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。
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
三、建立科学合理的管网分级分区管理模式
管网分级分区是进行管网优化运行管理的基础，其主要目的在于方便供水管理部门、应用部门和现场工作人员对这种地理区域性明显的管网运行维护进行有效指导和相关信息管理。管网分级分区的基本设想是将庞大的供水管网划分为包括不同级别的若干基础单元，并以此为基础进行管网压力调度、数据管理、漏损监测、管网巡查、管网评估等管网运行维护操作。
管网分级分区首先应具有良好的通用性与普适性，能充分实现监测点位、信号等信息在计算机上的方便与系统管理，并在管网服务区域范围扩大之后能以相同的规则简单方便地实现区域拓展。，另一方面，管网分级分区结果应具有良好的易辨识性，工作人员可根据区域分区结果能够简单方便地对目标区域开展管网巡查、信号收集等工作。需要指出的是，上述面向两种完全不同对象（计算机与操作工人）的功能需求往往是矛盾的，计算机往往要求普适性与通用性，而操作工人则往往要求很强的易辨识性与象形意义。因此，在管网分级分区过程中应围绕上述不同功能需求并努力在二者之间找到最佳平衡点。李伟峰等人建立了针对管网漏损监测与管理需求的分级分区与编码方法。其基本方法是，首先以基于网格划分的层次模型为基础进行研究区域范围内的较大尺度层次的管网漏损监测区分区与编码。这种层次分区融合了标准的、公开的城市地理分区方案“爆管”预防，结合了不同的地理参照信息，实现了对多要素空间信息、标准的整合，进而可以满足不同部门的不同管理需求。在此基础上，将上述分区结果进行进一步细化、调整与完善，形成了满足工程实际中记录仪布设与信号收集要求的漏损监测区划分，并对各监测区进行了适应于工人操作特点的编码方法。
近年来，以独立计量区（DistrictMetering Area，DMA）为基础单元的管网管理与漏损控制方法得到国内外广泛关注。DMA是指供水管网中有永久性边界的相对独立的供水区域，一般通过关闭阀门使区域内管网独立于其它市政管网，进出区域的流量都用流量计计量（图2）。大量文献资料及国外发达国家、地区供水企业的管理经验证明，对供水管网进行DMA划分、实施基于DMA的管网管理是进行管网漏损主动控制的根本、有效措施。通过对供水管网进行DMA分区，可对供水管网进行有效的漏损监测控制和管网压力调控。DMA分区与漏损控制在英国、新加坡、我国台湾等地区有较为成熟的应用经验，但国外主要以支状管网为主，对于我国大陆地区普遍使用的环状管网仍缺乏DMA分区的成功实践案例论文提纲格式。张涛等人针对北京等特大城市的环状管网DMA分区开展了系统的研究与应用实践，确定了特大城市环状管网的DMA分区的基本原则：1）以用户数和管线长度为依据确定适宜的DMA大小，尽量不要对现有管网进行大规模的改造。2）保持管网的完整性，充分尊重原有管网的结构，减少对DMA的管线改造。3）将供水主干管、干管与配水管线分别归入不同级别的DMA。4）保障DMA实施后输配水过程水质。DMA分区应用过程中应与区域漏损概率评估、基于最小夜间流量的DMA区域漏损判断、漏点定位、压力预测、水质保障等工作结合起来，实现以DMA为基础单元的管网优化运行与综合管理。
图2 典型DMA分区示意图
四、建立有效可行管网漏损控制与“爆管”预防综合模式
目前国内供水企业普遍采用的检漏方法有听音检漏法、区域检漏法、区域装表法、区域检漏与区域装表法相结合的方法等等，上述方法在长期应用中积累了丰富实践经验与良好的应用成效。上述方法也存在一定的不足，如缺少计划性；检漏效果受人员技术水平、工作经验及现场条件等方面限制；费时、费力，人员劳动强度大等；检漏人员的经验对检漏效果有重要影响，缺乏普适性等等。国外近年来开发了基于声音信号的噪声记录仪，其可在用户用水量最低、环境背景噪音最小的夜间时段监测连续声音信号，并根据所收集的强度、带宽、频率等信息做出漏损与否的判断与识别。采用该方法可实现对管网漏损的即时有效监测，并提高漏损点判断与定位效率。噪声记录仪检漏方法在英国、香港等地区的应用中取得了较好的成效，但是针对我国供水管网特点及供水企业管理特点，噪声记录仪仍缺乏大规模应用的成功案例。
在利用噪声记录仪进行管网漏损监测与控制过程中，需要解决如下关键问题：1）如何有效监测并及时发现漏损，并减少“误报率”、降低漏损排查工作量；2）如何预测评价不同区域或管段的漏损概率，并对漏损高风险区采取相应的技术与工程手段；3）如何将管网分级分区与噪声记录仪检漏技术结合形成漏损综合控制技术系统；4）如何实现大量的漏损监测仪器与信号的管理与信息挖掘；5）如何建立漏损监测、预警与控制的漏损管理模式与业务流程。围绕上述问题，针对北京市特大型环状供水管网的漏损控制需求，中国科学院生态环境研究中心与北京自来水集团开发了供水管网漏损预测、预警与控制技术系统，并将各功能整合通过“管网漏损监测预警系统平台”，并初步构建了城市供水管网漏损监测－预警－控制系统的应用模式及业务流程，为今后该技术系统在北京市供水管网漏损监测的大规模实施奠定了重要基础。
不少城市“爆管”频发严重干扰了居民正常生产生活，如何预防与控制“爆管”发生也成为供水企业高度关注的重要问题。“爆管”产生的因素很多，如野蛮施工、地质结构或地层变化导致地基下沉、管道“小漏”逐渐发展成“大漏”或“爆管”、管壁腐蚀脱落导致局部应力加大、局部管网压力过高、压力瞬时急剧变化产生“瞬变流”对管道的剥蚀作用等等。供水企业可通过管网优化运行、加强管网维护与管理等手段预防某些类型的“爆管”发生或降低“爆管”风险，而对于流体力学模拟在“爆管”预防与控制具有重要作用。
五、建立基于管网失效分析的优化更换/维护策略
我国《城市供水管网漏损控制及评定标准（CJJ92-2002）》明确要求，供水企业对DN≥75的管道，每年应安排不小于管道总长的1%进行改造；对DN≥50的支管“爆管”预防，每年应安排不小于管道总长的2%进行改造。在管网维护的实际工作中有几个重要的问题需要回答：首先，如何确定哪些管道需要优先进行更换；其次，在管段更换（即修复性维护）与维修维护（即预防性维护）之间，如何找到最佳的平衡点以实现维护成本最低且效益最高？
事实上，随着使用年限的增加，管道可靠性和对其的期望性能均呈逐年下降的趋势；当管道可靠性低于期望性能时，需要修复性维护（即更换管段）。但是，如果在管道可靠性尚未低于期望性能时采取预防性检测与修复的方法及时地提高管道可靠性，则可以显著延长管道服务年限（图3），从而降低管网维护的总费用。陈求稳等人对上述问题进行了系统的研究，建立了基于管道检测、修复、更换等管道维护策略之间的费用计算模型及优化计算方法（式2～式7），为在工程实践中优化管道维护策略、实现成本-效益最大化提供了重要的数学基础。
其中，CL为管网维护总费用；R为货币贬值系数；Ci为第i年维护费用；Cfailure为管道失效费用；PF为管道失效概率；Tn为折算为当前货币的总维护费；ti为第i次失效时间；tn为第n次失效并确定更换时的年限；Fn为tn时的管道更换费用；R为货币贬值系数；Brkth为需进行管道更换的失效阈值。
图3 在不同维护策略条件下管道可靠性与期望性能随服务时间的变化
六、展望
对于庞大复杂的供水管网系统，如何确保其安全优化运行并控制输配过程产生的二次污染，这是供水企业高度关注的重要问题和亟需解决的重大难题。围绕上述问题，供水企业应以输配水质安全保障为核心，以管网信息化为基础，从技术、工程、管理与系统平台等不同角度，在管网分级分区、管网优化维护、管网漏失控制与“爆管”预防等方面开展工作，最终形成供水管网安全优化运行与污染控制的技术系统与业务化流程，从根本上提高管网管理水平、保障供水安全。