CN105065917A - 城市排水管网在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市排水管网在线监测方法，包括：S1：建立所述排水管网的现场监测系统，采集排水管网运行过程中的各个监测点的管道液位参数及管线位移参数，并存储到预警数据库；S2：根据各监测点的管道位置、标高、管径、坡度、管道粗糙系数参数建立排水管网的静态数据库，并将静态数据库和预警数据库关联；S3：建立所述排水管网状态分析系统，得到所述排水管网的运行状态；S4：建立所述排水管网的预警系统，根据排水管网状态和管线位移状态分析结果对排水管网运行过程的管道病害问题进行实时判断，实现实时预警。本发明针对城市排水管网的运行稳定与安全，提出一整套监测方法，以实现对城市排水管网的信息化管理，为城市排水管网规划建设提供依据。

Description

城市排水管网在线检测方法

技术领域

本发明属于市政工程信息技术领域，涉及一种城市排水管网在线检测方法。

背景技术

城市排水管网系统是指汇集和排放污水、废水和雨水的管渠及其附属设施所组成的系统。城市排水管网是城市基础设施重要组成部分，是城市赖以生存和发展的物质基础。近年来随着我国城市化进程不断提高，对城市基础设施的投入也在逐年加大，城市排水管网建设得到快速发展，与此同时城市排水管网存在的城市内涝、管道拥堵、管线沉降、污水偷排等病害问题也日渐突出，成为威胁人民生命财产安全的重要问题。

传统的排水管网检测法即主要依靠检查人员肉眼或借助一定设备定期进行检测，具体有以下几种：

①目测法：观察同条管道窨井内的水位，确定管道是否堵塞。观察窨井内的水质，如上游窨井中为正常的雨、污水，而下游窨井内流出的是黄泥浆水，则说明管道中间有穿孔、断裂或坍塌。

②潜望镜检测：使用摄像头操作杆将摄像头送至窨井内的管道口，通过控制盒来调节摄像头和照明以获取清晰的录像或图像。通过图像观察管道堵塞、坍塌、错位等情况。

③管道闭路电视检测：操作人员在地面远程控制CCTV检测车的行走并进行管道内的录像拍摄，由相关的技术人员根据这些录像进行管道内部状况的评价与分析。

④声纳系统检测：对管道内侧进行声纳扫描，声纳探头快速旋转并向外发射声纳信号，然后接收被管壁或管中物体反射的信号，经计算机处理后形成管道的横断面图，从而判断管道内的状况。

传统检测方法虽然灵活、简便，对于特定段管道检测更加细致准确，但是费时费力，对于检测人员的经验要求也很高，更无法及时对管道病害情况进行预警，已不适应现代化排水管网管理的要求。

随着信息化技术的全面发展以及物联网概念的广泛普及，在线监测技术已成为排水管网检测未来得发展方向。2014年国务院印发的《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》中明确提出要在地下管线中广泛应用物联网监测和隐患事故预警等先进技术。因此，针对城市排水管网的运行稳定与安全，有必要总结提出一整套监测技术，以实现对城市排水管网的信息化管理，为城市排水管网规划建设提供依据。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种对城市排水管网水流状态和管线位移状态以及相关病害信息进行预警的城市排水管网在线检测方法。

为达到上述发明目的，本发明城市排水管网在线监测方法，包括：

S1：建立所述排水管网的现场监测系统；设置监测点，并采集排水管网运行过程中的各个监测点的管道液位参数h及管线位移参数σ，并存储到预警数据库；

S2：建立排水管网的静态数据库，并将静态数据库和预警数据库关联，所述静态数据库包括各监测点的管道地理位置参数、管道标高h_g、管道管径D、管道坡度i、管道粗糙系数n参数；

S3：建立所述排水管网状态分析系统；建立所述排水管网的管道流量、管道流速的仿真模型，根据步骤S1中的管道液位参数h和步骤S2中的静态数据库，计算得到所述排水管网的运行状态，根据步骤S1中的管线位移参数σ，得到管线位移状态，并存储到预警数据库；

所述管道流量仿真模型为：所述管道流速的仿真模型为： $v=\frac{1}{n}{R}^{\frac{2}{3}}{J}^{\frac{1}{2}},$

其中，n为管道粗糙系数；A为过水断面面积， $A=\frac{A_j+A_{j+1}}{2},$ $A_j=\frac{{D_j}^2}{8}(2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})-sin2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j}));$ R为水力半径， $R=\frac{R_j+R_{j+1}}{2},$ $R_j=\frac{D_j}{4}\left(1-\frac{sin2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})}{\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})}\right);$ J为水力坡度； $J=\frac{|h_j-h_{j+1}|}{\mathrm{\Δ}L},$ 其中h_j、h_j+1为测得的相邻两监测点上下游管道液位参数，即管道液位标高，△L为相邻两监测点间管道长度，j为监测点编号；

S4：建立所述排水管网的预警系统，设置病害识别模块、病害报警阈值模块和病害处理模块，结合步骤S3中的排水管网运行状态和管线位移状态的分析结果，对排水管网运行过程的管道病害问题进行实时判断，实现实时预警和处理。

S5：将监测到的排水管网的运行状态、管线位移状态及病害处理信息存储到预警数据库。

进一步地，所述步骤S2所述的排水管网现场监测系统的具体建立方法包括：布设参数监测点，应用液位传感器对重要节点的实时管道液位参数h进行采集，重要节点主要包括管道交叉处、管道变径处、管道坡度变化处、出水口及常见污水偷排点；应用分布式光纤传感器对重点管段的管线位移参数σ进行采集，并传输到计算机，重点管段包括区域排水干管、施工区域排水管、地铁隧道类重要设施附近排水管以及常见管道沉降破坏段。

进一步地，所述步骤S1中的预警数据库中包括各监测点管道的ID、采集参数的类型、安装地点、采集时间、管道管径、用水性质属性，管理人员可对预警数据库进行条件检索。

进一步地，所述步骤S4中的病害识别模块用于识别病害的类型；所述病害报警阈值模块用于设置报警参数；所述病害处理模块用于将排水管网的管道液位参数h、管道流量Q、管线位移参数σ与病害报警阈值模块中设置的参数相比较，根据病害处理模块中的病害处理方法启动相应的报警动作，实现城市内涝、管道拥堵、管线沉降、污水偷排病害分析和预警。

本发明有益效果如下：

本发明通过建立城市排水管网监测与预警体系，采集排水管网运行过程中的参数，达到准确把握排水管网的运行状态，及时发现管网存在的病害问题，并及时提供预警信息便于及时解决问题，从而降低排水管网病害的安全风险、减少受灾损失。此外，通过对管网监测得到的历史数据的分析，可以发现当前管网运行设计的不足和瓶颈，为未来管网科学、合理、有据的规划提供技术手段。排水管网在线监测技术大大提升了城市排水管网管理水平，在城市排水管理行业具有较高的应用推广价值。

附图说明

图1是本发明实施例1排水管网监控方法流程图；

图2是本发明实施例1排水管网监控与预警实施流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的较佳实施例作详细阐述，以使发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。

如图1和图2所示，本发明城市排水管网在线监测方法，包括：

S1：建立所述排水管网的现场监测系统；设置监测点，并采集排水管网运行过程中的各个监测点的管道液位参数h及管线位移参数σ，并存储到预警数据库；

S2：建立排水管网的静态数据库，并将静态数据库和预警数据库关联，所述静态数据库包括各监测点的管道地理位置参数、管道标高h_g、管道管径D、管道坡度i、管道粗糙系数n参数；

S3：建立所述排水管网状态分析系统；建立所述排水管网的管道流量、管道流速的仿真模型，根据步骤S1中的管道液位参数h和步骤S2中的静态数据库，计算得到所述排水管网的运行状态，根据步骤S1中的管线位移参数σ，得到管线位移状态，并存储到预警数据库；

所述管道流量仿真模型为：所述管道流速的仿真模型为： $v=\frac{1}{n}{R}^{\frac{2}{3}}{J}^{\frac{1}{2}},$

其中，n为管道粗糙系数；A为过水断面面积， $A_j=\frac{{D_j}^2}{8}(2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})-sin2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j}));$ R为水力半径， $R=\frac{R_j+R_{j+1}}{2},$ $R_j=\frac{D_j}{4}\left(1-\frac{sin2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})}{\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})}\right);$ J为水力坡度； $J=\frac{|h_j-h_{j+1}|}{\mathrm{\Δ}L},$ 其中h_j、h_j+1为测得的相邻两监测点上下游管道液位参数，即管道液位标高，△L为相邻两监测点间管道长度，j为监测点编号；

S4：建立所述排水管网的预警系统，设置病害识别模块、病害报警阈值模块和病害处理模块，结合步骤S3中的排水管网运行状态和管线位移状态的分析结果，对排水管网运行过程的管道病害问题进行实时判断，实现实时预警和处理。

S5：将监测到的排水管网的运行状态、管线位移状态及病害处理信息存储到预警数据库。

进一步地，所述步骤S2所述的排水管网现场监测系统的具体建立方法包括：布设参数监测点，应用液位传感器对重要节点的实时管道液位参数h进行采集，重要节点主要包括管道交叉处、管道变径处、管道坡度变化处、出水口及常见污水偷排点；应用分布式光纤传感器对重点管段的管线位移参数σ进行采集，并传输到计算机，重点管段包括区域排水干管、施工区域排水管、地铁隧道类重要设施附近排水管以及常见管道沉降破坏段。

进一步地，所述步骤S1中的预警数据库中包括各监测点管道的ID、采集参数的类型、安装地点、采集时间、管道管径、用水性质属性，管理人员可对预警数据库进行条件检索。

进一步地，所述步骤S4中的病害识别模块用于识别病害的类型；所述病害报警阈值模块用于设置报警参数；所述病害处理模块用于将排水管网的管道液位参数h、管道流量Q、管线位移参数σ与病害报警阈值模块中设置的参数相比较，根据病害处理模块中的病害处理方法启动相应的报警动作，实现城市内涝、管道拥堵、管线沉降、污水偷排病害分析和预警。

实施例1

某片区排水管网包括污水管网和雨水管网，污水管网和雨水管网均是竖状管网。雨水分段排入片区东侧河道内，污水向东汇流排入污水处理厂中。片区内有一条餐饮街区，存在一定的污水偷排现象；道路两侧有多处基坑、桩基施工点，部分管道沉降严重；片区几处低洼路段暴雨时排水不畅、内涝灾害频发。

为更加科学高效地对片区排水管网进行管理，及时有效的发现解决管网的相关病害问题，决定建立区域排水管网监控与预警体系，实施了城市排水管网在线监测方法。

如图1所示，城市排水管网在线监测方法，包括下列步骤：

(1)现场监测系统的确定

考虑片区管网主要存在内涝、管道拥堵、管道沉降、污水偷排这几类病害，设计对片区雨污水管道水位进行监测，布设参数监测点，在检查井处布设液位传感器重点对排水管网运行过程中的低洼处雨水管道液位以及餐饮街区雨污水管道液位进行监测，对实时管道液位参数h进行采集，并应用无线传输网络将监测数据反馈至排水管网状态分析系统，同时存储到预警数据库；此外，对特殊施工路段，沿特定段管线布设分布式光纤传感器对管线位移监测，对管线位移参数σ进行采集，并应用无线传输网络将监测数据反馈至排水管网状态分析系统，同时存储到预警数据库。

(2)排水管网状态分析系统的建立

根据各监测点的管道地理位置参数、管道标高h_g、管道管径D、管道坡度i、管道粗糙系数n参数建立排水管网的静态数据库，并将静态数据库和预警数据库关联。

建立所述排水管网状态分析系统；建立所述排水管网的管道流量Q、管道流速v的仿真模型，根据步骤(1)中的管道液位参数h和上述的静态数据库，计算得到所述排水管网的运行状态，并存储到预警数据库；分布式光纤管线位移监测技术为现有技术，通过对采集到的管线位移参数σ进行处理分析，得到直观的管线位移状态，并存储到预警数据库；

所述管道流量仿真模型为：所述流速的仿真模型为： $v=\frac{1}{n}{R}^{\frac{2}{3}}{J}^{\frac{1}{2}},$

其中，n为管道粗糙系数；A为过水断面面积， $A_j=\frac{{D_j}^2}{8}(2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})-sin2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j}));$ R为水力半径， $R=\frac{R_j+R_{j+1}}{2},$ $R_j=\frac{D_j}{4}\left(1-\frac{sin2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})}{\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})}\right);$ J为水力坡度， $J=\frac{|h_j-h_{j+1}|}{\mathrm{\Δ}L},$ 其中h_j、h_j+1为相邻两监测点上下游管道液位参数，即管道液位标高，△L为相邻两监测点间管道长度，j为监测点编号；

(3)排水管网病害实时判断与预警

建立排水管网预警系统，根据排水管网状态分析结果对排水管网运行过程的管道病害问题进行实时判断，辨别管道拥堵、内涝、污水偷排病害，根据管线位移状态，分析管道的沉降现象，实现实时预警。

排水管网状态分析系统实时收集现场监测系统采集的数据，一方面系统采集并保存水流液位参量和管道位移参数，通过仿真模型计算出管道流量参数，并实时显示，另一方面，建立预警数据库，管理人员可根据管道的ID、参数类型、安装地点、采集时间、管道管径、用水性质属性对预警数据库进行条件检索，利用病害识别模块，通过对比管道运行状态与预警系统中各类管网病害模拟运行状态，以识别出管线沉降、污水偷排等现象，在病害识别模块中设置如下具体病害识别方法：

1.下游管道液位h_j+1持续大于上游管道液位h_j，且管道流速v_j+1小于v_j和v_j+2，提示管道j+1监测点和j+2监测点间可能发生拥堵。

2.管道液位h_j大于报警水位，提示j监测点有内涝风险。

3.j监测点管线位移σ大于报警阈值，提示j监测点处管道发生沉降。

4.j监测点非降雨时Q＞0，提示j监测点处可能存在污水偷排现象。

预警信息不仅包含病害的位置、严重性，也要给出预存的相应的病害解决意见，因此，通过病害报警阈值模块设立各项参数的报警阈值，以对管网运行状态进行评估；病害处理模块中设置的报警阈值分为一级报警阈值、二级报警阈值、三级报警阈值，当管道液位参数h、管道流量Q、管道位移参数σ达到一级报警阈值时，需要发出提醒管理人员进行关注；当达到二级报警阈值时，应发出提醒管理人员采取相应技术处理的信息；当达到三级报警阈值时，发出警报要求管理人员进行紧急处理。

(4)监测信息及病害处理信息存储

在管理人员根据预警系统的提示解决管网存在的病害问题后，系统会将整个监测及病害处理过程的信息存储在服务器的预警数据库中，管理人员可根据管道ID、参数类型、安装地点、采集时间、管道管径、用水性质等属性对预警数据库进行条件检索，查找所需的数据。通过对管网监测得到的历史数据的分析，可以得到当前管网运行设计的不足以及特定病害处理的经验，为未来管网科学、合理、有据的规划管理提供技术手段。最终实现片区排水管网运行的安全稳定。

应当理解的是，以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限定本发明，凡是在本发明的精神原则之内，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种城市排水管网在线监测方法，其特征在于，包括：

S1：建立所述排水管网的现场监测系统；设置监测点，并采集排水管网运行过程中的各个监测点的管道液位参数h及管线位移参数σ，并存储到预警数据库；

S2：建立排水管网的静态数据库，并将静态数据库和预警数据库关联，所述静态数据库包括各监测点的管道地理位置参数、管道标高h_g、管道管径D、管道坡度i、管道粗糙系数n参数；

S3：建立所述排水管网状态分析系统；建立所述排水管网的管道流量、管道流速的仿真模型，根据步骤S1中的管道液位参数h和步骤S2中的静态数据库，计算得到所述排水管网的运行状态，根据步骤S1中的管线位移参数σ，得到管线位移状态，并存储到预警数据库；

所述管道流量仿真模型为：所述管道流速的仿真模型为： $v=\frac{1}{n}{R}^{\frac{2}{3}}{J}^{\frac{1}{2}},$

其中，n为管道粗糙系数；A为过水断面面积， $A_j=\frac{{D_j}^2}{8}(2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})-sin2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j}));$ R为水力半径， $R=\frac{R_j+R_{j+1}}{2},$ $R_j=\frac{D_j}{4}\left(1-\frac{sin2\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})}{\arccos (1-\frac{2h_j}{D_j})}\right);$ J为水力坡度； $J=\frac{|h_j-h_{j+1}|}{\mathrm{\ΔL}},$ 其中h_j、h_j+1为测得的相邻两监测点上下游管道液位参数，即管道液位标高，△L为相邻两监测点间管道长度，j为监测点编号；

S4：建立所述排水管网的预警系统，设置病害识别模块、病害报警阈值模块和病害处理模块，结合步骤S3中的排水管网运行状态和管线位移状态的分析结果，对排水管网运行过程的管道病害问题进行实时判断，实现实时预警和处理。

S5：将监测到的排水管网的运行状态、管线位移状态及病害处理信息存储到预警数据库。

2.根据权利要求1所述的城市排水管网在线监测方法，其特征在于，所述步骤S2所述的排水管网现场监测系统的具体建立方法包括：布设参数监测点，应用液位传感器对重要节点的实时管道液位参数h进行采集，重要节点主要包括管道交叉处、管道变径处、管道坡度变化处、出水口及常见污水偷排点；应用分布式光纤传感器对重点管段的管线位移参数σ进行采集，并传输到计算机，重点管段包括区域排水干管、施工区域排水管、地铁隧道类重要设施附近排水管以及常见管道沉降破坏段。

3.根据权利要求1所述的城市排水管网在线监测方法，其特征在于，所述步骤S1中的预警数据库中包括各监测点管道的ID、采集参数的类型、安装地点、采集时间、管道管径、用水性质属性，管理人员可对预警数据库进行条件检索。

4.根据权利要求1所述的城市排水管网在线监测方法，其特征在于，所述步骤S4中的病害识别模块用于识别病害的类型；所述病害报警阈值模块用于设置报警参数；所述病害处理模块用于将排水管网的管道液位参数h、管道流量Q、管线位移参数σ与病害报警阈值模块中设置的参数相比较，根据病害处理模块中的病害处理方法启动相应的报警动作，实现城市内涝、管道拥堵、管线沉降、污水偷排病害分析和预警。