武漢大東湖污水深隧系統流量監測方法
摘要：國內外均有應用于緩解城市內澇和溢流污染的深隧系統，而深隧系統成功運營的關鍵技術在于深隧的流量監測，需要根據深隧系統的特點選擇合適的流量監測方法。基于技術比選，武漢市大東湖污水深隧系統選擇基于超聲波互相關原理的超聲波流量計作為深隧中流量監測設備，該設備可實現可視化的實時流速監測且達到管道的斷面掃描效果，可以在深隧中的400kPa水壓和極端條件下穩定長期工作。采用互相關超聲波流量計對深隧斷面進行了16層流速測量，結果表明，靠近管壁處的流速遠低于平均流速，以平均流速作為深隧不淤流速的判斷標準將給深隧運行帶來淤積風險。
武漢市位于長江中下游平原，梅雨季節降水充沛且地下水位較高，使其長期面臨汛期的合流制污水溢流與內澇問題。為緩解水環境狀況，武漢市于2020年建設完成大東湖污水深隧傳輸系統并實現通水，集中輸送污水，從而實現污水有效處理并大幅削減初雨、溢流污染。
在深隧設計和運營過程中，運營人員的核心控制指標為深隧內的流態和可能淤積狀態，因此需要實時測量流速、流量和淤泥厚度，以便評估運行中的風險并調整運行策略。其中深隧的流速是深隧運行中的關鍵考核指標，若流速低于0.65m/s，則深隧將面臨較高的淤積風險，此外，深隧的流速也是水力模型的校準條件之一。因此，流速的準確監測對深隧系統可持續性和長期可靠運行至關重要，也是運營期間項目風險管控的關鍵評判指標。
01 大東湖污水深隧流量監測需求分析
近年來，深隧系統在國內外城市均有成功應用的案例，有效提高了城市排澇能力并改善了水體環境。深隧從建設目標上主要分為調蓄型雨洪深隧、傳輸型污水深隧與復合型多功能深隧，調蓄型雨洪深隧以芝加哥深隧為代表，傳輸型污水深隧以新加坡深隧為代表，而復合型深隧則以吉隆坡深隧為代表。其中，新加坡深隧與大東湖深隧相似，作為污水深隧實現了區域污水的全集中處理，市政污水用地由20世紀90年代的300hm2縮減至190hm2，污水廠數量由6座縮減為3座，水循環利用率由30%提升至55%，對于緩解新加坡城市市政用地緊張、水資源缺乏等問題起到了重要的作用。但從深隧運營角度來看，早期國外深隧建設缺乏相應的在線監測技術與實時調度平臺，而國內深隧建設又處于起步階段，規劃設計、風險論證等階段較為倉促，實際運行中會存在較多隱患。
大東湖污水深隧埋深達到50m以上，全長17.6km，且僅保留7座通風井，一旦通水后無法停水查看管道狀態，缺乏對深隧內污水的水量與流速等關鍵技術點的管控能力，給深隧運營與調度帶來巨大的風險。
在國內，深隧工程僅在廣州、香港、北京、上海等一線城市有初步應用，因此對深隧的在線監測仍在探索之中。通過在深隧關鍵節點處設置一系列監測傳感器，利用實時監測獲取的數據，可實現對深隧的入流和排水的全面掌控與精確調度。例如，美國芝加哥排水系統通過對深隧豎井的液位進行監測，結合降雨監測數據決策閘門的啟閉；與此類似，廣州排水深隧的東濠涌段設有在線液位監測傳感器，采用壓阻式液位傳感器，基于液位閾值對整個深隧的運行狀態進行報警。然而，基于豎井液位監測可對深隧的運行狀態有初步判斷，但實際影響深隧運行的流速、淤積等狀態僅通過液位難以反映。在深隧流量監測方面，美國的密爾沃基深層隧道儲存系統設立了超過300個實時監測流量設備，通過實時精確調度，確保深隧在運營時不堵塞，避免了人工下井維護和設備清淤。
結合國際深隧運行的成功經驗進行判斷，可以認為流量是最直觀反映深隧傳輸水量的關鍵參數，而流速是最直觀有效地反映深隧淤積風險的指標，一旦流速低于最低設計流速，深隧管控平臺應及時發出報警信息來提醒運營人員關注可能發生的淤積情況。通過在深隧平直管段設置流量計傳感器，利用實時監測獲取流速、流量、液位、淤積厚度等數據，可實現對大東湖深隧運行狀態的實時掌控。
基于上述需求與大東湖深隧自身條件，大東湖深隧流量監測面臨如下問題：
① 流速高動態變化，對傳感器監測的穩定性有較高要求；
② 滿管運行，液位達到深隧管底以上30m，對傳感器的耐壓提出更高的要求；
③ 在流速低于0.65m/s時，可能產生淤泥，對傳感器的安裝方法與安裝位置有限制；
④ 受限于深隧結構，傳感器必須安裝于豎井附近的平直管段，并通過電纜傳輸數據至地面，因此要求傳感器與變送器之間的電纜長達100m以上，電纜屏蔽效果好。
02 在線流量監測方法選取
隨著地下排水管網精細化管理的要求，流量測量不僅要有瞬時流速、瞬時流量、液位、水溫和累計流量，還對測量精度和周期提出更高的要求。流量計的種類繁多，用于地下管網流量測量的流量計主要是超聲波流量計、電磁流量計和雷達流量計等。超聲波流量計又分為超聲波多普勒流量計、超聲波時差法流量計和超聲波互相關流量計。各類流量計優缺點及適用條件如表1所示。
考慮到大東湖深隧排水系統的最大埋深為地下50m左右，為壓力流滿管運行，壓力達到400kPa以上，流量監測對象為污水，且實際運行中有一定可能性會在滿管與非滿管狀態間切換，因此電磁流量計、雷達流量計和超聲波時差法流量計均不適合，僅能采用超聲波測量技術。其中，多普勒流量計向水中發射連續超聲波，超聲波遇到水中顆粒后反射，多普勒流量計接收到的反射波的頻率將發生變化，流量計將記錄這個頻率的變化值，并根據多普勒效應計算出顆粒的運動速度。但基于深隧測量場景，多普勒流量計具有如下的不適用性：①測量得到的流速實際為點流速，而非斷面流速，對于管道糙率較大的管段，其靠近管壁部分的流速與平均流速之間有較大差距，對實際產生沖淤效果的流速判斷不準。
②需要穩定的流場條件，深隧流量計安裝位置受限于電纜長度，往往安裝于豎井附近，流場條件較為復雜。
③需要定期校正，通過比較測量進行校準，在深隧通水后難以進行定期校正工作。互相關流量計測量流速的方法同樣基于超聲波反射原理，但其記錄并比較的值為顆粒的移動圖像而非變化頻率。工作時，流量計傳感器發射固定角度的超聲波脈沖，掃描污水中的反射物（微小顆粒、礦物或氣泡），將得到的回波保存為圖像或回波模式。間隔幾毫秒后，接著進行第二次掃描，產生的回波圖像或模式也被保存（見圖1）。由于反射物隨污水介質同步移動，通過比較前后兩個相似圖像或模式之間的相互關系可以識別反射物的位置來檢測和計算流速。基于該測量原理，考慮到超聲波的光束角度和脈沖重復率，通過空間分配最多可以直接測量流體中的16層微小顆粒的速度，從而直接計算得到高精度的管道斷面流速。
互相關流量計基于最新的水力模型，系統計算了一個密集的測量網絡，從單個測量點位出發覆蓋了整個流體橫截面，相比多普勒技術具有如下特點：①具有經過科學流量測量的、渠道專用的實時流體數學模型；②靠近壁面和水平速度分布的流速計算；③速度積分覆蓋這個斷面，最多測量16層流速；④無需校準。互相關流量計能夠基于流體數學模型，建立覆蓋整個斷面的計算網格，從而得到整個斷面的流速分布情況，對研究深隧淤積與流速之間的關系提供新的方法手段，且其無需校準的特點也更適合于深隧這樣的特殊場景。
03 流量監測方案
3.1 測量布點方案
考慮深隧完工后僅保留7座豎井，流量計采集到的數據需要通過有線的方式傳輸至地面遠傳設備，此外考慮管徑變化、安裝條件、入流條件，最終選擇在4個關鍵豎井附近設置流量監測點（見圖2），每個監測斷面處在不同角度安裝3個傳感器探頭，其具體安裝方位、安裝管徑與安裝角度見表2。
3.2 流量監測設備安裝
在每個點位安裝一套流量計相關設備，單套流量計安裝組件包括1個NF7-5M3E0A001變送器、2個CS2-V200KTE99K0互相關流速傳感器（安裝于30°與-30°）、1個CS2-V2H1KTE99K0互相關流速傳感器（安裝于180°）、300 m電纜、安裝附件及1個電控柜等。其中，每個斷面安裝3個互相關流速傳感器探頭用于測量剖面流速分布，其中安裝于180°的探頭可滿足滿管流量測量，同時用于流速與淤積界面的測量；安裝于30°與-30°的探頭可用于非滿管條件下的流速測量，且與頂部探頭形成監測網格，其16層流速測量網格如圖3所示；變送器在地面電控柜內安裝，可連接3個流速傳感器。電纜材質為PPO+PEEK，安裝附件材質為不銹鋼，均耐污水腐蝕。
深隧設備安裝難度高，安裝方式需選擇長期穩定固定的方式，且安裝后密封防水性高，安裝過程需對管道破壞程度低、安裝時間靈活、配合深隧自身施工進程等。基于以上限制條件，深隧流量計采用化學螺栓固定安裝的方式，由豎井向內布線40 m確定傳感器位置，傳感器沿管壁共布設3個探頭（見圖4），其中，正頂部安裝一個傳感器探頭，超聲波垂直向下發射，在滿管的水力狀態下，可同時用于監測流量與泥水界面的位置；左右30°角位置各安裝一個傳感器探頭，垂直向上發生超聲波，用于流量監測；3處傳感器探頭監測的數據互為校準，使監測數據的準確性得到極大提升，同時避免未來的頻繁校準維護問題。
安裝過程中，在每個傳感器探頭確定的固定孔位分別打4個孔，并用化學螺栓固定安裝附件，將傳感器探頭安裝于附件之上，保證探頭與地面水平；用扎帶將三根信號電纜捆綁，匯合于深隧管壁右側45°位置，從深隧內部沿伸至井口處；考慮豎井處有湍流或匯水，對豎井沖擊力比較大，因此從豎井處開始，三根傳感器電纜外部用鋼管保護，在豎井澆筑前穿過豎井井壁，從外壁引入地面，最大程度地避免對井體結構的影響。深隧施工結束后，最終傳感器及其保護套管將澆筑至豎井管壁混凝土內，保證其穩定性，圖5為流量計安裝現場效果圖。
04 深隧流量監測結果分析
深隧通水運行后，選取某個時刻下4個監測斷面的監測網格數據進行分析。各斷面的流速監測統計值如表3所示。液位結果顯示，4個監測斷面均為滿管狀態，與深隧設計要求相符；全斷面的平均流速監測結果顯示，4個斷面的平均流速在0.693～0.750m/s的范圍內波動，從上游至下游的平均流速均滿足深隧設計中0.65m/s的最低流速要求。然而對每個斷面的3處傳感器分別計算平均流速時，-30°的傳感器所處位置的流速較中心位置的流速偏低，其中4#井、7#井斷面處的流速低于0.65 m/s的最低流速要求。
基于監測的3×16處點位的流速數據，構建斷面的流速矩陣數據，制作4個監測斷面的深隧管道斷面流速分布圖（見圖6）。從圖6中的流速分布可看出，貼近管壁處的流速均存在低于0.65m/s的區域，即低于理論的不淤流速，使得靠近管壁處的懸浮物易沉積而不易沖刷再懸浮；此外越靠近下游則低流速區域越大，下游深隧水力條件受末端抽排泵站影響，整體流速下降，淤積風險較高。從流速分布情況來看，從4#井監測斷面開始，深隧管道流速分布不再呈現對稱的同心圓形態，而開始出現右偏心形態，這是由于4#井為支隧的匯流井，匯流對流速分布造成明顯影響，且該影響一直延伸至深隧末端。
由上述結果可以判斷，在平均流速滿足設計條件時，其靠近管道內壁處流速存在大量低于設計流速的區域，實際運行條件難以滿足深隧運行的不淤流速的設計要求，僅通過測量單一平均流速，無法反映深隧等大管徑管道的實際運行流速。因此，對深隧淤積風險評估需采用互相關流量監測技術來獲得靠近管壁的實際流速，并基于該實際流速進行風險評估，且通過提升流速來實現淤積沖刷時，也同樣需要以靠近管壁處的流速為參考標準。
05 結論
將超聲波互相關流量監測技術成功應用于大東湖污水深隧中，滿足深隧監測的高防水性、免維護的設備安裝要求，實現對深隧管道斷面上3×16的測量點位的實際流速的在線監測。基于監測獲得深隧流量與流速數據，可實現對深隧轉輸水量的實時掌控，同時可為深隧在線水力模型提供校準條件，并作為深隧淤積風險評估模型的輸入參數，為大東湖深隧運行狀態監控與運維工作提供可靠保障。監測結果顯示，深隧由于其管徑較大，平均流速無法反映深隧管壁處的實際流速，在通過流速控制深隧淤積風險時，應充分考慮平均流速與管壁實際流速的差值。在深隧內部進行流量監測國內尚屬首次實踐探索，其成功安裝經驗為其他深隧系統的水下流量監測提供了可借鑒的方案。
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