污水管道淤积厚度计算方法及在线监测装置与流程

1.本发明涉及市政排水领域，更具体地，涉及一种污水管道淤积厚度计算方法及在线监测装置。


背景技术：

2.污水管网系统是城市排水系统中的重要组成部分，是城市重要的基础设施之一，承担着污水收集和输送的主要任务。污水中携带的固体颗粒物随着管道中的水力状态的变化逐渐沉降和堆积，会在管道底部逐渐形成淤积，随着淤积厚度的增加管道的过水能力随之下降甚至堵塞管道，影响排水系统的安全稳定运行。为预防和解决管道堵塞淤积，保证排水管网运行通畅，需要定期对排水管道内的淤积情况进行调查，较为准确全面的掌握管道淤积情况，从而针对性的对淤积管道开展清淤作业。
3.目前普遍采用定期人工现场调查的形式，用插泥杆或量泥斗等工具测量淤积厚度，从而掌握排水管网中的淤积状态。但是这种人工测量的方式存在误差较大、安全风险高以及人工成本高等问题。
4.因此，有必要开发一种污水管道淤积厚度计算方法及在线监测装置。
5.公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.本发明提出了一种污水管道淤积厚度计算方法及在线监测装置，其能够通过建立管道淤积状态的流速-液位关系模型，通过实时监测管道内液位高度、流速等参数，绘制流速-液位散点图与流速-液位关系模型的曲线进行拟合，根据拟合结果实现污水管道淤积情况的判别以及淤积厚度的计算。
7.第一方面，本公开实施例提供了一种污水管道淤积厚度计算方法，包括：
8.获取污水管道的尺寸数据；
9.计算水力半径，构建淤积状态下的流速-液位关系方程，即为管道淤积模型；
10.实时测量所述污水管道的液位高度及平均流速；
11.通过所述液位高度、所述平均流速和所述管道淤积模型进行拟合，计算淤积厚度。
12.优选地，所述尺寸数据包括管道半径、水力坡度与管道粗糙系数。
13.优选地，当管道充满度≤50％时，计算水力半径包括：
14.计算淤积状态下的湿周为：
[0015][0016]
计算淤积状态下的过水断面面积为：
[0017]
[0018]
根据所述湿周与所述过水断面面积，计算所述水力半径；
[0019]
其中，r为管道半径，h为液位高度，t为淤积厚度。
[0020]
优选地，通过公式(1)计算所述水力半径：
[0021][0022]
优选地，当管道充满度≤50％时，所述管道淤积模型为：
[0023][0024]
其中，ν为流速，n为管道粗糙系数，i为水力坡度。
[0025]
优选地，当管道充满度》50％时，计算水力半径包括：
[0026]
计算淤积状态下的湿周为：
[0027][0028]
计算淤积状态下的过水断面面积为：
[0029][0030]
根据所述湿周与所述过水断面面积，计算所述水力半径；
[0031]
其中，r为管道半径，h为液位高度，t为淤积厚度。
[0032]
优选地，通过公式(3)计算所述水力半径：
[0033][0034]
优选地，当管道充满度》50％时，所述管道淤积模型为：
[0035][0036]
其中，ν为流速，n为管道粗糙系数，i为水力坡度。
[0037]
优选地，通过所述管道液位、所述断面平均流速和所述管道淤积模型进行拟合，计算淤积厚度包括：
[0038]
通过所述管道液位、所述断面平均流速，绘制流速-液位散点图；
[0039]
根据所述管道淤积模型绘制流速-液位曲线图；
[0040]
调整所述管道淤积模型中的淤积厚度的数值，使所述流速-液位曲线图与所述流速-液位散点图重合，对应的淤积厚度即为即为管道内的淤积厚度。
[0041]
第二方面，本公开实施例还提供了一种污水管道淤积厚度在线监测装置，包括：
[0042]
液位监测模块，实时获取管道内污水的液位高度；
[0043]
流速监测模块，实时获取管道内污水的平均流速；
[0044]
监测数据传输模块，将所述液位高度与所述平均流速的实时数据传输至淤积判别计算模块；
[0045]
监测设备供电模块，为所述液位监测模块、所述流速监测模块以及所述监测数据
传输模块提供电源；
[0046]
淤积判别计算模块，用于进行如下步骤：
[0047]
获取污水管道的尺寸数据；
[0048]
获取所述污水管道的液位高度及平均流速；
[0049]
计算水力半径，构建淤积状态下的流速-液位关系方程，即为管道淤积模型；
[0050]
通过所述液位高度、所述平均流速和所述管道淤积模型进行拟合，计算淤积厚度。
[0051]
优选地，所述尺寸数据包括管道半径、水力坡度与管道粗糙系数。
[0052]
优选地，当管道充满度≤50％时，计算水力半径包括：
[0053]
计算淤积状态下的湿周为：
[0054][0055]
计算淤积状态下的过水断面面积为：
[0056][0057]
根据所述湿周与所述过水断面面积，计算所述水力半径；
[0058]
其中，r为管道半径，h为液位高度，t为淤积厚度。
[0059]
优选地，通过公式(1)计算所述水力半径：
[0060][0061]
优选地，当管道充满度≤50％时，所述管道淤积模型为：
[0062][0063]
其中，ν为流速，n为管道粗糙系数，i为水力坡度。
[0064]
优选地，当管道充满度》50％时，计算水力半径包括：
[0065]
计算淤积状态下的湿周为：
[0066][0067]
计算淤积状态下的过水断面面积为：
[0068][0069]
根据所述湿周与所述过水断面面积，计算所述水力半径；
[0070]
其中，r为管道半径，h为液位高度，t为淤积厚度。
[0071]
优选地，通过公式(3)计算所述水力半径：
[0072][0073]
优选地，当管道充满度》50％时，所述管道淤积模型为：
[0074]
[0075]
其中，ν为流速，n为管道粗糙系数，i为水力坡度。
[0076]
优选地，通过所述管道液位、所述断面平均流速和所述管道淤积模型进行拟合，计算淤积厚度包括：
[0077]
通过所述管道液位、所述断面平均流速，绘制流速-液位散点图；
[0078]
根据所述管道淤积模型绘制流速-液位曲线图；
[0079]
调整所述管道淤积模型中的淤积厚度的数值，使所述流速-液位曲线图与所述流速-液位散点图重合，对应的淤积厚度即为即为管道内的淤积厚度。
[0080]
其有益效果在于：针对污水在排水管道中输送环节，建立管道淤积状况判别及计算模型，通过监测流速、液位等水力参数，判断污水管道是否存在淤积状况，计算管道淤积厚度，实现污水管道的在线监测，可用于城镇污水管网的淤积状态的在线监测与评价。
[0081]
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
[0082]
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0083]
图1示出了根据本发明的一个实施例的污水管道淤积厚度计算方法的步骤的流程图。
[0084]
图2a和图2b分别示出了根据本发明的一个实施例的管道充满度≤50％与》50％的圆形管道水力计算示意图。
[0085]
图3示出了根据本发明的一个实施例的管道淤积判别曲线的示意图。
具体实施方式
[0086]
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
[0087]
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出两个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
[0088]
实施例1
[0089]
图1示出了根据本发明的一个实施例的污水管道淤积厚度计算方法的步骤的流程图。
[0090]
如图1所示，该污水管道淤积厚度计算方法包括：步骤101，获取污水管道的尺寸数据；步骤102，计算水力半径，构建淤积状态下的流速-液位关系方程，即为管道淤积模型；步骤103，实时测量污水管道的液位高度及平均流速；步骤104，通过液位高度、平均流速和管道淤积模型进行拟合，计算淤积厚度。
[0091]
在一个示例中，尺寸数据包括管道半径、水力坡度与管道粗糙系数。
[0092]
在一个示例中，当管道充满度≤50％时，计算水力半径包括：
[0093]
计算淤积状态下的湿周为：
[0094][0095]
计算淤积状态下的过水断面面积为：
[0096][0097]
根据湿周与过水断面面积，计算水力半径；
[0098]
其中，r为管道半径，h为液位高度，t为淤积厚度。
[0099]
在一个示例中，通过公式(1)计算水力半径：
[0100][0101]
在一个示例中，当管道充满度≤50％时，管道淤积模型为：
[0102][0103]
其中，ν为流速，n为管道粗糙系数，i为水力坡度。
[0104]
在一个示例中，当管道充满度》50％时，计算水力半径包括：
[0105]
计算淤积状态下的湿周为：
[0106][0107]
计算淤积状态下的过水断面面积为：
[0108][0109]
根据湿周与过水断面面积，计算水力半径；
[0110]
其中，r为管道半径，h为液位高度，t为淤积厚度。
[0111]
在一个示例中，通过公式(3)计算水力半径：
[0112][0113]
在一个示例中，当管道充满度》50％时，管道淤积模型为：
[0114][0115]
其中，ν为流速，n为管道粗糙系数，i为水力坡度。
[0116]
在一个示例中，通过管道液位、断面平均流速和管道淤积模型进行拟合，计算淤积厚度包括：
[0117]
通过管道液位、断面平均流速，绘制流速-液位散点图；
[0118]
根据管道淤积模型绘制流速-液位曲线图；
[0119]
调整管道淤积模型中的淤积厚度的数值，使流速-液位曲线图与流速-液位散点图重合，对应的淤积厚度即为即为管道内的淤积厚度。
[0120]
具体地，获取污水管道的尺寸数据，包括管道半径、水力坡度与管道粗糙系数等，
实时测量污水管道的液位高度，即管道内污水液面至管道底部内壁的垂直距离，以及平均流速，即污水在管道横截面流速的平均值，计算水力半径，进而构建淤积状态下的流速-液位关系方程，即为管道淤积模型。
[0121]
根据曼宁公式，圆形管道内部均匀流平均流速计算公式为：
[0122][0123]
由于对于固定的管道，粗糙系数n和坡度i一般为固定值，变量一般只有水力半径r。其中水力半径r的计算方法为：
[0124][0125]
其中，a为过水断面面积，x为湿周，即过水断面上水流所湿润的边界长度。
[0126]
图2a和图2b分别示出了根据本发明的一个实施例的管道充满度≤50％与》50％的圆形管道水力计算示意图。
[0127]
如图2a所示，当管道充满度≤50％时，计算淤积状态下的湿周为：
[0128]
x＝2θr-2βr+2rsinβ
[0129]
由于因此，
[0130]
则有
[0131]
计算淤积状态下的过水断面面积为圆弧面积＝扇形面积-三角形面积，即为：
[0132]
a＝(θ-cosθ
·
sinθ)
·r2-(β-cosβ
·
sinβ)
·
r2[0133]
由于则有
[0134]
则有
[0135]
根据湿周与过水断面面积，通过公式(1)计算水力半径。则当管道充满度≤50％时，管道淤积模型为公式(2)。
[0136]
如图2b所示，当管道充满度＞50％时，计算淤积状态下的湿周为：
[0137]
x＝2πr-2θr-2βr+2rsinβ
[0138]
由于因此，
[0139]
则有
[0140]
计算淤积状态下的过水断面面积为圆弧面积＝扇形面积-三角形面积，即为：
[0141]
a＝πr
2-(θ-cosθ
·
sinθ)
·r2-(β-cosβ
·
sinβ)
·
r2[0142]
由于
[0143]
则有
[0144]
根据湿周与过水断面面积，通过公式(3)计算水力半径。则当管道充满度＞50％时，管道淤积模型为公式(4)。
[0145]
通过管道液位、断面平均流速，绘制流速-液位散点图301；当淤积厚度t＝0，将监测点的管道半径r、粗糙系数n及坡度i等参数代入管道淤积模型，并绘制无淤积状态流速-液位关系曲线302；将流速-液位散点图301与无淤积状态流速-液位关系曲线302进行比较，若拟合度较好，则可判断该监测管段内无淤积情况，否则，为存在淤积状况；当判断出存在淤积状况后，通过调整淤积厚度参数t，得到淤积厚度为t时的流速-液位关系曲线303，当该曲线与流速-液位散点图下边缘拟合时，即可获得该管段淤积厚度值为t。
[0146]
实施例2
[0147]
本发明的一种污水管道淤积厚度在线监测装置，包括：
[0148]
液位监测模块，实时获取管道内污水的液位高度；
[0149]
流速监测模块，实时获取管道内污水的平均流速；
[0150]
监测数据传输模块，将液位高度与平均流速的实时数据传输至淤积判别计算模块；
[0151]
监测设备供电模块，为液位监测模块、流速监测模块以及监测数据传输模块提供电源；
[0152]
淤积判别计算模块，用于进行如下步骤：
[0153]
获取污水管道的尺寸数据；
[0154]
获取污水管道的液位高度及平均流速；
[0155]
计算水力半径，构建淤积状态下的流速-液位关系方程，即为管道淤积模型；
[0156]
通过液位高度、平均流速和管道淤积模型进行拟合，计算淤积厚度。
[0157]
在一个示例中，尺寸数据包括管道半径、水力坡度与管道粗糙系数。
[0158]
在一个示例中，当管道充满度≤50％时，计算水力半径包括：
[0159]
计算淤积状态下的湿周为：
[0160][0161]
计算淤积状态下的过水断面面积为：
[0162][0163]
根据湿周与过水断面面积，计算水力半径；
[0164]
其中，r为管道半径，h为液位高度，t为淤积厚度。
[0165]
在一个示例中，通过公式(1)计算水力半径：
[0166][0167]
在一个示例中，当管道充满度≤50％时，管道淤积模型为：
[0168]
[0169]
其中，ν为流速，n为管道粗糙系数，i为水力坡度。
[0170]
在一个示例中，当管道充满度》50％时，计算水力半径包括：
[0171]
计算淤积状态下的湿周为：
[0172][0173]
计算淤积状态下的过水断面面积为：
[0174][0175]
根据湿周与过水断面面积，计算水力半径；
[0176]
其中，r为管道半径，h为液位高度，t为淤积厚度。
[0177]
在一个示例中，通过公式(3)计算水力半径：
[0178][0179]
在一个示例中，当管道充满度》50％时，管道淤积模型为：
[0180][0181]
其中，ν为流速，n为管道粗糙系数，i为水力坡度。
[0182]
在一个示例中，通过管道液位、断面平均流速和管道淤积模型进行拟合，计算淤积厚度包括：
[0183]
通过管道液位、断面平均流速，绘制流速-液位散点图；
[0184]
根据管道淤积模型绘制流速-液位曲线图；
[0185]
调整管道淤积模型中的淤积厚度的数值，使流速-液位曲线图与流速-液位散点图重合，对应的淤积厚度即为即为管道内的淤积厚度。
[0186]
具体地，该污水管道淤积厚度在线监测装置包括流速计，安装于检查井上游管道出口处，测量管道内污水的实时平均流速；液位计，安装于检查井内，测量管道内污水的液位高度值；固定支架，固定流速计和液位计等监测设备的探头，使探头保持固定角度就行流速、液位数据的连续稳定监测；电池组，为液位计、流速计和数据存储及传输设备等模块提供电源；数据存储及传输设备，接收并存储流速计、液位计监测收集的数据信息，定时将存储的数据信息上传至远程服务器等后台数据存储设备中
[0187]
还包括淤积判别计算模块，用于进行如下步骤：获取污水管道的尺寸数据；获取污水管道的液位高度及平均流速；计算水力半径，构建淤积状态下的流速-液位关系方程，即为管道淤积模型；通过液位高度、平均流速和管道淤积模型进行拟合，计算淤积厚度。
[0188]
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
[0189]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。