供水系統(tǒng)漏損控制及產(chǎn)銷差管理

隨著缺水問題的日益嚴(yán)重，氣候變化開始對供水基礎(chǔ)建設(shè)系統(tǒng)的可持續(xù)性造成威脅。因此，對于供水企業(yè)來說，減少水資源流失，如降低產(chǎn)銷差，勢在必行。然而，若要檢測龐大的輸配水系統(tǒng)是否存在地下漏失以及確定漏失點的位置，卻很難找到經(jīng)濟(jì)可行的方法。

為了有效地提高降低管網(wǎng)漏損的效率和效益，在過去的幾十年間，隨著針對供水系統(tǒng)分析的信息技術(shù)（IT）的發(fā)展，系統(tǒng)分析方法，例如水力模擬、基于模型的檢漏技術(shù)和仿真優(yōu)化分析已成功地在實踐中得到驗證。將這些技術(shù)應(yīng)用于降低供水系統(tǒng)的產(chǎn)銷差不僅是可能的，而且是勢在必的。IT技術(shù)已被成功應(yīng)用于資產(chǎn)管理、水力模型和優(yōu)化模型等關(guān)鍵領(lǐng)域，具體內(nèi)容將于下文詳述。而這些措施在漏損管理的四個方面取得了良好的績效，形成一套完整有效的水資源產(chǎn)銷差管理措施（圖表1，2011）。

資產(chǎn)管理

供水資產(chǎn)管理是指能夠使公用事業(yè)單位，在保持必須的服務(wù)水平并維持基礎(chǔ)設(shè)施運作的基礎(chǔ)上，最大程度地減少基礎(chǔ)設(shè)施投資和運營的周期成本的一套綜合解決方案（Allbee，2005）。資產(chǎn)管理是對資產(chǎn)識別和認(rèn)知的高度結(jié)構(gòu)化和整體化的方法。資產(chǎn)管理涉及供水企業(yè)機(jī)構(gòu)的各個方面，包括設(shè)法達(dá)成現(xiàn)有的資產(chǎn)績效目標(biāo)，建立切實可行的方案，針對各方面資產(chǎn)逐級制定計劃，計量各資產(chǎn)所耗費的資源，然后根據(jù)目標(biāo)評估該資產(chǎn)所產(chǎn)生的績效。根據(jù)定義，資產(chǎn)管理必須充分利用綜合信息管理系統(tǒng)，包括資產(chǎn)識別、歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)，以及用水用戶計費數(shù)據(jù)，非常有助于評估特定供水系統(tǒng)的水資源流失量（產(chǎn)銷差）以及實際損失（漏損）的經(jīng)濟(jì)水平。

水力模型

水力模型是實際供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)近似。在過去的三十年間，建模工具發(fā)展良好并被應(yīng)用于輸配水系統(tǒng)分析。通過構(gòu)建實用的模型，工程師能夠利用模型對各種情況進(jìn)行分析。針對產(chǎn)銷差問題，水力模型能夠在以下多個方面發(fā)揮其作用，包括：

• 將大系統(tǒng)分成若干個較小的子系統(tǒng)，例如劃分供水壓力區(qū)和獨立計量區(qū)域（DMA），這是普遍公認(rèn)的管理水資產(chǎn)銷差或泄漏的有效方法。

• 模擬漏損的水力特征。應(yīng)用基于壓力的用水量模型建立相關(guān)的損漏建模，模擬一個系統(tǒng)的水力狀況。因為壓力越大，泄損就越大，傳統(tǒng)的水力模型不能正確地模擬基于壓力的用水量。

• 模擬分析不同的控漏情形，設(shè)計和評估壓力管理策略，以便預(yù)估各種措施在減少漏損方面的有效性，例如減壓閥（PRV）的位置和設(shè)置。

• 進(jìn)行系統(tǒng)關(guān)鍵性和可靠性分析，評估是否需要進(jìn)行管道更新和管道更換方案。

優(yōu)化模型

優(yōu)化模型可以幫助工程師制定解決問題的優(yōu)質(zhì)方案。通過優(yōu)化模型，可以對數(shù)十萬種可能的情形進(jìn)行評估。從實際出發(fā)，建立實用的優(yōu)化模型，可以幫助工程師們有效地實施降低產(chǎn)銷差管理的各項工作，包括：

• 優(yōu)化系統(tǒng)壓力。眾所周知，壓力越大，漏損問題就會越嚴(yán)重。通過安裝減壓閥能夠優(yōu)化系統(tǒng)壓力，有助于減少泄漏。

• 優(yōu)化管道更新和更換。改善水利基建的通常做法是更換舊管道。然而，需要針對減少漏損管理和控制來對管道更新和更換方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化模型通常能夠全面評估更換方案對漏損情況的影響。為了及時有效地進(jìn)行管道更新和更換，能夠經(jīng)濟(jì)有效地檢測漏失點是關(guān)鍵所在。

• 檢測漏失點。漏損通常是與壓力有關(guān)。在水力模型中，漏損可以被模擬為節(jié)點的壓力滴頭用水流量。因此，可以通過優(yōu)化滴頭位置和流量系數(shù)確定漏失點。確定漏失點能夠有效指導(dǎo)現(xiàn)場撿漏調(diào)查，這有助于加快定位漏失的準(zhǔn)確位置，及時修補(bǔ)或更換管道。

在上述所有工作中，檢測漏失點是有效減少水資產(chǎn)銷差的關(guān)鍵所在。表1 總結(jié)了針對在英國的四個DMA案例，包括使用建模工具（Bentley 2008）和回聲測深儀進(jìn)行檢漏的應(yīng)用研究。

DMA模型

結(jié)果表明，基于模型的漏失點識別工具很大程度上提高了檢測漏失的效率。針對三個DMA，使用常規(guī)的15分鐘數(shù)據(jù)（無消防栓測試）進(jìn)行的模型校正，即用模型識別漏失熱點（漏失定點），有助于在現(xiàn)場準(zhǔn)確地確定漏損位置（漏失定位），減少了約30%的泄損，所用時間僅為通常漏失探測掃描整個DMA 用時的三分之一。如果采用消防栓測流數(shù)據(jù)，則可以再減少5%的漏損。由于增加了消防栓測試的時間，因此漏失定點-定位的方法所用的時間僅占到漏失探測掃描法的85%左右。

雖然目前用于解決降低產(chǎn)銷差各種難題的先進(jìn)技術(shù)已一應(yīng)俱全，實際上，供水單位仍需明確了解其自身存在的與供水產(chǎn)銷差相關(guān)的問題。應(yīng)由經(jīng)過培訓(xùn)的技術(shù)人員以及固定的管理人員專門負(fù)責(zé)減少水資源的流失。然而，若要長期實現(xiàn)降低漏損這一目標(biāo)，僅靠供水單位作出承諾是不夠的；必須從管理和制度出發(fā)，設(shè)立有效的監(jiān)管措施，以確保公用事業(yè)單位對此問題的長期承諾和投入。圖2描述了應(yīng)用先進(jìn)信息技術(shù)制定有效的供水產(chǎn)銷差解決方案的一般準(zhǔn)則及流程。

以信息技術(shù)為支持的降低產(chǎn)銷差流程

降低產(chǎn)銷差需要先進(jìn)的信息管理、水力模擬和優(yōu)化分析工具，圖表2中所示的流程圖概述了這一過程。這是一個指導(dǎo)性或廣義的流程。在實際應(yīng)用中，并非總是要嚴(yán)格按照圖示的步驟進(jìn)行操作，而應(yīng)該因地制宜地應(yīng)用最先進(jìn)的建模方法以及各種檢漏設(shè)備技術(shù)制定有效的產(chǎn)銷查管理策略，制定一套切實有效的指導(dǎo)流程。

首先并且最重要的是針對供水系統(tǒng)設(shè)立相應(yīng)的降低和控制產(chǎn)銷差的目標(biāo)。這將促使負(fù)責(zé)水資源流失減少的員工隨時了解相關(guān)信息并積極關(guān)注目標(biāo)達(dá)成情況。如圖所示，借助于資產(chǎn)和客戶信息，水力模擬和優(yōu)化模型，我們可以同時進(jìn)行降低商業(yè)漏損和物理漏損的工作。在通常情況下，我們可利用資產(chǎn)和客戶信息系統(tǒng)構(gòu)建水力模型。水力模型能夠幫助工程師設(shè)立DMA、選擇流量和壓力監(jiān)測點以及制定有效的壓力管理策略，力求減少系統(tǒng)壓力。建立了基本的水力模擬模型后，必須使用系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行模型校正，使其能夠模擬和反映當(dāng)前系統(tǒng)的情況。通過基于優(yōu)化分析方法的模型校正，識別出最有可能的漏失熱點（Wu等2010）。模型校正識別出的漏失點能夠指導(dǎo)并加快對管道漏水準(zhǔn)確位置的確認(rèn)，繼而對其進(jìn)行修補(bǔ)和/或更換。對于供水企業(yè)來說，降低產(chǎn)銷差是一項長期的戰(zhàn)略目標(biāo)，需要作為企業(yè)的常規(guī)事務(wù)堅持執(zhí)行，力求確保能夠長期達(dá)成減少水資源流失這一目標(biāo)。

References

Allbee, S(2005), ‘America’s pathway to sustainable water and wastewater systems.’ IWA Publishing, Water Asset Management International, 1.1, pp 9-14.

Bentley Systems, Incorporated (2008), ‘Darwin Calibrator Methodology for leakage Detection.’ In Water GEMS v8 XM Users Manual, Watertown, CT, USA.

Hamilton, Sand Charalambous, B (2013), Leak Detection: Technologyand Implementation. IWA Publishing, London, UK. ISBN: 9781780404707.

Wu, ZY,Farley, M, Kapelan, Z, Boxall, J, Mounce, S, Dahasahasra, S, Mulay, M andKleiner, Y (2011), Water Loss Reduction. Bentley Institute Press, Exton, PA,USA.

Wu, ZY, Sage, Pand Turtle, D (2010),‘Pressure Dependent Leakage Detection Approach and its Application to DistrictWater Systems.’ ASCE Journal of Water Resources Planning and Management, Vol.136, No. 1, pp. 116-128.

關(guān)于作者

Zheng Yi Wu，美國康奈提格州BentleySystems有限公司應(yīng)用研究部資深主管。