随着社会对生态环境保护意识的提高，对污水的收集、处理、管控需求也越来越高。相关部门多次下达通知，要求“加快补齐城镇污水收集和处理设施短板，尽快实现污水管网全覆盖、全收集、全处理”“积极推行污水处理厂、管网与河湖水体联动‘厂—网—河（湖）’一体化、专业化运行维护，保障污水收集处理设施的系统性和完整性”。为响应相关要求，各地积极开展智慧排水系统建设，以实现对排水的智慧化、一体化管控。流量计作为实现智慧排水的重要物联设备，能够实时监测排水管道内的液位和流速流量，帮助管理者实时了解排水状况、排水规律，甚至可以用于协助排查管网破损点、混接点，为管网改造和排水规划编制提供参考依据，是非常重要的基础数据，其准确性、稳定性至关重要[1]。不适当的流量计，其数据稳定性、准确性无法满足使用需求，会导致监测数据不可用，投资浪费，以数据为基础的分析规划无法进行，因此选择流量计时要充分对比分析[2]。目前，污水管道中使用较广泛的流量计设备有雷达流量计、多普勒流量计、雷达超声流量计、互相关流量计等。本文对以上几种流量计原理、适用场景、稳定性和准确性进行分析和对比，为污水管网流量计设备选型提供参考。1工程概况1.1项目总体概况山东省青岛市某区排水管网管控平台建设项目是基于物联网、大数据、云计算和地理信息等技术构建成的一体化管控平台，主要包括智慧排水信息系统、物联平台、大屏展示中心和管控基础平台。平台实现了对排水管网排查成果的一张图可视化管理，项目一期建设了11处监测点位，通过采集液位、流量、水质等参数实现在线监测分析，监控管网实时运行状态并结合预测预警机制，实现对突发事件的及时处置。项目二期将继续增加监测点位，目前在方案设计阶段。排水管网一体化管控平台建设是构建智慧水务的必要内容、城市排水防治体系的重要组成、排水工程长期规划的必要依据。平台建设完成后，将提升城市排水信息化综合管理水平、建立城市排水智慧化体系辅助研判，并为排水工程规划、建设、运行管理提供依据[3]。1.2项目设备概况项目建设的11处监测点位分散布置于本区污水主管网上，点位选择在进污水厂主干管、次干管关键节点、街道污水汇入主城区主要接驳点、过河管、截污干管、进泵站前管道等位置，污水管道材质为混凝土，管径为DN1 000~1 500 mm。监测参数包括污水流量、液位、COD、氨氮、pH值、浊度、溶解氧等，其中流量计设备安装前后经历了多次长时间的测试，以实测数据为支撑，对目前主流的4类流量计的选型与适用场景进行分析，项目最终选取多种流量计相结合的方式进行监测，设备安装根据不同类型的流量计，选择不同的安装位置。2设备选型分析2.1雷达流量计雷达流量计是一种非接触的流量、流速、液位一体式监测设备，其工作原理是采用发射—反射—接收的工作模式，采用高频振荡器作为雷达波发生器，发生器产生的雷达波通过导波管引导雷达天线向外传播[4]。当雷达波到达检测液面时，一部分被吸收，另一部分被反射回雷达天线接收，通过建立发射波与反射波的函数关系实现液位测量。同时，接收的回波频率相对于发射频率发生一定偏移，由多普勒频率方程可求得水面流速，通过经验公式、数据模拟得到截面流速。利用速度面积法计算流量，根据截面流速、液位及预先在控制器设置的管道参数，可自动换算出过流面积，流量即为过流面积与截面流速的乘积。雷达流量计广泛适用于各种渠道、管道、罐体、江河、水库闸口等场景中的液位流量流速测量，具有不受温湿度、压力、风雨或其他气象环境条件的影响，可全天候稳定工作；测量时不受水中漂浮物、泥沙、气泡和水位大幅变化的影响，测量精度高；非接触式测量，无污染，污垢不易附着，无损耗，使用寿命长；可独立与现在运行中的城市水情、污水、环境自动测报系统联机等优点。雷达流量计直接测得的流速为雷达波覆盖范围内的水面流速，通过经验公式、数据模拟得到截面流速，无法客观反映水面以下水流的流场分布和实际流速流量。市政污水管道恶劣的运行环境中，污水中上部垃圾漂浮物较多，底部存在淤积，污水管道存在部分变形破损，还会有支管污水汇入，扰动因素颇多，导致污水流动状况复杂，经验公式和模型并不能够计算得到准确的流速流量。对于追求精确流速流量的场景，应避免使用此种流量计，但对于无须精确、只追求稳定运行的趋势性流速流量数据的场景可以参考使用。此类场景下，雷达流量计稳定可靠，非接触测量不受环境影响。2.2多普勒流量计多普勒流量计的工作原理是利用物理学中的多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者接收的声波频率将不同于声源所发出的频率[5]。这个频率变化与两物体之间的相对运动速度成正比，观察者指能够反射声波的固体粒子或气泡等两相介质，其测量到的流速反映声波覆盖范围内的某个深度或多个深度的流速，再计算得到截面平均流速，计算过程依赖流量计内置的理论模型。但实际上，水流的运动复杂多变，水力学模型通常只适合用于均匀流，所以遇到湍流时，雷达流量计和多普勒流量计均无法计算断面平均流速。即使看似均匀的运动状态，水流中仍会有微小的扰动和旋涡，尤其污水管道内漂浮物、垃圾颗粒、淤泥较多，无法形成理想状态流速，流速测量更困难。在这种水流运动情况下，多普勒流量计比雷达流量计准确性要高。多普勒测量的是水下不同深度流速，可以近似得到相对准确的流速分布，而雷达流量计只能测表面流速，无法测量实际的流速分布；只能假定当前的流态进行计算，准确度不及多普勒流量计[6]。流量计安装在水下，受污水环境影响，污水腐蚀性较强且探头易形成生物膜，影响测量精度；安装位置需要置于管道中垂线的水下，一般选择L杆将流量计安装在管中或管底，位于管底易被淤泥覆盖，位于管中则易挂垃圾，堵塞探头，设备运维频率远高于雷达流量计，否则无法形成稳定的流量数据。安装在污水管道内的多普勒流量计监测到的污水流量数据总体较为稳定，有规律，但存在无数据时间段，原因为挂垃圾堵塞设备探头，清理维护后恢复正常运行。部分垃圾量较大的管网，运维工作量会成倍增加，甚至需要每天提起设备清理垃圾。多普勒流量计实测流速数据如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.03.018.F001图1多普勒流量计实测流速数据2.3雷达超声多功能流量计雷达超声多功能流量计是采用接触、非接触式结合的流量测量设备，主要由雷达流速仪、超声波流速仪和、雷达水位计和压力式水位计组成，其原理是测量流体表面或断面流速，结合水位可计算得到流量[7]。此类流量计一般安装在污水管道管顶，其特点是：当管道内水体为非满管时，采用雷达流速仪和雷达水位计测量液位和表面流速；当管道内水体淹没设备或满管时，采用超声波流速仪和压力水位计测量液位和断面流速，因此在满管、非满管两种状态均可来回切换，计算不同状况的流量，以满足不同测量需求。雷达超声多功能流量计设备组成如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.03.018.F002图2雷达超声多功能流量计设备组成安装在污水管道内的雷达超声多功能流量计监测的污水流量数据稳定，规律性较强，日累计流量经验证，基本与该污水管道经验流量趋于一致。设备运维管理工作主要是丰水期满管状态下，偶有挂垃圾现象，需要进行清理。雷达超声多功能流量计实测流速数据如图3所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.03.018.F003图3雷达超声多功能流量计实测流速数据设备属于两种设备的组合，因此集合了两种设备的优点。非满管状态测量稳定可靠，不挂垃圾，不接触污水，不损伤设备探头；满管状态也能保证较为稳定的监测数据。最大的优势为安装在管顶，非满管不存在挂垃圾风险，满管状态挂垃圾的频率低于L杆安装方式的多普勒流量计，可降低运维管理难度和投入[8]。缺点是非满管状态雷达流速仪测得的流速同雷达流量计相同为表面流速，准确度不及多普勒流量计，且造价较高，一般为多普勒流量计的2~3倍。2.4互相关流量计使用互相关流量计测量流速时，采用两个相似图像模式之间的互相关系进行计算，使用具有限定角度的超声脉冲，扫描现有反射物（颗粒、矿物或气泡），将得到的回波保存为图像或回波模式，几毫秒后进行第二次扫描，产生的回声模式也被保存。通过关联保存的信号，可以明确可识别的反射物位置，由于反射物随介质移动，可以在图像中的不同位置进行识别，且可以直接计算出介质中颗粒的速度，从而计算来自反射物的断面流速。设备最多可测量16层流速，得到的断面流速更贴近真实值，精度更高。互相关流量计测量原理如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.03.018.F004图4互相关流量计测量原理互相关流量计安装方式上可使用L杆或利用涨圈安装；安装位置可以在管中或管壁；设备位置可以是管顶、管底或侧壁。安装在污水管道中的互相关流量计污水流量监测数据稳定，规律性强，日累计流量经验证基本与该污水管道经验流量相同。设备测试运行数月，未发生需要进行维护的状况。互相关流量计实测流速流量数据如图5所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.03.018.F005图5互相关流量计实测流速流量数据相比前几种流量计，互相关流量计的优势主要表现在数据精度更高，稳定性更好，贴壁安装时运维工作量非常小。涨圈安装方式基本不挂垃圾，运维量小，但出现状况需要运维时，需要等待液位低或对上下游进行封堵后蛙人下井拆装进行运维，单次运维投入较大。其造价远高于其他流量计，对于不需要高精度流量数据的场景，不建议选用。3结语在流量计选型时，应综合考虑项目对于流量数据准确性、稳定性的需求及建设投入、后期运维投入等多方面因素。基于本文对各种流量计选型和适用场景进行的分析和数据对比，得出初步结论：对于数据稳定性要求不是很高，仅需要趋势性数据、建设投资不多的项目，宜选择雷达流量计；对于数据准确性要求较高、建设投资不多，但运维期可以持续投入的项目，可选择多普勒流量计；对于数据稳定性、准确性都有较高需求，建设投资较为充裕的项目，宜选择雷达超声多功能流量计；对于数据准确性、稳定性都要求很高，且建设投资非常充裕的项目，可选择互相关流量计。