外水測算技術在供水管網漏水檢測中的應用

蔣海磚,戴咸毅

(南寧市勘測設計院集團有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引 言

當前城市供水管網分布范圍廣且檢測難度大,傳統漏水檢測模式效率低下,成本較高,缺乏側重方向,已無法滿足城市發展建設的需求,開創一種新型高效的探漏模式迫在眉睫?？紤]到供水管漏點水流去向與排水管外水入滲密切相關[1],即可利用外水測算成果為供水管網漏水檢測提供方向,快速鎖定漏水嚴重區域,縮小檢測范圍,提高探漏效率。本文分析了當前國內外探漏技術發展概況,提出一種外水測算+供水管網漏水檢測的新模式,并重點展示其在南寧市建成區某區域供水管網漏水檢測中的實際應用成效。

1 國內外探漏技術發展概況

城市供水管線鋪設方式均為地埋式,由于道路地質災害、管材腐蝕、人為施工破壞等原因[2],供水管普遍存在漏水現象。為控制漏損率,保障供水安全,國外一些發達國家早在20世紀40年代就開展了供水管網漏損控制技術及相關設備的研究,先后成功開發了相關檢漏儀[3]、聽漏儀[4]、地質雷達[5]等高科技設備,大大提高了檢測設備的可靠性和準確性。我國城市供水管網漏水檢測工作起步較晚,在20世紀80年代才開始建立漏水檢測隊伍,其設備及檢測模式大多參照國外發達國家相關技術[6],主流檢測模式主要為“普查式”,即每次需對城市內所有供水管線進行全面檢測,從而降低城市供水管網漏損率,具體方法包含環境調查法、聽音法[7]、相關分析法[8]等。

普查式漏水檢測在近幾年城市漏損控制中的確取得了一定成效,但因其檢測效率低、成本高、無側重方向、檢測周期長等缺點,已無法滿足當前城市高速發展對供水管網漏損控制[9]的要求。

2 外水測算技術

外水測算是基于片區的用水量及排污情況,基于水量平衡和物質守恒兩種原理應用于外水量測算中,通過測算,掌握片區污水系統外來水量。

2.1 分區監測

根據城市污水匯水范圍,結合污水處理廠、一體化處理設施、泵站、雨污管網之間的相關運行關系,以及范圍內的河網水系、道路,排水口分布等實際情況,了解整個區域的水量構成,科學進行合理分區。通常將單個污水提升泵站的收水范圍劃分成一個片區。

監測內容主要為排水管網和典型地塊流量水質監測。管網流量水質監測點布設在片區污水收集系統末端以及主要分支;典型地塊流量水質監測點布設在典型地塊接入市政排水管道處。監測點布設數量及位置以滿足各片區總水量、水質濃度及水質濃度本底值計算需求為準。

2.2 基于水量平衡測算

通過收集掌握城市水務部門各片區用水量數據,按折污系數估算片區內的理論污水排放量,實際片區監測的總污水排放量與理論污水排放量的差值可估算為片區外水量,理論污水排放量的計算公式:

W=Wi×ξi

(1)

其中:Wi:實際用水量,單位m3/d;

ξi:依據《南寧市城市污水專項規劃修編》(2015—2030年),污水排放系數值取0.9;

W:污水總量為片區理論污水排放總量,單位m3/d。

由于受供水資料完整性、污水收集系統運行狀態及算法本身的局限性等因素影響,上述理論污水排放量與實際監測污水排放量差值與實際外水量存在一定誤差,但對了解各片區污水系統外水入滲的嚴重性仍有較大意義。

2.3 基于物質守恒測算

根據污水處理廠服務范圍內的典型地塊(主要考慮居民小區、經營性場所、行政事業單位等類型)水質及水量,并結合各類型地塊用水比例,加權平均得到各片區排污水質參數的基準值。再通過片區污水收集系統末端總流量及水質監測結果,根據物質守恒法計算得到片區內的理論外水量。計算公式:

Qt=Qs+Qg

(2)

QtCt=QsCs+QgCg

(3)

由式(2)和式(3)得:

式中:Qt、Ct分別為片區污水收集系統末端監測總流量(m3/d)和監測水質濃度(mg/L);

Qs、Cs分別為片區理論污水排放總量(m3/d)和污水水質濃度本底值(mg/L);

Qg、Cg分別為片區外水入滲量(m3/d)和外水水質基準值(mg/L)。

3 外水測算+供水管網漏水檢測模式

鑒于排水管外水入滲入流的主要原因之一為供水管漏損,隨著外水測算技術在國內各城市的廣泛實施[10],一種新型漏水檢測模式應運而生,即通過利用外水測算技術分析各片區外水入滲地下排水管網的嚴重性,根據分析成果鎖定優先開展供水管網漏水檢測范圍,實現快速止損,進而提高漏水檢測效率,具體操作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

4 案例展示

4.1 項目基本情況

南寧市某污水處理廠服務面積約 67 km2,設計處理規模為35萬m3/d,主要收集服務范圍內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月期間,監測污水廠進水水質濃度總體較低,疑似存在大量外水入侵等情況。

4.2 確定漏水嚴重片區

(1)監測方案

①監測點位布設

根據該污水系統范圍內的河網水系、道路、排水口分布等實際情況,將該范圍劃分為A、B、C、D、E、F六個片區,共布設末端流量水質監測點35個(A片區3個,B片區1個,C片區6個,D片區12個,E片區7個,F片區6個),典型地塊流量水質監測點24個(A片區6個,B片區1個,C片區7個,D片區2個,E片區3個,F片區5個),監測點布設情況如圖2所示。

圖2 各片區監測點布設情況示意圖

②流量監測

末端流量監測采用流量計法(選用美國ADS流量計),典型地塊流量監測采用容器法,流量監測時長為1天,流量計法監測采用連續監測取日總流量,容器法監測采用多次監測平均值換算日總流量;在同等工況下,經現場比對測試,同一個監測點采用流量計法及容器法分別進行監測,總流量偏差均在10%以內。

③水質監測

水質監測通過現場采樣送檢方式,與流量監測同步進行,檢測指標以氨氮為主。

(2)流量水質監測結果

本次監測結果數據來源于現場監測及實驗室檢測,片區末端流量監測值通過流量計直接讀取,典型地塊流量監測值則通過容器法多次監測換算得出,水質監測結果以檢測機構出具的檢測報告為準。末端流量水質監測結果如表1所示,典型地塊流量水質監測結果如表2所示。

表1 片區末端流量水質監測結果

表2 片區典型地塊流量水質監測結果

(3)基于水量平衡測算

根據城市水務公司提供的供水數據可計算理論污水排放量,數據如表3所示。經與實際監測所得污水總量對比發現:該污水廠服務范圍內A片區理論污水排放量與實際監測污水排放量相差甚遠,以約12.75萬m3/d的差值遠超其余五個片區,故推測A片區存在大量外水入滲情況。

(4)基于物質守恒測算

①污水水質濃度本底值計算

通過各類型地塊用水比例加權平均計算得出污水水質濃度本底值Cs,用于物質守恒測算外水量。片區水質本底值計算結果如表4所示。

表4 片區水質本底值計算結果

②各片區外水量測算

基于物質守恒的外水量測算公式,根據片區末端監測的流量水質數據,可測算出各片區理論外水量,數據如表5所示。六個片區測算外水總量約10.82萬m3/d,其中A片區外水量約7.20萬m3/d(占比高達66.54%),其余片區外水量合計約3.62萬m3/d(占比33.46%)。

表5 各片區物質守恒測算結果

(5)綜合分析結論

綜合上述A、B、C、D、E、F六個片區水量平衡測算及物質守恒測算結果(如圖3所示),發現A片區外水入滲情況最為突出,即屬漏水嚴重片區,故應優先開展A片區供水管網漏水檢測工作。

圖3 各片區外水入滲情況分析圖

4.3 漏水檢測結果

采用主動探漏方式對A片區(約12 km2)市政道路兩側供水管網進行漏水檢測,通過地面聽音法、閥栓聽音法、鉆孔聽音法、探地雷達法等多種技術手段對A片區供水管網進行“望、聞、問、切”,精準定位供水管漏點。累計發現漏水點149處,其中暗漏點76處,明漏點73處。漏點分布情況如圖4所示。

圖4 A片區供水管漏點分布圖

4.4 應用成效

經對A片區進行全面外水排查,共發現外水總量為5.37萬m3/d(達到物質守恒測算外水量的74.58%),其中自來水入滲水量為3.12萬m3/d,其余2.25萬m3/d水量為其他類型外水。

在水務部門修復A片區149處供水管漏點后,利用流量計、管道內窺鏡等手段對排水管自來水入滲情況進行復核,進一步驗證供水管網漏水與排水管網入滲的關聯性。經復核,供水管漏點修復后污水系統水量共減少約3.12萬m3/d(占A片區實際排查外水量58.10%),修復前后外水入滲情況對比如圖5、圖6所示。

圖5 修復前后某排水暗渠外水入滲情況對比圖(左為修復前,右為修復后)

圖6 修復前后某排水暗渠外水入滲情況對比圖(左為修復前,右為修復后)

5 結 語

外水測算+供水管網漏水檢測模式在本案例中取得了顯著成效,其實用性強,漏水檢測效率高,社會經濟效益大,是一種完全可推廣、可復制的新型漏水檢測模式。具體優勢如下:

(1)漏水檢測效率高,針對性強,縮短了檢測周期。本案例中,采用外水測算+供水管網漏水檢測模式在A片區市政道路兩側供水管網中探明的總漏點高達149處,而傳統檢測模式因無法鎖定漏水嚴重區域,需對6個片區逐一進行漏水檢測,其時間跨度長,且沒有針對性,效率低下。

(2)抓大放小,快速止損。由于地下供水管周邊土壤難以持續“消化”大量漏水,水流主要沿軟弱土層入滲至周邊排水管網或溢出地表再流入排水管網。故鎖定漏損嚴重的區域進行主動探漏,有利于快速查找漏損量較大的漏點,實現快速止損。

(3)可推廣性強。此模式不受地域限制,不僅適用于全國各地市政供水管網漏水檢測,還可應用在小區內部的供水管漏水檢測中。

(4)社會經濟效益大。該靶向制導模式有助于快速降低城市供水管網漏損率,能為管網運營機構和政府公共事業創造巨大經濟價值。