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供水管网漏损检测与识别技术研究进展

来源:中国市政工程企业协会

  漏损问题在给水管网中是普遍存在且难以避免的。据《2018年城市供水统计年鉴》显示,载入年鉴的各城市在2017年的管网漏损总量超过60亿m3,平均漏损率为14.56%,这与“水十条”明确规定的控漏目标相比仍存有差距。与此同时,居高不下的管网漏损不仅会造成水资源的严重浪费与能源的额外耗散,影响节水型社会建设与环境可持续发展,还会给供水企业的经营带来巨大压力。因此,高效开展漏损控制工作、有效降低管网漏损率已成为世界各地供水企业的迫切任务。

  通过整理国内外供水管网漏损检测技术的研究成果,重点对目前较为新颖的漏损点检测与漏损区域识别技术做出简述。

一、漏损检测硬件技术

  漏损检测硬件技术是一类依靠硬件设备对管道进行现场搜索,从而精准确定漏损点位置的主动漏损识别技术。比较传统和成熟的硬件检漏技术主要包括使用听音杆、噪音记录仪、相关检漏仪等作为检漏设备的一系列声学方法。与此同时,一些正在发展的漏损检测硬件技术如智能球、探地雷达、分布式光纤传感等同样需要受到关注。

  1.1 传统声学检测

  包括听音法、相关分析法、噪声法等在内的传统声学检测方法是目前在供水企业中普及率高、应用成熟的一类基于管段漏水声音探测的漏损检测硬件技术。

  1.2 智能球

  智能球(smart ball)是一种在管道内部对泄漏噪声信号进行检测的球形设备,它由泡沫外壳、铝制防水内核以及内置传感器、测量仪表、电池、电子元件组成。

  1.3 探地雷达

  探地雷达(ground penetrating radar,GPR)是一种无损检测技术。

  1.4 分布式光纤传感

  分布式光纤传感技术(distributed optical fiber sensing,DOFS)集传感与传输功能于一体,顺着管道布置单根传感光纤,可以沿光纤传输路径获取数万点温度或应变传感信息。

  以上几种不同硬件检测技术的主要特点总结如表1所示。

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二、漏损检测软件技术

  漏损检测软件技术是一类相较于硬件设备更加智慧、更加高效的现代技术,其在采集供水管网大量压力、流量等监测数据的基础上,通过使用数学模型、计算机算法等软件工具,完成漏损点的检测或漏损区域的辨识,指导实际检漏工作,应在计算得到的漏损点附近的管道上或识别的漏损区域内重点开展。

  这类技术在一定程度上克服了漏损检测硬件技术费时费力、依赖检漏人员的经验、检测成本高昂、在较大规模复杂管网中应用效果不佳等局限,引起了国内外许多学者的关注,本文重点介绍目前较为新颖和具有代表性的几种漏损检测软件方法。

  2.1 采用灵敏度矩阵法识别单个漏损点

  供水管网水力模型是供水行业推进智慧水务建设、提高供水管网运行管理水平的重要软件工具,在管网水力水质模拟、管网优化设计、管网故障诊断等诸多方面均有应用。部分学者在利用具有一定精度的管网水力模型对真实管网水力状态、管网系统随时间动态变化进行模拟分析的基础上,引入灵敏度分析,建立了灵敏度矩阵法,完成了对管网中单个漏损点位置的识别。

  2.2 采用优化校核法识别多个漏损点或漏损区域

  另一类具有代表性的漏损检测软件方法是Wu等在2010年基于管网水力模拟和管网模型校核思想提出的压力相关漏损定位(pressure-dependent leakage detection,PDLD)法。

  这种方法将发生在管网中的漏水事件视为发生在管网模型某些节点上的喷射流,其大小与射流系数以及节点压力有关;随后,将供水管网漏损识别问题视为一个优化问题——以漏损位置(模型节点索引)和漏损水量大小(节点射流系数)为决策变量,以最小化管网压力或流量实际监测值与模型模拟值的差值为目标函数,采用遗传算法等优化算法进行求解;最终,求解结果中若出现射流系数大于0的节点,则认为此节点上存在漏水量。

  2.3 采用数据驱动模型识别单个漏损点或漏损区域

  数据驱动法利用模式识别的原理,通过对样本特征进行提取、分析和处理,得到样本的类别属性。在供水管网中,安装在管网内的流量计、压力传感器等监测设备能够记录下反映管网运行状态的流量和压力等数据。当有漏损事件发生时,管网中的水力监测数据或其他测量信号将出现不同程度的异常变化。通过构建数据驱动模型,对这种异常变化进行辨识和分析,判断管网的漏损状态,识别管网中的漏损点或漏损区域。

  以上3类软件检测技术的主要特点如表2所示。

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三、结论

  1.漏损检测硬件技术依靠硬件设备对管道进行现场搜索,通常具有很高的漏损识别精度,可以准确找到漏损点的实际位置。

  2.漏损检测软件技术相对硬件技术来说更加智慧,具有成本费用更低、人工劳动强度更低、检测效率更高、使用不受管道尺寸和管道材料的限制等优点,具有广阔的应用前景。

  3.总体来说,目前虽尚没有完全可靠和各场景通用的漏损检测方法,但出现了一种软硬件技术结合检漏的趋势——漏损检测技术,由单纯地依靠硬件设备现场检查转向以软件方法为核心、软硬件结合检漏的综合方法。




 

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