CN108755898B - 一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，包括以下几个步骤：S1、管道分组并安装管道液位计和地下水位监测仪器；S2、筛选检查井水位数据和地下水位数据；S3、计算每组管道中检查井和地下水位差；S4、计算各压差下的瞬时流量；S5、利用积分公式对时间与瞬时流量进行积分，计算特定时间段的渗入量或渗出量；S6、根据水位差与流量关系，可以分别获取污水管道系统在一段时间内地下水渗入和管道污水渗出能力大小的分布。本发明通过在检查井内设置液位计，并集成地下水位监测数据，长期收集水位数据，对管道运行过程中的渗入和渗出进行评估，为优化调度提供支撑，并指导养护工作。

Description

一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法
技术领域
本发明涉及城市地下排水管网技术，特别涉及一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法。
背景技术
当前，城市排水管道系统污水收集效率低，地下水污染严重。存在地下水渗入排水管道以及排水管道污水渗出污染地下水等现象。当地下水渗入污水管道时，由于地下水对污水的稀释作用，使得污水处理厂的污水浓度降低，而且可能增加氮，对污水处理厂的运行和处理效果造成冲击；另外由于城市埋地管道因历史的原因，埋地时间长，过去管道等设施的防腐质量差，很多城市的污水管道都是建于上世纪六、七十年代，多采用钢筋混凝土刚性平接口管道，而管径超过D1500mm的管道均采用砖砌拱沟断面。由于脆性管材的抗拉和抗冲击强度都很低，受地基不均匀沉降、地面承载力变化、养护不及时、设施老化以及污水中污染物的腐蚀等因素影响，许多管道变形、错位、破裂，又由于污水管道为地下隐蔽工程，它的病害不易被发现，出现渗漏时，就会污染地下水资源。
目前运行管理上缺乏掌握排水管网实际运行状况的技术手段，难以评估地下排水管网的日常地下水渗入、污水渗出情况，在排水管网的水力分析和养护管理上缺少必要的数据支持。随着信息化发展和现代排水管理需求，排水管道内配备监测设备成为必要。
目前用于判断排水管道地下水渗入、污水渗出分布的常见方法为人工排查和CCTV检测(排水管道电视检测)：
人工排查是通过人员进入大管径管道直接检查记录，人工排查方法的缺点是排水管道内情况复杂，存在一定浓度的有毒有害气体，可能对工作人员的安全和健康造成威胁。
对于人员无法进入的管道，可使用CCTV检测。CCTV检测系统由三部分组成，即主控器、操纵线缆架、带摄像镜头的机器人爬行器，主控器安装在爬行器上，操作员通过主控器控制爬行器在管道内的前进速度和方向，并控制摄像头将管道内部的视频图象通过线缆传输到主控器显示屏上，操作员可实时监测管道内部状况，同时将原始图象记录存储下来，做进一步的分析。当完成CCTV的外业工作后，根据检测的录象资料进行管道缺陷的编码和抓取缺陷图片，编写检测报告，并根据用户的要求对CCTV影像资料进行处理，提供录象带或者光盘存档，指导未来的管道修复工作。CCTV检测的缺点是设备昂贵，操作过程较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，通过在检查井内设置液位计，并集成地下水位监测数据，长期收集水位数据，对管道运行过程中的渗入和渗出能力进行评估，同时可按照需求对排水系统的整体和局部进行监测，分析总体和局部中各个部分的渗入渗出能力分布情况，为优化调度提供支撑，并指导养护工作。
为了解决上述问题，本发明提供了一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，包括以下几个步骤：
S1、管道分组并安装检查井液位计和地下水位监测仪器；
S2、筛选检查井水位数据和地下水位数据；
S3、计算每组管道中检查井水位和地下水位差；
S4、计算各压差下的瞬时流量；
S5、利用积分公式对时间与瞬时流量进行积分，计算选取的连续一段时间内的渗入量或渗出量；
S6、根据水位差与流量关系，可以分别获取污水管道在一段时间内地下水渗入和管道污水渗出能力大小的分布。
较佳地，在步骤S1中，将排水管网中的每一条支管分为一组管道，对每组管道上的检查井进行编号，记为i，i＝0，1，2，......，在每组管道上的若干检查井内分别安装液位计。
较佳地，在步骤S2中，对检查井水位数据Hi和地下水位数据Zi进行筛选和处理：选取连续一段时间的检查井液位数据和地下水位数据，要求液位曲线平滑。
较佳地，在步骤S3中，计算连续时间段各时间点管道水位数据Hi和地下水位数据Zi的差值：
△hi＝Hi-Zi (1)
Hi——检查井水位数据，是通过检查井内的液位计监测而得的水位；
Zi——地下水位数据，是通过地下水位监测仪器测得的水位。
较佳地，在步骤S4中，各压差下的瞬时流量为：
Figure GDA0002389868520000031
式中
Qi——瞬时流量
C1——覆土对漏水出流影响，折算为修正系数，根据管径大小取值：DN15～DN50取0.96，DN75～DN300取0.95，DN300以上取0.94
C2——流量系数(取0.6)
Ai——漏水孔面积(m2)
g——重力加速度，取9.8m/s2
Δhi——孔口压力(m)；
当△hi＞0时，则检查井水位数据Hi高于地下水位数据Zi，利用公式(2)可以得出i处管道污水会产生渗出流量到管道外侧；当△hi＜0时，检查井水位数据Hi小于地下水位数据Zi，地下水会对管道产生压力差的影响，利用公式(2)可得i处管道地下水会产生渗入流量到管道里；当△hi＝0时，检查井水位数据Hi与地下水位数据Zi相等，管道污水和地下水不存在渗出和渗入。
较佳地，在步骤S5中，通过对选取的这段时间的检查井液位数据和地下水位数据的对比分析，同时利用公式(1)和(2)，算出一段时间的管道污水不同时刻中，当△hi＞0时压差下的渗出瞬时流量记为Q渗出，当△h<0时地下水渗入瞬时流量记为Q渗入，根据Q渗出和Q渗入，分别计算出总时间中，△hi＞0的所有流量的累积和记为V渗出，△hi<0的所有流量的累积和记为V渗入，公式(3)和(4)分别计算出地下水渗入时间段的渗入量V渗入和管道污水渗出时间段的渗出量V渗出，其中，
Figure GDA0002389868520000041
Figure GDA0002389868520000042
V渗出——污水渗出的总量，m3
Q渗出——污水渗出流量，m3/s
V渗入——地下水渗入的总量，m3
Q渗入——地下水渗入流量，m3/s
t——时间，s。
较佳地，在步骤S6中，绘制管网地下水渗入和管道污水渗出的分布特征。
较佳地，在步骤S6中，绘制管道污水与地下水水位差△h的变化趋势图，判断地下水渗入的时间段以及管道污水渗出的时间段，根据公式(2)可以计算各时间段中的瞬时流量，利用公式(3)和(4)可计算各时间段的渗入渗出量，则渗入时间段和渗入量围成的区域面积表示该管道这段时间内地下水渗入能力，渗出时间段和渗出量围成的区域面积表示该管道这段时间内污水渗出能力。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
本发明的目的是通过在检查井内安装液位计，同时接入附近地下水位监测数据或者直接在附近安装地下水位监测点，获取管网水位和地下水位数据，对数据进行预处理，然后对同时间段排水管污水水位和地下水位进行对比分析计算，利用水位差与流量关系，可以分别获取污水管道系统在一段时间内，处于地下水渗入、管道污水渗出能力大小的分布，以一种更经济更安全、更全面、更直观的方式实现排水管污水渗出和地下水渗入分布情况的实时跟踪与监测，期间不会对排水系统产生影响，也不会影响排水系统的正常运行，为改善调度规则提供依据并为地下水渗入和管道污水渗出的系统性排查提供相关依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1为本发明中液位计的安装平面示意图；
图2为本发明中液位计的安装纵面示意图；
图3为本发明管道污水与地下水水位的差值Δh的变化趋势图。
具体实施方式
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
本发明提供一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，包括以下几个步骤：
S1、管道分组并安装检查井液位计和地下水位监测仪器；
S2、筛选检查井水位数据和地下水位数据；
S3、计算每组管道中检查井水位和地下水位差；
S4、计算各压差下的瞬时流量；
S5、利用积分公式对时间与瞬时流量进行积分，计算选取的连续一段时间内的渗入量或渗出量；
S6、根据水位差与流量关系，可以分别获取污水管道在一段时间内地下水渗入和管道污水渗出能力大小的分布。
在步骤S1中，首先，获取各排水管道参数和水位数据，包括管长、管径、管道坡度、粗糙系数、管顶标高、管底标高、管道水位数据和地下水位数据；然后进行管道分组和液位计的安装：将排水管网中的每一条支管分为一组管道，对每组管道上的检查井进行编号，记为i，i＝0，1，2，......，在每组管道上的若干检查井内分别安装液位计。如图1所示，每组管道的上游检查井编号记为i，下游检查井编号记为i+1。在本实施例中，液位计优选雷达液位计。
在步骤S2中，对检查井水位数据Hi和地下水位数据Zi进行筛选和处理：选取连续一段时间的检查井液位数据和地下水位数据，要求液位曲线平滑，液位数据可信然后进行分析。
在步骤S3中，计算连续时间段各时间点管道水位数据Hi和地下水位数据Zi的差值：
△hi＝Hi-Zi (1)
Hi——检查井水位数据，是通过检查井内的液位计监测而得的水位；
Zi——地下水位数据，是通过地下水位监测仪器测得的水位。
根据漏失水量计算公式可知，排水管道的漏点流量平方与漏点孔口压力成正比例关系，当孔口压力增大，漏点流量也随之增大，排水管道的孔口压力主要来自排水管道内的污水水位与管道外的地下水位差，当污水水位高于地下水位时，则排水管道的污水向外渗出造成地下水污水，当地下水位高于污水水位，则地下水向管道内渗入，造成污水处理厂处理量增加，增大成本。在步骤S4中，各压差下的瞬时流量为：
Figure GDA0002389868520000061
式中
Qi——瞬时流量
C1——覆土对漏水出流影响，折算为修正系数，根据管径大小取值：DN15～DN50取0.96，DN75～DN300取0.95，DN300以上取0.94，在实际工作中，一般取C1＝1
C2——流量系数(取0.6)
Ai——漏水孔面积(m2)，一般采用模型计取漏水孔的周长，折算为孔口面积，在不具备条件时可凭经验进行目测
g——重力加速度，取9.8m/s2
Δhi——孔口压力(m)；
当△hi＞0时，则管道污水水位数据Hi高于地下水位数据Zi，利用公式(2)可以得出i处管道污水会产生渗出流量到管道外侧；当△hi＜0时，管道污水水位数据Hi小于地下水位数据Zi，地下水会对管道产生压力差的影响，利用公式(2)可得i处管道地下水会产生渗入流量到管道里；当△hi＝0时，管道水位数据Hi与地下水位数据Zi相等，管道污水和地下水不存在渗出和渗入。
在步骤S5中，通过对选取的这段时间的检查井液位数据和地下水位数据的对比分析，同时利用公式(1)和(2)，算出一段时间的管道污水不同时刻中，当△hi＞0时压差下的渗出瞬时流量记为Q渗出，当△h<0时地下水渗入瞬时流量记为Q渗入，根据Q渗出和Q渗入，分别计算出总时间中，△hi＞0的所有流量的累积和记为V渗出，△hi<0的所有流量的累积和记为V渗入，公式(3)和(4)分别计算出地下水渗入时间段的渗入量V渗入和管道污水渗出时间段的渗出量V渗出，其中，
Figure GDA0002389868520000071
Figure GDA0002389868520000072
V渗出——污水渗出的总量，m3
Q渗出——污水渗出流量，m3/s
V渗入——地下水渗入的总量，m3
Q渗入——地下水渗入流量，m3/s
t——时间，s。
在步骤S6中，绘制管网地下水渗入和管道污水渗出的分布特征。
在步骤S6中，绘制管道污水与地下水水位差△h的变化趋势图，判断地下水渗入的时间段以及管道污水渗出的时间段，根据公式(2)可以计算各时间段中的瞬时流量，利用公式(3)和(4)可计算各时间段的渗入渗出量，则渗入时间段和渗入量围成的区域面积表示该管道这段时间内地下水渗入能力，渗出时间段和渗出量围成的区域面积表示该管道这段时间内污水渗出能力。
以图3为例，根据管道污水与地下水水位的差值，可以看出，S1和S3区域的时间段为地下水渗入的时间段，S2和S4区域的时间段为管道污水渗出的时间段，根据公式(2)可以计算各时间段中的瞬时流量，然后利用公式(3)和(4)可计算各时间段的渗入渗出量，则S1和S3围成的区域面积表示该管段这段时间内地下水渗入能力，S2和S4围成的区域面积表示该管道这段时间内污水渗出能力。
对一段时间内管道内污水渗出和地下水渗入进行计算，评价总体管道中各个管道在这段时间内各自的渗入渗出情况，进行对比，可以确定这段时间这段管网中各管段存在渗入渗出风险的强弱分布，从而为养护提供指导，同时，可以结合不同调度情况下对管道渗入、渗出情况的对比分析，可以判断在不同调度模式下管道存在渗入、渗出风险的强弱，从而为调度决策提供支撑。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1、管道分组并安装检查井液位计和地下水位监测仪器；
S2、筛选检查井水位数据和地下水位数据；
S3、计算每组管道中检查井水位和地下水位差；
S4、计算各压差下的瞬时流量；
S5、利用积分公式对时间与瞬时流量进行积分，计算选取的连续一段时间内的渗入量或渗出量；
S6、根据水位差与流量关系，可以分别获取污水管道在一段时间内地下水渗入和管道污水渗出能力大小的分布。
2.如权利要求1所述的一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，其特征在于，在步骤S1中，将排水管网中的每一条支管分为一组管道，对每组管道上的检查井进行编号，记为i，i＝0,1,2,……，在每组管道上的若干检查井内分别安装液位计。
3.如权利要求2所述的一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，其特征在于，在步骤S2中，对检查井水位数据Hi和地下水位数据Zi进行筛选和处理：选取连续一段时间的检查井液位数据和地下水位数据，要求液位曲线平滑。
4.如权利要求3所述的一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，其特征在于，在步骤S3中，计算连续时间段各时间点检查井水位数据Hi和地下水位数据Zi的差值：
△hi＝Hi-Zi (1)
Hi——检查井水位数据，是通过检查井内的液位计监测而得的水位；
Zi——地下水位数据，是通过地下水位监测仪器测得的水位。
5.如权利要求4所述的一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，其特征在于，在步骤S4中，各压差下的瞬时流量为：
Figure FDA0002389868510000021
式中
Qi——瞬时流量
C1——覆土对漏水出流影响，折算为修正系数，根据管径大小取值：DN15～DN50取0.96，DN75～DN300取0.95，DN300以上取0.94
C2——流量系数，取0.6
Ai——漏水孔面积，单位为m2
g——重力加速度，取9.8m/s2
Δhi——孔口压力，单位为m；
当△hi＞0时，则检查井水位数据Hi高于地下水位数据Zi，利用公式(2)可以得出i处管道污水会产生渗出流量到管道外侧；当△hi＜0时，检查井水位数据Hi小于地下水位数据Zi，地下水会对管道产生压力差的影响，利用公式(2)可得i处管道地下水会产生渗入流量到管道里；当△hi＝0时，检查井水位数据Hi与地下水位数据Zi相等，管道污水和地下水不存在渗出和渗入。
6.如权利要求5所述的一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，其特征在于，在步骤S5中，通过对选取的这段时间的检查井液位数据和地下水位数据的对比分析，同时利用公式(1)和(2)，算出一段时间的管道污水不同时刻中，当△hi＞0时压差下的渗出瞬时流量记为Q渗出，当△h<0时地下水渗入瞬时流量记为Q渗入，根据Q渗出和Q渗入，分别计算出总时间中，△hi＞0的所有流量的累积和记为V渗出，△hi<0的所有流量的累积和记为V渗入，公式(3)和(4)分别计算出地下水渗入时间段的渗入量V渗入和管道污水渗出时间段的渗出量V渗出，其中，
Figure FDA0002389868510000022
Figure FDA0002389868510000023
V渗出——污水渗出的总量，m3
Q渗出——污水渗出流量，m3/s
V渗入——地下水渗入的总量，m3
Q渗入——地下水渗入流量，m3/s
t——时间，s。
7.如权利要求6所述的一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，其特征在于，在步骤S6中，绘制管网地下水渗入量和管道污水渗出量的分布特征。
8.如权利要求7所述的一种分析地下管网地下水渗入和管道污水渗出分布的方法，其特征在于，在步骤S6中，绘制管道污水与地下水水位差△h的变化趋势图，判断地下水渗入的时间段以及管道污水渗出的时间段，根据公式(2)可以计算各时间段中的瞬时流量，利用公式(3)和(4)可计算各时间段的渗入渗出量，则渗入时间段和渗入量围成的区域面积表示该管道这段时间内地下水渗入能力，渗出时间段和渗出量围成的区域面积表示该管道这段时间内污水渗出能力。
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