给水排水 |知识结构、发展趋势，11个主题，供水管网漏损细研究！
导语
针对1999年到2018年在Web of Science数据库核心合集中收录的供水管网漏损研究论文，基于CiteSpace软件开展文献计量学分析。结果表明该领域已经形成基本完整的知识体系，可细化为漏损识别、压力管理、漏损机制、计量评估、资产管理、管理平台、效能评估、分区管理、漏损定位、传感器应用及优化设计11个研究主题。分析了各主题的发展现状，明确了该领域的总体发展趋势，为进一步开展相关研究与管理工作提供参考。
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引言
我国高度重视供水管网漏损控制，2015年国务院发布《水污染防治行动计划》，明确提出到2020年公共管网漏损率控制在10%以内。2017年，我国的城市公共供水的漏损率为14.7%；同时期德国汉堡，日本东京，美国的洛杉矶、芝加哥、旧金山等城市供水管网的漏损率在5%左右。由此可见，无论是从政策要求还是行业发展的角度，我国供水管网漏损的控制水平亟需提高。通过对漏损研究知识结构的全面整理，对技术需求及发展前景开展深度分析，可为管网漏损问题的认知提供参考，为控制技术的研发与应用提供思路，支持我国供水行业管网漏损管理水平的提高。
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研究方法与材料
为了全面分析国际上供水管网漏损研究的发展情况，在Web of Science数据库核心合集中以“water distribution system”“water loss”“leakage”“leak”为关键词，搜索了该领域在1999年到2018年间发表的论文，最终确认筛选出有效论文524篇，共引用文献8 281篇。
CiteSpace软件是文献计量学方法的可视化软件，将上述524篇论文信息（作者、题名、期刊名、参考文献）导入软件，基于其文献共被引功能可将文献聚类，从而确定研究领域的核心主题；通过文献共被引的相关特征，发掘研究前沿的演变过程，分析出供水管网漏损研究知识结构与发展趋势。
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供水管网漏损研究的知识结构
2.1 文献共被引分析的聚类结果
文献共被引是指文献被一起引用，通常具有相近研究主题的文献，在分析时可被聚为一类。图1为漏损研究论文引用的文献聚类结果，共形成11个类别。图中节点代表文献，节点大小表示被引用频次，不同颜色代表不同类别；节点间的连线表示共被引，线条越粗表示共被引频次越高。
图1 文献共被引分析聚类
表1给出了各个聚类的具体信息，其中规模为聚类中文献的数量；平均轮廓值反映聚类质量，当该值大于0.7时，认为聚类结果具有高可信度；研究方向由各个聚类中文献的研究内容凝练总结得出。
表1 文献共被引分析聚类结果
上述11个聚类可进一步归纳为方法论、控制技术与信息化三个研究方向，其知识结构如图2所示。三个方向相辅相成：方法论从理论角度指导控制技术的开发及信息化的发展；控制技术从实践角度促进方法论的完善及信息化的建设；信息化从数据角度支撑控制技术的实施及方法论的完善。
图2 供水管网漏损研究的知识结构
2.2 漏损控制方法论
漏损控制方法论主要包括漏损计量评估、漏损机制分析及控制技术效能评估等方面的研究。
在计量评估方面，2000年国际水协提出了水量平衡方法，此后不断完善。我国2017年发布的《城镇供水管网漏损控制及评定标准》(CJJ 92-2016)引入了水量平衡方法，并按照我国供水管网的管理特征对其进行了修正，使其获得大量应用。
漏损机制的分析与模拟，有助于确定运行数据的变化规律、评估经济损失及环境风险。这方面的研究主要集中于漏损-压力关系和漏损发生规律两方面。前者关注在漏损状态下管网压力与管道的水力状态、漏失水量及水质污染风险的关系；后者关注管网拓扑结构、运行条件、管材、漏口形状、埋设工艺及土壤条件等对管网漏损规律的影响。尽管已有部分研究，但由于管网漏损过程实时监测的难度，其机制尚不完全清晰。
此外，漏损控制措施的节能节水效果以及环境效应的评价方法也一直是管网漏损研究的关注对象，但未出现暴发式研究趋势，需要相关人员的持续跟进，从而把研究成果推广到供水管网管理实践中。
2.3 漏损控制技术
漏损控制技术的研究包含了漏损识别、定位、压力管理、分区管理、资产管理及管网优化设计等方面。
漏损识别与定位是供水管网漏损控制的关键技术，可大致分为基于探漏仪器与基于水力数据的两大类。基于探漏仪器的方法可分为外部检测与内部检测两种：外部检测方法指信号在管道外部收集，如音听检漏法及探地雷达等；内部检测方法指信号在管道内部收集，如管道内窥检测等。研究人员通过不断改进仪器的检测机制、信号分析方法、适用条件与检测精度等，逐步提高漏损识别与定位能力。基于水力数据的方法通过监测压力、流量、压力波或振动特性等参数，依据管网运行规律判别漏损。在这类方法中，自回归模型、遗传算法、降阶网络模型、支持向量机等算法得到了广泛的应用和良好的效果。将基于水力数据与管网的拓扑结构结合起来分析，往往能够进一步挖掘水力数据的空间分布规律，从而确定漏损位置。基于探漏仪器的漏损识别与定位技术在实践中广泛使用，能够有效查找漏点，降低管网漏损率。基于水力数据漏损识别与定位技术在实践中发挥越来越重要的作用。上海城投水务以分区流量计与管网水力学模型为基础，通过计算进入分区的水量开展漏损控制。英国的雷丁镇建立了5个独立计量区域（District metering area,DMA），基于实测的压力与流量数据，利用不确定理论识别了DMA入口的异常水力数据。基于探漏仪器的方法准确度更高、直观性更强，但投入的人力物力也较大；基于水力数据的方法成本较低，但数据分析过程比较复杂。值得注意的是在管网信息化的推动下，可用水力数据越来越多，基于水力数据的漏损识别与定位方面的论文发表数量明显增大。
压力管理是漏损控制的关键技术之一，这方面的研究主要为压力优化模型及压力控制模式。压力优化模型是采用一定的优化算法，计算管网总体或局部上的压力分布最优解。主要采用的优化算法包括数学规划与元启发式两种：前者运用线性规划、非线性规划、混合整数线性规划等算法；后者运用遗传、蚁群等算法。压力控制模式主要根据控制区域的水力特征确定压力的最佳控制方式，具体包括固定出口压力、按时段控制、按流量控制、按特定点压力控制等方式。要实现上述压力优化目的，通常需要供助于管网水力模型的模拟，提供解空间上的目标函数值。美国费城水司在一个压力大、漏损率高的DMA中开展了压力管理，在降低背景漏失的同时，减少了水管破裂及水锤的发生频率。我国很多供水单位也采用压力管理来控制管网漏失。例如，在北京开展的一项研究，基于固定出口压力和按流量控制压力两种模式，分析了漏失与压力的关系，证明了压力控制以漏失控制的良好效果。澳大利亚的大部分供水公司、南非的德班、土耳其的安塔利亚等供水公司也都开展了压力管理工作，降低管网漏损率。应用压力管理时，要注意保证消防流量及压力。
分区管理通过逐步缩小管网管理单元，来缩小漏损识别区域。分区的自动划分方法是主要研究内容之一，目前主要采用图论或者多级平衡等算法自动生成分区方案，然后通过水力模拟、经济核算等对方案进行比选，得到最优的分区方案。北京自来水集团基于管网监测数据建立水力模型，探讨了DMA分区时的入口的优化选择方法。苏州工业园通过采用DMA分区计量技术管控管网漏损，经过3年将管网漏损率由原有的21%降低到10.3%。分区划分应重视划分规则的具体步骤、进出口管道连接方式、水力影响及经济评价等具体技术问题。
资产管理包括管道与配件的选择、安装、维护及更新等内容，是经济投入最大但也是最根本的漏损控制技术。目前，供水部门逐步基于管网运行规律指导资产管理工作，运用管龄与压力等指标构建了管网漏损预测及评价模型，开发了自动生成改造方案的软件。佛山市基于管网水力模型，制定、评估并优化第二水源工程方案。2012年发表的一项调查显示，位于美国、加拿大和澳大利亚的九家当地自来水公司，运用管道破损记录作为模型输入信息，构建破损模型以指导管网的维护更换工作，取得了良好的实践效果。由于供水系统运行的复杂性，对管网运行状态的模拟与预测均存在一定误差，因此需要根据实际情况，合理制定资产管理方案。
优化设计的目标是在保障供水服务的前提下，降低管网建设、运行、维护等费用，降低漏失率，提高可靠性。管网优化设计的算法与压力管理类似，也可以分为数学规划与元启发两种。数学规划算法需要与水力模拟嵌套使用；元启发算法则将水力模拟与优化迭代作为独立的计算步骤。北京自来水在分区的基础上开展漏失监测和管网压力优化，实现年节水约3 000万m³。泰国清迈的一个小镇以投资与水头损失最小化为目标，优化设计管道的管径。
我国城市供水管网以环状管网为主，结构复杂。在对供水管网合理分区的基础上，综合进行压力管理、漏损监测、分析与预警，并根据运行情况开展优化设计与维护更新工作，能够有效降低漏损率。同时，我国供水管网又存在气候、环境、经济及供水方式的差异，在开展应漏损控制时，应充分考虑管网的具体条件。
2.4 漏损控制信息化
物理、运行及环境数据的准确采集是供水管网科学管理的前提，因此基于各种传感器的数据获取成为重要的研究内容。传感器的监测对象不仅包括压力与流量等常规水力指标，还包括压力波、水流噪声信号等具有瞬时反馈性能的指标。传感器应用的研究集中在监测原理、布置方法、适用条件、监测阈值等科学问题上，为漏损控制提供有力的信息支撑。
供水管网运行数据的有效采集促进了管理平台的发展。研究人员在供水管网地理信息系统的基础上，构建水力模型，建设远程数据采集、存贮与控制系统，并与供水系统的调度管理有机结合，开发集供水监控、调度与数据分析为一体的平台，为管网漏损的迅速识别、定位与处理提供有力的技术支持。总体来说，平台的漏损控制软件可分为以下几类：
在管网全面运行数据基础上的水量平衡分析软件。该类软件主要是基于国际水协会水量平衡分析方法，对管网漏损构成进行分析，起到总体上明确管网漏损状态的作用。
在资产管理类软件基础上开发的管网漏损风险评估软件。该类软件以管网GIS数据和历史破损数据为基础，集成管网破损分析等相关方法，提供管网健康诊断功能。
在管网水力实时监测系统基础上开发管网漏损评估、预警软件。该类软件以长期的实际监测数据为基础，通过分析当前监测数据与历史数据的吻合程度，从而评估、预警管网漏损。该类软件主要针对管网分区进行分析。
在水力模型基础上开发的管网漏损定位软件。该类软件以水力计算为基础，通过对漏损状态下管网水力模拟数据与实测数据的对比，得到漏水点位置与大小。
以上漏损控制软件的侧重点不同，解决的具体问题也不同。在实际应用中均可取得较好的效果。需要注意的是，虽然软件中的方法具有一定的通用性，但其参数往往都与具体的案例紧密相关，因此，在不同管网中应用时，需根据管网的具体情况进行参数的调整。另外，由于管网漏损是一个复杂的系统性问题，上述软件往往都解决一个或几个特定问题，因此，未来应用注意系统的集成，从而为供水行业提供全面的漏损解决方案。
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供水管网漏损研究的发展趋势
通过CiteSpace软件文献共被引分析得出的高中介中心性文献、突显引文、文献聚类变化及时间线视图四个方面的结果，分析漏损研究的发展趋势。
3.1 中介中心性
文献共被引分析结果中，中介中心性用于表征节点担任其他节点之间最短路径的桥梁次数，该指标经过标准化处理，取值范围在0~1，节点的中介中心性越高，表示该结点充当“中介”的次数越高，提示较高的关联性或者新的研究趋势，衡量文献的关键性。表2为中介中心性最高的8篇文献，其中，4篇研究内容为漏损识别，2篇研究内容为压力管理，2篇研究内容为传感器应用；这说明上述主题在管网漏损控制领域内处于较为关键的位置。表2中4篇漏损识别文献均为基于水力数据的识别方法，而2篇传感器应用文献是提供水力数据的研究文献，而压力管理也需要水力数据作为支撑。因此，结合整个漏损领域论文的研究内容可知，基于水力数据的漏损控制具有突出的发展潜力。
表2 漏损研究领域高中介中心性的文献
3.2 突显引文
突显引文是指引用量突然发生变化的文献，这类文献通常代表研究主题关注程度的转变。突显引文有暴发强度和暴发状态持续时间两个属性。暴发强度越大，代表文献被引用频次的变化率越大；暴发状态的持续时间反映某研究主题的迅速发展阶段。表3列出了1999年到2018年的漏损研究突显引文，其中4篇研究内容为漏损机制，3篇研究内容为漏损识别，2篇研究内容为压力管理，1篇研究内容为计量评估。由表3可以看出，在2009年到2015年漏损机制方面的论文暴发，表明这段时间漏损方法论研究得到了重视；而漏损识别与压力管理作为比较关键的漏损控制技术，其受关注时间跨度较大。表3中各篇文献的暴发性引用阶段重合度较高，反映本世纪初到2015年，漏损研究处于整体上升发展阶段。
表3 漏损研究领域的突显引文
3.3 文献共被引分析的聚类数量
文献共被引分析结果以聚类网络的形式输出（见图1），聚类个数与模块系数反映研究领域的知识结构。聚类个数为该研究领域可划分的主要研究主题数；而模块化系数度量文献聚类的程度，该系数在0到1之间，数值越大表明划分出来的聚类结构越稳固。图3为从1999年开始，分别截至2012年到2018年，漏损研究论文的文献共被引分析聚类结果，圆点尺寸与截至年当年发表的论文数量呈正比。可以看出：从2012年到2018年，聚类个数处于上升态势，说明漏损研究不断细化；同时，2014年之后，聚类的模块化系数整体较高，说明聚类结构比较
图3 不同阶段聚类结果
3.4 文献共被引分析时间线视图
时间线视图勾划了聚类之间的关系和聚类中文献的时间跨度，如图4所示。各个聚类文献串在一条时间线上，时间线左端表示聚类开始出现的时间年份，时间线上节点为每类中的标志性的文献，节点越大代表被引用频次越高，节点之间连线代表文献存在共被引关系，节点及连线的颜色代表被引用的时间。时间线视图提供了两个角度的信息，一是节点（标志性文献）的个数与发表时间，可用于分析研究主题受到的关注程度；二是节点连线（文献的共被引关系）的密度与颜色，密度反映被引数量，颜色反映被引用时间，从而分析研究主题的热度。大多数情况下，上述两个角度的趋势是一致的，即研究主题中标志性文献的数量大，则该主题的文献被引次数多；研究主题中标志性文献的发表时间新，则该主题的文献被引用时间新。
图4 漏损研究时间线视图
由图4可知，近年来，各个研究主题基本上都有标志性的新文献发表，说明供水管网漏损研究处于稳步发展的状态。漏损识别与压力管理的标志性文献较多，文献共被引的次数多，与其他研究主题的共被引关系紧密，说明这两类控制技术受到更大关注。从2010年到2014年，漏损机制研究中持续出现高共被引频次的标志性文献，综合突显引文的分析结果，说明该主题在这一阶段呈现爆发式的发展。在计量评估研究方向上，2010年出现了1篇共被引频次较高的综述性文献，后面该方向也有所持续发展，但弱于漏损识别、压力管理和漏损机制三个方向。管理平台与传感器应用的文献共被引时间总体较新，出现聚类的时间也晚于其他研究主题，说明这两个主题的受到关注的时间短，但是由节点连线的密度可推测这两个研究主题上升趋势明显。效能评估与优化设计中，文献共被引的发生时间总体较早，说明这两个方向近期的关注度低于其他研究主题。漏损识别与漏损定位主题高度相关，两者研究时间长度类似，漏损识别的标志性文献要明显多于漏损定位，共被引的发生次数也更大，说明漏损识别的研究成果更多，受到关注更大。由共被引连线的密度，显示资产管理的研究热度低于其他研究主题。
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结论与展望
通过分析1999年到2018年Web of Science核心合集中收录的供水管网漏损研究论文，将该研究领域的主要知识结构归纳为方法论、信息化及控制技术三个研究方向，并具体细分为漏损识别、压力管理、漏损机制、计量评估、资产管理、管理平台、效能评估、分区管理、漏损定位、传感器使用、优化设计11个研究主题；供水管网漏损研究知识结构已经相对比较完善、稳定。
控制技术在漏损研究中占的比重最大，其中，漏损识别与压力管理两个主题得到业内的重点关注。近年来，漏损方法论与信息化研究进步显著，漏损机制的研究成果迅速增加；基于传感器的数据采集技术、管理平台的建设得到完善，发展劲头充足。可以预见，由于供水单位获取供水管网实时监测数据的能力越来越强，基于水力数据的漏损控制技术未来发展潜力仍然巨大，这也是目前智慧水务建设中的重点内容之一。
微信对原文有修改。原文标题：
微信对原文有修改。原文标题：供水管网漏损研究知识结构与发展趋势分析；作者：王晨婉、强志民、徐强；作者单位：中国科学院生态环境研究中心饮用水科学与技术重点实验室、天津理工大学环境科学与安全工程学院。刊登在《给水排水》2020年第10期。