摘要：國內外均有應用于緩解城市內澇和溢流污染的深隧系統，而深隧系統成功運營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)在于深隧的流量監測，需要根據深隧系統的特點(diǎn)選擇合適的流量監測方法?；诩夹g(shù)比選，武漢市大東湖污水深隧系統選擇基于超聲波互相關(guān)原理的超聲波流量計作為深隧中流量監測設備，該設備可實(shí)現可視化的實(shí)時(shí)流速監測且達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定長(cháng)期工作。采用互相關(guān)超聲波流量計對深隧斷面進(jìn)行了16層流速測量，結果表明，靠近管壁處的流速遠低于平均流速，以平均流速作為深隧不淤流速的判斷標準將給深隧運行帶來(lái)淤積風(fēng)險。

武漢市位于長(cháng)江中下游平原，梅雨季節降水充沛且地下水位較高，使其長(cháng)期面臨汛期的合流制污水溢流與內澇問(wèn)題。為緩解水環(huán)境狀況，武漢市于2020年建設完成大東湖污水深隧傳輸系統并實(shí)現通水，集中輸送污水，從而實(shí)現污水有效處理并大幅削減初雨、溢流污染。

在深隧設計和運營(yíng)過(guò)程中，運營(yíng)人員的核心控制指標為深隧內的流態(tài)和可能淤積狀態(tài)，因此需要實(shí)時(shí)測量流速、流量和淤泥厚度，以便評估運行中的風(fēng)險并調整運行策略。其中深隧的流速是深隧運行中的關(guān)鍵考核指標，若流速低于0.65m/s，則深隧將面臨較高的淤積風(fēng)險，此外，深隧的流速也是水力模型的校準條件之一。因此，流速的準確監測對深隧系統可持續性和長(cháng)期可靠運行至關(guān)重要，也是運營(yíng)期間項目風(fēng)險管控的關(guān)鍵評判指標。

01 大東湖污水深隧流量監測需求分析

近年來(lái)，深隧系統在國內外城市均有成功應用的案例，有效提高了城市排澇能力并改善了水體環(huán)境。深隧從建設目標上主要分為調蓄型雨洪深隧、傳輸型污水深隧與復合型多功能深隧，調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)現了區域污水的全集中處理，市政污水用地由20世紀90年代的300hm2縮減至190hm2，污水廠(chǎng)數量由6座縮減為3座，水循環(huán)利用率由30%提升至55%，對于緩解新加坡城市市政用地緊張、水資源缺乏等問(wèn)題起到了重要的作用。但從深隧運營(yíng)角度來(lái)看，早期國外深隧建設缺乏相應的在線(xiàn)監測技術(shù)與實(shí)時(shí)調度平臺，而國內深隧建設又處于起步階段，規劃設計、風(fēng)險論證等階段較為倉促，實(shí)際運行中會(huì )存在較多隱患。

大東湖污水深隧埋深達到50m以上，全長(cháng)17.6km，且僅保留7座通風(fēng)井，一旦通水后無(wú)法停水查看管道狀態(tài)，缺乏對深隧內污水的水量與流速等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的管控能力，給深隧運營(yíng)與調度帶來(lái)巨大的風(fēng)險。

在國內，深隧工程僅在廣州、香港、北京、上海等一線(xiàn)城市有初步應用，因此對深隧的在線(xiàn)監測仍在探索之中。通過(guò)在深隧關(guān)鍵節點(diǎn)處設置一系列監測傳感器，利用實(shí)時(shí)監測獲取的數據，可實(shí)現對深隧的入流和排水的全面掌控與精確調度。例如，美國芝加哥排水系統通過(guò)對深隧豎井的液位進(jìn)行監測，結合降雨監測數據決策閘門(mén)的啟閉；與此類(lèi)似，廣州排水深隧的東濠涌段設有在線(xiàn)液位監測傳感器，采用壓阻式液位傳感器，基于液位閾值對整個(gè)深隧的運行狀態(tài)進(jìn)行報警。然而，基于豎井液位監測可對深隧的運行狀態(tài)有初步判斷，但實(shí)際影響深隧運行的流速、淤積等狀態(tài)僅通過(guò)液位難以反映。在深隧流量監測方面，美國的密爾沃基深層隧道儲存系統設立了超過(guò)300個(gè)實(shí)時(shí)監測流量設備，通過(guò)實(shí)時(shí)精確調度，確保深隧在運營(yíng)時(shí)不堵塞，避免了人工下井維護和設備清淤。

結合國際深隧運行的成功經(jīng)驗進(jìn)行判斷，可以認為流量是最直觀(guān)反映深隧傳輸水量的關(guān)鍵參數，而流速是最直觀(guān)有效地反映深隧淤積風(fēng)險的指標，一旦流速低于最低設計流速，深隧管控平臺應及時(shí)發(fā)出報警信息來(lái)提醒運營(yíng)人員關(guān)注可能發(fā)生的淤積情況。通過(guò)在深隧平直管段設置流量計傳感器，利用實(shí)時(shí)監測獲取流速、流量、液位、淤積厚度等數據，可實(shí)現對大東湖深隧運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌控。

基于上述需求與大東湖深隧自身條件，大東湖深隧流量監測面臨如下問(wèn)題：

① 流速高動(dòng)態(tài)變化，對傳感器監測的穩定性有較高要求；

② 滿(mǎn)管運行，液位達到深隧管底以上30m，對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，對傳感器的安裝方法與安裝位置有限制；

④ 受限于深隧結構，傳感器必須安裝于豎井附近的平直管段，并通過(guò)電纜傳輸數據至地面，因此要求傳感器與變送器之間的電纜長(cháng)達100m以上，電纜屏蔽效果好。

02 在線(xiàn)流量監測方法選取

隨著(zhù)地下排水管網(wǎng)精細化管理的要求，流量測量不僅要有瞬時(shí)流速、瞬時(shí)流量、液位、水溫和累計流量，還對測量精度和周期提出更高的要求。流量計的種類(lèi)繁多，用于地下管網(wǎng)流量測量的流量計主要是超聲波流量計、電磁流量計和雷達流量計等。超聲波流量計又分為超聲波多普勒流量計、超聲波時(shí)差法流量計和超聲波互相關(guān)流量計。各類(lèi)流量計優(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的最大埋深為地下50m左右，為壓力流滿(mǎn)管運行，壓力達到400kPa以上，流量監測對象為污水，且實(shí)際運行中有一定可能性會(huì )在滿(mǎn)管與非滿(mǎn)管狀態(tài)間切換，因此電磁流量計、雷達流量計和超聲波時(shí)差法流量計均不適合，僅能采用超聲波測量技術(shù)。其中，多普勒流量計向水中發(fā)射連續超聲波，超聲波遇到水中顆粒后反射，多普勒流量計接收到的反射波的頻率將發(fā)生變化，流量計將記錄這個(gè)頻率的變化值，并根據多普勒效應計算出顆粒的運動(dòng)速度。但基于深隧測量場(chǎng)景，多普勒流量計具有如下的不適用性：①測量得到的流速實(shí)際為點(diǎn)流速，而非斷面流速，對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，對實(shí)際產(chǎn)生沖淤效果的流速判斷不準。

②需要穩定的流場(chǎng)條件，深隧流量計安裝位置受限于電纜長(cháng)度，往往安裝于豎井附近，流場(chǎng)條件較為復雜。

③需要定期校正，通過(guò)比較測量進(jìn)行校準，在深隧通水后難以進(jìn)行定期校正工作?；ハ嚓P(guān)流量計測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(zhù)進(jìn)行第二次掃描，產(chǎn)生的回波圖像或模式也被保存（見(jiàn)圖1）。由于反射物隨污水介質(zhì)同步移動(dòng)，通過(guò)比較前后兩個(gè)相似圖像或模式之間的相互關(guān)系可以識別反射物的位置來(lái)檢測和計算流速?；谠摐y量原理，考慮到超聲波的光束角度和脈沖重復率，通過(guò)空間分配最多可以直接測量流體中的16層微小顆粒的速度，從而直接計算得到高精度的管道斷面流速。

互相關(guān)流量計基于最新的水力模型，系統計算了一個(gè)密集的測量網(wǎng)絡(luò )，從單個(gè)測量點(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(guò)科學(xué)流量測量的、渠道專(zhuān)用的實(shí)時(shí)流體數學(xué)模型；②靠近壁面和水平速度分布的流速計算；③速度積分覆蓋這個(gè)斷面，最多測量16層流速；④無(wú)需校準?；ハ嚓P(guān)流量計能夠基于流體數學(xué)模型，建立覆蓋整個(gè)斷面的計算網(wǎng)格，從而得到整個(gè)斷面的流速分布情況，對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(wú)需校準的特點(diǎn)也更適合于深隧這樣的特殊場(chǎng)景。

03 流量監測方案

3.1 測量布點(diǎn)方案

考慮深隧完工后僅保留7座豎井，流量計采集到的數據需要通過(guò)有線(xiàn)的方式傳輸至地面遠傳設備，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)鍵豎井附近設置流量監測點(diǎn)（見(jiàn)圖2），每個(gè)監測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(jiàn)表2。

3.2 流量監測設備安裝

在每個(gè)點(diǎn)位安裝一套流量計相關(guān)設備，單套流量計安裝組件包括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量剖面流速分布，其中安裝于180°的探頭可滿(mǎn)足滿(mǎn)管流量測量，同時(shí)用于流速與淤積界面的測量；安裝于30°與-30°的探頭可用于非滿(mǎn)管條件下的流速測量，且與頂部探頭形成監測網(wǎng)格，其16層流速測量網(wǎng)格如圖3所示；變送器在地面電控柜內安裝，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。

深隧設備安裝難度高，安裝方式需選擇長(cháng)期穩定固定的方式，且安裝后密封防水性高，安裝過(guò)程需對管道破壞程度低、安裝時(shí)間靈活、配合深隧自身施工進(jìn)程等?；谝陨舷拗茥l件，深隧流量計采用化學(xué)螺栓固定安裝的方式，由豎井向內布線(xiàn)40 m確定傳感器位置，傳感器沿管壁共布設3個(gè)探頭（見(jiàn)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(mǎn)管的水力狀態(tài)下，可同時(shí)用于監測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，用于流量監測；3處傳感器探頭監測的數據互為校準，使監測數據的準確性得到極大提升，同時(shí)避免未來(lái)的頻繁校準維護問(wèn)題。

安裝過(guò)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；用扎帶將三根信號電纜捆綁，匯合于深隧管壁右側45°位置，從深隧內部沿伸至井口處；考慮豎井處有湍流或匯水，對豎井沖擊力比較大，因此從豎井處開(kāi)始，三根傳感器電纜外部用鋼管保護，在豎井澆筑前穿過(guò)豎井井壁，從外壁引入地面，最大程度地避免對井體結構的影響。深隧施工結束后，最終傳感器及其保護套管將澆筑至豎井管壁混凝土內，保證其穩定性，圖5為流量計安裝現場(chǎng)效果圖。

04 深隧流量監測結果分析

深隧通水運行后，選取某個(gè)時(shí)刻下4個(gè)監測斷面的監測網(wǎng)格數據進(jìn)行分析。各斷面的流速監測統計值如表3所示。液位結果顯示，4個(gè)監測斷面均為滿(mǎn)管狀態(tài)，與深隧設計要求相符；全斷面的平均流速監測結果顯示，4個(gè)斷面的平均流速在0.693～0.750m/s的范圍內波動(dòng)，從上游至下游的平均流速均滿(mǎn)足深隧設計中0.65m/s的最低流速要求。然而對每個(gè)斷面的3處傳感器分別計算平均流速時(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#井斷面處的流速低于0.65 m/s的最低流速要求。

基于監測的3×16處點(diǎn)位的流速數據，構建斷面的流速矩陣數據，制作4個(gè)監測斷面的深隧管道斷面流速分布圖（見(jiàn)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??；此外越靠近下游則低流速區域越大，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)險較高。從流速分布情況來(lái)看，從4#井監測斷面開(kāi)始，深隧管道流速分布不再呈現對稱(chēng)的同心圓形態(tài)，而開(kāi)始出現右偏心形態(tài)，這是由于4#井為支隧的匯流井，匯流對流速分布造成明顯影響，且該影響一直延伸至深隧末端。

由上述結果可以判斷，在平均流速滿(mǎn)足設計條件時(shí)，其靠近管道內壁處流速存在大量低于設計流速的區域，實(shí)際運行條件難以滿(mǎn)足深隧運行的不淤流速的設計要求，僅通過(guò)測量單一平均流速，無(wú)法反映深隧等大管徑管道的實(shí)際運行流速。因此，對深隧淤積風(fēng)險評估需采用互相關(guān)流量監測技術(shù)來(lái)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)險評估，且通過(guò)提升流速來(lái)實(shí)現淤積沖刷時(shí)，也同樣需要以靠近管壁處的流速為參考標準。

05 結論

將超聲波互相關(guān)流量監測技術(shù)成功應用于大東湖污水深隧中，滿(mǎn)足深隧監測的高防水性、免維護的設備安裝要求，實(shí)現對深隧管道斷面上3×16的測量點(diǎn)位的實(shí)際流速的在線(xiàn)監測?；诒O測獲得深隧流量與流速數據，可實(shí)現對深隧轉輸水量的實(shí)時(shí)掌控，同時(shí)可為深隧在線(xiàn)水力模型提供校準條件，并作為深隧淤積風(fēng)險評估模型的輸入參數，為大東湖深隧運行狀態(tài)監控與運維工作提供可靠保障。監測結果顯示，深隧由于其管徑較大，平均流速無(wú)法反映深隧管壁處的實(shí)際流速，在通過(guò)流速控制深隧淤積風(fēng)險時(shí)，應充分考慮平均流速與管壁實(shí)際流速的差值。在深隧內部進(jìn)行流量監測國內尚屬首次實(shí)踐探索，其成功安裝經(jīng)驗為其他深隧系統的水下流量監測提供了可借鑒的方案。