CN104846926B - 一种体积法测量管网外源入侵的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体积法测量管网外源入侵的系统，包括：入侵管路，与管网的主管连通且设有入侵开口；水箱，用于储存入侵管路输出水流；观察管，与水箱连通用于观察水位变化；液位传感器，安装在水箱内的测量水位变化以计算管网外源入侵的实际值；压力传感器，安装在主管内，用于测量主管内的水压变化，并结合液位传感器测量的压力变化数据计算管网外源入侵的理论值；本发明还公开了一种体积法测量管网外源入侵的方法；本发明通过对比管网外源入侵的实际值和理论值，修正理论值，提高测量准确性，还设置了稳定水压的水箱以及代替录像机记录观察管水位变化的液位传感器，使实验操作更简单，数据精度更高，数据处理更方便。

Description

一种体积法测量管网外源入侵的系统和方法

技术领域

本发明涉及供水管网的技术领域，特别涉及一种管网外源入侵的测量系统和方法。

背景技术

自来水出厂后，水在供水管网运输过程中被污染是饮用水污染的重要途径之一。其中，供水管网中的低负压问题是引起管网水污染的重要原因。低负压事件其实是一种水击(或水锤)过程，当管道中流速迅速改变时，流速骤然减小或增加并伴有压力的大幅度波动。在正常供水条件下，管道内压力大于管外压力，水从管网缺陷处流失。一旦发生低负压事件，管道内压力就会低于管外压力，管外污水就会从管网缺陷处被吸入管网，称为管网入侵污染。

虽然现在也有研究者关注这一问题，但是大多集中在消除或降低管网中的负压的方向，例如，授权公告号CN 101187215 B的专利文献公开了一种全自动限流式无负压管网叠压供水设备，包括自来水进管，在自来水进管通过管路与稳流调节器罐体连接，在管路上依次设进水管远传压力表、倒流防止器、进水侧气体隔断器、过滤器；稳流调节器罐体内是流量调节器水腔，在稳流调节器罐体的底部设稳流调节器支座，在稳流调节器罐体底部的出水口处设清洗排污阀；水泵机组与旁通管并联后与稳流调节器罐体的底部出水管连接；旁通管与水泵机组的出水管并联后与出水总管连接，在出水总管上设出水总管远传压力表；在稳流调节器罐体上方设负压消除器罐体，二者之间设进气排气阻水阀，负压消除器罐体内是负压消除器气腔，在负压消除器罐体上设负压消除器远传压力表，充气阀、常闭式电磁阀。在全封闭的环境下，消除负压生成条件使设备在约束条件下运行，使运转时基本不产生负压，避免对管网的不良冲击，使管网稳定运行。

上述装置虽然可以在一定程度上降低管网中负压的发生，但是管网中水体流动复杂，完全去除负压的情况是不可能的，并且管网外源入侵体积是衡量管网入侵污染对公众健康影响程度的一个重要标准，现有研究中，测量管网外源入侵体积的方法主要有体积法和化学示踪法。

体积法利用与管道渗漏点相连的管外入侵装置，通过录像机实时记录入侵装置中的水量的体积变化，并以此反算管网外源入侵体积。实验中低负压事件发生的同时手动开启入侵装置与主管间的阀门以测定入侵体积，但手动操作很难做到两者完全同步，而且实验使用录像机记录入侵装置液位变化，成像模糊，数据处理难度大。

化学示踪法指在渗漏点外围水体中放入一定的示踪剂，使管外水维持一定的浓度，发生低负压事件时，在管网下游收集管网水，测量管网水中的示踪剂浓度，以此计算管网外源入侵体积。该方法在实验中存在示踪剂残留和衰减问题，影响实验精度，也影响下一工况的实验过程。同时实验过程较为繁琐，管网水收集困难。

发明内容

本发明提供了一种体积法测量管网外源入侵的系统，操作简单，便于获取稳定、准确的数据，提高计算外源入侵体积数值的准确性。

一种体积法测量管网外源入侵的系统，包括：

入侵管路，与管网的主管连通且设有入侵开口；

水箱，用于储存入侵管路输出水流；

观察管，与水箱连通用于观察水位变化；

液位传感器，安装在水箱内，用于测量水位变化以计算管网外源入侵的实际值；

压力传感器，安装在主管内，用于测量主管内的水压变化，并结合液位传感器测量的压力变化数据计算管网外源入侵的理论值。

本发明系统使用时，管网正常供水时，主管内压力大于水箱的压力，主管内的水经过入侵管路流入水箱，并从观察管流失；一旦发生低负压事件，主管内压力剧烈波动，随着压力的减小，水箱中的水就会被吸入主管，实际反映为观察管的水位下降，同时引起液位传感器读数变化，通过观察观察管内水位变化可以直观地感受到入侵现象并作出定性分析，与此同时，液位传感器水箱的液位变化信息，累加计算得到外源入侵体积的实际值，还可以通过压力传感器和液位传感器记录主管和水箱的水压变化，利用水压的变化数据，计算得到外源入侵体积的理论值，从而与实际值对比，修正理论值，提高测量准确性。

本发明设置一水箱来接收来自管网的主管压出的水流，与直接将观察管连接入侵管路相比，由于水箱的体积较大，蓄水量大，具有稳定水压的作用，与现实中管网外源入侵的水源一般体积较大的情况相似，提高测量的准确性；并且采用液位传感器代替录像机记录观察管水位变化，实验操作简单，数据精度高，数据处理方便。

为了方便测量不同大小的入侵开口所引起的入侵体积的变化，优选的，所述入侵管路包括连通主管和水箱的过水管，安装在过水管上的常开阀门以及可拆卸安装在过水管上且设有所述入侵开口的挡水板。设置具有不同大小和形状的入侵开口的挡水板，通过更换挡水板，可以测量不同大小的入侵开口所引起的入侵体积的变化，合理模拟实际管网的漏损点；常开阀门关闭后，可以进行挡水板的更换。

为了方便更换挡水板，优选的，所述挡水板通过法兰安装。法兰安装密封性好，拆卸安装方便。

优选的，所述水箱的体积与主管直径的比值大于5×10⁴mm²，此时，水箱的体积对测量数据的影响非常小，可以忽略不计。

本发明中的液位传感器和压力传感器可以采用具有直接读取数据功能的传感器，为了方便数据的采集和结果的计算，优选的，还包括接收所述液位传感器和所述压力传感器所记录数据的数据采集系统，所述数据采集系统包括数据采集模块、稳压电源和计算模块。

为了方便安装和观察，优选的，所述观察管安装在水箱的顶面上。

本发明提供了一种体积法测量管网外源入侵的方法，测量水箱的液位变化信息，累加计算得到外源入侵体积的实际值的同时，还通过压力传感器和液位传感器记录主管和水箱的水压变化，利用水压的变化数据，计算得到外源入侵体积的理论值，从而与实际值对比，修订理论值，提高测量准确性。

一种体积法测量管网外源入侵的方法，包括以下步骤：

(1)将上述的体积法测量管网外源入侵的系统的入侵管路接入管网的主管；

(2)使入侵管路导通，主管内的水流通过入侵管路充满水箱并进入观察管；

(3)在主管内发生负压现象时，使入侵管路处于导通状态，观察管内发生液位变化，液位传感器记录液位变化，同时压力传感器检测主管内的压力变化；

(4)待负压现象结束后，所记录的液位变化总和即为管网外源入侵体积的实际值，同时根据主管和水箱的水压变化，计算发生负压现象过程中外源入侵体积的理论值。

优选的，计算发生负压现象过程中外源入侵体积的理论值的具体步骤包括：

a、在时间段Δt内，入侵体积ΔV_i的计算公式为：

Q_i为入侵开口的瞬时流量，A为入侵开口的断面面积；H_ext为Δt内入侵开口在水箱侧的水压瞬时值，H_i为Δt内主管内压的瞬时值；C_d为入侵开口的出流系数，C_d＝0.60～0.62；理论上，Δt取值越小，测量精度越高，为了兼顾计算效率，Δt一般取值范围在0.001～0.050s。

b、将整个负压现象过程中，每一时刻的入侵体积累加就能得到总的外源入侵体积的理论值。

利用本发明方法的公式对外源入侵体积的理论值进行计算，结合实际值，相互对比，可以提高测量准确性。

优选的，步骤(2)中，保持入侵管路在常通的状态，从而避免手工导通入侵管路而导致得到数据不准确的问题，将入侵管路保持在常通的状态，记录得到准确、完整的观察管液位变化情况，可以计算得到准确的外源入侵体积。

进一步优选的，初始设定C_d＝0.62，将步骤(4)中计算得到的外源入侵体积的实际值和计算得到的外源入侵体积的理论值进行比较，修正入侵开口的出流系数C_d。从而提高计算公式的计算准确性，对于断面面积相同的入侵开口，在不方便安装测量系统的地方，可通过理论计算得到接近实际的入侵结果。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过液位传感器水箱的液位变化信息，累加计算得到外源入侵体积的实际值，还通过压力传感器和液位传感器记录主管和水箱的水压变化，利用水压的变化数据，计算得到外源入侵体积的理论值，从而与实际值对比，修正理论值，提高测量准确性；

(2)本发明设置水箱来接收来自管网的主管压出的水流，与直接将观察管连接入侵管路相比，由于水箱的体积较大，蓄水量大，具有稳定水压的作用，与现实中管网外源入侵的水源一般体积较大的情况相似，提高测量的准确性；

(3)本发明采用液位传感器代替录像机记录观察管水位变化，实验操作简单，数据精度高，数据处理方便。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为图1的俯视图。

图3为图2中A-A方向的剖视图。

具体实施方式

如图1～3所示，本实施例的体积法测量管网外源入侵的系统包括透明水箱8，水箱长0.4m，宽0.2m，高0.5m，顶部连通观察管9的底端，侧壁装有液位传感器10，另一侧面连接由直管7、法兰5、开设有入侵开口的挡水板6、球阀3依次连接组成的入侵管路，入侵管路通过三通2与主管1相接。

透明水箱8顶部开一圆孔，圆孔孔径与观察管9内径相同，观察管9置于圆孔上，连接处使用有机玻璃胶密封固定。由于使用有机玻璃胶，观察管9可以反复装卸，而不同长度的观察管9可以模拟不同的外压工况，内径小的观察管9有利于提高液位传感器10的测量精度，所以可根据实验要求选择长度和内径合适的观察管9，本实施例中，观察管9的内径34mm，高度可选20mm、30mm、40mm、50mm。

入侵管路中部的挡水板6、法兰5和螺栓4组成一个可以随时拆装的节点。拧下螺栓4就可以把透明水箱8和主管1分离，方便水箱的清洗和部件的安装，挡水板6也可以随时更换。实验中，使用开有各种不同孔口(入侵开口)的挡水板6可以模拟供水管网中各种形状和大小的渗漏点。球阀3位于入侵管路与主管1连接处，通过三通2与主管1相接，在实验中保持常开状态，实验结束后或者更换部件时才关闭。

液位传感器10装于透明水箱侧壁，用于获取水箱内水位变化信息，高频压力传感器11装于主管1上，用于获取主管内压力变化信息。液位传感器10和高频压力传感器11均与数据采集系统12连接。数据采集系统12由数据采集模块、稳压电源和计算模块三部分组成，能对传感器获取的信息进行实时记录并以标准格式文件形式存储输出，便于后期的数据分析。

本系统使用时，将本系统安装到管网的主管上，管网正常供水时，主管1压力大于透明水箱8的压力，管内水经由球阀3、法兰5、挡水板6、直管7依次连接组成的入侵管路流入透明水箱8，并从观察管9流失。一旦低负现象发生，管内压力剧烈波动，当管内压力小于箱内压力时，透明水箱8中的水就会被吸入主管1，实际反映为观察管9水位下降，同时引起液位传感器10读数变化。观察管9内水位变化即可直观地反映入侵现象。与此同时，水箱上液位传感器10和主管上高频压力传感器11获取的信息由数据采集系统12记录、存储并统一输出。

待负压现象结束后，所记录的液位变化总和即为管网外源入侵体积的实际值；

并且利用水箱上液位传感器10和主管上高频压力传感器11获取的信息，计算发生负压现象过程中外源入侵体积的理论值，步骤包括：

a、在时间段Δt，Δt＝0.002s，入侵体积ΔV_i的计算公式为：

Q_i为入侵开口的瞬时流量，A为入侵开口的断面面积；H_ext为Δt内入侵开口在水箱侧的水压瞬时值，该水压瞬时值可由液位传感器测得的压力值，以及液位传感器与入侵开口之间的高度差计算得到，H_i为Δt内主管内压的瞬时值；C_d为入侵开口的出流系数，C_d＝0.62；

b、将整个负压现象过程中，每一时刻的入侵体积累加就能得到总的外源入侵体积的理论值。本测量方法中，将理论计算和实际测量体积相结合，有利于提高测量的准确性。

将步骤(4)中计算得到的外源入侵体积的实际值和计算得到的外源入侵体积的理论值进行比较，修正入侵开口的出流系数C_d。从而提高计算公式的计算准确性，对于断面面积相同的入侵开口，在不方便安装测量系统的地方，可通过理论计算得到接近实际的入侵结果。

综上所述，本实施例的体积法测量管网外源入侵的系统和方法，结构简单，使用方便，可以准确测量外源入侵的体积。

Claims (6)

1.一种体积法测量管网外源入侵的系统，其特征在于，包括：

入侵管路，与管网的主管连通且设有入侵开口；

水箱，用于储存入侵管路输出水流；所述水箱的体积与主管直径的比值大于5×10⁴mm²；

观察管，与水箱连通用于观察水位变化，所述观察管安装在水箱的顶面上；

液位传感器，安装在水箱内，用于测量水位变化以计算管网外源入侵体积的实际值；

压力传感器，安装在主管内，用于测量主管内的水压变化，并结合液位传感器测量的压力变化数据计算管网外源入侵体积的理论值；所述入侵管路包括连通主管和水箱的过水管，安装在过水管上的常开阀门以及可拆卸安装在过水管上且设有所述入侵开口的挡水板。

2.如权利要求1所述的体积法测量管网外源入侵的系统，其特征在于，所述的挡水板通过法兰安装。

3.如权利要求1～2任一权利要求所述的体积法测量管网外源入侵的系统，其特征在于，还包括接收所述液位传感器和所述压力传感器所记录数据的数据采集系统，所述数据采集系统包括数据采集模块、稳压电源和计算模块。

4.一种体积法测量管网外源入侵的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将如权利要求1～3任一权利要求所述的体积法测量管网外源入侵的系统的入侵管路接入管网的主管；

(2)使入侵管路导通，主管内的水流通过入侵管路充满水箱并进入观察管，保持入侵管路在常通的状态；

(3)在主管内发生负压现象时，使入侵管路处于导通状态，观察管内发生液位变化，液位传感器记录液位变化，同时检测主管内的压力变化；

(4)待负压现象结束后，所记录的液位变化总和即为管网外源入侵体积的实际值，同时根据主管和水箱的水压变化，计算发生负压现象过程中外源入侵体积的理论值。

5.如权利要求4所述的体积法测量管网外源入侵的方法，其特征在于，在步骤(4)中，计算发生负压现象过程中外源入侵体积的理论值的具体步骤包括：

a、在时间段Δt内，入侵体积ΔV_i的计算公式为：

${\mathrm{\ΔV}}_i=Q_i\mathrm{\Δ}t=C_{d}A\mathrm{\Δ}t\sqrt{H_{ext}-H_i},H_{ext}>H_i$

Q_i为入侵开口的瞬时流量，A为入侵开口的断面面积；H_ext为Δt内入侵开口在水箱侧的水压瞬时值，H_i为Δt内主管内压的瞬时值；C_d为入侵开口的出流系数，C_d＝0.60～0.62；

b、将整个负压现象过程中，每一时刻的入侵体积累加就能得到总的外源入侵体积的理论值。

6.如权利要求5所述的体积法测量管网外源入侵的方法，其特征在于，初始设定C_d＝0.62，将步骤(4)中计算得到的外源入侵体积的实际值和计算得到的外源入侵体积的理论值进行比较，修正入侵开口的出流系数C_d。