給排水管網(wǎng)漏損控制與水資源保護(hù)策略研究

馮 偉

（太原供水集團(tuán)有限公司，山西 太原 030009）

0 引言

隨著全球氣候變化和人口增長(zhǎng)，水資源的短缺問(wèn)題日益凸顯。在這樣的背景下，給排水管網(wǎng)的漏損問(wèn)題成為影響水資源利用效率的重要因素。漏損不僅導(dǎo)致了寶貴的水資源的浪費(fèi)，還可能引發(fā)一系列的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題。目前，眾多城市和鄉(xiāng)村地區(qū)都面臨著供水緊張的問(wèn)題。尤其在干旱季節(jié)，由于給排水管網(wǎng)的老化、破損等原因，漏損率逐年上升。這不僅增加了供水成本，還對(duì)周邊環(huán)境造成了污染。近年來(lái)，管網(wǎng)漏損的研究主要集中在其預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上。吳文紅等[1]利用布谷鳥優(yōu)化策略（CS）與遺傳機(jī)制（GA）對(duì)管道系統(tǒng)中的漏損點(diǎn)進(jìn)行定位預(yù)測(cè)。王彤等[2]將經(jīng)過(guò)小波去噪處理的管網(wǎng)流動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融入PSO優(yōu)化的最小二乘支持向量機(jī)（LSSVM）預(yù)測(cè)框架中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)突發(fā)性漏損的快速檢測(cè)，并較為精確地估計(jì)了漏損規(guī)模。蘇彥博等[3]基于NSGA-II的多目標(biāo)優(yōu)化策略在漏損定位上，能夠精確并穩(wěn)定地識(shí)別出實(shí)際漏損發(fā)生的近鄰區(qū)域。王彤等[4]結(jié)合圖論方法和貝葉斯統(tǒng)計(jì)學(xué)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)漏損的精確定位。這些研究為漏損的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理提供了技術(shù)支持，但對(duì)于漏損的深層次原因和長(zhǎng)期影響，尚未進(jìn)行深入探討。在此背景下，本文的創(chuàng)新之處在于更加深入地分析了漏損對(duì)水資源的影響。與前人的研究不同，本文不僅從數(shù)量上進(jìn)行了分析，還從質(zhì)量上進(jìn)行了深入研究，揭示了漏損對(duì)水質(zhì)的潛在威脅，以及這種威脅如何影響到最終的用戶。此外，本文還綜合考慮了多種漏損控制技術(shù)，結(jié)合實(shí)際情況，提出了一套完整的漏損管理和維護(hù)策略。這一策略不僅有助于減少水資源的浪費(fèi)，還可以確保供水的安全和可靠。

1 給排水管網(wǎng)漏損的現(xiàn)狀

1.1 漏損的定義和分類

（1）漏損的定義

給排水管網(wǎng)漏損，通常指的是在供水和排水過(guò)程中，由于各種原因?qū)е碌乃髁繐p失。這種損失不僅浪費(fèi)了寶貴的水資源，還可能導(dǎo)致供水不足、水質(zhì)下降、基礎(chǔ)設(shè)施損壞等一系列問(wèn)題。

（2）漏損的分類

根據(jù)漏損的原因和性質(zhì)，可以將其分類為以下幾類：物理漏損：由于管道老化、材料劣化、施工質(zhì)量問(wèn)題或自然災(zāi)害（如地震、地面沉降）導(dǎo)致的管道破裂或接口松動(dòng)。這種漏損通常是持續(xù)的，且隨著時(shí)間的推移可能逐漸加劇。操作性漏損：由于操作不當(dāng)、維護(hù)不足或設(shè)備故障導(dǎo)致的漏損。例如，閥門未完全關(guān)閉、泵站壓力過(guò)高等。隱性漏損：這種漏損不容易被直接觀察到，但可以通過(guò)系統(tǒng)的水平衡分析來(lái)檢測(cè)。例如，由于計(jì)量設(shè)備的誤差、非法接駁或盜水行為導(dǎo)致的損失。季節(jié)性漏損：在某些特定的季節(jié)或天氣條件下，由于溫度變化、土壤濕度變化等因素導(dǎo)致的漏損。例如，冬季由于低溫導(dǎo)致的管道凍裂。

1.2 漏損的主要原因

給排水管網(wǎng)的漏損問(wèn)題已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的關(guān)注焦點(diǎn)，特別是在水資源緊缺的地區(qū)。為了更好地理解和解決這一問(wèn)題，首先需要深入探討其主要原因。

（1）管材老化與劣化

隨著時(shí)間的推移，管道材料會(huì)因?yàn)楦g、疲勞和其他自然因素而老化和劣化。例如，鑄鐵管、鋼管和混凝土管都可能因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的使用和環(huán)境因素而失去其原有的強(qiáng)度和韌性。

（2）施工質(zhì)量問(wèn)題

施工過(guò)程中的疏忽或不當(dāng)操作，如接口未密封好、管道未按規(guī)定深度埋設(shè)或管道受到機(jī)械損傷，都可能導(dǎo)致漏損。

（3）地質(zhì)和土壤條件

在地震、地面沉降或土壤酸堿度變化的地區(qū)，管道更容易出現(xiàn)破裂或移位。此外，某些土壤中的化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)腐蝕管道材料。

（4）水壓變化

突然的水壓變化，如水泵啟?；蜷y門快速開閉，可能會(huì)導(dǎo)致水擊現(xiàn)象，從而損壞管道。

（5）維護(hù)不足

定期的管網(wǎng)檢查和維護(hù)是預(yù)防漏損的關(guān)鍵。但由于資金、技術(shù)或人力資源的限制，許多地區(qū)的管網(wǎng)得不到適當(dāng)?shù)木S護(hù)。

1.3 漏損對(duì)水資源的影響

（1）水資源的浪費(fèi)

漏損直接導(dǎo)致寶貴的水資源浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某些城市的供水系統(tǒng)中，漏損率高達(dá)20%以上。這意味著每生產(chǎn)1 000m的自來(lái)水，就有200m2在輸送過(guò)程中丟失。這不僅增加了生產(chǎn)成本，而且在水資源緊張的地區(qū)，這種損失更是無(wú)法承受的。

（2）地下水位的下降

當(dāng)供水系統(tǒng)中的水不斷地從裂縫和破損的管道中滲漏到地下時(shí)，這些水可能會(huì)進(jìn)入地下水系統(tǒng)。在某些情況下，這種滲漏可能會(huì)導(dǎo)致地下水位的顯著下降，從而影響到周邊的生態(tài)系統(tǒng)和人類活動(dòng)。例如，過(guò)去十年中，某地區(qū)由于長(zhǎng)時(shí)間的管網(wǎng)漏損，地下水位下降了約3m，導(dǎo)致了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的嚴(yán)重受損。

（3）水質(zhì)的惡化

漏損不僅僅是水的物理?yè)p失，還可能導(dǎo)致水質(zhì)的惡化。當(dāng)水從破損的管道中滲漏時(shí)，它可能會(huì)與土壤、有害化學(xué)物質(zhì)和其他污染物混合，從而導(dǎo)致供水的水質(zhì)下降。此外，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，地下的有害物質(zhì)可能會(huì)進(jìn)入供水系統(tǒng)，進(jìn)一步惡化水質(zhì)。據(jù)研究，某城市由于長(zhǎng)時(shí)間的管網(wǎng)漏損，導(dǎo)致供水中的有害物質(zhì)濃度增加了約15%。

2 現(xiàn)有的漏損控制技術(shù)和方法概述

給排水管網(wǎng)的漏損問(wèn)題已經(jīng)引起了全球的關(guān)注，特別是在水資源緊缺的地區(qū)。為了有效地控制和預(yù)防漏損，研究者和工程師們已經(jīng)開發(fā)了一系列的技術(shù)和方法。

2.1 漏損檢測(cè)技術(shù)

給排水管網(wǎng)的漏損問(wèn)題對(duì)全球的水資源管理構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。為了有效地定位和修復(fù)這些漏點(diǎn)，研究者和工程師們已經(jīng)開發(fā)了一系列先進(jìn)的漏損檢測(cè)技術(shù)。

（1）聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)

聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的原理是當(dāng)水從管道中泄漏時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特定的聲音或振動(dòng)。聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)就是利用這些聲音或振動(dòng)來(lái)定位漏點(diǎn)。使用的設(shè)備包括地面麥克風(fēng)、聲學(xué)探測(cè)器、數(shù)字信號(hào)處理器等。雖然聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、無(wú)需大面積挖掘等優(yōu)點(diǎn)，但是該技術(shù)容易受到環(huán)境噪聲的干擾，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員進(jìn)行解析。

（2）紅外線熱成像技術(shù)

紅外線熱成像技術(shù)的原理是泄漏的水會(huì)改變土壤或地面的溫度。紅外線熱成像攝像機(jī)可以檢測(cè)這些溫度變化，從而定位漏點(diǎn)。所使用的設(shè)備是紅外線熱成像攝像機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是可以在夜間或低光環(huán)境下工作，無(wú)需接觸地面。但也會(huì)受到環(huán)境溫度變化的干擾，因此需要專業(yè)培訓(xùn)的操作員。

（3）氣體跟蹤法

氣體跟蹤法的原理是向管網(wǎng)中注入特定的氣體（如氦氣），然后使用探測(cè)器檢測(cè)氣體的泄漏位置。使用氣體注入設(shè)備、氣體探測(cè)器等設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于小漏點(diǎn)和難以檢測(cè)的地方特別有效。但也面臨需要多次注入和檢測(cè)、成本較高等局限性。

2.2 漏損預(yù)防技術(shù)

隨著全球?qū)λY源的日益關(guān)注，漏損預(yù)防技術(shù)在給排水管網(wǎng)管理中的重要性也日益凸顯。有效的預(yù)防策略可以大大減少水資源的浪費(fèi)，降低維護(hù)成本，并確保供水的可靠性和安全性。

（1）智能水表技術(shù)

智能水表技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水流量和壓力，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，從而預(yù)防漏損[5]。設(shè)備包括：智能水表、遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、無(wú)需人工巡檢等優(yōu)點(diǎn)，但是初次安裝成本較高，需要專業(yè)培訓(xùn)的操作員。

（2）管網(wǎng)模型與模擬技術(shù)

管網(wǎng)模型與模擬技術(shù)的原理在于利用計(jì)算機(jī)模型模擬管網(wǎng)的運(yùn)行，預(yù)測(cè)潛在的漏損點(diǎn)。所利用的設(shè)備包括：計(jì)算機(jī)、專業(yè)軟件、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)在于可以預(yù)測(cè)未來(lái)的漏損點(diǎn)，為維護(hù)和更新提供決策支持。但是需要大量的數(shù)據(jù)輸入，模型可能不完全準(zhǔn)確。

（3） 材料與設(shè)計(jì)創(chuàng)新

材料與設(shè)計(jì)創(chuàng)新通過(guò)使用先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)方法，提高管網(wǎng)的耐久性和可靠性。需要的設(shè)備包括：高性能的管材、新型的連接件、先進(jìn)的施工技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)在于延長(zhǎng)管網(wǎng)的使用壽命，減少維護(hù)次數(shù)。然而，新材料和技術(shù)的成本可能較高，需要時(shí)間驗(yàn)證其效果。

2.3 漏損修復(fù)方法

給排水管網(wǎng)的漏損不僅會(huì)導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)，還可能引起其他的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題。因此，及時(shí)、有效地修復(fù)漏點(diǎn)是至關(guān)重要的。以下是當(dāng)前廣泛使用的漏損修復(fù)方法。

（1）傳統(tǒng)挖掘修復(fù)

傳統(tǒng)挖掘修復(fù)通過(guò)挖掘地面，直接訪問(wèn)并修復(fù)漏點(diǎn)。使用的設(shè)備包括：挖掘機(jī)、修復(fù)工具、替換材料。優(yōu)點(diǎn)在于修復(fù)徹底，適用于大面積的損壞。但可能導(dǎo)致交通阻塞、環(huán)境破壞和較高的修復(fù)成本。

（2）無(wú)挖技術(shù)修復(fù)

無(wú)挖技術(shù)修復(fù)通過(guò)小孔或現(xiàn)有的接口修復(fù)漏點(diǎn)，無(wú)需大面積挖掘。所需要的設(shè)備有：特殊的修復(fù)工具、材料和設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)在于修復(fù)速度快，對(duì)環(huán)境和交通的影響較小。但是不適用于某些復(fù)雜或大面積的損壞。

（3）管道襯里技術(shù)

管道襯里技術(shù)的原理在于在現(xiàn)有的管道內(nèi)部安裝一個(gè)新的襯里，從而修復(fù)漏點(diǎn)。設(shè)備包括：襯里材料、安裝工具。具有修復(fù)整段管道，延長(zhǎng)管道的使用壽命等優(yōu)勢(shì)，但需要專業(yè)的操作員和設(shè)備，而且可能不適用于某些類型的管道。

（4）管道替換技術(shù)

管道替換技術(shù)，顧名思義，就是完全替換損壞的管道段。需要新的管材、連接件、施工設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)在于修復(fù)徹底，適用于嚴(yán)重?fù)p壞的管道。但成本高，施工時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境和交通的影響大。

2.4 管網(wǎng)管理與維護(hù)

給排水管網(wǎng)作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其管理與維護(hù)對(duì)于確保供水的持續(xù)性和安全性至關(guān)重要。隨著技術(shù)的進(jìn)步和城市化的加速，管網(wǎng)管理與維護(hù)的策略和方法也在不斷發(fā)展和完善。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

通過(guò)安裝傳感器和其他設(shè)備，實(shí)時(shí)收集管網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，以預(yù)測(cè)和防止?jié)撛趩?wèn)題[6]。優(yōu)點(diǎn)在于可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問(wèn)題，減少停水事件和其他緊急情況。但需要大量的設(shè)備和數(shù)據(jù)處理能力，可能涉及隱私和安全問(wèn)題。

（2）定期巡檢與維護(hù)

通過(guò)定期的巡檢和維護(hù)，確保管網(wǎng)的正常運(yùn)行，并預(yù)防潛在的問(wèn)題。能夠可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理小問(wèn)題，延長(zhǎng)管網(wǎng)的使用壽命。同時(shí)也需要大量的人力和物力，成本較高。

（3）管網(wǎng)更新與升級(jí)

根據(jù)管網(wǎng)的年齡、材料和其他因素，定期進(jìn)行更新和升級(jí)[7]。這種方式可以提高管網(wǎng)的效率和可靠性，減少漏損和其他問(wèn)題。但需要大量的投資，可能影響供水服務(wù)。

（4）公眾參與教育

通過(guò)公眾參與和教育，增強(qiáng)公眾對(duì)水資源保護(hù)的意識(shí)，減少不必要的用水和浪費(fèi)。優(yōu)點(diǎn)在于可以增強(qiáng)公眾的水資源保護(hù)意識(shí)，減少不必要的用水和浪費(fèi)。局限性在于需要時(shí)間和努力，效果可能不明顯。

3 水資源保護(hù)策略

水資源是地球上最寶貴的自然資源之一，對(duì)于人類的生存和發(fā)展至關(guān)重要。隨著全球氣候變化和人口增長(zhǎng)，水資源的壓力日益增大，因此制定并實(shí)施有效的水資源保護(hù)策略變得尤為重要。

3.1 水資源合理定價(jià)

水資源合理定價(jià)是水資源管理的核心策略之一，其目的是通過(guò)經(jīng)濟(jì)手段，鼓勵(lì)用戶節(jié)約用水，減少浪費(fèi)，并確保水資源的可持續(xù)利用。合理的水價(jià)可以反映水資源的真實(shí)價(jià)值，包括其生產(chǎn)成本、環(huán)境成本和稀缺成本[8]。在制定水價(jià)時(shí)，應(yīng)考慮到不同用戶群體的需求和支付能力，如家庭、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用戶。此外，水價(jià)還應(yīng)考慮到地區(qū)差異、季節(jié)變化和水資源短缺的情況。為了確保水價(jià)的公平性和透明性，政府應(yīng)建立一個(gè)獨(dú)立的水價(jià)監(jiān)管機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)水價(jià)的制定、調(diào)整和監(jiān)督。此外，政府還應(yīng)加強(qiáng)公眾教育和宣傳，提高公眾對(duì)水資源價(jià)值的認(rèn)識(shí)，鼓勵(lì)公眾參與水價(jià)的制定和監(jiān)督。

3.2 雨水收集與再利用

雨水收集與再利用是近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的水資源管理策略[9]。隨著全球氣候變化和城市化進(jìn)程的加速，許多地區(qū)面臨著水資源短缺的問(wèn)題。雨水，作為一種自然、可再生的水資源，具有巨大的利用潛力。通過(guò)建立雨水收集系統(tǒng)，可以有效地收集和存儲(chǔ)雨水，減少對(duì)地下水和河流的依賴。再利用技術(shù)，如簡(jiǎn)單的過(guò)濾和消毒，可以使雨水達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，用于非飲用目的，如沖洗、灌溉和冷卻。此外，雨水再利用還可以減少城市內(nèi)澇和河流污染的風(fēng)險(xiǎn)。為了推廣雨水收集與再利用，政府和企業(yè)應(yīng)加大投資，提供技術(shù)支持和培訓(xùn)，同時(shí)加強(qiáng)公眾教育和宣傳，增強(qiáng)公眾的環(huán)保意識(shí)和參與度。

3.3 污水處理與再利用

污水處理與再利用是現(xiàn)代城市和工業(yè)區(qū)水資源管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，大量的污水被排放，如果不經(jīng)處理直接排放，將對(duì)環(huán)境和水體造成嚴(yán)重污染。污水處理技術(shù)旨在去除污水中的有害物質(zhì)，如有機(jī)物、重金屬和病原體，使其達(dá)到排放或再利用的標(biāo)準(zhǔn)[10]。經(jīng)過(guò)處理的污水可以用于農(nóng)田灌溉、工業(yè)冷卻、公園綠化和街道清洗等非飲用用途，從而減少對(duì)淡水資源的需求。此外，再利用污水還可以回收其中的有價(jià)值成分，如氮、磷和有機(jī)物，為農(nóng)業(yè)和工業(yè)提供原料。為了推廣污水處理與再利用，政府應(yīng)制定相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，同時(shí)加強(qiáng)公眾教育和宣傳，增強(qiáng)公眾的環(huán)保意識(shí)和參與度。

4 案例分析

4.1 案例背景

××市，位于中國(guó)的中部地區(qū)，隨著近年來(lái)的工業(yè)化和城市化進(jìn)程，面臨著日益嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題。尤其在干旱季節(jié)，市區(qū)多次出現(xiàn)供水緊張的情況。同時(shí)，由于污水處理設(shè)施不完善，大量的工業(yè)和生活污水被直接排放到附近的河流，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。

4.2 解決策略

該市政府決定采取一系列措施，包括：建設(shè)新的污水處理廠，并對(duì)舊的處理廠進(jìn)行升級(jí)。

推廣雨水收集和再利用技術(shù)。加強(qiáng)對(duì)工業(yè)企業(yè)的監(jiān)管，確保其污水得到妥善處理。具體的實(shí)施過(guò)程：2019年，完成了兩座新的污水處理廠的建設(shè)，提高了污水處理能力。2020年，啟動(dòng)了雨水收集和再利用的試點(diǎn)項(xiàng)目，覆蓋了市區(qū)的5個(gè)主要公園。2021年，對(duì)10家主要的工業(yè)企業(yè)進(jìn)行了污水處理設(shè)施的檢查和升級(jí)。

4.3 效果評(píng)估

最終污水處理能力提高了30%，污水處理率從70%提高到90%。通過(guò)雨水收集和再利用，每年節(jié)約了約200萬(wàn)m3的水資源。河流的水質(zhì)得到了明顯改善，COD和氨氮濃度分別下降了40%和30%，河流的水質(zhì)達(dá)到了國(guó)家Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，與2018年相比，水質(zhì)等級(jí)提高了2級(jí)。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)深入的研究和探討，本文對(duì)漏損及其對(duì)水資源的多方面影響進(jìn)行了全面的分析。漏損不僅導(dǎo)致了寶貴的水資源的浪費(fèi)，還對(duì)地下水位和水質(zhì)產(chǎn)生了不良的影響。此外，本文還深入探討了漏損的檢測(cè)、預(yù)防和修復(fù)技術(shù)，以及如何通過(guò)合理的水資源定價(jià)和保護(hù)策略來(lái)確保水資源的可持續(xù)利用。主要結(jié)論如下：（1）漏損對(duì)水資源的影響不容忽視。它不僅導(dǎo)致了大量的水資源浪費(fèi)，還可能引起地下水位的下降和水質(zhì)的惡化，從而對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生潛在的威脅。（2）現(xiàn)有的漏損檢測(cè)、預(yù)防和修復(fù)技術(shù)為提供了有效的工具來(lái)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題。通過(guò)綜合應(yīng)用這些技術(shù)，可以更好地管理和維護(hù)水管網(wǎng)，從而減少漏損和其帶來(lái)的負(fù)面影響。（3）合理的水資源定價(jià)和保護(hù)策略是確保水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)水資源進(jìn)行合理定價(jià)，可以鼓勵(lì)用戶節(jié)約用水，同時(shí)為水資源的保護(hù)和管理提供資金支持?？傊?，為了確保水資源的可持續(xù)利用，必須對(duì)漏損問(wèn)題給予足夠的重視，并采取有效的措施來(lái)應(yīng)對(duì)它帶來(lái)的挑戰(zhàn)。