CN111878712A - 一种管网均匀流的监测实现方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管网均匀流的监测实现方法及系统,监测方法包括步骤:检测管道中的水位高度;根据所述水位高度以及均匀流管网参数及相关公式,输出管网水流量。本发明的管网均匀流的监测实现方法能够长时间对非满管的均匀流流量进行实时监测,不需要人工定期检测,减少了管网水流量监测的人力和物力,提高了监测效率。同时针对不同的管网环境,本发明还设计了不同的监测方案,减小了由于管道的障碍物堆积或管道位置的不同而带来的监测误差,提高了均匀流流量的监测准确度。
Description
技术领域
本发明涉及管网水流量监测领域中监测实现方法及系统,尤其涉及的是一种管网系统中均匀流的监测实现方法及系统。
背景技术
城市管网系统的水流方式一般分为两种,一种是压力流,采用水泵加压或者是其他方式加压使管道形成满管状态,使水流被迫的往某个方向流动,例如常见的供水系统;另一种是靠水流的自身重力运动,形成非满管状态的均匀流,使水流在没有其他压力下往某个方向流动,例如常见的污水管道系统和雨水管路系统。
压力流由于是满管的状态,其水流流量的流量监量方法较为简单,可直接采用电磁流量计等监测仪器进行监测。但是均匀流通常是非满管的状态的,并且通常管路中也很少设计闸门或监测设备,基于成本的考虑,通常无法实时进行监测其水流流量状态。
均匀流又叫恒定流,是指流体力学中针对无闸门控制的管网中流体的一种流体模型,通常来说,若同一流线上各点的运动要素均相等,也就是说运动要素与流程无关,这种水流就是均匀流;否则称为非均匀流。对于均匀流来说,液体质点速度的大小和方向沿流程保持不变,即迁移加速度为零,质点只能沿流线作匀速直线运动。对于断面形状和尺寸及边界条件沿程不变的长直渠道或管道中的水流运动,都属于均匀流。
均匀流在市政建设的管网施工和设计中,要相比非均匀流设计要求低,然而,随着环境污染的严重程度以及民众对污染的重视,对均匀流的管路监控也有了很多需求,例如如何实时监测管路中是否有水流,以及水流的流速,从而进行大数据的匹配和监控,逐渐地形成了对均匀流进行实时监控的需求。
现有的针对均匀流的检测方式主要是使用巴歇尔槽进行流量计量,但在市政管网工程中这不仅需要在管路中设置独特的空间和更复杂的施工成本,而且埋于地下的巴歇尔槽对检测也极不方便,因此理论上的巴歇尔槽方式在实践中并不被广泛应用,只有极少的应用场景才会使用巴歇尔槽。
此外,对均匀流的检测管网均匀流流量方式主要是通过采用流速仪检测水流流速,一种是超声波多普勒流速仪,通过多普勒效应对水流流速进行检测,但是管网内往往有许多垃圾或淤泥等障碍物,导致水流截面深浅不一,超声波多普勒流速仪无法在有障碍物和水流在管内深浅不一的情况下准确测量水流流速;另一种是机械式流速仪,相对超声波多普勒流速仪可以更为准确的进行水流流速测量,但需要人工进入探查井内进行测量,非常不方便,而且不能够实时监测流量,缺陷非常明显,因此常规的监测方法并不适用于非满管状态下的均匀流流量监测。
另外,还有更为复杂的利用管路模型的监测方式,一般需要根据针对某段特定的管路,预先通过实验和计算后,确定不同的水位高度对应不同的流量,并形成对照表,以便在获取相应水位时获得对应的流量值。这种方式更多依赖于具体的管路,无法任意应用到管路的监测中,而且监测的数据准确度也比较低,无法进行实际应用。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种管网均匀流的监测实现方法及系统,旨在实现针对非满管的均匀流水流流量监测时更为准确,以及可以实现实时监测之目的。
本发明的技术方案如下:
一种管网均匀流的监测实现方法,其中,包括步骤:
检测管道中的水位高度h;
根据所述水位高度,计算管网水流量Q=v×A,其中v是水流流速,A是过水截面积;
输出所述管网水流量Q。
所述的管网均匀流的监测实现方法,其中,还包括在启动检测管道中的水位高度前,通过手动选择圆形管道或四边形管道,并相应输入其管道参数。
所述的管网均匀流的监测实现方法,其中,设置所述管道为圆形管道时,所述管道参数包括直径d;
所述的管网均匀流的监测实现方法,其中,设置所述管道为四边形管道时,所述管道参数包括管底宽度b以及侧壁坡度β;所述四边形管道为采用倒梯形管道或矩形管道。
所述的管网均匀流的监测实现方法,其中,所述管道为倒梯形管道时,所述湿周X为:所述过水截面积A为:A=[b+mh]h,其中,h是管道中的水位高度。所述的管网均匀流的监测实现方法,其中,所述管道为矩形管道时,所述湿周X的计算公式为:X=b+2h;所述过水截面积A的计算公式为:A=bh,其中,h是管道中的水位高度
所述的管网均匀流的监测实现方法,其中,所述检测管道中的水位高度根据实际水高减去预设管道高度c得到。
所述的管网均匀流的监测实现方法,其中,输出的所述管网水流量Q还与其他临近节点的监测结果进行比对,以判断是否有人偷排。
一种采用如上所述监测实现方法的管网均匀流的监测实现系统,应用于管网智能监测终端中,其中,包括:
水位高度数据采集模块,用于检测管道中的水位高度;
核心控制模块,用于根据所述水位高度以及预设管网参数,得到管网水流量。
所述的管网均匀流的监测实现系统,其中,所述系统输出的管网水流量Q还用于判断管网与设计的匹配程度。
有益效果:本发明通过检测管道中均匀流的水位高度,并根据所述水位高度以及均匀流管网参数及相关公式,得到管网水流量,提供了一种管网均匀流的监测实现方法及系统。本发明能够长时间对非满管的均匀流流量进行实时监测,不需要人工定期检测,减少了管网水流量监测的人力和物力,提高了监测效率。同时针对不同的管网环境,本发明可设计不同的监测方案,减小了由于管道的障碍物堆积或管道位置的不同而带来的监测误差,提高了均匀流流量的监测准确度。
附图说明
图1为本发明一种管网均匀流的监测实现方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明的圆形管道示意图。
图3为本发明的圆形管道抬高状态示意图。
图4为本发明的具有淤积物的圆形管道示意图。
图5为本发明的倒梯形管道示意图。
图6为本发明的倒梯形管道抬高状态示意图。
图7为本发明的具有淤积物的倒梯形管道示意图。
图8为本发明的矩形管道示意图。
图9为本发明的矩形管道抬高状态示意图。
图10为本发明的具有淤积物的矩形管道示意图。
图11为本发明所述管网均匀流的监测实现系统模块示意图。
具体实施方式
本发明提供一种管网均匀流的监测实现方法及系统,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1和图11所示,图1是本实施例一种管网均匀流的监测实现方法较佳实施例的流程图。所述管网均匀流的监测实现方法包括:
S10、检测管道中的水位高度。
在均匀流的管网中,可以在某一管道的某个竖井位置,通过相应的探测装置进行水位监测,也就是说,以管道底部为基准得到的水位的高度。由于管道有两种应用场景,第一是管道处于竖井底部的位置,也就是在管道底部完全通畅的情形下,通过竖井内的水位监测就可以直接得到管道内的水位高度;第二是管道设置在竖井的中间位置,离竖井底部有一定的距离,此时监测点检测到的水位高度只是水表面到管道底部最低点之间的距离,那么监测点的实际水高等于水位高度与管道高度之和,管道高度是指管道底部距离竖井最低处的高度。
对于水位高度的测量,可以但不限于通过激光测距或雷达超声测距实现,并可以根据水流与管道底部的固体不同的反射情况,从而由核心控制模块的计算处理实现运算。
S20、根据所述水位高度以及均匀流管网参数及相关计算公式,得到管网水流量。
具体的,城市的管网都是按照规划设计院的图纸施工的,能够保证管网按照规划好的坡度施工,从而保证管网的液体流动能够形成均匀流。在不考虑管网本身的堵塞和拐弯等特殊情况下,管网内的液体流动力为重力,从而形成均匀流。均匀流管网中的液体在管道中流动时,形成与大气相接触的自由水面,表面各点压强均为大气压强,所以管网水流为无压流、恒定流。
需要说明的是,由于在设计中采用均匀流的设计方式时,设计形成的管网系统中,在本发明中预设的均匀流管网参数与管道本身属性及所处环境有关,但预设均匀流的水流量计算方式基本相同,因此,在均匀流的实际应用过程中,只要得到水位高度,就可以得到管网水流量,降低了水流量测量的难度。
具体地,管网水流量Q的计算公式为:Q=v×A,其中,v是水流流速,A是过水截面积。过水截面积指的是水在管道中的横截面积。水流流量的大小与水流的流速和过水截面积有关,而水流的流速和过水截面积是随管道中水位高度的变化而变化(这是均匀流的特点)。
本发明的监测位置通常是设置在探查井(通常采用竖井方式)内,并且将管网智能监测终端的水位高度数据采集模块设置在该探查井内。对于不同类型的探查井,预设管网参数有可能不同,因此,对不同的监测环境,需要预先获取探查井内管道的管网参数,预先设置和输入系统,可以形成预设的计算模式,在实际监测时遇到相应管网环境的类型选择对应的计算模式,从而在处理后得到更精确的监测结果。管网参数可以根据城市管网的设计图纸或直接测量得到,因此可以仅根据管道的水位高度,计算得到管道水流量,且本发明的监测方法能够长时间对非满管的均匀流流量进行实时监测,提高了监测效率。
进一步,所述管网参数包括:管道参数以及预设常数,根据不同的管道,管道参数可以包括直径、管底宽度以及侧壁坡度等,预设常数与管道的本身属性和所处环境相关。
步骤S20具体包括:
S21、根据所述水位高度以及所述管道参数,得到水力半径和过水截面积;水力半径是一个计算概念,请参见下述具体说明。
S22、根据所述水力半径以及所述预设常数,得到水流速。
S23、根据所述水流速和所述过水截面积,得到管网水流量。
本发明在进行水流量的监测时根据监测位置的不同,可以预先设置管道的粗糙度和管道坡度等管道参数,在相同的管道属性情况下可以设置采用相同的管道参数。将作为预设常数,由于管道的粗糙度n和管道的坡度i在确定的管道属性情况下是确定的数值,因此可以在监测前进行校正,校正方法可以但不限于为:采用普通的流速检测设备在监测位置进行的流速检测,并采用液位检测设备检测水位高度,根据检测到的水位高度可以得到水力半径,再计算出该监测位置的在有相应的管路参数的情况下,该预设常数也可以通过上述计算公式直接获得相应的数值。
举例说明,过水截面积是指水流的横截面积,湿周是指水流的横截面中除了与空气接触的面外的长度,如图3所示,过水截面积具体为圆形管道1与竖井内水体截面2的交界之弓形面积P1,而湿周则具体为弓形面积中的弧长S1,也即是圆形管道1被水浸湿的圆周部分。如图5所示的示例中,所述过水截面积具体为梯形面积P2,湿周具体为梯形的下底+两个腰长S2,也即是梯形管道中被水浸湿的边长。
由于管道具有多种不同的示例,可以分为圆形管道和四边形管道,圆形管道的截面呈圆形,而四边形管道的截面呈四边形,例如常见的矩形和梯形等。而且管道内可能存在淤积物,淤积物可能会缩小水流的截面积,从而会影响水流量。以下就不同管道以及是否存在淤积物进行分别示例说明本发明的管网均匀流的监测实现方法及系统具体实现方式。
在本发明方法启动检测管道内水位高度之前,可以通过手动选择管道类型,为圆形管道或四边形管道,相应调整后续需要输入的管道参数。在另外的较佳实施例中,也可以将相应的管道参数预先存储到系统中,通过二维码标识在相应的管道位置上,在需要检测时,可以通过扫描对应的二维码实现对管道类型和相应管道参数的选择,以防止出现输入的错误和繁琐性。
在具有图像识别功能的监测实现系统中,可以通过识别管道的形状和水位高度以及相应的管道参数,例如在对圆形管道进行识别时,可以利用智能终端的测距功能,实现对圆形或方形的识别,从而确定其管道类型,并可以实时对水位高度以及管径等管道参数进行检测。在遇到水面下部分管道参数不明确时,可以在显示界面弹出输入界面,要求对管道参数进行补充填写。这样就可以实现更智能化的实时监测。
在一种实施方式中,如图2所示,图2是本发明的圆形管道示意图。监测所针对的管道是圆形管道1,在圆形管道1内的水体210为均匀流,所述管道参数为直径。在所述管道底部不存在淤积物的情况下,步骤S21包括:
S211a、根据所述水位高度h以及所述直径d,得到充满角θ,
S212a、根据所述充满角θ以及所述直径d,得到水力半径R和过水截面积A。
具体地,根据水力半径的计算公式可知,要计算水力半径的值首先要求出湿周X和过水截面积A。请参见图2,湿周X指的是与水体210接触的圆形管道1横截面上的弧长S1,所述湿周X的计算公式为:过水截面积A指的是水体210与圆形管道1横截面的重叠部分的弓形面积P1,所述过水截面积A的计算公式为:则可以计算出水力半径R为:其中,d是直径,θ是充满角。所述充满角指的是水体210覆盖的圆形管道1圆弧对应的圆周角,则该充满角θ的计算公式为:其中,h是管道中的水位高度,这里管道中的水位高度与监测点的实际水高相等,d是直径。
具体地,如图3所示,图3是本发明的圆形管道有一定的距离离开竖井底部状态示意图,圆形管道1底部至探查井底部3的距离为圆形管道的预设管道高度c,则再根据所述预设管道高度得到充满角θ为: 其中,H是监测点的实际水高,c是预设管道高度,管道中的水位高度h=H-c。通过水力半径和过水截面积,可以计算出圆形管道1的水流量Q为:
该计算过程为本发明所述管网智能监测终端所在系统的处理器单元进行运算处理,通过该计算方式,可以对均匀流进行快而准确的计算处理。
由于管道直径和预设管道高度是可以通过根据城市的管网的规划设计图纸或直接测量得到,可以通过检测水流速和水位高度得到,并可以作为预设常数进行固定,从而无需每次重复运算,因此可以实现通过仅监测水位高度来对管网的水流量进行实时监测,并且处理运算较快,而无需太高的硬件配置要求。
此外,在管网中的管道底部通常会存在淤积物,或者人为筑造的用于拦污的水泥台等,如图4所示,会造成管路内部条件不符合上述监测条件,从而造成计算的不准确。当存在淤积物时,步骤S21包括:
S211b、根据所述水位高度h以及所述直径d,得到充满角θ;
S212b、根据所述淤积物4的高度以及所述直径d,得到补充角α;
S213b、根据所述充满角θ、所述补充角α以及所述直径d,得到水力半径R和过水截面积A。
如图4所示的本发明具有淤积物的圆形管道示意图中,所述管道参数还包括:淤积物4的高度l。湿周X指的是水体210与圆形管道1横截面上的接触弧S11和水体210与淤积物4的接触线S12的长度之和,所述湿周X的计算公式为:过水截面积A指的是水体210与圆形管道1横截面的重叠部分面积P11,所述过水截面积A的计算公式为:则可以计算出水力半径R为:其中,d是直径,θ是充满角,α是补充角。所述补充角指的是淤积物4覆盖的圆形管道1圆弧对应的圆心角,则该补充角α的计算公式为:其中,l是淤积物4的高度。所述淤积物4高度指的是淤积物4的上表面至管道底部的距离,可以通过直接测量得到。通过水力半径和过水截面积,可以计算出具有障碍物的圆形管道的水流量Q为:
在另外的一种实施方式中,监测位置的管道是四边形管道,如图5和图8所示的两种常见的情形,所述管道参数包括管底宽度以及侧壁坡度。所述四边形管道通常是采用倒梯形管道(图5)或矩形管道(图8)。如图5所示,图5是本发明的倒梯形管道示意图。当四边方形管道底部没有淤积物4的情况下,步骤S21包括:
S211c、根据所述水位高度h、所述管底宽度b以及所述侧壁坡度β,得到水力半径R和过水截面积A。
在管道为倒梯形管道5的情况下,湿周X指的是水体210与倒梯形管道5横截面上的接触线长度(梯形的下底+两个腰长)S2,所述湿周X的计算公式为:过水截面积A指的是水体210与倒梯形管道5横截面的重叠部分的梯形面积P2,所述过水截面积A的计算公式为:A=[b+mh]h,则可以计算出水力半径R为:其中,b是管底宽度,h是管道中的水位高度(同时也是监测点的实际水高),β是侧壁坡度。所述侧壁坡度指的是四边形管道侧壁与管道底部延长线的夹角,所述侧壁坡度的范围是0<β≤90°。通过水力半径和过水截面积,可以计算出倒梯形管道5的水流量Q为:
如图6所示,是倒梯形管道抬高状态示意图,当倒梯形管道5在探查井中处于抬高状态,竖井中的水体截面2与倒梯形管道5有交界,梯形管道5底部至探查井底部3的距离是预设管道高度c,则再根据预设管道高度得到流量Q的计算公式为:
当四边形管道的侧壁坡度β=90°时,所述四边形管道为矩形管道6,如图8所示,图8为本发明的矩形管道示意图。此时,tanβ的值是趋向于正无穷,则的值是趋向于0,那么,流量Q的计算公式为:如图9所示,当矩形管道6在探查井中处于抬高状态,则再根据预设管道高度得到矩形管道6的水流量Q的计算公式为:
进一步,四边方形管道底部有障碍物4的情况下,步骤S21包括:
S211d、根据所述水位高度h、所述管底宽度b、所述侧壁坡度90度以及所述淤积物高度,得到水力半径R和过水截面积A。
如图7所示,是本发明的具有障碍物的倒梯形管道示意图。此时,所述管道形状参数还包括:淤积物高度l。在此种情况下,湿周X指的是水体210与倒梯形管道5横截面上的接触线S21和水体210与淤积物4的接触线S22的长度之和,所述湿周X的计算公式为: 过水截面积A指的是水体210与倒梯形管道5横截面的重叠部分的梯形面积P2,所述过水截面积A的计算公式为:A=(b+mh)h-(b+ml)l,则可以计算出水力半径R为:其中,l是淤积物4的高度。通过水力半径R和过水截面积A,可以计算出具有障碍物的倒梯形管道的水流量Q为:
需要说明的是,上述公式中,除管道的粗糙度和管道的坡度没有单位外,其余参数的单位均采用国际标准单位参与计算。
本发明还提供了一种管道均匀流的水流量监测实现系统,在上述监测实现方法的基础上实现对管路内均匀流的监测,具体硬件模块图参见图11,并根据软件功能包括以下单元:
水位高度数据采集模块,用于检测和采集管道中的水位高度;
核心控制模块,用于根据所述水位高度以及预设管网参数,计算得到管网水流量。
具体地,根据不同管网特点,尤其是针对常见的圆管或四边形管,可以通过本发明装置实现实时对管路内均匀流的水流量监测。所述核心控制模块的处理运算过程参见前述方法的实施例说明,本发明所述硬件系统中通过刷新软件的处理过程,就可以相应对不同类型的管道进行监测处理,而且由于在运算中可以设置部分跟管路属性有关的中间运算数据为预设常数,简化了运算处理过程,计算可以更快和更准确。
本发明所述管网均匀流的监测实现方法及系统,可以在实际应用中,将实现本发明上述监测实现方法的管网智能监测终端进行联网,从而进行对城市下水道管网进行实时的监测和数据处理。由于在设计过程中,对管路的水流量情况并不一定符合实际的需求,因此,通过本发明实时监测和输出的管网水流量数据,可以判断管路的实际工作情况,从而判断管路的应用效率,并可以在系统的显示中,模拟显示其实际使用情况,例如通过不同的颜色显示目前管路中的水流量是否空置或压力过高,比如使用绿色标识符合设计要求,而使用白色标识低于设计要求,使用橙色或红色标识超过设计要求的程度等等,从而可以提升对管网的实际监控和判断,并可以对市政管网的设计水平予以评估。
此外,本发明所述管网中均匀流的监测实现方法及系统实现了目前的水质监测功能,尤其是在配合其他水质监测传感器的情况下,就可以根据水流量实现对水质污染程度的预判,从而实现对均匀流管网系统污染性监控。
更进一步的应用方案中,本发明所述管网均匀流的监测实现方法及系统还可以在管路的监控中,根据上下游之间的流量监控判断是否有他人在偷排污水,以及偷排污水的大致位置在何处。在本发明所述系统中可以设置不同节点之间的流量监控,尤其是上下游相邻节点之间管网水流量参数与相应地污染浓度进行乘积,计算污染贡献度,从而可以根据流量及污染贡献度的匹配程度发出警示标示或提示,从而方便了对管网中流量监控,判断是否有人在中间偷排。
综上所述,本发明通过检测到管道中的水位高度,并根据所述水位高度,以及均匀流管网参数及相关公式,得到管网水流量,提供了一种管网均匀流的监测实现方法及系统。本发明能够长时间对非满管的均匀流流量进行实时监测,不需要人工定期检测,减少了管网水流量监测的人力和物力,提高了监测效率。同时针对不同的管网环境,本发明设计了不同的监测方案,减小了由于管道的障碍物堆积或管道位置的不同而带来的监测误差,提高了均匀流流量的监测准确度。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的管网均匀流的监测实现方法,其特征在于,还包括在启动检测管道中的水位高度前,通过手动选择圆形管道或四边形管道,并相应输入其管道参数。
4.根据权利要求2所述的管网均匀流的监测实现方法,其特征在于,设置所述管道为四边形管道时,所述管道参数包括管底宽度b以及侧壁坡度β;所述四边形管道采用倒梯形管道或矩形管道。
6.根据权利要求4所述的管网均匀流的监测实现方法,其特征在于,所述管道为矩形管道时,所述湿周X的计算公式为:X=b+2h;所述过水截面积A的计算公式为:A=bh,其中,h是管道中的水位高度。
7.根据权利要求1至6任一所述的管网均匀流的监测实现方法,其特征在于,所述检测管道中的水位高度根据实际水高减去预设管道高度c得到。
8.根据权利要求7所述的管网均匀流的监测实现方法,其特征在于,输出的所述管网水流量Q还与其他临近节点的监测结果进行比对,以判断是否有人偷排。
9.一种采用如权利要求8所述的监测实现方法的管网均匀流的监测实现系统,应用于管网智能监测终端中,其特征在于,包括:
水位高度数据采集模块,用于检测管道中的水位高度;
核心控制模块,用于根据所述水位高度以及预设管网参数,得到管网水流量。
10.根据权利要求9所述的管网均匀流的监测实现系统,其特征在于,所述系统输出的管网水流量Q还用于判断管网与设计的匹配程度。
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