摘 要：城市排水管網(wǎng)埋藏于地下，存在混接、錯接、滲漏、淤堵、溢流、井蓋移位、有毒有害氣體聚集等安全運(yùn)行問題。通過對復(fù)雜的排水管網(wǎng)建立一套完整、穩(wěn)定的安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，依托長期可靠的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以定量的分析、評估及診斷管網(wǎng)的安全運(yùn)行問題，有效的識別預(yù)警雨污混接、污水溢流、管道淤積、城市內(nèi)澇和可燃?xì)怏w聚集爆炸等事故，提高市政排水工作的管理效率，具有一定的實用價值和推廣意義。

　　關(guān)鍵詞：排水管網(wǎng);分布式傳感器;監(jiān)測數(shù)據(jù);安全運(yùn)行

　　《儀表技術(shù)與傳感器》雜志1964年創(chuàng)刊，月刊，是面向儀器儀表行業(yè)的專業(yè)性科技期刊，是中國儀器儀表行業(yè)最具影響力的期刊之一。

　　1 概況

　　我國的2007～2017年全國新增排水管道長度36.9萬千米，年均增長率在5.6～12%之間，截止到2017年底，我國城市排水管道長度總量達(dá)到 63.0萬千米，其中超過27萬千米排水管網(wǎng)的使用年齡在十年以上[1]。而城市排水管網(wǎng)多是隱蔽工程，埋于路面以下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行工況多樣，出現(xiàn)安全運(yùn)行問題后不易被發(fā)現(xiàn)。因排水管網(wǎng)運(yùn)行異常而造成的雨污水溢流、路面塌陷、城市內(nèi)澇、地表水污染和沼氣聚集爆炸等事故，嚴(yán)重影響了城市安全和居民生活(圖1)。

　　排水管網(wǎng)的運(yùn)行安全問題主要包括混接、錯接、滲漏、淤堵、溢流、井蓋移位傷人、有毒有害氣體聚集爆炸及在車流人流密集路段因排水管網(wǎng)滲漏可能產(chǎn)生路面塌陷等。這些風(fēng)險隱患與管網(wǎng)運(yùn)行的主要指標(biāo)及參數(shù)，如流速、流量、水位、可燃有毒氣體濃度等都密切相關(guān)。通過對復(fù)雜的排水管網(wǎng)建立一套完整、穩(wěn)定的安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，實時獲取管網(wǎng)運(yùn)行在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，一方面可以了解排水管網(wǎng)整體運(yùn)行的動態(tài)規(guī)律以及風(fēng)險情況，使各種風(fēng)險隱患關(guān)口前移，降低安全事故的發(fā)生的幾率;另一方面通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，為排水管網(wǎng)的科學(xué)研究、設(shè)計、規(guī)劃改造及運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

　　2 分布式傳感器

　　為了實時獲取排水管網(wǎng)的主要運(yùn)行參數(shù)，如水位、流速、流量、可燃有毒氣體氣體濃度和井蓋移位等，以識別排水管網(wǎng)在運(yùn)行過程中存在的安全問題，需要在排水管網(wǎng)的主干及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布設(shè)流量計、液位計、可燃?xì)怏w監(jiān)測儀和智能井蓋等傳感器，形成一套覆蓋全面的安全運(yùn)行監(jiān)測網(wǎng)。

　　2.1 流量計

　　排水管道中的流量測量多采用多普勒超聲波流量計，可實現(xiàn)排水管網(wǎng)或明渠等場合的滿管、非滿管流量在線長期穩(wěn)定監(jiān)測與積水及溢流預(yù)警報警。其測量工作原理是使用速度面積法，液位測量使用壓力測量原理，速度測量使用多普勒超聲波測量原理，當(dāng)超聲波入射到水中，水中存在著不均體(如懸浮物等)將對聲波產(chǎn)生不規(guī)則散射，散射聲波的一部分被接收換能器接收，由于水流存在，散射體與發(fā)射器、接收器之間有相對運(yùn)動，據(jù)多普勒效應(yīng)原理，接收到的反射信號頻率有一定偏高，即多普勒頻移。根據(jù)多普勒頻移方程，頻移的大?。?/p>

　　式中：△Fd-多普勒頻移;F0-發(fā)射超聲波頻率，Hz;C-水中聲速，m/s;V-水中流速，m/s;θ-發(fā)射波速和接收波速相對于水流方向的夾角。

　　超聲波發(fā)射頻率為常數(shù)，換能器夾角安裝后固定不變，所以K為常數(shù)。由式(3)可見，流速V和多普勒頻移△Fd及水的聲速C成正比，只要檢測出多普勒頻移△Fd和水的聲速C，即可計算出流速(圖2)。

　　①流速測量傳感器;②壓力水位測量傳感器(可選);③傳感器本體;④接地板;⑤電纜;⑥電纜壓蓋

　　2.2 液位計

　　排水管道或檢查井的液位測量多采用液位靜壓式傳感器，可設(shè)置報警點(diǎn)，當(dāng)液位高于或低于設(shè)定值時，發(fā)生報警。其利用液體靜壓力進(jìn)行測量，當(dāng)測量探頭放入液體中時，設(shè)大氣壓為P0，液面到測量元件高為h，液體密度為ρ，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，則變送器探頭上所受壓力為：P1=P0+ρ×g×h，敏感元件的負(fù)側(cè)通過導(dǎo)氣電纜與大氣相通所受壓力為：P2=P0。所以測量元件所測到的壓強(qiáng)差值為：P=P1-P2=ρ×g×h，對于特定的液體介質(zhì)和確定的地區(qū)，ρ和g均為常數(shù)，所以P與h呈線性關(guān)系，即可得到液體深度(圖3)。

　　通過在污水管道的主干節(jié)點(diǎn)布設(shè)流量計，利用旱天流量識別生產(chǎn)生活污水排放規(guī)律，將其和雨天流量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，便可以得到降雨時的入流入滲量。例如：圖13為單場降雨時，某進(jìn)污水處理廠的主干管道的流量變化過程線，通過擬合的旱天流量排放過程線，即可求得此次降雨時該片區(qū)的污水管道入流入滲量，經(jīng)計算約為10047m3;圖14為連續(xù)多場降雨時，某污水管道支管的流量變化過程線，通過擬合的旱天流量排放過程線，即可求得連續(xù)多場降雨時，該支管控制片區(qū)的污水管道入流入滲量，經(jīng)計算約為3517m3。

　　3.5 可燃?xì)怏w爆炸

　　由于排水管網(wǎng)地下空間環(huán)境復(fù)雜，檢查井長期封閉，排水箱涵或管道因淤積易導(dǎo)致淤泥發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣;同時相鄰的燃?xì)夤芫W(wǎng)發(fā)生燃?xì)庑孤┮矘O易擴(kuò)散至排水管網(wǎng)中，大量的可燃?xì)怏w聚集，一旦遭遇明火時，會引發(fā)大空間爆炸。

　　沼氣和燃?xì)獾闹饕煞荻际羌淄?，通過在易淤積的污水井或靠近燃?xì)夤芫W(wǎng)的雨污水井布設(shè)可燃?xì)怏w監(jiān)測儀，監(jiān)測檢查井內(nèi)甲烷濃度和溫度的變化情況，即可判別并提前預(yù)知爆炸風(fēng)險，從而將排水管網(wǎng)可燃?xì)怏w的爆炸風(fēng)險消除在萌芽狀態(tài)。例如：圖15為合肥某小區(qū)門口的污水檢查井的可燃?xì)怏w濃度變化過程線，自2018年3月7日07時03分，甲烷濃度報警值上升至5.1%，此后該井內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度持續(xù)上升，到2018年3月12日11時01分，報警濃度值達(dá)到9.93%。經(jīng)現(xiàn)場核實，報警為污水檢查井內(nèi)的沼氣聚集導(dǎo)致的。

　　4 結(jié)論

　　通過對復(fù)雜的排水管網(wǎng)建立一套完整、穩(wěn)定的安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，實時的獲取管網(wǎng)的流速、流量、水位、可燃?xì)怏w濃度及井蓋移位等在線運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)，依托這些長期可靠的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，一方面可以定量的分析、評估及診斷排水管網(wǎng)的雨污混接、淤積、溢流、可燃?xì)怏w超標(biāo)、井蓋移位等安全運(yùn)行風(fēng)險，使各種風(fēng)險隱患關(guān)口前移，降低安全事故的發(fā)生的幾率;另一方面也可以了解排水管網(wǎng)整體運(yùn)行的動態(tài)規(guī)律，為排水管網(wǎng)的科學(xué)研究、設(shè)計、規(guī)劃改造及運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

　　基于分布式傳感器的排水在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，可以有效的提高市政排水工作的管理效率和精細(xì)化管理水平，具有一定的實用價值和推廣意義。

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