基于光纖傳感技術的供水管網漏損實時監測

謝豐權，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.上海市城市建設設計研究總院<集團>有限公司，上海 201210)

我國是一個水資源緊缺的國家，全國有近1/5的城市嚴重缺水，然而水資源的流失也十分突出，城鎮供水管網系統中的漏損率普遍在15%以上[1]。在一個水資源有限的世界里，氣候變化和快速城市化導致水資源逐步短缺以及用水需求不斷增加，因此，水務部門應在實現智慧城市方面發揮更重要的作用。目前，由于缺乏供水管網的不間斷漏點診斷技術，水務集成信息大數據平臺缺乏精確可靠的泄漏信息，造成資源浪費、水體污染，甚至爆管、地面塌陷和人員傷亡等惡性事故[2]，不僅影響供水企業的經濟效益，還可能威脅社會的穩定和經濟發展。

管網漏損一般源于管材和施工的質量缺陷，如老舊管網超負荷高壓運行、環境溫度變化，以及不均勻沉降等復雜因素，因此，漏損量動態變化實屬正常。及時掌握全區域漏點的分布狀態和發展演變趨勢是水行業關注的熱點問題之一，國際水協(IWA)每屆的水大會都將漏損控制列為重要部分，但國內檢漏仍以聽音探漏為主[3]。使用儀器探漏可在一定程度上避免人工聽音常見的結果不確定性，但仍受到各種環境因素的干擾，對深埋和持續強噪聲環境管道上早期微小泄漏的探測更是如此。分區計量技術(DAM)可以判斷存在漏損的區域，但不能精確指出泄漏點的具體位置[4]。除此之外，各種新型的管道測漏方法也不斷涌現，如磁通檢測法、應力波法、渦流檢測器法、管道內窺法、探地雷達法、氣體示蹤法等[5-7]，大大豐富了檢測技術手段，其經濟合理性以及實時性仍有待驗證。

光纖傳感是近年來發展起來的監測手段，具有體積小、彎曲靈活、質量輕、本征抗電磁干擾等優點，適合城市大型基礎設施的安全監測[8]。已有研究者運用拉曼散射光纖溫度傳感技術[9]和光纖光柵溫度傳感技術[10]監測油氣管道周邊溫度，并通過溫度的變化來判斷泄漏。本文將基于光纖聲傳感器(DAS)實現對供水管道的全天候實時監測，力爭能早期發現管道的漏點，尤其是長輸主干管道的漏點，跟蹤泄漏的發展演變，以期在量化評估的基礎上有序地開展養護作業，變現有的被動應急搶修模式為主動智慧管網維護模式，為持續降低漏損率、減少重大災害提供新的技術選擇。

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原理。當外界振動作用于傳感光纖時，光纖內硅酸鹽材料的光學特性會產生局部的變化，從而導致傳輸中的光信號產生相移[11]。根據光纖內背向光散射的一維脈沖響應模型[12]，如果激光脈沖在t=0時注入光纖，即可在t=ti時刻接收到背向散射波。測量ti可得到li，即發生振動的光纖位置，這種定位方法通常被稱為OTDR 技術，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光纖的振動。

(1)

其中：c——真空中的光速，m/s；

n——光纖折射率；

li——第i個散射中心到光脈沖輸入端的光纖長度,m。

φij=4πv(n+Δn)(li-lj)

(2)

其中：v——波數，即波長λ的倒數，m-1；

Δn——光纖折射率的變化量；

lj——第j個散射中心到光脈沖輸入端的光纖長度，m。

系統硬件由傳感器和信號分析儀2部分組成。光纖既是傳感器又是信號傳輸介質，大大簡化了監測現場傳感器布設安裝工程，僅布設1根光纖即可探測沿光纖各點的機械振動。根據客戶的需求，一路光纖傳感器可覆蓋幾十km管道。信號分析儀通常置于控制室內，接收并解析光纖振動所導致的DAS信號變化。光纖傳感器適應潮濕、腐蝕、高溫、高壓等苛刻的工程環境，本征抗電磁干擾。

2 試驗設計

為了驗證光纖傳感系統對供水管道泄漏的響應，取一段DN300管道，預加工泄漏圓孔，孔徑分別為1、 3、5 mm。管道接入供水網，水壓力約0.3 MPa。傳感光纖平行于管道布設(圖1)，總長約5 km。一端自由，另一端接入信號分析主機(DAS)。試驗依次開啟泄漏孔，從流量計讀取泄漏流量，自動采集光信號，同時判斷泄漏，定位泄漏孔位置。泄漏監測的結果顯示于系統平臺的管網GIS地圖界面。平臺具有數據記錄、回放、本地聲光報警和遠傳報警功能。

圖1 供水管道泄漏自動監測試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Automatic Leakage Monitoring System for Water Supply Pipelines

3 結果與討論

管道泄漏是管道內的流體由于某種原因溢出的事件。供水管漏水探測通常采用間接確定漏水點的方法，多為物理探測，即檢測泄漏所導致的相關物理化學參數變化，如漏水聲波特性、管道供水壓力或流量變化、周邊介質物性突變等。泄漏監測的參數至少應滿足如下原則。

(1)該物理量應是泄漏的直接產物，與泄漏本身有著穩定明確的相關性。

(2)已有商品化的實用技術可實時定量地探測該物理量的變化。

當高壓水流沖出管道上的小孔時，無疑會產生聲波等環境擾動，因而激勵預埋在管道附近的光纖，使其產生機械振動。解析散射光信號可以得到與激振相關的物理參量：振幅、頻率、時間和振動發生的位置。上述DAS信號強度被表達為彩色瀑布圖，如圖2所示。圖2給出了試驗管道上1、3 mm 和5 mm直徑小孔泄漏時的監測結果。其中，橫坐標為光纖的位置，顯示40 m區間，610～650 m；縱坐標為時間，顯示的典型時長為30 s。圖中的顏色表征對應位置和時間處的實時DAS信號強度，由瀑布圖可直觀判斷泄漏發生和漏點位置。離開泄漏點較遠處的光纖受泄漏振動的影響較小，振幅接近于零，故瀑布圖呈深藍色(色譜下方)。而深紅色(色譜上方)表示光纖受到較為強烈的激振。圖2右側的色譜為無量綱信號強度與顏色的對應關系，橫坐標則可直接讀出泄漏點位置。其中，圖2(a)為同一段光纖在自然環境無泄漏條件下的DAS低噪聲背景瀑布圖。

注：瀑布圖(a)為自然環境無泄漏時記錄的DAS信號，在此表征儀器背景噪聲的對比強度圖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)

對所采集的DAS信號強度進行統計分析：平均信號強度的對數與泄漏孔徑線性相關，相關系數大于0.9。圖3的關系曲線顯示，DAS信號強度可以半定量地表達管道上既有泄漏孔的擴展演化趨勢。

注：0 mm孔徑對應的信號強度為無泄漏時的儀器噪聲和環境本底噪聲圖3 實測DAS泄漏探測信號平均強度的對數與泄漏孔徑的關系Fig.3 Relationship between Logarithm of Average Intensity of Measured DAS Signal and Leakage Aperture

從工程角度出發，精確判定漏點位置至關重要?；贠TDR原理，已知光纖光速，可以通過采集的ti直接計算信號對應點到光纖端點的距離，以確定振動發生的位置。但實際工程中常常要求光纖在安裝時留有一定的工程冗余，因此，上述光纖距離不可能與實際管道位置一一對應，必須對光纖長度和管道里程做出現場標定。實測泄漏點位置的準確性首先取決于現場光纖位置標定的精度。分析主機對同一泄漏點進行多次測量結果的均方差可表征儀器自身的定位誤差。圖4為多次測量3 mm孔徑泄漏點的定位結果，其統計均方差為1.23 m。在實際管道探漏和維修工程中，這一誤差應在允許的范圍內。

注：實測值的統計均方差為1.23 m，其表征儀器的泄漏點定位判斷誤差圖4 500次測量3 mm孔徑泄漏點的定位結果分布曲線Fig.4 Distribution Results of Leakage Holes with the Diameter of 3 mm by 500 Times

管網的漏損管理通常表現為“探漏-修復-探漏”的往復循環過程，最終達到供水管網期望的漏損指標和目標產銷差。光纖傳感系統能夠長期可靠地對給定區域管網開展漏損監測，是實現上述目標較理想的技術手段。

4 結論

供水管道泄漏監測試驗驗證了DAS系統對管道漏水的響應。試驗發現，DAS信號強度的對數值與泄漏孔直徑呈線性相關，證明了該技術用于長距離供水管道泄漏在線監測的可行性。毫米量級的水泄漏(壓力約0.3 MPa)所激發的DAS信號強度比儀器本底及環境噪聲強度高約1個數量級，故泄漏可經由軟件識別。該系統在探測泄漏的同時即可定位漏點，位置判斷誤差在±1.5 m之內。與現有的探漏技術相比，光纖漏損監測技術適應各種不同管材管徑、不同管道埋深和長度(<20 km/系統)，允許惡劣的工作環境(腐蝕、電磁場、高溫、高壓等)，且具有使用壽命長、終身免維護等特點，數字化監測結果可嵌入水網管理平臺，實現不間斷的災害預警和漏損管理，具有廣泛的應用前景。

未來將進一步研究開發多因子水泄漏模式識別方法，以提高系統的可靠性。