供水管道泄漏点定位研究

供水管道泄漏点定位研究

摘要：水资源与人民生命息息相关，众所周知，城市供水系统己经成为我国城

市建设不可或缺的一项基础设施，但是随着管道腐蚀、老化以及人为破坏等原因

所引起问题的不断加重，供水管道泄漏事故发生的概率也越加频繁。基于此，本

文针对供水管道泄漏点定位方面进行研究。

关键词：供水管道；泄漏点；定位

引言

中国水资源短缺十分严重，为调水解困国家耗费大量的财力物力。然而日常

生活中，自来水管道发生泄漏并造成地表大面积积水，我们才能确定泄漏。如果

能及时检测出泄漏发生，采取必要措施，可以减少不必要的损失，节约大量水资源。

1我国城市供水管网泄漏现状

城市供水管网漏损率是城市管网漏水量与供水总量之比。按照下式计算:

漏损率一(年供水总量一年有效供水量)/年供水总量X100%

我国城市化快速发展取得了巨大的成就，同时也带来一系列问题。供水管网

施工质量不达标、管网老化、管材混合使用、管材质量差;管网使用年限过长管道腐蚀严重，缺乏维护造成管壁变薄:不注重泄漏检测和管网建设规划、城建施工经常碰触管网等。上述问题是造成目前我国城市供水管网漏损率偏高的主要原因。

我国住建部于2002年发布了《城市供水管网漏损控制和评定标准》，它规定我

国城市供水管网漏损率不能超过12%。根据《中国城市供水统计年鉴2012》的数据显示，2012年我国600多个城市供水管网的平均漏损率达到13.25%，一些城

市甚至在24%以上，其中，大部分省份未达到标准要求，其中西藏的管网漏损率

超过50%。中国水协每年三月份发布前一年的《中国城市供水年鉴》，在2013

年之前，由于一些省市对统计标准认识不准确，填报的是供水产销差率。这是由

于产销差率数据获取简单，漏损率计算时需要考虑用户企业偷水，消防安全用水，水企设备自用水等很难估计的水量，这些数据无法准确统计。

2供水管道泄漏主要形式

2.1管道穿孔

常用的碳素钢管由于长时间埋于地下，与一些具有腐蚀性物质和其他杂质接触，加速了管道腐蚀速度，影响了其正常使用寿命，发生管道穿孔现象，在管壁

处产生泄漏。由于铸铁管道腐蚀速度小于钢管，一些城市用铸铁管道代替钢管进

行水资源传输。

2.2管道接口焊缝开裂

承插接口和石棉水泥接口密封性和抗腐蚀能力差容易产生泄漏。钢管接口处

可能出现焊接问题，如焊缝处未焊牢固仍存在小孔在压力作用下逐渐变大，使得

原来的渗漏演化为小的泄漏;还可能存在钢管接口处存在较小错位情况，使得焊缝处较为脆弱的问题;也可能存在焊缝间相互交错的情况，在一个点处的焊缝较多，当有诸如振动或压力等情况出现时，在焊缝处容易裂开产生泄漏。

2.3管道断裂

管道接触的土壤发生断层，管道上方地面承受较大压力，管道腐蚀等情况均

可能造成管道断裂，焊缝处或者质量较差的部分管道尤其容易发生断裂。另外，

如果管道中的压力分布不均匀，不合理，可能存在局部压力过大，超出管道耐压

范围的情况而造成管道破裂。管道发生断裂造成的泄漏一般要大于管道穿孔和焊

缝开裂等形成的泄漏，造成较大影响，应尽力避免此种情况的发生。在我国北方

管道埋在冻土层，由于北方地区的天气情况，经常会因为结冰造成管道损坏，加

之“热胀冷缩”效应管道发生收缩也容易使管道发生断裂。

3供水管道泄漏点定位原理

当供水管道发生泄漏时，由于管道内外存在巨大压力差，喷射出来的水流与

管壁摩擦产生振动以及与周围土壤冲击产生声波，称为泄漏信号。泄漏信号沿管

道向两端传播，被安放在管道两端的压电式加速度传感器采集，经过无线通讯系统，上传至上位机。如图1，被测管道长度LAB，A、B两端放置传感器，O点为

泄漏点，漏点距2个传感器的距离分别为LOA、LOB（设LOA＞LOB），泄漏信号

在管道上传播速度为V，则漏水信号从O点传播到A点所用的时间为：已知被测管道长度LAB，泄漏信号的传播速度Ｖ。由式（5）、式（6）可知，

计算出泄漏信号从O到达A、B两端的时间差Δｔ就可以判断出漏水点的具体位置。因此漏点定位就是求时间差Δｔ，Δｔ可通过互相关分析法来求得。

图1漏点定位示意

4管道泄漏信号的频率特征

4.1泄漏量的大小对频率分布的影响

国家标准供水管道的直径在［1001000］ｍｍ之间。相关研究资料表明PE、PVC等塑料供水管道泄漏信号的频率成分主要集中在低频段，铸铁管道泄漏信号

的主要频率成分集中在高频段。本文选用频率响应范围较宽的IEPE型压电式加速

度传感器，本传感器内部集成运放电路，降低后续电路引入的误差，提高信号的

信噪比。目前，我国的供水管网主要由铸铁管道组成，腐蚀和断裂是引起管道泄

漏的主要原因，本文主要对铸铁管道泄漏信号特征进行了分析。采集泄漏信号时，将传感器安装于消防栓上，通过调节消防栓开度的大小模拟泄漏信号，为了更加

准确反映泄漏量的大小对泄漏信号的影响，传感器安装离漏点为20cm的管道上。通过分析铸铁管道的背景噪声和不同开度下的功率谱，可以得出：

（1）背景噪声的功率相对较低，不是集中在某个频率范围内，而是充满整

个频带；

（2）从铸铁管道不同开度下的功率谱分析得出，泄漏信号频率成分主要分

布在1.7kHz的高频段；

（3）通过对不同开度下功率谱的比较，泄漏量大小除了影响功率谱的幅度

值外，对泄漏信号频率成分分布影响较小。

4.2滤波器频带及检测距离对结果的影响

本文通过带通滤波器把测量信号分成不同的频带，用相关法来计算出泄漏点

位置，与实际漏点位置进行比较，从而确定泄漏信号所在主要频率区间，为提高

定位精度提供可靠的理论依据。信号经过不同的带通滤波器，得出的延时值不同（相关图中峰值对应的横坐标）。通过数据处理结果，可以看出：

（1）铸铁管道泄漏信号的主要频率成分集中在［14002000］HZ之间，定

位误差较小，与前面的结论相一致；

（2）当信号经过［10002000］HZ和［10001400］HZ不同的带通滤波器时，信号在［10001400］HZ频带内的误差明显大于在［10002000］HZ频带

内的误差，说明在［10001400］HZ频带内具有很大的噪声，含有少量的泄漏信号；

（3）当检测距离OB增大时，信号的定位误差也随之增大，说明随着检测距