深层隧道排水区域液位在线监测系统的设计与构建-北极星水处理网

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导读：广州市东濠涌流域排水系统由浅层排水系统与深层隧道排水系统组合而成，系统构成复杂，且在国内无可参考的调度运行经验，管理难度较大。基于广州深层隧道排水系统东濠涌试验段工程的建设，结合给水排水、物联网和自动化控制等专业技术，设计构建了一套排水管网液位在线监测系统，使得调度人员能够远程掌握排水管网的实时液位情况，及时作出调度决策。经测试运行，该系统能有效实现内涝点液位、设备工况等数据信息的实时采集与无线远程传输，液位信息在线查询以及历史数据调用，实现对东濠涌深隧排水系统内涝监测优化，并为深隧排水系统优化调度研究提供实时、准确的基础数据，有利于最大化发挥深隧排水系统减少内涝和溢流污染的作用，同时以优先利用浅层排水系统为原则，降低深层隧道的使用频率，降低运行成本。

近些年来，我国诸多城市在雨季发生了危害市民人身和财产安全的内涝事件，所引发的城市内涝和溢流污染问题备受关注。城市内涝的成因较综合，既有城市下垫面硬化造成的洪峰提前和汇流量急剧增加，也有城市热岛效应造成的暴雨频率增加;既有城市排水管网设计重现期偏小，也有管道建成后运营管理手段薄弱等不足。对于城市建成区，城市下垫面和气候条件等客观因素无法改变，而且城市老城区建筑密集，加上地铁和综合体开发，浅层地下空间利用难度和成本都越来越大。为此，需寻找新的思路解决中、大型城市老城区的城市内涝问题，深隧排水系统(简称深隧)建设在地面以下40m左右的深层地下空间，可避免大量征地和拆迁，在国外已得到诸多工程应用，为改善城市排水能力的重要手段之一。但深隧因深埋于地下，并且需做好与浅层排水管网的配合使用，管理难度大，传统的排水管网管理手段已不能满足此类复杂排水系统的现代化管理需求。因此，提出通过建设现代化的排水管网液位在线监测系统，优化排水管网的运行调度方式。

1 液位在线监测系统建设需求

1.1

深隧排水系统调度运行需求据广州市水务相关部门统计，自2010年至2014年，广州东濠涌流域发生过内涝的地点约30处，重现期处于0.5~5年之间不等，为提高深隧排水系统对内涝的调控能力，需对深隧排水系统上游的浅层管网内涝点进行实时监测，采集更广泛的数据作为调度控制依据。因此，如何获取精确、实时的监测数据是实现深隧排水系统精确调度运行的重要问题。液位在线监测系统通过不断采集大量的内涝点液位数据，建立庞大的数据库，可开发出基于实测内涝点液位数据的深隧排水系统调度运行方案，指导相关闸、泵的开或关，可使深隧排水系统的调度控制方案更加科学、精确，实现对城市内涝的精确控制。

1.2

排水管网运行管理和优化需求现阶段，我国大部分城市判断排水管网状况时，多采用经验判断而非科学有效的技术手段。经调研，东濠涌流域内的排水泵站和闸站等排水设施的运行，通常是根据经验水位进行泵、闸的开启和关闭，存在调度时间滞后、准确性不高等缺陷。

通过内涝水位监测系统，实现对排水管网液位实时、动态的监测，不仅是深隧排水系统精确调度运行的重要手段，同时也为其他类型排水系统的运行管理提供了科学、信息化的手段。基于实测的液位数据，可对排水泵站的水泵组合进行优化，不仅可以减少能耗，而且能提高闸、泵站对城市内涝的调控能力。监测数据还可供防汛、运行管理、养护等相关部门使用, 为实现排水管网科学管理和管网改造提供依据。

1.3

内涝预警需求我国部分城市正在开展路面积水在线监测和预警,通过实时监测掌握道路积水情况。然而，仅监测路面积水情况，无法在内涝发生前采取控制措施，常处于事后处理的局面。而排水管网水位监测系统的液位监测设备可安装在窨井内，当内涝点井内水位达到警戒值时，防汛部门可提前根据实时数据作出应急措施，如启用深隧排水系统或进行浅层排水泵站、闸站的调度，防止内涝发生。当路面淹水发生内涝时，本系统的液位监测设备亦可监测到路面积水情况，便于防汛部门及时采取相关措施及时提醒人民群众出行注意安全。

2 液位在线监测系统结构

液位在线监测系统由数据采集层、网络传输层、应用管理层和信息发布层四部分组成。液位在线监测系统的基本架构如图1所示，其中液位计传感器安装于内涝点处的排水管网检查井中以及闸前、泵站集水池处，用于测量内涝点处管网水位和闸门、泵站液位。东濠涌流域设有20余个内涝液位监测点和雨量监测点，数据传输单元(DTU)通过GPRS无线网络，将传感器测量得到的液位数据传输到服务器后台。服务器后台则存储和处理各个内涝点的实时液位数据，作为深隧调度运行和排水管网养护管理的依据。

图1 液位在线监测系统架构示意

2.1

数据采集层数据采集层主要由液位计传感器、数据传输单元(DTU)和电源组成。

(1)液位计传感器

液位计传感器是内涝监控点液位监测系统的重要组成，其监测数据直接影响到排水管网的调度管理决策及深隧排水系统的调度优化研究结果。液位计传感器需要选择精度高、量程合适、稳定性好的类型。此外，由于内涝点通常位于城市的马路上或人行道上，并且分布较为分散，电力和通讯设备难以匹配到位，应选取低能耗的类型;且排水管网的污水环境较为恶劣，需选用防水等级IP68、材质耐腐蚀的设备。针对本系统所选用的压阻式液位传感器，在实验室模拟排水管道窨井，放入液位计并改变窨井中液位，进行实际测量液位与设定液位的线性回归分析，测量液位值呈现的线性度良好，测量值与设定值线性相关系数为0.9975，误差较小，精度符合要求(见图2)。此外，在测试过程中，同一液位情况下，多次进行测量，测量液位变化不大，稳定性良好。

图2 液位计实验室测试结果线性回归分析

(2)数据传输单元

数据传输单元(DTU)是专门用于将串口数据转换为IP数据，通过无线通信网络把数据传输到后台服务器的无线终端设备，实现实时监测数据的传输。DTU安装于内涝点现场，通过模拟量通道或通过Modbus总线技术读取液位计实时液位数据，根据预先设定的时间间隔接收从液位计传感器传来的液位数据，再通过GPRS将数据传输到移动公司数据中心，再传输到通讯服务器供控制台、WEB服务器和数据服务器等使用。

通常情况下DTU处于一直在线的状态，随时保持数据传输通道的畅通，从而及时传输应用数据。但受内涝点环境的限制，本系统采用锂电池供电，为降低设备能耗，旱天时可让DTU处于待机休眠状态，减少设备运行时间，延长数据采样周期。当发生降雨时，再通过DTU内部的激活方式，如通过电话呼叫DTU或给DTU发送特定短信，使其上线，建立数据传输通道。DTU每隔一段时间向服务器后台发送一个心跳包，检测传输设备的在线状态，发生掉线情况将会自动重连。

原标题：深层隧道排水区域液位在线监测系统的设计与构建

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