武汉大东湖污水深隧系统流量监测方法

摘要：国内外都有深隧道系统，用于缓解城市内涝和溢流污染。深隧道系统成功运行的关键技术在于深隧道的流量监测需要根据深隧道系统的特点选择合适的流量监测方法。基于技术比较，武汉大东湖污水深隧道系统选择超声波流量计作为深隧道流量监测设备，可实现可视化实时流量监测，达到管道截面扫描效果，深隧道400kPa水压和极端条件下稳定长期工作。深隧段采用相关超声波流量计测量16层流量。结果表明，靠近管壁的流量远低于平均流量，以平均流量作为深隧不淤流量的判断标准，将给深隧运行带来淤积风险。

武汉位于长江中下游平原。梅雨季节降水充足，地下水位高，长期面临汛期合流污水溢流和涝问题。为缓解水环境，武汉于2020年建成大东湖污水深隧道传输系统，实现通水集中输送，有效处理污水，大大减少初雨溢流污染。

在深隧道的设计和运行过程中，操作人员的核心控制指标是深隧道内的流量和可能的淤积状态，因此需要实时测量流量、流量和淤泥厚度，以评估运行中的风险，调整运行策略。深隧流速是深隧运行中的关键评价指标，如果流速低于0.65m/s，此外，深隧的流速也是水力模型的校准条件之一。因此，准确的流量监测对深隧系统的可持续性和长期可靠运行至关重要，也是运行过程中项目风险控制的关键评价指标。

01 大东湖污水深隧流量监测需求分析

近年来，深隧系统已成功应用于国内外城市，有效提高了城市排水能力，改善了水环境。深隧主要分为蓄雨深隧、传输污水深隧和复合多功能深隧。蓄雨深隧以芝加哥深隧为代表，传输污水深隧以新加坡深隧为代表，复合深隧以吉隆坡深隧为代表。其中，新加坡深隧类似于大东湖深隧，作为污水深隧，实现了区域污水的全集中处理，20世纪90年代300年代市政污水用地hm2缩减至190hm2.污水厂数量从6个减少到3个，水循环利用率从30%提高到55%，对缓解新加坡市政用地短缺和缺水起到了重要作用。但从深隧运行的角度来看，早期国外深隧建设缺乏相应的在线监测技术和实时调度平台，国内深隧建设处于起步阶段，规划设计、风险示范等阶段相对仓促，实际运行中隐患较多。

5.m以上，全长17.6km，仅保留7个通风井，一旦水不能停止检查管道状态，深隧道污水水量、流量等关键技术点缺乏控制能力，给深隧道的运行和调度带来巨大风险。

在中国，深隧工程仅在广州、香港、北京、上海等一线城市初步应用，因此深隧的在线监测仍在探索中。通过在深隧关键节点设置一系列监测传感器，实时监测获得的数据可以全面控制和准确调度深隧的入口和排水。例如，芝加哥排水系统通过监测深隧道井的液位，结合降雨监测数据决定闸门的开启和关闭；类似地，广州排水深隧道东浩涌段配备了在线液位监测传感器，根据液位阈值报警整个深隧道的运行状态。然而，基于竖井液位监测可以初步判断深隧的运行状态，但仅通过液位很难反映深隧运行的流速和淤积状态。在深隧道流量监测方面，美国密尔沃基深隧道存储系统建立了300多个实时监测流量设备，确保深隧道在运行过程中不堵塞，避免人工井维护和设备疏浚。

根据国际深隧道运行的成功经验，可以认为流量是深隧道输水直观、有效的指标，一旦流量低于设计流量，深隧道控制平台应及时发出报警信息，提醒操作人员注意可能的淤积。通过在深隧道直管段设置流量计传感器，通过实时监测获取流量、流量、液位、沉积厚度等数据，实现对大东湖深隧道运行状态的实时控制。

大东湖深隧流量监测基于上述需求和大东湖深隧自身条件，面临以下问题：

① 流速高动态变化，对传感器监测的稳定性有较高要求；

② 满管运行，液位达到深隧管底30以上m，对传感器的耐压要求较高；

③ 在流速低于0.65m/s对于传感器的安装方法和安装位置，可能会产生淤泥；

④ 受深隧道结构的限制，传感器必须安装在竖井附近的直管段，数据必须通过电缆传输到地面。因此，传感器和变送器之间的电缆必须长达100m以上，电缆屏蔽效果好。

02 选择在线流量监测方法

随着地下排水管网精细化管理的要求，流量测量不仅要有瞬时流量、瞬时流量、液位、水温和累积流量，还要对测量精度和周期提出更高的要求。地下管网流量测量流量计主要有超声波流量计、电磁流量计、雷达流量计等。超声波流量计分为超声波多普勒流量计、超声波时差流量计和超声波相关流量计。各流量计的优缺点及适用条件如表1所示。

考虑到大东湖深隧排水系统的埋深为地下50m压力流满管左右，压力达到400kPa以上流量监测对象为污水，在实际运行中有一定的可能性在满管和非满管之间切换。因此，电磁流量计、雷达流量计和超声波时差流量计不适合，只能采用超声波测量技术。其中，多普勒流量计向水中发射连续的超声波当超声波遇到水中颗粒时，多普勒流量计接收到的反射波的频率会发生变化。流量计将记录频率的变化值，并根据多普勒效应计算颗粒的运动速度。但基于深隧测量场景，多普勒流量计具有以下不适用性：①测量的流量实际上是点流量，而不是截面流量。对于管道粗糙度较大的管段，管壁附近的流量与平均流量之间存在较大差距，不准确判断冲淤效果的实际流量。

②深隧流量计的安装位置受电缆长度限制，常安装在竖井附近，流场条件较为复杂。

③需要定期校正，通过比较测量校准，深隧通水后难以定期校正。相关流量计测量流量的方法也基于超声反射原理，但其记录和比较值是颗粒的移动图像，而不是变化频率。在工作过程中，流量计传感器发射固定角度的超声脉冲，扫描污水中的反射（小颗粒、矿物或气泡），并将回波保存为图像或回波模式。间隔几毫秒后，进行第二次扫描，产生的回波图像或模式也被保存(见图1)。由于反射器与污水介质同步移动，反射器的位置可以通过比较前后两个相似图像或模式之间的相互关系来检测和计算流速。基于该测量原理，考虑到超声波的光束角度和脉冲重复率，通过空间分配多可以直接测量流体中的16层微小颗粒的速度，从而直接计算得到高精度的管道断面流速。

基于的水力模型，系统计算了一个密集的测量网络，从单个测量点覆盖了整个流体横截面。与多普勒技术相比，它具有以下特点：①具有经过科学流量测量的、渠道专用的实时流体数学模型；②流速计算接近壁和水平速度分布；③速度积分覆盖该截面，多测量16层流速；④无需校准。相关流量计可以基于流体数学模型建立覆盖整个截面的计算网格，获得整个截面的流量分布，为研究深隧道淤积与流量的关系提供新的方法和手段，其特点更适合深隧道等特殊场景。

03 流量监测方案

3.1 测量布局方案

考虑到深隧道完成后只保留7个竖井，流量计收集的数据需要通过有线传输到地面远程传输设备。此外，考虑到管径变化、安装条件和流量条件，终选择在4个关键竖井附近设置流量监测点（见图2）。每个监测截面安装3个传感器探头，具体安装方向、管径和安装角度见表2。

3.2 流量监测设备安装

在每个点安装一套流量计相关设备，包括一套流量计安装组件NF7-5M3E0A001变送器、2个CS2-V200KTE99K0相关流速传感器(30°与-30°）、1个CS2-V2H1KTE99K0相关流速传感器(180°）、300 m电缆、安装附件、一个电控柜等。每段安装3个相关流速传感器探头，测量剖面流速分布，其中安装180°探头可满足满管流量测量，用于流量和淤积界面测量；安装在30°与-30°探头可用于非满管条件下的流量测量，并与顶部探头形成监测网格，其16层流量测量网格如图3所示；变送器安装在地面电控柜内，可连接3个流速传感器。电缆材质为PPO PEEK，安装附件为不锈钢，耐污水腐蚀。

深隧设备安装难度大，安装方式长期稳定固定，安装后密封防水性高，管道损坏程度低，安装时间灵活，配合深隧本身的施工工艺。根据上述限制，深隧流量计采用化学螺栓固定安装，从竖井到内布线40 m确定传感器的位置。传感器沿管壁布置3个探头（见图4）。其中，传感器探头安装在顶部，超声波垂直向下发射。在满管的水力状态下，可同时用于监测流量和泥浆界面的位置；约30°传感器探头安装在角位，超声波垂直向上，用于流量监控；三个传感器探头监控的数据相互校准，大大提高了监控数据的准确性，避免了未来频繁的校准和维护问题。

在安装过程中，每个传感器探头确定的固定孔位分别打4个孔，并用化学螺栓固定安装附件，以确保探头和地面水平；三根信号电缆绑扎在深隧道管壁右侧45°位置，从深隧内沿延伸至井口；考虑到竖井处有湍流或汇水，对竖井的影响较大，所以从竖井处开始，三根传感器电缆由钢管保护，在竖井浇筑前穿过竖井壁，从外墙引入地面，限度地避免对井体结构的影响。深隧施工结束后，终传感器及其保护套将浇筑到竖井管壁混凝土中，以保证其稳定性，图5为流量计安装现场效果图。

04 深隧流量监测结果分析

深隧通水运行后，选择某一时刻下4个监测截面的监测网格数据进行分析。流量监测统计值如表3所示。液位结果显示，四个监测截面满管状态，符合深隧设计要求；全截面平均流量监测结果显示，四截面平均流量为0.693～0.750m/s从上游到下游的平均流到下游的平均流量为0.65m/s流速要求。然而，当每个断面的三个传感器分别计算平均流速时，-30°传感器位置的流速低于中心位置，其中4#井和7#井段的流速低于0.65 m/s流速要求。

基于监测的3×16点流量数据，构建截面流量矩阵数据，制作4个监测截面的深隧道管段流量分布图(见图6)。从图6中的流速分布可以看出，靠近管壁的流速低于0.65m/s该区域，即低于理论的无淤泥流量，使靠近管壁的悬浮物易于沉积，不易冲刷和再悬浮；此外，下游越近，低流量区域越大。下游深隧道的水力条件受终端排水泵站的影响，整体流量下降，淤积风险较高。从流量分布的角度来看，从4#井监测截面开始，深隧道管道的流量分布不再呈现对称的同心圆形态，而是开始出现右偏心形态。这是因为4#井是支隧的汇流井，对流量分布影响明显，延伸到深隧末端。

从上述结果可以判断，当平均流量满足设计条件时，管道内壁附近的流量大大低于设计流量，实际运行条件难以满足深隧道运行的设计要求，只测量单平均流量，不能反映深隧道等大管径管道的实际运行流量。因此，在深隧道淤积风险评估中，需要采用相关的流量监测技术来获得靠近管壁的实际流量，并根据实际流量进行风险评估，也需要以靠近管壁的流量为参考标准。

05 结论

大东湖污水深隧成功应用超声波相关流量监测技术，满足高防水、免维护设备安装要求，实现深隧管段3×在线监测测测量点的实际流速。通过监测获取深隧道流量和流量数据，可以实现对深隧道输水量的实时控制，为深隧道在线水力模型提供校准条件，作为深隧道淤积风险评估模型的输入参数，为大东湖深隧道运行状态的监测和运行维护提供可靠保障。监测结果表明，由于深隧管径大，平均流速不能反映深隧管壁的实际流速。在控制深隧淤积风险时，应充分考虑平均流速与管壁实际流速之间的差异。这是我国首次探索深隧流量监测，其成功的安装经验为其他深隧系统的水下流量监测提供了参考。

来源：中国给水排水

大家都在搜索的问题