武漢大東湖污水深隧系統(tǒng)流量監(jiān)測(cè)方法
摘要：國(guó)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(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)在于深隧的流量監(jiān)測(cè)，需要根據(jù)深隧系統(tǒng)的特點(diǎn)選擇合適的流量監(jiān)測(cè)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(jì)作為深隧中流量監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)可視化的實(shí)時(shí)流速監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期工作。采用互相關(guān)超聲波流量計(jì)對(duì)深隧斷面進(jìn)行了16層流速測(cè)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(xiǎn)。
武漢市位于長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)和運(yùn)營(yíng)過程中，運(yùn)營(yíng)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(shí)測(cè)量流速、流量和淤泥厚度，以便評(píng)估運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)，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(cè)對(duì)深隧系統(tǒng)可持續(xù)性和長(zhǎng)期可靠運(yùn)行至關(guān)重要，也是運(yùn)營(yíng)期間項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管控的關(guān)鍵評(píng)判指標(biāo)。
01 大東湖污水深隧流量監(jiān)測(cè)需求分析
近年來，深隧系統(tǒng)在國(guó)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(duì)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(yíng)角度來看，早期國(guó)外深隧建設(shè)缺乏相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與實(shí)時(shí)調(diào)度平臺(tái)，而國(guó)內(nèi)深隧建設(shè)又處于起步階段，規(guī)劃設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)論證等階段較為倉(cāng)促，實(shí)際運(yùn)行中會(huì)存在較多隱患。
大東湖污水深隧埋深達(dá)到50m以上，全長(zhǎng)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(duì)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(yíng)與調(diào)度帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)。
在國(guó)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(duì)深隧的在線監(jiān)測(cè)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(cè)傳感器，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)深隧的入流和排水的全面掌控與精確調(diào)度。例如，美國(guó)芝加哥排水系統(tǒng)通過對(duì)深隧豎井的液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合降雨監(jiān)測(cè)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(cè)傳感器，采用壓阻式液位傳感器，基于液位閾值對(duì)整個(gè)深隧的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。然而，基于豎井液位監(jiān)測(cè)可對(duì)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(cè)方面，美國(guó)的密爾沃基深層隧道儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)立了超過300個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量設(shè)備，通過實(shí)時(shí)精確調(diào)度，確保深隧在運(yùn)營(yíng)時(shí)不堵塞，避免了人工下井維護(hù)和設(shè)備清淤。
結(jié)合國(guó)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(xiǎn)的指標(biāo)，一旦流速低于最低設(shè)計(jì)流速，深隧管控平臺(tái)應(yīng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息來提醒運(yùn)營(yíng)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(jì)傳感器，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取流速、流量、液位、淤積厚度等數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大東湖深隧運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)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(cè)面臨如下問題：
① 流速高動(dòng)態(tài)變化，對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)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(duì)傳感器的耐壓提出更高的要求；
③ 在流速低于0.65m/s時(shí)，可能產(chǎn)生淤泥，對(duì)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(zhǎng)達(dá)100m以上，電纜屏蔽效果好。
02 在線流量監(jiān)測(cè)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(cè)量不僅要有瞬時(shí)流速、瞬時(shí)流量、液位、水溫和累計(jì)流量，還對(duì)測(cè)量精度和周期提出更高的要求。流量計(jì)的種類繁多，用于地下管網(wǎng)流量測(cè)量的流量計(jì)主要是超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)和雷達(dá)流量計(jì)等。超聲波流量計(jì)又分為超聲波多普勒流量計(jì)、超聲波時(shí)差法流量計(jì)和超聲波互相關(guān)流量計(jì)。各類流量計(jì)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(cè)對(duì)象為污水，且實(shí)際運(yùn)行中有一定可能性會(huì)在滿管與非滿管狀態(tài)間切換，因此電磁流量計(jì)、雷達(dá)流量計(jì)和超聲波時(shí)差法流量計(jì)均不適合，僅能采用超聲波測(cè)量技術(shù)。其中，多普勒流量計(jì)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(jì)接收到的反射波的頻率將發(fā)生變化，流量計(jì)將記錄這個(gè)頻率的變化值，并根據(jù)多普勒效應(yīng)計(jì)算出顆粒的運(yùn)動(dòng)速度。但基于深隧測(cè)量場(chǎng)景，多普勒流量計(jì)具有如下的不適用性：①測(cè)量得到的流速實(shí)際為點(diǎn)流速，而非斷面流速，對(duì)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(duì)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(chǎng)條件，深隧流量計(jì)安裝位置受限于電纜長(zhǎng)度，往往安裝于豎井附近，流場(chǎng)條件較為復(fù)雜。
③需要定期校正，通過比較測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)，在深隧通水后難以進(jìn)行定期校正工作。互相關(guān)流量計(jì)測(cè)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(dòng)圖像而非變化頻率。工作時(shí)，流量計(jì)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(dòng)，通過比較前后兩個(gè)相似圖像或模式之間的相互關(guān)系可以識(shí)別反射物的位置來檢測(cè)和計(jì)算流速。基于該測(cè)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(cè)量流體中的16層微小顆粒的速度，從而直接計(jì)算得到高精度的管道斷面流速。
互相關(guān)流量計(jì)基于最新的水力模型，系統(tǒng)計(jì)算了一個(gè)密集的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，從單個(gè)測(cè)量點(diǎn)位出發(fā)覆蓋了整個(gè)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(cè)量的、渠道專用的實(shí)時(shí)流體數(shù)學(xué)模型；②靠近壁面和水平速度分布的流速計(jì)算；③速度積分覆蓋這個(gè)斷面，最多測(cè)量16層流速；④無需校準(zhǔn)。互相關(guān)流量計(jì)能夠基于流體數(shù)學(xué)模型，建立覆蓋整個(gè)斷面的計(jì)算網(wǎng)格，從而得到整個(gè)斷面的流速分布情況，對(duì)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(chǎng)景。
03 流量監(jiān)測(cè)方案
3.1 測(cè)量布點(diǎn)方案
考慮深隧完工后僅保留7座豎井，流量計(jì)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(gè)關(guān)鍵豎井附近設(shè)置流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見圖2），每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面處在不同角度安裝3個(gè)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(cè)設(shè)備安裝
在每個(gè)點(diǎn)位安裝一套流量計(jì)相關(guān)設(shè)備，單套流量計(jì)安裝組件包括1個(gè)NF7-5M3E0A001變送器、2個(gè)CS2-V200KTE99K0互相關(guān)流速傳感器（安裝于30°與-30°）、1個(gè)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(gè)電控柜等。其中，每個(gè)斷面安裝3個(gè)互相關(guān)流速傳感器探頭用于測(cè)量剖面流速分布，其中安裝于180°的探頭可滿足滿管流量測(cè)量，同時(shí)用于流速與淤積界面的測(cè)量；安裝于30°與-30°的探頭可用于非滿管條件下的流速測(cè)量，且與頂部探頭形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)格，其16層流速測(cè)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(gè)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(zhǎng)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(duì)管道破壞程度低、安裝時(shí)間靈活、配合深隧自身施工進(jìn)程等。基于以上限制條件，深隧流量計(jì)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(gè)探頭（見圖4），其中，正頂部安裝一個(gè)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(shí)用于監(jiān)測(cè)流量與泥水界面的位置；左右30°角位置各安裝一個(gè)傳感器探頭，垂直向上發(fā)生超聲波，用于流量監(jiān)測(cè)；3處傳感器探頭監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)互為校準(zhǔn)，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到極大提升，同時(shí)避免未來的頻繁校準(zhǔn)維護(hù)問題。
安裝過程中，在每個(gè)傳感器探頭確定的固定孔位分別打4個(gè)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(hào)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(duì)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(duì)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(jì)安裝現(xiàn)場(chǎng)效果圖。
04 深隧流量監(jiān)測(cè)結(jié)果分析
深隧通水運(yùn)行后，選取某個(gè)時(shí)刻下4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各斷面的流速監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)值如表3所示。液位結(jié)果顯示，4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均為滿管狀態(tài)，與深隧設(shè)計(jì)要求相符；全斷面的平均流速監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，4個(gè)斷面的平均流速在0.693～0.750m/s的范圍內(nèi)波動(dòng)，從上游至下游的平均流速均滿足深隧設(shè)計(jì)中0.65m/s的最低流速要求。然而對(duì)每個(gè)斷面的3處傳感器分別計(jì)算平均流速時(shí)，-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(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)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(xiǎn)較高。從流速分布情況來看，從4#井監(jiān)測(cè)斷面開始，深隧管道流速分布不再呈現(xiàn)對(duì)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(duì)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(jì)條件時(shí)，其靠近管道內(nèi)壁處流速存在大量低于設(shè)計(jì)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(jì)要求，僅通過測(cè)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(duì)深隧淤積風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需采用互相關(guān)流量監(jiān)測(cè)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(xiǎn)評(píng)估，且通過提升流速來實(shí)現(xiàn)淤積沖刷時(shí)，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(cè)技術(shù)成功應(yīng)用于大東湖污水深隧中，滿足深隧監(jiān)測(cè)的高防水性、免維護(hù)的設(shè)備安裝要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)深隧管道斷面上3×16的測(cè)量點(diǎn)位的實(shí)際流速的在線監(jiān)測(cè)。基于監(jiān)測(cè)獲得深隧流量與流速數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)深隧轉(zhuǎn)輸水量的實(shí)時(shí)掌控，同時(shí)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(xiǎn)評(píng)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(cè)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(xiǎn)時(shí)，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(cè)國(guó)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(cè)提供了可借鑒的方案。
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