污水管网系统被称为“城市生命线”,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,是保证城市生活正常运转的重要基础设施,因此对污水管网的建设和监测至关重要。污水管网的流量监测有助于管网污染物溯源能力的提升、监控企业偷排漏排的管控、雨污混接的及时整改、城市内涝的预警、海水倒灌的监测等,为市政管网的维护提供数据支撑。如今,“建设智慧型城市”已成为诸多市政工程项目的重要指导思想之一,在水环境规划与治理项目中,市政污水管网的建设或改造是重要的环节,其中,对于管网的智能化、可视化、实时性管理有着越来越广泛的需求。
在污水管网的设计阶段,在线监测须被统筹考虑,特别在一些老旧管网改造项目中,新增在线监测通常存在很多实际困难,针对复杂的管网环境,满管与非满管并存的管道状态,如何设置适合的流量计显得尤为关键。传统的电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理,测量满管状况下的流量,在此基础上,非满管流量计增加了管道内液位测量的功能,进而通过面积速度法计算得到流量。
污水管网内的流体来源中,工业污水和生活污水占主要部分。工业污水,流体一般为自然流动,流量大,并且非满管具有自由水面,精确测量有一定的难度。对污水排入管网点位的点源监测,以前多采用传统槽式流量计,不仅精度较低,而且带来较大的水头损失,同时对上游渠道的坡度及下游水深也均有一定的要求,当不能满足条件时测量精度会降低,有时甚至无法进行测量。如果用传统的电磁流量计来测量污水,则需要建造额外的闸板和堰板以保证满管,这些附加的安装费用甚至会超出流量计本身的费用,大口径管道时更是如此,而且还增加了管道堵塞的可能性。
生活污水来源比较分散,排水管网末端流量小,不易测量,通常要在区域主干管道上布设流量计,对流量计的合理分布提出更高要求。生活污水流量具有相对明显的时间周期性,导致管网内水量产生波动,对流量计测量的稳定性是不小的考验。
此外,排水管网流量测量还面临以下问题:排水管网内垃圾多、悬浮物高,导致数据干扰多,设备维护成本高;监测点通常分布较为分散,给市政电源的接入带来难度;监测设备通常安装于检查井内,对设备的防护等级以及信号的传输能力提出更高要求;现场环境复杂,安装不便,维护复杂等。
在传统的电磁流量计相邻位置的管道正上方居中部位开孔,外加超声波液位计。测得液位,进而可以得到非满管流体的截面面积,结合流速,计算出流量。
非满管电磁流量计维护工作量通常较小,但考虑到污水可能会在传感器内壁附着,形成的积聚层会对传感器电导率产生影响,并且由于非满管电磁流量计传感器均位于管道内部,不易进行人工清洁维护,所以该流量计一般适用于流速大于3m/s的管道,这样一定程度上可以减轻污染物附着沉积的现象。此外,非满管电磁流量计需要专用的仪表井,以方便仪表的安装与维护。
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