鄧媛媛 高 霖 王明振

(重慶文理學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 402160)

·水·暖·電·

我國(guó)西南地區(qū)城市供水管網(wǎng)漏損分析及控制研究★

鄧媛媛 高 霖*王明振

(重慶文理學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 402160)

城市供水管網(wǎng)是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。以我國(guó)西南地區(qū)城市管網(wǎng)漏損現(xiàn)狀為研究對(duì)象，結(jié)合近九年的西南地區(qū)供水管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，采用MATLAB軟件，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)回歸法，對(duì)影響供水管網(wǎng)的五大因素包括年代、管網(wǎng)密度、管徑、管材、管網(wǎng)壓力進(jìn)行分析并建立西南地區(qū)城市供水管網(wǎng)漏損估計(jì)模型。根據(jù)所建立的模型，提出降低我國(guó)城市供水管網(wǎng)漏損的意見(jiàn)和建議。

西南地區(qū)，供水管網(wǎng)，漏損，統(tǒng)計(jì)回歸，MATLAB

0 引言

水乃生命之源。供水管網(wǎng)作為運(yùn)輸水的載體，必然承擔(dān)著不可小覷的作用。但是在我國(guó)很多地區(qū)均存在著較為嚴(yán)重的供水管網(wǎng)漏損現(xiàn)象。供水管網(wǎng)漏損不僅浪費(fèi)了可貴的水資源，還嚴(yán)重的影響了整個(gè)供水系統(tǒng)的正常工作，從而造成很多不必要的損失。引起城市缺水的主要原因除水資源本身的匱乏、水質(zhì)污染以及人們節(jié)水意識(shí)不強(qiáng)等，城市供水管網(wǎng)的漏損也是造成城市缺水的主要原因。

大部分發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)管網(wǎng)漏損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)重視，漏損檢測(cè)技術(shù)和其他科學(xué)技術(shù)一樣，也存在著一個(gè)發(fā)展的過(guò)程[1,2]。而此項(xiàng)工作在發(fā)展中國(guó)家也同樣受到了足夠的重視。2015年3月5日，國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)在談到“協(xié)調(diào)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化”時(shí)強(qiáng)調(diào)，要推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化取得新突破，提升城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)水平，加強(qiáng)城市供水、供氣、供電等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

早在2002年，建設(shè)部就已發(fā)布了《城市供水管網(wǎng)漏損控制和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[3]，其中規(guī)定：“我國(guó)自來(lái)水業(yè)的管網(wǎng)漏損率不能超過(guò)12%，并且強(qiáng)制性要求必須嚴(yán)格執(zhí)行”。2005年出版的建設(shè)部文件《城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》以貫徹科學(xué)的發(fā)展觀為城市供水行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提出了更高的要求：堅(jiān)持以人為本，就必須不斷提高城市供水水質(zhì)，保證人民群眾的飲水安全；建設(shè)和諧社會(huì)，就必須統(tǒng)籌城市供水技術(shù)進(jìn)步與全面發(fā)展。文件要求：城市供水管網(wǎng)漏損率，到2010年應(yīng)不大于12%，到2020年大中城市的管網(wǎng)漏損率應(yīng)控制在10%以下，城市供水管網(wǎng)漏水搶修及時(shí)率達(dá)到96%以上。

缺水問(wèn)題制約著我國(guó)城市的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步以及人民生活水平的提高[4]。近二十年內(nèi)，為了滿足人們的生活需求、適應(yīng)城市的發(fā)展，增建了許多供水管網(wǎng)，更換了大量應(yīng)被淘汰的管道，但仍有部分應(yīng)該被淘汰的管道還在繼續(xù)超負(fù)荷的使用和運(yùn)行，導(dǎo)致我國(guó)城市供水管網(wǎng)漏損問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)一些城市水資源的漏損率竟達(dá)到30%[6]。我國(guó)西南地區(qū)又屬于季節(jié)性嚴(yán)重缺水的地區(qū)。綜上可看出對(duì)供水管網(wǎng)漏損現(xiàn)狀進(jìn)行分析并提出行之有效的控制措施是刻不容緩的。因此，本文針對(duì)我國(guó)西南地區(qū)供水管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)基本數(shù)據(jù)采用MATLAB軟件建立供水管網(wǎng)漏損模型，利用模型對(duì)西南地區(qū)供水管網(wǎng)整體狀況進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)其做出相應(yīng)的控制，從而減少供水管網(wǎng)的漏損。

1 西南地區(qū)供水管網(wǎng)漏損數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

本文主要研究管道自身特性對(duì)管網(wǎng)漏損的影響，其他外界因素，例如天氣、溫度等不作為研究考慮對(duì)象。收集了2007年—2015年我國(guó)西南地區(qū)，即重慶、四川、貴州、云南、西藏這五個(gè)省市的城市供水系統(tǒng)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[7]?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括使用年代、管網(wǎng)密度、管徑、管道材質(zhì)、管網(wǎng)壓力以及漏損量，其中管道材質(zhì)又分為球墨鑄鐵管、鋼管、鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、塑料管、石棉水泥管等，以便進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)分析。

1.1數(shù)據(jù)的收集

在收集的西南地區(qū)各年份對(duì)應(yīng)的各地區(qū)數(shù)據(jù)中，以2015年貴州省部分地區(qū)原始數(shù)據(jù)為例，列于表1中。

表1 2015年貴州省部分地區(qū)原始數(shù)據(jù)

1.2數(shù)據(jù)的處理

經(jīng)初步分析得出漏損總量與管道特性因素之間存在線性關(guān)系的結(jié)論，將按照年份的先后順序?qū)?shù)據(jù)歸總至一起。將管網(wǎng)特性分為五大類(lèi)：使用年代、管網(wǎng)密度、管徑、管道材質(zhì)和管網(wǎng)壓力。其中，管網(wǎng)密度和管網(wǎng)壓力項(xiàng)缺少數(shù)據(jù)的城市直接剔除。而管道材質(zhì)中又分為球墨鑄鐵管、鋼管、鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、塑料管、石棉水泥管以及其他管材，若這幾項(xiàng)中個(gè)別項(xiàng)缺少數(shù)據(jù)則默認(rèn)數(shù)據(jù)為0，若全部管道材質(zhì)項(xiàng)缺少數(shù)據(jù)則剔除該城市。管道長(zhǎng)度分為管徑75 mm以上的管道長(zhǎng)度和管徑不大于75 mm的管道長(zhǎng)度，由于原始數(shù)據(jù)中管道長(zhǎng)度項(xiàng)中只有合計(jì)項(xiàng)與管徑75 mm以上的管道長(zhǎng)度項(xiàng)，則通過(guò)計(jì)算得出管徑不大于75 mm的管道長(zhǎng)度值。最終得到全部的有效、可用數(shù)據(jù)。將部分?jǐn)?shù)據(jù)列于表2，以便保證建模過(guò)程中數(shù)據(jù)的可靠性。

2 管網(wǎng)漏損模型構(gòu)建

表2 數(shù)據(jù)處理后的部分有效數(shù)據(jù)

2.1多元線性回歸的方法

供水管網(wǎng)的漏損與管道自身的特性有一定的關(guān)聯(lián)，通過(guò)分析所收集的西南地區(qū)9年的管網(wǎng)漏損數(shù)據(jù)，得出漏損與管道特性因素之間存在線性關(guān)系。

在回歸分析中，多元回歸由多個(gè)自變量的最佳組合來(lái)共同預(yù)測(cè)或估計(jì)因變量，比只用一個(gè)自變量進(jìn)行預(yù)測(cè)或估計(jì)更加可靠和有效，并符合實(shí)際情況。

多元線性回歸模型的一般形式為：

Yi=β0+β1X1i+β2X2i+…+βkXki+ui(i=1,2,…,n)

(1)

式中：k——解釋變量的數(shù)目；

βk——回歸系數(shù)；

Xki——各個(gè)影響因素。

式(1)為總體回歸函數(shù)的隨機(jī)表達(dá)式，它的非隨機(jī)表達(dá)式為：

Yi=β0+β1X1i+β2X2i+…+βkXki(i=1,2,…,n)

(2)

其中，βj為偏回歸系數(shù)。

多元線性回歸采用的方法是直接回歸方法。由于數(shù)據(jù)量大，采用MATLAB數(shù)學(xué)運(yùn)算軟件直接進(jìn)行多元線性回歸，其主要步驟如下：

1)b=regress(Y,X)，確定回歸系數(shù)的點(diǎn)估計(jì)值。其中，Y為漏損總量n×1的矩陣；X依次為管齡、管網(wǎng)密度、管徑、管道材質(zhì)及管網(wǎng)壓力(ones(n,1),X1,…,Xm)的矩陣。

2)[b,bint,r,rint,stats]=regress(Y,X)，求回歸系數(shù)的點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)，并檢驗(yàn)回歸模型。

其中，b為回歸系數(shù)；bint為回歸系數(shù)的區(qū)間估計(jì)；r為殘差；rint為殘差置信區(qū)間；stats為檢驗(yàn)回歸模型的統(tǒng)計(jì)量。

3)求出殘差以及其置信區(qū)間：rcoplot(r,rint)。

4)回歸系數(shù)越大，殘差越小，則表明自變量與因變量之間的線性關(guān)系越顯著。

2.2模型的建立

1)對(duì)缺少數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除；

2)MATLAB中新建變量x和y，復(fù)制數(shù)據(jù)，新建x矩陣，新建y矩陣，在命令行中輸入以下命令：

>>[b,bint,r,rint,stats]=regress(Y,X)；

>>b,bint,stats

>>rcoplot(r,rint)

3)在得到的置信區(qū)間圖中，紅色部分表示數(shù)據(jù)偏離較多，則將這些數(shù)據(jù)剔除，再重新擬合一次。重新擬合后的數(shù)據(jù)線性關(guān)系效果更顯著。

由分析可知，利用使用年代、管網(wǎng)密度、管徑、管道材質(zhì)、管網(wǎng)壓力等因素作為模型的回歸項(xiàng)。建立的模型設(shè)有12個(gè)自變量分為五大類(lèi)：使用年代、管網(wǎng)密度、管徑、管道材質(zhì)、管網(wǎng)壓力，因變量為管網(wǎng)漏損量。運(yùn)用MATLAB軟件得出各自的回歸系數(shù)。最終建立的供水管網(wǎng)漏損模型為：

Y=0.028 7X1+0.298 1X2+1.224 9X3-2.770 3X4+1.144 9X5+0.056 8X6+0.480 8X7+1.498 8X8-0.545 3X9+0.071 1X10-0.509 7X11+28.541 4X12

(3)

式中：Y——漏損總量；

X1——使用年代；

X2——管徑不大于75 mm的管道長(zhǎng)度；

X3——管徑75 mm以上的管道長(zhǎng)度；

X4——管網(wǎng)密度；

X5——球墨鑄鐵管；

X6——鋼管；

X7——鑄鐵管；

X8——預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管；

X9——塑料管；

X10——石棉水泥管；

X11——其他管材；

X12——管網(wǎng)水平均壓力值。

回歸系數(shù)的大小反映了各因素對(duì)管網(wǎng)漏損影響作用的大小。式(3)中，管材對(duì)于管網(wǎng)的漏損具有很大的影響[8]，多數(shù)回歸系數(shù)為正數(shù)，另有管網(wǎng)密度項(xiàng)、其他管材項(xiàng)的回歸系數(shù)為負(fù)數(shù)。證明這兩個(gè)因素對(duì)管網(wǎng)漏損的影響作用很小。利用供水管網(wǎng)漏損模型對(duì)整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析、評(píng)估及預(yù)測(cè)，針對(duì)供水管網(wǎng)中容易出現(xiàn)漏損情況的管道進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，避免盲目探測(cè)、浪費(fèi)人力物力[9]。

2.3模型回判驗(yàn)證

將原始數(shù)據(jù)代入到模型的自變量X中，計(jì)算得到的Y值即管網(wǎng)漏損總量，再與收集的漏損總量原始數(shù)據(jù)對(duì)比，得到差額。若計(jì)算漏損總量正好落在原始數(shù)據(jù)的可容許誤差范圍內(nèi)，則回判成功。若有極少數(shù)項(xiàng)超出可容許誤差范圍，則將超出的項(xiàng)剔除再進(jìn)行回判，直至成功。若回判不成功，則重新整理數(shù)據(jù)，修正模型系數(shù)，最終得到可靠的計(jì)算模型。

從置信區(qū)間可以判斷得到的供水管網(wǎng)漏損模型是否具有可靠性。置信區(qū)間是指由樣本統(tǒng)計(jì)量所構(gòu)造的總體參數(shù)的估計(jì)區(qū)間。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，一個(gè)概率樣本的置信區(qū)間(Confidence interval)是對(duì)這個(gè)樣本的某個(gè)總體參數(shù)的區(qū)間估計(jì)。置信區(qū)間展現(xiàn)的是這個(gè)參數(shù)的真實(shí)值有一定概率落在測(cè)量結(jié)果周?chē)某潭?。置信區(qū)間給出的是被測(cè)量參數(shù)的測(cè)量值的可信程度。由此可見(jiàn)得到的供水管網(wǎng)漏損模型具有可靠性。

3 漏損控制措施

本文研究了供水管網(wǎng)各因素對(duì)管網(wǎng)漏損的影響，根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，由式(3)中所建立的供水管網(wǎng)漏損模型對(duì)供水管網(wǎng)的漏損控制提出以下幾點(diǎn)建議：

1)由管徑因素模型中可以看出管徑75 mm以上的管道比管徑不大于75 mm的管道對(duì)管網(wǎng)漏損影響的作用更大。因此，建議在用水量需求較小的區(qū)域管網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)盡量采用小管徑管道，對(duì)于在用水量較大的區(qū)域可采取相應(yīng)分流措施。2)管網(wǎng)內(nèi)部壓力作為管網(wǎng)漏損因素中影響作用相對(duì)較大的因素，將一般使用性供水管網(wǎng)內(nèi)的壓力穩(wěn)定在0.20 MPa～0.29 MPa范圍內(nèi)[10]，可以降低管網(wǎng)的漏損量。3)對(duì)管道使用年限的標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范，超出使用年限的管道應(yīng)盡快更換，可直接降低管道的漏損并提高供水管網(wǎng)整體的運(yùn)營(yíng)效率?？傊┧芫W(wǎng)漏損情況可以利用供水管網(wǎng)漏損模型進(jìn)行評(píng)估，這對(duì)我國(guó)西南地區(qū)城市供水管網(wǎng)漏損的治理具有一定的參考意義，也對(duì)其他城市供水管網(wǎng)漏損分析和控制提供參考。

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LeakageandcontrolanalysesofurbanwatersupplynetworkinsouthwesternChina★

DengYuanyuanGaoLin*WangMingzhen

(CollegeofArchitectureEngineering,ChongqingUniversityofArtsandSciences,Chongqing402160,China)

Urban water supply network is the lifeblood of urban economic development. Taking the current leakage situation of urban pipe network in southwestern China as the research object, the data of water supply network operation in southwest China in the past nine years are combined with, MATLAB software is adopted and the statistical regression method is applied. The five factors of water supply network leakage include pipe age, network density, diameter, materials, internal pressure are analyzed and the leakage estimation model of urban water supply network for southwestern China is established. According to the established model, the comments and suggestions on reducing the leakage of urban water supply network in southwestern China are proposed.

southwestern China, water supply network, leakage, statistical regression, MATLAB

1009-6825(2017)30-0113-03

2017-08-19★:重慶文理學(xué)院校級(jí)科技項(xiàng)目(R2015JJ06)；重慶文理學(xué)院學(xué)生科研項(xiàng)目(XSKY2016120)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678544)

鄧媛媛(1998- )，女,在讀本科生

高 霖(1988- )，女,博士,講師

TU990.3

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