污水管网流量监测系统的设计与应用

污水管网流量监测系统的设计与应用

周宇坤，孟繁艺，张永泉

（云南省设计院集团有限公司，云南昆明 650228）

摘要：本文通过在A市WS片区市政污水管网中设置4个管网在线流量监测设备，形成了一套较为完善的污水管网流量监控系统。并依据所获数据，对该片区内污水管网旱、雨季的运行工况分别进行了分析，以期找到管网中存在的问题，对下一步管网的完善及雨污分流工程提出指导意见。分析表明：①WS-1、WS-2、WS-3号监测点服务范围内的雨污混接程度较高；②各监测点旱、雨季液位均在安全范围内，检查井暂无冒井风险。

关键词：流量监测点；液位监测；雨污混流率

0 引言

随着城市面积不断扩张，在排水基础设施快速完善的过程中，对排水系统的管理也提出了新的挑战。对已建污水管网雨污分流效果的评估以及对老旧污水管网修复更新工作的指导等一系列问题，均亟需科学且合理的数据来予以支撑和解答[1]。而对污水管网系统进行流量监控是能够正确评价其运行情况的重要依据之一[2]。目前，很多城市已开始在市政污水管网中的关键节点上布设流量监测设备，建立一个包含数据采集及分析的流量监控系统，以期能够更加快捷的掌握管网的运行情况，从而为市政排水系统的管理者提供实时决策的依据。

通过对A市某片区污水管网系统进行旱季和雨季流量的监测，分析其内在运行特性和规律，定位雨污分流效果较差的区域。为下一步管网完善和雨污分流工程的实施，以及管网液位预警提供依据。本文详细介绍了本次流量监测方案的确定和监测结果分析与处理的过程。

1 研究方法

1.1 研究区域情况

A市WS片区现状排水系统为雨污分流制排水系统。片区服务面积约7.5km2，截污管总长度20.4km，设计管径DN600～DN1200，管道埋深约为1.5m～9.6m。该片区内的排水管网分布如图1所示。

1.2 研究技术路线

污水管网的水量监测的实施流程主要分为：①现状污水管网系统分析；②现场踏勘选点；③流量监测设备安装；④获得数据并进行分析四个阶段。第一阶段的目的在于厘清所研究片区内各支管、干管间的从属关系，初步确定流量监测点布置位置。第二阶段进行现场踏勘，对第一阶段初步选择的流量监测点布设位置进行实地复核，确保所选点位能够满足流量监测设备对于液位、流速等水利条件的要求。第三阶段在相应的选点处安装流量监测设备，并进行调式。第四阶段对各监测点所获流量数据进行分析，挖掘现状管网存在问题，为管理者提供决策依据。

2 监测实施

2.1 流量监测点布置

通过对该片区内现状管网的从属关系进行详细分析后，确定本次监测点布控等级划分如下：

（1）0级监测点

污水处理厂进水处（由污水处理厂提供）。

（2）1级监测点

布置在截污干管上的监测点，反映截污干管上的水量情况。

（3）2级监测点

布置在污水次干管末端的监测点，反映污水次干管服务片区内的水量总体情况。

（4）3级监测点

布置在单个较大村落或连片村落出口处的监测点，反映大村落或连片村落水量情况。

（5）4级监测点

布置在典型独立村庄出口，反映独立村落水量情况。

图 3监测点位布置原则

依据上述布点原则，本项目共在该片区内布置共4个流量监测点，分别为WS-1（4级）、WS-2（2级）、WS-3（3级）、WS-4（1级），0级监测点流量由污水处理厂进行单独提供，流量点位布置位置如图1。

图1 研究区域排水管网分布级流量监测点布置图

2.2 分析方法

为了能尽可能全面的反映污水管网系统的运行情况，经研究本文最终决定采用雨水混流率、管段平均液位共两个指标，对该片区内污水管网系统的运行情况进行分析，以期能够找出雨污分流不彻底的管网所在位置。各指标计算方法及含义如下：

1、雨水混流率

式中：——采用单个节点管网流量计算得到的雨水混流率；

      ——单个节点雨季计算时段内的实测流量均值（m³/d）；

      ——单个节点旱季排水规律下的流量值（m³/d）。

该指标能够在很大程度上反映监测点覆盖区域内雨污混接情况的严重程度。

2、管段平均液位

（1）旱季液位计算公式

——旱季液面距井盖平均距离（m）；

——旱季液位，液面距管道底部的平均距离（m）；

——井盖距管道底部的距离（m）。

（2）雨季液位计算公式

——雨季液面距井盖平均距离（m）；

——雨季液位，液面距管道底部的平均距离（m）；

——井盖距管道底部的距离（m）。

通过实时管道液位计算，能够迅速预警可能出现冒井的管段，为抢修和应急管理赢得宝贵时间。

3、监测结果分析

一、监测片区旱季、雨季总体情况分析

为确保分析结果的准确和有效性，本文选择2020年8月管网流量数据作为雨季分析基础数据，选择2021年3月数据作为旱季分析基础数据。分别对片区内管网的雨污混接情况及所对应的液位情况进行分析。各监测点旱季4月、雨季8月日平均流量如图2~5所示。

图2 WS-1号监测点3月、8月日平均流量

图3 WS-2号监测点3月、8月日平均流量

图4 WS-3号监测点3月、8月日平均流量

图5 WS-4号监测点3月、8月日平均流量

  各监测点月平均流量如下表所示。

表1 各监测点月平均流量及雨水混流率统计表

根据气象资料显示，该片区在2020年8月10日、13日、18日均出现过大面积降雨，结合图2~5及表1可以看出，在雨季时各监测点服务范围内的管网流量增加均较为明显。其中WS-2号监测点增加水量最多且雨水混流率也最高，说明WS-2号服务片区内的雨污混接程度最严重，工程治理优先级最高。其次WS-1号和WS-3号监测点服务范围内也存在较为严重的雨污混接情况，工程治理优先级次于WS-2号监测点服务范围。WS-4号监测点服务范围内雨污混接程度较轻，短期内可不做处理。

二、管道旱、雨季液位分析

各监测点旱季3月及雨季8月日平均液位监测数据如图6~图9所示。

图6 WS-1号监测点3月、8月日平均液位

图7 WS-2号监测点3月、8月日平均液位

图8 WS-3号监测点3月、8月日平均液位

图9 WS-4号监测点3月、8月日平均液位

各监测点平均液位及检查井井高统计如表2所示。

表2 各监测点平均液位及检查井井高统计表

从图6~图9及表2可以看出，雨季液位受管网流量增大的影响，相较于旱季液位高度均有所上升。这样的趋势也符合曼宁公式的表现，当均匀流在自由液面下时，水深和流速均应表现出相同的变化趋势，即流速增加，水深随之升高[3]。同时，从表2也可以看出，4个监测点的液位均距离检查井井盖处较远，暂无溢流风险。

3 结论

（1）WS-1、WS-2、WS-3号监测点服务范围内的雨污混接程度较高，其工程优先级为WS-2号监测范围＞WS-1号监测范围＞WS-3号监测范围。

（2）雨季管道内平均液位较旱季液位均有所上升，但4个监测点的旱、雨季液位均在安全范围内，暂无溢流风险。

参考文献：

[1]赵冬泉.《城市排水管网数字化管理理论与应用》已出版发行[J].中国给水排水,2010,26(22):91.

[2]何人杰,吴林安,董鲁燕,吴伟,赵冬泉.污水管网在线流量监测技术在无锡市的应用[J].环境工程,2011,29(05):123-126.

[3]毛建军,毛楠,王浩正,赵冬泉,唐兰贵.宜兴市污水管网在线流量监测分析[J].给水排水,2012,48(S2):210-212。