城市供水管網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

王 飛，胡智翔，胡群芳，海 倩，車德路，施靜康，吳 儼

（1.同濟(jì)大學(xué) 上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海 200092；2.城市安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；4.無(wú)錫悟莘科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214135）

城市供水管網(wǎng)是市政管網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，是保障城市正常運(yùn)行、健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著城市化進(jìn)程，城市供水管網(wǎng)的規(guī)模也日益擴(kuò)大。全國(guó)供水管道長(zhǎng)度由2000年的25.4萬(wàn)km增長(zhǎng)到2021 年的106 萬(wàn)km。近20 年來平均每年增長(zhǎng)3.66萬(wàn)km，年均增長(zhǎng)率7.04%［1］。城市供水管網(wǎng)數(shù)量大、拓?fù)鋸?fù)雜、環(huán)境多變，因管道老化、第三方施工、荷載作用（力、溫度）等造成管道泄漏、斷裂、爆管等管損事件也越來越多。為減少管損事件和水資源浪費(fèi)，對(duì)城市供水管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)施安全監(jiān)測(cè)具有重要意義。

城市供水管網(wǎng)一般為埋地敷設(shè)，僅有閥門井、水表井以及過橋管等管道直接暴露，方便直接監(jiān)測(cè)。因此，為保證水質(zhì)安全和保障供水能力，長(zhǎng)期以來城市供水管網(wǎng)均以水質(zhì)［2-4］、流量［5-6］和水壓［7-8］的監(jiān)測(cè)為主。通過流量監(jiān)測(cè)或獨(dú)立計(jì)量區(qū)域（DMA）分區(qū)管理，開展了供水管網(wǎng)漏損監(jiān)測(cè)與識(shí)別［9-13］。在保障供水能力的同時(shí)，壓力監(jiān)測(cè)可以用于爆管的監(jiān)測(cè)與識(shí)別［14-15］。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各城市逐步開展了智慧水務(wù)建設(shè)，采用NB-IoT、LoRa、4G/5G 等方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸并構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［16-19］。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）起源于20世紀(jì)70 年代［20］，主要用于軍事領(lǐng)域。進(jìn)入21 世紀(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅在軍事安全方面得到應(yīng)用，在工業(yè)控制、智能家居、環(huán)境感知和健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域也都有相關(guān)應(yīng)用。無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless underground sensor network，WUSN）近年來受到了一些研究的關(guān)注，如邊境入侵控制、智能農(nóng)業(yè)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、地下結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等［21-24］。

綜合國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，目前城市供水管網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)仍然存在三方面技術(shù)難題：①常規(guī)監(jiān)測(cè)主要以水質(zhì)、水壓和水量等功能監(jiān)測(cè)為主，缺少可表征安全性態(tài)的指標(biāo)；② 管網(wǎng)長(zhǎng)期敷設(shè)于地下，數(shù)據(jù)傳輸困難，設(shè)備易損壞，無(wú)成熟可適用于埋地條件下的長(zhǎng)時(shí)集成監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備；③供水管網(wǎng)數(shù)量大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法開展大范圍性態(tài)安全監(jiān)測(cè)，難以劃定重點(diǎn)區(qū)域。

針對(duì)以上技術(shù)難題，開展供水管網(wǎng)運(yùn)行安全影響因素分析，提出供水管網(wǎng)全空間多參量感知指標(biāo)體系，研發(fā)供水管網(wǎng)無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)技術(shù)與系統(tǒng)，并在上海市開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，為供水管網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。

1 供水管網(wǎng)全空間多參量感知指標(biāo)體系

1.1 供水管網(wǎng)運(yùn)行安全影響因素

截至2020 年底，上海市現(xiàn)有供水水廠38 座，供水管網(wǎng)長(zhǎng)度達(dá)3.96 萬(wàn)km，日供水能力達(dá)1 220.5 萬(wàn)m3，年供水總量達(dá)28.79 億m3。上海市供水管網(wǎng)數(shù)量龐大，部分管道敷設(shè)年代久遠(yuǎn)，面臨的落后、老化病害問題突出。收集了某區(qū)域DN300 以上的供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)164 189條，2002—2021年該區(qū)域管損事件6 293 條，類型包含滲漏、腐蝕、斷裂/崩裂、爆管（含嚴(yán)重爆管）等，設(shè)備包含管道、水表、閥門等。DN500以上供水管線與燃?xì)?、排水管線的交疊位置、交疊間距等管線交疊數(shù)據(jù)1 205 條。該區(qū)域中A 區(qū)內(nèi)的道路交叉口共584 個(gè)，含供水管線72.75km，管損事件共662起。筆者參與了部分嚴(yán)重管損事件的現(xiàn)場(chǎng)事故分析與搶險(xiǎn)工作，如圖1所示。

圖1 嚴(yán)重管損事件Fig.1 Serious pipe loss event

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該區(qū)域47.9%的管損事件位于道路交叉口，交叉口內(nèi)事故率為0.19，大于非交叉口區(qū)域3 倍以上。管損事件中包含581 個(gè)斷裂/崩裂、爆管（含嚴(yán)重爆管）等嚴(yán)重管損事件，其中281 個(gè)位于交叉口范圍內(nèi)，占比48.36%。嚴(yán)重管損事件中爆管級(jí)漏水34個(gè)，在交叉路口的是22個(gè)，占比64.7%，其中嚴(yán)重爆管15 個(gè)，在交叉路口14 個(gè)，占比93.3%。該區(qū)域交叉口內(nèi)管損率為0.19（管損率為單位長(zhǎng)度管道的管損事故年平均值），大于非交叉口區(qū)域3倍以上，其中A 區(qū)平均一個(gè)路口就有1.13 個(gè)管損事件，管損率更是達(dá)到0.455，是該區(qū)域的2 倍以上。分析表明，道路交叉口為供水管網(wǎng)的管損事件高發(fā)區(qū)域，尤其是嚴(yán)重的爆管事件往往發(fā)生在道路交叉口。

與此同時(shí)，管線交疊后產(chǎn)生的管道間相互作用也是影響供水管網(wǎng)運(yùn)行安全的重要因素。根據(jù)GB 50289—2016，篩查該區(qū)域交疊凈距不滿足規(guī)范的燃?xì)饨化B點(diǎn)（d<0.15m）有13個(gè)、排水交疊點(diǎn)（d<0.40m）有123 個(gè)，其中該區(qū)域中A 區(qū)有3 個(gè)燃?xì)饨化B點(diǎn)和44個(gè)排水交疊點(diǎn)。這3個(gè)燃?xì)饨化B點(diǎn)全部位于交叉口中，平均每個(gè)交叉口有1.67個(gè)事故，大于A區(qū)的平均每個(gè)交叉口1.13 個(gè)事故。不滿足規(guī)范的排水交疊點(diǎn)中，有81.9%在交叉口內(nèi)，平均每個(gè)交叉口有1.52個(gè)事故，同樣大于A區(qū)平均水平。通過該區(qū)域鋪管方式分析，供水管道大多處于燃?xì)夤艿篮团潘艿乐g，易受到其他類型管道影響而發(fā)生供水管網(wǎng)管損事件，同時(shí)，管線交疊位置存在多種管道耦合事故風(fēng)險(xiǎn)。

交變荷載是指在供水管道運(yùn)行期間受到的各類動(dòng)態(tài)變化的荷載，如管道內(nèi)壓、道路車輛荷載、溫度荷載、周邊施工引發(fā)的不均勻沉降荷載等。其中道路車輛荷載與道路交叉口有強(qiáng)相關(guān)，即道路交叉口往往有更高頻次的荷載作用和更加復(fù)雜的荷載情況。溫度荷載對(duì)于淺埋的供水管網(wǎng)有顯著影響，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，埋深1m的供水管道年溫差可超過30℃，同時(shí)，大口徑管道管頂至管底的溫差同樣會(huì)產(chǎn)生巨大的溫度應(yīng)力。近些年，極端天氣溫度對(duì)供水管網(wǎng)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，以2016年和2020年寒潮為例，均產(chǎn)生了嚴(yán)重的供水管網(wǎng)管損事件。此外周邊施工引發(fā)的地層變形會(huì)導(dǎo)致供水管道局部產(chǎn)生不均勻沉降，從而引發(fā)滲漏甚至爆管事件。

通過上述城市供水管網(wǎng)時(shí)空?qǐng)鼍胺治?，管網(wǎng)交叉路口、交疊管線和交變荷載“三交區(qū)域”是供水管網(wǎng)發(fā)生管損尤其是嚴(yán)重爆管事故的重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)。然而，目前供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)主要以水質(zhì)、水量和水壓等系統(tǒng)功能監(jiān)測(cè)為主，部分區(qū)域開展了滲漏噪聲監(jiān)測(cè)，而缺少必要的供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、服役狀況、外部影響和安全監(jiān)管等方面運(yùn)行安全綜合監(jiān)測(cè)，從而無(wú)法獲悉管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。以上海為例，目前全市共部署水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)844個(gè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)256個(gè)。

1.2 供水管網(wǎng)運(yùn)行安全感知監(jiān)測(cè)類型

發(fā)生管損事故的管道主要為灰口鑄鐵管、球墨鑄鐵管、鋼管等，灰口鑄鐵材料的管道管損事故占51.8%，球墨鑄鐵材料的管道管損事故占36.7%，鋼管管損事故占7.5%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該區(qū)域47.4%的管損事件發(fā)生在10～20 年的使用時(shí)間內(nèi)，相比于使用時(shí)間為0～10 年的17.2%，是其的3 倍左右，這說明管道老化對(duì)于管道破損影響很大。管道發(fā)生漏水、斷裂、爆管多集中于接口處。針對(duì)供水管網(wǎng)運(yùn)行安全，統(tǒng)計(jì)分析供水管網(wǎng)管損事故，表明供水管道的材質(zhì)、年限、位置、第三方干擾等是導(dǎo)致管損甚至爆管的主要影響因素。針對(duì)以上問題，本文系統(tǒng)地提出保護(hù)性監(jiān)測(cè)和預(yù)防性監(jiān)測(cè)2類監(jiān)測(cè)。保護(hù)性監(jiān)測(cè)是指為防止鄰近區(qū)域施工、超載等周邊活動(dòng)造成供水管道發(fā)生損壞開展的監(jiān)視和測(cè)定活動(dòng)。預(yù)防性監(jiān)測(cè)是指為避免供水管網(wǎng)發(fā)生影響其正常運(yùn)行或造成安全風(fēng)險(xiǎn)的各類事件開展的監(jiān)視和測(cè)定活動(dòng)。保護(hù)性監(jiān)測(cè)主要針對(duì)第三方干擾、第三方破壞等場(chǎng)景，預(yù)防性監(jiān)測(cè)主要針對(duì)落后管材、老化嚴(yán)重等老舊管網(wǎng)場(chǎng)景。在具體應(yīng)用中，保護(hù)性監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用于鄰近施工影響范圍內(nèi)的供水管道，預(yù)防性監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用于DN800及以上、實(shí)施維護(hù)搶修的管道、交叉路口、交疊管線、交變荷載區(qū)域內(nèi)敷設(shè)的管道。

1.3 供水管網(wǎng)多參量感知指標(biāo)體系

通過供水管網(wǎng)運(yùn)行安全影響因素分析可知，為獲取供水管網(wǎng)運(yùn)行安全狀態(tài)，需要開展供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、管道結(jié)構(gòu)和管網(wǎng)環(huán)境等“三類參數(shù)”的監(jiān)測(cè)。①管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括運(yùn)行水壓及流量；②管道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括豎向位移、水平位移、不均勻沉降、管道豎向變形、管道接口變形、管道腐蝕、管道破損；③管網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括管道管頂土壓力、管側(cè)土壓力、地下水水位、孔隙水壓力、管內(nèi)水溫、管道周邊土體溫度、土壤腐蝕性、氣象條件、環(huán)境噪聲、機(jī)動(dòng)車交通信息。不同的監(jiān)測(cè)類型選取不同的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)具體選擇見表1。

表1 供水管網(wǎng)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)Tab.1 Operation safety risk monitoring index of water supply pipeline network

2 供水管網(wǎng)無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2.1 埋地管網(wǎng)無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)

供水管網(wǎng)管道一般采用直埋方式敷設(shè)，管道內(nèi)為水體，外側(cè)為土層。傳統(tǒng)的有線傳輸現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)困難，且后期易損壞，并需要建設(shè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)井或利用閥門井、水表井等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。近些年興起的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸技術(shù)目前僅適用于在井內(nèi)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景。然而，針對(duì)大量的埋地管網(wǎng)，管道內(nèi)水外土的敷設(shè)特征導(dǎo)致監(jiān)測(cè)與傳輸?shù)募夹g(shù)難題亟待突破。天然土層是土壤顆粒、空氣和水的復(fù)合體，通常是不均勻和各向異性的，在這樣的土壤中傳輸，由于吸收、反射、折射和散射，信號(hào)會(huì)發(fā)生明顯的路徑損耗和散射，并且在WUSN的實(shí)際應(yīng)用中，面臨著4個(gè)方面的挑戰(zhàn)，即電源保護(hù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)和極端環(huán)境［21］。在地下50cm 以內(nèi)的淺層低含水率土層無(wú)線傳輸中，通過433MHz LoRa實(shí)現(xiàn)了單跳無(wú)線信號(hào)收發(fā)［24］。供水管網(wǎng)普遍埋深在0.8～3.0m 的范圍，埋設(shè)深度、土體類型和地下水對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸帶來了挑戰(zhàn)。

為解決以上問題，提出了地下管網(wǎng)監(jiān)測(cè)無(wú)線信號(hào)在水土氣多介質(zhì)環(huán)境中“透?jìng)鳌钡母拍睿鐖D2 所示，即實(shí)現(xiàn)埋地設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信（UG2UG），埋地設(shè)備與地上設(shè)備的數(shù)據(jù)通信（UG2AG 和AG2UG），將獲取的監(jiān)測(cè)信息通過無(wú)線信號(hào)“穿透”土體傳輸?shù)降孛婕胺?wù)器。與此同時(shí)，充分考慮供水管網(wǎng)的埋設(shè)深度和水土環(huán)境條件，為實(shí)現(xiàn)更大距離的數(shù)據(jù)傳輸，研究了多跳“透?jìng)鳌苯M網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳感器信息6 層“接力”與數(shù)據(jù)交互，建立了無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)（penetrating wireless sensor network，PWSN），如圖3所示。

圖2 無(wú)線透?jìng)鞲拍頕ig.2 Concept of penetrating wireless

圖3 無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)Fig.3 Penetrating wireless sensor network（PWSN)

為實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)“透?jìng)鳌?，開展了無(wú)線信號(hào)在地層中的損耗研究，試驗(yàn)系統(tǒng)由2個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、1 個(gè)網(wǎng)關(guān)和1 臺(tái)筆記本電腦組成。通過開挖試驗(yàn)孔且采用不同類型土體和不同厚度土體開展損耗規(guī)律研究，如圖4 所示。節(jié)點(diǎn)1 埋在孔的底部，節(jié)點(diǎn)2 放置在回填土的表面。節(jié)點(diǎn)1 和節(jié)點(diǎn)2 之間的土層厚度隨著覆蓋土的增加而發(fā)生變化。在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)網(wǎng)格拓?fù)?，并將?shù)據(jù)發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)2接收到節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的信號(hào)，記錄RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)），并將該信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程服務(wù)器傳輸網(wǎng)格信息，包含節(jié)點(diǎn)1 和節(jié)點(diǎn)2 的傳輸功率和接收功率，據(jù)此分析無(wú)線信號(hào)路徑損耗。

圖4 無(wú)線信號(hào)在地層中損耗研究試驗(yàn)Fig.4 Experiment on wireless signal loss in soil

實(shí)驗(yàn)中采用不同的土即黏性土和砂性土以及不同的體積含水率（volumetric water content，VWC）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，回填土參數(shù)見表2。試驗(yàn)采用1種黏性土和2 種含水率不同的砂土進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。由對(duì)比分析可知，含水率為48.1%的黏性土路徑損耗為150～170 dB·m-1，含水率為4.9%的砂土的路徑損耗為13.5 dB·m-1，而干砂的路徑損耗幾乎為零。通過試驗(yàn)可知，相對(duì)而言砂性土路徑損耗低于黏性土，含水率越高路徑損耗越高。

表2 回填土參數(shù)Tab.2 Parameters of backfilled soil

圖5 不同土層信號(hào)路徑損耗Fig.5 Signal path loss in different types of soil

為進(jìn)一步研究土層性質(zhì)對(duì)無(wú)線信號(hào)路徑損耗的影響，根據(jù)供水管網(wǎng)地層無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)的使用場(chǎng)景，考慮無(wú)線損耗中的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)損耗，提出了近場(chǎng)-遠(yuǎn)場(chǎng)兩階段損耗模型［25］，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。采用該模型分析土層物理性質(zhì)對(duì)信號(hào)路徑損耗的影響。由圖6 可知，①相較于土體類型，VWC 對(duì)于信號(hào)路徑損耗影響更大；②在低含水量下，信號(hào)路徑損耗對(duì)土壤顆粒組成不敏感，這是由于干燥土壤的電導(dǎo)率非常低，因?yàn)殛?yáng)離子和陰離子以鹽的形式沉淀，導(dǎo)致可動(dòng)離子的缺乏；③在高含水量下，土壤成分對(duì)信號(hào)路徑損耗影響很大，且相比于黏土顆粒含量較少的土壤，黏土顆粒含量較大的土壤中信號(hào)路徑損耗對(duì)VWC 更敏感。由于供水管網(wǎng)埋深范圍受到地下水位波動(dòng)影響，無(wú)法有效控制，根據(jù)信號(hào)路徑損耗規(guī)律，在傳感器布設(shè)位置及其傳輸路徑上，盡可能采用砂性土回填可有效增加無(wú)線信號(hào)傳輸距離。同時(shí)，也可以對(duì)傳感器起到一定的保護(hù)作用，避免雜填土回填損壞傳感器。此外，文獻(xiàn)［26］考慮道路路面等結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土的無(wú)線傳輸損耗規(guī)律進(jìn)行了研究與探索。

圖6 土層物理性質(zhì)對(duì)土壤信號(hào)路徑損耗的影響Fig.6 Effect of soil physical properties on signal path loss in soil

2.2 供水管網(wǎng)無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

在上述研究的基礎(chǔ)上，自2016 年起聯(lián)合無(wú)錫悟莘科技有限公司開發(fā)了直埋無(wú)線傳感器以及無(wú)線網(wǎng)關(guān)，如圖7所示。針對(duì)供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合研究提出的感知指標(biāo)和監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)建了供水管網(wǎng)無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括感知層、傳輸層、大數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，如圖8 所示，并于2018 年開始現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試。該系統(tǒng)特征如下：①可接入多種類型傳感器，可感知管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、管道結(jié)構(gòu)和管網(wǎng)環(huán)境等參數(shù)，傳感器具有高強(qiáng)度外殼，IP68以上防護(hù)等級(jí)，可直埋敷設(shè)；②無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)具備高穿透能力，可實(shí)現(xiàn)地下5m范圍內(nèi)的供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸。采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)，兼容星狀、線狀網(wǎng)絡(luò)，并可實(shí)現(xiàn)6 跳傳輸；③超低功耗（20uA），傳感支點(diǎn)采用工業(yè)電池供電，可達(dá)到10 年以上使用壽命（頻率1 次·h-1）；④遠(yuǎn)程控制，如采集周期、發(fā)射功率、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、回網(wǎng)周期等。⑤通過多參量綜合感知，可實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)運(yùn)行安全的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

圖7 無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)傳感器與網(wǎng)關(guān)Fig.7 Sensors and gateway of PWSN

圖8 供水管網(wǎng)無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.8 Monitoring system of water supply pipeline using PWSN

3 城市供水管網(wǎng)運(yùn)行安全智慧感知技術(shù)應(yīng)用

2020 年7 月13 日凌晨3：06，某路口DN1200 供水管爆管，管材為灰口鑄鐵，管頂埋深2.2m。爆管導(dǎo)致地面發(fā)生塌陷，路面受損約320m2，路面嚴(yán)重積水，事故現(xiàn)場(chǎng)如圖9 所示。該路口為市中心繁華路段，車流量大。凌晨3：31，供水企業(yè)抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)開展搶修工作。修復(fù)段共分3 個(gè)管段，其中北段管道為原管道，管底土層為原狀土，中段管道為更換鋼管，長(zhǎng)度1.91m，管底為回填砂層，南段管道為原管道，管底土層為回填砂層。3個(gè)管段2個(gè)接口采用2個(gè)哈夫節(jié)進(jìn)行連接。砂層回填至管頂，沖水密實(shí)后回填80cm 碎石層，后回填1m 雜填土，路基為碎石，路面為瀝青，路基與路面厚度共40cm。

圖9 爆管事故現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 Accident site of a burst pipe

由于該爆管位置地處市中心繁華路段，車流量大，周邊環(huán)境影響大，因此需要對(duì)該修復(fù)位置開展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控供水管網(wǎng)安全狀態(tài)，避免再次發(fā)生事故。該監(jiān)測(cè)點(diǎn)共安裝11 個(gè)傳感器，包括3 個(gè)傾角傳感器、4 個(gè)溫度傳感器、4 個(gè)中繼。傳感器編號(hào)見表3。其中，傾角傳感器0417位于北段管道，傾角傳感器040B 位于中段管道，傾角傳感器042D 位于南段管道；溫度傳感器052F 位于管道管頂，溫度傳感器0534 位于管道管底；2 個(gè)土溫傳感器分別位于地下1.0m 和0.9m，4 個(gè)中繼依次位于地下1.8m、1.4m、0.5m。由南至北傳感器之間的間距依次為640mm、510mm、430mm、830mm。傾角傳感器Y軸正向朝北。詳細(xì)布置位置見圖10，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖11所示。

圖10 傳感器布置Fig.10 Layout of sensors

圖11 傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.11 Installation of sensors

表3 傳感器編號(hào)Tab.3 Sensor No..

選取2020年7月14日至2022年2月1日時(shí)間段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。傳感器Y軸轉(zhuǎn)角表征管道不均勻沉降導(dǎo)致的管道豎向轉(zhuǎn)動(dòng)。由圖12可知，回填階段管道發(fā)生明顯的豎向轉(zhuǎn)動(dòng)，截止15 日早7 點(diǎn)路面瀝青施工完成，北段管道轉(zhuǎn)角為0.36°，中段管道為1.06°，南段管道為?1.24°。分析其原因主要是北段管道管底土層為原狀土，密實(shí)度高、土體壓縮模量大，不易變形。而中段和南段管道管底土層為回填砂層，即便采用了噴水方式進(jìn)行密實(shí)，但其密實(shí)度和壓縮模量偏低，在回填過程中產(chǎn)生了明顯的壓縮變形，導(dǎo)致管道發(fā)生沉降，中段修復(fù)管道兩端不均勻沉降為35.3mm，如圖13所示。

圖12 北段、中段和南段管道豎向轉(zhuǎn)動(dòng)量Fig.12 Vertical rotation of north-pipe,mid-pipe,and south-pipe

圖13 中段管道兩端不均勻沉降Fig.13 Differential settlement at both ends of midpipe

回填階段的不均勻沉降導(dǎo)致了修復(fù)管道哈夫節(jié)接口變形，產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，如圖14 所示。北段與中段管道相對(duì)轉(zhuǎn)角為?0.7°，中段與南段管道轉(zhuǎn)角為2.3°。根據(jù)哈夫節(jié)廠家的建議，DN1200管道哈夫節(jié)兩側(cè)管道相對(duì)轉(zhuǎn)角變形不宜超過3°，否則容易造成接口密封失效，從而導(dǎo)致滲漏。由此可見，管道修復(fù)后的不均勻沉降變形是導(dǎo)致接口滲漏的重要隱患。如果接口長(zhǎng)期滲漏，又將會(huì)導(dǎo)致周圍回填砂層流失，從而沉降進(jìn)一步發(fā)展，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2020 年7 月28 日捕捉到一次明顯的沉降和接口轉(zhuǎn)角突然增大，隨即觸發(fā)了報(bào)警。供水企業(yè)立即開展現(xiàn)場(chǎng)檢查，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)，由于路面在2周左右的交通荷載下產(chǎn)生了明顯的沉降，因此進(jìn)行了細(xì)瀝青施工，確保路面平整。

圖14 北段管道-中段管道、中段管道-南段管道的接口相對(duì)轉(zhuǎn)角Fig.14 Joint relative rotation of north-pipe and mid-pipe,and mid-pipe and south-pipe

通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，管道沉降和轉(zhuǎn)角在2021年10月5日左右初次穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)間約為80d。截至2022年2 月1日，北段管道轉(zhuǎn)角1.35°，中段管道轉(zhuǎn)角1.89°。南段管道由于上部燃?xì)夤艿澜化B影響，轉(zhuǎn)角波動(dòng)較大，最大?1.3°，最小?0.6°。北段管道與中段管道接口相對(duì)轉(zhuǎn)角為?0.55°，在長(zhǎng)期運(yùn)行中較為穩(wěn)定，且變形略有恢復(fù)。中段管道兩端不均勻沉降為62.8mm。然而，由于中段管道與南段管道的管底土層為回填土，與此同時(shí)，南段管道上部有2根燃?xì)夤艿澜化B敷設(shè)，其管道接口相對(duì)轉(zhuǎn)角最大為2.9°，發(fā)生在2021 年8 月15 日，逼近接口轉(zhuǎn)角控制值，且波動(dòng)較大，易受到外界影響，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注。

圖15 為管道管頂溫度和管底溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。12月至1月平均溫度最低，2020年12月19日管頂最低溫度為4.6℃，管底最低溫度為7.3℃。7月至8月平均溫度最高，2020 年8 月26 日管頂最高溫度為33℃，管底最高溫度為29.6℃。管頂年度最大溫差為28.4℃，管底年度最大溫差為22.3℃。冬季管底溫度高于管頂，最大溫差5.2℃（2020 年12 月7 日），夏季管頂溫度高于管底，最大溫差為3.7℃（2020 年8月15日）。

圖15 管頂管底溫度Fig.15 Top and bottom temperature of pipe

無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)后，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D16 所示。其中一層網(wǎng)絡(luò)支點(diǎn)為中繼3（埋深50cm）、中繼4（埋深50cm）、傾角北（埋深2.2m），二層網(wǎng)絡(luò)支點(diǎn)為傾角南（埋深2.2m）、傾角中（埋深2.2m）、管頂溫（埋深2.2m）、管底溫（埋深2.2m）、中繼1（埋深1.8m）、中繼2（埋深1.4m）、土溫2（埋深90cm），其中中繼2、傾角南和管頂溫通過中繼3將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)，中繼1、傾角中、溫度2、管底溫通過傾角北將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)。傾角北為一層支點(diǎn)中埋深最大支點(diǎn)，埋深達(dá)到2.2m，網(wǎng)關(guān)與傾角北水平距離約25m，網(wǎng)關(guān)距離地面垂直高度3.5m，由于其在空間位置上更加靠近網(wǎng)關(guān)，因此作為一層支點(diǎn)自組網(wǎng)。

圖16 無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.16 Topology diagram of PWSN

4 結(jié)論

從城市供水管網(wǎng)運(yùn)行安全角度出發(fā)，提出了感知監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，研發(fā)了適用于埋地供水管網(wǎng)的無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。主要結(jié)論如下：

（1）城市供水管道結(jié)構(gòu)安全是管網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，在供水管網(wǎng)水質(zhì)、壓力、流量等功能性監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，應(yīng)開展供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、管道結(jié)構(gòu)和管網(wǎng)環(huán)境的全空間多參量指標(biāo)感知。

（2）管網(wǎng)交叉路口、交疊管線和交變荷載的“三交區(qū)域”是供水管網(wǎng)發(fā)生管損高發(fā)區(qū)域，尤其針對(duì)嚴(yán)重爆管，占比可達(dá)90%以上?！叭粎^(qū)域”是供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警的重點(diǎn)位置，并應(yīng)針對(duì)不同場(chǎng)景需求開展保護(hù)性監(jiān)測(cè)和預(yù)防性監(jiān)測(cè)。

（3）供水管網(wǎng)的無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)技術(shù)是解決埋地管網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)感知與傳輸?shù)挠行侄?。試?yàn)表明，體積含水率是影響無(wú)線信號(hào)路徑損耗的主要因素，在高含水量下，黏性土較砂性土信號(hào)路徑損耗更大。多跳自組網(wǎng)可有效提升網(wǎng)絡(luò)整體的穿透能力，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)信息傳輸。

（4）通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取了管道結(jié)構(gòu)變形與溫度數(shù)據(jù)。表明管道下方的回填土密實(shí)度對(duì)管道后期沉降影響大，應(yīng)確保回填質(zhì)量，減少不均勻沉降導(dǎo)致的管道接口變形，避免產(chǎn)生滲漏甚至結(jié)構(gòu)破損。同時(shí)，大口徑管道的年度溫差近30℃，管頂管底溫差可達(dá)5℃以上，溫差作用不可忽視，淺埋大口徑管道更應(yīng)重視溫差作用。

作者貢獻(xiàn)聲明：

王 飛：供水管網(wǎng)全空間多參量感知指標(biāo)體系和無(wú)線透?jìng)鞲兄W(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用開展。

胡智翔：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部署與數(shù)據(jù)分析。

胡群芳：城市地下管網(wǎng)“三交區(qū)域”監(jiān)測(cè)理論及供水管網(wǎng)全空間多參量感知指標(biāo)體系研究。

海 倩：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

車德路：供水管網(wǎng)運(yùn)行安全影響因素研究。

施靜康：無(wú)線信號(hào)在地層中的損耗試驗(yàn)研究。

吳 儼：直埋無(wú)線傳感器以及無(wú)線網(wǎng)關(guān)等設(shè)備研發(fā)。