武漢大東湖污水深隧系統(tǒng)流量監(jiān)測方法
摘要：國內(nèi)外均有應(yīng)用于緩解城市內(nèi)澇和溢流污染的深隧系統(tǒng)，而深隧系統(tǒng)成功運(yùn)營的關(guān)鍵技術(shù)在于深隧的流量監(jiān)測，需要根據(jù)深隧系統(tǒng)的特點(diǎn)選擇合適的流量監(jiān)測方法。基于技術(shù)比選，武漢市大東湖污水深隧系統(tǒng)選擇基于超聲波互相關(guān)原理的超聲波流量計作為深隧中流量監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)可視化的實(shí)時流速監(jiān)測且達(dá)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(wěn)定長期工作。采用互相關(guān)超聲波流量計對深隧斷面進(jìn)行了16層流速測量，結(jié)果表明，靠近管壁處的流速遠(yuǎn)低于平均流速，以平均流速作為深隧不淤流速的判斷標(biāo)準(zhǔn)將給深隧運(yùn)行帶來淤積風(fēng)險。
武漢市位于長江中下游平原，梅雨季節(jié)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(nèi)澇問題。為緩解水環(huán)境狀況，武漢市于2020年建設(shè)完成大東湖污水深隧傳輸系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)通水，集中輸送污水，從而實(shí)現(xiàn)污水有效處理并大幅削減初雨、溢流污染。
在深隧設(shè)計和運(yùn)營過程中，運(yùn)營人員的核心控制指標(biāo)為深隧內(nèi)的流態(tài)和可能淤積狀態(tài)，因此需要實(shí)時測量流速、流量和淤泥厚度，以便評估運(yùn)行中的風(fēng)險并調(diào)整運(yùn)行策略。其中深隧的流速是深隧運(yùn)行中的關(guān)鍵考核指標(biāo)，若流速低于0.65m/s，則深隧將面臨較高的淤積風(fēng)險，此外，深隧的流速也是水力模型的校準(zhǔn)條件之一。因此，流速的準(zhǔn)確監(jiān)測對深隧系統(tǒng)可持續(xù)性和長期可靠運(yùn)行至關(guān)重要，也是運(yùn)營期間項(xiàng)目風(fēng)險管控的關(guān)鍵評判指標(biāo)。
01 大東湖污水深隧流量監(jiān)測需求分析
近年來，深隧系統(tǒng)在國內(nèi)外城市均有成功應(yīng)用的案例，有效提高了城市排澇能力并改善了水體環(huán)境。深隧從建設(shè)目標(biāo)上主要分為調(diào)蓄型雨洪深隧、傳輸型污水深隧與復(fù)合型多功能深隧，調(diào)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(fù)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(shí)現(xiàn)了區(qū)域污水的全集中處理，市政污水用地由20世紀(jì)90年代的300hm2縮減至190hm2，污水廠數(shù)量由6座縮減為3座，水循環(huán)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(yùn)營角度來看，早期國外深隧建設(shè)缺乏相應(yīng)的在線監(jiān)測技術(shù)與實(shí)時調(diào)度平臺，而國內(nèi)深隧建設(shè)又處于起步階段，規(guī)劃設(shè)計、風(fēng)險論證等階段較為倉促，實(shí)際運(yùn)行中會存在較多隱患。
大東湖污水深隧埋深達(dá)到50m以上，全長17.6km，且僅保留7座通風(fēng)井，一旦通水后無法停水查看管道狀態(tài)，缺乏對深隧內(nèi)污水的水量與流速等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的管控能力，給深隧運(yùn)營與調(diào)度帶來巨大的風(fēng)險。
在國內(nèi)，深隧工程僅在廣州、香港、北京、上海等一線城市有初步應(yīng)用，因此對深隧的在線監(jiān)測仍在探索之中。通過在深隧關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一系列監(jiān)測傳感器，利用實(shí)時監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對深隧的入流和排水的全面掌控與精確調(diào)度。例如，美國芝加哥排水系統(tǒng)通過對深隧豎井的液位進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)決策閘門的啟閉；與此類似，廣州排水深隧的東濠涌段設(shè)有在線液位監(jiān)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(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報警。然而，基于豎井液位監(jiān)測可對深隧的運(yùn)行狀態(tài)有初步判斷，但實(shí)際影響深隧運(yùn)行的流速、淤積等狀態(tài)僅通過液位難以反映。在深隧流量監(jiān)測方面，美國的密爾沃基深層隧道儲存系統(tǒng)設(shè)立了超過300個實(shí)時監(jiān)測流量設(shè)備，通過實(shí)時精確調(diào)度，確保深隧在運(yùn)營時不堵塞，避免了人工下井維護(hù)和設(shè)備清淤。
結(jié)合國際深隧運(yùn)行的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，可以認(rèn)為流量是最直觀反映深隧傳輸水量的關(guān)鍵參數(shù)，而流速是最直觀有效地反映深隧淤積風(fēng)險的指標(biāo)，一旦流速低于最低設(shè)計流速，深隧管控平臺應(yīng)及時發(fā)出報警信息來提醒運(yùn)營人員關(guān)注可能發(fā)生的淤積情況。通過在深隧平直管段設(shè)置流量計傳感器，利用實(shí)時監(jiān)測獲取流速、流量、液位、淤積厚度等數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對大東湖深隧運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時掌控。
基于上述需求與大東湖深隧自身?xiàng)l件，大東湖深隧流量監(jiān)測面臨如下問題：
① 流速高動態(tài)變化，對傳感器監(jiān)測的穩(wěn)定性有較高要求；
② 滿管運(yùn)行，液位達(dá)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)至地面，因此要求傳感器與變送器之間的電纜長達(dá)100m以上，電纜屏蔽效果好。
02 在線流量監(jiān)測方法選取
隨著地下排水管網(wǎng)精細(xì)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(wǎng)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(dá)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(guān)流量計。各類流量計優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件如表1所示。
考慮到大東湖深隧排水系統(tǒng)的最大埋深為地下50m左右，為壓力流滿管運(yùn)行，壓力達(dá)到400kPa以上，流量監(jiān)測對象為污水，且實(shí)際運(yùn)行中有一定可能性會在滿管與非滿管狀態(tài)間切換，因此電磁流量計、雷達(dá)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(shù)。其中，多普勒流量計向水中發(fā)射連續(xù)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(fā)生變化，流量計將記錄這個頻率的變化值，并根據(jù)多普勒效應(yīng)計算出顆粒的運(yùn)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(shí)際為點(diǎn)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(shí)際產(chǎn)生沖淤效果的流速判斷不準(zhǔn)。
②需要穩(wěn)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(fù)雜。
③需要定期校正，通過比較測量進(jìn)行校準(zhǔn)，在深隧通水后難以進(jìn)行定期校正工作?；ハ嚓P(guān)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(fā)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(jìn)行第二次掃描，產(chǎn)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(zhì)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(guān)系可以識別反射物的位置來檢測和計算流速?；谠摐y量原理，考慮到超聲波的光束角度和脈沖重復(fù)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(guān)流量計基于最新的水力模型，系統(tǒng)計算了一個密集的測量網(wǎng)絡(luò)，從單個測量點(diǎn)位出發(fā)覆蓋了整個流體橫截面，相比多普勒技術(shù)具有如下特點(diǎn)：①具有經(jīng)過科學(xué)流量測量的、渠道專用的實(shí)時流體數(shù)學(xué)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(zhǔn)。互相關(guān)流量計能夠基于流體數(shù)學(xué)模型，建立覆蓋整個斷面的計算網(wǎng)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(guān)系提供新的方法手段，且其無需校準(zhǔn)的特點(diǎn)也更適合于深隧這樣的特殊場景。
03 流量監(jiān)測方案
3.1 測量布點(diǎn)方案
考慮深隧完工后僅保留7座豎井，流量計采集到的數(shù)據(jù)需要通過有線的方式傳輸至地面遠(yuǎn)傳設(shè)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(guān)鍵豎井附近設(shè)置流量監(jiān)測點(diǎn)（見圖2），每個監(jiān)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(jiān)測設(shè)備安裝
在每個點(diǎn)位安裝一套流量計相關(guān)設(shè)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(guān)流速傳感器（安裝于30°與-30°）、1個CS2-V2H1KTE99K0互相關(guān)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(guān)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(jiān)測網(wǎng)格，其16層流速測量網(wǎng)格如圖3所示；變送器在地面電控柜內(nèi)安裝，可連接3個流速傳感器。電纜材質(zhì)為PPO+PEEK，安裝附件材質(zhì)為不銹鋼，均耐污水腐蝕。
深隧設(shè)備安裝難度高，安裝方式需選擇長期穩(wěn)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(jìn)程等?；谝陨舷拗茥l件，深隧流量計采用化學(xué)螺栓固定安裝的方式，由豎井向內(nèi)布線40 m確定傳感器位置，傳感器沿管壁共布設(shè)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(fā)射，在滿管的水力狀態(tài)下，可同時用于監(jiān)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(fā)生超聲波，用于流量監(jiān)測；3處傳感器探頭監(jiān)測的數(shù)據(jù)互為校準(zhǔn)，使監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到極大提升，同時避免未來的頻繁校準(zhǔn)維護(hù)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(xué)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(cè)45°位置，從深隧內(nèi)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(hù)，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(jié)構(gòu)的影響。深隧施工結(jié)束后，最終傳感器及其保護(hù)套管將澆筑至豎井管壁混凝土內(nèi)，保證其穩(wěn)定性，圖5為流量計安裝現(xiàn)場效果圖。
04 深隧流量監(jiān)測結(jié)果分析
深隧通水運(yùn)行后，選取某個時刻下4個監(jiān)測斷面的監(jiān)測網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各斷面的流速監(jiān)測統(tǒng)計值如表3所示。液位結(jié)果顯示，4個監(jiān)測斷面均為滿管狀態(tài)，與深隧設(shè)計要求相符；全斷面的平均流速監(jiān)測結(jié)果顯示，4個斷面的平均流速在0.693～0.750m/s的范圍內(nèi)波動，從上游至下游的平均流速均滿足深隧設(shè)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?dāng)嗝嫣幍牧魉俚陀?.65 m/s的最低流速要求。
基于監(jiān)測的3×16處點(diǎn)位的流速數(shù)據(jù)，構(gòu)建斷面的流速矩陣數(shù)據(jù)，制作4個監(jiān)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(qū)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(qū)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(fēng)險較高。從流速分布情況來看，從4#井監(jiān)測斷面開始，深隧管道流速分布不再呈現(xiàn)對稱的同心圓形態(tài)，而開始出現(xiàn)右偏心形態(tài)，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(jié)果可以判斷，在平均流速滿足設(shè)計條件時，其靠近管道內(nèi)壁處流速存在大量低于設(shè)計流速的區(qū)域，實(shí)際運(yùn)行條件難以滿足深隧運(yùn)行的不淤流速的設(shè)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(shí)際運(yùn)行流速。因此，對深隧淤積風(fēng)險評估需采用互相關(guān)流量監(jiān)測技術(shù)來獲得靠近管壁的實(shí)際流速，并基于該實(shí)際流速進(jìn)行風(fēng)險評估，且通過提升流速來實(shí)現(xiàn)淤積沖刷時，也同樣需要以靠近管壁處的流速為參考標(biāo)準(zhǔn)。
05 結(jié)論
將超聲波互相關(guān)流量監(jiān)測技術(shù)成功應(yīng)用于大東湖污水深隧中，滿足深隧監(jiān)測的高防水性、免維護(hù)的設(shè)備安裝要求，實(shí)現(xiàn)對深隧管道斷面上3×16的測量點(diǎn)位的實(shí)際流速的在線監(jiān)測?；诒O(jiān)測獲得深隧流量與流速數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對深隧轉(zhuǎn)輸水量的實(shí)時掌控，同時可為深隧在線水力模型提供校準(zhǔn)條件，并作為深隧淤積風(fēng)險評估模型的輸入?yún)?shù)，為大東湖深隧運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與運(yùn)維工作提供可靠保障。監(jiān)測結(jié)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(shí)際流速，在通過流速控制深隧淤積風(fēng)險時，應(yīng)充分考慮平均流速與管壁實(shí)際流速的差值。在深隧內(nèi)部進(jìn)行流量監(jiān)測國內(nèi)尚屬首次實(shí)踐探索，其成功安裝經(jīng)驗(yàn)為其他深隧系統(tǒng)的水下流量監(jiān)測提供了可借鑒的方案。
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