供水管網(wǎng)漏損檢測與識別技術(shù)研究進(jìn)展

　　漏損問題在給水管網(wǎng)中是普遍存在且難以避免的。據(jù)《2018年城市供水統(tǒng)計年鑒》顯示，載入年鑒的各城市在2017年的管網(wǎng)漏損總量超過60億m3，平均漏損率為14.56%，這與“水十條”明確規(guī)定的控漏目標(biāo)相比仍存有差距。與此同時，居高不下的管網(wǎng)漏損不僅會造成水資源的嚴(yán)重浪費與能源的額外耗散，影響節(jié)水型社會建設(shè)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，還會給供水企業(yè)的經(jīng)營帶來巨大壓力。因此，高效開展漏損控制工作、有效降低管網(wǎng)漏損率已成為世界各地供水企業(yè)的迫切任務(wù)。

　　本文通過整理國內(nèi)外供水管網(wǎng)漏損檢測技術(shù)的研究成果，重點對目前較為新穎的漏損點檢測與漏損區(qū)域識別技術(shù)做出簡述。

　　Part 1 漏損檢測硬件技術(shù)

　　漏損檢測硬件技術(shù)是一類依靠硬件設(shè)備對管道進(jìn)行現(xiàn)場搜索，從而精準(zhǔn)確定漏損點位置的主動漏損識別技術(shù)。比較傳統(tǒng)和成熟的硬件檢漏技術(shù)主要包括使用聽音桿、噪音記錄儀、相關(guān)檢漏儀等作為檢漏設(shè)備的一系列聲學(xué)方法。與此同時，一些正在發(fā)展的漏損檢測硬件技術(shù)如智能球、探地雷達(dá)、分布式光纖傳感等同樣需要受到關(guān)注。

　　1.1 傳統(tǒng)聲學(xué)檢測

　　包括聽音法、相關(guān)分析法、噪聲法等在內(nèi)的傳統(tǒng)聲學(xué)檢測方法是目前在供水企業(yè)中普及率高、應(yīng)用成熟的一類基于管段漏水聲音探測的漏損檢測硬件技術(shù)。

　　1.2 智能球

　　智能球(smart ball)是一種在管道內(nèi)部對泄漏噪聲信號進(jìn)行檢測的球形設(shè)備，它由泡沫外殼、鋁制防水內(nèi)核以及內(nèi)置傳感器、測量儀表、電池、電子元件組成。

　　1.3 探地雷達(dá)

　　探地雷達(dá)(ground penetrating radar，GPR)是一種無損檢測技術(shù)。

　　1.4 分布式光纖傳感

　　分布式光纖傳感技術(shù)(distributed optical fiber sensing，DOFS)集傳感與傳輸功能于一體，順著管道布置單根傳感光纖，可以沿光纖傳輸路徑獲取數(shù)萬點溫度或應(yīng)變傳感信息。

　　以上幾種不同硬件檢測技術(shù)的主要特點總結(jié)如表1所示。

　　Part 2 漏損檢測軟件技術(shù)

　　漏損檢測軟件技術(shù)是一類相較于硬件設(shè)備更加智慧、更加高效的現(xiàn)代技術(shù)，其在采集供水管網(wǎng)大量壓力、流量等監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過使用數(shù)學(xué)模型、計算機(jī)算法等軟件工具，完成漏損點的檢測或漏損區(qū)域的辨識，指導(dǎo)實際檢漏工作，應(yīng)在計算得到的漏損點附近的管道上或識別的漏損區(qū)域內(nèi)重點開展。

　　這類技術(shù)在一定程度上克服了漏損檢測硬件技術(shù)費時費力、依賴檢漏人員的經(jīng)驗、檢測成本高昂、在較大規(guī)模復(fù)雜管網(wǎng)中應(yīng)用效果不佳等局限，引起了國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注，本文重點介紹目前較為新穎和具有代表性的幾種漏損檢測軟件方法。

　　2.1 采用靈敏度矩陣法識別單個漏損點

　　供水管網(wǎng)水力模型是供水行業(yè)推進(jìn)智慧水務(wù)建設(shè)、提高供水管網(wǎng)運行管理水平的重要軟件工具，在管網(wǎng)水力水質(zhì)模擬、管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計、管網(wǎng)故障診斷等諸多方面均有應(yīng)用。部分學(xué)者在利用具有一定精度的管網(wǎng)水力模型對真實管網(wǎng)水力狀態(tài)、管網(wǎng)系統(tǒng)隨時間動態(tài)變化進(jìn)行模擬分析的基礎(chǔ)上，引入靈敏度分析，建立了靈敏度矩陣法，完成了對管網(wǎng)中單個漏損點位置的識別。

　　2.2 采用優(yōu)化校核法識別多個漏損點或漏損區(qū)域

　　另一類具有代表性的漏損檢測軟件方法是Wu等在2010年基于管網(wǎng)水力模擬和管網(wǎng)模型校核思想提出的壓力相關(guān)漏損定位(pressure-dependent leakage detection，PDLD)法。

　　這種方法將發(fā)生在管網(wǎng)中的漏水事件視為發(fā)生在管網(wǎng)模型某些節(jié)點上的噴射流，其大小與射流系數(shù)以及節(jié)點壓力有關(guān)；隨后，將供水管網(wǎng)漏損識別問題視為一個優(yōu)化問題——以漏損位置(模型節(jié)點索引)和漏損水量大小(節(jié)點射流系數(shù))為決策變量，以最小化管網(wǎng)壓力或流量實際監(jiān)測值與模型模擬值的差值為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法等優(yōu)化算法進(jìn)行求解；最終，求解結(jié)果中若出現(xiàn)射流系數(shù)大于0的節(jié)點，則認(rèn)為此節(jié)點上存在漏水量。

　　2.3 采用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型識別單個漏損點或漏損區(qū)域

　　數(shù)據(jù)驅(qū)動法利用模式識別的原理，通過對樣本特征進(jìn)行提取、分析和處理，得到樣本的類別屬性。在供水管網(wǎng)中，安裝在管網(wǎng)內(nèi)的流量計、壓力傳感器等監(jiān)測設(shè)備能夠記錄下反映管網(wǎng)運行狀態(tài)的流量和壓力等數(shù)據(jù)。當(dāng)有漏損事件發(fā)生時，管網(wǎng)中的水力監(jiān)測數(shù)據(jù)或其他測量信號將出現(xiàn)不同程度的異常變化。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，對這種異常變化進(jìn)行辨識和分析，判斷管網(wǎng)的漏損狀態(tài)，識別管網(wǎng)中的漏損點或漏損區(qū)域。

　　以上3類軟件檢測技術(shù)的主要特點如表2所示。

　　Part 3 結(jié)論

　　(1)漏損檢測硬件技術(shù)依靠硬件設(shè)備對管道進(jìn)行現(xiàn)場搜索，通常具有很高的漏損識別精度，可以準(zhǔn)確找到漏損點的實際位置。

　　(2)漏損檢測軟件技術(shù)相對硬件技術(shù)來說更加智慧，具有成本費用更低、人工勞動強度更低、檢測效率更高、使用不受管道尺寸和管道材料的限制等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　(3)總體來說，目前雖尚沒有完全可靠和各場景通用的漏損檢測方法，但出現(xiàn)了一種軟硬件技術(shù)結(jié)合檢漏的趨勢——漏損檢測技術(shù)，由單純地依靠硬件設(shè)備現(xiàn)場檢查轉(zhuǎn)向以軟件方法為核心、軟硬件結(jié)合檢漏的綜合方法。

編輯：王媛媛