CN107355684B - 一种管网故障水力监测实验系统及其实现故障辨识的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管网故障水力监测实验系统及其实现故障辨识的方法，该系统包括：分别模拟被监测的调水工程、市政供水管网水库上游不同供水压力和流量以及泄放下游水量的可调式高位水箱及可调式低位水箱；根据实际工程局部管网物理拓扑结构利用多种管道模拟构建、并布置有水力测量设备的模拟管网；产生度瞬变流的低强度瞬变激发器；采集模拟管网系统参数和水力数据并分析的SCADA系统；模拟不同尺寸泄漏的泄漏孔，以及模拟管道阻塞的闸板阀或细管的管道故障模拟装置。本发明能够兼顾泄漏和阻塞，并结合可控低强度瞬变流激发装置和数据采集分析系统实现管网故障辨识，应用广泛，易于控制、不易造成大压力水锤波动，构成简单，经济实用，易推广。
Description
技术领域
本发明涉及供水管道、管网系统故障检测技术，具体涉及一种管网故障水力监测实验系统及其实现故障辨识的方法。
背景技术
管道故障包括泄漏和阻塞等，是管道输送液体过程中一种普遍存在的现象，会造成大量的资源损失、能量浪费和环境污染。管道输水工程、输配水管网、城市排水管网中故障预警、监测和快速准确定位的理论和方法一直是当前社会的一个热点需求，也已经成为我国建设节水型社会迫切需要解决的关键问题之一，具有重大的社会经济和现实意义。
目前，国际上对管道输水系统的故障检测研究越来越重视，研究热点是瞬变检测法，该法是供水管道、管网泄漏检测准确性、可靠性较高的一种方法；因为在瞬变条件下，即使微小的泄漏，管道的水压波形也存在着明显差别，与其它方法(如压力梯度法、负压波法等)相比，这一特点可以更好的确定泄漏故障发生位置。
近年来，国内外各大水司均在发展智慧水务，通过智慧管网及调度来实现减少爆管、降低漏失率和产销差，其核心在于构建管网SCADA(Supervisory Control And DataAcquisition，数据采集与监视控制)系统，并与管网实时水力模型相结合。当模拟结果和实际监测的数据误差较大时，如何可靠、有效的调整参数来弥合这一误差，就是模型校验要达到的目的；相应的，水力模型的精确度取决于模型校验的程度。因此，在使用模型作辅助决策之前，首要基础工作是开展水力模型和物理仿真模型的校验，校验之后才能应用和推广。
在调水或供水工程领域，管道系统的典型布置一般包括以下几种：
(1)泵站到管道，再由管道到调节池(或者出水池、调压井、水库)，然后在调节池后接明渠或者管道，如引黄入晋输水工程、南水北调中线北京段有压管涵输水；
(2)调节池到管涵，再由管涵到调节池(或者保水堰)，然后在调节池后接明渠或者管涵，如南水北调中线天津段有压管涵输水系统；
(3)调节池(泵站)到管网，然后管网后接用户，如一般的市政供水系统。
如图1所示，对管道系统监测的布置一般包括两部，分别为各种数据监控采集的计算机和设在监测站的带有仿真软件的中心计算机，以及测量管涵中瞬时流量、压力传感器和将其检测数据传输到数据监控采集的计算机的通讯设备。将管涵中检测点的流量、压力等参数传输到装有在线仿真软件的中心计算机，通过中心计算机计算出瞬变过程的数据，由管理人员对该瞬变过程的数据进行分析和处理。这种对管道系统监测的布置构建的故障监测模型可归纳为：水库(调节池、泵站)到管道，再到末端阀门的概化物理模型(如图2所示)，这是目前国际上研究较多的概化物理模型。
上述故障监测模型，是基于瞬变流的故障检测方法，由末端阀门部分关闭/开启或特殊激励方式(比如正弦波扰动)、伪随机二进序列压力信号(PRBS)制造扰动信号，同时由SCADA系统中的流量、压力传感器记录闸门(激励阀门)和调节池(水库)处流量、压力和水位的水力瞬变时间历程，因输水管道故障的存在及其位置直接影响着系统压力波形的畸变和衰减特性，通过对理论模拟的时频特性和实测的时频特性比较和反问题分析，可以确定泄漏大小和位置。
虽然基于瞬变流的检测法的故障监测模型具有很大的研究和实用价值，但存在以下问题：
(1)智慧管网及调度核心是构建管网SCADA系统，并与管网实时水力模型相结合，因此在作辅助决策之前，首先要对水力模型和物理仿真模型进行校验，校验之后才能应用和推广，但在这方面，尚缺乏系统性的故障辨识和诊断实验平台来支撑二者的校验。
(2)与管道泄漏相似，管涵故障为局部阻塞时也将改变管道内流体的水力特性，它所引起的水头损失一般是阻塞物尺寸和平均流量的函数，从这点来看，阻塞对水流的作用可等效为管道系统中有一未完全关闭的阀门或者一根较短的细管；但目前的故障监测模型并不能兼顾阻塞，而国内也非常缺乏管道局部阻塞方面的辨识基础理论和方法，没有兼顾泄漏、阻塞一体化模拟的检测实验平台。
(3)现有管网故障瞬变检测法利用管道末端阀门迅速全关或全开产生流量脉冲或等幅正弦周期扰动、方波扰动不符实际设计、运行要求。对于大型管道工程，一般采用缓慢的阀门启闭速度，以减小管道承受的水击压力，或者防止管道因瞬时压力过低发生液体汽化现象，保证系统运行安全；对于管网供水系统，由于各种管材(如钢管、PE管、铸铁管、水泥管等)耐压不同，阀门快速关闭激励的压力太大容易引发水锤问题，有增大发生爆管风险的可能；可见现有瞬变流激发方法在实际应有中可行性严重受限。
综上所述，亟需建立一种能够兼顾模拟不同泄漏孔、局部阻塞在内的管网故障水力监测实验系统，并结合可控式低强度瞬变流激发装置产生类似阀门关闭激励瞬变流和数据采集分析系统实现管网故障辨识。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何建立一种能够兼顾模拟不同泄漏孔、局部阻塞在内的管网故障水力监测实验系统，并结合可控式低强度瞬变流激发装置产生类似阀门关闭激励瞬变流和数据采集分析系统实现管网故障辨识的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种管网故障水力监测实验系统，包括：
可调式高位水箱，内置平水栅，用于模拟被监测的调水工程、市政供水管网水库或上游不同供水压力和流量；
可调式低位水箱，内置平水栅，泄放下游水量；
模拟管网，根据实际工程局部管网物理拓扑结构利用多种管道模拟构建，并布置有水力测量设备，测量水力数据，其设置在可调式高位水箱和可调式低位水箱之间，分别通过一个控制阀与两者连接；
低强度瞬变激发器，安装在模拟管网管道末端，用于产生激发水击波；包括：
蓄能器空气罐，用于储存压缩空气和水体；
磁致伸缩式液位计，设置在所述蓄能器空气罐上，用于实时测量所述蓄能器空气罐内水位降落幅度和速度；
压力表，设置在所述蓄能器空气罐顶部，用于实时测量所述蓄能器空气罐空气的压力值；
出水管，一端与所述蓄能器空气罐底部连接，另一端通过一个控制球阀与设有压力传感器的模拟管网末端管道连接，通过快速开或关所述控制球阀为管网系统提供较高压的水体，并产生低强度瞬变流；
SCADA系统，采集模拟管网系统参数和水力数据，并进行分析。
管道故障模拟装置，包括模拟不同尺寸泄漏的泄漏孔，以及模拟管道阻塞的闸板阀或细管，分别布置在模拟管网相应位置，通过打开或关闭模拟有、无泄漏和阻塞。
在上述系统中，所述模拟管网上布置的水力测量设备有数字式电磁流量计、压力传感器；所述数字式电磁流量设置在在靠近所述可调式高位水箱处；所述压力传感器设置在所述可调式低位水箱所在的管网末端管道处。
在上述系统中，所述管道长度200-300m，直径100-200mm。
在上述系统中，所述模拟管网依附地面消火栓及其连接管道，根据实际工程局部管网物理拓扑结构模拟构建；所述低强度瞬变激发器直接连接地面消火栓。
在上述系统中，所述磁致伸缩式液位计包括浮球、导杆和压力显示单元；
所述浮球套装在由一定的磁致伸缩物质构成的所述导杆上，竖直设置在所述蓄能器空气罐内部；
所述导杆下端固定在所述蓄能器空气罐底部，上端穿出所述蓄能器空气罐与所述压力显示单元固定连接；
水位上升或下降时，所述浮球随其做相应运动，产生电磁脉冲，电磁脉冲沿所述导杆的波导丝传到所述压力显示单元，所述压力显示单元根据电磁脉冲时间差计算液位值，并显示。
在上述系统中，所述蓄能器空气罐由空气蓄能器和压力罐组成；
所述空气蓄能器顶部设置所述压力表，底部通过法兰连接所述压力罐顶部；
所述压力罐上设有所述磁致伸缩式液位计，所述磁致伸缩式液位计的导杆竖直设置在所述压力罐内部，所述导杆下端固定在所述压力罐底部，上端穿出所述压力罐与所述磁致伸缩式液位计的压力显示单元固定连接。
在上述系统中，还包括一个支座或者可移动的小车，支撑或移动所述蓄能器空气罐。
在上述系统中，所述低强度瞬变激发器包括以下关键参数：
蓄能器空气罐整体高度H0；
蓄能器空气罐的直径Dv；
蓄能器空气罐初始内部水位高度H；
出水管长度L0及直径d0，反映到综合流量系数为Cd。
在上述系统中，最佳关键参数取值范围为：H0＝1.1-1.3m；Dv＝300-500mm；H＝0.9-1.1m；d0＝5-8mm；L0＝1.0-1.5m。
本发明还提供了一种采用上述管网故障水力监测实验系统实现故障辨别的方法，包括以下步骤：
步骤1、初始稳态流调节，调节上、下游的可调式高位水箱和可调式低位水箱水位，使之满足被模拟的实际管网上、下游压力，调节模拟有无故障状态的泄漏孔、阻塞孔；
步骤2、管网集成基本水力恒定模型的参数率定；
步骤3、向低强度瞬变激发器的激发器空气罐内充入一定体积的水体，然后利用充气泵打入氮气等气体，通过压力表得到压缩空气的压力，关闭出口管子的球阀；
步骤4、关闭管道末端阀门，将出水管控制球阀出口接入末端供水管网消火栓出口，手动快速打开球阀，使得较高压水体沿着出水口进入待检测管道或管网，产生流量突变，激励出低强度的瞬变流；
步骤5、进行步骤4的同时，SCADA系统对各监测点的压力、流量、低强度瞬变激发器水位、球阀开度过程的采集分析；
步骤6、捕捉阀前监测的瞬变压力过程关键监测点；
步骤7、利用泄漏定位公式、泄漏量公式或者集成的供水管网水力反问题分析模型辨识故障参数。
本发明建立一种能够兼顾模拟不同泄漏孔、局部阻塞在内的管网故障水力监测实验系统，并结合可控式低强度瞬变流激发器产生类似阀门关闭激励瞬变流和数据采集分析系统实现管网故障辨识，与现有管网故障水力监测实验系统方案相比，具有以下优点：
(1)本发明系统组成包括可调高低水箱、模拟管网(涵盖泄漏和阻塞模拟)、低强度瞬变流激发器、SCADA等，所以能够广泛应用于管网水力模型(包括恒定流模型、非恒定流模型)和物理仿真模型的参数率定、校验，具备支撑管网SCADA系统、管网实时水力模型、管网故障辨识数学模型三者耦合验证的能力；
(2)本发明的低强度瞬变激发器在快速开启控制球阀后，高压水柱进入待测管道，由于流量突然变化将产生水击激励波，可以得到类似于传统管道末端阀门快速关闭产生水击压力波的相同效果，且激发产生流量变化相对检测管道来说较小，得到的水击压力波最大压力值可控，一般控制为小于原管道管网压力的30％，不会对管道本身产生较大影响，克服了传统关阀易造成大压力水锤波动和不易控制的缺点；
(3)本发明构成简单、经济、实用，关键部件均是成品，故障辨识方法已有基础，只需按照本方法组合并适当改造即可满足要求，易推广。
附图说明
图1为输水管道、管网系统故障监测、辨识基本布置示意图；
图2为水库到管道，再到末端阀门的概化物理模型示意图；
图3为本发明提供的一种管网故障水力监测实验系统结构示意图；
图4为本发明中低强度瞬变激发器的结构示意图；
图5为本发明中低强度瞬变激发器为分体式的结构示意图；
图6为矩形特征线插值网格；
图7为本发明中管道中的泄漏孔节点示意图；
图8为本发明中管道中局部阻塞节点示意图；
图9为本发明中具体实施例的管道系统完好状态阀前压力过程示意图；
图10为本发明中具体实施例的管路系统出现泄漏工况1时的阀前压力过程和没有泄漏的阀前压力过程对比图；
图11为本发明中具体实施例的管路系统出现泄漏工况2时的阀前压力过程和没有泄漏的阀前压力过程对比图；
图12为本发明中具体实施例的管路系统出现泄漏工况3时的阀前压力过程和没有泄漏的阀前压力过程对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。
本发明应用于管道输水工程、输配水管网故障(包括泄漏、局部阻塞等)预警、监测和快速准确定位，用于支撑和校验供水管网数字化管理平台(包括健康评价、确定智慧管理方案的设备、技术和方法)。
如图3所示，本发明提供的一种管网故障水力监测实验系统，包括：
可调式高位水箱(钢制)1，用于模拟被监测的调水工程、市政供水管网水库或上游不同供水压力和流量，内置平水栅，以针对可调式高位水箱10的实际水压值来调节水位，并保持水位稳定。
模拟管网2，根据实际工程局部管网物理拓扑结构利用多种管材的管道(该管道长度200-300m，直径100-200mm)模拟构建，并布置有水力测量设备，水力测量设备包括数字式电磁流量计6、压力传感器9，用于测量水力数据，模拟管网2设置在可调式高位水箱1和可调式低位水箱3之间，分别通过一个控制阀8与两者连接；并在靠近可调式高位水箱1处设置电磁流量计6(测量上游进流流量)，在管网末端管道上最少设置1个压力传感器9。
在本发明中，模拟管网2可以为由多种管材的管道构建的环状管网，为了针对具体实际管道情况调整长度和布局，模拟管网2还包括可拆卸的拓展管道60。
低强度瞬变激发器，取代传统阀门，安装在模拟管网管道末端，用于产生激发水击波，如图4所示，包括：
蓄能器空气罐10，用于储存压缩空气和水体，在本发明中，由于圆柱体受力好，且最常见，蓄能器空气罐10一般为圆柱形。
磁致伸缩式液位计20，设置在蓄能器空气罐10上，用于实时测量蓄能器空气罐10内水位降落幅度和速度；其中，磁致伸缩式液位计20包括浮球21、导杆22和压力显示单元23，其中，浮球21套装在由一定的磁致伸缩物质构成的导杆22上，竖直设置在蓄能器空气罐10内部，导杆22下端固定在蓄能器空气罐10底部，上端穿出蓄能器空气罐10与显示单元23固定连接；水位上升或下降时，浮球21随其做相应运动，产生电磁脉冲，电磁脉冲沿导杆22的波导丝传到压力显示单元23，压力显示单元23根据电磁脉冲时间差计算液位值，并显示。
压力表30，设置在蓄能器空气罐10顶部，用于实时测量蓄能器空气罐10空气的压力值，
出水管40，一端与蓄能器空气罐10底部连接，另一端通过一个密封性好的控制球阀41与设有压力传感器9的模拟管网末端管道连接，通过开或关控制球阀41为管网系统提供较高压的水体，并产生低强度瞬变流，在本发明中，出水管40的直径要求较小，一般小于1cm。
本发明采用的低强度瞬变流激发器依靠流量突然变化产生水击激励波，实现了类似于传统阀门快速关闭产生水击压力波的相同效果，且激发水击压力波压力值可控，可以根据管道可承受的压力值任意设定，方便灵活，另外，其关键部件均为成熟器件，组合起来简单，投资低，适合推广。
如图3所示，可调式高位水箱1水压恒定，模拟管网2上设有模拟泄漏的泄漏孔5和模拟阻塞的闸板阀或细管7，在使用本发明提供的低强度瞬变流激发器代替传统激励阀门安装在管网系统末端时，将本发明的出水管40设有控制球阀41的一端接入末端管道或者供水管网消火栓70出口。
在安装前，要做以下准备：
(1)向蓄能器空气罐10内充入一定体积的水体，一般满足0.7<H/H0<0.9，其中，H0为蓄能器空气罐整体高度，H为蓄能器空气罐初始水位高度(即充入水体的高度)；
(2)利用充气泵向蓄能器空气罐10内打入氮气等气体，通过压力表30得到蓄能器空气罐10内压缩空气的压力；
(3)关闭出水管40上的控制球阀41。
在安装后，要运行检测，具体如下：
手动快速打开控制球阀41，使得具有较高压的水体沿着出水管40进入待检测管网系统(或管道)，产生流量突变，进而激励出低强度的瞬变流，利用压力传感器9同步实时采集瞬变压力信号，可以得到类似于传统阀门快速关闭产生水击压力波的相同效果。
在本发明中，为了便于拆卸和易于维护；蓄能器空气罐10还可以设计成分体式，如图5所示，将蓄能器空气罐10分为单独的空气蓄能器11和压力罐12；
空气蓄能器11内部充满压缩空气，顶部设置压力表30，底部通过法兰连接压力罐12顶部；压力罐12上设有磁致伸缩式液位计20，磁致伸缩式液位计20的导杆22竖直设置在压力罐12内部，导杆22下端固定在压力罐12底部，上端穿出压力罐12与磁致伸缩式液位计20的显示单元23固定连接。
本发明还包括一个支座或者可移动的小车50，支撑或移动蓄能器空气罐10，便于安装和操作运行。
在本发明中，低强度瞬变流激发器，包括以下关键设计参数：
(1)蓄能器空气罐整体高度H0；
(2)蓄能器空气罐的直径Dv；
(3)蓄能器空气罐初始内部水位高度H；
(4)出水管长度L0及直径d0，反映到综合流量系数为Cd。
在其它参数不变的情况下：蓄能器直径越大，第一个水击波越平缓；出水管直径相对越大，激发压力越大；球阀开启时间越短，水击波越不平滑，即器件选择和控制标准为蓄能器空气罐直径越大、控制球阀开启时间越短越好。在本发明中，关键参数最佳取值范围为：H0＝1.1-1.3m；Dv＝300-500mm，H＝0.9-1.1m；d0＝5-8mm；L0＝1.0-1.5m.
可调式低位水箱(钢制)3，通过一个控制阀8与模拟管网2末端管道连接，泄放下游水量。
SCADA系统4，集模拟管网参数和水力数据(包括模拟管网系统中管道的参数等参数，以及模拟管网系统2安装的电磁流量计6、压力传感器9所测量的数据等水力数据)，并进行分析。
管道故障模拟装置，包括模拟不同尺寸的泄漏孔5(如圆形孔、方形孔和缝隙)以及模拟管道阻塞的闸板阀或细管7，分别布置在模拟管网2的不同位置。其中，泄漏孔5是直接在管道不同位置打模拟泄漏的孔，并在泄漏孔5上安装球阀控制泄漏，以作更精细的模拟；闸板阀或细管7直接在管道不同位置安装即可，通过打开或关闭球阀和闸板阀或细管7模拟有、无泄漏和阻塞。
在实际应用中，由于消火栓一般直接跟实际供水管网主管路联结，可以直接利用该部分主管路，本发明的模拟管网2可以依附地面消火栓70及其连接管道，根据实际工程局部管网物理拓扑结构模拟实际工程局部管网；消火栓70连接的实际供水管网主管路，可是模拟管网一部分，也可以不利用与消火栓70连接的该供水管网主管路模拟构建模拟管网2；低强度瞬变激发器直接连接地面消火栓70，安装简便，可操作性强。
本发明提供的一种采用上述管网故障水力监测实验系统实现故障辨别的方法，包括以下步骤：
步骤1、初始稳态流调节，调节上、下游的可调式高位水箱和可调式低位水箱水位，使之满足被模拟的实际管网上、下游压力，模拟有、无故障状态的泄漏孔、阻塞孔(打开泄漏孔模拟有泄漏，关闭泄漏孔模拟无泄漏；调节闸板阀保持不同开度模拟不同程度的阻塞；调节闸板阀到全开状态为无阻塞，具体量值根据模拟需要确定)；
步骤2、管网集成基本水力恒定模型的参数率定，即代入实测值率定出数学模型中的关键参数，如糙率、孔口水头损失系数、阀门流量开度曲线等；
步骤3、向低强度瞬变激发器的激发器空气罐内充入一定体积的水体，然后利用充气泵打入氮气等气体，通过压力表得到压缩空气的压力，关闭出口管子的球阀；
步骤4、关闭管道末端阀门，将出水管控制球阀出口接入末端供水管网消火栓出口，手动快速打开球阀，使得较高压水体沿着出水口进入待检测管道或管网，产生流量突变，激励出低强度的瞬变流；
步骤5、进行步骤4的同时，SCADA系统对各监测点的压力、流量、低强度瞬变激发器水位、球阀开度过程(球阀开度一般用位移传感器测量)的采集分析；
步骤6、捕捉关键监测点，如阀前监测的瞬变压力过程；
步骤7、利用泄漏定位公式、泄漏量公式或者集成的供水管网水力反问题分析模型辨识故障参数，具体的泄漏定位公式tx-t0＝2x/a和泄漏量公式辨识故障参数文献Ferrante M,Brunone B,Meniconi S.Wavelets for the analysis of transientpressure signals for leak detection[J].Journal of Hydraulic Engineering,2007,133(11):1274-1282(Ferrante M,Brunone B,Meniconi S.基于小波分析的管道泄漏瞬变检测[J].水利学报(美国),2007,133(11):1274-1282)及Guo Xinlei,Yang Kailin,Lifutian,Wang tao,Fu hui.Analysis of first transient pressure oscillation forleak detection in a single pipeline[J].Journal of Hydrodynamics,Ser.B,2012,24(3):363-370(郭新蕾，杨开林，李福田，王涛，付辉.单管单点泄漏的瞬变压力波法[J].水动力学研究与进展，B,2012,24(3):363-370)已给出，不在赘述。
下面对本发明的理论原理和数学基础进行详细说明和论述。
对管网系统的管内充分发展了的流动过程建立瞬变流数学模型，其动量方程和连续方程分别可描述为：
其中，x为沿管道中心线方向的距离；t为时间；H为压头；V为管道平均流速；g为重力加速度；a为水击波速；α为管道倾角；JS为稳态摩阻；JU为非恒定摩阻。其稳态摩阻JS可表示为：
其中：D为管道直径，f为Darcy-Weisbach摩阻系数。由于非恒定摩阻项JU仅仅影响水击波第一个波之后的衰减和畸变，如采用故障检测瞬变第一个压力波法，那么可以只考虑激发器激发的第一个水击波，故忽略该项，最终利用泄漏定位公式辨识；如采用故障检测瞬变反问题分析法，则需要考虑，则非恒定摩阻项JU为：
其中，k3为Brunone系数，可写为k＝log(14.3/Re0.05)。
将式(1)-(4)联立并按照图6所示矩形特征线插值网格转换为下述特征线形式：
沿着正负特征线积分得：
HP-HR+B(QP-QR)+RQP|QR|＝0 (6)
HP-HB-B(1+k3)(QP-QB)-RQP|QB|＝0 (7)
xP-xB＝-a(tP-tB)
在R点对HP、QP线性插值并代入(5)得
C+：HP＝(HR+BQR)-QP(B+R|QR|)＝CP-QPBP (8)
C-：HP＝(HB-B(1+k3)QB)+QP(B(1+k3)+R|QB|)＝CM+QPBM (9)
于是有：QP＝(CP-CM)/(BP+BM) (1)
其中，CP、BP、CM、BM是求解系数，为时刻t-Δt的已知量；Δx为离散距离步长，A为管道面积，Q为管道某一位置流量。
图7是管道中的某一泄漏孔节点及其左右的正负特征性，其泄漏孔流量qi为：
由连续性方程可得：
Hu＝Hd＝Hi (2)
Qu＝Qd+qi (13)
其中，Cd为综合流量系数，Ag为泄漏孔的面积，Hi为泄漏点的压头，u、d为断面上、下游位置，联立式(11)、(12)、(13)、(8)、(9)可求得该断面上游流量Qu，相应的该断面上游压头Hu由式(8)求得。
对于管道中的局部阻塞节点，跟泄漏有区别，如图8所示，节点方程为：
由连续性方程可得：
Qu＝Qd (4)
其中，ξ为阻塞位置的局部水头损失系数，联立式(14)、(15)、(16)、(8)、(9)可求得Qu，相应的Hu由式(8)求得。
对于管道末端边界条件，传统的阀门关闭被瞬间开启产生的流量代替，对于图3所示的实验系统，压缩空气体积的增大直接导致蓄能器空气罐内水体液位的下降，该边界条件由连续方程可得低强度瞬变激发器瞬时流量为：
低强度瞬变激发器水流流量同时也受出口球阀及出水管控制，因此有
激励产生的水击波最大值为：
设球阀开启为0时刻，经过时间Tc快速开启后，再经过时间t，空气罐内水位下降值为ΔZ，则有
ΔZ＝H-Ht (20)
其中，Va0是蓄能器空气罐的初始体积；Va1是开阀后t时刻蓄能器空气罐的最终体积；Cd是综合流量系数；Ag是泄漏孔的面积；ha,t是空气罐压力；hv,t是管道阀门前(出水管与管道接口)的最大压力，H为初始时刻蓄能器空气罐水位；Ht为最终时刻蓄能器空气罐水位；Dv是蓄能器空气罐直径。以上H、Ht为磁致水位计实测数值，为已知的量测量。由上式可见，激发器瞬时激发的水击最大压力值与出水管直径、流量系数、空气罐初始体积等有关。
利用特征性法联立(8)、(9)式求出开阀之后的管道瞬变流过程。
下面通过具体实施例，对本发明进行详细说明。
某水库出水水厂分支蓄水池供水系统，蓄水池水位10m，后接主管，管路基本参数如表1所示，依据本发明的内容和原理搭建其管网故障水力监测实验系统，并辨识故障参数。
表1、管路基本参数表。
具体的上、下游水箱、管道、泄漏或者阻塞、激发器布置见图3。
其中，低强度瞬变激发器中蓄能器空气罐直径300mm，高度1.2m，空气罐内初始水位0.8m，出水管管长1m，管径7mm，粗糙度0.01mm。
实际故障工况如下：
工况1：泄漏孔直径4mm，即AL/A＝4％，泄漏位置距离上游水箱300m；
工况2：泄漏孔直径4mm，即AL/A＝4％，泄漏位置距离上游水箱100m；
工况3：局部阻塞工况，阻塞位置距离上游水箱100m，阻塞长度0.5m，这里利用直径30mm、长度0.5m的管道模拟。
首先调节上游水箱水位等于实际水位10m；通过接入的SCADA系统和恒定流模型率定出管路糙率等参数；蓄能器空气罐压入P＝50m的压缩空气，压力表读数0.5Mpa；控制球阀在t0＝0.2秒时刻经过0.1秒手动全开制造流量扰动，激励低强度的瞬变流；量测管路系统中各测点的压力过程，如阀前压力，如图9至图12所示；捕捉首相水击波压力突变点时刻；利用故障定位公式tx-t0＝2x/a辨识参数。
图9为管道系统完好状态阀前压力过程；
故障辨识结果：
在图10中，首相水击波(第一个水击波)压力突变点对应的时刻t1＝0.71s，利用定位公式得到泄漏孔位置距离上游水箱298m，与真实泄漏位置偏差仅为2m。
在图11中，首相水击波压力突变点对应的时刻t2＝1.72s，利用定位公式得到泄漏孔位置距离上游水箱96m，与真实泄漏位置偏差仅为4m。
在图12中，首相水击波压力突变点对应的时刻t3＝1.72s，利用定位公式得到阻塞孔位置距离上游水箱96m，与真实泄漏位置偏差也仅仅4m。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种管网故障水力监测实验系统，其特征在于，包括：
可调式高位水箱，内置平水栅，用于模拟被监测的调水工程、市政供水管网水库或上游不同供水压力和流量；
可调式低位水箱，内置平水栅，泄放下游水量；
模拟管网，根据实际工程局部管网物理拓扑结构利用多种管道模拟构建，并布置有水力测量设备，测量水力数据，其设置在可调式高位水箱和可调式低位水箱之间，分别通过一个控制阀与两者连接；
低强度瞬变激发器，安装在模拟管网管道末端，用于产生激发水击波；包括：
蓄能器空气罐，用于储存压缩空气和水体；
磁致伸缩式液位计，设置在所述蓄能器空气罐上，用于实时测量所述蓄能器空气罐内水位降落幅度和速度；
压力表，设置在所述蓄能器空气罐顶部，用于实时测量所述蓄能器空气罐空气的压力值；
出水管，一端与所述蓄能器空气罐底部连接，另一端通过一个控制球阀与设有压力传感器的模拟管网末端管道连接，通过快速开或关所述控制球阀为管网系统提供较高压的水体，并产生低强度瞬变流；
SCADA系统，采集模拟管网系统参数和水力数据，并进行分析；
管道故障模拟装置，包括模拟不同尺寸泄漏的泄漏孔，以及模拟管道阻塞的闸板阀或细管，分别布置在模拟管网相应位置，通过打开或关闭模拟有、无泄漏和阻塞。
2.如权利要求1所述的管网故障水力监测实验系统，其特征在于，所述模拟管网上布置的水力测量设备有数字式电磁流量计、压力传感器；所述数字式电磁流量设置在靠近所述可调式高位水箱处；所述压力传感器设置在所述可调式低位水箱所在的管网末端管道处。
3.如权利要求1所述的管网故障水力监测实验系统，其特征在于，所述管道长度200-300m，直径100-200mm。
4.如权利要求1所述的管网故障水力监测实验系统，其特征在于，所述模拟管网依附地面消火栓及其连接管道，根据实际工程局部管网物理拓扑结构模拟构建；所述低强度瞬变激发器直接连接地面消火栓。
5.如权利要求1所述的管网故障水力监测实验系统，其特征在于，所述磁致伸缩式液位计包括浮球、导杆和压力显示单元；
所述浮球套装在由一定的磁致伸缩物质构成的所述导杆上，竖直设置在所述蓄能器空气罐内部；
所述导杆下端固定在所述蓄能器空气罐底部，上端穿出所述蓄能器空气罐与所述压力显示单元固定连接；
水位上升或下降时，所述浮球随其做相应运动，产生电磁脉冲，电磁脉冲沿所述导杆的波导丝传到所述压力显示单元，所述压力显示单元根据电磁脉冲时间差计算液位值，并显示。
6.如权利要求5所述的管网故障水力监测实验系统，其特征在于，所述蓄能器空气罐由空气蓄能器和压力罐组成；
所述空气蓄能器顶部设置所述压力表，底部通过法兰连接所述压力罐顶部；
所述压力罐上设有所述磁致伸缩式液位计，所述磁致伸缩式液位计的导杆竖直设置在所述压力罐内部，所述导杆下端固定在所述压力罐底部，上端穿出所述压力罐与所述磁致伸缩式液位计的压力显示单元固定连接。
7.如权利要求1所述的管网故障水力监测实验系统，其特征在于，还包括一个支座或者可移动的小车，支撑或移动所述蓄能器空气罐。
8.如权利要求1所述的管网故障水力监测实验系统，其特征在于，所述低强度瞬变激发器包括以下关键参数：
蓄能器空气罐整体高度H0；
蓄能器空气罐的直径Dv；
蓄能器空气罐初始内部水位高度H；
出水管长度L0及直径d0，反映到综合流量系数为Cd。
9.如权利要求8所述的管网故障水力监测实验系统，其特征在于，最佳关键参数取值范围为：H0＝1.1-1.3m；Dv＝300-500mm；H＝0.9-1.1m；d0＝5-8mm；L0＝1.0-1.5m。
10.采用如权利要求1-9的任一管网故障水力监测实验系统实现故障辨别的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、初始稳态流调节，调节上、下游的可调式高位水箱和可调式低位水箱水位，使之满足被模拟的实际管网上、下游压力，调节模拟有无故障状态的泄漏孔、阻塞孔；
步骤2、管网集成基本水力恒定模型的参数率定；
步骤3、向低强度瞬变激发器的激发器空气罐内充入一定体积的水体，然后利用充气泵打入氮气，通过压力表得到压缩空气的压力，关闭出口管子的球阀；
步骤4、关闭管道末端阀门，将出水管控制球阀出口接入末端供水管网消火栓出口，手动快速打开球阀，使得较高压水体沿着出水口进入待检测管道或管网，产生流量突变，激励出低强度的瞬变流；
步骤5、进行步骤4的同时，SCADA系统对各监测点的压力、流量、低强度瞬变激发器水位、球阀开度过程的采集分析；
步骤6、捕捉阀前监测的瞬变压力过程关键监测点；
步骤7、利用泄漏定位公式、泄漏量公式或者集成的供水管网水力反问题分析模型辨识故障参数。
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