管道系统泄漏监测与漏损控制技术及进展 水力学所郭新蕾李甲振 压力管道或供水管网最常见的故障是漏失和爆管,原因主要包括管道老化、 阻塞、磨损、断裂、供水压力过髙或突变、施工及基坑不均匀沉降或人为因素等。 20世纪90年代以来,供水管网跑、冒、滴、漏的检测和控制一直是全球供水行 业的热点问题。世界银行对世界范围的城市饮用水供水系统的漏损状况的统计表 明,在约3000亿m3年供水量中,城镇供水管网漏损水量占近500亿m3。世界 各国管道漏损率差别较大,从漏损率最低的德国9%到最大的马来西亚43%,美 国相对新的城市管网漏损在25%,英国在30%左右,随着我国快速推进城市化 进程,供水管网漏损问题日益凸出。中国城镇供水协会调査表明,近年来中国城 市供水管网平均产销差率达到18%左右,部分城市甚至超过25%,一些供水管 网水量净漏失率达14%,因供水管网漏失导致的年损失水量超过60亿m3,相当 于上海、北京、天津、广州、深圳五个特大型城市的年供水总量之和。而我国农 村供水的漏损率更是远大于城市供水的漏损率,多数乡镇的漏损率在40-50% 相较于城市而言,农村供水管道覆盖范围大、安装质量低、服役时间久,压力控 制较差,加上重建轻管,管道漏损监测和防控的意识薄弱、技术和资金投入少, 更加剧了农村供水工程漏损率高且防治不显著的现状 管道输水工程、输配水管网、城市排水管网泄漏的监测、漏损控制始终是全 世界节水领域一热点研究方向。经过调研,得到的结论如下 (1)国外重视管道、管网漏失问题,多年积累的泄漏辨识技术大体上可分 为两大类,直接检测法和间接检测法。前者主要是从监测和预警的角度研究,后 者可归结于基于传感器、数据采集系统、仿真软件为一体的检测方法。目前主要 的漏失检测设备有听漏棒、听漏饼、电子听漏仪、噪声自动记录仪、相关仪以及 雷达等,方向和进展归纳如下
管道系统泄漏监测与漏损控制技术及进展 水力学 所郭新蕾 李甲振 压力管道或供水管网最常见的故障是漏失和爆管，原因主要包括管道老化、 阻塞、磨损、断裂、供水压力过高或突变、施工及基坑不均匀沉降或人为因素等。 20 世纪 90 年代以来，供水管网跑、冒、滴、漏的检测和控制一直是全球供水行 业的热点问题。世界银行对世界范围的城市饮用水供水系统的漏损状况的统计表 明，在约 3000 亿 m3 年供水量中，城镇供水管网漏损水量占近 500 亿 m3。世界 各国管道漏损率差别较大，从漏损率最低的德国 9%到最大的马来西亚 43%，美 国相对新的城市管网漏损在 25%，英国在 30%左右，随着我国快速推进城市化 进程，供水管网漏损问题日益凸出。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 18%左右，部分城市甚至超过 25%，一些供水管 网水量净漏失率达 14%，因供水管网漏失导致的年损失水量超过 60 亿 m3，相当 于上海、北京、天津、广州、深圳五个特大型城市的年供水总量之和。而我国农 村供水的漏损率更是远大于城市供水的漏损率，多数乡镇的漏损率在 40-50%。 相较于城市而言，农村供水管道覆盖范围大、安装质量低、服役时间久，压力控 制较差，加上重建轻管，管道漏损监测和防控的意识薄弱、技术和资金投入少， 更加剧了农村供水工程漏损率高且防治不显著的现状。 管道输水工程、输配水管网、城市排水管网泄漏的监测、漏损控制始终是全 世界节水领域一热点研究方向。经过调研，得到的结论如下： （1）国外重视管道、管网漏失问题，多年积累的泄漏辨识技术大体上可分 为两大类，直接检测法和间接检测法。前者主要是从监测和预警的角度研究，后 者可归结于基于传感器、数据采集系统、仿真软件为一体的检测方法。目前主要 的漏失检测设备有听漏棒、听漏饼、电子听漏仪、噪声自动记录仪、相关仪以及 雷达等，方向和进展归纳如下
故障监测 泄漏定位与辨识 信号辨识与 预警技术 (间接检测) 发展新方向内 管分光管红 纤壁外 力卡尔曼滤波自学习小波 及进展 光振温 波 变主动控 振传/监监机 析 型度 波动/感测测/器 法法漏∥法法 LM、SCE、GA寻优 监监技技技人 测测术术术 Hybrid shuffled comple 时域[频域 (2)我国近年来在管网故障、泄漏检测方面投入了大量科研力量,部分水 司也相继开发了诸如 SCADA、GIS及相关的管网信息化平台,泄漏或者产销差 率有所降低,但离国家节水型社会建设的高要求尚有距离。此外,由于城镇化发 展水平参差不齐,管网漏损形态与主导因素各异,导致管网漏损监测控制仍以人 工被动检漏为主、缺乏先进理论指导、核心设备依赖进口、标准体系不完善等现 状问题。 (3)管道、管网泄漏问题一直是油气输运、城镇市政给排水领域关注的重 点,但近年我国兴建了大量的长距离调水工程,尤其调水工程二期、三期的配套 输配水管网工程、农村安全饮水工程干支管网、大型灌区管网工程等,迫切需要 相应的泄漏监测和控制理论方法进行技术支撑,但目前来看,在水利系统重视程 度还不够,投入也相对匮乏。 (4)总体来看,目前国内外漏损控制正在由被动检漏向主动漏损控制与管 理方向发展,解决方案也在由单纯依靠检漏设备和技术人员,向由管网监控预警 分区计量、管网模型以及漏损定位设备构成的综合解决方案转变。供水管网漏损 控制需要监测、评估、定位、修复和优化运行等在内的技术方法以及相应的管理 体制和方式创新来联合解决。 根据本次调研国内在该领域的现状分析,漏损控制尚存在如下关键科学问题 和技术难题有待突破: (1)针对管网漏损的监测和预警,缺乏面向漏损监控的管网网络组建及快 速预警技术。即尚缺乏监测设备优化布置技术,尤其缺乏对漏损/爆管事件的预 警技术
（2）我国近年来在管网故障、泄漏检测方面投入了大量科研力量，部分水 司也相继开发了诸如 SCADA、GIS 及相关的管网信息化平台，泄漏或者产销差 率有所降低，但离国家节水型社会建设的高要求尚有距离。此外，由于城镇化发 展水平参差不齐，管网漏损形态与主导因素各异，导致管网漏损监测控制仍以人 工被动检漏为主、缺乏先进理论指导、核心设备依赖进口、标准体系不完善等现 状问题。 （3）管道、管网泄漏问题一直是油气输运、城镇市政给排水领域关注的重 点，但近年我国兴建了大量的长距离调水工程，尤其调水工程二期、三期的配套 输配水管网工程、农村安全饮水工程干支管网、大型灌区管网工程等，迫切需要 相应的泄漏监测和控制理论方法进行技术支撑，但目前来看，在水利系统重视程 度还不够，投入也相对匮乏。 （4）总体来看，目前国内外漏损控制正在由被动检漏向主动漏损控制与管 理方向发展，解决方案也在由单纯依靠检漏设备和技术人员，向由管网监控预警、 分区计量、管网模型以及漏损定位设备构成的综合解决方案转变。供水管网漏损 控制需要监测、评估、定位、修复和优化运行等在内的技术方法以及相应的管理 体制和方式创新来联合解决。 根据本次调研国内在该领域的现状分析，漏损控制尚存在如下关键科学问题 和技术难题有待突破： （1）针对管网漏损的监测和预警，缺乏面向漏损监控的管网网络组建及快 速预警技术。即尚缺乏监测设备优化布置技术，尤其缺乏对漏损/爆管事件的预 警技术
(2)针对小泄漏的主动控漏,缺乏供水管网漏损区域辨识与基于水力反问 题分析的主动检测理论和技术。长距离管道输水中的泄漏检测是个新课题,前沿 科学问题是瞬态泄漏的辨识理论和方法。现有模型以单管作为硏究对象,与实际 管线中存在的调压井、空气阀、分叉等局部水力元件出入较大。 (3)针对漏点辅助定位设备,缺乏基于探地雷达、光纤传感等新技术的关 键设备。现有检漏听音设备普遍存在检测精度不高、杂音干扰等问题,使得传统 设备很难检测管网漏失这个难题,有必要发展实用的新设备。 (4)针对区域控漏和管网健康维护,缺乏压力调控管理下的漏损响应以及 管网健康评价和优化维护技术。国外管网跟国内管网差异很大,DMA分区应用 于复杂环状管网系统还有待进一步硏究,管网健康检测和评价也是制定管网维护 方案的前提,维护技术可以有效降低管网泄漏、爆管事故发生的概率,目前缺乏 相应理论 我院开展输水管道泄漏检测方面的研究已有10余年的历史,目前在调水工 程水力控制、节水型社会建设、海绵城市建设和城市水文水务方面己取得的较好 进展,上述方向均对泄漏检测理论和技术提出了要求。随着未来水利管网系统投 入越来越多,管网漏损控制必然是未来水利学科一个重要的增长点。相关建议是: (1)根据我院特色,亟待建设较高水平的输配水管网试验平台,配套购置 相应检测仪器设备,为管网水力学、水质、控制等研究提供支撑。 (2)针对上述几个科学问题和难题亟待开展“管网漏损监测预警平台(物 理模型- SCADA系统-决策分析信息化系统)”建设、干支管网主动检测技术、管 网漏点辅助定位设备开发、管网健康评价和维护理论技术等方面的研究工作,目 标是初步建立“漏损监测-主动控制-辅助定位”耦合的管网漏损控制一体化技术 解决方案,为解决目前漏损探测精度差、漏损控制技术粗放和效率低下等问题提 供扎实的支撑
（2）针对小泄漏的主动控漏，缺乏供水管网漏损区域辨识与基于水力反问 题分析的主动检测理论和技术。长距离管道输水中的泄漏检测是个新课题，前沿 科学问题是瞬态泄漏的辨识理论和方法。现有模型以单管作为研究对象，与实际 管线中存在的调压井、空气阀、分叉等局部水力元件出入较大。 （3）针对漏点辅助定位设备，缺乏基于探地雷达、光纤传感等新技术的关 键设备。现有检漏听音设备普遍存在检测精度不高、杂音干扰等问题，使得传统 设备很难检测管网漏失这个难题，有必要发展实用的新设备。 （4）针对区域控漏和管网健康维护，缺乏压力调控管理下的漏损响应以及 管网健康评价和优化维护技术。国外管网跟国内管网差异很大，DMA 分区应用 于复杂环状管网系统还有待进一步研究，管网健康检测和评价也是制定管网维护 方案的前提，维护技术可以有效降低管网泄漏、爆管事故发生的概率，目前缺乏 相应理论。 我院开展输水管道泄漏检测方面的研究已有 10 余年的历史，目前在调水工 程水力控制、节水型社会建设、海绵城市建设和城市水文水务方面已取得的较好 进展，上述方向均对泄漏检测理论和技术提出了要求。随着未来水利管网系统投 入越来越多，管网漏损控制必然是未来水利学科一个重要的增长点。相关建议是： （1）根据我院特色，亟待建设较高水平的输配水管网试验平台，配套购置 相应检测仪器设备，为管网水力学、水质、控制等研究提供支撑。 （2）针对上述几个科学问题和难题亟待开展“管网漏损监测预警平台（物 理模型-SCADA 系统-决策分析信息化系统）”建设、干支管网主动检测技术、管 网漏点辅助定位设备开发、管网健康评价和维护理论技术等方面的研究工作，目 标是初步建立“漏损监测-主动控制-辅助定位”耦合的管网漏损控制一体化技术 解决方案，为解决目前漏损探测精度差、漏损控制技术粗放和效率低下等问题提 供扎实的支撑