CN117404612A - 污水管网监测方法及计算机可读储存介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种污水管网监测方法及计算机可读储存介质，其污水管网监测方法包括S1.流量采集步骤，S2.同步分析步骤，分析支段1的污水入流量Q_in污水出流量Q_out之间的时间同步性，最佳滞后时间ΔT；S3.流量损失计算步骤，使污水入流量Q_in与污水出流量Q_out同步，然后根据两时间序列的差值计算流量损失Q_s＝Q_in‑Q_out；S4.故障确认步骤，若流量损失Q_s位于预定的标准区间之外，则支段1可能存在潜在故障。该污水管网监测方法能够检测支段1的诸如破裂、缺口等可能导致渗流情况，也可以监测支段1的管道整体通畅情况。方便监控***的安装维护，也可实现非接触式的监控维护，可以做到实时检测、实时上报，提升了反应速度。

Description

污水管网监测方法及计算机可读储存介质

技术领域

本发明涉及排水管道检测技术领域，具体涉及一种污水管网监测方法及计算机可读储存介质。

背景技术

城市污水管网一般位于地下，其建设与管理存在诸多困难。管网一方面需要长期流通污水，可能导致管壁的腐蚀与堵塞，管道通流能力降低，另一方面受地质环境影响较大，局部地形沉降/抬升等都有可能导致管网破裂在长期的行流过程中，难免会在部分位置发生破裂，导致污水与地下水连通。污水管道与地下水连通后，如果地下水压力较大，就会倒灌至污水管网中，加大管道、提升泵站以及处理厂的工作负荷，若地下水压力不足，则污水可能流入地层中，污染地下水资源。2021年施行的《地下水管理条例》明确规定了地下水的节约与保护、污染防治等活动。因此在污水管网的运维过程中加强对污水管网的监控检测，及早发现问题，及早处置对管网养护、排污状态监控以及地下水资源保护等方面均有重要意义。

发明内容

针对现有的排水管道，本发明提供一种污水管网监测方法及计算机可读储存介质。

本发明的技术方案提供一种污水管网监测方法，包括如下步骤：

S1.流量采集步骤，采集支段入口端的污水入流量Q_in，采集支段出口端的污水出流量Q_out；

S2.同步分析步骤，分析支段的污水入流量Q_in所构成的时间序列与支段的出口端的污水出流量Q_out所构成的时间序列之间的时间同步性，得到支段的出口流量与入口流量之间的最佳滞后时间ΔT；

S3.流量损失计算步骤，通过对支段的污水入流量Q_in或者污水出流量Q_out在时间轴上平移滞后时间ΔT的方式使两者同步，然后根据两时间序列的差值计算流量损失Q_s＝Q_in-Q_out；

S4.故障确认步骤，将支段的流量损失Q_s同预定的标准区间比较，若流量损失Q_s位于预定的标准区间之外，则支段可能存在潜在故障。

优选地，还包括S5故障定位步骤，S5故障定位步骤通过流量损失随污水入流量的变化情况，确定污水入流量波动时，反馈到流量损失的反馈时间，根据该反馈确定故障点距支段入口的距离。

优选地，所述S5故障定位步骤中污水入流量波动通过改变投入运行的水泵数量的方式完成。

优选地，所述S5故障定位步骤故障点距支段入口的距离D由污水的平均流速v以及反馈时间t计算，D＝v·t。

优选地，所述平均速度v通过v＝(1/n)·R^2/3·i^1/2计算，其中R为支段入口过水断面的水力半径，i为支段入口的底坡，n为支段入口过水断面的糙率。

优选地，还包括S6管道通畅检测步骤，所述S6管道通畅检测步骤通过将支段的最佳滞后时间ΔT同预设的滞后时间范围比对确定支段的糙率是否高于正常值，若最佳滞后时间大于预设的滞后时间范围，认为支段通畅性不足。

优选地，所述S1.流量采集步骤中采集污水入流量Q_in与污水出流量Q_out可以通过如下方式完成：

一，通过设置在支段入口与出口两端的组合传感器分别采集支段入口和出口处的水流速度以及过流截面高度，然后推算当时当地流量；

或，

二，通过支段入口端的流量数据由为支段输水的水泵的功率以及实际扬程换算得到；

或，

三，通过在为支段输水的水泵向支段输水的提升水路中设置相应的流量传感器，测量从提升泵站抽取到支段中的污水入流量；

或，

四，通过仅在连接提升泵站的前一支段的出口或者连接提升泵站的后一支段的入口处两位置中其中一处上设置流量传感器，同时采集提升泵站的液位，通过计算获取另一处的流量数据。

优选地，所述S4故障确认步骤中，若流量损失Q_s低于设定的标准区间，则可能存在潜在的渗流进入；若流量损失Q_s高于设定的标准区间，则可能存在潜在的渗流流出。

本发明还提供一种计算机可读储存介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使所述处理器执行上述任一项所述的污水管网监测方法的步骤。

本发明的污水管网监测方法通过对支段的污水入流量以及污水出流量的采集监测，实现了对支段的诸如破裂、缺口等可能导致渗流情况发生的故障的检测，也可以监测支段的管道整体通畅情况。由于只需要在支段的出入口设置传感设备，方便监控***的安装维护，同时也实现了对支段以及排污管网的非接触式的监控维护，尽可能避免人工深入支段内部进行检测的情况发生，保证了人员安全，提高了检测效率与灵敏度，可以做到实时检测、实时上报，提升了反应速度。

附图说明

图1为本发明的污水管网的示意图；

图2为本发明的管网支段的示意图；

图3为本污水管网监测方法的流程示意图。

图中，

1:支段2:提升泵站3:主管4:支管

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明，在本说明书中，附图尺寸比例并不代表实际尺寸比例，其只用于体现各部件之间的相对位置关系与连接关系，名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构，且仅限于示意的目的。

图1是污水管网的布局示意图。污水管网通常呈多层树形分支架构，每一层中，可能存在多路支管4汇入支段1中，然后由支段1向下游汇流直至到达污水处理设施。对于某一支路而言，为了保证支管4中污水的输送，会间隔一定距离设置多个提升泵站2将其拆分为多个支段1来弥补污水在管道中流动时产生的动能损失。图2是具体的某一支段1的示意图。在支管4中支段1的一端或者两端设置提升泵站2，原则上在其上游提升泵站2中的提升泵站的作用下，污水经补充能量后进入支段1内流动，直至汇入提升泵站2下游的提升泵站。提升泵站2下游的提升泵站，不对支段1中的流动产生影响，而是用于对接下来的支段1中的污水补充能量。支段1的长度为数千米不等。

在提升泵站2中，设置2-3组或者更多组提升泵，从而根据污水流量选择性的开启若干组提升泵，实现提升功率与污水流量的阶梯匹配。当提升泵站2中设置一组以上的提升泵时，通常可大体上根据液位控制提升泵运行。图2以两台泵为例，通常会设置一个停泵液位，避免提升泵站2内液面过低影响提升泵使用寿命，并设置报警液位，防止提升泵站2中液面过高，在停泵液位与报警液位之间按液面自低向高设置单泵启动液位以及双泵启动液位。当液面高度超出单泵启动液位时，启动一台提升泵将提升泵站2中的污水抽送至下游支段1中。当液面高度仍然上升至双泵启动液位时，同时启动另一台提升泵，提高抽水功率，使提升泵站2中的液位恢复下降。为了达成这样的目的，需要在提升泵站2内设置液位计以探测液面高度，与此同时，可以确定在液位采集的基础上，提升泵站2内的污水容积以及容积变化是可以确定的。

对于污水管网而言，其养护除了日常维护外，关键是及时确认并处理管路中的异常。对于提升泵站2，人工是可以进入查看的，并且出于后期维护上的考虑，提升泵站2通常会设置在交通比较方便的位置。因此重点是确定人力通常不可及的支段1中的运行状态。对于污水管网而言，一般情况下，污水量有限，且如图2所示通常是通过提升泵站2提升后，经支段1重力出流，那么实际上支段1中的流动绝大部分情况下是非满液位的由重力势驱动的明渠均匀流。这与雨水管道、供水管道等存在本质的不同，对于雨水管道，由于只在降雨时起用，平时处于闲置状态，因此设计时一般按满液面计算，因此对于雨水管道的设计与维护主要的是作为有压管道流动来看待的，压力一般来自降水后形成的水位差。对于供水管道，毋庸置疑，显然是有压管流。由于两者间的本质区别，现有技术中用于供水管道等有压管流中的渗漏检测等方法，在污水管网检测中无法应用。

回到污水管网检测中，对于支段1中的流动，其可以看做明渠流动。即由提升泵站2中的水泵将污水抽至支段1入口处，污水在支段1中由重力势能驱动流动至出口。这一过程中，污水流是不满管道截面的，在管道上方存在贯通管道两端的空气层。由于自由液面的存在，在管道中的任意一点当地水压就是当地的静水压强，因此可以不考虑压强水头的作用。此外在明渠流动中，由于自由液面的存在，虽然流体连续性方程仍然满足，但任意截面同一时刻的流量未必相等，而在管流中，默认由于液体的不可压缩性，同一时刻管道各处的流量相等，这是现有技术中一部分管道的渗漏检测的关键原理之一。

鉴于污水管网的上述特点，对于污水管网中的某一段连通两提升泵站2的支段1而言，为了实现对支段1的漏渗情况的非接触式检测，就不能采用管流中依据同时刻各截面流量相等的技术方案。而应考虑具体情况，对于明渠流动，可以将水流流动过程看成波的传递过程，于入口处截面内出流的污水不考虑其扩散一段时间后会传递至出口端。因此可以考察在特定时间间隔后，入水与出水端的水流流动特征来间接地获取支段1管道内部的流道情况。简单的说支段1的出口处的流量相较于支段1的入口处的流量存在一定时间的滞后。

于是对支段1管道内道的流道情况的检测的方法可以如下实现。

S1.流量采集步骤。采集支段1入口端的污水入流量Q_in，采集支段1出口端的污水出流量Q_out。具体而言，需要获取支段1入口端与支段1出口端的流量数据，在现有的管网智能监控体系下，这可以通过设置在支段1两端的组合传感器实现。比如同时采集支段1中入口或者出口处的水流速度以及过流截面高度等，然后推算当时当地流量。另一方面不排除以下两种方式。一、支段1入口端的流量数据由支段1的功率以及实际扬程根据实际效率换算得到。二、可以直接在水泵向支段1输水的提升水路中设置相应的流量传感器，直接测量从提升泵站2抽取到支段1中的污水的流量。最后，在现有的排污管网建设体系中，如前所述，为了对提升泵站2的监控以及对提升泵站2中水泵的阶梯控制，提升泵站2中通常会设置液位传感器，在此基础上，显然可以获得提升泵站2中污水容积以及容积差。为了充分利用现有的设备资源，可以仅在连接提升泵站2的前一支段1的出口或者连接提升泵站2的后一支段1的入口处中其中一处上设置流量传感器。假设所设置的流量传感器的流量值为Q_t，同时，根据提升泵站2的液位传感器可以推算提升泵站2的容积变化ΔQ₂，于是连接到提升泵站2的另一处未设置流量传感器的位置处的流量值为Q_g＝ΔQ₂-Q_t。这里Q_t与Q_g分别对应了连通提升泵站2的出口流量与入口流量，具体的如何对应，取决于传感器如何安装。

理想情况下，对于支段1中的污水的明渠流动。根据谢才公式有其中，v为水流速度，C为谢才系数，R为过水断面的水力半径，i为明渠的底坡。进一步，根据曼宁公式，C＝(1/n)R^1/6，其中n为明渠的糙率。综合可得v＝(1/n)·R^2/3·i^1/2。对于一给定的渠道，比如支段1，在过水断面一定时，速度是确定的。因此一定流量下，支段1中的污水流动的平均时间是不变的，即有相对可预期的滞后时间。

S2.同步分析步骤。分析支段1的污水入流量Q_in所构成的时间序列与支段1的出口端的污水出流量Q_out所构成的时间序列之间的时间同步性，并以此得到支段1的出口流量与入口流量之间的最佳滞后时间ΔT。据此可以建立支段1的污水入流量与污水出流量的对应关系。前已述及，对于支段1的入口处流动与出口处流动，本质上是一个存在时序上滞后的输入输出响应，因此其时间相关性客观上存在，这里不是确认其是否相关，而是其相关关系是怎样的，即在测量数据可能存在噪声干扰的情况下，根据测量序列得到一个两个时间序列最佳滞后时间ΔT。通常这可以通过时间滞后互相关分析得到，在统计意义上，两者间相关性最强的滞后时间就是我们寻找的最佳滞后时间ΔT。需要注意的是由于在支段1内流动的过程中，污水中的扰动会逐渐平滑化，因此虽然其入口与出口之间具有相关性，但不可能完全一致，更不可能在具体的流量值上精确同步，因此相关性系数不一定非常高，比如大于85％，上述处理的关键仅在于确定最大相关性所对应的滞后时间，而非相关性的高低。

S3.流量损失计算步骤。通过对支段1的污水入流量Q_in或者污水出流量Q_out在时间轴上平移滞后时间ΔT的方式使两者同步，然后根据两时间序列的差值计算流量损失Q_s＝Q_in-Q_out。比如，将污水出流量Q_out时间序列超前平移滞后时间ΔT个时序单位并在此基础上，一般考虑实际应用上的方便不将污水入流量Q_in时间序列向后平移，因为这会导致最新数据被湮灭。通过平移操作，可以极大地提高支段1的运行状况检测的时间分辨率，实现准实时预测，即在任一时刻，都可以对流量变化做出预测，而非经历长时间的数据累计后，由于渗流或者泄流量达到一定的数量级才能识别。当然，在实际运用中，为了提升***的可靠性，降低无报，可以以一个较小时间间隔内的平均流量差，或者连续多个时间点的平均流量差作为流量损失。在现有技术条件下，对支段1的判定一部分依赖于对提升泵站2内的容积变化的间接分析，为了保证数据的有效性，提升泵站2的容积变化需要检测一个较长的时间，至少是以天计，导致识别效率非常低，识别精度也不足，难以支持实际的运维工作。而本步骤，则可以较好地解决该问题。

S4.故障确认步骤。将支段1的流量损失Q_s同设定的标准区间比较，若流量损失Q_s低于设定的标准区间，则可能存在潜在的渗流进入，若流量损失Q_s高于设定的标准区间，则可能存在潜在的渗流流出。实际上，对于同步以后的污水入流量Q_in与污水出流量Q_out而言，由于流动过程中的平滑化，差值并不相等，但可以通过预先的试运行实验确认差值的波动情况，并考虑预测精度，据此建立相应的标准区间。另一方面，受入口流量的影响，差值并不稳定与固定范围内，因此也可以根据预先的实验数据，建立差值的标准区间同支段1的污水入流量的函数关系。当支段1中间部位存在破裂或者缺口时，部分污水经缺口或者裂缝出流至支段1外部导致支段1的流量损失，则必然导致支段1的出口端的污水出流量减少。于是，基于流量损失量，尤其是流量损失量高出设定值，即标准区间，可见有大概率存在出流泄漏的问题。极小情况下，如果支段1处于地下水较丰富区域，可能由于地下水水压较高，而导致支段1出现缺口或者裂缝后，出现地下水渗入支段1中，这反而可能导致流量损失降低，甚至可能在极端情况下导致流量损失取负值。比如在入口关闭的情况下，仍然可能在出口存在水流输出。

进一步而言，仍可以尝试通过S5故障定位步骤确认裂缝或者缺口的大***置。如前所述，破裂处的渗入或者渗出量与支段1内的流量有关，当支段1的流量较大，过水断面较大，而致污水静压较大时，渗入量会减少，渗出量会上升，因此可以检测流量损失随流量的变化情况，找到流量波动时，反馈到流量损失的反馈时间，据以粗略地确定大体的故障点。考虑到出口流量会受流量损失的影响，一般以入口流量为基准，即确定流量损失的特征点所在时间点相对于污水入流量的变化所在时间点的时间差作为确定支段1的故障点距离支段1入口的距离值的输入。实际上对于污水入流量的小范围波动在试运行时确认对流量损失的影响不明显，由于数据噪声的存在，难以提取对应的流量损失的变化特征。对此，前已提及，提升泵站2中通常会设置多组水泵实现对提升泵站2中液位的阶梯控制，这为支段1的污水入流量控制提供了手段，即为了实现对支段1的流量损失变化的识别，可以在检测到支段1出现破裂、缺口等故障的情况下，通过首先改变投入运行的水泵数量的方式，主动地大幅度的短时间改变支段1的污水入流量，在此情况下，检测流量损失的发生相应变化的滞后时间t即可。对于平均速度，可以通过试运行实验得到，然后定期修正，也可以按上文中的v＝(1/n)·R^1/6·i^1/2，于是可以得到支段1的破损点距入口的距离为D＝vt＝(1/n)·R^1/6·i^1/2·t。

最后，如前所述，S2中已经可以得到支段1中污水流动的最佳滞后时间ΔT，该值与污水在支段1内的流动速度有关，对于流动速度，满足v＝(1/n)·R^1/6·i^1/2，与断面糙率、断面水力半径以及底坡有关，给定流量下，支段1各段的过水断面不变，因此水力半径R不变，支段1的底坡i不变。于是，给定流量下，支段1中水流流量的滞后时间应当仅与支段1的糙率n相关，因此还可选地可以设置S6管道通畅检测步骤。可以通过理论计算或者试运行来确定不同污水入流量下的滞后时间范围，进而通过将支段1的最佳滞后时间ΔT同预设的滞后时间范围比对确定支段1的糙率是否高于正常值。具体的，当最佳滞后时间大于预设的滞后时间范围时，认为支段1内部表面的糙率异常，通畅性不足，可能是存在污泥堆积等情况，从而可以于监控***中发出预警，提示尽快清理维护。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述内容仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种污水管网监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.流量采集步骤，采集支段(1)入口端的污水入流量Q_in，采集支段(1)出口端的污水出流量Q_out；

S2.同步分析步骤，分析支段(1)的污水入流量Q_in所构成的时间序列与支段(1)的出口端的污水出流量Q_out所构成的时间序列之间的时间同步性，得到支段(1)的出口流量与入口流量之间的最佳滞后时间ΔT；

S3.流量损失计算步骤，通过对支段(1)的污水入流量Q_in或者污水出流量Q_out在时间轴上平移滞后时间ΔT的方式使两者同步，然后根据两时间序列的差值计算流量损失Q_s＝Q_in-Q_out；

S4.故障确认步骤，将支段(1)的流量损失Q_s同预定的标准区间比较，若流量损失Q_s位于预定的标准区间之外，则支段(1)可能存在潜在故障。

2.如权利要求1所述的污水管网监测方法，其特征在于，还包括S5故障定位步骤，S5故障定位步骤通过流量损失随污水入流量的变化情况，确定污水入流量波动反馈到流量损失的反馈时间，根据该反馈时间确定故障点距支段(1)入口的距离。

3.如权利要求2所述的污水管网监测方法，其特征在于，所述S5故障定位步骤中污水入流量波动通过改变投入运行的水泵数量完成。

4.如权利要求2所述的污水管网监测方法，其特征在于，所述S5故障定位步骤故障点距支段(1)入口的距离D由污水的平均流速v以及反馈时间t计算，D＝v·t。

5.如权利要求4所述的污水管网监测方法，其特征在于，所述平均速度v通过v＝(1/n)·R^2/3·i^1/2计算，其中R为支段(1)入口过水断面的水力半径，i为支段(1)入口的底坡，n为支段(1)入口过水断面的糙率。

6.如权利要求1所述的污水管网监测方法，其特征在于，还包括S6管道通畅检测步骤，所述S6管道通畅检测步骤通过将支段(1)的最佳滞后时间ΔT同预设的滞后时间范围比对确定支段(1)的糙率是否高于正常值，若最佳滞后时间大于预设的滞后时间范围，认为支段(1)通畅性不足。

7.如权利要求1所述的污水管网监测方法，其特征在于，所述S1.流量采集步骤中采集污水入流量Q_in与污水出流量Q_out可以通过如下方式完成：

一，通过设置在支段(1)入口与出口两端的组合传感器分别采集支段(1)入口和出口处的水流速度以及过流截面高度，然后推算当时当地流量；

或，

二，通过为支段(1)输水的水泵的功率以及实际扬程换算得到；

或，

三，通过在为支段(1)输水的水泵向支段(1)输水的提升水路中设置相应的流量传感器，测量从提升泵站(2)抽取到支段(1)中的污水入流量；

或，

四，通过仅在连接提升泵站(2)的前一支段(1)的出口或者连接提升泵站(2)的后一支段(1)的入口处两位置中其中一处上的流量传感器，同时采集提升泵站(2)的液位，通过计算获取相应的后一支段1的入口或者前一支段1出口的流量数据。

8.如权利要求1所述的污水管网监测方法，其特征在于，所述S4故障确认步骤中，若流量损失Q_s低于设定的标准区间，则可能存在潜在的渗流进入；若流量损失Q_s高于设定的标准区间，则可能存在潜在的渗流流出。

9.一种计算机可读储存介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使所述处理器执行如权利要求1-8任一项所述的污水管网监测方法的步骤。