据《城市供水统计年鉴2016年》, 我国城市供水平均产销差为20.72%、漏损率为14.32%, 漏损占产销差中近7成。公共供水管网漏损总量近100亿m³, 占全国每年缺水总量的20%, 是城市水资源管理的重要内容。新的《城市供水管网漏损控制及评定标准》已颁布, 《水污染防治行动计划》 (“水十条”) 明确要求2017年漏损率控制在12%, 2020年控制在10%的地方政府责任目标。国家发改委牵头, 水利部和住建部参加的《节水型社会建设“十三五”规划》也已经发布, 对城市供水管网漏损也有专门的示范工程项目。随着, 国家相关政策陆续出台, 水司对供水管网漏损管理重视程度日益提高, 尤其是水资源匮乏的城市, 解决管网漏损和节约水资源等问题迫在眉睫。

供水管网漏损管理是需要长期综合实践体系, 没有一项技术能够单独解决问题。利用分区管理, 压力控制管理, 管网改造, 公共建筑、居民家庭选用节水器具等手段解决管网漏损问题, 并进行精细化、可持续化的管理, 逐步稳定地降低漏损率, 实现节约水资源, 并以水定城、水城融合^[2~5]。

研究解决漏损控制问题主要从分区管理、压力控制管理等方面入手。传统的分区管理和压力控制管理的主要根据经验建立。由于对IWA提出的DMA理论的理解不充分, 以及将DMA方法论引进国内时未充分考虑国内的实际情况, 因此, 建立DMA后节水效果不明显, 漏损率没有降低, 且投资较大, 未实现回报期。小区实施压力管理后, 由于减压阀工作性能较差, 压力控制不显著, 出现在减压阀下游安装闸阀进行二次“减压”等现象;或出现小区不适合实施压力管理, 导致投资回收期较长。因此, 需要可持续化、科学化、可行性、精细化的方案指导漏损控制管理。

由于国内供水管网拓扑结构复杂, 管网规模庞大, 一般呈环状供水, 管网资产状况较差。同时, 供水企业普遍缺乏科学的指导思想、精细化的管理模式。因此, 为解决管网漏损问题, 降低产销差、降低漏损率, 提出对供水管网采取分区管理的方法, 基于分区管理采取精细化的管理模式。

分区管理是在不改变现有供水管网拓扑结构的基础上关闭阀门、截断管道或增设联络管道, 加装流量计, 将管网划分若干个大分区, 在大分区的基础上实现多级分区。DMA是管网建立漏损管理最佳颗粒度。对供水管网采用不同的分区管理模式, 实现的目标和效益是不同的。

根据供水管网实际漏损问题、管网拓扑结构复杂程度等情况, 供水企业可因地制宜地选择多级分区管理及DMA管理作为管理方式。常见的管理方式有: (1) 全市覆盖建设DMA; (2) 建设多级分区管理和DMA管理。分区计量区域的建设不仅是管网漏损控制管理的手段, 同时, 也是供水管网运行和运营管理手段, 是管网由粗放式管理转向精细化和科学化管理的过程。

将全市管网按照水源供水范围、行政区、压力相似和流量相似分别建立一级计量区、二级计量区和三级计量区, 在三级计量区的基础上建立四级计量区, 全市管网可至少实现五级计量管理。这样, 可以通过水平衡分析, 逐级解析漏损, 建立完善的水量传递体系。当多级分区中的某一级别可以与DMA相对接时, 在此级别的分区中划分DMA、大用户和非DMA。通过建设DMA最佳颗粒度, 快速判断发生漏损的问题及确定漏失范围, 缩短漏失感知时间, 减少经济损失。供水管网分区示意见图1。

实践数据表明, 80%的管网漏损发生在支线管网, 重点建设和管理DMA, 着重管理大用户, 紧抓非DMA管理。基于物联网技术的DMA管理体系, 及时确定漏失范围。当管网全覆盖DMA管理时, 可优化管网的运行和运营管理, 确定分区评价指标, 分析存量漏失, 制定DMA主动漏损控制的优先级别, 深入分析分区数据, 及时判断新增漏失, 对大用户实施在线监控、水表督查和稽查等管理, 防止用户发生偷盗水和计量不准确的情况发生;对于非DMA进行在线压力和主干管线的监测, 及时发现爆管事故。

某市业主在二次加压供水区域管网拓扑结构见图2, 加压泵站日供水量约2万m³, 管网漏损率30%, 区域高程差约90m, 管网服务压力60m以上。经过水力计算及系统前置分析, 该区域实施多级分区管理及DMA管理。制定近期实施方案如下:

(1) 形成四级分区管理。加压泵站出厂为一级计量区, 将压力相似地区划分为二级计量区, 在二级计量区的基础上建立DMA和大用户管理, 形成三级计量区, 用户末端有机械水表计量, 并抄表到户, 形成四级计量区。图2中标注的数字表示分区级别, 并是安装流量计的位置示意。

(2) 梳理水表逻辑关系。必要时需要现场调研或关闭管道阀门, 该过程中发现区域存在水表选型不合理、用户未加装水表和私接管线的现象。表1为更换及新增水表的明细。

(3) 根据系统前置的分区分析、漏损评估、分区评价等功能, 对漏损严重的DMA进行人工检漏。

按照上述方案实施后管网漏损率降低到15%, 根据该阶段的管网运行情况, 待稳定运行后, 制定下一阶段的实施方案。

当管网漏失严重, 区域爆管维修事故较多, 对管网改造或频繁修复经济性较差时, 采用压力控制是漏损管理最快速、最有效的解决手段。根据区域压力和流量的联动关系, 建立减压机制, 实现降低漏失率、减少爆管事故发生、延长资产使用寿命。

某DMA共有50栋楼、78个单元、1 085户。该小区有居民、农贸市场、商业门面、幼儿园、物管、绿化、配电和煤气调压站用水。管道材料以PE为主。该小区8月份入口流量计计量1 300m³, 月抄表水量700m³, 漏损率53.85%。小区入口处于北面, 其高程为最高点, 小区末端为高程最低点, 区域呈北高南低, 高程差63m。入口压力为69m, 在小区的34号楼所在的主干管上业主已安装减压阀。图3为该区域入口全天用水量与压力情况, 以及小区内关键节点压力情况。

由图3可得该区域夜间最小流量较高, 一般在37~38m³/h;管网服务压力较高, 有的区域压力达到75m, 最低压力43 m。管网管材为PE, 管龄较长, 施工质量较差, 该区域多发爆管事故。为降低漏损率, 采取压力控制措施。

建立该区域压力流量联动模型, 分析管网漏损情况及压力控制方案公式如式 (1) 所示^[6]:

式中Q_i———t时刻节点i的漏损量, m³/h;

P_i (t) ———在t时刻节点i的压力, m;

K_i———节点i的喷射系数。

K值表示压力驱动流量系数值。如果节点有K值就代表该点所在的管道存在漏损现象。K>0, 表示该点存在漏损现象, K越大, 漏损量越大;K值越小, 漏损量越小。K=0, 表示该点不存在漏损现象。根据该区域的水力计算得出, 节点K值在0.075~0.01范围内。管材为PE, n取值为1.5。

业主对34号楼所在的主干管安装的减压阀工作状态不明, 经压力流量联动模型的水力计算分析得出:阀后压力初始值为55 m, 减压阀运行工况曲线如图4所示。

由图4可得出, 现有减压阀工作性能较差, 虽有不显著的节水效果, 但在夜间没有真正起到控制压力的作用。建议业主更换性能良好的减压阀。

经水力计算分析, 在如下位置安装减压阀, 如图5所示。

PRV1安装在DMA入口处, PRV2安装在25号楼所在的主干管, PRV3在34号楼所在的主干管。该小区压力控制策略如下: (1) PRV1设阀后压力为62m, 调压模式为固定输出压力控制法, 保证P1点的压力为37m; (2) PRV2设阀后压力为56m, 调压模式为固定输出压力控制法, 保证P2点的压力为36m;阀前压力不能低于72m。 (3) PRV3设阀后压力为41m, 调压模式为固定输出压力控制法, 保证P3点的压力为37m, P4点压力为34m。阀前压力不能低于64m。

该小区实施压力控制策略8:00管网压力降低对比情况如图6所示。图中甲区域压力降低10m以下, 乙区域压力降低11~15m, 丙区域压力降低16~22m。

该小区实施压力控制策略13:00管网压力降低对比情况如图7所示。图中甲区域压力降低10 m以下, 乙区域和丙区域压力降28m左右。

根据该方案的设计, 该小区日节水量300 m³, 降低漏损率23%, 水单价3元/m³, 日节水效益900元, 年节水效益32.85万元, 投资回收期约为半年。

(1) 建立DMA不等于实现节水效果, 需要可持续化、科学化、精细化的管理才能实现节水、降低产销差、降低漏损率。

(2) 在资产状况较差、多发爆管事故, 并缺乏管网改造资金的情况下, 采用精细化压力控制策略是有效降低漏损率、节水效果显著的手段。

(3) 实施压力控制管理复杂的小区, 建议先采用固定输出压力控制法, 当管网运行稳定后, 再采用精细化调压方案。