小编导读
管网漏损是城市供水系统中存在的一个不容忽视的问题，近年来在国内得到了高度重视。本期栏目锁定全球范围内，在供水管网漏损控制方面表现优异的城市——东京，通过对其在漏损率控制方面制定的策略方案、采取的先进技术以及拥有的成熟经验进行调研，为国内城市的管网漏损控制实践提供指导和参考。
作为一座高度现代化的国际大都市，东京凭借长期的探索和实践，在供水管网漏损管理方面累积了丰富的经验和技术，漏损率一直处于低于5%的全球领先水平。为加强公民对管网漏损管理工作的了解和监督，提高公民对水资源的保护意识，同时也为了便于漏损控制实践的国际化交流，东京的水务管理部门每年都会发布相关的政府报告，介绍其在供水管网漏损控制方面的发展历程、策略技术以及面临的挑战等，为整个供水行业实现更低的漏损率，提供依据和范本。现对东京的相关先进技术策略和成熟管理经验进行梳理和归纳，以期为国内如、、等大型城市的管网漏损控制实践提供指导和参考。
1
整体情况
东京市目前的水资源供应量约为630万m3/d，配备发达的自来水管网系统，截至2015年总供水管道长约2.7万公里，包括内径为400~mm的配水总管（distribution mains）和50~350 mm的配水支管（distribution submains）。但同时，东京的水资源较为匮乏，其中供给规模最大的利根川水系（Tone River）由于受到全球气候变暖的影响，目前的可供水量正逐渐减少，抗旱性较差；且这些水源地的可供水量还需在东京和周边其他县区和城市之间进行调度分配；此外东京还是一个地震多发地，灾害发生时供水管网等城市基础设施不可避免会遭到破坏，造成水资源的浪费。因此东京在提高用水效率和加强管网漏损的管理方面甚为重视，东京水务局（TBW，Tokyo Bureau of Waterworks）将着力降低管网泄漏纳入其主要的管理方针之一。
东京的管网泄漏率一直处于全球领先水准。如图1所示，1996年东京的泄漏率为8.9%，总泄漏量为1.61亿m3；到2015年该两项数据已降至3.2%和0.5亿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蚀引起的。2015年记录在案的管道修复作业共8315起，其中约97%为用户管道（service pipes）泄漏，剩下的3%为配水管道（distribution pipes）泄漏。
图年~2015年东京市管网总输水量、总泄漏量以及泄漏率的变化情况
2
管网防漏对策
2.1
计划性的供水管道替换和管材改进
有计划地替换管道和改进管材对于减少和阻断泄漏，防止同一点位再次发生泄漏，具有显著效果。主要的解决方法如下。
2.1.1
配水管道的替换
为应对地震等自然灾害，采用具有抗震接头（earthquake-resistant joints，如图2所示）的管道来替换以下的配水管道，以防止管道分离：
（1）年久管道：强度低、铺设年限久的无内衬铸铁管（cast iron pipe，采用灰口铸铁制成的管道，扩张强度为年停用）；
（2）早期铸铁管道：由球墨铸铁（在传统铸铁管道中加入镁元素，使石墨结构呈结节状而提高了材料的强度，扩张强度为年开始使用）制成的直管和高级铸铁（high-grade cast iron，通过改进灰口铸铁工艺而提高了扩张强度的铸铁，1933年开始使用）制成的无内衬特殊管道配件所构成的管道；
（3）强腐蚀软土地面（如东京23区的东部地区）下铺设的外部裸露（externally-uncoated）的管道；
（4）地震灾害发生时预期会发生严重停水的区域内铺设的无抗震接头的管道。
在替换工程进行的时候，优先替换后方医院、中央行政区、避难所、主要公交站台等地区的供水线路。
图2 抗震接头结构：（a）正常状态；（b）地震发生状态
2.1.2
私有道路下用户管道的整合及替换
私有道路下密集分布着众多用户管道，也容易发生泄漏。因此TBW通过使用不锈钢配水支管来整合和替换用户管道，以提高用户管网系统的坚固性和抗震性，从而减少泄漏。与此同时，在配水支管的末端设有一个排水口（drain，在管网施工后可用来排除铁锈等异物），在地震灾害发生时可用于紧急供水，也可在火灾发生时用于紧急灭火。整替前后的用户管道如图3所示，整替对象的扩展历程如表1所示。
图3 私有道路下用户管道的整合及替换
表1 私有道路下用户管道的整替历程 开始时间 用户管道整替对象 1994年 铺设有3条以上用户管道的私有道路 2007年 铺设有3条以上用户管道，或安装水表数大于15只的私有道路 2009年 安装水表数大于10只的私有道路 2012年 安装有3只及以上水表的私有道路 2012年开始，对于水表数少于3只的私有道路，TBW通过将路面下的PVC用户管替换为不锈钢管来进一步提高用户管网的抗震性。
2.1.3
大口径用户管道的抗震加固
为解决75 mm以上大口径用户管道的老化问题，除常规的老化用户管道替换和泄漏修复作业外，TBW自1998年开始还一直在进行大口径管道的抗震加固（earthquake-resistance reinforcement）工作，采用具有抗震接头的管道来替换原有管道。2007年后，对用户管道支管至一级水龙头（first stop cock）之间的大口径管道抗震性均进行了系统的抗震加固工作。该项目于2014年竣工。
2.1.4
避难所及其他公共设施内用户管道的抗震加固
地震等灾难发生时，避难所成为大部分人群暂待的活动场所，公交要站也成为大量乘客的滞留地，这些地区需要保障稳全的水源供给。因此对于一些被设计为临时避难所的场地，TBW一直在进行用户管道及水表等的抗震加固建设。
2.1.5
用户管道管材的改进
TBW曾经使用容易施工的铅管作为用户管道，但由于铅强度低且易腐蚀，很容易发生水管泄漏。因此1980年，TBW开始弃用铅管，而改用强度和抗腐蚀性更佳的不锈钢管来铺设公共道路下的新用户管。1982年起，根据管网防漏工程的要求，TBW采用不锈钢管逐步对铅制用户管进行替换。
1992年新的饮用水水质标准开始实施，对铅的浓度要求更加严格（小于同时计划到2002年，饮用水中铅的浓度必须低于因此除了继续积极推进不锈钢管在长距离用户管道铺设中的使用外，TBW也加大了管材改进工作的力度。1992年，除修复作业外，TBW禁止了铅管的使用；1995年铅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纹不锈钢管（corrugated stainlesssteel pipes），如图4所示；同时将用户管道替换的范围从以往的配水支管的分支部分至住宅区域内的一级水龙头，延伸至住宅区域内的水表，如图5所示。
2000年，TBW拟定了一项计划，要求分批次将公有和私有道路下至住宅区水表处的铅管全部替换掉。到2006年为止，TBW已替换了私有道路至住宅区水表处的绝大部分铅管。2007年后的例行巡检中，逐步完成私有道路下和住宅区域内尚存铅管的替换工作。
图4 波纹不锈钢
图5 配水管道、用户管道、一级水龙头以及住宅区水表示意图
2.2
泄漏的初期检测和修复
TBW通过计划作业（planned work）和移动作业（mobile work），来预查地上和地下的早期管网泄漏，并及时进行管道修复工作。为更好地利用有限的水资源，除一些特殊情况外，住宅区水表前的一段用户管道在进行维修时也是免费的。
2.2.1
计划作业
自1913年开始，东京23区就已经展开有计划的泄漏预防工作。TBW将地下遍布成网状的配水支管，根据一定长度划分成不同的区块并对每一个区块进行有计划的泄漏调查研究，内容包括例行巡检泄漏量测算（leakage volumemeasurement work）以及震后泄漏排查（leakage investigation and measurementwork）。
（1）例行巡检
巡检工作内容包括：a）对目标区块内每一用户单位的水管泄漏情况进行独立调查，通过用户水表上附着的听漏棒（leakagesound detection bar，如图6所示）判断该处用户管道是否存在泄漏（详见采用电子泄漏测漏器（electronicleakage detector，如图7所示）在路面上识别地下水管的泄漏情况（详见3.2.2），检测通常在夜间进行，此时路面上的车辆较少，干扰小。
巡检目标区块的选择，具体是由其以前的维修情况、泄漏情况以及区块内剩余的铅管数量综合决定的。
图6 听漏棒
图7 电子泄漏测漏器
（2）泄漏量测算
为估算整个东京市区的泄漏量，了解泄漏的趋势，TBW需进行泄漏量测算工作。由于城区用水昼夜不停，为使得泄漏量的测算数据尽可能准确，TBW采用最小夜间流量测漏法（minimum night flow measurementmethod）来测算目标区块的泄漏量（详见3.1）。基于自来水消费现状建模分析的理论结果，以及考虑了引入用户数量和管网特征后的动态模拟结果，TBW只测定300~400只自来水龙头的流量，因此需要尽量缩小每个区块的样本规模来测定样本的夜间最小（泄漏）流量。通过对每一区块的泄漏量进行估算，就能够得到整个东京的自来水泄漏量。
（3）震后泄漏排查
震后泄漏排查自2010年开始实行。地震灾害发生时，为最大程度避免断水情况的发生，快速恢复供水设施的正常运行，将地震带来的损失和危险最小化，需确保供水主管的排气阀能够稳定工作，在此基础上，应尽量避免使用因地震损毁的供水管道，改用完好的供水管道来尽快确保供水线的路畅通运行，使自来水能尽可能多地从供水主管流入支管，从而尽可能扩大供水范围。
该泄漏排查工作是针对地震的应急措施，如图8所示，即在确保供水主管上的排气阀功能完好的情况下，对支管水阀进行一系列操作，关闭受到破坏的供水支管，并尽可能使完好的支管保持畅通，逐步修复并扩大供水服务区域，以保证供水线路的完整。TBW将根据泄漏水量的大小来对整个供水区域进行有序的泄漏排查，并逐一修复所发现的泄漏点。这些数据也将有助于泄漏量测算工作的进行。
图8 震后泄漏排查工作示意图
2.2.2
移动作业
移动作业是指当用户报告地上泄漏事件后，通过人工巡查或其他的方式来对泄漏进行修复。该工作由现场管理部门（field management offices）执行。作为TBW的分部门，该部门的员工和对应的承包单位需一天24小时待命，以防泄漏的发生。
2.3
高水准泄漏预防技术的开发和传承
在大量经验丰富的工人面临退休的背景下，如何继续维持低漏损率，稳健提高供水效率，是TBW将要应对的挑战之一。为此TBW投入了大量精力，包括组织培训传承漏损控制技术、工程技术开发以及人力资源开发等方面。
2.3.1
培训和技术发展中心
2005年TBW成立了培训和技术发展中心（Trainingand Technical Development Center），下设培训部和发展部，共同确保技术的不断传承以及员工能力的不断提升，以应对当前多样化的需求，更加稳定地为用户提供安全可靠的饮用水。
中心拥有管道试验基地，配备各种专业设备，并能模拟真实情景，让培训员工进行管道操作相关试验，以解决各种可能出现的问题。除训练TBW自己的员工外，
2.3.2
技术专家和高级管道工的委派和认证
许多具备丰富经验和专业技术的TBW员工（不仅仅是在管网防漏方面）目前正面临退休，这对于技术的传承非常不利。因此TBW成立了“东京水务工人-技术专家项目”（Tokyo Water Workers-TechnologyExperts Program），在培训和技术发展中心设立防漏相关的培训课程，招募有经验的老员工作为技术专家来为后辈员工提供指导。
此外，TBW还将晦涩的知识和经验进行整理，并通过多媒体的形式进行可视化，上传至共享网络，提高了防漏技术的可传承性。
对于管道施工建设中一些特别优秀的管道工人，TBW认可其为“高级管道工”（super plumbers），这不仅有利于防漏技术的传承，而且对于提高水管施工技术和工人的积极性都具有重要意义。
2.3.3
防漏控制设备、技术以及数据系统的开发
可根据不同的施工要求和作业场合，选择合适的设备和技术进行灵活操作，部分如表2所示。
表2 TBW研发的防漏控制相关设备和技术 设备/技术 介绍 冷冻法 用液态空气冻结管道内的水来停止水流，以进行管道修复 泄漏电子探测器 采用电学方法在地面上探查泄漏噪声 便携式最小流量计 用于最小夜间流量测漏法 对比型泄漏检测器 对管道两端测得的泄漏噪声进行处理，来定位准确的泄漏位置 地下雷达 向地下发射电磁波，考察地下的环境条件 时间积分型泄漏检测器 利用泄漏噪声的连续性，探查泄漏是否存在 传播型泄漏检测器 向水管中注入氦气，检测从泄漏点释放出的氦气，以定位泄漏点位置 此外，TBW还开发建设了防漏施工建设数据库系统（leakage preventionconstruction system），采用计算机化的系统来记录所有的泄漏修复工作（泄漏原因和实际修复作业的细节等），并计算所投入的成本。目前系统处理的信息包括：
（1）接收防漏工作的相关数据；
（2）计算泄漏修复、管材改进等的施工成本；
（3）对泄漏原因、工作内容及施工进度进行总结并作概要。
通过计算机处理得到的数据可有效地用于下一财年的预算编制，并据此制定长期计划、挑选计划作业区块以及计算泄漏量等，对于防漏措施的有效执行意义重大。
3
泄漏检测方法
TW目前有两种类型的泄漏检测方式：一种是根据管道的修护状况以及之前的泄漏情况，选择目标管道进行泄漏量的探查（最小夜间流量法）；另一种是通过声学方法（漏声检测法、对比型泄漏检测法以及时间积分型泄漏检测法等）以及化学方法（传播型泄漏检测法）等来发现泄漏的存在和定位泄漏的位置。
3.1
最小夜间流量法
最小夜间流量法是通过测定目标区块的夜间闲时用水量来检测泄漏，方法原理如图9所示。首先将目标区块周边的闸阀关闭，阻断与其他区块的水路连通；随后使水流通过设置在水表处的最小流量检测设备进入目标区块，并测量不同时段内的水流流量；在夜间管网闲置期测得的最小流量（此时可假定用户的用水量为零）即可认为是泄漏造成的，可通过其计算该区块内的泄漏量。
最小夜间流量法所使用的高精度最小流量计如图10所示。
图9 最小夜间流量法原理图
图10 最小流量计
3.2
漏声检测法
由于泄漏会产生具有一定特征的声音信号，有经验的检测人员可采用漏声检测法（acoustic leakage detection method），通过听漏棒或电子泄漏检测器来检测泄漏是否存在，如图11所示。
图11 漏声检测法（左为听漏棒，右为电子泄漏检测器）
3.2.1
听漏棒
听漏棒的使用方法如下：检测人员先将听漏棒的末端紧贴在水表、闸阀或者消防栓上，然后将耳朵靠在听漏棒另一端的震动膜片上，辨识泄漏处传输过来的声音。但是听漏棒只能用来判断该处附近是否存在泄漏，不能准确定位泄漏点的位置。
3.2.2
电子泄漏检测器
电子泄漏检测器的的使用方法如下：检测人员将检测器置于地面上，检测器将检测到的泄漏声音信号转化为电信号，然后信号通过放大器放大，传输到耳机，被人耳接收。检测器是可移动的，在泄漏点正上方的声音信号最为强烈，由此可准确定位泄漏点的位置。
3.3
对比泄漏检测法
对比泄漏检测法（correlative leakage detection method）也可定位泄漏点的位置，如图12所示。首先将感应器置于管道的两端（管道暴露在地面的部分，如闸阀、消防栓等），然后使用对比泄漏检测器得到泄漏噪声传播到两端的时间差，通过计算时间差、感应器距离以及泄漏噪声在管道内的传播速度，便可得到泄漏点在管道中的位置。该方法的优势是可直接检测泄漏噪声在管道中的传播，因此城市背景噪声以及管道深度对检测过程的影响较小。
两点之间的距离；Tm：泄漏噪声传播时间差
C：声音在管道中的传播速度
图12 对比泄漏检测法原理图
3.4
时间积分型泄漏检测法
时间积分型泄漏检测法（time integral type leakage detector）利用泄漏噪声在时间上具有连续性的特点，在用户水表箱处裸露的用户管道上安装感应器，通过检测一段时间（1~5 s）内传播过来的泄漏噪声来识别泄漏，如图13所示。该方法受管网本身的间歇性噪声及交通噪声的影响很小，而且对操作经验无特别需求。
图13 时间积分型泄漏检测器
3.5
传播型泄漏检测法
将化学惰性气体氦气同水蒸气或空气混合，注入管道中，利用检测器检测从管道中泄漏并通过土壤渗透出地面来的氦气，这便是传播型泄漏检测法（transmission type leakage detector）的工作原理，如图14所示。由于该方法非声学方法，因此可检测泄漏量非常小的管道泄漏，以及填埋较深的配水总管等管道的泄漏。
图14 传播型泄漏检测器
3.6
其他方法与设备
（a）金属管定位器
（b）水锤发生器
图15 其他设备
4
结论
东京领先的漏损控制水平，是通过系统全面的漏损检查、科学合理的策略制定、严谨到位的工程实施以及成熟健全的人才储备和培训机制实现的。东京在漏损控制上取得的成果，说明了漏损控制工作并非一蹴而就，也非通过某一方面的局部工作就能够实现漏损率的大幅度削减，这必将是一个漫长而系统的工程，须实现从决策布局到工程实施再到后期维护的各个阶段的突破，才能取得一定的成果。
编辑札记
针对我国城镇供水管网漏损情况普遍且严重的实情，《净水技术》杂志社从2017年一季度起开始着手调研大量国外各城市的漏损数据。难免有部分数据存在偏差，还请谅解。期待通过类似的最新情报汇编，以飨读者，减少一线技术人员检索文献、翻译文献的工作量。
净水技术
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