武漢市位于長江中下游平原，梅雨季節(jié)降水充沛且地下水位較高，使其長期面臨汛期的合流制污水溢流^[1]與內(nèi)澇問題。為緩解武漢市水環(huán)境狀況，武漢市于2020建設(shè)完成大東湖污水深隧傳輸系統(tǒng)并實現(xiàn)通水，集中輸送污水從而實現(xiàn)污水有效處理并大幅度消減初雨、溢流污染。

深隧工程在國內(nèi)僅在廣州、香港^[3]、北京、上海等一線城市有初步應(yīng)用，因此對深隧的在線監(jiān)測仍在探索之中。通過在深隧關(guān)鍵節(jié)點處設(shè)置一系列監(jiān)測傳感器，利用實時監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對深隧的入流和排水的全面掌控與精確調(diào)度。例如，美國芝加哥排水系統(tǒng)通過對深隧豎井的液位進(jìn)行監(jiān)測^[4]，結(jié)合降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)決策閘門的啟閉；與此類似，廣州排水深隧的東濠涌段設(shè)有在線液位監(jiān)測傳感器^[5]，采用壓阻式液位傳感器，基于液位閾值對整個深隧運行狀態(tài)進(jìn)行報警。然而，基于豎井液位監(jiān)測可對深隧的運行狀態(tài)有初步判斷，但實際影響深隧運行的流速、淤積等狀態(tài)僅通過液位難以反映。在深隧流量監(jiān)測方面，美國的密爾沃基深層隧道儲存系統(tǒng)設(shè)立了超過300個實時監(jiān)測流量設(shè)備^[6]，通過實時精確調(diào)度，確保深隧在運營時自身達(dá)到不堵塞，避免了人工下井維護(hù)和設(shè)備清淤。

大東湖污水深隧埋深達(dá)到50m以上，全長17.6km且僅保留7座通風(fēng)井^[2]，一旦通水后無法停水查看管道狀態(tài)，缺乏對深隧內(nèi)污水的水量與流速等關(guān)鍵技術(shù)點的管控能力，為深隧運營與調(diào)度帶來巨大的風(fēng)險，下圖為大東湖深邃其中一座通風(fēng)井現(xiàn)場照片（如圖1）。

圖1 通風(fēng)井現(xiàn)場照片

表1 不同流量測量方法的比較

互相關(guān)流量計的測量流速的方法同樣基于超聲波反射原理，但其記錄并比較的值為顆粒的移動圖像而非變化頻率。工作時，流量計傳感器發(fā)射固定角度的超聲波脈沖，掃描污水中的反射物（微小顆粒，礦物或氣泡），將得到的回波保存為圖像或回波模式。間隔幾毫秒后，接著進(jìn)行第二次掃描，產(chǎn)生的回波圖像或模式也被保存（圖2）。由于反射物隨污水介質(zhì)在同步移動，通過比較前后兩個相似圖像或模式之間的相互關(guān)系可以識別反射物的位置來檢測和計算流速�；�于該測量原理，考慮到超聲波的光束角度和脈沖重復(fù)率，通過空間分配最多可以直接測量流體中的16層微小顆粒的速度，從而直接計算得到高精度的管道斷面流速。

 圖2 互相關(guān)流量計的測量原理

互相關(guān)流量計基于最新的水力模型，系統(tǒng)計算了一個密集的測量網(wǎng)絡(luò)，從單個測量點位出發(fā)覆蓋了整個流體橫截面（如圖3），相比多普勒技術(shù)具有如下特點：

1）具有經(jīng)過科學(xué)流量測量的、渠道專用的實時流體數(shù)學(xué)模型；

2）靠近壁面和水平速度分布的流速計算；

3）速度積分覆蓋這個斷面，最多測量16層流速；

4）無需校準(zhǔn)；

圖3 流體橫截面流場分布圖示意圖

圖4 深隧流量計布設(shè)點位

表2 流量計安裝位置

圖5 深隧管道斷面16層流速監(jiān)測點位

圖6 固定式流量計安裝的a）剖面圖 b）側(cè)視圖

圖7 流量計安裝現(xiàn)場效果

圖8 現(xiàn)場安裝實拍圖

深隧通水運行后，選取某個時刻下，4個監(jiān)測斷面的監(jiān)測網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各斷面的流速監(jiān)測統(tǒng)計值如表4所示。液位結(jié)果顯示，4個監(jiān)測斷面均為滿管狀態(tài)，與深隧設(shè)計要求相符；全斷面的平均流速監(jiān)測結(jié)果顯示，4個斷面的平均流速在0.693-0.75m/s的范圍內(nèi)波動，從上游至下游的平均流速均滿足深隧設(shè)計中0.65m/s的最低流速要求。然而對每個斷面的3處傳感器分別計算平均流速時，-30°的傳感器所處位置的流速較中心位置的流速偏低，其4號井、7號井?dāng)嗝嫣幍牧魉賱t低于0.65m/s的最低流速要求。

表3 流量計監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖9 深隧管道斷面流速分布圖

由上述結(jié)果可以判斷，在平均流速滿足設(shè)計條件時，其靠近管道內(nèi)壁處流速存在大量低于設(shè)計流速的區(qū)域，實際運行條件難以滿足深隧運行的不淤流速的設(shè)計要求，僅通過測量單一平均流速，無法反映深隧等大管徑管道的實際運行流速。因此，對深隧淤積風(fēng)險評估需采用互相關(guān)流量監(jiān)測技術(shù)來獲得靠近管壁的實際流速，并基于該實際流速進(jìn)行風(fēng)險評估，且通過提升流速來實現(xiàn)淤積沖刷時，也同樣需要以靠近管壁處的流速為參考標(biāo)準(zhǔn)。以下為大東湖深邃4號井的實際測量結(jié)果，可以從現(xiàn)場的RTU中，直接調(diào)出如下圖的實時流場分布圖（如圖10）。

圖10 大東湖深邃4號井的實際測量結(jié)果

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