新，但其主要局限在于其需要一个很好的校准模型和高质量的数据。

2.2 多目标优化及决策分析

Alvisi等[8]基于非支配排序遗传算法(NSGA-II)和多目标进化算法(MOEA)研发的多目标优化决策模型被认为是实现泄漏检测以及管道维护资金预算的一个非常有价值的实用决策支持工具。泄漏管理多目标状况下，决策过程可以通过综合多目标优化和多标准决策分析(MCDA)得以强化。首先利用多目标优化生成帕累托最优集，获取可用解决方案，然后利用多标准决策分析对可用方案作进一步筛选，直至获取一个最优解。多标准决策分析方法包括数据包络分析法(DEA)、层次分析法(AHP)，折衷规划(CP)和优先排序的组织方法(PROM)等。

多目标优化的主要优点在于可以提供一些折衷了各个目标的替代方案，避免了目标之间相互冲突。该方法最近已用于解决意大利两个供水系统水泄漏案例，结果显示，多目标优化方案实施3个月后估计节水281 m3/d，相当于系统日输水量的14%[9]。目前，多目标决策分析在我国水漏失管理规划中的应用有限，原因是该技术操作过于专业化和复杂化。

3 管网综合管理技术与方法

管网综合管理主要包括4个方面，分别是：泄漏监测、泄漏定位、管网压力管理和漏损预测。

3.1 泄漏监测

3.1.1 DMA技术

目前国外在泄漏监测方面多利用独立计量区域(DMA)技术。独立计量区的大小一般以用水户的数量表示，通常在500～3000户之间[10]。DMA泄漏监控以夜间流量分析为基础，持续或定期监测流入独立计量区域的流量，并确定当流量超过规定的夜间最小流量(MNF)时，则可判断此DMA存在漏失或偷水情况，从而对该DMA进行及时排查，以减少漏失。夜间最小流量通常发生在凌晨2:00至4:00，在此期间合法用水户的用水量通常在最低限度，故配水管网的压力高，流入DMA水流的泄漏也达到最大值。

DMA技术的MNF分析是泄漏评估实践中应用最广泛的方法，甚至有学者认为即使在不规律的管网供水中，夜间流量分析和渗漏水力分析也是对渗漏监控一个有价值的工具[11]。目前一些发达国家许多城市配水系统基于网络的水力模型和数据驱动模型实现了夜晚水流的自动化监测，从而节省了检测时间和人工判读造成的误差，在我国深圳、上海、北京、昆明等地也尝试了DMA漏损控制技术，查出了许多暗漏点。

基于DMA漏失监测的另一项先进技术是流量统计分析。Buchberger等[12]在高分辨率流速读数(1秒的采样间隔)统计分析基础上提出了一种漏失筛查算法。该方法通过连续测量流入到独立计量区域的主流，推断最小和最大漏损率。该方法的局限性在于，缺少实践检验，也确定不了管网具体的泄漏位置。

在耗水量数据及统计分析应用的研究中，Jankovic-Nisic等[13]认为在大型供水区，DMA技术对水流量的变化不太敏感，对任何突然爆裂或与家庭用水量相同的泄漏难以察觉，他们在DMA基础上提出了流量计最佳定位法。

针对我国大多城市管网规模和密度较大，拓扑结构复杂，DMA技术难以实现等问题，李霞[14]提出了虚拟分区法，即用模糊识别等方法将管网中所有管段按监测点水压变化规律进行聚类，把泄漏检测的范围集中在某一类内，大大缩小了泄漏检测的范围，只是该方法还有待更多的实践以检验其有效性。

3.1.2 在线监测技术

在线监测(实时监控)作为管网泄漏或爆裂的快速反应手段被越来越多的水务公司使用。智能传感器，微处理器，遥感，通信和软件应用程序包等方面的技术进步已成功实现供水系统流量和压力数据的连续和实时采集，使及时诊断供水系统中的异常并采取干预措施成为可能。

英国的Neptune项目研究组研发了一个在线监测的决策支持系统，该系统是基于压力记录仪、流量计、客户投诉、以及短期用水量预测等实时信息进行分析，其结果为相关决策者提供借鉴。Mounce等[15]研发了一个利用人工神经网络在线获取管网流量和压力数据的方法。该方法利用人工神经网络(ANNs)首先预测管网水力参数的概率密度函数(PDF)，然后把PDF连接到一个模糊推理系统并在线检测泄漏或爆裂等异常流量。该方法在英国的一些实例研究中证明是一个非常有效的管网爆裂检测的“智能报警”工具。另外，人工神经网络与贝叶斯推理系统(BISS)联合的数据驱动模型已有报道，并认为是很有前途的在线爆裂检测工具[16]，该模型的缺陷是需要至少2～3个月的正常数据来预测和校正人工智能系统的精确度。

Ye等[17]基于自回归和液压测量的自适应卡尔曼滤波研发了一种新型的在线爆裂检测方法。卡尔曼滤波方法对爆裂或泄漏的流量监测比压力监测更敏感，具有计算效率高和检测速率快的优点，并且不需要人工智能系统所必须的大量校正数据。根据Savic等[18]研究认为，人工智能系统对中、大型的异常爆裂事件检测方面更优越，而以卡尔曼滤波器为基础的技术更适合小的异常爆裂事件，并能提供系统故障的早期预警；因此，这两种技术具有互补性，但二者共同缺点是不能在线检测到管网现有的稳定泄漏。

3.2 泄漏定位

检漏是把泄漏缩小到管网的某一部分，而定位是指查明泄漏的确切位置，只有对泄漏点及时定位才能实现及时维修并减少水漏损。泄漏定位主要是利用声学设备如听漏棒、电子听漏仪、噪声自动记录仪、相关仪等[19]。声学设备依赖于水加压后漏水产生的噪声(声音或振动)。传统的声学设备不适用于非金属管道和大口径管道的静态泄漏，它们的有效性在很大程度上依赖于使用者的经验，并且检漏过程比较耗时。随着信息技术和通讯设施的最新进展，现代的声学设备更有效且较少依赖于使用者的经验[20]。例如配备了多参数测量(流量，压力和噪声)的声学传感器，现已应用于供水网络监控和泄漏定位[21]。多参数测量是一种很有价值的方法，未来将会逐步用于DMA的泄漏监测。另外，视频摄像头、传声器、声学传感器和遥感技术在管网检测中的应用使工作人员在大口径管网中及时找到泄漏点成为可能[22]。再者，一些非声学技术如示踪气体、红外成像和探地雷达等，也有助于供水管网的泄漏定位[23]。

美国康乃尔大学Liggett[24]教授和他的研究小组提出了基于压力和流量的逆分析泄漏检测定位法。该方法基于管网瞬态分析，假设管网某处破裂会产生突发压力波，该压力波将先后传播到距离较近的几个压力监测点，然后根据传播的路径和时间差来诊断泄漏位置。逆分析法是一种动态的泄漏检测方法，能适用于稳态和瞬态的条件。

泄漏定位的另一个实用工具是网络水力模型。这项技术利用实测压力或流量数据，通过压力或流量的模拟值与实测值差异最小化来定位漏损热点[25]。在过去20年中，网络水力模型在供水系统漏损分析中得到了很好的开发和应用。对于泄漏管理，水力模型不但用于泄漏点定位，也可用于其他用途，包括管网分区以及泄漏控制的压力管理[26]。虽然水力模型是管网泄漏分析一个有价值的工具，在实践中，对模型的校准仍然比较困难。

国内学者梁建文[27]、朱东海等[28]基于人工神经网络模型，通过监测节点的水压变化来诊断管网泄漏位置，实现泄漏点动态定位。该方法是供水管网泄漏定位的一种新思路，但在实践中还存在诸多问题，如模拟中较少考虑实际管网泄漏的复杂性以及模型本身存在易陷入局部极小点、训练不易收敛等缺点，致使模拟结果失真。最近有学者提出了配水系统异常检测的支持向量机(SVMs)模型以替代神经网络[17]。支持向量机模型是一种基于统计学习理论的模式识别方法，其功能类似于神经网络，但该模型比神经网络有更好的概括能力和需要较小的校正数据。

3.3 管网压力管理

压力管理是在保证用户正常用水的前提下，通过加装压力控制设备，根据用水量调节管网压力达到最优的运行条件[29]。传统减少隐蔽泄漏的方法是更换管网主线或支线，然而这种做法成本高，费时、费钱和费力，而压力管理是一种减少隐形泄漏的较为实用且花费较低的工具。压力管理常用的实施方案包括：调整各个管理区供水管网布局，优化管网性能；实时对管网进行检漏和维修，保证管网的相对完好状态；增加调压设备，在保证正常供水前提下根据用水量调节管网压力[30]。

通过压力管理，减少了主管道破裂和能源消耗，不仅降低了泄漏，而且延长了基础设施的使用寿命，降低了运营和维护成本，同时减少了供水中断，提高了客户服务。因此，压力管理被认为是一种减少供水管网漏损最为快速、有效的主动控漏方法，是一个减少隐蔽渗漏必要的管理工具。

尽管压力管理具有诸多好处，然而在我国许多地区，该技术很少得以应用，主要原因有两个方面，一是缺乏与之相配套的决策支持系统，二是配水系统没有优化配置，难以进行有效的压力管理。

3.4 漏损预测

供水管网漏损预测包括漏水量预测、管网安全使用时间预测等。其主要目的是对管网的安全使用时间提出预警，为管网漏损做到早预防、早解决提供借鉴。

张宏伟等[31]和段焕丰等[32]把导致供水管网漏损的各种因素作为自变量，把管网漏损作为因变量，建立管道漏损与导致管道漏损产生的因素之间的线性关系，应用多元线性回归分析理论建立了供水管网初始漏损预测模型及供水管网漏损安全预测模型。这些模型有助于管网泄漏问题的短期治理与长期防治，使漏损被动检测变为主动检测，提醒水务公司提前更换一些预测可能要漏损的管道，减少漏损损失。

耿为民[33]和闫丽芳[34]分别采用BP神经网络模型预测多发漏损管材的安全使用时间，这些模型对管网漏损防治具有一定的促进作用。其中闫丽芳通过将粒子群优化算法引入BP神经网络的优化中，提高了模型的收敛速度和精度，为管道漏损预警提供基础和依据，有助于促进管网改造和漏损防治的有机结合。但其模拟过程建立在大量繁杂和随机的历史数据基础上，如果这些数据不全、不准或难以直接应用，会导致模拟结果偏差，削弱模型的精度。

3.5 我国供水管网综合管理技术与方法

基于国内大多管网规模较大、密度较大、连接复杂、分区不足、在线监测设施落后等现状，我国管网漏损综合管理应注重以下几个方面：管网定期更新改造、管网压力控制、漏损检测及漏点定位与修复。管道更新改造方面，将铸铁干管到用户的铅管更换成不锈钢管，将原来的旧铸铁管全部更换为带内衬的球墨铸铁管或钢管；管网压力调整方面，管网中通过设置减压阀，将给水管网划分为若干个压力管理区域，合理调度泵站，装置泄压水池，管网中设置自动控制阀门调整管网压力等，这些方法都可以在保证供水服务的前提下，适当降低配水系统局部供水水压，减少管道漏损水量；漏损检测及定位方面，对于各供水企业，应根据地理位置、经济及技术等条件，选用听漏棒、电子听漏仪、噪声自动记录仪、相关仪等检测设备，综合被动检漏法、音听检漏法、相关分析检漏法、区域检漏法、区域装表法、区域检漏兼区域装表法、雷达检漏法、氢气检漏法等，及时对漏点进行监测和定位。另外，建立供水管网SCADA(Supervisory ControlAnd Data Acquisition)泄漏在线检测和定位系统，实现动态的监测与数据采集。

4 结论与展望

本文介绍了国内外城市供水管网水漏损管理领域较流行的技术和方法，包括帐面漏失管理、物理漏失管理及管网综合管理技术及方法。建议未来可持续的水漏损管理研究应着重以下几个重要方面：

(1)进一步优化DMA技术。传统的DMA的优势正日益受到挑战，需要研发更实用、更开放的DMA网络方案。尤其是要强化多个进口的DMA内减压阀(PRV)控制下的供水系统动态行为研究。同时配合成本及效益量化预测模型，以便充分了解压力管理对爆裂减少频率及节约支出的真正影响。

(2)研发综合的多目标决策框架。虽然目前有各种漏失管理策略，由于存在多目标并涉及不同的利益相关者，结果使可供选择的策略往往相互冲突。未来的漏损管理研究需要研发综合的多目标决策框架，以帮助供水部门制定最优的水漏损管理战略。再者，未来的研究工作还需要制定多目标优化的评估标准。

(3)优化在线监测和检测技术。目前虽有在线监测、检测设备和技术，但管网漏失动态的实时监控优化技术仍尚未充分开发。未来的工作应着力减少虚假警报的数量和提高检漏速率；另外，管网爆裂的检测方法(如人工神经网络、支持向量机、卡尔曼滤波)的应用仍需要改进和普及；再者，开发多参数(流量、压力、水质)传感器的优化配置以提高漏损管理效率。

(4)强化理论的实践与应用研究。目前的供水管网漏失管理研究偏于理论，且较多理论在应用中有太多局限性或缺少广泛的实践验证。今后应努力集中于水务部门和研究机构之间密切合作下的基于实践的应用研究，提高理论应用的普适性和精确性。

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[责任编辑：张存凤]

Review of the current situation of water leakage management techniques in urban water supply network

FU Heng-yang

(Qinling and Intones Geography Research Institute, School of History and Tourism, Shaanxi Sci-Tech University, Hanzhong 723000, China)

Water leakage in urban water supply network has led to a large number of water resources waste. In order to sort out the development status of water leakage management technology at home and abroad, and clear the focus of the future development of water leakage management technology, this study elaborates on the current techniques and methods of water leakage management in domestic and international from the book loss management, physical leakage management and integrated management respectively, and analyses the advantages and disadvantages of various technologies from the practicality, accuracy and ease of operation. Finally , the paper points out the future research directions: (1) to further optimize the DMA technology; (2) to develop integrated multi-objective decision-making framework; (3) to optimize online monitoring and detection technology; (4) to strengthen the practice and application of theories.

water supply network; water leakage; leaking monitoring; leaking location

1673-2944(2017)01-0064-07

2016-08-29

2016-10-25

陕西理工学院人才启动项目(SLGKYQD2-30)

付恒阳(1975—)，男，河南省平舆县人，陕西理工大学讲师，博士，主要研究方向为水资源管理。

TU991.61

A