資訊時代的水資源管理

作者/林旻君

「水資源管理」是本世紀供水行業的重要課題,在自然資源不斷地耗損下,「漏損控制」便成了一重要議題。「漏損控制」不僅在解決現有管網的漏損問題;對於新設管網,更應將「漏損控制」列為重要的設計考量。尤其在經濟快速發展的中國,如何兼顧新舊系統的有效供水,是確保水資源永續發展的先決條件。 竊水、水表誤差、閥栓滲漏、管線漏水… 等,供水漏損的原因很多,造成漏損的程度也有很大的差異。到底那些是供水漏損的主要原因?漏損水量又是多少?這是不易回答的問題。就算知道漏損情況,如何擬定經濟有效的漏控策略,也是需要審慎考量、長遠 規劃的難題。有時做好水壓管理(Pressure anagement),就能達到相當程度的漏損改善。有時必須投資大筆經費進行管線汰換(Asset Management),才能有效降低漏損情況。 本文針對水資源管理之重要議題,個別探討,內容如下所示:
    1.水表的新角色 2.對計量行為的管理 3.標準水量平衡表 4.分區計量 5.產銷差率的迷思 6.漏控策略與經濟漏損量 7.績效指標
水表的新角色 供水行業可分為「淨水」、「輸配水」、「售水」三部分。就淨水廠生產操作的觀點,水表只是生產製程中以模擬訊號(4-20 mA)輸出的流量傳感器。至於累計水量乃由(瞬間流量)乘上(採樣時距)計算而得。但是,由模擬訊號以及取樣頻率所造成的計算誤差,卻也造成計量管理上的困擾。最常見的現象就是,控制室的積算水量與現場水表的顯示水量,兩者之間存在的差異。 另外,淨水廠的圖控系統是一個封閉型的區域網路。但是,為了資訊取得與分享的便利性,計量管理系統經常採用互連網(Internet)資訊平台。因此,如何將淨水廠的計量資訊,即時正確的提供計量管理系統,又不造成圖控系統的資通安全威脅,是一項必需克服的問題。 傳統上,我們對供水管網各種訊息(水質、水量、水壓)的關注,多半停留在操作面。所以,經常可以看到極為壯觀的控制中心。可是,一旦走出控制中心,其它單位卻無法得知供水管網的即時訊息。如何讓供水訊息走出控制中心與各單位共同分享,是落實經營管裡的重要基礎。這方面就有賴於網路資訊平台的建置。 另外,在供水管網漏損控制方面,目前仍需耗費大量人力,四處稽查可能漏水的區域。由於漏損的發生難以預測,採逐一盤查的檢漏方式,其作業效率有待商榷。我們應該善用水表高解析流量分析能力以及網路通訊功能,隨時監測計量小區(DMA)的用水情況。一旦發現漏水可能,立即透過網路平台自動回報。 「一戶一表」是供水服務的一大進步,卻也是「抄表管理」夢魘的開始。為了提高抄表效率,市場上充斥著各種具備電子及通訊功能的水表產品。但是,任何新產品的推出,多少都帶著風險。因此,不論是水表採購方(水司)或是產品供應商,我們必須思考以下問題: 1.用戶水表檢定有效期限是五年,如果該技術在幾年內就被取代或淘汰,或是生產廠商發生狀況,該如何處理? 2.用戶水表安裝數量龐大,萬一日後發現問題,又該如何善後?為了將風險降到最低,在此建議一個斧底抽薪的辦法。就是由國家出面,召集各相關領域具實務經驗的學者專家,共同制訂國家標準。一方面,為製造廠商指引一些有競爭力的發展方向,另一方面,為自來水公司提出一些有利產品的採購建議。 對計量行為的管理 計量管理分為兩個層面:「對計量行為的管理」與「以計量數據進行管理」。所謂對計量行為的管理,簡單的說,就是「確保計量準確」的管理措施。就管理而言,計量數據好比指向管理目標的羅盤。此時,錯誤的資料,比沒有資料還可怕。要確保計量準確,首先就要「質疑」每一個計量值。而這裡所謂的質疑,不是無的放矢,而是瞭解計量原則之後,所進行的理性辯證。以下,就流量實驗室、安裝環境、操作使用三方面進行探討。 手錶要準確,必需跟某個「標準時間」進行對時。同樣的,水表要準確,也要跟某個「標準件(標準量槽)」比對。而此一過程,就在流量實驗室進行。這裡所謂的流量實驗室,並不僅限於科研單位。它是指一個依據某一合理且嚴密控管的標準操作程序與環境,及嚴謹的結果展現(報告書);且其「標準件」必需是可追溯的。此一原則不僅適用於具有實體建築物的實驗室,也適用於水表安裝現場的「在線檢驗」。這是,確保水表正確計量的第一步。 水表的計量準確性或多或少,都會受到流場不穩定的干擾。《圖一》顯示水流經過連續兩個不同平面90彎管之後,因為流場的旋轉效應,造成計量誤差與測量不確定度的變化情形

《圖一、流場干擾對計量誤差與測量不確定度之影響》
現今很多水表都已具備瞬間流量的顯示功能。當我們看到瞬間流量值的時候,想當然耳的認為,水流的真實流量應該就是它。關於這點,還是有待商榷。因為,管路內部水流的行為表現,分為巨觀與微觀兩種尺度。所以,就算在所謂「穩定」水流的情況下,水表感測信號的微幅擾動在所難免。為了避免瞬間流量顯示值的頻繁跳動,一般水表廠商會透過某種演算法,取得一個「看似穩定」的平均顯示值。此一「人工處理」,在流量發生極劇變動的時候就可明顯看出。《圖二》顯示某水表以前五次的流量平均值,以取得顯示上的穩定。但是,在流量極劇變動時,其瞬間流量顯示值,就無法忠實顯現流量變化的趨勢。 《圖三》是瞬間流量另一個重要應用的範例。連續的藍色曲線乃模擬深夜2:00 到 4:00 之間,計量小區(DMA;District Metered Area)之流量趨勢圖。紅色方塊(以紅線連接)代表進水口之水表每隔 10 分鐘所紀錄的瞬間流量值。藍色圓點(以綠色虛線連接)代表每 30 分鐘,以人工抄寫積算值,再以兩次積算值相減除上時間,以此求得的瞬間流量。圖中可以清楚的看到,對計量小區而言,瞬間流量的取樣頻率,以及演算法,直接影響我們對夜間最小流量的判定。以圖三 例,實際夜間最小流量為 6.5 m3/hr(3:42),而每 10 分鐘紀錄一次的方式為7.5 m3/hr(3:00),每 30 分鐘人工抄表一次的方式則為 8 m3/hr(4:00)。

《圖二、真實流量與顯示流量》

《圖三、計量小區(DMA)之夜間最小流量值》
標準水量平衡表 IWA 標準水量平衡表(Standard Water Balance)不僅是一張表單,更是分析漏損問題的工具《表一》。它看似品管特性要因圖(魚骨圖)與財務試算表的綜合體。藉由標準水量平衡表,可以清楚掌握漏損因素及漏損水量,這是有效實施漏損控制的先決條件。從標準水量平衡表,可以得到以下幾個重要觀念: 1. 將「用水」分成 9 個項目(表一 第四欄),並分別給予明確的定義。在此同時也傳達一個信息,就是除了 9 個用水項目之外,再也沒有其它的用水方式。 換句話說,標準水量平衡表已將問題的框架定義清楚,我們只需依循此一框架,將每個項目展開成各種可以測量或推估的細項即可。 2.清楚定義「產銷差水量」。如果產銷差水量等同於無收益水量(NRW;Non-Revenue Water),《表一》即可清楚定義產銷差水量的組成項目。避免水公司之間因為定義不同,造成誤解。 3.標準水量平衡表是「質量不滅」計算公式。 所謂平衡,意指公式等號的兩邊必需相等。取表一的第一欄及第三欄進行水量平衡計算,得到下列公式: 系統供給水量=計費合法用水量+不計費合法用水量+表觀漏損+實質漏損 …(1) 如果系統供給水量、計費合法用水量、不計費合法用水量、表觀漏損為已知,即可由公式(1),求得實質漏損水量。因此藉由標準水量平衡表的計算,可以估算實務上難以測量的實質漏損水量。

《表一、(a) IWA 標準水量平衡表(原文)》

《表一、(b) IWA 標準水量平衡表(中文翻譯)》
分區計量 國內已有水司開始推廣分區計量(DMA;District Metered Area)。方法不外測量夜間最小流量(MNF;Minimum Night Flow),再根據DMA用水型態及MNF大小,研判漏損情況。最後,據此決定是否進行檢修漏措施。 依據 IWA 的觀念,MNF包括:用戶夜間用水量及淨夜間流量(NNF;Net Night Flow)。 而NNF又可分為背景漏水(Background Leakage)及破管漏水(Burst Leakage)兩種。背景漏水是指:供水管網中給水配件所產生,難以偵測的微量滲漏。而破管漏水則是:供水管網中因為管件破損所造成的可偵測漏水。過去直觀上將漏水分成明漏與暗漏,如今改以背景漏水及破管漏水來分析漏損問題,這是漏控觀念的一大突破。 《圖四》為某 DMA 的 24 小時用水量曲線,圖中可清楚看出用水量曲線是由用戶用水量、 破管漏水量、背景漏水量,三部分組成。以 24 小時的觀察時距,可假設破管漏水量及背景漏水量為定值。如果經由實地測量或統計推估,取得用戶夜間用水量。可進一步依據 N1 Step Test 的標準程序,求得 N1、背景漏水、破管漏水、設施條件因子(ICF;Infrastructure Condition Factor)等重要參數。

《圖四、24 小時 DMA 用水量曲線》
求得每日用戶夜間用水量、背景漏水、破管漏水 參數後,緊接著描繪夜間最小流量變化曲線《圖五》。此時破管漏水將是造成曲線高低起伏的唯一因素。藉此,就能精準掌握 DMA 的破管漏水量(可偵測並修復之漏損)。 至於 N1,根據 FAVAD(Fixed and Variable Area Discharges)理論,N1 是水壓管理的重要指標《圖六》。簡言之,N1 值越大,DMA 實質漏損隨著水壓變化的程度就越大。 另外,ICF 是瞭解 DMA 管線狀況的重要指標。當 ICF 等於 1,表示 DMA 設施條件正處於最低背景漏水的狀態(例如新建置的供水管網)。換句話說,ICF 越大,DMA 的設施條件越糟糕。

《圖五、DMA 夜間最小流量曲線圖》

《圖六、供水壓力與漏水量關係圖》
產銷差率的迷思 產銷差率的迷思產銷差率是國內水司衡量漏控績效的主要指標。產銷差率看似簡單易懂,但就標準水量平衡表的觀點,可清楚看出其中隱含的迷思。根據產銷差率的定義,計算公式如下: 產銷差率 = 無收益水量 ÷ 系統供給水量 …(2) 假設某供水系統因經濟不景氣,日供水量 20 萬 CMD,產銷差率 20 %。最近景氣復甦,許多工廠相繼加班趕工,日供水量倍增為 40 萬 CMD。在供水壓力不變的情況下,不計費合法用水量及實質漏損變化不大,至於表觀漏損也是增加有限。 就公式(2)而言,在系統供給水量倍增的情況下,無收益水量並未等同增加。結果就是產銷差率明顯下降。如果不計費合法用水量、實質漏損、表觀漏損的變化量忽略不計,則產銷差率只剩 10%。亦 即,在供水系統完全不變的情況下,用水量增加一倍,產銷差率立即減半! 以上,說明標準水量平衡表不只是計算漏損水量的方法,更是釐清供水問題的有效 工具。因為它是供水系統的「質量不滅定律」。

【說明】MLD 是 Million Litter per Day(百萬公升 / 天)的縮寫。1 萬 CMD = 10 MLD
漏控策略與經濟漏損量 藉由 標準水量平衡表、因子分析(Component Analysis)、DMA 等技術,可以清楚 掌握供水系統的漏損情況。接著 IWA 針對實質漏損及表觀漏損分別提出不同的漏控策略。 《圖七》及《圖八》,分別為實質漏損與表觀漏損的四個漏控策略。首先我們要瞭解,不論 是標準水量平衡表或是漏控策略,IWA 都採年度水量結算。這就是圖七及圖八的漏控策略 圖中,特別標明 Annual(年度)的原因。其次,兩圖中央的矩形方塊各由三部分所構成。 最核心的部分,不可避免年度實質漏損(UARL;Unavoidable Annual Real Losses)代 表以現今技術所能達到的供水系統最佳操作維護狀態時,依然存在的最低漏損水量。而不 可避免年度表觀漏損(UAAL;Unavoidable Annual Apparent Losses)則是一個抽象概念, 它代表用盡各種漏控策略,所能達到的最低限度表觀漏損水量。於是 UARL 與 UAAL,共 同築起一道無法穿越的藩籬《圖六》。 由 UARL 或 UAAL 往外延伸,就是經濟實質漏損量(ELRL;Economic Level of Real Losses)與經濟表觀漏損量(ELAL;Economic Level of Apparent Losses),兩者統稱經濟漏損量(ELL;Economic Level of Leakage)。ELL 代表一個非常重要的觀念:任何漏控行為都必須付出代價。如何在「成本(漏控)」與「效益(減漏)」之間,找到最有利的 平衡點,這就是 ELL《圖九》。

《圖七、實質漏損控制的四個策略》

《圖八、表觀漏損控制的四個策略》

《圖九、漏損控制之成本效益圖》
績效指標 沒有計量,就沒有管理。尤其供水行業漏損控制的實施績效,不僅關係著國家水資源政策的落實,也間接影響水價調整的社會觀感。IWA 出版的Performance Indicators for Water Supply Services,將供水事業的績效指標(Performance Indicator)分成六個群 組:水資源(Water Resources),人力資源(Personnel),設備(Physical),操作(Operational),服務品質(Quality of Service),經濟與財務(Economic and Financial)。 表二是由 IWA 漏損專案小組推薦,與漏損控制相關的績效指標。其中設施漏損指標(ILI; Infrastructure Leakage Indicator)是檢視供水系統實質漏損狀況的代表性指標。它不但比 NRW(或產銷差水量)客觀,同時也是世界各國所公認,作為不同供水系統間相互比較的漏控指標《圖十》。

《表二、漏控相關之績效指標》

《圖十、美國及加拿大地區 20 個供水系統的 ILI 值》
參考文獻 1.D. W. Spitzer, Flow Measurement – Practical Guides for Measurement and Control, Instrument Society of America (1996) 2.Alegre, H., Baptista, J. M., et al., Performance Indicators for Water Supply Services, IWA Publishing (2006) 3.IWA Water Loss Task Force, Best Practice Performance Indicators for Non-Revenue Water and Water Loss Component:A Practical Approach, Water 21 (2003) 4.IWA Water Loss Task Force, Assessing Non-Revenue Water and its Components:A Practical Approach, Water 21 (2003) 5.IWA Water Loss Task Force, Practical Approach Initiatives to Water Loss Reduction, Water 21 (2003) 6.IWA Water Loss Task Force, Managing Leakage by Managing Pressure – A Practical Approach, Water 21 (2003) 7.IWA Water Loss Task Force, Leakage Detection Practices & Techniques – A Practical Approach, Water 21 (2003) 8.IWA Water Loss Task Force, Managing Leakage by District Metered Areas, Water 21 (2003) 9.IWA Water Loss Task Force, Assessing Real Losses, including Component Analysis and Economic Considerations:A Practical Approach, Water 21 (2003) 10. IWA Water Loss Task Force, Apparent Water Loss Control, Water 21 (2003)