供水管網漏損檢測與識別技術研究進展

　　漏損問題在給水管網中是普遍存在且難以避免的。據《2018年城市供水統(tǒng)計年鑒》顯示，載入年鑒的各城市在2017年的管網漏損總量超過60億m3，平均漏損率為14.56%，這與“水十條”明確規(guī)定的控漏目標相比仍存有差距。與此同時，居高不下的管網漏損不僅會造成水資源的嚴重浪費與能源的額外耗散，影響節(jié)水型社會建設與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，還會給供水企業(yè)的經營帶來巨大壓力。因此，高效開展漏損控制工作、有效降低管網漏損率已成為世界各地供水企業(yè)的迫切任務。

　　本文通過整理國內外供水管網漏損檢測技術的研究成果，重點對目前較為新穎的漏損點檢測與漏損區(qū)域識別技術做出簡述。

　　Part 1 漏損檢測硬件技術

　　漏損檢測硬件技術是一類依靠硬件設備對管道進行現(xiàn)場搜索，從而精準確定漏損點位置的主動漏損識別技術。比較傳統(tǒng)和成熟的硬件檢漏技術主要包括使用聽音桿、噪音記錄儀、相關檢漏儀等作為檢漏設備的一系列聲學方法。與此同時，一些正在發(fā)展的漏損檢測硬件技術如智能球、探地雷達、分布式光纖傳感等同樣需要受到關注。

　　1.1 傳統(tǒng)聲學檢測

　　包括聽音法、相關分析法、噪聲法等在內的傳統(tǒng)聲學檢測方法是目前在供水企業(yè)中普及率高、應用成熟的一類基于管段漏水聲音探測的漏損檢測硬件技術。

　　1.2 智能球

　　智能球(smart ball)是一種在管道內部對泄漏噪聲信號進行檢測的球形設備，它由泡沫外殼、鋁制防水內核以及內置傳感器、測量儀表、電池、電子元件組成。

　　1.3 探地雷達

　　探地雷達(ground penetrating radar，GPR)是一種無損檢測技術。

　　1.4 分布式光纖傳感

　　分布式光纖傳感技術(distributed optical fiber sensing，DOFS)集傳感與傳輸功能于一體，順著管道布置單根傳感光纖，可以沿光纖傳輸路徑獲取數萬點溫度或應變傳感信息。

　　以上幾種不同硬件檢測技術的主要特點總結如表1所示。

　　Part 2 漏損檢測軟件技術

　　漏損檢測軟件技術是一類相較于硬件設備更加智慧、更加高效的現(xiàn)代技術，其在采集供水管網大量壓力、流量等監(jiān)測數據的基礎上，通過使用數學模型、計算機算法等軟件工具，完成漏損點的檢測或漏損區(qū)域的辨識，指導實際檢漏工作，應在計算得到的漏損點附近的管道上或識別的漏損區(qū)域內重點開展。

　　這類技術在一定程度上克服了漏損檢測硬件技術費時費力、依賴檢漏人員的經驗、檢測成本高昂、在較大規(guī)模復雜管網中應用效果不佳等局限，引起了國內外許多學者的關注，本文重點介紹目前較為新穎和具有代表性的幾種漏損檢測軟件方法。

　　2.1 采用靈敏度矩陣法識別單個漏損點

　　供水管網水力模型是供水行業(yè)推進智慧水務建設、提高供水管網運行管理水平的重要軟件工具，在管網水力水質模擬、管網優(yōu)化設計、管網故障診斷等諸多方面均有應用。部分學者在利用具有一定精度的管網水力模型對真實管網水力狀態(tài)、管網系統(tǒng)隨時間動態(tài)變化進行模擬分析的基礎上，引入靈敏度分析，建立了靈敏度矩陣法，完成了對管網中單個漏損點位置的識別。

　　2.2 采用優(yōu)化校核法識別多個漏損點或漏損區(qū)域

　　另一類具有代表性的漏損檢測軟件方法是Wu等在2010年基于管網水力模擬和管網模型校核思想提出的壓力相關漏損定位(pressure-dependent leakage detection，PDLD)法。

　　這種方法將發(fā)生在管網中的漏水事件視為發(fā)生在管網模型某些節(jié)點上的噴射流，其大小與射流系數以及節(jié)點壓力有關；隨后，將供水管網漏損識別問題視為一個優(yōu)化問題——以漏損位置(模型節(jié)點索引)和漏損水量大小(節(jié)點射流系數)為決策變量，以最小化管網壓力或流量實際監(jiān)測值與模型模擬值的差值為目標函數，采用遺傳算法等優(yōu)化算法進行求解；最終，求解結果中若出現(xiàn)射流系數大于0的節(jié)點，則認為此節(jié)點上存在漏水量。

　　2.3 采用數據驅動模型識別單個漏損點或漏損區(qū)域

　　數據驅動法利用模式識別的原理，通過對樣本特征進行提取、分析和處理，得到樣本的類別屬性。在供水管網中，安裝在管網內的流量計、壓力傳感器等監(jiān)測設備能夠記錄下反映管網運行狀態(tài)的流量和壓力等數據。當有漏損事件發(fā)生時，管網中的水力監(jiān)測數據或其他測量信號將出現(xiàn)不同程度的異常變化。通過構建數據驅動模型，對這種異常變化進行辨識和分析，判斷管網的漏損狀態(tài)，識別管網中的漏損點或漏損區(qū)域。

　　以上3類軟件檢測技術的主要特點如表2所示。

　　Part 3 結論

　　(1)漏損檢測硬件技術依靠硬件設備對管道進行現(xiàn)場搜索，通常具有很高的漏損識別精度，可以準確找到漏損點的實際位置。

　　(2)漏損檢測軟件技術相對硬件技術來說更加智慧，具有成本費用更低、人工勞動強度更低、檢測效率更高、使用不受管道尺寸和管道材料的限制等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。

　　(3)總體來說，目前雖尚沒有完全可靠和各場景通用的漏損檢測方法，但出現(xiàn)了一種軟硬件技術結合檢漏的趨勢——漏損檢測技術，由單純地依靠硬件設備現(xiàn)場檢查轉向以軟件方法為核心、軟硬件結合檢漏的綜合方法。

編輯：王媛媛