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城市污水管网流量监测系统的设计与实现

发布于：2022-08-29 10:48:29 来自：给排水工程/市政给排水 [复制转发]

目前国内城市管网排水系统的运营现状普遍不尽如人意，时常发生雨天道路积水等现象，给城市环境和市民生活带来较为严重的影响。发生上述现象主要由于雨、污水管道混接，地下水过量渗入，已建管道系统不完善，管道淤积和堵塞等原因导致排水能力下降。由于地下管网排水管道系统的情况比较复杂，系统的图纸档案缺失现象普遍，又缺乏科学可靠的手段进行检测，因此排水系统的状况往往凭借经验判断而缺乏科学的诊断依据，给系统维护、管理与改造的方案决策带来困难。

对管道内水流情况变化的精确监测有助于准确评估管道的运行状况，提高排水系统改造决策的科学性与系统的运行管理水平。本文设计一个国内污水管网在线监测系统，可以实现对城市污水管网中的地下污水流量进行实时监测，并利用监测数据辅助污水管网的管理与维护。

1. 系统设计

整个系统由流量液位计、无线网络和后台服务器三部分组成(见图1)。流量液位计安装在污水管网中，测量一个污水管中的流量，整个系统有多个测量点。无线网络采用3G信号，将测量得到的数据传送到后台服务器。后台服务器采用大数据技术，分析采集到的污水管网中的各点流量数据，作出管网运行正常或需要维护的判断。

1.1 流量液位计

流量液位计采用插入式多因子监测探头，如图2所示。使用三组收集原始流量信息的传感器：一对多普勒峰值速度传感器、一个压力水位传感器和一个水图2流量液位计结构框图温传感器。主机根据预先设定的时间间隔接收从监测探头传来的原始速度和液位数据并进行分析处理，计算出流量，并将监测数据通过无线网络实时上报监控中心。

探头采用多普勒频移技术测量污水流速V，如图3所示。流体中的颗粒(固体或者气泡)使超声信号产生频率偏移，频率偏移和颗粒的流速成比例关系，通过测量频率偏移从而得到流速。

同时，探头采用陶瓷压力传感器，通过监测水压计算出液位H。当液位小于管径时，非满管。通过液位计算污水流过的截面乘以多普勒传感器测得的流速，计算出污水流量。

探头上安装温度传感器测量污水温度T，用于补偿多普勒传感器由温度引起的本振频率偏移，减少因温度变化对流速测量精度的影响。

将上述探头获得的数据V、H、T，传送到ARM处理器，则单位时间内的流量为Q=S(H)V(T),式中：Q为单位时间内的流量；S(H)为根据液位高度和污水管道横截面计算出的污水横截面；V(T)为经温度补偿后得到流速。

整个监测设备安装固定在略低于窨井井盖的位置，监测探头以插入方式安装固定于污水管道中。该设备能够在苛刻的条件下连续测量而没有漂移，能够在更长的维护间隔内工作，提供更加准确的流量数据，如图4所示。

1.2 无线传输网络

监测装置采取间歇测量、定时发送的方式。数据内容只包含该测量点的污水流量，数据大小只需2—3个字节。发送的间隔可以通过后台服务器设置，当城市污水较大时，可以采用较小的发送间隔，从而能更好地提供预警等功能。无线网络采用3G网络，并通过短信的方式发送给后台服务器。

1.3 后台服务器

后台服务器采集了大量的污水流量数据，通过对这些数据的分析与处理可以实现功能：

(1)管网监测信息实时查询显示。监测设备获取排水管网运行数据后，生成监控区域内管网运行信息动态监测画面。为方便用户决策，可实现流量液位和运行监控两种模式。流量液位模式显示流量计、液位计、泵站进水流量等；运行监控模式显示监测管段的管道充满度、泵前液位等。管理人员可远程监测管辖区域内管网系统的当前运行状态，为该区域的管网运行联合应急调度决策的及时制定提供辅助依据，充分发挥排水系统管网设施的运行能力。

(2)在线报警。在线报警功能主要对实时监测的数据进行分析，对各类运行设备的运行状态进行自动判断，并将在线监控的数据与系统的预设标准进行对比分析。如果排水设施运行过程中的监测值超标及监测设备发生故障或失去监测数据时，系统将自动发出报警信息，并以不同的警戒颜色显示，以提醒管理人员和相关部门对异常进行处理，从而保障城市排水系统安全稳定地运行。自动报警功能包括实时报警信息显示和历史报警信息统计两方面内容。

(3)入流入渗数据统计分析。由于管道错接、地下水入渗等原因引发的过量入流入渗量问题，不仅降低了管道系统的设计负荷，影响排水系统的正常功能，同时造成系统溢流频率增加，污染负荷加重，成为困扰排水系统正常运作的顽疾。系统利用连续监测数据，通过分析监测点和监测点上下游间的水量水位关系，确定降雨入流入渗的情况。为排查污水管网运行情况，特别是查找超负荷运行管线提供帮助，辅助管理部门制定解决对策。

2. 系统的实现与运行

目前，该系统已在国内某市的地下污水管网中试运行，监测探头安装如图5所示。