供水管道漏损预测模型研究

张宏伟¹，牛志广¹，陈超¹，洪霞²
(1.天津大学环境工程系，天津300072；2.天津市自来水集团有限公司芥园水厂，天津300121)

　　摘　要：根据某市供水管网漏损数据的大量统计，应用多元线性回归分析理论，通过供水管道漏损原因相关分析，对供水管道投入使用后产生漏损的初始时间进行了科学预测，建立了供水管道漏损预测模型。该方法为改变供水行业被动式的漏损管理模式，对管道漏损做到早预防、早解决提供了一个新的思路。
　　关键词：给水管道；漏损；预测模型
　　中图分类号：TU991.36
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2001)06-0007-03

Study on the Prediction Model for Water Supply Net Leakage

ZHANG Hong-wei1，NIU Zhi-guang1，CHEN Chao1，HONG Xia2

(1.Dep.of Environ.Eng.,Tianjin Univ.,Tianjin 300072,China;2.Jieyuan Water Works,Tianjin Water Supply Group Corp.Ltd.,Tianjin 300121,China)

　　Abstract：In accordance with a large amount of statistical data on a city’s water supply
net leakage,the prediction was made for the initial leakage time after the supply net came into use,and a prediction model was set up for the leakage by means of the multi-linear regress analysis and the analysis on the factors due to leakage.It will contribute to the change of passive management mode in water supply industry,so that the leakage may be prevented and controlled as early as possible.
　　Keywords:water supply net;leakage;prediction model

　　城市供水管网在使用一定时间后，往往会因各种因素而发生泄漏问题。泄漏不仅使得宝贵的水资源大量浪费，也会影响供水管网的安全可靠性，泄漏还会对管道基础造成损坏，使管道及其他地下公用设施遭到破坏。
　　目前国内外对供水管网泄漏问题均采用被动的解决方法，即寻求先进的仪器和方法进行检漏，采取有效措施对漏水管道进行更新或修缮等，对管网漏损的预防也仅是从合理进行管网运行调度、降低管道供水压力角度考虑。笔者通过对城市供水管网大量的泄漏统计资料分析发现，任何管材在一定管网条件下，在产生泄漏前均有一个安全的使用年限，超过这个年限后，管道往往会由种种原因而发生泄漏。通过对城市供水管网中不同管材初始产生漏损资料进行统计分析，可提出不同材质的供水管道漏损预测模型。

1　给水管道漏水原因分析［1、2］

　　导致给水管道漏水的因素较多，即使是一处漏水或爆管，也可能是几方面的因素共同作用的结果。但归结起来，主要有以下几个方面：
1.1管材问题
　　我国城市给水管道目前使用的管材有灰口铸铁管、预应力钢筋混凝土管、钢管、石棉水泥管、塑料管和球墨铸铁管等。某市两年间各种管材破损情况如表1所示，由此可看出灰口铸铁管破损比例最大。

表1　管材破损情况分析 表 管材 灰口铸铁管 塑料管 钢管 球墨铸铁管 石棉管 其他 破损数 498 20 4 8 1 4

1.2管道接口问题
　　管网中的管段在力学上相当于一根很长的承重梁，因管道不均匀沉降，造成承口处产生弯距
和剪力过大，在接口柔性不够的情况下，即发生口漏，严重的会导致爆管。
1.3温度变化的影响
　　由于管内的水温和管外的土壤温度随季节变化，使管道本身也随温度的变化而发生伸缩变化，因而在管壁上产生相应的轴向应力。由虎克定律可知，冬天管道受轴向拉应力，夏天管道受到轴向压应力，而管道的抗压强度均大于抗拉强度，因而管网冬天漏损比夏天多。
1.4沉降及荷载的影响
　　由于地质环境差异、基础设置差异、管道的自重、管内的水重及管道上覆土的重量等因素作用，导致整条管道必将产生不均匀沉降。管道埋设深度过浅或车辆荷载过重都将增加对管道的动荷载，而这些不均匀沉降和动荷载都会导致管道发生漏损。
1.5施工质量的原因
　　管道沟底不平而导致管道的不均匀沉降和接口施工不当均可造成管道泄漏。
1.6管网运行压力过大
　　管网运行压力对管道破坏造成的漏水与爆管机率随压力的增大而增加。
1.7管道的腐蚀问题
　　因出厂的水中需保持一定的余氯，故对铸铁管和钢管易发生腐蚀。同时，由于管道周边土壤环境中的电腐蚀等因素也会造成铸铁管和钢管发生腐蚀，而腐蚀使管壁变薄、强度降低，增加漏水机率和爆管的可能性。

2　管道漏损预测模型

2.1管道漏损预测模型变量相关性分析
　　供水管道在使用一定年限后，就有可能发生漏损，虽然漏损产生原因众多，但可以把每一个可能导致管道产生漏损的原因(人为损坏和外界偶发因素导致的损坏除外)作为一个自变量，将管道漏损事件作为因变量。为简化研究，将每一个导致管道产生漏损的原因与管道漏损事件设定为线性关系，从而可通过线性相关分析来研究各个自变量与因变量间线性关系的程度。
　　按不同管材，将华北某市连续几年的漏损事件与导致漏损产生的原因采用Pearson积矩相关公式进行相关分析：

　　

　　式中　xi ——第x种可导致漏损原因变量第i年导致漏损事件的记录值
　　　　　x——第x种可导致漏损原因变量n年导致漏损事件记录的年平均值
　　　　　yi——第i年管道发生漏损事件的记录值
　　　　　y——n年管道发生漏损记录的年平均值
　　　　　rxy——相关系数，其值在-1～1之间
　　式(1)中，相关系数rxy绝对值的大小反映出两变量间相关性的程度，其绝对值越大，两变量间的相关性越好，正负号则表示因变量y随着自变量x的增减变化，即变化方向是否一致。
　　依据华北某市灰口铸铁管漏损事件及原因分析记录，用式(1)分别进行各漏损原因及漏损事件相关性分析，相关系数如表2所示。

表2　漏损原因与管网漏损事件相关系数 表 漏损原因 接口 温度 埋深 施工质量 运行压力 管道腐蚀 管径 相关系数 0.608 0.146 -0.665 0.000 -0.693 0.346 -0.433

　　由表2可看出，对灰口铸铁管而言，管道接口、管道埋深、管网运行压力及管径与管道漏损事件相关性较好，即它们是导致漏损事件产生的主要原因。温度、腐蚀和施工质量则对管道漏损事件相关性较差，为便于计算，将管网施工质量和温度等影响因素用一个回归常系数表达，并把管道腐蚀和接口归结为管材问题，因此可确定灰口铸铁管漏损预测模型主要变量为管道埋深、管网运行压力和管径。
2.2管道漏损预测模型建立
　　根据管道漏损原因相关性分析结果，并结合自来水公司现行管理状况，在设定管道漏损原因与管道投入使用后产生漏损事件为线性关系的条件下，以灰口铸铁管为例，可提出供水管道漏损预测模型：

T＝β₀+β₁P+β₂H+β₃D　　　　　　　　　　　(2)

　　式中　　P——管道运行压力，Pa
　　　　　　H——管道埋深，m
　　　　　　D——管径，mm
　　　　　　T——管道投入使用后首次产生漏损时间
　　　　　　β₀、β₁、β₂、β₃——回归系数
　　若对某一特定管网灰口铸铁管连续n年的漏损事件记录进行采集并带入式(2)得：

　　T_i＝β₀+β₁P_i+β₂H_i+β₃D_i

　　i＝1，2，3…n　　　　　　　　(3)

　　式(3)用矩阵表示为：

　　

　　对式(3)采用多元线性回归方法，可确定式(3)中变量系数β₀、β₁、β₂、β₃，从而可建立起该管网灰口铸铁管管道漏损预测模型。

3　实例考核

　　结合某市的给水管网漏损管理信息系统，借助使用SPSS(Statistical Package for the Social Science)软件包，利用Fortran 90 专业计算软件进行检验，以灰口铸铁管漏损资料为依据，可建立该管网灰口铸铁管管道漏损预测模型：

　　T＝9 630.16-0.091 2P-1 016.8H-0.07D　　(5)

　　以该市大沽路与承德道口发生管道漏水实例检验，管道资料如下：
　　投入使用时间：1979年6月8日
　　漏水发现时间：1996年1月19日
　　管道直径：DN600
　　埋深情况：1.3 m
　　管道压力：19.6 kPa将上述资料代入式(5)，预计管道安全使用时间T为：
　　　　　　T＝9630.16-(0.091 2×1.96×10⁴)-(1016.8×1.3)-(0.77×600)
　　　　　　 ＝6057.66(d)
　　实际安全使用时间Ts为：
　　　　　　Ts＝漏水发现日期-投入使用时间＝1996年1月19日-1979年6月8日
　　　　　　　＝6043(d)

4　结论

　　城市供水管网的漏损是各个自来水公司面对的一个复杂问题，供水管道泄漏预测模型的建立完全可以将城市供水管网的泄漏问题由被动转化为主动，它为解决供水管网漏损研究提供了一个新的思路。根据预测结果，可提前安排对有关管道的维修，还可结合供水管网的改造或扩建，考虑提前更换一些预测可能将要漏损的管道，从而可把给水管网的改造或扩建与管网泄漏防治结合起来，达到泄漏问题的短期治理与长期防治相结合的双重目的。

参考文献：

　　［1］赵乱成.给水管道损坏的主要原因和对策［J］.给水排水，1997，23(12)：55-58.
　　［2］杨传根.试论小城镇供水管网的漏水及防治［J］.给水排水，1995，21(6)：38-39.

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　　作者简介：张宏伟(1956-)，男，汉族，河南洛阳人，天津大学环境工程系教授，研究方向为给排水设计优化。
　　电　　话：(022)27408658
　　收稿日期：2001-03-06