互相关流量计在大尺寸大埋深高压力排水管网中的实践：以武汉大东湖排水深隧为例

为解决城市内涝和溢流污染问题，越来越多的城市开始采用 深隧排水系统 ，无需地上拆迁工程，就能提升城市排水效率。该系统能够显著提高区域排水标准和防洪标准，集中输送污水从而实现污水有效处理和大幅度消减初雨、溢流污染。

在深隧设计和运营过程中，需要实时测量深隧内的流速、流量和可能的污泥淤积状态，以便评估运行中的风险，调整运行策略。此外，深隧的流速也是作为水力模型的校准条件之一。 因此，深隧中流速的准确测量对深隧系统可持续性和长期可靠运行至关重要，也是运营期间作为项目风险管控的关键评判指标 。

1 大东湖深隧排水系统简介

大东湖深隧排水系统位于长江中下游平原的武汉市，梅雨季节降水充沛，因其地下水位高而无法及时下渗雨水，导致武汉市汛期频发内涝。为缓解武汉市水环境状况，提出了大东湖生态水网的建设方案。

大东湖深隧为全污水深隧，主线杨园南路-北湖污水处理厂，全长17.6 km，管径范围3.0~3.4 m；支线落步咀预处理站-主隧道，全长1.7 km，管径1.5 m。最低设计流速0.65 m/s，深隧坡度0.65%。主要输送污水；在雨季发挥调蓄治污和防洪排涝的功能，满管运行。

2 深隧流量监测的需求分析

大东湖深隧排水系统的上游来水为二郎庙预处理站、落步咀预处理站与武东预处理站所收纳的污水，服务范围约为130.35 k㎡ ，下游为位于北湖污水处理厂内的污水提升泵站，北湖污水处理厂处理规模近期规划80万吨/天，远期规划150万吨/天，一定程度上为被动入流出流，因此不具备对深隧内污水的水量与流速等关键技术点的管控，对上游污水管网收集的管理以及对北湖污水处理厂提升泵站的调度将对深隧的运行状态有较大的影响。

大东湖深隧排水系统通过在竖井设置液位计、流量计等传感器，利用实时监测获取的数据，可实现对深隧的入流和排水的精确调度。例如，美国的密尔沃基深层隧道储存系统和芝加哥的深隧排水系统，都通过实时精确调度，确保深隧在运营时自身达到不堵塞，避免了人工下井维护和设备清淤。流速是最直观有效地反映深隧淤积风险的指标，一旦流速低于最低设计流速，系统平台应及时发出预测报警信息来管控运营过程中可能发生的淤积情况。

综合上述需求分析，大东湖深隧排水系统的流量测量有如下特点：

? 流速高动态；

? 满管运行，液位甚至达到深隧管底30 m以上， 主隧中安装的传感器需要耐受40米水柱的压力 ；

? 在流速低于0.65 m/s时，可能产生淤泥； 需要同步测量流速和污泥沉积高度 ；

? 传感器与变送器之间的电缆长达100m以上，电缆屏蔽效果好，无需信号放大；

? 传感器要求1区防爆。

3 流量计的选择

随着地下排水管网精细化管理的要求，流量测量不仅要有瞬时流速、瞬时流量、液位、水温和累计流量，还对测量精度和周期提出更高的要求。流量计的种类繁多，而用于地下管网流量测量的流量计主要是超声波多普勒流量计和超声波互相关流量计。

关于排水管网流量计的选择，请点击历史文章 ? 《 排 水管 网流量测量的原理、方法和设备选择 》 和 ? 《 有问有答：如何选择排水管网流量计 》 。

而互相关流量计和多普勒流量计的比较，如下表。

考虑到大东湖排水深隧管道直径大、埋深深、管道底部压力高、流量计安装后无法维护等因素； 最终，选择德国NIVUS公司的4套互相关流量计（固定安装式），用于 大东湖排水深隧 关键节点的流量测量。

互相关流量计的传感器表面不产生微生物膜，日常维护工作量低。

4 实现同步测量流速和污泥界面

在互相关流速传感器基础上，增加了水中超声波，组合传感器；可以用于测量水位（底部安装时）及清晰的污泥界面（管道顶部安装时）。

污泥界面的测量原理是：传感器将定向的高频脉冲发射到水中，水中含有的固体颗粒或污泥会将声波反射回传感器，传感器随后将声信号转换为电子信号。根据超声波传播时间评估接收信号的强度，并在显示屏上以图形表示。

请注意，本系统只可以测量界限清晰的污泥界面。

5 流量计配置方案

互相关流量计的配置方案，见下表。其中， 每套传感器配100米电缆，无需信号放大 。

6 测量设备的安装和预埋件

6.1 流量计安装方式

适用于深隧的流量计的安装方式，采用固定安装方式。安装方式如下图。每套包括 2组流速传感器 和 1组流速/水中超声波组合传感器 。

这种布置方式的优点是：测量精度高（流量测量误差＜3%）、数据质量好、对测量前后平直段的要求相对较低。

6.2 传感器的安装位置

根据施工计划，大东湖深隧运行时，只有第3号、第4号、第6号和第7号竖井保留下来，其他施工竖井将被回填。因此，第3号、第4号、第6号和第7号竖井安装流量计。

7 现场安装照片

8 实际测量结果