基于光纖傳感技術(shù)的供水管網(wǎng)漏損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

謝豐權(quán)，劉廣賀，杜新民,*，宋 康，張 洋，薛 驍，黃慰忠

(1.上海波匯科技有限公司，上海 201210；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 201210)

我國(guó)是一個(gè)水資源緊缺的國(guó)家，全國(guó)有近1/5的城市嚴(yán)重缺水，然而水資源的流失也十分突出，城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)系統(tǒng)中的漏損率普遍在15%以上[1]。在一個(gè)水資源有限的世界里，氣候變化和快速城市化導(dǎo)致水資源逐步短缺以及用水需求不斷增加，因此，水務(wù)部門(mén)應(yīng)在實(shí)現(xiàn)智慧城市方面發(fā)揮更重要的作用。目前，由于缺乏供水管網(wǎng)的不間斷漏點(diǎn)診斷技術(shù)，水務(wù)集成信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)缺乏精確可靠的泄漏信息，造成資源浪費(fèi)、水體污染，甚至爆管、地面塌陷和人員傷亡等惡性事故[2]，不僅影響供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還可能威脅社會(huì)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

管網(wǎng)漏損一般源于管材和施工的質(zhì)量缺陷，如老舊管網(wǎng)超負(fù)荷高壓運(yùn)行、環(huán)境溫度變化，以及不均勻沉降等復(fù)雜因素，因此，漏損量動(dòng)態(tài)變化實(shí)屬正常。及時(shí)掌握全區(qū)域漏點(diǎn)的分布狀態(tài)和發(fā)展演變趨勢(shì)是水行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，國(guó)際水協(xié)(IWA)每屆的水大會(huì)都將漏損控制列為重要部分，但國(guó)內(nèi)檢漏仍以聽(tīng)音探漏為主[3]。使用儀器探漏可在一定程度上避免人工聽(tīng)音常見(jiàn)的結(jié)果不確定性，但仍受到各種環(huán)境因素的干擾，對(duì)深埋和持續(xù)強(qiáng)噪聲環(huán)境管道上早期微小泄漏的探測(cè)更是如此。分區(qū)計(jì)量技術(shù)(DAM)可以判斷存在漏損的區(qū)域，但不能精確指出泄漏點(diǎn)的具體位置[4]。除此之外，各種新型的管道測(cè)漏方法也不斷涌現(xiàn)，如磁通檢測(cè)法、應(yīng)力波法、渦流檢測(cè)器法、管道內(nèi)窺法、探地雷達(dá)法、氣體示蹤法等[5-7]，大大豐富了檢測(cè)技術(shù)手段，其經(jīng)濟(jì)合理性以及實(shí)時(shí)性仍有待驗(yàn)證。

光纖傳感是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的監(jiān)測(cè)手段，具有體積小、彎曲靈活、質(zhì)量輕、本征抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，適合城市大型基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)[8]。已有研究者運(yùn)用拉曼散射光纖溫度傳感技術(shù)[9]和光纖光柵溫度傳感技術(shù)[10]監(jiān)測(cè)油氣管道周邊溫度，并通過(guò)溫度的變化來(lái)判斷泄漏。本文將基于光纖聲傳感器(DAS)實(shí)現(xiàn)對(duì)供水管道的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，力爭(zhēng)能早期發(fā)現(xiàn)管道的漏點(diǎn)，尤其是長(zhǎng)輸主干管道的漏點(diǎn)，跟蹤泄漏的發(fā)展演變，以期在量化評(píng)估的基礎(chǔ)上有序地開(kāi)展養(yǎng)護(hù)作業(yè)，變現(xiàn)有的被動(dòng)應(yīng)急搶修模式為主動(dòng)智慧管網(wǎng)維護(hù)模式，為持續(xù)降低漏損率、減少重大災(zāi)害提供新的技術(shù)選擇。

1 光纖聲傳感器的工作原理

光纖聲傳感器(DAS)基于散射光相干檢測(cè)原理。當(dāng)外界振動(dòng)作用于傳感光纖時(shí)，光纖內(nèi)硅酸鹽材料的光學(xué)特性會(huì)產(chǎn)生局部的變化，從而導(dǎo)致傳輸中的光信號(hào)產(chǎn)生相移[11]。根據(jù)光纖內(nèi)背向光散射的一維脈沖響應(yīng)模型[12]，如果激光脈沖在t=0時(shí)注入光纖，即可在t=ti時(shí)刻接收到背向散射波。測(cè)量ti可得到li，即發(fā)生振動(dòng)的光纖位置，這種定位方法通常被稱(chēng)為OTDR 技術(shù)，如式(1)。不同散射中心背散射波為相干光，其間的相位差(φij)如式(2)。故采集散射光相位變化可以探測(cè)光纖的振動(dòng)。

(1)

其中：c——真空中的光速，m/s；

n——光纖折射率；

li——第i個(gè)散射中心到光脈沖輸入端的光纖長(zhǎng)度,m。

φij=4πv(n+Δn)(li-lj)

(2)

其中：v——波數(shù)，即波長(zhǎng)λ的倒數(shù)，m-1；

Δn——光纖折射率的變化量；

lj——第j個(gè)散射中心到光脈沖輸入端的光纖長(zhǎng)度，m。

系統(tǒng)硬件由傳感器和信號(hào)分析儀2部分組成。光纖既是傳感器又是信號(hào)傳輸介質(zhì)，大大簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器布設(shè)安裝工程，僅布設(shè)1根光纖即可探測(cè)沿光纖各點(diǎn)的機(jī)械振動(dòng)。根據(jù)客戶的需求，一路光纖傳感器可覆蓋幾十km管道。信號(hào)分析儀通常置于控制室內(nèi)，接收并解析光纖振動(dòng)所導(dǎo)致的DAS信號(hào)變化。光纖傳感器適應(yīng)潮濕、腐蝕、高溫、高壓等苛刻的工程環(huán)境，本征抗電磁干擾。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證光纖傳感系統(tǒng)對(duì)供水管道泄漏的響應(yīng)，取一段DN300管道，預(yù)加工泄漏圓孔，孔徑分別為1、 3、5 mm。管道接入供水網(wǎng)，水壓力約0.3 MPa。傳感光纖平行于管道布設(shè)(圖1)，總長(zhǎng)約5 km。一端自由，另一端接入信號(hào)分析主機(jī)(DAS)。試驗(yàn)依次開(kāi)啟泄漏孔，從流量計(jì)讀取泄漏流量，自動(dòng)采集光信號(hào)，同時(shí)判斷泄漏，定位泄漏孔位置。泄漏監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示于系統(tǒng)平臺(tái)的管網(wǎng)GIS地圖界面。平臺(tái)具有數(shù)據(jù)記錄、回放、本地聲光報(bào)警和遠(yuǎn)傳報(bào)警功能。

圖1 供水管道泄漏自動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Automatic Leakage Monitoring System for Water Supply Pipelines

3 結(jié)果與討論

管道泄漏是管道內(nèi)的流體由于某種原因溢出的事件。供水管漏水探測(cè)通常采用間接確定漏水點(diǎn)的方法，多為物理探測(cè)，即檢測(cè)泄漏所導(dǎo)致的相關(guān)物理化學(xué)參數(shù)變化，如漏水聲波特性、管道供水壓力或流量變化、周邊介質(zhì)物性突變等。泄漏監(jiān)測(cè)的參數(shù)至少應(yīng)滿足如下原則。

(1)該物理量應(yīng)是泄漏的直接產(chǎn)物，與泄漏本身有著穩(wěn)定明確的相關(guān)性。

(2)已有商品化的實(shí)用技術(shù)可實(shí)時(shí)定量地探測(cè)該物理量的變化。

當(dāng)高壓水流沖出管道上的小孔時(shí)，無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生聲波等環(huán)境擾動(dòng)，因而激勵(lì)預(yù)埋在管道附近的光纖，使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。解析散射光信號(hào)可以得到與激振相關(guān)的物理參量：振幅、頻率、時(shí)間和振動(dòng)發(fā)生的位置。上述DAS信號(hào)強(qiáng)度被表達(dá)為彩色瀑布圖，如圖2所示。圖2給出了試驗(yàn)管道上1、3 mm 和5 mm直徑小孔泄漏時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。其中，橫坐標(biāo)為光纖的位置，顯示40 m區(qū)間，610～650 m；縱坐標(biāo)為時(shí)間，顯示的典型時(shí)長(zhǎng)為30 s。圖中的顏色表征對(duì)應(yīng)位置和時(shí)間處的實(shí)時(shí)DAS信號(hào)強(qiáng)度，由瀑布圖可直觀判斷泄漏發(fā)生和漏點(diǎn)位置。離開(kāi)泄漏點(diǎn)較遠(yuǎn)處的光纖受泄漏振動(dòng)的影響較小，振幅接近于零，故瀑布圖呈深藍(lán)色(色譜下方)。而深紅色(色譜上方)表示光纖受到較為強(qiáng)烈的激振。圖2右側(cè)的色譜為無(wú)量綱信號(hào)強(qiáng)度與顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系，橫坐標(biāo)則可直接讀出泄漏點(diǎn)位置。其中，圖2(a)為同一段光纖在自然環(huán)境無(wú)泄漏條件下的DAS低噪聲背景瀑布圖。

注：瀑布圖(a)為自然環(huán)境無(wú)泄漏時(shí)記錄的DAS信號(hào)，在此表征儀器背景噪聲的對(duì)比強(qiáng)度圖2 0 (a)、1 (b)、3 mm (c) 和5 mm (d) 直徑的泄漏孔DAS泄漏信號(hào)瀑布圖Fig.2 DAS Signal Waterfall Chart of Leakage Holes with the Diameter of 0 (a), 1 (b), 3 mm (c) and 5 mm (d)

對(duì)所采集的DAS信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：平均信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)數(shù)與泄漏孔徑線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.9。圖3的關(guān)系曲線顯示，DAS信號(hào)強(qiáng)度可以半定量地表達(dá)管道上既有泄漏孔的擴(kuò)展演化趨勢(shì)。

注：0 mm孔徑對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度為無(wú)泄漏時(shí)的儀器噪聲和環(huán)境本底噪聲圖3 實(shí)測(cè)DAS泄漏探測(cè)信號(hào)平均強(qiáng)度的對(duì)數(shù)與泄漏孔徑的關(guān)系Fig.3 Relationship between Logarithm of Average Intensity of Measured DAS Signal and Leakage Aperture

從工程角度出發(fā)，精確判定漏點(diǎn)位置至關(guān)重要。基于OTDR原理，已知光纖光速，可以通過(guò)采集的ti直接計(jì)算信號(hào)對(duì)應(yīng)點(diǎn)到光纖端點(diǎn)的距離，以確定振動(dòng)發(fā)生的位置。但實(shí)際工程中常常要求光纖在安裝時(shí)留有一定的工程冗余，因此，上述光纖距離不可能與實(shí)際管道位置一一對(duì)應(yīng)，必須對(duì)光纖長(zhǎng)度和管道里程做出現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。實(shí)測(cè)泄漏點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性首先取決于現(xiàn)場(chǎng)光纖位置標(biāo)定的精度。分析主機(jī)對(duì)同一泄漏點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量結(jié)果的均方差可表征儀器自身的定位誤差。圖4為多次測(cè)量3 mm孔徑泄漏點(diǎn)的定位結(jié)果，其統(tǒng)計(jì)均方差為1.23 m。在實(shí)際管道探漏和維修工程中，這一誤差應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。

注：實(shí)測(cè)值的統(tǒng)計(jì)均方差為1.23 m，其表征儀器的泄漏點(diǎn)定位判斷誤差圖4 500次測(cè)量3 mm孔徑泄漏點(diǎn)的定位結(jié)果分布曲線Fig.4 Distribution Results of Leakage Holes with the Diameter of 3 mm by 500 Times

管網(wǎng)的漏損管理通常表現(xiàn)為“探漏-修復(fù)-探漏”的往復(fù)循環(huán)過(guò)程，最終達(dá)到供水管網(wǎng)期望的漏損指標(biāo)和目標(biāo)產(chǎn)銷(xiāo)差。光纖傳感系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期可靠地對(duì)給定區(qū)域管網(wǎng)開(kāi)展漏損監(jiān)測(cè)，是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)較理想的技術(shù)手段。

4 結(jié)論

供水管道泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證了DAS系統(tǒng)對(duì)管道漏水的響應(yīng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DAS信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)數(shù)值與泄漏孔直徑呈線性相關(guān)，證明了該技術(shù)用于長(zhǎng)距離供水管道泄漏在線監(jiān)測(cè)的可行性。毫米量級(jí)的水泄漏(壓力約0.3 MPa)所激發(fā)的DAS信號(hào)強(qiáng)度比儀器本底及環(huán)境噪聲強(qiáng)度高約1個(gè)數(shù)量級(jí)，故泄漏可經(jīng)由軟件識(shí)別。該系統(tǒng)在探測(cè)泄漏的同時(shí)即可定位漏點(diǎn)，位置判斷誤差在±1.5 m之內(nèi)。與現(xiàn)有的探漏技術(shù)相比，光纖漏損監(jiān)測(cè)技術(shù)適應(yīng)各種不同管材管徑、不同管道埋深和長(zhǎng)度(<20 km/系統(tǒng))，允許惡劣的工作環(huán)境(腐蝕、電磁場(chǎng)、高溫、高壓等)，且具有使用壽命長(zhǎng)、終身免維護(hù)等特點(diǎn)，數(shù)字化監(jiān)測(cè)結(jié)果可嵌入水網(wǎng)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不間斷的災(zāi)害預(yù)警和漏損管理，具有廣泛的應(yīng)用前景。

未來(lái)將進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)多因子水泄漏模式識(shí)別方法，以提高系統(tǒng)的可靠性。