市政給水管網漏損檢測研究

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現如今，隨著我國城鎮化進程的不斷加快，城市居住人口不斷增加，城市內部對于水資源的使用需求也在逐漸地增大，市政給水管網的鋪設在城市內部不斷延伸，滿足每家每戶的用水需要。但是，在實際運行中，我國市政給水管網的漏損檢測以及處置方式仍處在相對落后的階段，大多仍在使用傳統的人工巡檢方式，這已經難以滿足實際的檢測需要，需要針對現存的漏損特點來進行市政給水管網漏損檢測與處置系統的設計與優化使用。

一、市政給水管網漏損主要形式種類

在市政給水管網的漏損上，主要分為明漏和暗漏兩種方式。前者常常是用肉眼可以直接看到的管線漏損，有著明顯的漏水情況，例如：像管道爆管、管道破損等，后者主要是不容易直接觀察到的地下管道漏損。具體來說主要的市政給水管道漏損種類分為以下四種。第一，是管道系統漏水。按照不同漏水發生部位、漏水起因以及漏水量，可以細致劃分成多種漏水類型，例如管線配件漏水、管道老化腐蝕漏水、爆管漏水等；第二，管道附件漏水。在市政給水管網中，管道附件常常是作為重要的配件組成部分來運行的，通常包括水閥、水表等內容。通常在整個市政給水管網中會包括大量的市政給水管網附件，在給水管網長時間運行中，管道附件出現漏水現象的可能性也比較高，其中比較常見的就是水閥、水表漏水；第三，調節構筑物漏水。在整個市政給水管網中，存在著一部分調節構筑物來對內部的供水情況進行調整調度，保證在市政給水管線的覆蓋范圍內，百姓能夠均勻平穩地用到生活用水，起到緩解供水與用水之間的供需矛盾的作用。通常主要會涉及的供水構筑物為水塔、水池，在實際運行中可能會受到水源進出口管道的影響，出現一定程度的漏水現象；第四，未計費耗水。未計費耗水主要是指在進行對市政給水管網的升級更新時，產生的大量未計費耗水，這也會造成對水資源一定的浪費。在實際操作中主要就是對管道灌水試壓用水、管道搶修耗水等。

二、市政給水管網出現漏損情況的主要原因

1.市政給水管網自身的質量問題

首先，在市政給水管網的規劃上，沒有綜合考慮整個城市的人口發展數量以及未來居民區建設可能產生的供水需求，導致整個市政給水管網的規劃設計水平相對較低，在實際建成之后，無法滿足居民點用水需要，只能夠臨時對供水管線進行改造，導致整個供水管線在使用上出現問題，導致漏損的產生；其次，市政給水管網所使用的管道質量往往決定了市政給水管線漏損現象發生的可能性，如果選擇使用的管道材質較差，在使用中沒有表現出應有的耐壓性特征，就可能會導致在運行中出現管道漏損的現象；最后，市政給水管網所使用的管道配件質量較差時，也可能會對管網的安全穩定性造成較大的影響，當水閥閥門、消防栓等配件的閥桿、螺栓密封不嚴，內置的法蘭密封件出現脫落就可能會產生漏損現象。

2.安裝施工問題

第一，在市政給水管網鋪設時，對于管道溝槽基礎的施工質量不佳。在施工前期的施工現場實地勘察階段中，沒有建立起完整的勘查機制，這就導致在一些軟土地基上進行施工時，沒有進行砂墊層的預設，導致市政給水管網的基礎管道溝槽強度條件不足，在開啟正式的管道施工之后，就容易產生管道受力不均勻的情況，增加管道出現漏損的可能性；第二，在市政給水管網進行施工時，需要進行大量的管道連接施工，在進行管道連接施工的過程中，施工人員一旦對相關的工藝技巧掌握得不夠熟練，很可能就會出現在實際作業中操作不合理的情況出現，導致在進行管網焊接時出現焊縫寬度不均勻、有氣孔等現象的產生。這類管道一旦投入到實際使用當中，就可能會造成管網出現漏損；第三，施工過程中工程監管的不到位。通常在市政給水管網的施工中，需要進行嚴格的施工監管，以保證在建設以后管網能夠保證嚴格的質量完成施工，而施工監管不到位時，很容易由于一些施工操作上的失誤，導致整個管網出現漏損的問題。

3.市政給水管網運行問題

首先，在市政給水管網的運行中，需要時刻承受水流所產生的壓力，管網供水的壓力不斷增加，一旦超過整個管網自身的實際耐壓上限，產生爆管的風險也就直線上升；其次，水錘破壞問題。在市政給水管網的運行過程中，常常需要進行給水管網的開啟關閉，通過水泵的開停來實現對區域面積內供水水量的調節作用，但是，在實際操作中，這種行為會使得市政給水管網中的水流流速產生巨大的變化，速度變化所產生的壓力波動也被稱為水錘，會對管道造成一定的破壞，一旦壓力波動超出水管承受的上限，很可能就會產生管道漏損；第三，市政給水管網的定期維護運行不足，通常市政給水管網中所設計到較多的設備內容角度，導致在檢修過程中需要進行項目內容比較復雜，對于一些隱藏較深的安全隱患難以及時發現，產生管道漏損問題的可能性比較高。

4.外界環境影響

市政給水管網還會受到外界環境的影響。一方面，市政給水管網通常都處在外界的自然條件環境下，會受到外界自然條件的溫度變化影響，從管道周邊的土質到管道自身的材質都會受到冬季低溫的影響，熱脹冷縮，在溫差變化比較劇烈的情況下，很可能就會發生市政給水管網的漏損現象；另一方面，隨著市政給水管網的鋪設不斷延伸，管道自身所承受的外部荷載也在不斷變化，隨著時間變化以及居民生活環境的變化，會出現一定程度上的管道位移現象，嚴重情況下會出現一定的管道漏損現象。

三、市政給水管網漏損檢測與處置系統設計

1.市政給水管網漏損檢測方法

通常在市政給水管網中使用的漏損檢測方法，是在管網上進行若干的傳感器安裝，通過計算機數據實時對管網運行中的水壓變化數據進行采集，從而做到對管網是否發生漏損進行檢測。這就使得管網中傳感器的布置方位以及密度決定了對管網檢測的全面性，如果壓力傳感器的布置不準確，那么獲得的管網壓力變化信息就會差強人意，影響到檢測的正確性。對此需要專業的工作人員在此基礎上進行對市政給水管網供水壓力變化監測點的調整。首先，需要明確給水管網壓力監測點的布置方法。通常在壓力監測點的選擇上，僅從壓力等非空間屬性來對市政給水管網的壓力變化情況進行分布分析，容易缺少對市政給水管網整體運行上的空間分布相關性了解，無法做到對市政給水管網整體運行的內在狀態分析，因此，需要選擇整個市政給水管網的節點坐標以及節點壓力狀態，來對市政給水管網進行圈定，運用包含空間特征的坐標以及非空間特征的節點壓力數值來描述整個市政給水管網的運行屬性，并進行相應的數據采集，繪制出整個市政給水管網節點在正常運行與產生漏損下的壓力變化圖。同時可以使用一種基于分布密度來實現的聚類算法，來依照預設監測點的原始特征進行各個節點的特征矩陣構建，進而對整個特征矩陣進行聚類分析，保證聚集在一起的監測節點能夠在其空間屬性和非空間屬性上表現出一定的相似性。其次，根據收集到的選點方法以及壓力變化圖進行市政給水管網的樣本數據收集。整個市政給水管網檢測其核心是對卷積神經網絡的算法思想的運用，所以在實踐中需要進行一定的數據樣本來作為基本的運行訓練。因此，一方面需要進行整個市政給水管網的歷史數據采集，按照上述辦法在管網內進行20個壓力傳感點的布置，在試驗中以人工的方式進行輕微的漏損處理，讓傳感器采集到漏損發生時，市政給水管網所檢測到的供水壓力變化，之后將漏損數據和正常數據按照不同的市政給水管段進行打亂，再取一定的數據樣本作為模擬訓練的數據樣本，再從剩下的樣本數據中選取相同的數量來作為測試樣本。最后進行數據的預處理，并以此建立起市政給水管網漏損的檢測模型。通常在卷積神經網絡建立的過程中，比較常用的是歸一化方法來進行對神經網絡數據的預處理。歸一化方法能夠有效地消除收集到的數據之間不同量綱的影響，具體公式表達為：X1=X-Xmin/Xmax-Xmin在公式中，X1主要表示歸一化運算之后的數據，X為原始數據，Xmax表示原始數據中數值最大的數據，Xmin表示原始數據中數值最小的數據。在應用歸一化方式對數據進行預處理之后，就可以使用卷積神經網絡中產生的最優模型來進行市政給水管網漏損檢測模型的功能性檢驗，驗證整個模型在使用中的準確性，保證其符合市政給水管網的水力學標準。

2.市政給水管網漏損檢測與處置系統

（1）最優調度工況調整

當管網發生漏損情況時，一方面，需要降低整個市政給水管線的損失，另一方面，則需要盡可能地保證其他區域的居民用水狀況，而傳統的人工處理與調度方式過慢，已經無法滿足現如今快速恢復供水的實際需求，因此，需要使用計算機系統來更加精準地應對市政給水管線出現的漏損。在實際的漏損處置工作中，通常會先進行漏損點位的尋找，再主要通過閥門來對市政給水管線內部的管段水流進行截停，從而開展維修工作。然而在關閉泄露管網段落之后，很可能會由于內部管線的壓力變化，導致在整體上產生一系列破壞，因此，需要進行管網的處置調整。在通過上述的漏損檢測模型檢驗到市政給水管網中存在的漏損之后，通過線上關閉閥門的方式將產生漏損的管道的兩端閥門進行關閉，而在實際工作中直接對管網的閥門直接進行調控時的隨機性較大，對管網造成損傷的可能性也會相對提高，因此，需要通過適當的閥門優化調度來調整其他非漏損管段的閥門，實現對管段內部壓力的均衡化分布。當閥門處于調度狀態時，常常默認其為100％開啟，而隨著調度工況的變化，閥門開關的局部阻力系數變化會使得水頭的損失變大，導致管段內部的壓力下降。下面是局部水頭損失量的計算公式：Hm=閥門局部阻力系數*v2/2g其中Hm為主要的局部水頭損失量，v為過水斷面的平流速，g為重力加速度。通過該計算公式能夠獲得每一個水壓檢測點的壓力數據值，并以此來進行對閥門的優化調節，保證內部水壓的均衡性。

（2）市政給水管網處置系統結構

整體上市政給水管網的漏損檢測和處置系統的主要結構功能設計為以下三層。首先是設備控制層。設備控制層是整個系統運行的基礎層級，主要包括裝載在市政給水管網上的壓力傳感器、閥門等設備內容，通過傳感器市政給水管網現場運行中的水壓、水質、流量進行信息收集，再通過數據傳輸傳遞給PLC。PLC將采集到的模擬信息轉換成為數字信息，并將其存儲起來。同時PLC還會對轉化好的數字信息進行掃描，針對其中存在漏損風險的管段數據做出反饋，由PLC將指令傳輸給市政給水管網的現場設備，通過閥門將管段關閉；其次，是數據傳輸層。數據傳輸層主要通過市政給水管網連接節點上安裝的交換機以及光纖，與PLC和上位管理用的計算機設備連接起來，以此實現市政給水管網兩端供水與用水之間的信息交流。最后是中央管理層。中央管理層在整個系統結構中主要承載著功能模組，將設備控制層收集到的數據按照漏損檢測模型進行檢驗，并針對其中可能存在風險的數據內容進行示警，再由數據傳輸層，將現場控制指令傳遞到設備控制層，對閥門的開度進行調解。在整個系統上最主要搭載的還是上文中闡明的基礎的對市政給水管網節點壓力數據收集、檢測、漏損檢測、漏損部位的智能化處置等功能性需求設計。同時還需要搭載一定的系統上的非功能性需求設計。例如安全性需求。這就需要針對不同的訪問人員的訪問權限進行不同的設定，避免不法人員對整個檢測處置系統進行惡意的設置修改，影響到在實際使用中對市政給水管網的檢測與處置能力。又或者是穩定性需求。該系統關系到地區市政給水管線的運行穩定性，針對穩定性特點，為保障居民的用水需求，就需要保證一定的穩定性。最后是便捷性特點。平時使用系統對市政給水管網進行維護的是相關的水務工作人員。水務工作人員通常對于計算機的相關實用技術并不是十分了解，因此，在系統設計上也應當盡可能的簡潔化操作，保證操作界面清楚明了，發生故障時也能夠精準地進行定位，保證在使用上的方便程度。

（3）市政給水管網漏損檢測與處置系統的使用關鍵

在使用市政給水管管網漏損檢測與處置系統時，需要注重對于整個管網的更新改造。在使用前期需要對管網進行一定的壓力傳感器的安裝，傳統的管網布局不一定能夠適合進行壓力傳感器的安裝，并且一些年歲比較久遠的市政給水管網中，管線的材質較差，也可能會存在老化嚴重的顯現，對此在進行管網改造時，就需要對管線進行一定的更新換代。需要多角度對升級改造計劃進行設計，并且在改造過程中加強工作監督，尤其是對其中涉及新舊管道連接的節點，要進行重點關注。在整體的市政給水管網升級完成，并且漏損檢測與處置系統安裝結束以后，需要進行一定的試運行工作，將檢測到的市政給水管網的運行數據與之前的運行數據進行比較，保證整個市政給水管網保持正常的運行。在后續的運行過程中，水務工作人員除了利用系統對市政給水管網進行檢查以外，還需要定期請專業人員來對漏損檢測與處置系統進行運行監測，針對其中的算法運行以及系統安全漏洞做好安全監測，保證運行上的穩定性，實現對市政給水管網的長效檢測。

四、結語

在市政給水管網的運行中，一旦出現意外的漏損現象，就很有可能會對區域居民的用水情況造成干擾，因此應當積極開發市政給水管網漏損檢測與處置系統，通過信息化技術來改變傳統的人力巡查檢測方式，提高對漏損現象的檢驗效率，進一步加強居民用水穩定性的有效把控，從基礎上實現及早發現、及早修理，實現市政給水領域的可持續長效發展。

作者：韋健