A3：科技智慧
●北京清环智慧水务科技有限公司总经理、正高级工程师 赵冬泉
2023年6月5日，2023数字水务创新论坛在上海国家会展中心洲际酒店成功举办，论坛聚焦国内外数字水务的发展与转型路径，致力于促进国际间、行业内数字水务建设的技术和经验交流，推动水务行业数字化转型与智慧化发展。
英国皇家工程院院士、中国工程院院士、哈工大教授等众多行业知名专家、领军水务企业数字水务建设负责人作主题分享，给行业同仁们在数字水务建设中提供了新思路，获得大家的一致好评，现将专家演讲内容整理成系列文章，分享给大家。
一、需要排水管道流量监测的原因
污水治理的重点在于管网，但管网问题非常复杂。排水管网提质增效是一个长期工作，运营管理、量化诊断、效果评价等都要持续开展，而且需要定量数据的支持，特别是流量数据。
根据测算，有效覆盖的监测系统在排水管网全生命周期中的投入占比不到1%，投资效益比显而易见。但是，遗憾的是很多地方并没有有效开展这项工作，未来应重视排水管网监测工作，让地下隐蔽系统可定量感知、可主动预警。
排水管网提质增效，需要“看得见”
排水管网运营管理将始终面临安全、效率两大核心问题，在未来10-20年内，各个地区都需要通过多点位、持续、准确的监测数据，全面反映管网的运行情况，避免“盲人摸象”的误区，不断提高和改善排水管网的安全问题和运行效率。
排水管网的两大问题，需要“看得清”
近年，国家层面也不断出台政策驱动排水管网提质增效。2022年，《“十四五”全国城市基础设施建设规划》印发，明确提出市政管网管线智能化监测管理率（%）发展指标，反复强调监测感知的相关内容，强调要开展排水防涝的信息化建设和城市基础设施智能化建设行动，强调未来基础设施建设须建立一个预警、监测、评估、反馈为一体的动态的、量化机制。
住房城乡建设部发布了《城乡排水工程项目规范》全文强制条文技术规范，明确要求，未来的排水工程不能再是硬邦邦的混凝土和大型基础设施，应该使用新技术、新产品来提高整体科学管理水平；同时，排水工程在建设时要设置相应的监测仪表，在运行时要定期开展量化评价和检测工作。
排水管网监测工作发展相对滞后和开展工作难度大、复杂度高有一定关系。针对复杂多变的排水管网，需要监测设备防护等级高、集成专业算法、使用精良元器件、正确地开展安装运维工作，具体如下：
排水管网的监测难度大、技术复杂度高
只有专业化、高质量、高品质的监测设备产品才能支持排水管网的监测工作。
二、排水管道流量监测的方法对比
监测指标通常有：液位、流量、水质，具体如下：
排水管网监测指标分析
排水管道流量无法直接测量，需要用面积速度法来测量，影响流量的因素主要是过流断面和平均流速。
对于过流断面而言，管道形变会对其产生影响，想提高过流断面的精度，要有准确的基础资料、现场的参数复核、工况较好的监测点等。
对于流速而言，如何得知整个断面的平均流速是重中之重，这需要设备在底层原理是对断面进行了有效监测，提高监测结果针对断面流场差异的代表性，而不是只获得了表面流速或点流速，从而导致极大的估计偏差。同时，传感器的安装角度和运行维护也需要注意。
排水管道流量监测的技术原理
针对利用水位数据计算排水管道流量数据，赵总个人是反对的。从下图可以看出，水位变化在一场降雨中变化规律是非常简单明显，但实测流速的变化会受到很多现场环境的干扰，变化规律比较复杂，用一个简单信号去替代一个复杂规律这在原理上就不可靠，因此不建议用水位数据去计算排水管道的流速数据。
要根据分析目的选择监测液位还是流速数据。液位数据能在风险判断、预警中起到良好的作用，但不能直接用在量化分析上。如果要做量化分析，应该通过实测液位、流速计算流量，对雨天、旱天、工作日、周末、白天、夜间等的流量差异进行对比分析，支持管网量化诊断分析工作的开展。
排水流量监测的重要性
管网分析工作需要遵循分区管理思路，把管网划分成基本的监测单元来开展多点位、分布式、连续的监测工作，发现重点监测单元的水量矛盾或水质矛盾，然后针对这些矛盾所在单元，再做轮换加密监测，缩小问题区域，最后通过现场排查、QV检测、CCTV检测等手段核查定位具体问题，并开展修复整治工作、最后对整治效果要进行定量验证，从而基于定量数据建立闭环反馈工作机制。
管网问题的分区流量监测及量化诊断
理论上，有不少技术方法可以监测流量，如下表所示。但是基于排水管道实际工况及安装维护工作限制，多普勒流量计的适用范围最广，适用性最强。
排水管道常用流量监测方法对比
智慧排水监测流量仪可实现安装监测点位的液位、流速、流量的分钟级有效监测，可以对浅流、非满流、满流、倒灌等多种工况进行有效持续监测。
智慧排水监测流量仪
智慧排水便携式流量仪可以在现场实时显示液位、流速、流量变化规律，用于现场快速监测排查、固定式设备校核、多点实时数据比对等工作，可以提高现场的分析响应速度。
智慧排水便携式流量仪
三、流量监测影响因素分析及对策
排水管道流量测量的核心难点是平均流速的有效监测。实际排水管道流场是动态变化的。在这样一个复杂的流场条件下，如果用点流速的监测方法，代表性会存在偶然性问题，造成很大的测量误差。利用相对复杂的断面扫描方法，可以获得断面速度权重分布图，与实际流场进行匹配，把权重分布转化为平均速度，这样就能在复杂流场中获得一个比较有代表性和稳定的结果，保障了平均流速测量的代表性和一致性。
流量核心技术：全断面快速扫描及速度权重测量技术
总之，监测数据质量保障贯穿仪表的全生命周期，从研发、生产、安装到运维都需要专业化的开展，才能提高数据的保障率，获得更为可靠的监测数据用于管理工作。
数据质量保障贯穿仪表的全生命周期
四、特征数据分析及典型应用案例
流量计的可靠性需要长期持续的现场应用和迭代改进工作，通过上百个项目的实际应用和上千次设备的安装调试，不断改进，才能不断提高监测设备的可靠性和实用性。
现场进行多点次应用与效果
数据曲线能说话，可以非常直观和生动地反映现场的问题。像一条城市内河上的多个排口，虽然距离隔得很近，但是由于上游管网分布规律不一样，所以流量规律也会有很大差异。我们不能简单的用一个排口的监测规律去替代其他排口。
数据能直观地反映问题
连续在线监测也很重要。相较于人工多次现场临测，分钟级持续在线监测的时间代表性更高，能避免数据波动带来的误判。
多点位分析在系统中也非常重要。如果要分析一个系统，就要把它上下游的关系梳理出来，将测量结果在系统中进行分析，找出上下游的水量矛盾在哪些区域，这些区域就是下一步诊断分析的重点方向。
进行在线连续检测的必要性
多点位分析
基于真实监测数据，把采集的水量、污水厂的处理量作比对，可以评估不同处理设施的改造规模。
评估不同处理设施的改造规模
入流入渗是排水管网非常突出的问题，是需要长期分析诊断的内容。城市管网的提质增效路径应该首先是通过定量监测识别重点片区，锁定哪些片区水量矛盾大、哪些片区雨天和旱天水量变化大，对这些重点区域开展精细排查工作，再开展修复整治工作，并定量验证改造效果。
入流入渗问题
排水管网综合监测诊断工作应系统开展。首先，对管网的结构数据做拓扑分析，使连接关系基本符合现实情况；其次，开展分区流量监测，发现哪些片区问题严重；之后，对重点区域做现场精细排查和CCTV监测，确定问题点；最后是修复改造工作开展，并通过水量水质改善情况验证工作成效。
排水管网综合监测检测技术路线
专业化的排水管网监测诊断方法还需要不断的研究和积累，通过多种表现形式将监测数据进行多角度、多维度的可视化表达，从而增强监测数据的应用价值。
专业化的排水管网监测诊断可视化表达
（水务加）