外水测算技术在供水管网漏水检测中的应用

蒋海砖,戴咸毅

(南宁市勘测设计院集团有限公司,广西 南宁 530022)

0 引 言

当前城市供水管网分布范围广且检测难度大,传统漏水检测模式效率低下,成本较高,缺乏侧重方向,已无法满足城市发展建设的需求,开创一种新型高效的探漏模式迫在眉睫。考虑到供水管漏点水流去向与排水管外水入渗密切相关[1],即可利用外水测算成果为供水管网漏水检测提供方向,快速锁定漏水严重区域,缩小检测范围,提高探漏效率。本文分析了当前国内外探漏技术发展概况,提出一种外水测算+供水管网漏水检测的新模式,并重点展示其在南宁市建成区某区域供水管网漏水检测中的实际应用成效。

1 国内外探漏技术发展概况

城市供水管线铺设方式均为地埋式,由于道路地质灾害、管材腐蚀、人为施工破坏等原因[2],供水管普遍存在漏水现象。为控制漏损率,保障供水安全,国外一些发达国家早在20世纪40年代就开展了供水管网漏损控制技术及相关设备的研究,先后成功开发了相关检漏仪[3]、听漏仪[4]、地质雷达[5]等高科技设备,大大提高了检测设备的可靠性和准确性。我国城市供水管网漏水检测工作起步较晚,在20世纪80年代才开始建立漏水检测队伍,其设备及检测模式大多参照国外发达国家相关技术[6],主流检测模式主要为“普查式”,即每次需对城市内所有供水管线进行全面检测,从而降低城市供水管网漏损率,具体方法包含环境调查法、听音法[7]、相关分析法[8]等。

普查式漏水检测在近几年城市漏损控制中的确取得了一定成效,但因其检测效率低、成本高、无侧重方向、检测周期长等缺点,已无法满足当前城市高速发展对供水管网漏损控制[9]的要求。

2 外水测算技术

外水测算是基于片区的用水量及排污情况,基于水量平衡和物质守恒两种原理应用于外水量测算中,通过测算,掌握片区污水系统外来水量。

2.1 分区监测

根据城市污水汇水范围,结合污水处理厂、一体化处理设施、泵站、雨污管网之间的相关运行关系,以及范围内的河网水系、道路,排水口分布等实际情况,了解整个区域的水量构成,科学进行合理分区。通常将单个污水提升泵站的收水范围划分成一个片区。

监测内容主要为排水管网和典型地块流量水质监测。管网流量水质监测点布设在片区污水收集系统末端以及主要分支;典型地块流量水质监测点布设在典型地块接入市政排水管道处。监测点布设数量及位置以满足各片区总水量、水质浓度及水质浓度本底值计算需求为准。

2.2 基于水量平衡测算

通过收集掌握城市水务部门各片区用水量数据,按折污系数估算片区内的理论污水排放量,实际片区监测的总污水排放量与理论污水排放量的差值可估算为片区外水量,理论污水排放量的计算公式:

W=Wi×ξi

(1)

其中:Wi:实际用水量,单位m3/d;

ξi:依据《南宁市城市污水专项规划修编》(2015—2030年),污水排放系数值取0.9;

W:污水总量为片区理论污水排放总量,单位m3/d。

由于受供水资料完整性、污水收集系统运行状态及算法本身的局限性等因素影响,上述理论污水排放量与实际监测污水排放量差值与实际外水量存在一定误差,但对了解各片区污水系统外水入渗的严重性仍有较大意义。

2.3 基于物质守恒测算

根据污水处理厂服务范围内的典型地块(主要考虑居民小区、经营性场所、行政事业单位等类型)水质及水量,并结合各类型地块用水比例,加权平均得到各片区排污水质参数的基准值。再通过片区污水收集系统末端总流量及水质监测结果,根据物质守恒法计算得到片区内的理论外水量。计算公式:

Qt=Qs+Qg

(2)

QtCt=QsCs+QgCg

(3)

由式(2)和式(3)得:

式中:Qt、Ct分别为片区污水收集系统末端监测总流量(m3/d)和监测水质浓度(mg/L);

Qs、Cs分别为片区理论污水排放总量(m3/d)和污水水质浓度本底值(mg/L);

Qg、Cg分别为片区外水入渗量(m3/d)和外水水质基准值(mg/L)。

3 外水测算+供水管网漏水检测模式

鉴于排水管外水入渗入流的主要原因之一为供水管漏损,随着外水测算技术在国内各城市的广泛实施[10],一种新型漏水检测模式应运而生,即通过利用外水测算技术分析各片区外水入渗地下排水管网的严重性,根据分析成果锁定优先开展供水管网漏水检测范围,实现快速止损,进而提高漏水检测效率,具体操作流程如图1所示。

图1 工作流程图

4 案例展示

4.1 项目基本情况

南宁市某污水处理厂服务面积约 67 km2,设计处理规模为35万m3/d,主要收集服务范围内所有污水管水量及部分雨水管截流水量。2020年9月至2020年11月期间,监测污水厂进水水质浓度总体较低,疑似存在大量外水入侵等情况。

4.2 确定漏水严重片区

(1)监测方案

①监测点位布设

根据该污水系统范围内的河网水系、道路、排水口分布等实际情况,将该范围划分为A、B、C、D、E、F六个片区,共布设末端流量水质监测点35个(A片区3个,B片区1个,C片区6个,D片区12个,E片区7个,F片区6个),典型地块流量水质监测点24个(A片区6个,B片区1个,C片区7个,D片区2个,E片区3个,F片区5个),监测点布设情况如图2所示。

图2 各片区监测点布设情况示意图

②流量监测

末端流量监测采用流量计法(选用美国ADS流量计),典型地块流量监测采用容器法,流量监测时长为1天,流量计法监测采用连续监测取日总流量,容器法监测采用多次监测平均值换算日总流量;在同等工况下,经现场比对测试,同一个监测点采用流量计法及容器法分别进行监测,总流量偏差均在10%以内。

③水质监测

水质监测通过现场采样送检方式,与流量监测同步进行,检测指标以氨氮为主。

(2)流量水质监测结果

本次监测结果数据来源于现场监测及实验室检测,片区末端流量监测值通过流量计直接读取,典型地块流量监测值则通过容器法多次监测换算得出,水质监测结果以检测机构出具的检测报告为准。末端流量水质监测结果如表1所示,典型地块流量水质监测结果如表2所示。

表1 片区末端流量水质监测结果

表2 片区典型地块流量水质监测结果

(3)基于水量平衡测算

根据城市水务公司提供的供水数据可计算理论污水排放量,数据如表3所示。经与实际监测所得污水总量对比发现:该污水厂服务范围内A片区理论污水排放量与实际监测污水排放量相差甚远,以约12.75万m3/d的差值远超其余五个片区,故推测A片区存在大量外水入渗情况。

(4)基于物质守恒测算

①污水水质浓度本底值计算

通过各类型地块用水比例加权平均计算得出污水水质浓度本底值Cs,用于物质守恒测算外水量。片区水质本底值计算结果如表4所示。

表4 片区水质本底值计算结果

②各片区外水量测算

基于物质守恒的外水量测算公式,根据片区末端监测的流量水质数据,可测算出各片区理论外水量,数据如表5所示。六个片区测算外水总量约10.82万m3/d,其中A片区外水量约7.20万m3/d(占比高达66.54%),其余片区外水量合计约3.62万m3/d(占比33.46%)。

表5 各片区物质守恒测算结果

(5)综合分析结论

综合上述A、B、C、D、E、F六个片区水量平衡测算及物质守恒测算结果(如图3所示),发现A片区外水入渗情况最为突出,即属漏水严重片区,故应优先开展A片区供水管网漏水检测工作。

图3 各片区外水入渗情况分析图

4.3 漏水检测结果

采用主动探漏方式对A片区(约12 km2)市政道路两侧供水管网进行漏水检测,通过地面听音法、阀栓听音法、钻孔听音法、探地雷达法等多种技术手段对A片区供水管网进行“望、闻、问、切”,精准定位供水管漏点。累计发现漏水点149处,其中暗漏点76处,明漏点73处。漏点分布情况如图4所示。

图4 A片区供水管漏点分布图

4.4 应用成效

经对A片区进行全面外水排查,共发现外水总量为5.37万m3/d(达到物质守恒测算外水量的74.58%),其中自来水入渗水量为3.12万m3/d,其余2.25万m3/d水量为其他类型外水。

在水务部门修复A片区149处供水管漏点后,利用流量计、管道内窥镜等手段对排水管自来水入渗情况进行复核,进一步验证供水管网漏水与排水管网入渗的关联性。经复核,供水管漏点修复后污水系统水量共减少约3.12万m3/d(占A片区实际排查外水量58.10%),修复前后外水入渗情况对比如图5、图6所示。

图5 修复前后某排水暗渠外水入渗情况对比图(左为修复前,右为修复后)

图6 修复前后某排水暗渠外水入渗情况对比图(左为修复前,右为修复后)

5 结 语

外水测算+供水管网漏水检测模式在本案例中取得了显著成效,其实用性强,漏水检测效率高,社会经济效益大,是一种完全可推广、可复制的新型漏水检测模式。具体优势如下:

(1)漏水检测效率高,针对性强,缩短了检测周期。本案例中,采用外水测算+供水管网漏水检测模式在A片区市政道路两侧供水管网中探明的总漏点高达149处,而传统检测模式因无法锁定漏水严重区域,需对6个片区逐一进行漏水检测,其时间跨度长,且没有针对性,效率低下。

(2)抓大放小,快速止损。由于地下供水管周边土壤难以持续“消化”大量漏水,水流主要沿软弱土层入渗至周边排水管网或溢出地表再流入排水管网。故锁定漏损严重的区域进行主动探漏,有利于快速查找漏损量较大的漏点,实现快速止损。

(3)可推广性强。此模式不受地域限制,不仅适用于全国各地市政供水管网漏水检测,还可应用在小区内部的供水管漏水检测中。

(4)社会经济效益大。该靶向制导模式有助于快速降低城市供水管网漏损率,能为管网运营机构和政府公共事业创造巨大经济价值。