一种体积法测量管网外源入侵的系统和方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 虽然现在也有研宄者关注这一问题，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。
[0004] 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，现有研宄中，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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 一种体积法测量管网外源入侵的系统，包括：
[0009] 入侵管路，与管网的主管连通且设有入侵开口；
[0010] 水箱，用于储存入侵管路输出水流；
[0011] 观察管，与水箱连通用于观察水位变化；
[0012] 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；
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 优选的，所述水箱的体积与主管直径的比值大于5 X 104_2,此时，水箱的体积对测 量数据的影响非常小，可以忽略不计。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 一种体积法测量管网外源入侵的方法，包括以下步骤：
[0023] (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；
[0024] (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；
[0025] (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；
[0026] (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。
[0027] 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：
[0028] a、在时间段At内，入侵体积Λ Vi的计算公式为：
[0029] AFi 二 QAt 二 CilAAtyJHrxl-Hi, Hcxt > Ht
[0030] Qi为入侵开口的瞬时流量，A为入侵开口的断面面积；H ext为Δ t内入侵开口在 水箱侧的水压瞬时值，氏为At内主管内压的瞬时值；Cd为入侵开口的出流系数，Cd = 0. 60~0. 62 ;理论上，At取值越小，测量精度越高，为了兼顾计算效率，At -般取值范围 在 0· 001 ~0· 050s。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 进一步优选的，初始设定Cd= 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。
[0035] 本发明的有益效果：
[0036] (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