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市政排水管网流量监测技术及其应用 刘韩超，杨家建，武云志，郑波，黄伟明 哈希水质分析仪器（上海）有限公司 北京代表处，北京100004 摘要：通过对市政排水管网的类型、特征进行总结分析，提出了对管网流量计的基本要求。根据具体要求，分析了现有的可用于管网流量监测的流量测定技术。对采用各种技术的流量设备的工作原理、特点、应用场合进行了对比分析，并且对现有的实际应用案例进行了汇总。 关键词：市政管网 流量计 面积流速法 应用 Flow Monitoring Technology and Application in Municipal Sewer System Liu Han-chao, Yang Jia-jian, Wu Yun-zhi, Zheng Bo, Huang Wei-ming (Beijing Representative Office, HACH Company, Beijing 10004, China) Abstract: summarized and analyzed the types and characteristics of municipal sewer system, then raised up the basic reqiurement of municipal sewer system flow meter. According to the specific requirement,  analyzed the technology which could use in municipal sewer system. Compared the work principle, characteristic and application situation of different kinds of flow meter. At last, summarized many successful application cases. Key words: municipal sewer system; flow meter; area-velocity methold; application 市政排水管网作为城市的地下生命线，不论在旱天输送污水还是雨天排涝，都起着举足轻重的作用。城市的排水设施运行状况将直接影响城市的形象。而市政排水管网流量监测系统的搭建，不仅可以直观及时的发现监测点上下游管线的过载溢流异常水 入渗淤积等问题，更可以通过数据统计、模型建立为排水管网整改、新建、调配提供参考和依据。然而，市政排水管网因其环境恶劣、输送介质复杂、以及市政排水管网本身的特性，使得其流量的监测相对困难。因此，选择适合的流量监测技术，在市政排水管网流量监测课题中十分重要。 1 市政排水管网的现状 1.1市政排水管网的类型 市政排水管网按照其作用，一般有雨水排水和污水排水管网。二者在实际运行时，有各自的特点。雨排管网内流量及介质变化较大，与降雨有直接关系。不降雨时，雨排管网内不单没有流量，甚至长期处于旱季的雨排管线内没有水。而当降雨发生初期，雨排管网内水中含有大量的悬浮物，雨水浑浊。当降雨连续发生一段时间，雨排管网内水量增大、液位升高，其排水也将变澄清。而污水排水管网情况更为复杂，其流量、液位及介质情况将受到人们生活习惯、单位企业工作生产情况以及降雨等因素影响，但总体来说不会出现完全断水的情况。 按照水路形态，污水输送管线一般有密闭管线和明渠管线两大类。对应市政排水管网，封闭管线或多或少的存在，多为泵站出口和污水处理厂进口。对于明渠，其特点是具有自由流动表面，从物理学角度是流体在无压力状态下流动。当明渠采用非露天方式，就成了暗渠。而作为此类管线的流量计安装位置，对于密闭管线，一般会选择工程建设完成前，即通水前安装。当管网内已经有介质流动且无法断流，那么选择明渠或者暗渠，安装管网流量计是较为方便的选择。然而，大多数情况下，管网流量计的安装均是在管网投用以后才进行，因此应用于非压力明渠（暗渠）的流量计更加适合市政管网的实际情况。 1.2市政排水管网的特点 市政排水管网的主要特点如下[1]： 排水管网管径较大，一般直径在1米以上，对于主管其直径可能达到6米。因此其一般情况下不可能设置断水阀，基于电磁原理的电磁流量计造价及安装都不经济，且如果有水流，无法提供断水的安装条件； 介质复杂，一般不但具有强腐蚀性且水质不稳定，其中还含大量漂浮物、大块漂浮垃圾等。悬浮物因水流流速降低而产生的沉积，以及大块漂浮物可能对流量探头的遮挡都决定了其应用环境的复杂性； 流量、液位变化极大，流量小时流量液位均有可能为0； 同一管线，可能在不同时间出现满管、非满管情况； 同一管线，可能出现水流方向改变的情况； 整个管网系统因处于地下，可能充斥沼气，为易发生爆炸区域。 2. 市政排水管网流量监测技术 2.1 市政排水管网流量监测设备的基本要求 针对市政排水管网的特征及其运行的特点，此应用环境的流量计需可以满足以下要求[2]： 可以适用于直径1-6米的大管径管线； 适应能力强，可以在复杂的介质和环境中使用，不易受到水质沉积物、悬浮物的影响； 可适应流量、液位迅速变化，具备较宽的量程； 可以应对满管和非满管的情况，准确获取流量； 具备一定的反向流测定能力； 安装简便，日常维护量小且维护简单。大部分安装环境为窨井内，供电、有线通讯等较难实现，因此设备需要自身电池供电且具备一定的续航能力以降低维护量。另外，设备需要具备无线通讯功能，或者可以通过与其他设备相连实现无线通讯功能； 因位于窨井内的流量设备在雨季时，很可能面临突发性完全被水淹没，所以设备需要较高的防水等级以防止因水淹而导致的设备损坏，防水等级一般高于IP67； 当按照环境确定经常性甲烷浓度接近爆炸极限，流量设备需考虑防爆。 2.2市政排水管网流量监测设备类型 2.2.1 常见的市政排水管网的流量测定方法 常见的市政排水管网流量测定方法有两种：液位-流量法和面积流速法。 液位-流量法测定流量是利用一定直管段的水流流过某设计尺寸的槽或者堰时，被测流流过量水槽（堰）形成一定的液位高度（壅水高度），在自由流状态体下，其流过水槽（堰）液体流量Q与水位H满足一定的关系（如图1所示）[3]。因此通常这种原理的流量测定设备仅需要设置液位探头，配合特定形状的槽或者堰即可获得流量。当然，流量与液位高度（壅水高度）之间的关系将因选择的槽或堰形状不同而有差异。 图1 流量与壅水高度的关系 Fig. 1 Relationship between flow and backwater height 相比较液位-流量法，面积流速法的适应性更强，更加灵活。面积流速法是根据原始流速、液位数据以数学模型计算出截面平均流速后乘以流体截面积而获得流量的流量检测技术（如图2，流量的基本公式：流量Q=平均流速V*截面面积A）。此类流量计的测流量过程可具体为：测定流速、平均流速计算、截面积计算、流量计算。其中后两项均是简单的几何/数学计算。使用该方法的流量计主要需要解决的问题即如何运用有限数量的流速探头获得有限的点流速数据后模拟出整个截面的截面平均流速。 图2 面积流速法的基本原理 Fig.2 Basic principle of aera-velocity method 2.2.2 基于液位的超声波明渠流量计 超声波明渠流量计检测器多采用脉冲超声波回波技术，通过测量明渠的液位高度，再经仪表内部的微处理器运算得到流量。由于是非接触测量，能在较恶劣的环境中应用。超声波传感器在微机控制下，发射和接收超声波，根据公式：h1=k1·C·(t1 + t2)/2计算出超声传感器距被测液面的距离h1，从而得到液位高度h2；再根据流量计算公式：Q=K·h2n即可得到液体流量（如图3所示）。 图3 超声波明渠流量计工作原理 Fig.3 Working principle of ultrasonic open channel flow meter 通过的槽或者是堰均需要按照规定具备某些标准尺寸，图4和图5分别为常见的一些堰体和槽。 矩形堰 梯形堰 图4 常见计量堰体 Fig.4 Common measurement weir 图5典型巴歇尔水槽 Fig.5 Typical baxeer Slot 当采用堰体作为计量堰时，由于堰体将挡住水内泥沙，堰前泥沙累积从而将导致堰体需要频繁定期维护。采用计量槽时，因其水路无物理遮挡物，因此可很大程度避免堰体的泥沙沉积问题。 另外，槽或者堰均为一定的构筑物，因此很难在管渠内有水时候进行施工建造这些构筑物。因此，虽然使用此类流量计的液位探测探头安装十分方便，但是由于构筑物施工工作量大，整体而言此类流量计安装略显复杂。总体来说，基于液位的明渠流量计具有以下特点： 探头安装简便，维护和拆卸均很简单； 探头不接触污水，维护量小，可适应恶劣环境； 流量数据由液位数据换算，数据准确性容易受槽体构建、水中杂质过多等因素影响； 只适用于非满管的明渠测量； 需要改造排水管渠为制定形状，安装施工量大； 一般需要现场供电。 2.2.3 基于多普勒原理的浸没式流量计 当波源与观察者之间有相对运动时，观察者所接收到的频率与波源的真实频率不同，接收到的信号的频率与声源频率之差，称为多普勒频移，它的大小由两者之间的相对速度决定，这种物理现象称为多普勒效应。测流速时，探头发射的波遇到介质中随波逐流的悬浮物、固体颗粒、汽泡，甚至非稳态的漩涡、扰乱等，均会产生偏离发射频率的反射波，产生多普勒频变，该效应与反射物的运动流速成正比。接收探头接收到各点的反射波，经过复杂的信号处理、动态频谱分析和精度计算，就可得出管截面内流体的流速[4]。目前，多普勒流量计使用最多的波则是超声波和雷达波，而采用任何波作为测量波的多普勒流量计，用到的流速定量原理均是多普勒频移原理。 通常情况下，浸没式探头多采用超声波。由于浸没于被测水流中，探头可通过多种形式获得平均流速。超声波可以根据收集分析不同时间的回波的多普勒频移而得到流体内不同深度的流速数据。当探头各流量信号足够清晰，那么就可以通过有限的1-2个流速传感器获得多个不同深度的流速信号，获得这些流速信号后通常可以采用积分（如图6 a）或者模型计算（如图2）的方式获得截面平均流速。 ( 某深度流速 ) ( 平均 流速 ) a 积分方式获得平均流速 a Obtain average velocity by integrating b 直接获得平均流速 b Obtain average velocity directly 图6 平均流速的获得 Fig.6 Obtain of average velocity 浸没式探头还有可能直接获得平均流速。浸没的传感器向水流发射一束具有一定区域体积的测量波，回波将收集水流内颗粒和气泡的速度，该发射波区域内的所有的流速信号将被收集，最后进过简单的计算即可获得区域体积内流速的平均值，即平均流速，如图6 b。 通过以上叙述的方法获得截面平均流速后，压力或超声波液位传感器再获得液位，经过简单的计算即可获得流速。此类流量计无论是满管还是非满管均可测量，当传感器探测到液位已经超过了管径，运算时只需锁定使用管径计算截面积即可获得满管下的流量。 总体来说，此类流量计具有以下特点[5]： 多普勒原理测量流速，准确可靠； 可适用于满管非满管测量； 可电池供电、现场供电，应对各种情况； 由于探头浸没在污水中，污水中的化学物质、颗粒物以及纤维等可能会腐蚀或覆盖仪器，影响测量，需要较大的维护量； 由于探头安装在污水管道内，不易拆卸，适合固定安装，但不适合经常拆卸的场合。 2.2.4 基于多普勒原理的非接触式流量计 多普勒非接触式流量计亦采用面积流速法，其流速探头测定流速的原理与浸没式一样。不同的是，由于其要满足非接触设计，通常只能获得水流表面流速。流量设备需根据表面流速模拟运算出截面平均流速（如图7）。 ( 平均 流速 ) ( 表面 流速 ) 图7 表面流速计算平均流速 Fig.7 Calculate average velocity using surface velocity 此类流量计对于安装位置的选择较为苛刻，因其获得的仅是表面流速，通过表面流速要获得准确的平均流速的前提就是水流状态尽量接近自由流态。因此，此类流量计的安装位置一般都需要前后10倍管径位置是无变径的直管段。 然而，此类流量计具有其他形式流量计无法比拟的优势，其非接触式设计比其他流量计更适合排水管网。因排水管网的复杂性，水中杂质多、腐蚀性强，浸没式探头的使用寿命及维护周期均值得考量。排水管网内垃圾将浸没探头覆盖，长期运行泥沙的沉积都成为排水管网浸没式流量计使用过程中的问题。 图8所示为一种典型的非接触流量计的安装工作示意图，由图可见，此类流量计完全与水流不接触，非常直接的避免了探头被垃圾、沉积物覆盖，同时探头使用寿命也将相应加长。 图8 非接触式流量计 Fig.8 Non-contact flowmeter 为满足满管和非满管测量，此类流量计通常在管渠顶部水平面位置设置电磁流速传感器。当水流液面淹没探头，多普勒流速传感器无法工作，此时电磁流速传感器将继续收集管顶位置流速用于模拟计算管内平均流速。另外，为了满足内涝监测的需求，探头主体内设置压力传感器，当探头被淹没，设备将继续获得传感器体以上的水位，从而了解安装窨井内污水是否溢出。 总体来说，此类流量计具有以下特点[6]： 采用多普勒测流技术，测量准确； 适合满管与非满管； 可电池供电、现场供电，应对各种情况； 探头不用安装在管道内，不与水样直接接触，仪器维护量比较少； 探头需安装在检修井中，方便拆卸，适合安装一段时间后移动； 由于探头安装在检修井中，检修井内需要有平整的墙壁可供安装探头支架，必要时对检修井进行安装改造。 2.3不同类型流量监测设备的适用场合比较 根据以上不同类型流量计的工作过程、安装方式及其特点，不同类型流量计的适用场合综合如表1。不同的市政管网状况，需根据实际情况选择适合的流设备。 表1 不同流量计的适用场合 Table 1 Different application situation of flowmeters. 各种应用情况 多普勒非接触式 多普勒浸没式 液位-流量 可测量非满管（圆管、蛋形管或其它异形管）流量 满足，非常适合 满足，非常适合 满足 可测量满管（圆管、蛋形管或其它异形管）流量 满足 满足，非常适合 不满足 封闭管路测量 不满足 不满足 不满足 可测量渠道（圆形渠、矩形渠或其它异形渠）流量 满足，非常适合 满足，非常适合 满足 可测量大型管流量 满足 不满足 满足，但需土建工程量大 可测量污水排放渠道或管道（下水道）流量 满足，非常适合 满足，非常适合 不很合适 可测量正向和反向流速和流量 水流逆向依然可测量，但是数据上无法分辨是否逆流，因为数据不显示负号 满足 不满足 传感器可在恶劣的现场和污水水质下长期工作 满足，非常适合 不很适合 满足，非常合适 低流速测量 不满足 满足 选用特点堰、槽后满足 3市政排水管网流量监测的应用 随着城市内涝事件的时有发生，城市管网流量监测日益受到重视。出于不同目的，不同城市在其市政管网根据实际情况选择不同的流量设备。实际应用中，非接触式流量计应用于市政管网的流量设备目前很少，此类型成熟流量计只有HACH FLO-DAR流量计近两年在国内有少数应用，相关报道较少。而基于液位-流量原理的流量设备，因其需要再修建槽、堰，在实际操作中存在很多困难，极少被采纳作为市政管网流量计，只是在某些工业区内或污水厂排口，新建管渠安装此类流量计有较多应用[7]-[8 ]。 因浸没式探头对管网适应能力强，且技术出现较早较为成熟，技术瓶颈相对较少，浸没式流量计的应用相对广泛，已经出现的报道也较多。 2006年北京排水集团的田志勇等[9]使用HACH sigma950/910型浸没式流量计，研究了北京清水河污水厂区域支、干线的管网流量，同时对比使用了“铅鱼”流量计。给出了实际流量监测设备安装使用过程中的一些建议，并且对管网流量监测与GIS技术结合建立“数字排水”做了一些展望。 2010年美国内珀维尔市通过安装HACH sigma浸没式流量计[5]，分析市政排水管网的状态， 判断入流和渗漏问题，优化对市政排水管网的维护和管理，执行最优的污水管道修复策略, 最终减少因入流和渗漏问题对污水处理厂造成的流量冲击。 2012年王东辉等[10]同样使用 HACH sigma 910/920型浸没式流量计对杭州市某片区排水管道进行实地监测，为管道的设计运行和管理提供了最直接的依据，并提出了应用水力模型对某一排水流域的管道流量进行模拟监测的建议。 2012年毛建军等[11]的研究则更具前瞻性，通过流量设备结合GIS技术、数学模型，宜兴排水有限公司研究了宜兴市某片区内的管网运行情况，并通过GIS技术和数学模型很具体的指导了管网的维护，并在数据支持的情况下给出了管网运行的一些建议。 2013年初，郑志佳等[2]通过安装ISCO 2100浸没式流量计，研究了广州洪德片区的管网运行规律，发现了管网运行过程中存在的流速低水位高存在异常水入渗等问题，为管网的日常养护优化管网的运行和管理提供必要的数据支持。 以上这些均表明，管网流量监测技术已经相对成熟，可以有效的使用于实际管网运行，为管网运行、维护提供依据。同时，对管网流量数据也将为其他城市或地区新建管网提供具体的参考。 4 总结 市政排水管网是城市的地下生命线，具有流量变化大、流态复杂、水质恶劣、设备安装环境差等特征。对其流量监测可为解决城市内涝、管道破损、管道淤堵提供基础数据，为城市管网运行维护提供依据。同时系统的研究城市管网流量，可系统掌握管网运行状况，为排水管网改造、新建提供具体的数据支持。而因市政管网的特殊性，需要根据实际需要，选择适合的流量监测设备以持久获得准确的流量数据，尽量降低设备维护量。 目前可用于排水管网的流量设备主要是基于面积流速法的流量设备，这种设备安装使用灵活，对安装环境适应力强，维护相对较低。实际应用中，因浸没式探头技术成熟、市面上产品较多，已经有不少案例证明，此类型流量设备比较适合市政管网的运行环境。然而，非接触式流量设备，因技术较新，暂无太多应用，但因其非接触式的设计，更适合流态相对稳定接近自由流态的粗大市政管网，将是市政管网流量监测一个新的更好的选择。 参考文献： [1] 蔡武昌，孙淮清，纪纲，流量测量方法和仪表的选用[M].北京：北京工业出版社，2001. [2] 郑志佳，李绍秀. 流量监测在排水管网中的应用[J]. 能源与环境，2013，2：11-13. [3] 盛信. 超声波明渠流量计在污水计量中的应用[J]. 中国仪器仪表，2005，7：98-99. [4] 张 羽，余建国 王威琪，汪源源. 流速的超声多普勒定量测量[J]. 复旦学报(自然科学版)，2000，39（2）：98-99. [5] 黄伟明，方闻，MarciaKinley. Sigma流量计在市政排水管网的成功应用[J]. 中国给水排水，2010，26（16）：148-150. [6] 李晓光，马净. 多普勒超声波流量计基本原理及应用[J]. 可编程控制器与工厂自动化，2005，3：115-116. [7] 钟 江. 超声波明渠流量计的原理及其应用[J]. 甘肃水利水电技术，2010，46（6）：37-38. [8] 赵西安. 超声波水位—流量计在明渠中的应用[J]. 陕西水利，2007，5：36. [9] 田志勇. 超声波多普勒流量计在排水管网流量监测中的应用[J]. 市政技术，2010，26（1）：62-64. [10] 王东辉. 管道流量计在流量监测中的应用[J]. 给水排水，2012，38（S2）：216-218. [11] 毛建军，毛楠，王浩正，赵冬泉，唐兰贵. 宜兴市污水管网在线流量监测分析[J]. 给水排水，2012，38（S2）：210-212. 作者简介：刘韩超（1986- ），男，湖南娄底人，哈希公司应用工程师，市政污水行业，研究方向为市政污水行业在线监测仪器的应用。 Email：carsonliuwork@126.com 联系电话：18663713215 11 通过对市政排水管网的类型、特征进行总结分析，提出了对管网流量计的基本要求。根据具体要求，分析了现有的可用于管网流量监测的流量测定技术。对采用各种技术的流量设备的工作原理、特点、应用场合进行了对比分析，并且对现有的实际应用案例进行了汇总。更多精彩内容，请您下载后查看。