泄漏的鑒別與控制

 

 

西蒙·內斯

 

許多國家正在經歷由于人口的增長和經濟發展超過可持續利用資源的發展而導致的用水緊缺，幷且越來越清楚地認識到由此帶來的對經濟發展的約束。氣候的變化可能增加資源壓力。同時，供水單位受到來自政府、環境保護主義者、調節部門和用戶方面的壓力，要求提高效率和服務質量，最大限度地减少浪費。在21世紀即將到來之際，要求供水單位更有效地供應和分配水資源的壓力顯然可能增大。

 

 許多人認爲泄漏管理是提高供水單位管理效率的關鍵。如今在英國和其他一些國家，供水單位必須制定泄漏治理目標，對泄漏經濟等級進行詳細評估和提供水效率及保護水資源。這些泄漏治理目標一年高于一年，幷且是在人員逐漸减少的情况下制定的。如果這些目標不能實現，則極有可能導致反對供水單位的行動。

 

除對資源的影響以外，泄漏還通過破壞和瓦解其他基礎設施對環境造成影響。這種影響對于香港出現山體滑坡的地區尤爲顯著。據查證，供水幹管泄漏是導致滑坡事故、引起建築物的基礎設施損壞的重要原因之一。

 

2.0 整體網絡化管理

 

泄漏管理不應對某部分幹管獨立進行，而應對這個供水管理網絡的各個部分同時進行。對所有運行功能的主動綜合治理可帶來顯著的效益，整體網絡化管理（INM）已經越來越爲供水事業單位所接受，它有潜力通過提高效率來提高服務質量和减低費用。整體化方法對處理由水源到水龍頭的全部運行環節的管理尤爲重要，而泄漏控制則是重之又重。整體網絡化管理是供水事業單位可以利用的最强大的技術。

 

所有管道網絡都可能泄漏，而供水網絡尤爲如此。考慮供水網絡的規模、連接複雜性、難以接近和工作數據不確切等因素，定量、檢定和修復泄漏很具挑戰性。檢定和修復泄漏兩者都很難而且耗資不菲，但主動的泄漏管理具有巨大的潜在效力，即减少滑坡數量，最大程度地挽救可能由于泄漏而導致的財物損失。

 

INM一般包括通過分部和遙測系統提高資産可操作性和通過計量對系統運行數據進行分類和解析。對于泄漏管理最爲關鍵的是集中處理系統中的泄漏最大或正在增加的部分。

 

3．0 泄漏管理的一般措施

 

泄漏管理過程中有些階段定義明確，其中若干階段將在以下討論.

泄漏評估：對整個系統中存在的泄漏程度和泄漏在系統中的分布情况做出權威確定。

泄漏修補的定義：確定最適當、最經濟有效的辦法、减少系統確定部分的泄漏。

泄漏修補：系統地使用减少泄漏的辦法，監測取得的效果。

實施控制：以最經濟有效的方式使泄漏程度不發展或低于原有水平。

 

4.0 泄漏評估

 

4.1  一般手段

 

泄漏不能直接測得,而需采取兩種互爲確認的方法進行評估。方法1，“從上至下”法，它需從給水的總水量中减去各已知用量，餘額等于系統的總泄漏量。這一過程極易因用量和給水計量的可靠性造成評估不準確。

 

方法2，“由下而上”法，它是測量流入系統的最小流量，而最小流量往往在淩晨出現。經過調整而考慮合理用量的最後的這一最小流量（即“夜間流量綫”）等于系統的泄漏量。通常將配水系統分爲獨立區和水自治區幷測量各區的夜間流量綫。上述夜間流量綫（而不是合理用水量餘量）之和的數量級應與“由上而下”法得出的泄漏估算值相同。日常泄漏管理時，使用“由下而上法”更爲恰當。

 

系統又細分爲主幹管的“主幹管區”（TMZ）和 “泄漏控制區”（LCZ）。有時也叫做配水系統本身的“區域計量區（DMA）。無論哪種情况，它們的地理區域劃定都是很明確的，都是水自治式的，跨越過界的各幹管均設置了關閉的閥門或用作測量進出區域水量的水錶。TMZ可與LCZ重叠，比如當主幹管穿過LCZ時就會發生重叠。應當明確的是，配水幹管的覆蓋範圍大于主幹管，且連接要更加複雜，LCZ基本上是二維的，而TMZ是一維的。

 

流量數據的采集采用遙測或使用可定期下載的記錄儀 (eg. Multilog GSM Logger)。數據通常爲自動/半自動處理産生夜間流量綫淨值，有了夜間流量綫淨值，就可排定若干區域解决泄漏的先後次序。軟件可包括爲夜間流量綫淨值，就可排定若干區域解决泄漏的先後次序。軟件可包括爲夜間流量綫淨值的异常增大。當重大爆裂因坡面不穩定，損壞其他公用設施儀器或使許多重要用戶失去供水而可能産生灾難性後果時，這一條顯然是需要的。

 

4.2 主幹管與配水幹管

 

主幹管通常約占水設施幹管總長的15%，且泄漏率較低。英國水廠提供的數據表明主幹管的泄漏指數爲0.6，配水幹管爲1.0，這樣往往使泄漏管理的精力集中到配水幹管上。

 

4.3影響泄漏評估精度的因素

泄漏管理辦法采取有所側重和優先排序後，其成功與否完全取决于數據的準確性。要對4個主要因素進行檢查以確保夜間流量綫淨值具有適當的質量，這4個因素是區域計量、邊界完整性、餘量及區域規劃。

 

4.3.1儀錶精度

大多數流量數據記錄器是被設定每15分鐘記錄一次流量。但最近在英國，采用Socrates流量分析儀對爲數不多的挑選場所進行了分析，結果表明記錄的夜間流量相當低。Socrates分析儀决不僅僅是個普通的數據記錄器，它具有統計處理能力，可逐個場所地識別夜間合理使用與泄漏之間的界限。它可用于LCA需要量分析，用水量監視，控制系統故障診斷及泄漏報告，其數據上的高分辨率可識別合理泄漏值很大的LCZ，可成爲找漏工人有效的診斷工具。

 

主幹管或配水系統的主動泄漏控制只能通過優質的流量測量設備來實現。泄漏識別的準確與否取决于所安裝計量系統的測量不確定性。流量計測量的不確定性越大，在被探測到之前注定發生的損耗就越大。計量儀錶須安裝正確幷使用相關的技術，才能保證流量測量準確。

 

4.3.2    區域完整性

可對夜間流量綫淨值計算造成重大影響的另一因素是區域的完整性。LCZ的邊界常常被突破，這可能是由若干因素引起的。有時區域界綫的突破是合理的。是爲了在幹管修復和更換時間用戶供水，但有時邊界的閥門被擅自打開了。因此有必要定期進行零壓力試驗以確認區域的完整性。可是由法規部門確定，用來减少甚至消除漂白差錯的水廠現有壓力已經限制幷可能完全阻止了零壓力試驗的實施。解决這一矛盾要求使用諸如測水閥和壓力記錄技術等替代技術。一些水廠成功地使用了一種智能閥鍵（即智能鍵），幷爲它配置了狀態監視系統。智能鍵可自動監視閥門的運行幷通過記錄各項現場數據向辦公室的PC機分析使現場操作人員明確識別每個閥門。當智能鍵裝到閥門上裝有瞬時數據記錄膜盒的頂部後，它既可向操作員指示閥門位置和尺寸、閥門型號、供水幹管、打開方向，還可轉至閥門打開和正常狀態。

 

4.3.3    家用與商用餘量

可對夜間流量綫淨值構成重大影響的另一個重要因素是正確評估家用和商用的餘量。通常，上述餘量的計算是多年以前完成的，應定期更新一個LCA      內住宅的總數。所有夜間用量大的主要用戶都應長期的記錄在案。幷結合其他重要計量儀錶的定期夜間讀數準確估出夜間的商業性用量。凡是大量供水未做計量的地方，都需正確評估餘量，英國目前就是這種情况。

 

4.3.4    區域大小

LCZ的大小也應予以檢查.以往認爲理想的LCZ大小是1000-1500properties量級.這個大小對于大型分配幹管檢漏是理想的,但對于檢查逐漸變化的泄漏等級來說却過大了。研究表明，雖然較大的爆裂在短時間內就會損失大量水量，但通過泄漏長期流失的水量則更大。在目前泄漏等級下降的情况下，檢定泄漏會越來越困難，所以將平均區域規模减少到500-800properties之間，在較短時間內就能檢查出小的泄漏。

 

以上問題解决以後，供水事業單位就能够對檢漏有一定信心，可通過優先排列出泄漏量最大的區域，有效地實現泄漏控制目標。以上手段很基本但常常是很實用的。

 

5.0 泄漏檢測

檢定出應集中處理的區域以後,下一步是决定采用哪種方法减少泄漏。有4種方法可以采用，即尋找和修理、區域優化、降低壓力和幹管復原。如果LCZ的泄漏等級或高于目標等級，則首先應運用尋找和修理手段。雖然泄漏彌補有數種方法可供選擇，但無疑檢測和修理單個泄漏點在實際應用中是主要方法。因此漏點檢測在泄漏管理中是關鍵作業，有多種技術可以采用，但都有局限性。有的適用于主幹管，有的適用于分配幹管。可應用的多種方法中，主要的幾種在下文作簡要介紹。

 

5.1 不侵入技術

5.1.1 簡單聲音探測

    當地面沒有可以看到的水時聲探仍是主要的和最重要的泄漏檢測方法.聲探的原理是當水由管道的孔隙流出時産生不同頻率的”泄漏噪聲”,其頻率由水壓、漏點大小和形狀、管道材質及土地填塞材料决定。

 

直接聲探在閥門、給水栓、止流龍頭和其他管道配件上進行，依賴于聲音在管道材料中的傳播，簡單的木制纏繞仍在廣泛使用幷很受一些經驗豐富的檢查員的喜愛。使用地面麥克風的間接聲探可用來探測穿過地面的低頻泄漏噪聲。實驗表明高達200Hz 的頻率在大多數地理條件下都能探測到。但由于這也是脚步聲和交通噪聲的頻率段，因此要取得令人滿意的結果還需要有經驗的檢查員來進行檢測。

 

直接探測漏點噪聲時，漏點最有可能位于聲音最大的點，有經驗的檢查員可能估計出漏點的大小和漏點可能在幹管還是用戶管道。間接聲探時，漏點噪聲沿著阻力最小的聲道到達地面。過多的噪聲會加大直接和間接聲探的難度，有風天氣、交通噪聲、大流量和泵等都會使檢測工作出現問題，所以聲探在夜間進行最有效。

 

5.1.2 分步檢查

        還有一種更傳統的技術在區域整體確認以後,將泄漏控制區域劃分成一些小的部分進行分步檢查,一般每步約100properties。但這樣做有可能受現有閥門位置的限制，可能需要增加新閥門或替換被發現不能使用的閥門。

 

這些分步檢查區域和將要操作的閥門應在相應的區域規劃計劃中體現出來。這項檢查應在深夜進行，因爲這時用水需求量最小，給用戶造成的不便也降到最低限度。但正如前面已經提到的，來自調節部門要求减少或消除污染事件的壓力越來越大，分步檢查可能會導致污染事件，所以在發生污染事件風險較大的區域不能使用分步檢查，即使最先進的分步檢查設備將區域隔離時間减到最少也不行。

 

5.1.3  漏點噪聲關聯

      漏點噪聲關聯技術作爲定位管道泄漏的方法已經使用了20多年.隨著微電子技術的發展，關聯器的設計和性能在這些年中取得了長足進步。泄漏噪聲關聯技術的工作原理是：在懷疑有漏點的位置兩側各放置一個傳感器，接收漏點噪聲，然後確定出噪聲到達兩個傳感器的時間差。已知兩個傳感器之間的距離和聲音在管道中的傳播速度可以精確地計算出漏點位置。傳感器可安裝到幹管的閥門，或爲了提高精確度使用特製的給水栓蓋安裝到現有給水栓上，可使用計量方法初步判定漏點位置以减少所需的檢測工作量。這項技術的局限是由漏點聲音可沿管壁傳遞的距離引起的。信號在金屬管中的衰减非常小，理論上關聯信號可能傳遞幾公里。但是在塑料管道中由于管道材料的彈性，信號衰减很快，因而關聯距離有限。幹管配件很少的情况下傳感器之間的距離過長，可能不適用。在大管徑主幹管中也會因爲聲音變形而出現問題。

 

    泄漏噪聲關聯在英國很廣泛地用于水工業界的分配幹管漏點檢測。但是使用關聯器檢測主幹管系統的漏點幷不很成功。因爲其中閥門間距離過長及管徑過大。不過這項技術可以，而且有的廠商已經成功地定位大管徑主幹管的漏點，其中一個例證是MC6在中東定位到一個長1.5公里主幹管上的漏點.這套儀器廣泛應用于香港正在進行的有關坡地穩定性的評估項目。

 

5.1.4 噪聲記錄器

        噪聲記錄器是能够在環境噪聲很大的條件下工作的聲學設備。與相關儀不同，噪聲記錄器不是依賴在很短的時間間隔內到達兩個點的相同的噪聲頻率，而是在對泄漏造成的恒定噪聲源所要求的最短時間，比如兩小時內監測噪聲級。通過比較每一個噪聲記錄器記錄的噪聲和傳播水平，用戶就能够確定泄漏位置，集中精力處理這一區域。噪聲記錄器的記錄不應單個分析，而應與其他噪聲記錄器進行比較才能得到所記錄的噪聲級和噪聲傳播情况。噪聲記錄器可以用磁鐵很方便地固定在鐵質管路配件，比如閘門閥上。 最佳的有Permalog ，它比一般噪聲記錄器優勝的是全自動分析漏水、警報工能和10年電池壽命，并且可以經無線電接收訊息，不用打開閥門蓋。

 

5.1.5 地面探測雷達

        地面探測雷達以往被用來尋找埋在地下的物品，其原理是雷達能够探測到地下物質密度的變化。起初認爲這項技術可以用來探測地下由泄漏管道引起的空穴。經過進一步的發展，使得它能够探測到泄漏管道發生的振動。

 

    地面探測雷達技術需要帶著便携式設備走完主幹綫，該設備使用電脉衝確定泄漏位置。地面探測雷達設備用于探測被管道中泄漏出的水充滿的區域。當從管道傳回的脉衝頻率與工程師設定的預計頻率不同時就找到了泄漏處。它可以重新勘測區域，根據雷達數據的重復性監測到很小的泄漏。也可同時使用GIS地圖系統和全球定位系統確定泄漏的具體位置。地面探測雷達的使用範圍一般限于主幹綫，而且不是百分之百地成功。

 

5.1.6 熱成像

        供水總管的熱成像已經使用了10年左右，但直到最近才認識到熱成像可以作爲一種很有潜力的泄漏定位方法，其主要應用對象是主幹綫。研究證明在農村地區，土壤溫度、濕度水平和生物量及顔色的變化都表明有泄漏存在。可通過熱成像空中勘測，定出可能的泄漏位置，然後再進行進一步的地面核查。

 

熱成像的原理是溫度高于絕對零度（-273℃）的任何物體都會發出紅外綫，而物體發出紅外輻射的量部分取决于物體的溫度。熱成像儀能够探測到紅外輻射，然後生成輻射物體的圖像。熱成像儀生成的圖像完全由探測到的熱量構成，不含有任何可見光成分，可用于探測輕微的熱异常，比如由泄漏的管道所導致的熱异常。

 

5.2  侵入技術

5.2.1 撒哈拉方法

        “撒哈拉”泄漏定位方法目前正在英國開發，它包含一個附帶在微型降落傘上的特製配件插入管道，降落傘隨水流穿過主幹綫。根據多普勒效應的原理，當漏水檢查器經過泄漏處時探測到頻率漂移，可由此確定泄漏位置。然後降落傘收起，通過第二個特製配件將漏水檢查器從主幹綫拉出。不過這項技術存在一些機械上的問題，如在插入點使降落傘進入和拉出主幹綫的問題及降落傘不能打開等。

 

5.2.2 檢漏塊技術

        也可使用檢漏塊確定主幹綫上的泄漏位置。這是一個成套系統，被放置在管道中，在水流推動下沿管綫移動的時候收集信息。檢漏塊裏安裝一個聲音傳感器，探聽泄漏産生的噪聲，反映管道狀態。自帶電源使它一次能够連續24小時連續采集數據，勘查若干公里長的幹管。

 

5.2.3 示踪器方法

         示踪器方法是向泄漏管道注入低濃度氣體(5%氫氣/95%氮氣)。泄漏定位設備爲手提式，包含一個真空地面探頭和分離傳感器。該設備能够分辨出含量低達1ppm和每百萬1—1000顆粒的氫氣。地面探頭通過使用真空泵從地表抽吸氫氣而感應到地下泄漏。沿管綫走向每隔1米將探頭放在地面3-5秒鐘。根據注入時間地面條件的不同，注入的氣體將會從泄漏位置向外擴散，形成影響圈，泄漏位置氣體濃度達峰值。壓力超過25帕時氣體會在水中溶解，從而消除了排空大部分管道的需要。在8帕壓力下水中的氫氣/氮氣飽和，每立方米可以釋放出160升氣體，足够用于定位低至50升/小時的水泄漏。管道中無水時系統更爲敏感。示踪器方法在直徑不超過150毫米的幹管中能够令人滿意工作。

 

6.0减少泄漏

在香港，主要的泄漏檢查工作是依據摩根斯坦1996年對香港Kwon Lung Lau滑坡報告中的建議進行的。偉信（香港）有限公司于1995年接受香港房屋管理局的委托開發一個直接監測1300多個斜坡和擋土培附近居民區埋入設備的項目。在此項任務下，基于泄漏噪聲關聯。用聲音探測方法，使用通過手提式地面水下探測器定點檢漏100公里幹管。提出了一些必要的修理工作，幷建議這種泄漏評估工作應定期重復進行。香港政府的供水部和排水維修部也開展了相似的泄漏評估項目。

 

多數情况下尋找和修理是可行的，但對檢查人員檢漏時間的持續期及頻率和LCZ系統每段長度的幹管和供水管道都經常出現有規律性間隔和高壓爆裂。顯然如人力投入過高、規律性爆裂過多就應采取其他方法。將大區域分爲幾個小區域的區域優化方法的確可以减少發生爆裂的時間，因爲優化區域的檢查要快得多。但這種方法不能持續長期减小泄漏指標。如果泄漏指標很高，則應采取减壓和幹管修復等手段予以解决。

 

壓力控制是减少幹管爆裂頻率以及一旦出現爆裂時流失水量的有效措施。降低壓力還有另一個優點，可以减少LCZ中日常耗水量的總體積，從而可向用戶提供更穩定的服務。由于幹管連接及所在區域條件的限制，降低壓力幷不總是可行的，有些情况下爲了實現壓力的降低需要鋪設新幹管或改造、增大現有幹管。其他可能的限制因素還有發展高層建築，聯合供應管道和工業用戶有消防噴淋系統的要求等。

 

降低壓力主要通過兩種方法，即固定出流壓力和流動調節。固定出流的减壓閥（PRV）在一定流量範圍內提供恒定出流壓力。出流壓力的設定應能維持用水高峰期市政用水的最小需求。流動調節减壓閥生成一定範圍的出流壓力以在LCZ內一定的目標點維持恒定壓力。一般認爲25米的水頭是適當的最大目標點壓力，但實際需要可能確定出更高的值。英國的經驗表明，很多操作人員更喜歡固定出流减壓閥，因爲這種閥門成本低，安裝迅速，一般不需要太多的維護工作。但其結果是小區內夜晚的平均高于使用流動調節减壓閥的相同系統，因爲流動壓力調節可根據最小需求進行優化。

 

另外一個解决LCZ泄漏指標過高的方法是更換幹管或使用結構襯裏。標出具體的LCZ系統爆裂記錄和一個幹宇航局指示圖，可以找出泄漏指標最高的幹管。只要可能，公用事業供水部門還應同時調查水質問題和水流情况。以便盡可能實施有多種優點的方案。但如果公用事業供水部門采取刮擦和塗刷幹管的方法解决水質問題。而不便用結構襯裏或更換幹管，則泄漏指標很可能升高。成功地應用一個全面的管網系統可以保證所有這些因素都得到考慮，使得調查和建設工作都能以最有效的方式進行，幷且將中斷向用戶提供服務的情况减到最少。

 

有許多可用的結構襯裏和更換幹管技術。

結構襯裏可通過下列技術安裝；滑動襯套；下滾法；模鍛；變形法；軟襯墊；管道襯裏。

幹管更換可通過下列途徑實現：明挖；管綫爆破；定向鑽探；插鉭；管綫堵塞；棒條擠壓；管綫滾壓。管網分布的合理性必須考查。只要可能，對于管廢弃都應進行調查。有時鋪設短幹管的方案和加入附加閥也會大幅改進區域內的操作和維護。對于具體的LCZ系統，减少泄漏最適當的方案會用到幾項甚至所有這些技術。