摘 要：城市排水管網埋藏于地下，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行問題。通過對復雜的排水管網建立一套完整、穩定的安全運行監測系統，依托長期可靠的在線監測數據，可以定量的分析、評估及診斷管網的安全運行問題，有效的識別預警雨污混接、污水溢流、管道淤積、城市內澇和可燃氣體聚集爆炸等事故，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。
關鍵詞：排水管網;分布式傳感器;監測數據;安全運行
《儀表技術與傳感器》雜志1964年創刊，月刊，是面向儀器儀表行業的專業性科技期刊，是中國儀器儀表行業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到 63.0萬千米，其中超過27萬千米排水管網的使用年齡在十年以上[1]。而城市排水管網多是隱蔽工程，埋于路面以下，拓撲結構復雜，運行工況多樣，出現安全運行問題后不易被發現。因排水管網運行異常而造成的雨污水溢流、路面塌陷、城市內澇、地表水污染和沼氣聚集爆炸等事故，嚴重影響了城市安全和居民生活(圖1)。
排水管網的運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滲漏可能產生路面塌陷等。這些風險隱患與管網運行的主要指標及參數，如流速、流量、水位、可燃有毒氣體濃度等都密切相關。通過對復雜的排水管網建立一套完整、穩定的安全運行監測系統，實時獲取管網運行在線監測數據，一方面可以了解排水管網整體運行的動態規律以及風險情況，使各種風險隱患關口前移，降低安全事故的發生的幾率;另一方面通過長期監測數據的積累，為排水管網的科學研究、設計、規劃改造及運行維護提供數據支撐。
2 分布式傳感器
為了實時獲取排水管網的主要運行參數，如水位、流速、流量、可燃有毒氣體氣體濃度和井蓋移位等，以識別排水管網在運行過程中存在的安全問題，需要在排水管網的主干及關鍵節點布設流量計、液位計、可燃氣體監測儀和智能井蓋等傳感器，形成一套覆蓋全面的安全運行監測網。
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，可實現排水管網或明渠等場合的滿管、非滿管流量在線長期穩定監測與積水及溢流預警報警。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)將對聲波產生不規則散射，散射聲波的一部分被接收換能器接收，由于水流存在，散射體與發射器、接收器之間有相對運動，據多普勒效應原理，接收到的反射信號頻率有一定偏高，即多普勒頻移。根據多普勒頻移方程，頻移的大小：
式中：△Fd-多普勒頻移;F0-發射超聲波頻率，Hz;C-水中聲速，m/s;V-水中流速，m/s;θ-發射波速和接收波速相對于水流方向的夾角。
超聲波發射頻率為常數，換能器夾角安裝后固定不變，所以K為常數。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，可設置報警點，當液位高于或低于設定值時，發生報警。其利用液體靜壓力進行測量，當測量探頭放入液體中時，設大氣壓為P0，液面到測量元件高為h，液體密度為ρ，當地重力加速度為g，則變送器探頭上所受壓力為：P1=P0+ρ×g×h，敏感元件的負側通過導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差值為：P=P1-P2=ρ×g×h，對于特定的液體介質和確定的地區，ρ和g均為常數，所以P與h呈線性關系，即可得到液體深度(圖3)。
通過在污水管道的主干節點布設流量計，利用旱天流量識別生產生活污水排放規律，將其和雨天流量監測數據進行對比分析，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的污水管道入流入滲量，經計算約為10047m3;圖14為連續多場降雨時，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，即可求得連續多場降雨時，該支管控制片區的污水管道入流入滲量，經計算約為3517m3。
3.5 可燃氣體爆炸
由于排水管網地下空間環境復雜，檢查井長期封閉，排水箱涵或管道因淤積易導致淤泥發酵，產生沼氣;同時相鄰的燃氣管網發生燃氣泄漏也極易擴散至排水管網中，大量的可燃氣體聚集，一旦遭遇明火時，會引發大空間爆炸。
沼氣和燃氣的主要成份都是甲烷，通過在易淤積的污水井或靠近燃氣管網的雨污水井布設可燃氣體監測儀，監測檢查井內甲烷濃度和溫度的變化情況，即可判別并提前預知爆炸風險，從而將排水管網可燃氣體的爆炸風險消除在萌芽狀態。例如：圖15為合肥某小區門口的污水檢查井的可燃氣體濃度變化過程線，自2018年3月7日07時03分，甲烷濃度報警值上升至5.1%，此后該井內的可燃氣體濃度持續上升，到2018年3月12日11時01分，報警濃度值達到9.93%。經現場核實，報警為污水檢查井內的沼氣聚集導致的。
4 結論
通過對復雜的排水管網建立一套完整、穩定的安全運行監測系統，實時的獲取管網的流速、流量、水位、可燃氣體濃度及井蓋移位等在線運行監測數據，依托這些長期可靠的在線監測數據，一方面可以定量的分析、評估及診斷排水管網的雨污混接、淤積、溢流、可燃氣體超標、井蓋移位等安全運行風險，使各種風險隱患關口前移，降低安全事故的發生的幾率;另一方面也可以了解排水管網整體運行的動態規律，為排水管網的科學研究、設計、規劃改造及運行維護提供數據支撐。
基于分布式傳感器的排水在線監測系統的建設與應用，可以有效的提高市政排水工作的管理效率和精細化管理水平，具有一定的實用價值和推廣意義。
參考文獻：
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