（环境工程专业论文）供水管道漏失水力模型与实验研究.pdf

中文摘要 漏损是供水行业中普遍存在的现象。漏损不仅浪费了宝贵的水资源，给供水 企业造成了巨大的经济损失，也影响了居民的正常生产、生活。因而世界各国都 把漏损问题作为重要课题来研究，它已经成为供水事业发展中的一个重要组成部 分。 本文在传统水力学基础上，引进了考虑漏失存在的连续性方程，着重分析了 影响供水管道漏失的若干因素，如漏失面积比、管道供水压力，对管道漏失量的 影响，并通过实验研究证明了管道漏失量与管道水压之间的指数关系，指数关系 的确定，不仅能真实地反映管道中的漏失情况，而且能够指导实际管道工况的计 算，同时，又分析了漏损对管道正常运行的影响，重点考察漏损对管道供水压力、 流量的影响，给管道漏损的判断提供了依据。 水压是判断城市供水管道运行质量的重要指标，研究漏损状态下供水管线的 压力变化规律是使压力监测数据成为管道漏损判断、初步定位乃至漏损状态评价 依据的基础和前提。本文在供水管道水力计算的基础上，着重分析了漏失强度对 管道压力的影响并提出漏损状态下的压力模型，然后分析了压力作为漏损判据的 有效性与局限性，并且尝试对漏失点进行判断及初步定位。通过对实例的计算模 拟，分析压力变化作为漏损有效判据的参考范围及确定方法。 关键词：供水管道漏损水力分析数学模型实验 a b s t r a c t l e a k a g eo fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m si sas e r i o u sp r o b l e mi nw a t e ri n d u s t r i e s l e a k a g en o to n l yw a s t e sp r e c i o u sw a t e rr g s o u r c c $ ，b u ta l s ol e a d st om u c hf i n a n c i a l l o s s ，a tt h es a m et i m ea f f e c t st h en o r m a lp r o d u c t i o na n de v e r y d a yl i f eo fp e o p l e a s t h er e s u l t ，t h el e a k a g eo fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m sh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u eo f c o n c 朗f l st os t u d yi nt h ew o r l d a c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lb a s i ce q u a t i o n so ft h eh y d r a u l i c s ，t h ec o n t i n u i t y e q u a t i o n sw h i c hc o n s i d e r i n gt h el e a k a g ei sf i r s t l yi n t r o d u c e d ，a n ds e v e r a lf a c t o r st h a t a f f e c tt h el e a k a g eo fp i p e ，s u c ha st h er a t eo fl e a k a g ea n dp r e s s u r e ，a r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，t h i sa r t i c l ev e r i f yt h ee x p o n e n t i a lr e l a t i o nb e t w e e nt h el e a k a g eo f f l o wp i p e a n dp r e s s u r ec o n c e m e d t h i sk i n d o fr e l a t i o nc o n f i r m e dc a nr e f l e c tt h er e a lc o n d i t i o n o fl e a k a g ei np i p e ，a n dc a nb eu s e dt og u i d et h ea c t u a lc a l c u l a t i o no ft h er e a lf l o wp i p e a tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c t st h a tl e a k a g ed o e st of l o wp i p e ，e s p e c i a l l yt ot h ep r e s s u r e o fw a t e rs u p p l ya n dr u n o f f , a r es t u d i e d ，w h i c hg i v eag i s tt ol e a k a g ej u d g i n go f f l o w p i p e ， p r e s s u r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d e x e st oe s t i m a t et h ew o r k i n gq u a l i t yo f w a t e rs u p p l yp i p e t h ec h a n g i n gl a wo fw a t e rs u p p l yp i p ep r e s s u r ew i t hl e a k a g em a y b eu s e dt op r o v i d ew i t ht h ep r e s s u r ed a t am o n i t o r e da st h eb a s i sa n dp r e m i s eo f l e a k a g ej u d g i n g ，l e a kl o c a t i n ga n de s t i m a t i o no ft h es t a t ei na c c o r d a n c e b a s e d o nt h e h y d r a u l i c sc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rs u p p l yp i p e ，t h i sp a p e rp r i m a r i l ys t u d yt h ee f f e c to f l e a ki n t e n s i t yo nt h ep r e s s u r eo fp i p e ，a n dt h e n ，e s t a b l i s hap r e s s u r em o d e l m e a n w h i l e ，。t h e - v a l i d i t ya n dl o c a t i o no fp r e s s u r ea sac r i t e r i o no fl e a kd e t e c t i o na r e d i s c u s s e d ，a n daa t t e m p tt od e t e c ta n de l e m e n t a r yl o c a t ei sm a d e f i n a l l y ，ac a s es t u d y s h o w st h a tt h er e c o m m e n d e dv a l u e sa n dm e t h o da r ev i s i b l e k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yp i p e ，l e a k a g e ，h y d r a u l i ca n a l y s i s ，m a t h e m a t i cm o d e l ， e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞注太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名巷日寿7 签字吼叩年 学位论文版权使用授权书 i j lf 彳e t i 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞整太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：参l a 东 签字日期：二叫7 年6 月 ，罗日 导师签笔：张兹 签字b 规：沙o7 年r 弋1 9 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 1 1 1 我国水资源现状 j 二地球上的淡水资源非常有限，真正可供人类使用、易于取到的淡水仅占地球 水资源的0 2 6 ，并且水资源分布很不均衡，约6 5 的水资源集中在不到l o 个国 家里，而人口占世界总人口的4 0 的8 0 个国家却严重缺水，另3 1 - 2 6 个国家的水资 源也很少【1 1 。联合国用水会议曾发出警告说：“水不久将成为一个深刻的社会危 机，石油危机之后的下一个危机便是水”【l 捌。 我国水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ，位居世界第六位，然而由于人口众多，我国 人均占有水资源量仅2 3 4 0 m 3 ，约为世界人均占有量的l 4 ，是美国的1 5 ，加拿大 的1 5 0 ，位居世界第1 1 0 位，被列入世界1 2 个贫水国家名单。加之我国水资源主 要来源于降水，而降水遭受大气环流，海陆位置以及地形、地势等因素的影响， 在地区分布上很不均匀，总体格局是南方多，北方少，东南多，西北少。在时问 分布上更显不平衡，大多数降水集中于夏季7 、8 、9 - - 个月份。我国西北、华北 以及某些沿海地区受水资源匮乏的影响，使这些地区的国民经济发展受到严重的 制约【3 】o 近年来，全国水污染仍呈发展趋势，工业发达地区水域污染尤为严重。据7 大水系和内陆河流的i t 0 个重点河段统计，符合“地面水环境质量标准”l 、i i 类的占3 2 ，i l l 类的占2 9 ，i v 、v 类的占3 9 。与此同时，城市内及其附近的。 湖泊已普遍严重富营养化【3 】。此外，全国以地下水源为主的城市，地下水几乎全 部受到不同程度的污染。目前，我国8 0 的水域、4 5 的地下水受到污染，9 0 以上的城市水源严重污染。水源污染不但影响到人们的健康和工农业生产，而且 使有限的水资源遭到破坏，对城市供水造成严重危害【4 】。 在全国6 6 6 个城市中，有3 3 0 个城市不同程度缺水，其中严重缺水的达1 0 8 个 城市；在3 2 个百万人口以上的特大城市中，有3 0 个城市长期遭受缺水的困扰。值 得注意的是，在我国经济比较发达、人口比较集中的地区，特别是水资源短缺的 城市，水的供需矛盾尤为突出。在国家大力提倡“开源节流并重，资源合理配置” 的方针指引下，全国各级政府主管部门重视及全民节水意识加强，每年已节约用 水2 6 亿m 3 ，但全国城市日缺水量仍在1 6 0 0 万m 3 以上，影响4 0 0 多万城市人1 ：3 的正 第一章绪论 常生活，城市工业每年因缺水而造成的经济损失达2 3 0 0 亿元。缺水问题已成为我 国城市开发建设的中心问题和经济发展的制约性因素，并且直接关系到社会的稳 定【5 一。 1 1 2 城市供水系统漏损现状 供水系统是城市的命脉，是保障人民生活、发展生产不可缺少的物质基础， 直接关系到社会的稳定和经济的发展，具有极其重要的地位。随着工业的发展、 人口的增长、生活水平的提高以及用水设备的改善，我国各城镇用水量逐年增加。 城市供水系统也经历了从无到有，从小到大，不断更新改造、新建、扩建逐步发 展的历程。城市供水系统将水厂与广大用户紧密地联系在一起。它担负着将净水 厂处理合格的水按用户要求的水量、水压输至各用水点的任务，不仅关系到千家 万户城市人民的日常生活，而且也关系到工业生产和各企、事业单位、公用设施 及城市消防等社会生活的各方面【6 以o 】。因此，城市供水系统是城市最重要的生命 线系统之一，其正常安全运行直接影响到城市的正常运行，而管道漏损严重威胁 到了城市供水系统的正常运行，给整个城市的正常运行带来了隐患。 社会对自来水的供给安全可靠性以及服务质量提出越来越高的要求。但由于 供水管网的逐渐老化，漏损问题也日益严重，已成为影响供水安全和质量的关键 因素之一。 根据1 9 9 8 年城市供水统计年鉴【8 】，5 6 1 个城市的漏失率平均为1 3 ，5 4 9 个 城市的单位管长漏失量平均为3 2 m 3 k m h 。1 9 9 8 年全国城市供水漏失总量为 3 4 9 7 亿m 3 ，相当于近1 0 座供水量1 0 0 万m 3 d 的特大型水厂的一年供水总量。 城市供水在无利润的情况下，其平均成本约为0 9 ：元j m a ，如果按此计算，那么 每年我国城市供水行业因漏失而造成的经济损失达3 1 4 7 亿元。 由于自来水是经过给水设施加工处理和输配的水资源，在工程建设和运行管 理等方面，需要投入大量的人力、物力和财力，尤其是远距离输水工程，其建设 周期长、投资大、运行维护费用高，一般建设这类供水设施需投资约为1 0 0 0 - - 一 3 0 0 0 元m 3 d ，因此前面所计算的3 1 4 7 亿元仅仅是直接经济损失，而实际上的 经济损失将远远超过这个数字1 7 j 。 近年来，国内管网漏损水量占总用水量的比例越来越大，多在2 0 3 0 之 间，高出世界平均水平4 2 ，每年损失的自来水量近1 0 0 亿立方米，相当于北京 市2 0 0 2 年用水量的1 3 倍，不仅造成了水资源的浪费，而且给供水企业带来了巨 大的经济损失。加大供水企业的管理力度、减少漏损水量、提高水资源的利用效 率已迫在眉睫。据2 0 0 3 年l o 月1 4 日在沈阳召开的全国城市节水工作座谈会暨 城市供水管网漏损控制研讨会公布的数字，我国城市供水因各种管道事故，每年 第一章绪论 漏损近1 0 0 亿m 3 ，据对6 6 0 余个城市的统计，近3 年全国平均每年城市节水量 约为3 5 亿m 3 ，因此每年漏损掉的水量就相当于全国3 年的节水量。据2 0 0 2 年 城市供水统计年鉴对其中4 0 8 个城市的统计表明【6 】，管网漏损率平均为2 1 5 ， 远远高于1 2 的国家考核标准。以昆明市自来水总公司为例，全市每年有2 0 0 0 多万立方米的自来水在白白流失，相当于一万个普通家庭4 0 年的用水量。 另据中国新网报道【7 】，2 0 0 5 年6 月7 日在上海举办的一个国际给水网络管理 论坛上，香港水务署的专家说，香港每天的供水量为7 8 0 万m 3 ，整个城市拥有 一个庞大的供水管网，主要管线总长度超过七千四百公里，其中使用时间超过三 十年的约占4 5 。现在香港每年供水管道发生爆管两千起以上、管漏一万多起， 因此浪费的水量约占全部城市供水的l 5 。上海的专家介绍说，上海每年用于管 线的开挖抢修费用超过一亿元人民币，供水管线的爆管和漏水造成大量水资源的 浪费。建设部地下管线专业委员会的专家表示，目前中国城市供水的平均漏失率 约为2 0 左右，而日本约为1 0 ，美国为8 ，德国更是低于5 。中国城市供 水的高漏失率不仅增加了供水成本，也增加了城市居民的用水开支。与会专家一 致认为，对于中国这样一个水资源短缺的国家，城市供水管线漏水情况应该引起 管理机构的充分重视。 1 1 3 城市供水系统漏损问题的研究意义 随着社会的发展和城市居民维权意识的提高，用户对供水企业的要求越来越 高，由于供水管网漏水造成的水质、水压、水量、供水的连续性和安全性等问题 成为市民投诉的热点。同时，管网漏水也给环境带来了定的影响。如：路面塌 陷，影响交通安全；长期漏水造成建筑物出现质量问题；防空洞、地下室、各种 缆线检查井积水等情况。一系列问题和情况的出现，严重干扰市民韵正常生产和 生活，往往被政府和新闻媒体所关注，供水企业如果处理不好，会对企业产生严 重的负面影响 u - 1 5 】。因此，社会对供水管网漏水点的及早发现、准确定位、快速 抢修、迅速供水提出了更高的要求。而对于供水企业，加强漏损检测工作，提高 漏失点定位的及时率和准确度是解决该问题一行之有效的措施。 自来水是经过城市给水设施加工处理和输配的水资源，在工程建设和运行管 理等方面都要投入大量的人力、物力和财力，尤其是远距离输水工程，其建设周 期长、投资大、运行维护难度大、费用高，减少漏损就相当于增加了产水，可以 延续或降低建设规模，节约建设投资，同时也节约了费用开支，降低了给水设施 处理水的运行成本【蛤埽1 。 自来水在输送过程中，若发生泄漏，地表排放的污水渗入土壤，会造成给水 管网的二次污染，降低管网漏损，大大降低了发生此种滋生灾害的可能性。 第一章绪论 1 2 国内外城市供水管道漏损控制研究概况 漏损是供水行业普遍存在的现象，供水管道漏损问题的研究应标本兼治，并 以治本为目标。目前许多文献都详细分析了管道漏损的原因，列出了影响管道漏 损因素，同时也为管道漏损控制措施的选择提供了针对性的依据。通常，管道漏 损控制主要研究内容有以下几个方面：相关法律法规的制定、压力控制、管道的 定期更新、漏失点定位、漏失点的修复质量和速度、管道漏损控制模型等【1 9 之1 1 。 1 2 1 管道漏损模型 随着应用数学和计算机技术的发展，在不断丰富和完善检漏方法和仪器设备 的同时，也对城市供水管道和管网的漏损建立了相应的数学模型；通过预测系统 可以实现管道漏损预测；通过计算机故障诊断系统判断漏水区域或管段，结合现 有检测技术确定漏失点，常见的几种模型如下： 1 ) 多元线性回归模型通过供水管道漏损原因的相关分析，对供水管道投入 使用后，管道产生漏损的初始时间进行了科学预测，建立了供水管道的预测模型。 优点是结构简单，可用于单个管段；缺点是预测精度较差。如：本项目课题组在 大量供水管网漏损数据的基础上，应用多元线性回归分析理论，对供水管道投入 使用后产生漏损的初始时间进行了预测，建立了供水管道漏损控制预测模型和管 道生命年限的微观模型。 2 ) 指数平滑模型对各期观察值依时间顺序加权 2 3 - 2 9 ，历史时间越近权数越 大，时间越远权数越小，该模型不断用预测误差来修正新的预测值，建立了给水 管网漏失频率时间序列模型，优点是预测精度高；缺点是针对整个管网，对单个 管段缺乏指导意义。如：陈宾【l6 】采用时间序列分析方法研究了漏失流量与压力、 漏洞直径的关系，根据实际供水管网的漏失数据，建立了给水管网漏失预测的线 性指数平滑模型和二次曲线平滑模型。 3 ) 城市供水管网故障的实时诊断，通过实时监测供水管网中的水量或水压 变化，利用这些数据建立数学模型可以快速有效地诊断故障位置【2 ”6 】。近年来， 我国大中城市给水系统相继布设了水压或流量自动监测仪，称s c a d a 系统，它 可以对供水管网一些节点的水压和流量进行自动监测，并采用无线传递的方式实 时将水压和流量信号传回控制中心，以此来监控整个给水系统的工作状况，常见 的诊断方法有水压测量检漏，即测量供水管道内的水压及其变化量，用来分析管 内水压变化与漏水点的位置。 4 ) 神经网络定位模型是由大量的简单计算单元广泛相互连接而成的一个非 线性动力学系统，它有高度的并行分布处理，联想记忆，自组织及自学习能力和 第一章绪论 极强的非线性映射能力。神经网络模型通过自学习、自联想建立对于管道故障的 自判断能力，当系统环境变化或误报警纠正后，自动更新网络参数，适应不同的 管网系统和场合。神经网络模型按不同泄漏信号类型分为应力波和水压两种形 式，应力波模型主要应用于单传感器定位技术；水压模型仅需要水压的监测值， 对故障原因没有任何限制，因此还可诊断水源和泵站等的故障，充分利用现有的 s c a d a 技术和设备 3 7 - 4 0 。 供水管网数学模型研究是实现漏损计算机控制的基础。多元线性回归预测模 型、指数平滑预测模型、神经网络诊断模型，大都处于实验阶段，只有基于 s c a d a 系统的水力模拟模型有个别应用于实际漏损控, | j t 4 u ，但并不是真正意义 上的水力模拟，只是将水压突然降低点或流量突然增大点，作为漏损检测目标点， 然后再用仪器进一步精确定位，这种情况仅适用于管道突然爆管的情况，针对漏 失量增加不明显的漏失点，却无法检出。所以要实现真正意义上的计算机自动控 制，必须加快模型建设【4 2 - 4 s 。 1 2 2 管道漏损检测设备及方法 发达国家非常重视管道漏损检测的研究工作，较早开展了漏损检测技术、方 法及设备的研究、开发工作，并成立了相关的学术机构，如英国水研究中心 ( w r c ) 专门发表报告，论述漏损控制的内容、方法和对策；美国供水协会 ( a 、叭黻) 在1 9 7 6 年成立了漏损检测和计量委员会；日本水道协会( 冈，v 淞) 专门针对漏损问题进行了研究，在长期的工程实践中取得了良好的漏损控制效 果。 给水管道的漏损检测设备通常是通过检测漏水声来实现对管道漏失点进行 定位i 当压力水从管道的漏水口喷出会产生三个成音频率：第一个成音频率是水 与漏口发生摩擦产生震动，然后沿管道和土层传播，其传播的距离与管道的管材、 漏水量的大小、土层有关；第二个频率是漏水口喷出的水喷到周围泥土上产生的 频率；第三个频率为漏失点附近的土壤由于水流的冲刷而产生的空穴，水在空穴 内转动而产生的声音，基于以上原理，常用的管道检测设备有：听漏棒、电子听 漏仪、噪声自动记录仪、相关仪等。关于各设备的具体介绍可以参考相关文献 【4 9 5 1 。对于各个供水企业，应根据地理位置、经济及技术等多个条件综合确定 选用。 国外针对漏损管道的检测方法主要有被动检漏法、音听检漏法i 相关分析检 漏法、雷达检漏法等。 1 ) 被动检漏法 被动检漏法是待地下管道漏水冒出地面后发现漏损后进行检修的方法，被动 第一章绪论 检漏法主要依靠专门人员进行巡查和用户报漏两种方式，被动检漏法投资少，但 发现漏损以明漏为主，往往已经造成了大量漏水后才能发现。因此，被动检漏法 适合埋于地下、附近没有河道和污水管的输水管道【4 9 1 。 2 ) 音听检漏法 音听检漏法可以分为直接听音法和间接听音法两种，直接听音法也称阀栓听 音法，通常在阀门处进行听音；间接听音则在地面听音。前者用于查找漏水的范 围和线索，简称漏失点预定位，后者用于确定漏水点的位置，简称漏失点精确定 位【5 0 5 1 1 。 直接听音法是用听漏棒或者电子放大听漏仪等设备直接在管道的暴露点( 如 消火栓、阀门) 听测由漏水点产生的漏水声，从而确定漏损管道，缩小漏损检测 的范围。 间接听音法是指在直接听音法确定漏水管道后，用电子放大听漏仪在地面听 测地下管道的漏水点，并进行精确的定位。听测方式为沿着漏水管道走向以一定 的间距逐点进行听测比较，当地面拾音器越靠近漏水点时，听到的漏水声越强， 在漏失点上方达到最大。 。 据英国水研究中心估计，音听检漏法约可以查地下漏水的8 0 ，当然该数字 还应取决于管道检漏人员的素质和音听设备的性质等。 3 ) 雷达检测法 探地雷达是利用发射地磁波的反向收集，对地下管道进行测定，可以精确地 绘制地下管道的横断面图，并可以根据管道周围的图象判断是否漏水。探地雷达 所收集的数据非常丰富，除了可以探测供水管道、煤气管道、下水道、电缆等位 置及地下土壤情况；也可检测难以发现的管道漏损、管道的不均匀沉降等资料； 还可以用于预防性的测量，发现隐患，提高漏损控制水平。 4 ) 氢气检漏法 英国的一些流量控制公司于1 9 9 7 年开始从事这方面的研究。这种方法一般 使用在一些不适合使用常规声学方法的地区，如一些缺乏明显噪声的地区，缺乏 有效的噪声记录仪放置点的地区。 氢气检漏法可适用于气、水混合管道或者纯气体管道的探漏中，具体方法为： 将9 5 的氮气与5 的氢气混合气体通过以各进口( 如消火栓、用水点) 充入管 道，气、水混合气体将沿管道推进并在漏失点处溢出，气体在很短的时间内就会 上升到地面，同时利用一台高灵敏度的氢气探测装置沿管道进行探测，则很容易 发现漏失点。目前这这种方法已经逐渐应用于主干管和用户支管的漏损检测，实 际证明是非常有效的。 目前，使用听音检漏法来确定漏水点是较为有效的手段，但是由于听音检漏 第一章绪论 法测试的范围小、检测周期长0 人工费昂贵，因此使用受到了限制。 和国外相比，我国的供水企业在长时间的技术管理上积累了丰富的经验，涌 现了一大批基础工作扎实、技术管理过硬的供水企业。特别是近年来，部分国内 城市开展供水系统的普查和管道漏损的精确定位研究，建立了管网的计算机管理 系统，使城市供水系统运行更加合理，实现了动态管理，同时有些城市还配备了 先进的管道检测设备，加强了管道的巡查力度，变被动检测为主动检测，对提高 供水效率推动全国供水管理和控制漏损水平起到了积极的示范作用。 1 2 3 管道漏损在线检测及定位技术 输水管道泄漏自动监测技术在国外得到了广泛的应用，管道泄漏检测的方法 主要有生物方法、硬件方法和软件方法，也可以分为直接检漏方法和间接检漏方 法。无论采用哪种检测方法，都要求管道泄漏检测系统应具有：环境检测的灵敏 性；泄漏检测的实时性、准确性；泄漏定位的准确性；检漏系统的易维护性、易 适应性。 直接检漏技术主要采用人工巡视或通过沿管道周围埋设湿度传感器或气敏 传感器，利用这些传感器直接感应泄漏流体，一旦有泄漏，检测系统马上就会报 警。这种检测方式的最大特点是能较精确地对漏失点进行定位。然而这种方法需 要预先在管道沿线埋设大量的传感器和传输装置，费用较高，且只能对已发生泄 漏的点进行报警，而不能提前对将要泄漏的点进行预报。 间接检漏的方法很多，发展也比较快。其基本原理是根据一些物理参数如磁 通、超声、涡流、压力波的变化或物质平衡等对管道进行无损检测。该法既可以 对已经泄漏的点进行定位，也可以根据管道的壁厚、腐蚀程度等参数运行状态分 析，对潜在的漏失点进行提前预报，以便提前进行维修，从而避免管道的泄漏。 另外，管道漏损检测方法也可以分为管道内检测技术和管道外部检测技术； 常见的管道内部检测方法有探测球法、瞬变流量法、流量平衡法、测量含沙量法、 实时模拟法；管外检测法有声发射检测法、人工神经网络法、超声检测法、超声 管道猪和磁通管道猪、法i 5 2 侧。 通过压力波来检测管道漏损的方法中压力波是管输介质中传播的声波。当输 水管路发生泄漏时，以泄漏处为界，视输水管道为上、下游两个管道，由于水管 内外压差的存在，使得泄漏处的水迅速流失，压力下降，泄漏处两边的水由于压 差流向泄漏处，这一过程依次向上、下游传递相当于泄漏处产生了以一定速度传 播的负压力波，该负压力波将以一定的波速向输水管道两端传播，分别被上、下 游的压力传感器检测到，根据检测到的负压力波波形特征，可以判断是否发生了 泄漏。常见的压力波检测方法有小波分析法，小波分析是傅立叶分析的突破性进 第一章绪论 展，是调和数学分析领域的半个世纪的工作结晶d 5 ，5 3 。 压力点分析法( p p a 法) 是利用压力波【5 4 刀】发展的一种新型检漏方法，较其 他法体现了很多的优点，p p a 是在研究大量管道发生漏损前后能量和动量平衡的 基础上提出来的，该方法依靠单一测点取得数据，极易实现。 这些管道无损检漏技术都有各自的特点，而且检测的精度也相对较高。但是， 对于城市给水管道，由于这些检漏技术成本太高，因此其推广受到了严重限制。 所以在城市管道检漏方面至今仍然停留在人工通过听漏仪来判断漏损的阶段，使 得漏损的检测效率极低，检测周期较长。 1 3 本文主要研究内容概述 1 3 1 研究目标 参考有关文献，了解国内外关于管道漏损方面的研究概况，综合各个方面的 研究后发现，供水管道的漏损控制是一项系统工程，涉及到社会、经济、环境、 工程等各个方面的内容。目前国内外对管道漏损的研究主要集中于管道漏损原 因、管道漏损的检测以及漏损控制模型的研究上，极少有关于管道漏损机理方面 即对管道漏损本身的研究，因此本课题主要从给水专业角度出发，以供水管道漏 损的漏失量测定以及管道漏损的初步定位为最终的研究目标，着重对其实现时必 须解决的问题进行了深入研究和探讨，并拟从发生漏损的管道本身去研究管道漏 损状态与管道正常运行状态的区别和联系，建立管道漏失量测定的数学模型，并 希望将该模型运用到实际管道漏损检测中。 1 3 2 主要研究内容 基于上述研究目的，探讨管道在漏损状态下的的水力特征，比较其与正常工 作状态的联系和差异。选择能够将两者联系起来的参数，通过这些参数的变化来 反应两者之间的区别，并且对参数与参数之间的关系进行深入细致的分析。 一般来说，当管道被埋于地下，影响管道漏损的因素较多，而随管道发生漏 损变化的因素也很多，但是与管道水力状态相联系的参数仅有几个。本文拟从能 够表征管道水力状态的参数中选取合适的参数，以这些参数的变化来比较漏损管 道和正常运行管道的区别。初步选择管道流量、管径、流速、管道压力、扬程等 作为供水管道漏损研究的表征性参数。因为这些参数较容易测得，而且当管道发 生漏损时，这些参数同时发生变化，同时也是经典水力学中经常用到的参数。进 行实验研究时也能够以水力学的经典理论对研究结果进行理论推导和检验。 第一章绪论 从水力学的角度分析，管道压力、流速、流量与管道扬程之间有一定的函数 关系，流量和扬程可以通过水泵的供水曲线求得，压力通过扬程和管道流速以及 管道的水头损失求得，流速则通过管道的流量和管径直接得到，除了这些关系外， 更为重要的是这些变量受管道外部条件的影响较小，它们随管道漏损的变化真实 地反映了管道的漏损状态。 表征管道漏损状态变化的参数选定以后，本文着重研究了管道漏损状态下各 个参数的变化，即流量随管道漏损的变化和压力随漏损的变化。但是管道的漏损 程度需要一个参数来表示，于是本文引入漏失面积比的概念来表征管道的漏失程 度，该参数的提出将管道正常状态和漏损状态联系起来，使得各个参数的变化更 加有规律可循。 完成上述工作以后，本文将重点放在管道漏失的研究上，着重分析影响管道 漏失量的各种因素，对这些因素之间的关系做深入的分析，并运用数学的方法进 行表达，确定这些因素与漏失量之间的函数关系；然后，比较各种参数变化，描 述管道漏损与管道运行参数之间的相互影响。通过流量和压力的变化关系来体现 这种影响，随着研究的深入，希望能够通过数学关系式来表达。 最后运用基本水力学方程式，结合以上研究成果，研究漏损状态下管道流量、 漏失量、压力等在管道漏损定位方面的应用，为管道漏损初步定位提供一个新途 径。 1 3 3 研究期望结果 通过对上述实验内容的考察分析，本文希望能够得到关于管道漏损的以下几 方面的研究成果： 1 ) 对管道漏失量的影响因素进行定性描述后，得到准确计算漏失量的数学 关系表达式，再对该关系式中的系数进行细致分析，并对影响这些系数的因素进 行分析和总结； 2 ) 研究漏损对管道供水压力的影响、漏损对管道流量的影响，并得到漏失 量与管道漏失面积比之间的关系； 3 ) 上述研究为管道漏损初步定位提供了参数保证。运用管道漏损定位方法 对实际管道漏损进行初步定位。 第二章管道漏损模拟实验设计 2 1 实验设计思路 第二章管道漏损模拟实验设计 2 1 1 选择实验研究的原因 根据研究内容，考虑到城市实际管道并不具备理想的研究条件，通过采集实 际数据进行研究需要克服诸多困难，例如，实际监测数据往往因为某些原因并不 是很全面，数据缺失严重；实际数据受外部条件的影响较大，因为实际数据的采 集并不集中，受当时环境条件的影响，数据之间的可比性较差；实际数据达不到 对漏口面积的测定要求，实际供水管道往往埋于地下，漏损发生后并不能准确地 确定漏失点位置和漏口大小。这些实际困难导致通过实际数据进行研究的方案不 可行。因此，本课题组决定建立实验室对管道漏损状况进行模拟，通过安装监测 仪器测定所需要的数据。通过实验研究，能够人为地控制实验参数，有利于对各 个参数之间的关系有更深入的理解；与实际数据相比，实验室监测的数据受环境 条件影响较少，数据之间可比性较好；在实验室条件下，可以人为地模拟出各种 漏损状况，即可以通过实验设备上的阀门来控制漏损的发生，甚至能模拟管道漏 损发生到发展的整个过程，所得数据具有连续性，这是实际数据所不能比拟的。 2 1 2 实验目的 本文从水力学角度出发，对供水管道在完好和发生漏损两种状态下的水力特 性进行了全面研究。通过研究漏损条件下管道水力状态，定量分析影响管道漏失 量的各种因素并建立漏失量计算模型，为漏损条件下管网水力模拟奠定基础，并 且为将压力数据应用于漏损判断与定位提供理论依据。本文通过研究不同压力、 漏损面积、管径等条件下漏失量的变化规律，为建立漏失量计算模型提供数据基 础。同时，对漏损引起的管道内压力及流量的变化规律进行研究。 2 1 3 实验参数及其测量设备的选择 比较管道漏损状态下和正常运行状态下能够表征管道运行状态的参数，并考 虑到在实验室条件下所能测得的参数，本课题组选择了本次实验所需要测量的参 数，包括流量、压力、漏失量、漏失面积比。 第二章管道漏损模拟实验设计 实验中需要专用设备来对这些参数进行测定。对于流量，应选用管道流量计 测量，为了保证流量测量的准确性，流量计需要有较高的精度。对于压力的测量， 考虑到实验室条件下，管道压力不可能达到类似于城市供水管道的压力水平，因 而管道压力保持在一个相对较低的水平内，所以管道压力的测量也应足够精确， 本实验中选择精度较高、误差较小的压力表。这些压力表应安装在实验管道的始、 末端，以测量管道的进水压力和出水压力。但是对于管道中间的压力变化，使用 压力表不能达到实验要求，原因如下：1 ) 管道上的测压点较为密集，压力表的 安装受到了空问限制；2 ) 实验管道上安装压力表容易破坏管道内的水流状态；3 ) 实验管道上测压点之间的距离较短，即使用高精度的压力表也不能准确地测出相 邻测压点之间的压差。综合以上原因，实验管道中间的压力测量宜选用水银压力 计来测量，值得注意的是，即使使用市面上销售的量程最大的水银压力计，仍不 能满足对于管道绝对压力的测量，因此管道中间测压点压力的测量应以测压差为 主。 模拟管道漏损状态需要专用阀门，且阀门开度可以人为控制，即可以通过调 节阀门开度来控制管道漏失面积比。 漏失量的测量是本实验的重点。为了保证此数据的准确性，本课题组放弃了 使用流量计测量漏失量的方案，因为任何流量计都以流速法测量流量，流速法的 一个重要特点就是始终要保持管道处于满流状态，但是本实验中，当漏失量较小 时，该条件不能满足，直接影响了测量的准确性，所以本实验课题组选用了体积 法来测量漏失量，需要的实验设备仅为水箱、量筒以及秒表。 2 2 实验装置与工作原理 2 2 1 实验装置介绍 根据以上所选实验测量参数以及对所需要的特殊设备的要求，综合考虑整个 实验流程，本课题组成员特别设计了一套专用的实验装置，并在实验装置上安装 了各种仪表来测量所需要的数据。该装置在实验组成员的严格指导下完成施工安 装，经实验运行检验后方正式投入实验数据采集工作中，实验装置安装见图2 - 1 ， 实验装置设计见图2 2 ，实验装置说明见表2 - 1 。 第一章管道漏损模拟实验设计 图2 - 1 供水管道精损模拟实验装置安装图 匝拳魁嘲群髯袜呷n函 第二章管道漏损模拟实验设计 表2 - 1 实验装置列表 2 2 2 实验装置工作原理 本实验中采用循环水流，在整套实验装置运行之前，需要通过进水管将水箱 注满，并检查闸阀，确保没有漏水点，保证实验装置安全运行。 水泵开启后，水流经水泵提升后进入过滤器，过滤器的作用是保护后续的流 量计，水流过流量计后上升至实验管道，然后通过实验管道再回流至水箱。在实 验管道中间设置了三通，三通上安装漏损控制阀门，当要模拟管道漏损状态时， 开启漏损控制阀门，则漏失水经过管道流入计量水箱。 在水泵与过滤器之间设置压力表，用来测定水泵出水压力，在每根实验管道 两端分别设置一块压力表，用来测定管道供水压力和出水压力；在实验管道中间 设置1 5 个测压点，一般以1 号测压点为基准，使用水银测压计来测量其它测压 点与l 号测压点之间的压差，来反映整个实验管道的水力状态。 当漏失控制阀门开启后，漏失水流入计量水箱通过计量体积和时间来测量漏 失量。 2 3 实验方案设计 本实验的目的是通过对管道漏损的实际模拟来比较其与正常管道之间的差 别和联系，通过逐渐加大管道漏损程度等措施，以及对比不同管径下各个参数的 第二章管道漏损模拟实验设计 变化，明确管径对漏损状态的影响，即漏损在不同管径管道内的表现；通过对比 不同压力下漏损状态的各个参数的变化，明确压力对漏损状态的影响。根据数据 分析，逐步建立漏失量与压力之间的关系、漏失强度与压力之间的关系、漏失面 积比与流量之间的关系等。由于各个参数之间相互交叉测量，因此引入正交实验， 最大效率地完成实验数据的测量，为以后的实验分析打下一个坚实的基础。具体 做法如下：首先，安装某一管径的实验管道，在某一供水压力下开始测量，逐渐 调节供水管道上安装的漏失模拟阀门，模拟出该压力下不同漏失面积比的水流状 态，测量该压力水平下，在不同漏失面积比下的压力流量以及实验管道上测压点 的压差，然后改变供水压力，开始新一轮的测量，逐步测得多组供水压力下的不 同漏失面积比下的实验数据，当这些都测量完毕后，更换新的实验管道，具体方 案见图2 3 。 飞。 1 7 f0 0 9 4 i o 2 0 7 o 0 4 m p a 一1 0 3 5 1 0 0 6 m p a l 0 7 4 1 0 0 8m p a 0 9 0 0 0 1 2 m p a； ； 0 0 8 m p a 0 0 9 4 0 1m p a 1 0 2 0 7 0 1 2m p a 1 0 3 5 1 ： 管径供水初压力漏失面积比 图2 - 3 实验方案 2 4 实验装置试运行及基本参数的测定 实验装置安装完成后，首先投入试运行，主要是为了检测实验装置对实验的 加 卯 n n d d 实验测量 第二章管道漏损模拟实验设计 适用性并及时对其进行改进；其次，使实验操作人员尽快熟悉实验装置的操作； 同时也可以测量实验所需的基本数据，如海曾威廉系数，为后续工作奠定了良 好的基础。 由于海曾威廉公式对于管道的水力计算不要求对水流状态进行计算，是目前 许多国家用于供水管道计算的公式。它的特点是可以通过调整海曾威廉系数以 适应不同管道的需要。海曾威廉系数的测定测试方法有两种，分别如下： 三点法： 五点法 日2 h i qq - q l i l l厶2 ，r 厶3 图2 - 4 三点法实测示意图 图2 - 5 五点法实测示意图 在图2 - 4 和2 5 中，q 表示管道的进口流量，q 表示漏失点处漏失量，喝到 也表示对应水力断面上的水头，图2 5 中办。表示断面1 到断面2 之间的水头损 失，觇表示断面3 到断面4 之间的水头损失。l j 和幻分别表示对应断面之间的 第二章管道漏损模拟实验设计 管道长度。 根据海曾威廉公式，可以反推出海曾威廉参数，即： c = ( 坐磐) 1 ，懈2 ( 2 - - ) 式中： c 一海曾威廉系数； q o 一管道流量( m 3 s ) ； h 二水头损失( m ) ； 三一管道长度( m ) ； d 一管径( m ) 。 本文通过将实验装置与上述两法对比，决定采用五点法来测量本实验装置的 海曾威廉系数，将实验测得的数据代入公式2 1 中，反复计算，最终取计算结 果的平均值。计算结果见表2 2 ： 表2 2 海曾城廉系数计算表 2 5 本章小结 本章对实验研究的必要性进行了论证说明，选取了能够表征漏损实验状态的 参数，介绍了实验装置的设计过程、重要参数的测量设备、实验装置的工作原理， 以及实验方案，为下一步管道漏损状态的水力分析研究的数据收集提供硬件支 持。 第三章供水管道漏失量计算模型研究 第三章供水管道漏失量计算模型研究 3 1 供水管道漏失量计算模型的建立 3 1 1 实验方法介绍 通过整理参考文献发现，管道漏失量受到管道供水压力和管道漏失程度的影 响。因此本文对漏失量与供水压力、漏失程度的关系进行了研究。首先对于某一 特定实验管道，通过阀门来控制其在未漏失情况下的压力，然后调节漏失模拟阀 门，分别模拟不同状态下管道的漏失情况，每模拟一次，记录一组实验数据，包 括管道供水压力、出水压力、管道流量、漏失量，然后改变实验装置在未漏损时 的压力，重复以上过程，直到实验结束。 3 1 2 实验结果与分析 在分析实验结果前，需要先定义几个概念： 漏失面积比丸为漏口面积也与管道断面面积么d 的比值， 的严重程度： 吒= 砉 漏失强度匆为管道漏失量纨和管道供水流量q 的比值， 的相对量： 3 1 2 1 压力对漏失量的影响 后，：鱼 7 q 用于表征管道破损 ( 3 1 ) 用来表征漏失程度 ( 3 2 ) 压力是给水管道输送介质的必要条件，也是管道内水流状态的表征量之一。 一般来说给水管道漏失量随着压力的增大而增加，控制管道的压力对于降低管道 漏损具有重要意义。管道发生漏损，整个管道内的水流状态发生变化，压力变化 较为突出。目前给水管道的漏损水力研究大多集中在管道压力变化上，并试图找 到压力变化与漏损的关系。本论文希望通过分析压力大小对管道漏失量的影响， 而通过调节阀门、流量等实现对管道压力进行控制这一途径，为实际管网选择合 第三章供水管道漏失量计算模型研究 理的管道输送压力提供依据。 通过对实验数据的整理和分析得出在一定漏失面积比下压力和漏失量关系 的定性描述( 见图3 - 1 ) ： 1 ) 相同漏失面积比下，漏失量随着管道输水压力的提高而提高； 2 ) 相同漏失面积比下，随着管道输水压力