基于分布式传感器在线监测数据的排水管网安全运行问题识别与分析

　　摘 要：城市排水管网埋藏于地下，存在混接、错接、渗漏、淤堵、溢流、井盖移位、有毒有害气体聚集等安全运行问题。通过对复杂的排水管網建立一套完整、稳定的安全运行监测系统，依托长期可靠的在线监测数据，可以定量的分析、评估及诊断管网的安全运行问题，有效的识别预警雨污混接、污水溢流、管道淤积、城市内涝和可燃气体聚集爆炸等事故，提高市政排水工作的管理效率，具有一定的实用价值和推广意义。

　　关键词：排水管网;分布式传感器;监测数据;安全运行

　　《仪表技术与传感器》杂志1964年创刊，月刊，是面向仪器仪表行业的专业性科技期刊，是中国仪器仪表行业最具影响力的期刊之一。

　　1 概况

　　我国的2007～2017年全国新增排水管道长度36.9万千米，年均增长率在5.6～12%之间，截止到2017年底，我国城市排水管道长度总量达到 63.0万千米，其中超过27万千米排水管网的使用年龄在十年以上[1]。而城市排水管网多是隐蔽工程，埋于路面以下，拓扑结构复杂，运行工况多样，出现安全运行问题后不易被发现。因排水管网运行异常而造成的雨污水溢流、路面塌陷、城市内涝、地表水污染和沼气聚集爆炸等事故，严重影响了城市安全和居民生活(图1)。

　　排水管网的运行安全问题主要包括混接、错接、渗漏、淤堵、溢流、井盖移位伤人、有毒有害气体聚集爆炸及在车流人流密集路段因排水管网渗漏可能产生路面塌陷等。这些风险隐患与管网运行的主要指标及参数，如流速、流量、水位、可燃有毒气体浓度等都密切相关。通过对复杂的排水管网建立一套完整、稳定的安全运行监测系统，实时获取管网运行在线监测数据，一方面可以了解排水管网整体运行的动态规律以及风险情况，使各种风险隐患关口前移，降低安全事故的发生的几率;另一方面通过长期监测数据的积累，为排水管网的科学研究、设计、规划改造及运行维护提供数据支撑。

　　2 分布式传感器

　　为了实时获取排水管网的主要运行参数，如水位、流速、流量、可燃有毒气体气体浓度和井盖移位等，以识别排水管网在运行过程中存在的安全问题，需要在排水管网的主干及关键节点布设流量计、液位计、可燃气体监测仪和智能井盖等传感器，形成一套覆盖全面的安全运行监测网。

　　2.1 流量计

　　排水管道中的流量测量多采用多普勒超声波流量计，可实现排水管网或明渠等场合的满管、非满管流量在线长期稳定监测与积水及溢流预警报警。其测量工作原理是使用速度面积法，液位测量使用压力测量原理，速度测量使用多普勒超声波测量原理，当超声波入射到水中，水中存在着不均体(如悬浮物等)将对声波产生不规则散射，散射声波的一部分被接收换能器接收，由于水流存在，散射体与发射器、接收器之间有相对运动，据多普勒效应原理，接收到的反射信号频率有一定偏高，即多普勒频移。根据多普勒频移方程，频移的大小：

　　式中：△Fd-多普勒频移;F0-发射超声波频率，Hz;C-水中声速，m/s;V-水中流速，m/s;θ-发射波速和接收波速相对于水流方向的夹角。

　　超声波发射频率为常数，换能器夹角安装后固定不变，所以K为常数。由式(3)可见，流速V和多普勒频移△Fd及水的声速C成正比，只要检测出多普勒频移△Fd和水的声速C，即可计算出流速(图2)。

　　①流速测量传感器;②压力水位测量传感器(可选);③传感器本体;④接地板;⑤电缆;⑥电缆压盖

　　2.2 液位计

　　排水管道或检查井的液位测量多采用液位静压式传感器，可设置报警点，当液位高于或低于设定值时，发生报警。其利用液体静压力进行测量，当测量探头放入液体中时，设大气压为P0，液面到测量元件高为h，液体密度为ρ，当地重力加速度为g，则变送器探头上所受压力为：P1=P0+ρ×g×h，敏感元件的负侧通过导气电缆与大气相通所受压力为：P2=P0。所以测量元件所测到的压强差值为：P=P1-P2=ρ×g×h，对于特定的液体介质和确定的地区，ρ和g均为常数，所以P与h呈线性关系，即可得到液体深度(图3)。

　　通过在污水管道的主干节点布设流量计，利用旱天流量识别生产生活污水排放规律，将其和雨天流量监测数据进行对比分析，便可以得到降雨时的入流入渗量。例如：图13为单场降雨时，某进污水处理厂的主干管道的流量变化过程线，通过拟合的旱天流量排放过程线，即可求得此次降雨时该片区的污水管道入流入渗量，经计算约为10047m3;图14为连续多场降雨时，某污水管道支管的流量变化过程线，通过拟合的旱天流量排放过程线，即可求得连续多场降雨时，该支管控制片区的污水管道入流入渗量，经计算约为3517m3。

　　3.5 可燃气体爆炸

　　由于排水管网地下空间环境复杂，检查井长期封闭，排水箱涵或管道因淤积易导致淤泥发酵，产生沼气;同时相邻的燃气管网发生燃气泄漏也极易扩散至排水管网中，大量的可燃气体聚集，一旦遭遇明火时，会引发大空间爆炸。

　　沼气和燃气的主要成份都是甲烷，通过在易淤积的污水井或靠近燃气管网的雨污水井布设可燃气体监测仪，监测检查井内甲烷浓度和温度的变化情况，即可判别并提前预知爆炸风险，从而将排水管网可燃气体的爆炸风险消除在萌芽状态。例如：图15为合肥某小区门口的污水检查井的可燃气体浓度变化过程线，自2018年3月7日07时03分，甲烷浓度报警值上升至5.1%，此后该井内的可燃气体浓度持续上升，到2018年3月12日11时01分，报警浓度值达到9.93%。经现场核实，报警为污水检查井内的沼气聚集导致的。

　　4 结论

　　通过对复杂的排水管网建立一套完整、稳定的安全运行监测系统，实时的获取管网的流速、流量、水位、可燃气体浓度及井盖移位等在线运行监测数据，依托这些长期可靠的在线监测数据，一方面可以定量的分析、評估及诊断排水管网的雨污混接、淤积、溢流、可燃气体超标、井盖移位等安全运行风险，使各种风险隐患关口前移，降低安全事故的发生的几率;另一方面也可以了解排水管网整体运行的动态规律，为排水管网的科学研究、设计、规划改造及运行维护提供数据支撑。

　　基于分布式传感器的排水在线监测系统的建设与应用，可以有效的提高市政排水工作的管理效率和精细化管理水平，具有一定的实用价值和推广意义。

　　参考文献：

　　[1]中华人民共和国住房与城乡建设部.2017年城乡建设统计年鉴[M].2017.

　　[2]盛政，刘旭军，王浩正，等.城市污水管道入流入渗监测技术研究与应用进展[J].环境工程，2013，31(2)：17-21.

　　[3]向军.建立城市排水监测/管理网络系统的设想[J].市政技术，2003，21(3)181-183.

　　[4]宋兵跃，吴建平，周杨，等.市政排水设施安全运行监测及预警标准研究[J].市政技术，2014，32(6)：83-86.

　　[5]田志勇.超声波多普勒流量计在排水管网流量监测中的应用[J].市政技术，2008，26(1)：62-64.

　　[6]郭效琛，李萌，史晓雨，等.基于在线监测的排水管网事故预警技术研究与应用[J].中国给水排水，2018，34(19)：139-143.

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