某市污水管网流量监测方法选择和项目实施

摘要：智慧水务作为智慧城市建设的重要组成部分，是体现城市管理智能化水平的重要标志之一，关系到城市运行优化资源配置、政府职能提升、公共服务完善等各项任务能否顺利完成。而可靠的流量测量数据，是地下管网诊断、厂站网河一体化项目和智慧水务项目规划、建设和高效运营的起点和前提。为提高运行效力，降低运行成本，实现一体化运维，某市开始着手建立城市污水管网流量监测系统。

1 布点原则

为了统筹规划城市污水整体管理的布局，将某市本级污水体系涉及的运行监控全部纳入到系统平台中，包括污水厂、泵站、管网、积水点、河道、雨量监测点等，全面掌握各污水设施的运行数据，通过和水利局、供水部门等单位数据集成，了解某市二环范围内水量平衡情况，从而分析污水管网偷排漏排、入流入渗及管网破损情况，有针对性的提前进行防范。

2 测量要求与设备选型

2.1 监测系统的需求分析

某市污水管网监测系统通过在各汇水分区设置液位计、流量计、水质仪等传感器，利用实时监测获取的数据，可实现对整个管网系统的入流和污水的精确调度，确保实现感知管网运行、预警污水冒溢、定位淤积管段、分析雨污混接、辅助泵站调度等功能。其中流量与液位的精确实时测量则是实现上述功能的基础与前提。

综合上述需求分析，某市污水管网系统的流量与液位测量有如下特点：

1）流速相对较低，需要满足低至0.1m/s以下的低流速运行状态与超过1m/s的中等流速运行状态的测量；

2）满管运行，污水管中垃圾多、污染大，对传感器的抗腐蚀与抗干扰提出更高的要求；

3）现场无供电条件，仪表需自带可充电电池，单次供电可达半年以上；

4）设备均置于井下放置，防爆、耐腐蚀，防护等级达到IP68，尽可能免维护；

5）流量测量精度在±5%以内。

2.2 不同种流量计的分析和比较

随着地下污水管网精细化管理的要求不断提升，流量测量不仅要有瞬时流速、瞬时流量、液位、水温和累计流量，还对测量精度和周期提出更高的要求。流量计的种类繁多，而用于地下管网流量测量的流量计主要是超声波流量计、电磁流量计和雷达流量计等。超声波流量计又分为超声波多普勒流量计、超声波时差法流量计和超声波互相关流量计。各类流量计优缺点及适用条件如下所示。

考虑到某市污水管网系统的污水环境、多点分布、低流速高精度测量等要求，电磁流量计、雷达流量计和超声波时差法均不适合。剩下的超声波多普勒流量计和超声波互相关流量计，都属于速度-面积法测量。速度-面积法测量流量时，需要测量两个因素：平均流速和过流面积，流量为平均流速与过流面积的乘积。

因此，测量流体流速需要精确测量平均流速和过流面积，其中过流面积可通过测量液位而获得。

1）液位的精确测量

通过连续测量包含渠道、管道或箱涵的充满度来确认过流的横截面。液位变化会导致过流横截面积的变化，因此精确的流量测量需要在所有水力条件下进行精确可靠的液位测量。初雨中含有较多的杂质，需要考虑多重冗余的液位测量解决方案，确保在非满管等复杂情况下液位的精确测量，提供更多的数据判断可能存在的问题。

2）流速的精确测量

过流断面平均流速的精确测量，是速度-面积法测量的核心技术。为解决上面的问题，选择多普勒流量计和互相关流量计进行分析，以便选择合适的流速测量方法。

2.2.1多普勒流量计测量原理

多普勒流量计基于多普勒效应进行流量测量，测量的先决条件是介质中包含有微小颗粒（矿物质或气泡），特别适用于生活污水、工业废水等介质的流体测量。城市地下管网雨污水中都含有一定数量的杂质微小颗粒或气泡，它们以与水体相同的速度移动。多普勒流量计向水中发射连续超声波，超声波遇到水中颗粒后反射，多普勒流量计接收到的反射波的频率将发生变化，多普勒流量计将记录这个频率的变化值，并根据多普勒效应计算出颗粒的运动速度。多普勒流量计具有易于安装等特点，但基于某市污水管网测量场景，多普勒流量计具有如下的缺点：

1）测量精度受颗粒浓度影响；

2）测量得到的流速实际为点流速，而非断面流速，对于管道糙率较大的管段，其靠近管壁部分的流速与平均流速之间有较大差距，对于实际产生冲淤效果的流速判断不准；

3）流速由统计确定最终结果，而非实际测量结果；

4）需要稳定的流场条件；

5）需要定期校正，通过比较测量进行校准。

2.2.2互相关流量计测量原理

互相关流量计的测量流速的方法是基于超声波互相关原理。工作时，流量计传感器发射固定角度的超声波脉冲，扫描雨污水中的反射物（微小颗粒，矿物或气泡），将得到的回波保存为图像或回波模式。间隔几毫秒后，接着进行第二次扫描，产生的回波图像或模式也被保存。由于反射物随雨污水介质在同步移动，通过比较前后两个相似图像或模式之间的相互关系可以识别反射物的位置来检测和计算流速。考虑到超声波的光束角度和脉冲重复率，通过空间分配最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：当流速＜1m/s时，测量不准确性为测量值的±0.5%+5mm/s；当流速＞1m/s时，测量不准确性为测量值的±1%。这也是互相关流量计的测量精度优于多普勒流量计的关键之处。

互相关流量计基于最新的水力模型，系统计算了一个密集的测量网络，从单个测量点位出发覆盖了整个流体横截面，相比多普勒技术具有如下特点：

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）靠近壁面和水平速度分布的流速计算；

3）速度积分覆盖这个断面，最多测量16层流速；

4）水力扰动下渠道平均流速的理想研究方法；

5）具有最高的测量精度和稳定的读数。

6）无需校准；

通过如上比较，互相关流量计能够基于流体数学模型，建立覆盖整个断面的计算网格，从而得到整个断面的流速分布情况，能够为某市污水管网系统的在线监测提供更为可靠的监测数据，对市内各汇水分区的综合管控提供新的方法手段。

最终，某市选择互相关流量计，作为其污水管网智慧项目的底层物联网传感器。

3 实施前的准备工作

3.1 设备安装固定方式

由于超声波互相关原理是一种接触式的测量方式，因此超声波互相关流量计的安装方式通常有如下几种：

1）涨圈法安装：适用于DN150至DN2000的管道内安装；

2）L杆安装：无管径限制要求，安装无需下井，但较容易挂垃圾；

3）浮板、浮船安装：安装方便，适用于非满管的明渠或箱涵安装；

4）渠道侧壁安装：可适用于各种渠道尺寸，但安装施工较为繁琐；

5）插入式安装：对于满管、非满管均可适用，但需进行管壁打孔，并需要一定的操作空间。

由于某市污水管网系统均为满管运行，管径大部分在DN300-DN1200之间，考虑到经济、时间成本以及施工安全问题，故采取涨圈法与L杆法这两种固定方式：

对于混凝土管、铸铁管、铜管等内壁摩擦系数较大的管道，推荐采用涨圈法安装；

对于PE管、双壁波纹管这类内壁较为光滑的管道，推荐采用L杆法安装；

3.2 设备安装位置及要求

污水管网断面流速分布，受雷诺数、管壁粗糙度、流速、液位和前后平直段长度的影响：

从不同长度平直段对流场断面的测量影响来看，当上游平直段达到至少10×DN时流场才趋于稳定，并且当下游有转角、跌水等易形成回水的区域时也需要确保后方平直段至少有5×DN，这就是流量监测选点时常说的“前10后5”的由来。

需要注意的是，这种水流的扰动，受流速、水中悬浮物等影响，扰动的情况会变化。通常整个流速发生扰动了，容易扰动点的波动会更大些。

4 实施方案

4.1涨圈安装方案：

①人员及工具：施工队（3-4人，包括具有井下工作资质的下井人员及安全监督人员），开井盖相关工具（撬棒等），下井相关工具（安全绳、气体检测仪、呼吸器等），封堵工具（气囊、发电机、水泵等），不锈钢涨圈。

②主要步骤：降水位（数个小时）→上游堵气囊（半小时）→拼接涨圈（10分钟）→下井固定（20分钟）→调试设备（半小时）

③具体操作步骤：

a、清理井下漂浮垃圾。在低水位的时段（如夜间或清晨）之前，下游泵站提前抽水，尽可能降低井内水位，使得安装时水位尽可能低，否则会极大增加下井施工人员安装难度，一直抽到封堵气囊时为止；

b、在安装点位的上游，在施工队车辆方便施工的井下封堵气囊，确保施工人员下井安装时安全，流速尽可能低；

c、视管底污泥高度确定传感器安装位置，如将传感器安装在距中心垂线45°贴壁位置（即4：30或7：30方向），根据管径大小在路面拼接好涨圈（如DN1000的管径，拼成周长略小于3.14米的涨圈）；

d、待水位降至传感器安装角度以下时，施工人员下井将涨圈固定在沉井内上游方向的管口内一臂距离，手工即可固定，无需额外工具；

e、完成设备调试，将变送器用专用固定装置固定在井盖下方防坠网上即可。

④注意事项：a、DN1000对应的不锈钢涨圈较重，需要水位尽可能低，否则施工人员很难拿着这么大的涨圈在水中作业；b、如果管壁为PE管或者双壁波纹管这类粗糙系数较小的材质，则不建议使用涨圈安装，否则涨圈容易被水流冲出；c、如果水位无法降至至少露出管口，则不建议使用涨圈安装，因为需要确定传感器的安装角度，如在水下操作误差会很大。

4.2 L杆安装方案

①人员及工具：施工队（3-4人，包括具有井下工作资质的下井人员及安全监督人员），开井盖相关工具（撬棒等），下井相关工具（安全绳、气体检测仪、呼吸器等），封堵工具（气囊、发电机、水泵等），墙体膨胀螺丝打孔相关工具（电锤等），定制L杆②主要步骤：降水位（数个小时）→上游堵气囊（半小时）→下井固定（1个小时）→调试设备（半小时）③具体操作步骤：a、清理井下漂浮垃圾。在低水位的时段（如夜间或清晨）之前，下游泵站提前抽水，尽可能降低沉井内水位，至少露出管口位置；b、在安装点位的上游，在施工队车辆方便施工的井下封堵气囊，确保施工人员下井安装时安全，流速尽可能低；c、虽然某市区地下污水管网始终为满管状态，理论上可以将传感器固定在管顶，但考虑到井下漂浮垃圾多，固定在管顶的传感器易受表面气泡与漂浮垃圾的影响，因此理想的安装角度是管道的侧壁。待水位露出管口时，施工人员下井将L杆用膨胀螺丝固定在管道口上方的井壁上，使得传感器贴着管壁被固定在管道侧壁；

d、完成设备调试，将变送器用专用固定装置固定在井盖下方防坠网上即可。

④注意事项：

a、使用L杆安装时要求管口与井壁平齐，如管口凸出井壁则无法使用常规方式固定，需要订做U型L杆；

b、固定L使用的膨胀螺丝的孔径以及钻头等需提前确定，在定制L杆时就预留好相应固定位置；

c、L杆的纵杆部分需要避开管口安装，以免挡住管道口而大量悬挂垃圾，若由于实际情况需要调整L杆的安装角度，则根据需要安装的角度在定制L杆时调整好横杆的角度。

5 实施结果

迄今为止，某市污水管网智能感知系统已在污水管网的不同节点安装了十余套互相关流量计。这些数据，为某市污水管网智能感知系统的稳定运行提供数据支撑。

以下为部分点位的现场实拍、设置界面、实测流量分布、16层流速情况：

一段时间内的实测数据，见下图。

6 结论

选择合适的流量测量技术，以此提供可靠的流量测量数据，是地下管网诊断、厂站网河一体化项目和智慧水务项目规划、建设和高效运营的起点和前提。

经过比选，本项目已安装十余套互相关流量计；结合某市污水管网的特点，选择合适的安装方式，发挥此流量计的优势，为某市建成“长三角领先、国内一流”的污水管网智慧平台提供稳定可靠的流量测量数据。