给水管网漏失特性的实验研究

王美丽 张双双 丛乐

摘要：本文利用“城市市政管网泄漏检测综合实验台”作为给水管网的系统模型，以漏失为系统的待辨识参数，建立了激励响应的系统辨识模型。就是以漏失为系统的输入输出时间函数来确定描述系统行为的数学模型。通过辨识建立数学模型的目的是估计表征系统行为的重要参数，建立一个能模仿真实系统行为的模型。实验中使用水力瞬变发生器在管道末端产生激励，得出监测节点的压力响应曲线。实验研究分别进行了管网的无漏失实验模型和有漏失实验模型的实验，给出了管道在不同的压力、漏失位置及漏失量下的响应特性，分析了管道的压力响应在不同管道运行状态时随瞬变激励变化的规律。

关键词 ： 给水管网；水力瞬变流理论；系统辨识

Abstract: by using the "city municipal pipeline leak detection of the comprehensive experimental stage" water distribution network as a model of the system, the system used to for the parameters to be identified, establish the incentive response identification system model. With the system is used for input and output time function to determine describe the behavior of the system mathematical model. Through the establishment of mathematical model identification purpose is to estimate the important parameters of system behavior characterization, establish a can imitate the behavior of the genuine system model. Experiments using hydraulic transient generator in the pipe end produce incentive, monitoring the pressure that node response curve. The experiment research, the network without loss of experimental model and a loss of the experiment model experiment, given the pipeline in different pressure, loss of 14 position and the response characteristics, analyzed the pipeline pressure response in different pipeline operation condition with transient incentive and change rules.

Keywords: water supply pipe network; Hydraulic transient flow theory; System identification

中图分类号：TU821.3文献标识码：A文章编号：

管网漏失是供水行业普通存在的严重现象。漏失在浪费了宝贵的水资源的同时，还给供水企业造成了巨大的经济损失，对我们来说是灾难性的毁坏。因而世界各国都把管网漏失作为重要课题来研究，它已经成为给水事业的一个重要组成部分。给水管网漏失问题亟待解决，而漏失的定点及定量是管网漏失控制研究的重要环节。本论文在现有试验台的基础上建立了激励响应的系统辨识模型，得出了管道在不同的压力、漏失位置及漏失量下的响应特性，分析了管道的压力响应在不同管道运行状态时随瞬变激励变化的规律。并根据实验结果，对预防管网漏失，减少因漏失引起的管材损坏，水质污染等方面提出一点建议。

1 实验台简介

1.1 实验装置及仪器

城市市政管网泄漏检测综合实验台主要分为实验台控制系统和管网系统两部分。管网由上下游水罐、输水管道和输气管道组成。上游水罐设有进水管，可向管网中注入水。输气管道用于向水罐中打压，以形成上下游水罐不同的压力差，气体由气泵打入水罐中。实验台系统图见图1-1，实物照片见图1-2：

图中：1——气泵；2——上游水罐；3——下游水罐；4——孔板流量计；5——液位计；6——压力变送器；7——压力表；8——电磁阀；9——放气阀；10——球阀；11——输气管道；12——输水管道；A,B,C,D,E,F——管网中各泄漏点；G——进水口。

图1-1城市市政管网泄漏检测综合实验台系统图

图1-2城市市政管网泄漏检测综合实验台实物图

1.2 泄露检测实验控制系统

本实验台应用计算机进行实验控制以及数据采集，创建了泄漏检测实验控制系统的应用软件。系统控制界面如图1-3所示

图1-3实验结果输出界面

1.3 管网漏失检测实验模型

根据“城市市政管网泄漏检测综合实验台”，将其简化后可绘制出管网的漏失

检测实验模型，本文应用EPANET绘制的管网漏失检测实验模型如图1-4所示，

并可通过EPANET计算管网的初始稳态值。

圖1-4应用EPANET计算的管网实验模型

此小型管网由13个节点，15根管道组成，管网中各节点及管道参数如图1-5所示：

图1-5管网实验模型参数

节点1前端连接上游水罐，上游水罐水位1m，实验时可将其打压至0.3MPa，即相当于上游水箱31m水位的边界条件；节点7末端连接下游水罐，水罐前设置阀门用于产生瞬变激励，下游端水罐水位0m，罐中无压力，可看作是孔口自由出流。波速1000m/s，管道直径均为D=0.04m，泄漏点孔口直径D2=0.025m。设置节点2、3、4、5、6、8、10、11、13为测压点，节点3、4、5、11、12、13处有泄漏点，节点3和节点5为监测节点。

1.4 实验方案

管网实验时，将阀门1V-1、1V-2、1V-3、1V-4、1V-5打开，管道压力在0.2MPa左右、漏失量为20%时，系统的分析结果较为准确，所以在管网实验中简化了实验方案。设定管网的实验模型为辨识系统，系统同样可设置为无漏失的实验系统和有漏失的实验系统，并通过管道中的阀门控制系统的转换。实验通过水力瞬变发生器产生水击激励，对比分析无漏失实验系统与有漏失实验系统的管道响应特性（压力及流量），进行管网的漏失检测反问题分析。针对实验目的，设置了管网的漏失检测反问题分析实验方案，实验包含两个部分：无漏失实验系统的水击实验和漏失定量不定点时的有漏失实验系统的泄露实验。实验过程中，始终以节点3及节点5作为管道的监测节点。记录各组实验的实验数据，以用于反问题分析中。

（1）实验一系统为无漏失实验模型，管网无泄漏，通过管道末端的水力瞬变发生器产生激励，监测节点3、节点5在测量时段内的压力响应值，绘制节点压力随时间变化的曲线。实验设定如表1-1：