供水系统漏损控制及产销差管理
供水系统漏损控制及产销差管理
随着缺水问题的日益严重，气候变化开始对供水基础建设系统的可持续性造成威胁。因此，对于供水企业来说，减少水资源流失，如降低产销差，势在必行。然而，若要检测庞大的输配水系统是否存在地下漏失以及确定漏失点的位置，却很难找到经济可行的方法。
为了有效地提高降低管网漏损的效率和效益，在过去的几十年间，随着针对供水系统分析的信息技术（IT）的发展，系统分析方法，例如水力模拟、基于模型的检漏技术和仿真优化分析已成功地在实践中得到验证。将这些技术应用于降低供水系统的产销差不仅是可能的，而且是势在必的。IT技术已被成功应用于资产管理、水力模型和优化模型等关键领域，具体内容将于下文详述。而这些措施在漏损管理的四个方面取得了良好的绩效，形成一套完整有效的水资源产销差管理措施（图表1，2011）。
资产管理
供水资产管理是指能够使公用事业单位，在保持必须的服务水平并维持基础设施运作的基础上，最大程度地减少基础设施投资和运营的周期成本的一套综合解决方案（Allbee，2005）。资产管理是对资产识别和认知的高度结构化和整体化的方法。资产管理涉及供水企业机构的各个方面，包括设法达成现有的资产绩效目标，建立切实可行的方案，针对各方面资产逐级制定计划，计量各资产所耗费的资源，然后根据目标评估该资产所产生的绩效。根据定义，资产管理必须充分利用综合信息管理系统，包括资产识别、历史数据和当前数据。上述数据，以及用水用户计费数据，非常有助于评估特定供水系统的水资源流失量（产销差）以及实际损失（漏损）的经济水平。
水力模型
水力模型是实际供水系统的数学近似。在过去的三十年间，建模工具发展良好并被应用于输配水系统分析。通过构建实用的模型，工程师能够利用模型对各种情况进行分析。针对产销差问题，水力模型能够在以下多个方面发挥其作用，包括：
-
将大系统分成若干个较小的子系统，例如划分供水压力区和独立计量区域（DMA），这是普遍公认的管理水资产销差或泄漏的有效方法。
-
模拟漏损的水力特征。应用基于压力的用水量模型建立相关的损漏建模，模拟一个系统的水力状况。因为压力越大，泄损就越大，传统的水力模型不能正确地模拟基于压力的用水量。
-
模拟分析不同的控漏情形，设计和评估压力管理策略，以便预估各种措施在减少漏损方面的有效性，例如减压阀（PRV）的位置和设置。
-
进行系统关键性和可靠性分析，评估是否需要进行管道更新和管道更换方案。
优化模型
优化模型可以帮助工程师制定解决问题的优质方案。通过优化模型，可以对数十万种可能的情形进行评估。从实际出发，建立实用的优化模型，可以帮助工程师们有效地实施降低产销差管理的各项工作，包括：
-
优化系统压力。众所周知，压力越大，漏损问题就会越严重。通过安装减压阀能够优化系统压力，有助于减少泄漏。
-
优化管道更新和更换。改善水利基建的通常做法是更换旧管道。然而，需要针对减少漏损管理和控制来对管道更新和更换方案进行优化。优化模型通常能够全面评估更换方案对漏损情况的影响。为了及时有效地进行管道更新和更换，能够经济有效地检测漏失点是关键所在。
-
检测漏失点。漏损通常是与压力有关。在水力模型中，漏损可以被模拟为节点的压力滴头用水流量。因此，可以通过优化滴头位置和流量系数确定漏失点。确定漏失点能够有效指导现场捡漏调查，这有助于加快定位漏失的准确位置，及时修补或更换管道。
在上述所有工作中，检测漏失点是有效减少水资产销差的关键所在。表1 总结了针对在英国的四个DMA案例，包括使用建模工具（Bentley 2008）和回声测深仪进行检漏的应用研究。
DMA模型
结果表明，基于模型的漏失点识别工具很大程度上提高了检测漏失的效率。针对三个DMA，使用常规的15分钟数据（无消防栓测试）进行的模型校正，即用模型识别漏失热点（漏失定点），有助于在现场准确地确定漏损位置（漏失定位），减少了约30%的泄损，所用时间仅为通常漏失探测扫描整个DMA 用时的三分之一。如果采用消防栓测流数据，则可以再减少5%的漏损。由于增加了消防栓测试的时间，因此漏失定点-定位的方法所用的时间仅占到漏失探测扫描法的85%左右。
虽然目前用于解决降低产销差各种难题的先进技术已一应俱全，实际上，供水单位仍需明确了解其自身存在的与供水产销差相关的问题。应由经过培训的技术人员以及固定的管理人员专门负责减少水资源的流失。然而，若要长期实现降低漏损这一目标，仅靠供水单位作出承诺是不够的；必须从管理和制度出发，设立有效的监管措施，以确保公用事业单位对此问题的长期承诺和投入。图2描述了应用先进信息技术制定有效的供水产销差解决方案的一般准则及流程。
以信息技术为支持的降低产销差流程
降低产销差需要先进的信息管理、水力模拟和优化分析工具，图表2中所示的流程图概述了这一过程。这是一个指导性或广义的流程。在实际应用中，并非总是要严格按照图示的步骤进行操作，而应该因地制宜地应用最先进的建模方法以及各种检漏设备技术制定有效的产销查管理策略，制定一套切实有效的指导流程。
首先并且最重要的是针对供水系统设立相应的降低和控制产销差的目标。这将促使负责水资源流失减少的员工随时了解相关信息并积极关注目标达成情况。如图所示，借助于资产和客户信息，水力模拟和优化模型，我们可以同时进行降低商业漏损和物理漏损的工作。在通常情况下，我们可利用资产和客户信息系统构建水力模型。水力模型能够帮助工程师设立DMA、选择流量和压力监测点以及制定有效的压力管理策略，力求减少系统压力。建立了基本的水力模拟模型后，必须使用系统监测的数据对其进行模型校正，使其能够模拟和反映当前系统的情况。通过基于优化分析方法的模型校正，识别出最有可能的漏失热点（Wu等2010）。模型校正识别出的漏失点能够指导并加快对管道漏水准确位置的确认，继而对其进行修补和/或更换。对于供水企业来说，降低产销差是一项长期的战略目标，需要作为企业的常规事务坚持执行，力求确保能够长期达成减少水资源流失这一目标。
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.
关于作者
Zheng Yi Wu，美国康奈提格州BentleySystems有限公司应用研究部资深主管。
