一种基于水质安全风险的管道爆管等级划分方法技术

本发明专利技术提供一种基于水质安全风险的管道爆管等级划分方法，包括：应用压力驱动模型模拟管网爆管工况；选取流向发生改变的管道长度作为管网水质安全风险的指标；划分管道风险级别。本发明专利技术提高了供水管网的管理、维修以及爆管防控效率，进而减轻爆管造成的潜在水质影响。

A classification method of pipeline bursting grade based on water quality safety risk

The invention provides a method for dividing pipeline burst grade based on water quality safety risk, which comprises: simulating pipeline burst working condition with pressure driving model; selecting pipeline length with changed flow direction as the index of water quality safety risk of pipeline network; dividing pipeline risk grade. The invention improves the management and maintenance of the water supply pipe network and the prevention and control efficiency of the bursting pipe, thereby reducing the potential water quality impact caused by the bursting pipe.

【技术实现步骤摘要】
一种基于水质安全风险的管道爆管等级划分方法
本专利技术涉及市政工程和城市供水管网领域。
技术介绍
城市供水管道由于老化和运行管理不善容易发生爆管，造成重大经济损失和社会影响。据统计，2016年广州市发生爆管事故超过100起，直接经济损失高达上亿元。供水管网爆管事件不仅会造成水资源的极大浪费，还会造成路面坍塌和饮用水二次污染等潜在威胁居民生活和城市公共安全的影响。针对供水管网爆管影响问题，广大科研工作者已开展了大量的工作，主要可分为两类。一类是爆管对管网水力影响的研究，例如，爆管对于管网压力的影响研究、爆管情况下管网节点流量与压力之间的相关关系研究以及爆管的快速定位研究。另一类是爆管对周边环境的影响研究，如爆管对周边土壤的冲刷侵蚀研究、爆管情况下的管土相互作用机制研究以及爆管情况下的系统安全性研究。其实，爆管除了对周边环境和管网水力产生显著影响外，对管网水质安全也存在重要影响。近几年的爆管事件中，经常报道爆管导致的水质问题(如黄水)，严重威胁供水水质安全。在爆管发生时，由于管网水力条件发生急剧改变，很多管道的流速显著提高，有一些管道甚至发生流向改变，导致管壁生物膜脱落，造成水质安全隐患。然而，目前供水管道爆管研究中尚缺乏对于水质安全影响的分析，从这一需求出发，本专利技术提出一种基于水质安全风险的管道爆管等级划分方法，以量化不同管道爆管对水质安全的影响级别，进而为供水管网的管理、维修以及爆管防控提供重要的方针指导。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：提供一种基于水质安全风险的管道爆管等级划分方法，以提高供水管网的管理、维修以及爆管防控效率，进而减轻爆管造成的潜在水质影响。本方法的总体核心技术方案如下：(1)应用压力驱动模型模拟管网爆管工况。具体方法是：将管道j断开为两根管道j1和j2，并将管道断开后新增的两个节点基本需水量的初始值设置为一个足够大的值ε(如ε＝10,000L/s)以启动压力驱动模型的模拟，通过迭代计算，模型计算出的两个节点的实际需水量之和即为管道j爆管时流出的实际流量。(2)爆管后，管网的水力条件发生变化，会导致部分管道流向发生改变，进而造成管壁生物膜脱落，易发生“黄水”等水质问题。因此，本专利技术选取流向发生改变的管道长度作为管网水质安全风险的指标。首先，需识别发生流向改变的管道，具体计算公式如下：式中Ωj(t)为管道j＝1,…,N(N为供水管网管道总数)在t时刻发生爆管时引起k管道发生流向改变的集合；和为分别管道k在管道j发生爆管之前和之后的流量向量；sgn()定义为返回流量向量的符号，如果流量值为正，则sgn()＝1，否则，sgn()＝-1。然后，计算流向改变的管道总长，具体计算公式如下：式中Lj(t)为管道j在t时刻爆管时引起流向变化的管道的总长度；lk为管道k的长度。Lj(t)表示管道j断裂对潜在的水质安全造成的影响程度，其值越大代表水质风险越高，反之亦然。(3)划分管道风险级别。将N个Lj(t)值进行升序排列，排序越靠后的管道意味着其爆管时可造成更多的管道发生流向改变，进而造成更高的水质安全风险。为解决
技术介绍
中爆管影响研究的关键问题，本专利技术首次提出了一种基于水质安全风险的管道爆管等级划分方法，该方法是根据爆管造成的流向改变的管道总长度对管道进行排序，划分级别，以确定每一根管道爆管后可能发生潜在水质问题的风险程度。本专利技术与现有爆管影响研究相比具有以下主要优点：现有爆管影响研究大多数是考虑爆管与外界环境的相互作用和爆管对管网本身的水力因素考虑，而对爆管造成的管网潜在水质安全问题研究甚少。本专利技术所提出的管道风险级别划分方法，是基于爆管对管网水质安全风险的量化与辨识，划分结果能够为管网水质日常维护与管理，爆管抢修与资源优化调度提供理论指导。本专利技术具有原创性，是对目前爆管研究领域的一个重要补充，具有重要科学意义和应用价值。附图说明图1是本专利技术基于水质安全风险的管道爆管等级划分方法的总流程图。图2是某DN600管道(蓝色)爆管后发生流向改变的管道(红色)分布图(用水量最高时)。图3是某管网管道等级划分的分布图(用水量最高时)。具体实施方式参见图1，本专利技术的具体实施步骤如下：(1)建立供水管网水力计算模型：给水管网模型主要表达系统中各组成部分的拓扑关系和水力特性，将管网简化和抽象为管段和节点两类元素，并赋予工程属性，以便用水力学、图论和数学分析理论等进行表达和分析计算。(2)选取压力驱动计算公式：管网爆管时会造成部分节点自由水头不足，此时的节点流量与压力相关。因此，传统的需水量驱动模型不再使用，需选取压力驱动公式进行计算。本专利技术选取的是Q＝CHγ(Q为漏失流量；C为漏失系数,由模型自动计算确定；H为节点压力；γ为压力指数，取0.5)。(3)计算正常工况下所有管道的流量向量(4)借助压力驱动模型创建管道j＝1,2,…,N的爆管工况(N为管道总数)。(5)计算步骤(4)爆管工况下所有管道的流量向量(6)确定发生流向改变的管道：根据公式(1)，计算由于爆管引起的流向改变的管道集合，Ωj(t)。(7)计算受影响管道的总长：根据公式(2)，计算集合Ωj(t)中的管道总长度，Lj(t)，其值越大代表发生水质事件(例如“黄水”)的风险越高。(8)j＝j+1，返回到(4)，一直到j＝N。(9)划分管道风险级别：将N个Lj(t)值进行升序排列，排序越靠后的管道意味着爆管时造成潜在的水质安全事件的影响范围越大。将本专利技术的方法应用到某城市供水管网(如图1所示)。该供水管网系统包含水源1个，节点3439个，管段3512个。选取管网用水量最高时条件下的工况，以捕捉爆管的最大化影响程度。图1给出了某根DN600的管道(蓝色管道)爆管后，流向发生改变的管道(红色管道)分布示意图。如图所示，当爆管发生后不一定会导致周围管道发生逆向流，可能距离爆管管道较为远的管道也会发生流向改变，进而可能造成水质污染事件。图2给出了基于流向改变的爆管级别分类示意图，为了便于展示，该管网管道等级总共分为5类，从R1到R5影响范围越来越高。如图所示，R5(红色)管道风险级别最高，意味着爆管发生后，造成潜在的水质问题影响较为严重，需要在日常管理中多加维护与巡检排查，以减少其爆管的风险。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水质安全风险的管道爆管等级划分方法，该方法包括步骤：(1)应用压力驱动模型模拟管网爆管工况；具体方法是：将管道j断开为两根管道j1和j2，并将管道断开后新增的两个节点基本需水量的初始值设置为一个足够大的值ε以启动压力驱动模型的模拟，通过迭代计算，模型计算出的两个节点的实际需水量之和即为管道j爆管时流出的实际流量；(2)选取流向发生改变的管道长度作为管网水质安全风险的指标；(2.1)根据式(1)，计算并识别发生流向改变的管道，

【技术特征摘要】
1.一种基于水质安全风险的管道爆管等级划分方法，该方法包括步骤：(1)应用压力驱动模型模拟管网爆管工况；具体方法是：将管道j断开为两根管道j1和j2，并将管道断开后新增的两个节点基本需水量的初始值设置为一个足够大的值ε以启动压力驱动模型的模拟，通过迭代计算，模型计算出的两个节点的实际需水量之和即为管道j爆管时流出的实际流量；(2)选取流向发生改变的管道长度作为管网水质安全风险的指标；(2.1)根据式(1)，计算并识别发生流向改变的管道，式中，Ωj(t)为管道j＝1,…,N(N为供水管网管道总数)在t时刻发生爆管时引起k管道发...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑飞飞，齐哲娴，张土乔，俞亭超，邵煜，张清周，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33