水管漏水检测精准定位

1.1 管网漏损分析方法和分类

1.1.1 国内漏损水量分析方法

1、水量平衡表

国内水量平衡表(表1-1)以国际水协推荐的水量平衡表为基础，结合国内实际情况进行了适当修正。一是重新定义了真实漏失的构成要素;二是摒弃了容易引起误解的表观漏损概念。修正后的水量平衡表更易于理解和进行水平衡计算。

表1-6 国内水量平衡表

漏损水量分析时，系统的边界为从水厂配水流量计至用户计费水表的整个配水管网。为得到可靠的漏损水量分析结果，确保水量数据(供水总量、收费用水量、免费用水量等)的完整、准确和时间同步非常重要。

2、相关术语定义

根据《城镇供水管网漏损控制及评定标准》(CJJ-92)，相关术语定义如下：

(1)供水管网(Water Distribution System)

连接水厂和用户水表(含)之间的所有管道及其附属设施的总称。

(2)供水总量(System Input Quantity)

进入供水管网中的全部水量之和，包括自产水量和外购水量。

(3)注册用水量(Authorized Consumption)

已到供水单位登记注册的家庭、商业、工业等用户的计费用水量和免费用水量之和。

(4)计费用水量(Billed Authorized Consumption)

经供水单位注册的计费用户的用水量。

(5)免费用水量(Unbilled Authorized Consumption)

当地政府部门规定减免收费的水量和冲洗管网等自用水量。

(6)漏损水量(Water Losses)

供水总量和注册用水量之间的差值。由真实漏失、计量损失和其他损失的水量组成。

(7)真实漏失(Real Losses)

由于各种类型的管线漏点、管网中水箱及水池等渗漏和溢流造成的实际水量损失。

(8)明漏水量(Reported Leakage)

由于管线自然破损或施工等外力破坏，水上地面后被动发现的管网漏点的漏失水量。

(9)暗漏水量(Unreported Leakage)

漏水发生在地面以下、常规技术可以检测到的管网漏点的漏失水量。

(10)背景漏失(Background Leakage)

因渗水或流量很小，利用目前技术无法检测到的管网漏点的漏失水量。

(11)计量损失(Metering Losses)

由于计量结算点位置变化、计量表具性能限制等因素导致的水量损失。

(12)其他损失(Other Losses)

各种形式的未注册用水和管理性因素导致的水量损失，包括窃水、用户拒查、无档用户用水、抄收和数据处理过程中的未见数水量等。

(13)区域管理(Regionalization Management)

将较大区域的供水管网划分为若干供水区域，对每个供水区域管网漏损进行量化和控制的管理方式。

(14)独立计量区(District Metered Area)

供水管网按一定的规模分割成单独计量的封闭支状供水区域，一般区域内用户不超过5000户，进水口不超过2个。

(15)夜间最小流量(Minimum Night Flow)

独立计量区24小时内最小进水流量。通常出现在用户用水量处于最低的夜间。

(16)零压测试(Zero-pressure Test)

关闭独立计量区的边界阀门后放水，通过监测压力是否下降至零以辨别区域边界是否封闭的测试方法。

(17)漏损率(Water Losses Ratio)

管网漏损水量与供水总量之比，通常用百分比表示。

(18)真实漏失率(Real Losses Ratio)

管网真实漏失水量与供水总量之比，通常用百分比表示。

(19)基本漏损率(Benchmark Water Losses Ratio)

管网漏损率评定标准的基准值

(20)单位供水量管长(Pipe Length per Unit Water Supply)

管网管道总长(DN≥75)与供水总量之比。

(21)量程比(Turndown Ratio)

水表常用流量和最小流量的比值。

1.1.2 漏损水平评价指标

20世纪90年代以来，漏损控制和评价一直是全球供水行业研究的热点，国际水协(International Water Association, IWA)、世界银行开发的国际供水与污水处理绩效管理网络(The International Benchmarking Network for Water and Sanitation Utilities, IBNET)、澳大利亚等国家或协会组织分别建立了评价各自漏损状况的绩效指标。我国采用管网漏损率和管网真实漏失率作为管网漏损评定指标。

1、管网漏损率

管网漏损率是衡量管网漏损状况的一个重要指标之一，管网漏损率的计算采用式(1-1)进行计算，即：

RWL=(Qs-Qa)/Qs×100% (1-1)

式中，

RWL ——管网漏损率(%);

Qs ——供水总量(万m3);

Qa ——注册用水量(万m3)。

2、真实漏失率

真实漏失率是用来评价明漏、暗漏、背景漏失、管网中水箱及水池等渗漏和溢流情况的指标，是衡量管网漏损状况另一个重要指标，其计算采用式(1-2)进行计算，即：

RRL=(Qr1+Qr2+Qr3+Qr4)/Qs×100% (1-2)

式中，

RRL——管网真实漏失率(%);

Qr1——明漏水量(万m3);

Qr2——暗漏水量(万m3);

Qr3——背景漏失水量(万m3);

Qr4——水箱、水池的渗漏和溢流(万m3)。

1.1.3 供水管网漏损量估算

要达到真正降漏，需从机理上研究漏失，建立精准漏失模型。一般对供水管网漏损水量的估算采取三种思路，水量平衡分析、夜间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，这三种方法并非绝对独立的，通过综合利用多种方法，可以获得更为精确的结果。

1、水量平衡分析

完整的漏损控制计划常常是供水漏损的优化计划，而计量是有效供水漏损优化计划的核心组成部分。利用前述的水量平衡表，逐项排查进行供水管网的水量平衡审计，结合各类水量计量的先进理念，系统了解国际水协关于无收益水量管理系统中未收费合法用水量、表观漏损以及真实漏损的计量和统计方法，重点分析未计量免费授权用水量的估算方法和依据，最终获得可信度高的供水管网水量平衡分析结果，是降低供水管网漏损的重要环节。

对于所有用于水量平衡分析的原始数据，应经过考察证实其准确性，以避免较为明显的误差。对于无法获得准确数据的项目，估计应有理有据，使结果符合实际情况。

水量平衡统计分析的具体步骤如下：

(1)统计供水总量

供水总量由自产供水量和外购供水量两部分组成，根据各节点流量计量设备的水量数据进行统计计算。

(2)统计计费用水量

计费用水量由计费计量用水量、计费未计量用水量和向管网外部输出的水量组成，根据用户收费系统数据或记录进行统计计算。

(3)统计免费用水量

免费用水量包括当地政府部门规定减免收费的水量以及冲洗管网等自用水量。

(4)计算注册用水量

注册用水量为计费用水量和免费用水量之和。

(5)计算漏损水量

漏损水量为供水总量减去注册用水量。

(6)计算真实漏失

真实漏失为明漏水量、暗漏水量、背景漏失以及水箱、水池的渗漏和溢流之和。

1)明漏、暗漏的漏点流量计算

(1-3)

式中，

Q——漏水流量(m3/s);

C1——覆土对漏水出流影响，折算为修正系数，根据管径大小取值：DN1550取0.96，DN75300取0.95，DN300以上取0.94。在实际工作过程中，一般取C1=1;

C2——流量系数(取0.6);

A——漏水孔面积(m2)，一般采用模型计取漏水孔的周长，折算为孔口面积，在不具备条件时，可凭经验进行目测;

H——孔口压力(mH2O)，一般应进行实测，不具备条件时，可取管网平均控制压力。

g——重力加速度，取9.8m/s2

2)明漏水量和暗漏水量的计算

漏点水量=漏点流量×漏点存在时间

明漏存在时间：自发生破损至修复的时间。

暗漏存在时间：一般取管网检漏周期的一半。

3)背景漏失水量的计算

背景漏失水量=单位管长夜间最小流量×小区管线总长×时间

4)水箱、水池的渗漏和溢流的计算

各供水单位根据实际情况估算。

(7)计算计量损失

计量损失由居民用户总分表差和非居民用户表具误差组成，分别按公式(1-4)和公式(1-5)进行计算。

(1-4)

式中，

Qm1——居民用户总分表差;

Qmr——按户抄表的居民用水量;

Cmr——居民用户总分表差率，各供水单位根据样本实验测定。

(1-5)

式中，

Qm2——非居民用户表具误差;

QmL——非居民用户用水量;

CmL——非居民用户表具计量损失率，各供水单位根据样本实验测定。

(8)计算其他损失

其他损失为漏损水量减去真实漏失和计量损失。

2、夜间最小流量分析

夜间最小流量理论作为一种重要的漏失量的计算方法，其原理是将被测管网分为若干 DMA 计量区域，以记录夜间流量为基础，通过插值法计算物理漏失量。最小夜间流量一般出现在凌晨 2h~4h 阶段，在此时间段内用水量达到一天中最低值，物理漏损占总流量的比例最大。夜间最小流量法是漏损量估算的有效手段，通过估计差异系数来评估被测区域的总漏失率，达到评价供水管网漏失水平的指标。利用夜间最小流量进行分析，一般多采用比较法与经验法。

利用比较法是指，通过对比夜间最小流量与日平均实际用水量，得到他们的比值，即为夜间最小流量的分配系数，再考察该值的合理性。计算公式如式(1-6)：

α=q_(l-mnf)/q_ac (1-6)

式中，

α——夜间最小流量分配系数(%);

q_(l-mnf)——夜间最小流量值(km3 );

〖 q〗ac——日平均的实际用水量(km3 )。

若α数值大于一定值，认为供水管网漏损严重。英国取值为 40%，美国取值为 50%。

经验法是指选取不同经验参数绘制用水标准图，并与实际用水量图进行比较，分析管网渗漏状况。

3、基于水力模型的漏水量分析

城市供水管网漏失模型的建立均采用参数拟合法或经验公式法，漏损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现在管道中间，漏水量与压力有关，符合漏水量的经验模型;整体漏损量并非均匀分布在所有漏点上，漏损量与水压呈指数关系。孔口漏失模型可作为漏损发生后供水管网功能预测和供水管网可靠性分析;一致性模型更能真实反映管网漏失状况。

国际方面，从水力学角度而言，单个漏点可认为小孔口自由出流，其关系式如式(1-7)：

q_l=Aμ√2gP (1-7)

式中，

A——供水管道漏口面积(m2);

g——重力加速度(kg·m/s2);

μ——孔口流量系数，取值为 0.6~0.62。

该公式是通过测量管段压力大致值，再测量漏口面积得到的。大量的实验数据表明，漏失与压力的关系与上式吻合性差，说明简单的孔口出流方程很难解释复杂的漏失问题。

Germanopoulos, Andres 等对漏失模型进行研究，假设漏失在管道中均匀分布，背景漏失常用经验公式如式(1-8)：

q(L-k)=β_k l_ij 〖(P_k)〗^(α_k ) (1-8)

式中，

α_k——漏损指数;

β_k——漏损系数，取值范围为 0.5~2.5;

P_k——第 k 条管段两端 i 与 j 节点压力平均值(MPa)。

则节点漏失量如式(1-9)所示：

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

1985年，英国水专家协会(WAA)在大量实验基础上建立压力与漏失量非线性数学模型，Germanopoulos 将此漏失公式引入供水管网分析中，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——节点 i 与节点 j 的地面高程(0.01MPa)。

1989 年，Sinozuka以面积相同的圆形孔口代替非规则漏口，提出异于中国点式模型的新漏失模型：

q_l=0.64A√2gP (1-11)

上述漏水量模型中，漏水量与漏口形状有很大相关性，实际管网中管段破坏处漏口面呈不规则形状，非规则形状漏口较圆形孔口对水流的摩擦阻力大，该模型不同程度的增加管道漏失量。

国际上通用漏失指数取值范围为 0.5~2.5，漏失指数与管材性质有关，非金属管道漏失指数在 1.25~1.75 之间;金属管道漏失指数在 0.5~1.5 之间。管道漏口面积呈不规则形状，为准确计量漏口面积，将 0.5cm 厚的薄粘土纸覆在漏水孔上，测量掀下薄粘土纸的面积即为漏口面积，通过上式计算漏水量。

我国基于水力模型的漏水量估计的研究也发展了多年。1986 年，中国供排水协会参考日本水道协会的点式漏失量模式，用漏失面积反映管段破坏程度，漏失计算公式如式(1-12)：

q_l=0.421A√P (1-12)

2000年，冯启民规定管段水流方向前提下，假设管段破坏时，漏点将出现在管道的下游节点，提出一个假设的点式漏损模型。2005年，李杰将管道漏口模拟为薄壁锐缘孔口出流，水流在管道中的流线呈弧线弯曲，流过孔口的水流断面面积迅速缩小。根据水力学原理，给出孔口出流的漏失量模型。

2005 年，哈工大赵洪宾教授认为单个漏点形式存在孔口出流或淹没出流两种形式，建立漏水量数学模型，指出漏失指数0.5<β<1.5;王维燕采用区域装表法对实验管网进行流量实测;周建华认为管网漏损水量管道上的孔洞，漏水量与P0.5成正比例关系，漏口面积不随压力变化而变化;另一部分为管道接口处漏损水量，此处漏口面积随压力增大而增加，漏水量与P1.5成正比例函数，同样的认为漏失指数0.5<β<1.5之间。

2010 年，孙井泉利用产销差量化分析的结果和漏失模型，调整管网压力以模拟管网物理漏失水量，其中管网漏失模拟实验通过人为调整管网观测点压力，采用夜间最小流量原理，用流量计记录小区夜间最小流量，分析压力和流量关系。2012 年，盛泽斌对管道漏口大小、管道埋设深度以及土壤等外界因素对水流产生的影响进行研究，通过实验研究不同用户、不同漏点、不同特性管网的漏失量与压力之间关系。

狭义的供水管网漏损是指由于管体、附配件和接口等管道部件破裂或调节构筑物漏水等原因引起的从给水厂输出的水流经给水管网时，有一部分水未经使用而流失到管外的现象。作为市政公用工程系统，城市供水管网在运行过程中时刻处于压力状态，且受到水中余氯等化学物质的侵蚀，老化故障速度较快，另一方面，城市供水管网存在输水管线长、沿途地形复杂的问题，有些管线穿越道路、田地，附属物较少，间隔距离长，不断遭到地质因素的破坏，不同土质(酸碱度)侵蚀以及人为的挖掘、施工和耕地等造成管线破损、泄漏，缺少必要的维护和管理，最终导致管线上出现漏点，甚至爆管。常见的漏损形式如下：

(1)管道漏损：管道包括管体、配件和接口三部分。管体和配件漏水是由于锈蚀穿孔或腐蚀破裂，接口漏水则由刚性接口渗漏、柔性接口密封胶圈损坏、承插式接口脱落、接头破裂等不同原因造成。

(2)调节构筑物漏损：供水管网中常见的调节构筑物有水池、水塔、水箱和泵站。调节构筑物除了本身漏水以外，其进出水口或上下管道及配件的漏水也不可小视。

(3)管道附配件漏损：阀门轴杆密封填料处漏水、冲洗排水阀关闭不严、通气阀失灵串水、预留阀门关闭不严等造成的阀门漏水;消火栓关闭不严导致的消防栓漏水。此外还有过滤网锈蚀、破裂漏水、法兰接口处漏水、水表漏水等。

广义的管网漏损，除狭义的管网漏损(也即是所谓“真实漏损”或“物理漏损”)外，还应包括表观漏损的部分。表观漏损由两部分构成：失窃和计量误差。失窃是指通过未经授权私接管道等不合法方式偷盗的供水系统中的水资源，计量误差是指由于供水管网中的各类与营业收费相关的计量工具的误差导致的水量损失。

由以上定义，我们将真实漏损和表观漏损之和称为供水管网的漏损。此外，供水管网中还有一部分免费供水量，这部分水量是合法有效的，但由于政策安排、供水系统自用等原因并没有对使用者收取费用。将供水管网的漏损加上这部分免费供水量之后，得到的就是供水管网的无收益水量(NRW, non-revenue water)，也称为产销差水量。

在全球范围内，第三世界国家的饮用水管道蚀损现象最为严重，其中一些城市中竟然有高达60%的用水量因管道漏损而流失，如菲律宾首都马尼拉市总供水量的58%因供水管网的漏损而流失。发达国家对供水系统的管理和保护水平比较高技术先进，这一问题相对较轻，但仍不容忽视，英、美两国的管网都约存在12%的漏耗。

以英国为例，2010-2011各大水务公司的供水管网漏损率变化范围从14%到27%，而英国各大水务由于没有全部装表到户，因此用水量更多的采用估算方法，这也给漏损率的计算带来了一定的不确定性。