智慧水务背景下的供水管网漏损控制研究进展

供水管网漏损是国内外供水行业面临的普遍难题,不仅造成大量的水资源浪费,而且带来管网水质二次污染风险.因此,管网漏损控制一直是供水行业的研究热点.尤其是近年来智慧水务的发展,使管网基础信息与运行监测数据不断完善,大大推动了管网漏损控制技术的发展.综述了管网破损预测、管网漏损识别定位、管网漏损控制方案优化、数据质量控制与漏损管理系统等方面的研究进展,并分析了当前研究的特点与不足,以期为管网漏损控制技术的发展提供借鉴.     

城市供水管网漏损控制潜力研究

在我国备城市普遍缺水的同时,城市供水管网的漏损状况却相当的严重,科学衡量漏损控制的潜力,对于控制漏损和科学地进行城市水资源规划和需求管理非常重要.从技术潜力、经济潜力、社会潜力三方面将城市供水管网漏损控制的潜力进行了分析.提出了以社会最优值作为漏损控制的目标,以社会潜力作为需求管理的依据,同时综合考虑技术潜力和经济潜力.社会最优控制水平和企业的经济漏损控制水平之间有时会存在很大差异.科学的划分政府和企业在控制漏损的义务是非常必要的,如果需要企业的漏损控制水平小于经济漏损水平时政府应该给予一定的补偿,这样才能增加企业控制管网漏损的积极性.     

日本东京供水管网的漏损预防管理

供水管网的漏损控制管理是城市水资源管理以及节水管理中的重要环节,东京作为国际上管网漏损控制最优秀的城市之一,漏损率从1955年战后恢复时期的20％控制到2007年的3．3％。多年来,东京在漏损控制技术和管理方面积累了丰富的优秀经验,并且建立了完善的供水管网漏损预防管理体系,指出为了保证有效的漏损控制和预防,必须做到以下四个方面,即准确掌握管网属性信息、重视管网的维护和更新、不断发展漏损控制与预防技术及重视人力资源管理及人才培养。东京成功的漏损控制经验可以从管理体制、管理手段、技术研发、人才培养等方面对中国的供水管网漏损管理及节水管理提供有益的借鉴经验。     

数字化及互联网感知技术在澳门自来水管网漏损管理中的应用

粤港澳大湾区的新城区及城镇居住人口密集，供水企业规模各异，管理情况参差不齐。其中，管道漏损控制领域普遍存在营运和管理方面的困难。在国家碳达峰、碳中和的大背景下，供水企业需要采取更积极的手段措施来实现碳达标和碳中和的行业目标，而漏损控制是其中的一个关键控制点。目前，大部分供水企业采取传统的管理措施和管道探漏方法。文章以澳门供水漏损管理的实际经验为基础总结出漏损管理5大具体措施，强调将漏损管理与数字化、智能化管理模式相结合，列举了互联网感知技术在测漏、管网瞬时压力管理等领域应用案列来介绍新型漏损管理方法和效果。     

城镇供水管网漏损检测及定位技术研究进展

为了给供水行业快速检漏及定位提供参考,对比了基于硬件及模型算法的检漏方法,分析了适用范围及特点。分析认为:基于硬件的检漏方法主要建立在声学、光学反射原理及电信号传递等基础上,具有较高的精度,但耗时耗力且成本高;基于模型算法的检漏技术建立在管网节点压力、流量特征的基础上,通过模型模拟值与测量值之间差值最小化的优化算法可快速定位可能的漏损点,但位置存在一定偏差;建议将两种检漏方法相结合,充分发挥彼此的优势,为自来水厂快速精准检漏提供思路。     

基于图深度学习的供水管网短期需水量预测研究

供水系统短期需水量预测是供水管网优化调度的基础,预测的准确性对供水调度有重要影响。图神经网络是一种新型神经网络架构,通过学习对象的拓扑特征优化学习效果。利用供水管网的拓扑特征搭建了图波网络(Graph Wavenet)模型,用于学习供水管网各监测点的空间拓扑关系及其需水量时间序列关系,实现了更准确的供水管网短期需水量预测。使用真实管网历史数据训练Graph Wave Net模型,未来5 min预测的最小百分比误差达到1.28%,平均百分比误差达到1.34%。实验成功地将给水管网拓扑结构用于优化深度学习模型效果,使用图卷积网络模型有效提升了供水管网短期需水量预测精度。并对图神经网络在供水管网领域的应用前景进行了简要探讨。     

基于供排水一体化监测的污水管网外来水入侵风险评估

为了实现城市污水管网外来水入侵风险监测评估持续化、主动化、低廉化，在现有的外来水定性定量方法的基础上，结合城市已有的供水和排水监测感知系统，提出了1套基于供排水一体化监测的外来水风险评估方法。采用外来水占比R及外来水占比等级频率P 2个指标反应风险等级，表征外来水时空分布特性，并将其应用于南方W城市某片区的外来水风险评估工作中。2022年3—4月污水管网监测数据分析结果表明，4个厂泵和3个关键监测节点将评估区域划分为3个子区域，其中，3月旱天情况下子区域Z1外来水入侵等级为较为严重，自流区整体及子区域Z3外来水入侵程度为严重，而子区域Z2为非常严重，4月除了区域整体风险等级下降为较为严重，子区域评价结果不变。与传统方法进行比较，该方法评估结果具有可行性，对实现以较低成本开展外来水风险评估及对提升污水管网管理效率具有重要意义。     

上海市浦东北部区域主体功能区划研究

主体功能区划是依据区域资源环境承载能力、现有开发密度和发展潜力,将国土空间划分为不同功能区的过程,是规范空间开发秩序并优化空间开发格局的有效手段.浦东新区是我国重要的经济发展中心,本文对该区域进行主体功能区划研究,旨在明确该区域社会发展与资源环境相协调的空间发展格局,并提出空间格局优化的建议.本研究根据国家和上海市主体功能区划技术方法,结合区域特征,建立主体功能区划指标体系,并通过网格分析和空间分析,获得各指标的空间分布数据.在此基础上,采用自下而上方法与自上而下方法形成并修正分区方案.本研究将该区域划分成5类主体功能区:禁止开发区、限制开发区、优化开发提升区、优化开发协调区和优化开发拓展区.研究结果表明,该区域在经济快速发展的同时,资源与环境存在较大压力,产业布局也存在一定的不合理,以期为政府未来规划修正提供借鉴.     

不确定节点水量下水质监测点优化选址方法

针对供水管网水质监测点的优化选址问题,提出污染源位置识别准确度的概念,以水质监测点探测到的不同污染事件的时段区间冗余度最小化,和污染事件探测概率最大化为优化目标,结合一个案例管网,采用非支配排序遗传算法计算节点用水量变化条件下的监测点优化选址方案,算例结果显示节点用水量的不确定性不显著影响监测点的污染事件探测能力和可能性节点识别能力,但使监测点的污染源位置识别准确度降低.     

基于压力时空特征的供水管网漏失定位方法及物理实验验证

供水管网漏失是国内外普遍存在的问题。如何有效降低管网漏失率、定位漏失发生的位置,是困扰我国供水行业的一个重要问题。基于水力模型和在线监测数据的管网漏失定位方法能够较快地对管道漏失事件进行侦测识别,并实现初步定位,但该类方法较为依赖水力模型精度,同时缺乏足够的实际管网漏失案例监测数据进行检验。通过搭建实验室管网模型,布设SCADA系统用以监测压力、流量数据,从而实现对城市供水管网的模拟,以生成各类管网漏失的模拟数据,用于检验漏失定位方法的有效性。同时,通过改变漏失位置及漏量、模型精度、监测点优化布置方式,进行漏失定位效果的比对,分析了影响漏失定位效果的因素。     

无负压供水模式下管网水力模拟与安全评价分析

近些年,无负压供水设备作为新型供水模式,在城市二次供水管网中广泛使用.本研究针对无负压供水对整个管网的影响并不明确的现状,分析了无负压供水模式对管网供水安全的影响,利用管网水力学模型,提出了一种无负压供水状态下的管网水力学模拟方法,应用该方法建立了一种用以确定管网可承受安装无负压供水设备的最大节点数的方法,将此方法应用于两个算例管网,其结果表明算例管网中分别有67%、89%的节点不适合安装无负压供水设备.该方法简单实用,推荐在管网设计与规划中使用,以提高管网供水安全性.     

基于深度学习的无人机环境污染目标识别技术研究

为了优化环境污染监测,需要对环境污染目标区域进行有效识别,提出基于深度学习和无人机技术的环境污染目标区域识别方法,采用无人机机载空间扫描方法进行图像采集,对采集的环境图像进行污染区域的边缘轮廓检测和图像分割处理,采用深度学习算法对环境污染区域的图像进行自适应分块标记和识别,实现对环境污染区域的图像检测和三维区域识别。采用该方法进行环境污染区域的目标识别准确性较好,对环境污染区域分块识别的精度较高,较强。     

客水汇入对城区内涝风险的影响及优化方案

为评估建成区外客水汇入对山东省某市城区管网排水压力的影响,基于InfoWorks ICM构建一维、二维耦合雨洪模型,在不同模拟条件下分析城区管网排水能力及内涝积水情况,并基于模型结果提出优化方案。结果表明：建成区外客水汇入是导致该市主城区管网超负荷、节点溢流及内涝积水的主要原因;在2 a、3 a一遇2 h设计降雨下,客水汇入时超过1/2管道超负荷运行,溢流节点分别占1.38%和3.1%;在20 a、30 a一遇24 h设计降雨下,淹水面积占城区研究区域面积的35.9%及38.7%,其中9.60%及9.94%为高风险积水区;综合考虑经济性及有效性,采用建设地表方涵、排洪沟的方式截流地表径流客水的方式以缓解城区管网排水压力。经验证,优化方案能有效削减客水汇入对城区内涝积水的影响,对高风险积水区面积削减最明显。在20 a、30 a一遇24 h设计降雨下,研究区域高风险积水区面积优化后比优化前削减了75%、71%,最大积水深度下降至1 m以下。     

基于覆盖水量的监测点优化选址法的缺陷与改进

研究了给水管网水质监测点选址的方法,分析了覆盖水量法存在的缺陷,针对这一缺陷,提出了一种基于覆盖水量指数的改进方法,在评价节点的代表性时,该方法同时考虑了总覆盖水量和覆盖水量时间分布对节点代表性的影响,提高了管网水质监测点优化选择的准确度和监测数据的代表性.为了提高优化问题求解的速度,采用了遗传算法求解水质监测点优化选址问题,并将此两类方法应用于2个案例管网.对于案例中的管网,采用布设7个监测点,可有效监控所有95个节点中85%以上的管网水量.同时,实际案例管网的应用表明,与覆盖水量法相比,覆盖水量指数法的计算结果具有更好的代表性,基于此建立的给水管网在线监测网络能够更好地代表管网的水质情况.     

基于节点水质监测的污水管网破损位置判定方法

提出基于管网检查井水质特征因子监测,并结合管网和污染源地理信息系统,解析污水管段的地下水入渗量和破损程度,以解决逐段物探或流量检测成本高且难以实施的问题.采用安赛蜜作为生活污水的水质特征因子,对安徽省巢湖市某污水厂服务范围（14.4km²）的污水管网系统地下水入渗量进行了空间分布解析,并识别出管网严重破损位置.结果表明：①基于划分管网节点的分段地下水入渗量解析,其总的入渗量解析结果与基于总体水量平衡的解析结果相对误差为21.0%,与典型管段流量监测结果的相对误差为5.4%,表明建立的方法是可靠的;②占污水管网总长0.3%的局部管段,其地下水入渗量占到总入渗水量的23.0%.因此,对局部破损管段进行修复,可以显著降低整个管网系统的破损程度.据此还提出了应用该方法的基本原则.     

典型喀斯特地区国土空间生态修复分区研究——以贵州猫跳河流域为例

国土空间生态修复是实现生态系统服务可持续供给的重要保障,明确其空间分区是开展生态修复的前提条件。针对现有生态修复分区方法的层级单一、结果针对性欠佳等问题,以典型喀斯特地区贵州猫跳河流域为研究区,构建“自然立地条件—主导生态功能—生态胁迫问题”生态修复分区框架。选取海拔、坡度、地形起伏度、植被类型等自然立地条件指标分析流域内地域分异规律,进而划定生态修复一级分区;基于水源涵养、土壤保持、生物多样性维护、粮食供给等主要生态系统服务功能评价结果识别区域主导生态功能,据此划定生态修复二级分区;结合石漠化敏感性、水土流失敏感性及生态退化度等关键生态胁迫问题指标构建生态修复分区指数识别生态修复重点区域,进而开展生态修复三级分区划分。最终,将猫跳河流域划分为3个生态修复一级分区、10个生态修复二级分区及30个生态修复三级分区,并提出了相应的生态修复策略。研究可为猫跳河流域生态修复实践提供参考,并为西南喀斯特地区生态修复分区提供理论借鉴。     

基于小流域尺度的县域国土空间生态修复分区——以山西汾河上游为例

县域国土空间生态修复是生态修复规划体系的重要一环，也是生态修复工程项目实施的直接上位指导性规划，基于小流域尺度的生态修复分区研究可以为黄土高原地区县域生态修复分区的理论和实践提供有益参考。以汾河上游为例，首先，基于数字高程模型提取地形特征的方法确定了89个小流域单元，进而定量评估水源涵养、水土保持、生物多样性、食物供给四种典型生态系统服务，综合识别区域主导生态功能，据此划定5个生态功能分区；然后，以生态功能分区内生态群落为基础，通过对不同生态群落的生态功能统计比较，划分12个生态修复分区；最后，将小流域合并得到沟域生态系统单元，进而划分了25个生态修复工程分区统筹后期工程项目实施，并提出相应的生态修复策略。本文提出新的生态修复分区思路，以期为县域国土空间生态修复规划的编制提供指引。     

基于动态剪枝的城市供水管网优化调度算法

城市供水管网的优化调度模型,需要反复调度水力学模型来计算目标函数和约束条件,从而产生巨大的计算和时间成本。在优化迭代过程中,为了获得更优秀的优化结果,通常在搜索空间中约束条件的边界进行搜索,产生了大量不满足约束的样本和较低的优化效率。为解决这一问题,提出了一种高效的基于约束条件的动态剪枝方法,在运行水力学模型前,利用优化计算过程中积累的数据来判断样本是否符合约束条件,从而剔除不满足约束的样本,提高优化效率。模型分别在1个案例管网和1个真实管网上进行测试,结果表明:使用朴素贝叶斯、决策树和支持向量机作为动态剪枝算法,在获得和原始优化模型几乎相同结果的同时,分别减少56.4%、58.5%和56.8%的计算次数。     

基于GIS的深圳市坪山新区生态敏感性评价及其应用研究

十八大以来,优化国土空间开发格局成为生态文明建设的内容之一。基于GIS的生态敏感性评价可以将评价对象的生态系统特征与空间开发格局有机联系起来,从土地利用的角度对生态文明建设提供发展建议。在总结相关研究的基础上,以深圳市坪山新区为例,结合生态文明建设规划要求和地区实际,采用GIS技术对生态敏感性进行评价,选取4个评价因子,利用层次分析法(AHP)确定敏感性因子权重,采用最大值法对生态敏感性及空间分布进行了定量化分析,按照生态敏感性的高低将研究区域划分为高敏感区、中敏感区、低敏感区和非敏感区4个等级。结果表明,该方法可以为坪山新区生态文明建设规划的国土空间开发格局优化提出分区保护与建设的对策建议。     

湖北省湖泊营养物生态分区技术方法研究

提出一种基于主成分分析、聚类分析、判别分析和空间自相关的分区模型,用于对湖北省湖泊营养物生态分区的尝试. 运用主成分分析法对众多指标进行降维处理,产生彼此互补又能综合反映湖区情况的新指标,构建了湖北省湖泊营养物生态分区指标体系. 在此基础上,根据各区域新指标值结合聚类模型进行湖泊流域的初步分类,利用判别分析完成非湖泊流域的类别归属判别,运用空间自相关分析方法对区域各因素的空间分布格局进行量化分析,以揭示零散分类区块在空间地域分布上的关联和差异,最后根据关联结果确定边界完成分区并进行特征描述. 结果表明,利用该分区技术方法体系可以尽量避免人为因素干扰,得到更为客观的分区结果,具有良好的适应性和可行性.