小編導(dǎo)讀
管網(wǎng)漏損是城市供水系統(tǒng)中存在的一個不容忽視的問題，近年來在國內(nèi)得到了高度重視。本期欄目鎖定全球范圍內(nèi)，在供水管網(wǎng)漏損控制方面表現(xiàn)優(yōu)異的城市——東京，通過對其在漏損率控制方面制定的策略方案、采取的先進技術(shù)以及擁有的成熟經(jīng)驗進行調(diào)研，為國內(nèi)城市的管網(wǎng)漏損控制實踐提供指導(dǎo)和參考。
作為一座高度現(xiàn)代化的國際大都市，東京憑借長期的探索和實踐，在供水管網(wǎng)漏損管理方面累積了豐富的經(jīng)驗和技術(shù)，漏損率一直處于低于5%的全球領(lǐng)先水平。為加強公民對管網(wǎng)漏損管理工作的了解和監(jiān)督，提高公民對水資源的保護意識，同時也為了便于漏損控制實踐的國際化交流，東京的水務(wù)管理部門每年都會發(fā)布相關(guān)的政府報告，介紹其在供水管網(wǎng)漏損控制方面的發(fā)展歷程、策略技術(shù)以及面臨的挑戰(zhàn)等，為整個供水行業(yè)實現(xiàn)更低的漏損率，提供依據(jù)和范本。現(xiàn)對東京的相關(guān)先進技術(shù)策略和成熟管理經(jīng)驗進行梳理和歸納，以期為國內(nèi)如北京、上海、廣州等大型城市的管網(wǎng)漏損控制實踐提供指導(dǎo)和參考。
1整體情況東京市目前的水資源供應(yīng)量約為630萬m3/d，配備發(fā)達(dá)的自來水管網(wǎng)系統(tǒng)，截至2015年總供水管道長約2.7萬公里，包括內(nèi)徑為400~2 700 mm的配水總管（distribution mains）和50~350 mm的配水支管（distribution submains）。但同時，東京的水資源較為匱乏，其中供給規(guī)模最大的利根川水系（Tone River）由于受到全球氣候變暖的影響，目前的可供水量正逐漸減少，抗旱性較差；且這些水源地的可供水量還需在東京和周邊其他縣區(qū)和城市之間進行調(diào)度分配；此外東京還是一個地震多發(fā)地，災(zāi)害發(fā)生時供水管網(wǎng)等城市基礎(chǔ)設(shè)施不可避免會遭到破壞，造成水資源的浪費。因此東京在提高用水效率和加強管網(wǎng)漏損的管理方面甚為重視，東京水務(wù)局（TBW，Tokyo Bureau of Waterworks）將著力降低管網(wǎng)泄漏納入其主要的管理方針之一。
東京的管網(wǎng)泄漏率一直處于全球領(lǐng)先水準(zhǔn)。如圖1所示，1996年東京的泄漏率為8.9%，總泄漏量為1.61億m3；到2015年該兩項數(shù)據(jù)已降至3.2%和0.5億m3。其中大部分的泄漏都是由于管道年久失修造成破裂或者腐蝕引起的。2015年記錄在案的管道修復(fù)作業(yè)共8315起，其中約97%為用戶管道（service pipes）泄漏，剩下的3%為配水管道（distribution pipes）泄漏。
圖1 1996年~2015年東京市管網(wǎng)總輸水量、總泄漏量以及泄漏率的變化情況
2管網(wǎng)防漏對策2.1計劃性的供水管道替換和管材改進有計劃地替換管道和改進管材對于減少和阻斷泄漏，防止同一點位再次發(fā)生泄漏，具有顯著效果。主要的解決方法如下。
2.1.1配水管道的替換為應(yīng)對地震等自然災(zāi)害，采用具有抗震接頭（earthquake-resistant joints，如圖2所示）的管道來替換以下的配水管道，以防止管道分離：
（1）年久管道：強度低、鋪設(shè)年限久的無內(nèi)襯鑄鐵管（cast iron pipe，采用灰口鑄鐵制成的管道，擴張強度為12.5 N/mm2，1933年停用）；
（2）早期鑄鐵管道：由球墨鑄鐵（在傳統(tǒng)鑄鐵管道中加入鎂元素，使石墨結(jié)構(gòu)呈結(jié)節(jié)狀而提高了材料的強度，擴張強度為45 N/mm2，1965年開始使用）制成的直管和高級鑄鐵（high-grade cast iron，通過改進灰口鑄鐵工藝而提高了擴張強度（25N/mm2）的鑄鐵，1933年開始使用）制成的無內(nèi)襯特殊管道配件所構(gòu)成的管道；
（3）強腐蝕軟土地面（如東京23區(qū)的東部地區(qū)）下鋪設(shè)的外部裸露（externally-uncoated）的管道；
（4）地震災(zāi)害發(fā)生時預(yù)期會發(fā)生嚴(yán)重停水的區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)的無抗震接頭的管道。
在替換工程進行的時候，優(yōu)先替換后方醫(yī)院、中央行政區(qū)、避難所、主要公交站臺等地區(qū)的供水線路。
圖2 抗震接頭結(jié)構(gòu)：（a）正常狀態(tài)；（b）地震發(fā)生狀態(tài)
2.1.2私有道路下用戶管道的整合及替換私有道路下密集分布著眾多用戶管道，也容易發(fā)生泄漏。因此TBW通過使用不銹鋼配水支管來整合和替換用戶管道，以提高用戶管網(wǎng)系統(tǒng)的堅固性和抗震性，從而減少泄漏。與此同時，在配水支管的末端設(shè)有一個排水口（drain，在管網(wǎng)施工后可用來排除鐵銹等異物），在地震災(zāi)害發(fā)生時可用于緊急供水，也可在火災(zāi)發(fā)生時用于緊急滅火。整替前后的用戶管道如圖3所示，整替對象的擴展歷程如表1所示。
圖3 私有道路下用戶管道的整合及替換
表1 私有道路下用戶管道的整替歷程
開始時間
用戶管道整替對象
1994年
鋪設(shè)有3條以上用戶管道的私有道路
2007年
鋪設(shè)有3條以上用戶管道，或安裝水表數(shù)大于15只的私有道路
2009年
安裝水表數(shù)大于10只的私有道路
2012年
安裝有3只及以上水表的私有道路
2012年開始，對于水表數(shù)少于3只的私有道路，TBW通過將路面下的PVC用戶管替換為不銹鋼管來進一步提高用戶管網(wǎng)的抗震性。
2.1.3大口徑用戶管道的抗震加固為解決75 mm以上大口徑用戶管道的老化問題，除常規(guī)的老化用戶管道替換和泄漏修復(fù)作業(yè)外，TBW自1998年開始還一直在進行大口徑管道的抗震加固（earthquake-resistance reinforcement）工作，采用具有抗震接頭的管道來替換原有管道。2007年后，對用戶管道支管至一級水龍頭（first stop cock）之間的大口徑管道抗震性均進行了系統(tǒng)的抗震加固工作。該項目于2014年竣工。
2.1.4避難所及其他公共設(shè)施內(nèi)用戶管道的抗震加固地震等災(zāi)難發(fā)生時，避難所成為大部分人群暫待的活動場所，公交要站也成為大量乘客的滯留地，這些地區(qū)需要保障穩(wěn)定安全的水源供給。因此對于一些被設(shè)計為臨時避難所的場地，TBW一直在進行用戶管道及水表等的抗震加固建設(shè)。
2.1.5用戶管道管材的改進TBW曾經(jīng)使用容易施工的鉛管作為用戶管道，但由于鉛強度低且易腐蝕，很容易發(fā)生水管泄漏。因此1980年，TBW開始棄用鉛管，而改用強度和抗腐蝕性更佳的不銹鋼管來鋪設(shè)公共道路下的新用戶管。1982年起，根據(jù)管網(wǎng)防漏工程的要求，TBW采用不銹鋼管逐步對鉛制用戶管進行替換。
1992年新的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)開始實施，對鉛的濃度要求更加嚴(yán)格（小于0.05 mg/L）；同時計劃到2002年，飲用水中鉛的濃度必須低于0.01 mg/L。因此除了繼續(xù)積極推進不銹鋼管在長距離用戶管道鋪設(shè)中的使用外，TBW也加大了管材改進工作的力度。1992年，除修復(fù)作業(yè)外，TBW禁止了鉛管的使用；1995年鉛管的使用受到全面禁止；1998年，TBW引入了可施工性和抗震性都更加出色的波紋不銹鋼管（corrugated stainlesssteel pipes），如圖4所示；同時將用戶管道替換的范圍從以往的配水支管的分支部分至住宅區(qū)域內(nèi)的一級水龍頭，延伸至住宅區(qū)域內(nèi)的水表，如圖5所示。
2000年，TBW擬定了一項計劃，要求分批次將公有和私有道路下至住宅區(qū)水表處的鉛管全部替換掉。到2006年為止，TBW已替換了私有道路至住宅區(qū)水表處的絕大部分鉛管。2007年后的例行巡檢中，逐步完成私有道路下和住宅區(qū)域內(nèi)尚存鉛管的替換工作。
圖4 波紋不銹鋼
圖5 配水管道、用戶管道、一級水龍頭以及住宅區(qū)水表示意圖
2.2泄漏的初期檢測和修復(fù)TBW通過計劃作業(yè)（planned work）和移動作業(yè)（mobile work），來預(yù)查地上和地下的早期管網(wǎng)泄漏，并及時進行管道修復(fù)工作。為更好地利用有限的水資源，除一些特殊情況外，住宅區(qū)水表前的一段用戶管道在進行維修時也是免費的。
2.2.1計劃作業(yè)自1913年開始，東京23區(qū)就已經(jīng)展開有計劃的泄漏預(yù)防工作。TBW將地下遍布成網(wǎng)狀的配水支管，根據(jù)一定長度劃分成不同的區(qū)塊（blocks），并對每一個區(qū)塊進行有計劃的泄漏調(diào)查研究，內(nèi)容包括例行巡檢（patrolwork）、泄漏量測算（leakage volumemeasurement work）以及震后泄漏排查（leakage investigation and measurementwork）。
（1）例行巡檢
巡檢工作內(nèi)容包括：a）對目標(biāo)區(qū)塊內(nèi)每一用戶單位的水管泄漏情況進行獨立調(diào)查，通過用戶水表上附著的聽漏棒（leakagesound detection bar，如圖6所示）判斷該處用戶管道是否存在泄漏（詳見3.2.1）；b）采用電子泄漏測漏器（electronicleakage detector，如圖7所示）在路面上識別地下水管的泄漏情況（詳見3.2.2），檢測通常在夜間進行，此時路面上的車輛較少，干擾小。
巡檢目標(biāo)區(qū)塊的選擇，具體是由其以前的維修情況、泄漏情況以及區(qū)塊內(nèi)剩余的鉛管數(shù)量綜合決定的。
圖6 聽漏棒
圖7 電子泄漏測漏器
（2）泄漏量測算
為估算整個東京市區(qū)的泄漏量，了解泄漏的趨勢，TBW需進行泄漏量測算工作。由于城區(qū)用水晝夜不停，為使得泄漏量的測算數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確，TBW采用最小夜間流量測漏法（minimum night flow measurementmethod）來測算目標(biāo)區(qū)塊的泄漏量（詳見3.1）?；谧詠硭M現(xiàn)狀建模分析的理論結(jié)果，以及考慮了引入用戶數(shù)量和管網(wǎng)特征后的動態(tài)模擬結(jié)果，TBW只測定300~400只自來水龍頭的流量，因此需要盡量縮小每個區(qū)塊的樣本規(guī)模來測定樣本的夜間最小（泄漏）流量。通過對每一區(qū)塊的泄漏量進行估算，就能夠得到整個東京的自來水泄漏量。
（3）震后泄漏排查
震后泄漏排查自2010年開始實行。地震災(zāi)害發(fā)生時，為最大程度避免斷水情況的發(fā)生，快速恢復(fù)供水設(shè)施的正常運行，將地震帶來的損失和危險最小化，需確保供水主管的排氣閥能夠穩(wěn)定工作，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量避免使用因地震損毀的供水管道，改用完好的供水管道來盡快確保供水線的路暢通運行，使自來水能盡可能多地從供水主管流入支管，從而盡可能擴大供水范圍。
該泄漏排查工作是針對地震的應(yīng)急措施，如圖8所示，即在確保供水主管上的排氣閥功能完好的情況下，對支管水閥進行一系列操作，關(guān)閉受到破壞的供水支管，并盡可能使完好的支管保持暢通，逐步修復(fù)并擴大供水服務(wù)區(qū)域，以保證供水線路的完整。TBW將根據(jù)泄漏水量的大小來對整個供水區(qū)域進行有序的泄漏排查，并逐一修復(fù)所發(fā)現(xiàn)的泄漏點。這些數(shù)據(jù)也將有助于泄漏量測算工作的進行。
圖8 震后泄漏排查工作示意圖
2.2.2移動作業(yè)移動作業(yè)是指當(dāng)用戶報告地上泄漏事件后，通過人工巡查或其他的方式來對泄漏進行修復(fù)。該工作由現(xiàn)場管理部門（field management offices）執(zhí)行。作為TBW的分部門，該部門的員工和對應(yīng)的承包單位需一天24小時待命，以防泄漏的發(fā)生。
2.3高水準(zhǔn)泄漏預(yù)防技術(shù)的開發(fā)和傳承在大量經(jīng)驗豐富的工人面臨退休的背景下，如何繼續(xù)維持低漏損率，穩(wěn)健提高供水效率，是TBW將要應(yīng)對的挑戰(zhàn)之一。為此TBW投入了大量精力，包括組織培訓(xùn)傳承漏損控制技術(shù)、工程技術(shù)開發(fā)以及人力資源開發(fā)等方面。
2.3.1培訓(xùn)和技術(shù)發(fā)展中心2005年TBW成立了培訓(xùn)和技術(shù)發(fā)展中心（Trainingand Technical Development Center），下設(shè)培訓(xùn)部和發(fā)展部，共同確保技術(shù)的不斷傳承以及員工能力的不斷提升，以應(yīng)對當(dāng)前多樣化的需求，更加穩(wěn)定地為用戶提供安全可靠的飲用水。
中心擁有管道試驗基地，配備各種專業(yè)設(shè)備，并能模擬真實情景，讓培訓(xùn)員工進行管道操作相關(guān)試驗，以解決各種可能出現(xiàn)的問題。除訓(xùn)練TBW自己的員工外，中心還承接鄰近省市以及海外水務(wù)公司員工的相關(guān)培訓(xùn)。
2.3.2技術(shù)專家和高級管道工的委派和認(rèn)證許多具備豐富經(jīng)驗和專業(yè)技術(shù)的TBW員工（不僅僅是在管網(wǎng)防漏方面）目前正面臨退休，這對于技術(shù)的傳承非常不利。因此TBW成立了“東京水務(wù)工人-技術(shù)專家項目”（Tokyo Water Workers-TechnologyExperts Program），在培訓(xùn)和技術(shù)發(fā)展中心設(shè)立防漏相關(guān)的培訓(xùn)課程，招募有經(jīng)驗的老員工作為技術(shù)專家來為后輩員工提供指導(dǎo)。
此外，TBW還將晦澀的知識和經(jīng)驗進行整理，并通過多媒體的形式進行可視化，上傳至共享網(wǎng)絡(luò)，提高了防漏技術(shù)的可傳承性。
對于管道施工建設(shè)中一些特別優(yōu)秀的管道工人，TBW認(rèn)可其為“高級管道工”（super plumbers），這不僅有利于防漏技術(shù)的傳承，而且對于提高水管施工技術(shù)和工人的積極性都具有重要意義。
2.3.3防漏控制設(shè)備、技術(shù)以及數(shù)據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)TBW同其他公司合作開發(fā)了一系列防漏控制相關(guān)的設(shè)備和技術(shù)，可根據(jù)不同的施工要求和作業(yè)場合，選擇合適的設(shè)備和技術(shù)進行靈活操作，部分如表2所示。
表2 TBW研發(fā)的防漏控制相關(guān)設(shè)備和技術(shù)
設(shè)備/技術(shù)
介紹
冷凍法
用液態(tài)空氣凍結(jié)管道內(nèi)的水來停止水流，以進行管道修復(fù)
泄漏電子探測器
采用電學(xué)方法在地面上探查泄漏噪聲
便攜式最小流量計
用于最小夜間流量測漏法
對比型泄漏檢測器
對管道兩端測得的泄漏噪聲進行處理，來定位準(zhǔn)確的泄漏位置
地下雷達(dá)
向地下發(fā)射電磁波，考察地下的環(huán)境條件
時間積分型泄漏檢測器
利用泄漏噪聲的連續(xù)性，探查泄漏是否存在
傳播型泄漏檢測器
向水管中注入氦氣，檢測從泄漏點釋放出的氦氣，以定位泄漏點位置
此外，TBW還開發(fā)建設(shè)了防漏施工建設(shè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（leakage preventionconstruction system），采用計算機化的系統(tǒng)來記錄所有的泄漏修復(fù)工作（泄漏原因和實際修復(fù)作業(yè)的細(xì)節(jié)等），并計算所投入的成本。目前系統(tǒng)處理的信息包括：
（1）接收防漏工作的相關(guān)數(shù)據(jù)；
（2）計算泄漏修復(fù)、管材改進等的施工成本；
（3）對泄漏原因、工作內(nèi)容及施工進度進行總結(jié)并作概要。
通過計算機處理得到的數(shù)據(jù)可有效地用于下一財年的預(yù)算編制，并據(jù)此制定長期計劃、挑選計劃作業(yè)區(qū)塊以及計算泄漏量等，對于防漏措施的有效執(zhí)行意義重大。
3泄漏檢測方法TW目前有兩種類型的泄漏檢測方式：一種是根據(jù)管道的修護狀況以及之前的泄漏情況，選擇目標(biāo)管道進行泄漏量的探查（最小夜間流量法）；另一種是通過聲學(xué)方法（漏聲檢測法、對比型泄漏檢測法以及時間積分型泄漏檢測法等）以及化學(xué)方法（傳播型泄漏檢測法）等來發(fā)現(xiàn)泄漏的存在和定位泄漏的位置。
3.1最小夜間流量法最小夜間流量法是通過測定目標(biāo)區(qū)塊的夜間閑時用水量來檢測泄漏，方法原理如圖9所示。首先將目標(biāo)區(qū)塊周邊的閘閥關(guān)閉，阻斷與其他區(qū)塊的水路連通；隨后使水流通過設(shè)置在水表處的最小流量檢測設(shè)備進入目標(biāo)區(qū)塊，并測量不同時段內(nèi)的水流流量；在夜間管網(wǎng)閑置期測得的最小流量（此時可假定用戶的用水量為零）即可認(rèn)為是泄漏造成的，可通過其計算該區(qū)塊內(nèi)的泄漏量。
最小夜間流量法所使用的高精度最小流量計如圖10所示。
圖9 最小夜間流量法原理圖
圖10 最小流量計
3.2漏聲檢測法由于泄漏會產(chǎn)生具有一定特征的聲音信號，有經(jīng)驗的檢測人員可采用漏聲檢測法（acoustic leakage detection method），通過聽漏棒或電子泄漏檢測器來檢測泄漏是否存在，如圖11所示。
圖11 漏聲檢測法（左為聽漏棒，右為電子泄漏檢測器）
3.2.1聽漏棒聽漏棒的使用方法如下：檢測人員先將聽漏棒的末端緊貼在水表、閘閥或者消防栓上，然后將耳朵靠在聽漏棒另一端的震動膜片上，辨識泄漏處傳輸過來的聲音。但是聽漏棒只能用來判斷該處附近是否存在泄漏，不能準(zhǔn)確定位泄漏點的位置。
3.2.2電子泄漏檢測器電子泄漏檢測器的的使用方法如下：檢測人員將檢測器置于地面上，檢測器將檢測到的泄漏聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后信號通過放大器放大，傳輸?shù)蕉鷻C，被人耳接收。檢測器是可移動的，在泄漏點正上方的聲音信號最為強烈，由此可準(zhǔn)確定位泄漏點的位置。
3.3對比泄漏檢測法對比泄漏檢測法（correlative leakage detection method）也可定位泄漏點的位置，如圖12所示。首先將感應(yīng)器置于管道的兩端（管道暴露在地面的部分，如閘閥、消防栓等），然后使用對比泄漏檢測器得到泄漏噪聲傳播到兩端的時間差，通過計算時間差、感應(yīng)器距離以及泄漏噪聲在管道內(nèi)的傳播速度，便可得到泄漏點在管道中的位置。該方法的優(yōu)勢是可直接檢測泄漏噪聲在管道中的傳播，因此城市背景噪聲以及管道深度對檢測過程的影響較小。
La=(L-Tm×C)/2；L：A、B兩點之間的距離；Tm：泄漏噪聲傳播時間差
C：聲音在管道中的傳播速度
圖12 對比泄漏檢測法原理圖
3.4時間積分型泄漏檢測法時間積分型泄漏檢測法（time integral type leakage detector）利用泄漏噪聲在時間上具有連續(xù)性的特點，在用戶水表箱處裸露的用戶管道上安裝感應(yīng)器，通過檢測一段時間（1~5 s）內(nèi)傳播過來的泄漏噪聲來識別泄漏，如圖13所示。該方法受管網(wǎng)本身的間歇性噪聲及交通噪聲的影響很小，而且對操作經(jīng)驗無特別需求。
圖13 時間積分型泄漏檢測器
3.5傳播型泄漏檢測法將化學(xué)惰性氣體氦氣同水蒸氣或空氣混合，注入管道中，利用檢測器檢測從管道中泄漏并通過土壤滲透出地面來的氦氣，這便是傳播型泄漏檢測法（transmission type leakage detector）的工作原理，如圖14所示。由于該方法非聲學(xué)方法，因此可檢測泄漏量非常小的管道泄漏，以及填埋較深的配水總管等管道的泄漏。
圖14 傳播型泄漏檢測器
3.6其他方法與設(shè)備
（a）金屬管定位器
（b）水錘發(fā)生器
圖15 其他設(shè)備
4結(jié)論東京領(lǐng)先的漏損控制水平，是通過系統(tǒng)全面的漏損檢查、科學(xué)合理的策略制定、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)轿坏墓こ虒嵤┮约俺墒旖∪娜瞬艃浜团嘤?xùn)機制實現(xiàn)的。東京在漏損控制上取得的成果，說明了漏損控制工作并非一蹴而就，也非通過某一方面的局部工作就能夠?qū)崿F(xiàn)漏損率的大幅度削減，這必將是一個漫長而系統(tǒng)的工程，須實現(xiàn)從決策布局到工程實施再到后期維護的各個階段的突破，才能取得一定的成果。
編輯札記
針對我國城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損情況普遍且嚴(yán)重的實情，《凈水技術(shù)》雜志社從2017年一季度起開始著手調(diào)研大量國外各城市的漏損數(shù)據(jù)。但由于文獻來源復(fù)雜且專業(yè)度不一，難免有部分?jǐn)?shù)據(jù)存在偏差，還請諒解。期待通過類似的最新情報匯編，以饗讀者，減少一線技術(shù)人員檢索文獻、翻譯文獻的工作量。
凈水技術(shù)
WPT
《凈水技術(shù)》雜志是面向廣大市政給排水、工業(yè)水處理、建筑給排水和水環(huán)境治理等行業(yè)，以宏觀綜述、理論研究、應(yīng)用經(jīng)驗、工程案例和工程信息為主要報道內(nèi)容的核心期刊。
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