观点讨论：排水管网流量精准测量，为多场景提供硬“安全底座”和软“数字底座”

城市排水管网在城市中承担着污水输送、控制水体污染及预防内涝溢流等作用，是保障城市生活正常运转的重要基础设施，因此对排水管网的监测至关重要。

排水管网测量的主要内容是流量 ( 含液位 ) 和水质。在以前的文章 《观点讨论：排水管网流量测量的难点和面临的挑战》 中，我们强调了重力排水管网流量测量的特殊性和复杂性： ① 管径越大的管道，埋深越深，流速越快； ② 管道底部通常有污泥沉积； ③ 满管 / 非满管交替运行； ④ 悬浮物浓度波动大，异物 / 油脂和杂质多导致传感器容易被缠绕和覆盖，悬浮物以及卫生纸等杂质会对测量造成干扰； ⑤ 随着提质增效的推进，管网里的 CH ₄ 和 H ₂ S 等浓度不断增加； ⑥ 安装点的选择等。

今天，我们回过头来讨论排水管的运营特点，并进一步梳理排水管网流量测量的应用场景。

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排水管网的运营特点

从运营的角度看，除了水质复杂、杂质多、异物多、满管非满管交替导致液位波动大之外，排水管网还有如下特点：

“ 三高 ” ：

污水管网通常是高水位运行（雨水管有低水位）；
污水处理厂高水力负荷（非高污染负荷）；
高 SSO （ sep a rate sewer overflow ，分流制排水污水溢流）。

“ 三低 ” ：

污水处理厂的进水 COD 和 BOD ₅ 等浓度低；
排水管网的容积利用率低；
提质增效的减排效率低。

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排水管网流量测量的特点

排水管网的流量是给排水项目的基本要素，对流量测量的需求贯穿项目建议书、初步设计、施工图设计、建设和运营等各个阶段；
流量测量设备的投资占比很小，但对设计、建设和运营效果的影响很大；
排水管网常用的流量测量方法种类繁多；
排水管网的流量测量难度较高，通常会超过预估。

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排水管网流量测量的方法

流量无法直接测量。

使用速度面积法流量计测量流量 Q 时，通常需要测量两个参数：过流断面的平均流速和过流面积。采用以下通用计算公式：

Q = v ₍ _平均 ₎ · A

这样，就需要对过流断面平均流速和过流面积（输入过流断面形状后，转换为液位的测量）进行实时和准确的测量。

液位的精确测量 ( h )

通过连续测量管道的充满度来确认过流的横截面 A 。液位变化会导致过流横截面积的变化，因此精确的流量测量需要在所有水力条件下进行精确可靠的液位测量。初雨中含有较多的杂质，需要考虑多重冗余的液位测量解决方案，确保在非满管等复杂情况下液位的精确测量，提供更多的数据判断可能存在的问题。

可以考虑采用外置的超声波液位计或静压式液位计作为冗余的液位测量。

流速的精确测量 ( v )

过流断面平均流速的精确测量，是速度 - 面积法测量的核心技术。结合国内外的流量测量设备，排水管网的流量测量方法可以分为：超声波流量计、感应式电磁流量计、雷达流量计和基于水力学计算的流量计。其中：

超声波流量计和感应式电磁流量计可以归为接触式或速度 - 面积法流量计；
雷达流量计和基于水力学计算的流量计可以归为非接触式流量计。

根据流量计测量原理的差异，可以在不同应用场景下选择合适的流量计。参见下表。其中：

× ：不推荐使用；
√ ：推荐使用；
√ ：是指可以使用，但测量不准确性偏大，或者受法规限制。

从上表可以看出，雷达流量计和基于水力学计算的非接触式流量测量方法的测量误差大，更多的用于定性的测量而非定量测量。接触式或速度-面积法流量测量方法中，感应式电磁流量计需要开挖施工，且存在小流量偏差大的情况。因此，感应式电磁流量计不是排水管网流量测量的主流产品。而超声波时差法受水中悬浮物的影响大，通常用在比较干净的河水和供水管网，不适合含杂质比较多的排水管网。

因此，排水管网中使用的主要是超声波多普勒和超声波互相关流量计。需要根据应用场景的需求，选择合适的排水管网流量计。

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排水管网流量测量的应用场景

综合实践经验及相关文献，可以使用流量计解决排水管网的如下问题，并为排水管网提供多场景的硬 “ 安全底座 ” 和软 “ 数字底座 ” 。

排水管网诊断及外水调查：基于夜间最小流量法，可以准确计算较小汇水分区的外水量；结合水质和数学模型，判断可能的入流点 ^{[1 -} ³ ^] 。
雨水管网的雨污混接改造：基于夜间最小流量法，可以准确计算雨水管网流量与降雨的关系，判断是否需要进行雨污混接改造。
管网非开挖修复效果的验证：基于夜间最小流量法，通过流量的精准测量，在不停水的情况下判断管网非开挖修复效果。
城市黑臭水体治理：根据住房和城乡建设部、生态环境部、国家发展改革委、水利部共同印发的《深入打好城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》，全面排查，科学编制黑臭水体系统化整治方案；而流量测量是其中重要的排查手段 ^[ ⁴ ^] 。
调蓄池的控制：基于调蓄池的进口流量测量，实现同一个汇水区的多个调蓄池的联调联动。
截流井的控制：基于流量和水质测量，实现截流管的流量控制及可能的排河道流量控制。
污染源溯源和偷排管控：通过流量的精确测量，结合排水管网早晚高峰及周期性特点，判断排水偷排来水情况；采取在线取样器与流量计联动的方式，获取偷排的证据。
在线水力模型校准和排水管网实时控制系统（ RTC ）：排水管网流量计可实现对转输水量的实时掌控，同时可为在线水力模型提供校准条件 ^[ ^{5 -} ⁶ ^] 。
排水管网淤积情况：排水管网流量计可以实时测量管网淤积深度，并作为淤积风险评估模型的输入参数，为排水管网的运行状态监控与运维工作提供可靠保障 ^[ ⁶ ^] 。
污水厂处理区域的污水水量不平衡：用流量计准确获得各个污水厂流域内排水管网水量的变化规律，并采取必要的手段进行水量调度，是解决片区水量不平衡的根本手段 ^[ ^{7 -} ⁸ ^] 。
泵站流量测量：某排水管理处泵站的排水量是以水泵的铭牌流量乘以运行时间来进行估算，这种方法存在较大的误差，因此泵站管理无法真正实现优化调度和高效运行。使用合理的排水管网流量计，有利于实现泵站的科学调度和高效运行 ^[ ⁹ ^] 。

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小结

无论是分流制还是合流制系统，在城镇排水管网关键节点设置流量在线监测装置、液位和水质在线仪表，协同已建设施，可高效保障现有排水设施安全运行和日常维保。在我国的新发展阶段，尤其是 “ 十四五 ” 时期城镇排水基础设施产业升级、有机更新以及数字化转型领域，在污水系统 - 源网站厂河一体化、雨水排水系统 - 联排联调、内涝防治系统 - 绿灰蓝统筹等具体应用场合，管网流量精确检测可提供坚强可靠的硬 “ 安全底座 ” 和软 “ 数字底座 ” 。

除了水质复杂、杂质多、异物多、满管非满管交替导致液位波动大之外，排水管网还有 “ 三高 ” 和 “ 三低 ” 的特点。

排水管网流量测量的应用场景很多；不同的应用场景，对流量测量精度的要求不同。排水管网中使用的主要是超声波多普勒和超声波互相关流量计。根据应用场景的不同而选择合适的排水管网流量计，是后续值得深入探讨的问题。