1.1 管網(wǎng)漏損分析方法和分類

1.1.1 國內漏損水量分析方法

1、水量平衡表

國內水量平衡表(表1-1)以國際水協(xié)推薦的水量平衡表為基礎，結合國內實際情況進行了適當修正。一是重新定義了真實漏失的構成要素;二是摒棄了容易引起誤解的表觀漏損概念。修正后的水量平衡表更易于理解和進行水平衡計算。

表1-6 國內水量平衡表

漏損水量分析時，系統(tǒng)的邊界為從水廠配水流量計至用戶計費水表的整個配水管網(wǎng)。為得到可靠的漏損水量分析結果，確保水量數(shù)據(jù)(供水總量、收費用水量、免費用水量等)的完整、準確和時間同步非常重要。

2、相關術語定義

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損控制及評定標準》(CJJ-92)，相關術語定義如下：

(1)供水管網(wǎng)(Water Distribution System)

連接水廠和用戶水表(含)之間的所有管道及其附屬設施的總稱。

(2)供水總量(System Input Quantity)

進入供水管網(wǎng)中的全部水量之和，包括自產(chǎn)水量和外購水量。

(3)注冊用水量(Authorized Consumption)

已到供水單位登記注冊的家庭、商業(yè)、工業(yè)等用戶的計費用水量和免費用水量之和。

(4)計費用水量(Billed Authorized Consumption)

經(jīng)供水單位注冊的計費用戶的用水量。

(5)免費用水量(Unbilled Authorized Consumption)

當?shù)卣块T規(guī)定減免收費的水量和沖洗管網(wǎng)等自用水量。

(6)漏損水量(Water Losses)

供水總量和注冊用水量之間的差值。由真實漏失、計量損失和其他損失的水量組成。

(7)真實漏失(Real Losses)

由于各種類型的管線漏點、管網(wǎng)中水箱及水池等滲漏和溢流造成的實際水量損失。

(8)明漏水量(Reported Leakage)

由于管線自然破損或施工等外力破壞，水上地面后被動發(fā)現(xiàn)的管網(wǎng)漏點的漏失水量。

(9)暗漏水量(Unreported Leakage)

漏水發(fā)生在地面以下、常規(guī)技術可以檢測到的管網(wǎng)漏點的漏失水量。

(10)背景漏失(Background Leakage)

因滲水或流量很小，利用目前技術無法檢測到的管網(wǎng)漏點的漏失水量。

(11)計量損失(Metering Losses)

由于計量結算點位置變化、計量表具性能限制等因素導致的水量損失。

(12)其他損失(Other Losses)

各種形式的未注冊用水和管理性因素導致的水量損失，包括竊水、用戶拒查、無檔用戶用水、抄收和數(shù)據(jù)處理過程中的未見數(shù)水量等。

(13)區(qū)域管理(Regionalization Management)

將較大區(qū)域的供水管網(wǎng)劃分為若干供水區(qū)域，對每個供水區(qū)域管網(wǎng)漏損進行量化和控制的管理方式。

(14)獨立計量區(qū)(District Metered Area)

供水管網(wǎng)按一定的規(guī)模分割成單獨計量的封閉支狀供水區(qū)域，一般區(qū)域內用戶不超過5000戶，進水口不超過2個。

(15)夜間最小流量(Minimum Night Flow)

獨立計量區(qū)24小時內最小進水流量。通常出現(xiàn)在用戶用水量處于最低的夜間。

(16)零壓測試(Zero-pressure Test)

關閉獨立計量區(qū)的邊界閥門后放水，通過監(jiān)測壓力是否下降至零以辨別區(qū)域邊界是否封閉的測試方法。

(17)漏損率(Water Losses Ratio)

管網(wǎng)漏損水量與供水總量之比，通常用百分比表示。

(18)真實漏失率(Real Losses Ratio)

管網(wǎng)真實漏失水量與供水總量之比，通常用百分比表示。

(19)基本漏損率(Benchmark Water Losses Ratio)

管網(wǎng)漏損率評定標準的基準值

(20)單位供水量管長(Pipe Length per Unit Water Supply)

管網(wǎng)管道總長(DN≥75)與供水總量之比。

(21)量程比(Turndown Ratio)

水表常用流量和最小流量的比值。

1.1.2 漏損水平評價指標

20世紀90年代以來，漏損控制和評價一直是全球供水行業(yè)研究的熱點，國際水協(xié)(International Water Association, IWA)、世界銀行開發(fā)的國際供水與污水處理績效管理網(wǎng)絡(The International Benchmarking Network for Water and Sanitation Utilities, IBNET)、澳大利亞等國家或協(xié)會組織分別建立了評價各自漏損狀況的績效指標。我國采用管網(wǎng)漏損率和管網(wǎng)真實漏失率作為管網(wǎng)漏損評定指標。

1、管網(wǎng)漏損率

管網(wǎng)漏損率是衡量管網(wǎng)漏損狀況的一個重要指標之一，管網(wǎng)漏損率的計算采用式(1-1)進行計算，即：

RWL=(Qs-Qa)/Qs×100% (1-1)

式中，

RWL ——管網(wǎng)漏損率(%);

Qs ——供水總量(萬m3);

Qa ——注冊用水量(萬m3)。

2、真實漏失率

真實漏失率是用來評價明漏、暗漏、背景漏失、管網(wǎng)中水箱及水池等滲漏和溢流情況的指標，是衡量管網(wǎng)漏損狀況另一個重要指標，其計算采用式(1-2)進行計算，即：

RRL=(Qr1+Qr2+Qr3+Qr4)/Qs×100% (1-2)

式中，

RRL——管網(wǎng)真實漏失率(%);

Qr1——明漏水量(萬m3);

Qr2——暗漏水量(萬m3);

Qr3——背景漏失水量(萬m3);

Qr4——水箱、水池的滲漏和溢流(萬m3)。

1.1.3 供水管網(wǎng)漏損量估算

要達到真正降漏，需從機理上研究漏失，建立精準漏失模型。一般對供水管網(wǎng)漏損水量的估算采取三種思路，水量平衡分析、夜間最小流量分析以及基于水力模型的漏水量分析。需要指出的是，這三種方法并非絕對獨立的，通過綜合利用多種方法，可以獲得更為精確的結果。

1、水量平衡分析

完整的漏損控制計劃常常是供水漏損的優(yōu)化計劃，而計量是有效供水漏損優(yōu)化計劃的核心組成部分。利用前述的水量平衡表，逐項排查進行供水管網(wǎng)的水量平衡審計，結合各類水量計量的先進理念，系統(tǒng)了解國際水協(xié)關于無收益水量管理系統(tǒng)中未收費合法用水量、表觀漏損以及真實漏損的計量和統(tǒng)計方法，重點分析未計量免費授權用水量的估算方法和依據(jù)，最終獲得可信度高的供水管網(wǎng)水量平衡分析結果，是降低供水管網(wǎng)漏損的重要環(huán)節(jié)。

對于所有用于水量平衡分析的原始數(shù)據(jù)，應經(jīng)過考察證實其準確性，以避免較為明顯的誤差。對于無法獲得準確數(shù)據(jù)的項目，估計應有理有據(jù)，使結果符合實際情況。

水量平衡統(tǒng)計分析的具體步驟如下：

(1)統(tǒng)計供水總量

供水總量由自產(chǎn)供水量和外購供水量兩部分組成，根據(jù)各節(jié)點流量計量設備的水量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算。

(2)統(tǒng)計計費用水量

計費用水量由計費計量用水量、計費未計量用水量和向管網(wǎng)外部輸出的水量組成，根據(jù)用戶收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)或記錄進行統(tǒng)計計算。

(3)統(tǒng)計免費用水量

免費用水量包括當?shù)卣块T規(guī)定減免收費的水量以及沖洗管網(wǎng)等自用水量。

(4)計算注冊用水量

注冊用水量為計費用水量和免費用水量之和。

(5)計算漏損水量

漏損水量為供水總量減去注冊用水量。

(6)計算真實漏失

真實漏失為明漏水量、暗漏水量、背景漏失以及水箱、水池的滲漏和溢流之和。

1)明漏、暗漏的漏點流量計算

(1-3)

式中，

Q——漏水流量(m3/s);

C1——覆土對漏水出流影響，折算為修正系數(shù)，根據(jù)管徑大小取值：DN1550取0.96，DN75300取0.95，DN300以上取0.94。在實際工作過程中，一般取C1=1;

C2——流量系數(shù)(取0.6);

A——漏水孔面積(m2)，一般采用模型計取漏水孔的周長，折算為孔口面積，在不具備條件時，可憑經(jīng)驗進行目測;

H——孔口壓力(mH2O)，一般應進行實測，不具備條件時，可取管網(wǎng)平均控制壓力。

g——重力加速度，取9.8m/s2

2)明漏水量和暗漏水量的計算

漏點水量=漏點流量×漏點存在時間

明漏存在時間：自發(fā)生破損至修復的時間。

暗漏存在時間：一般取管網(wǎng)檢漏周期的一半。

3)背景漏失水量的計算

背景漏失水量=單位管長夜間最小流量×小區(qū)管線總長×時間

4)水箱、水池的滲漏和溢流的計算

各供水單位根據(jù)實際情況估算。

(7)計算計量損失

計量損失由居民用戶總分表差和非居民用戶表具誤差組成，分別按公式(1-4)和公式(1-5)進行計算。

(1-4)

式中，

Qm1——居民用戶總分表差;

Qmr——按戶抄表的居民用水量;

Cmr——居民用戶總分表差率，各供水單位根據(jù)樣本實驗測定。

(1-5)

式中，

Qm2——非居民用戶表具誤差;

QmL——非居民用戶用水量;

CmL——非居民用戶表具計量損失率，各供水單位根據(jù)樣本實驗測定。

(8)計算其他損失

其他損失為漏損水量減去真實漏失和計量損失。

2、夜間最小流量分析

夜間最小流量理論作為一種重要的漏失量的計算方法，其原理是將被測管網(wǎng)分為若干 DMA 計量區(qū)域，以記錄夜間流量為基礎，通過插值法計算物理漏失量。最小夜間流量一般出現(xiàn)在凌晨 2h~4h 階段，在此時間段內用水量達到一天中最低值，物理漏損占總流量的比例最大。夜間最小流量法是漏損量估算的有效手段，通過估計差異系數(shù)來評估被測區(qū)域的總漏失率，達到評價供水管網(wǎng)漏失水平的指標。利用夜間最小流量進行分析，一般多采用比較法與經(jīng)驗法。

利用比較法是指，通過對比夜間最小流量與日平均實際用水量，得到他們的比值，即為夜間最小流量的分配系數(shù)，再考察該值的合理性。計算公式如式(1-6)：

α=q_(l-mnf)/q_ac (1-6)

式中，

α——夜間最小流量分配系數(shù)(%);

q_(l-mnf)——夜間最小流量值(km3 );

〖 q〗ac——日平均的實際用水量(km3 )。

若α數(shù)值大于一定值，認為供水管網(wǎng)漏損嚴重。英國取值為 40%，美國取值為 50%。

經(jīng)驗法是指選取不同經(jīng)驗參數(shù)繪制用水標準圖，并與實際用水量圖進行比較，分析管網(wǎng)滲漏狀況。

3、基于水力模型的漏水量分析

城市供水管網(wǎng)漏失模型的建立均采用參數(shù)擬合法或經(jīng)驗公式法，漏損模型常用的有孔口漏失模型以及一致性漏失模型。孔口漏失模型假定孔口出現(xiàn)在管道中間，漏水量與壓力有關，符合漏水量的經(jīng)驗模型;整體漏損量并非均勻分布在所有漏點上，漏損量與水壓呈指數(shù)關系?？卓诼┦Ｐ涂勺鳛槁p發(fā)生后供水管網(wǎng)功能預測和供水管網(wǎng)可靠性分析;一致性模型更能真實反映管網(wǎng)漏失狀況。

國際方面，從水力學角度而言，單個漏點可認為小孔口自由出流，其關系式如式(1-7)：

q_l=Aμ√2gP (1-7)

式中，

A——供水管道漏口面積(m2);

g——重力加速度(kg·m/s2);

μ——孔口流量系數(shù)，取值為 0.6~0.62。

該公式是通過測量管段壓力大致值，再測量漏口面積得到的。大量的實驗數(shù)據(jù)表明，漏失與壓力的關系與上式吻合性差，說明簡單的孔口出流方程很難解釋復雜的漏失問題。

Germanopoulos, Andres 等對漏失模型進行研究，假設漏失在管道中均勻分布，背景漏失常用經(jīng)驗公式如式(1-8)：

q(L-k)=β_k l_ij 〖(P_k)〗^(α_k ) (1-8)

式中，

α_k——漏損指數(shù);

β_k——漏損系數(shù)，取值范圍為 0.5~2.5;

P_k——第 k 條管段兩端 i 與 j 節(jié)點壓力平均值(MPa)。

則節(jié)點漏失量如式(1-9)所示：

q_(L-i)=∑?1/2 β_k l_k 〖(P_k)〗^(α_k ) (1-9)

1985年，英國水專家協(xié)會(WAA)在大量實驗基礎上建立壓力與漏失量非線性數(shù)學模型，Germanopoulos 將此漏失公式引入供水管網(wǎng)分析中，建立一致漏失模型，如式(1-10)所示：

q_L=αL_ij [((P_i-z_i )+(P_j-z_j ))/2]^1.18 (1-10)

式中，

z_i，z_j——節(jié)點 i 與節(jié)點 j 的地面高程(0.01MPa)。

1989 年，Sinozuka以面積相同的圓形孔口代替非規(guī)則漏口，提出異于中國點式模型的新漏失模型：

q_l=0.64A√2gP (1-11)

上述漏水量模型中，漏水量與漏口形狀有很大相關性，實際管網(wǎng)中管段破壞處漏口面呈不規(guī)則形狀，非規(guī)則形狀漏口較圓形孔口對水流的摩擦阻力大，該模型不同程度的增加管道漏失量。

國際上通用漏失指數(shù)取值范圍為 0.5~2.5，漏失指數(shù)與管材性質有關，非金屬管道漏失指數(shù)在 1.25~1.75 之間;金屬管道漏失指數(shù)在 0.5~1.5 之間。管道漏口面積呈不規(guī)則形狀，為準確計量漏口面積，將 0.5cm 厚的薄粘土紙覆在漏水孔上，測量掀下薄粘土紙的面積即為漏口面積，通過上式計算漏水量。

我國基于水力模型的漏水量估計的研究也發(fā)展了多年。1986 年，中國供排水協(xié)會參考日本水道協(xié)會的點式漏失量模式，用漏失面積反映管段破壞程度，漏失計算公式如式(1-12)：

q_l=0.421A√P (1-12)

2000年，馮啟民規(guī)定管段水流方向前提下，假設管段破壞時，漏點將出現(xiàn)在管道的下游節(jié)點，提出一個假設的點式漏損模型。2005年，李杰將管道漏口模擬為薄壁銳緣孔口出流，水流在管道中的流線呈弧線彎曲，流過孔口的水流斷面面積迅速縮小。根據(jù)水力學原理，給出孔口出流的漏失量模型。

2005 年，哈工大趙洪賓教授認為單個漏點形式存在孔口出流或淹沒出流兩種形式，建立漏水量數(shù)學模型，指出漏失指數(shù)0.5<β<1.5;王維燕采用區(qū)域裝表法對實驗管網(wǎng)進行流量實測;周建華認為管網(wǎng)漏損水量管道上的孔洞，漏水量與P0.5成正比例關系，漏口面積不隨壓力變化而變化;另一部分為管道接口處漏損水量，此處漏口面積隨壓力增大而增加，漏水量與P1.5成正比例函數(shù)，同樣的認為漏失指數(shù)0.5<β<1.5之間。

2010 年，孫井泉利用產(chǎn)銷差量化分析的結果和漏失模型，調整管網(wǎng)壓力以模擬管網(wǎng)物理漏失水量，其中管網(wǎng)漏失模擬實驗通過人為調整管網(wǎng)觀測點壓力，采用夜間最小流量原理，用流量計記錄小區(qū)夜間最小流量，分析壓力和流量關系。2012 年，盛澤斌對管道漏口大小、管道埋設深度以及土壤等外界因素對水流產(chǎn)生的影響進行研究，通過實驗研究不同用戶、不同漏點、不同特性管網(wǎng)的漏失量與壓力之間關系。

狹義的供水管網(wǎng)漏損是指由于管體、附配件和接口等管道部件破裂或調節(jié)構筑物漏水等原因引起的從給水廠輸出的水流經(jīng)給水管網(wǎng)時，有一部分水未經(jīng)使用而流失到管外的現(xiàn)象。作為市政公用工程系統(tǒng)，城市供水管網(wǎng)在運行過程中時刻處于壓力狀態(tài)，且受到水中余氯等化學物質的侵蝕，老化故障速度較快，另一方面，城市供水管網(wǎng)存在輸水管線長、沿途地形復雜的問題，有些管線穿越道路、田地，附屬物較少，間隔距離長，不斷遭到地質因素的破壞，不同土質(酸堿度)侵蝕以及人為的挖掘、施工和耕地等造成管線破損、泄漏，缺少必要的維護和管理，最終導致管線上出現(xiàn)漏點，甚至爆管。常見的漏損形式如下：

(1)管道漏損：管道包括管體、配件和接口三部分。管體和配件漏水是由于銹蝕穿孔或腐蝕破裂，接口漏水則由剛性接口滲漏、柔性接口密封膠圈損壞、承插式接口脫落、接頭破裂等不同原因造成。

(2)調節(jié)構筑物漏損：供水管網(wǎng)中常見的調節(jié)構筑物有水池、水塔、水箱和泵站。調節(jié)構筑物除了本身漏水以外，其進出水口或上下管道及配件的漏水也不可小視。

(3)管道附配件漏損：閥門軸桿密封填料處漏水、沖洗排水閥關閉不嚴、通氣閥失靈串水、預留閥門關閉不嚴等造成的閥門漏水;消火栓關閉不嚴導致的消防栓漏水。此外還有過濾網(wǎng)銹蝕、破裂漏水、法蘭接口處漏水、水表漏水等。

廣義的管網(wǎng)漏損，除狹義的管網(wǎng)漏損(也即是所謂“真實漏損”或“物理漏損”)外，還應包括表觀漏損的部分。表觀漏損由兩部分構成：失竊和計量誤差。失竊是指通過未經(jīng)授權私接管道等不合法方式偷盜的供水系統(tǒng)中的水資源，計量誤差是指由于供水管網(wǎng)中的各類與營業(yè)收費相關的計量工具的誤差導致的水量損失。

由以上定義，我們將真實漏損和表觀漏損之和稱為供水管網(wǎng)的漏損。此外，供水管網(wǎng)中還有一部分免費供水量，這部分水量是合法有效的，但由于政策安排、供水系統(tǒng)自用等原因并沒有對使用者收取費用。將供水管網(wǎng)的漏損加上這部分免費供水量之后，得到的就是供水管網(wǎng)的無收益水量(NRW, non-revenue water)，也稱為產(chǎn)銷差水量。

在全球范圍內，第三世界國家的飲用水管道蝕損現(xiàn)象最為嚴重，其中一些城市中竟然有高達60%的用水量因管道漏損而流失，如菲律賓首都馬尼拉市總供水量的58%因供水管網(wǎng)的漏損而流失。發(fā)達國家對供水系統(tǒng)的管理和保護水平比較高技術先進，這一問題相對較輕，但仍不容忽視，英、美兩國的管網(wǎng)都約存在12%的漏耗。

以英國為例，2010-2011各大水務公司的供水管網(wǎng)漏損率變化范圍從14%到27%，而英國各大水務由于沒有全部裝表到戶，因此用水量更多的采用估算方法，這也給漏損率的計算帶來了一定的不確定性。