城市供水管网安全优化运行与污染控制_“爆管”预防

论文导读:：供水管网安全优化运行的目标，不仅在于满足用户对水质、水量与水压的要求，而且还需要最大限度地控制管道漏损、降低“爆管”风险、减少管网运行与维护费用。本论文围绕上述目标，针对我国供水管网特点和供水企业管理特点，从输配过程水质安全保障、管网信息化建设、分级分区管理、漏损监测与控制、“爆管”预防、管道优化维护与更换等不同角度，系统讨论了供水管网安全优化运行与污染控制的技术策略。
论文关键词：供水管网，水质保障，漏损控制，“爆管”预防，信息化，优化维护策略

 

城市供水管网是市政基础设施系统的重要组成部分，成为城市生存与发展基础。截至2004年，我国供水管网接近36万公里。城市化进程的推进加速供水管网建设，管网铺设长度与规模也将进一步大幅增加。例如，北京市近年来供水管网以每年200余公里的速度增长，目前市区供水管网总长为8118.32 Km，服务面积增至665.95 Km²。管网规模快速拓展给管网水质保持、安全运行维护及漏损控制带来了新的挑战，如何保障供水管网安全运行、控制管网漏损与“爆管”，成为政府、行业、企业与研究部门高度重视的课题之一。我国《城市供水管网漏损控制及评定标准（CJJ92-2002）》要求供水企业必须详细掌握管网现状资料，建立完整的供水管网技术档案和管网地理信息系统，定期进行漏水检测，及时发现漏水和修复漏水管道，将管网基本漏损率控制在12%以下；《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中明确提出把“降低漏耗”作为五个主攻方向之一。

但是，我国城市供水管网在水质维持、安全运行维护与漏损控制等方面总体而言水平仍较低。据对占全国总供水量42.44％的36个城市出厂水与管网水质的调查，管网输配过程浊度平均增加0.3 NTU，色度增加1.5度，铁增加0.02 mg/L，细菌总数则增加 20 cfu/mL以上。中国城镇供水协会调查表明，近年来中国城市供水管网平均产销差率达到17.92%，部分城市甚至超过25％；统计表明“爆管”预防，以单位管道长度的漏水量计，我国供水管网漏水量约为58.04 m³/km/d，远高于世界发达国家水平。据2003年全国城市节水工作座谈会暨城市供水管网漏损控制研讨会公布的数字，我国城市供水每年漏损近100亿吨，甚至高于南水北调中线的输水量。此外，许多城市供水管网“爆管”频发，2000~2003年我国因“爆管”而导致的停水事故达13.7万次，给居民正常生产生活带来不利影响。进一步地，我国不少城市供水企业在管道更新维护上存在很大的盲目性，在确定改造管道时往往凭主观经验进行判断，缺乏系统科学的成本-效益分析，管网维护成本高且更换效益较低。

因此，如何保障输配过程水质、确保供水管网安全运行、降低管网漏损率、预防“爆管”发生，从根本上提高供水管网运行管理水平，成为许多供水企业高度关注且亟需解决的重要问题。基于庞大供水管网的复杂性与综合性，有必要深入探讨供水管网水质维持、安全运行与漏损控制的可行技术策略，为提高我国供水管网运行管理水平提供科学依据与重要支撑。

一、保障输配过程水质安全，控制水质二次污染

管网输配过程水质安全保障是饮用水质安全保障的重要部分，实践表明不少城市出厂水质完全达到国家饮用水卫生标准要求，但末端水质却难以达标。研究显示，供水管网系统中的配水管道、入户管线与二次供水单元是水质恶化最为严重的区域，也是保障输配水质安全的重点。为此，要深入研究管道对水质的影响、输配水质对管道的影响以及水质与管道二者之间交互作用导致的水质变化，从而为管材优选、水质稳定化与输配水质安全保障等提供基础依据。

若不科学有效地预测或控制输配水质与管道（及其内壁腐蚀层）的交互作用，可能导致严重的供水事故。国内外曾经发生过多次由于饮用水源更换而导致的管网系统大范围水质恶化的现象。例如，美国Arizona州Tucson市于1992年11月开始采用Colorado河的地表水为水源，经处理后由原先输配地下水的供水管网进行输配，结果引起了大量用户的抱怨与投诉。统计表明，用户的投诉主要集中在水的色（54%）、臭与味（31%）等感官性状指标上；“红水”（red water）是招致用户抱怨最多的因素；在更换水源后的数年内均持续出现用户端水质恶化的现象，且在1993年和1994年的夏季“红水”现象的产生更为频繁，用户投诉比例显著增加。美国南加利福尼亚地区在上世纪40年代也曾遇到过水源更换导致的严重“红水”问题，结果出现管壁腐蚀锈层脱落、管壁生物膜进入水中产生异臭味等现象，并持续到管壁表面形成了新的稳定的表面层后才结束论文提纲格式。我国也曾发生过由于输配水质变化而导致的供水水质恶化的现象。此外，美国华盛顿特区还发生过将用氯胺取代氯消毒而产生的龙头水中铅浓度大幅升高的现象，并证实这主要是由于自由氯与铅反应生成不溶性的PbO₂而氯胺与铅反应生成可溶性的Pb₃(OH)₂(CO₃)₂所致。

大量研究与实践证明，输配管材、管网规模与结构类型、输配水质、运行维护水平等都会对管网水质产生影响，保障管网水质稳定必须从系统的角度进行考虑。出厂水的水质是保证管网水质的最重要基础，同时必须选择适当的管材和管网运行条件，从化学稳定性和生物稳定性两个方面制定保证管网水质的运行方案和输配工艺。此外，管网及二次供水系统的科学运行与维护也是防止二次污染的重要内容。就目前的认识与应用水平而言，对管网水质安全保障仍需要在原理、技术、材料、工艺与管理等方面综合考虑“爆管”预防，并将其作为一个系统工程不断推进应用实施。

二、加强管网信息化建设，拓展管网GIS功能

管网信息化是建设现代化管网运行管理模式的基础。地理信息系统（GIS）是管网系统管理平台的重要手段，也是目前应用最为普遍的管网信息管理平台。传统意义上的管网信息主要包括管道属性信息（管道ID、管长、管径、管材、敷设时间等）、管道空间信息（布设位置、连接关系）、附属构筑物信息等。随着管网运行水平与管理需求的延伸和拓展，管网GIS在单纯的信息存储与管理基础上被赋予了更高的内涵与更多的功能。

加强管网GIS在管道失效数据信息管理功能。传统的管道失效数据（漏损位置、漏损类型等）往往采用手工记录与存储，其缺点在于难以充分利用历史漏损数据优化管网漏损管理与控制。陈求稳等人针对某市19年管道失效数据，结合管网GIS系统，确定了不同管材的失效密度与失效率（表1），为优化管网漏损监测与维护提供了重要的数据支持。

表1 某市不同管材的失效密度及失效率

加强管网GIS的网络分析功能。GIS技术不仅可为网络分析提供数据空间、建立网络分析所必须的拓扑结构，实现网络分析的可视化，也能完成上述这些和网络相关的应用问题。网络分析功能包括最短路径分析、可达性、连通性、追踪问题等。例如，利用管网GIS的网络可达性分析功能，可对管网水质监测点、漏损监测点等进行优化布设。可达性计算的理论基础是连通矩阵。一个网络的可达性可以针对个别节点，也可针对整个网络来评估。其核心算法是，建立可达性矩阵，称为T矩阵，T矩阵是所有有意义的C矩阵(从一阶直到阶数等于网络直径)的总和。T矩阵被定义为：

T= C1+ C2+ C3+ ? +C(1)

T矩阵中的一个元素是C1，C2，C3，? 矩阵中相关行和列的值的总和。行的总数表示从一个结点（行）通过网络到其他结点的不同路径的总数。网络可达性代表了在一个网络中从一个结点移动到其他结点的难易程度。T矩阵中，所有元素的和代表了整个网络的可达性，该T矩阵所代表网络的可达性值越大，在系统中可选择的路线就越多，路径结点的连通性越好。

李伟峰等针对管网漏损监测仪优化布设的问题，建立了基于GIS网络分析的漏损监测仪布设方法与流程（图1），并进一步利用GIS网络的“服务范围”分析功能明确了漏损监测仪未能覆盖的“盲区”范围。上述成果在某市供水管网漏损监测工作中取得了很好的应用成效。

加强管网GIS与管网水力/水质模型及SCADA系统的融合。管网水力学与水质学模型是管网优化运行与调度的基础；SCADA系统可提供管网水量、压力、水质、漏损信号等在线监测信息。以管网GIS为平台，将上述信息实时导入管网GIS，并利用相关模型分析、评估、辅助决策等功能，可提供更为丰富的管网实时状态信息，并为管网优化运行管理提供即时信息。

图1 基于GIS网络分析的管网漏损监测布设流程

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