城市污水管網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

創(chuàng)造智慧生活城市污水管網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案目錄TOC\o"1-3"\h\u105031.背景 背景全球氣候變化產(chǎn)生了城市熱島、雨島效應(yīng)，城市極端氣象事件越來越多，極端暴雨天氣的頻率、強(qiáng)度也在逐年上升。暴雨事件的增加并疊加城市化的水文畸變效應(yīng)，導(dǎo)致城市積水災(zāi)害頻發(fā)，城市“看?！爆F(xiàn)象屢屢上演。城市人口和GDP密集，一旦成災(zāi)，損失嚴(yán)重。2021年7月17日至23日，河南省遭遇歷史罕見特大暴雨，發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，特別是7月20日鄭州市遭受重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。災(zāi)害共造成河南省150個(gè)縣（市、區(qū)）1478.6萬人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡失蹤398人，其中鄭州市380人、占全省95.5%；直接經(jīng)濟(jì)損失1200.6億元，其中鄭州市409億元、占全省34.1%。由于強(qiáng)降水或連續(xù)性降水超過城市排水管網(wǎng)的排水能力，致使城市內(nèi)產(chǎn)生積水災(zāi)害；雨水管網(wǎng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，會(huì)發(fā)生管道堵塞、變形、脫節(jié)、斷裂等，產(chǎn)生滲漏，浪費(fèi)水源；明渠、河流和污水管網(wǎng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，內(nèi)部會(huì)有很多的淤泥、漂浮物等，淤堵到一定程度就會(huì)發(fā)生污水倒灌等情況，污染周邊和地下水環(huán)境。為了及時(shí)準(zhǔn)確的掌握城市給排水管網(wǎng)的運(yùn)行特征，需要對(duì)其液位、流速及流量等多種基本運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，獲取連續(xù)的液位、流速及流量數(shù)據(jù)，掌握其變化規(guī)律，通過這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的瞬時(shí)分析、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、模型模擬，可以全面地進(jìn)行系統(tǒng)現(xiàn)狀診斷與評(píng)估，為各項(xiàng)研究工作的開展奠定堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。技術(shù)方案監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)城市排水管網(wǎng)信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以流量監(jiān)測(cè)儀器為核心，運(yùn)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一個(gè)綜合性的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。流量站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由：流量傳感器、遙測(cè)終端機(jī)、供電部分、應(yīng)用層等部分組成。傳感部分是信息化的基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)監(jiān)控。測(cè)量主機(jī)主要實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)編輯、斷面輸入、各類數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)、管理和計(jì)算。遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)主要是通過RTU所進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸功能，對(duì)所關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳至數(shù)據(jù)中心，應(yīng)用層在信息資源中心的基礎(chǔ)上提供綜合信息服務(wù)、工程運(yùn)行維護(hù)管理和信息展示等功能，為城市排水防澇工程調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)由下至上分為數(shù)據(jù)采集層（城市水文排水管網(wǎng)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng))由現(xiàn)場(chǎng)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元（測(cè)量主機(jī)）、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)組成。首先由聲學(xué)多普勒流量計(jì)測(cè)量流體流速、水位、水溫和流量，遙測(cè)終端RTU將數(shù)據(jù)通過NB-IOT/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至流量監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)控及分析軟件可實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行無人值守、有人管理的模式。如下圖3-1所示。圖3SEQ圖\*ARABIC\s11系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖系統(tǒng)工作要求本項(xiàng)目建設(shè)重點(diǎn)是城市排水管網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)，針對(duì)城市排水管網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)要求如下：城市排水管網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、可靠、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單方便，滿足流量的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求，便于管理人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確地掌握其管網(wǎng)排水水流量狀況，實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。系統(tǒng)特點(diǎn)該系統(tǒng)是根據(jù)城市污水流量監(jiān)測(cè)要求量身定制的一套在線監(jiān)測(cè)解決方案，方案具備科學(xué)合理性、前瞻性和可擴(kuò)展性、符合實(shí)際需求且操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。通訊方式4G無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和NB-IOT城市窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，完全可以滿足本項(xiàng)目數(shù)據(jù)通訊的需要，所以信息采集與傳輸系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)選擇4G無線網(wǎng)絡(luò)通訊和NB-IOT城市窄帶物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的方式進(jìn)行。產(chǎn)品介紹窨井官網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)品介紹窨井內(nèi)通常陰暗潮濕、有大量危險(xiǎn)腐蝕性氣體、無法市電供電、信號(hào)質(zhì)量較差等，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備物理防護(hù)和長(zhǎng)期維護(hù)要求較高。H5110-H是具備水位/流速流量/水質(zhì)要測(cè)采集和無線通訊功能于一體，可以長(zhǎng)期在窨井環(huán)境穩(wěn)定工作的智能采集傳輸終端設(shè)備，非常適合窨井監(jiān)測(cè)環(huán)境下使用。產(chǎn)品功能一體化設(shè)計(jì)：高度一體化設(shè)計(jì)，集成RTU模塊、大容量電池倉(cāng)和安裝輔助結(jié)構(gòu)于一體脫離電腦調(diào)試：可直接通過本地藍(lán)牙APP或平臺(tái)對(duì)采集器和傳感器進(jìn)行端到端管理，包括配參、讀數(shù)、召測(cè)等內(nèi)置電池組：支持內(nèi)置最大100AH可充電池組高防護(hù)等級(jí)：有效應(yīng)對(duì)窨井下陰暗潮濕、高腐蝕性水汽環(huán)境對(duì)設(shè)備的侵蝕，能夠在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作邊緣計(jì)算算法：支持多種邊緣計(jì)算算法，有效應(yīng)對(duì)多種惡劣環(huán)境對(duì)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，切實(shí)保障數(shù)據(jù)的完整性和趨勢(shì)的一致性技術(shù)參數(shù)聲學(xué)多普勒流量計(jì)產(chǎn)品介紹超聲波多普勒流量計(jì)的測(cè)量原理是利用了物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個(gè)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對(duì)速度成正比。在超聲波多普勒流量測(cè)量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運(yùn)動(dòng)的固體顆粒起與聲源存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它把接收到的超聲波部分反射回與超聲波發(fā)射器一起布設(shè)的超聲波接收器。由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)，發(fā)射的聲波與接收的聲波之間存在頻率差，此頻率差正比于顆粒物所在位置的流體流速，所以測(cè)量頻差可以求得流速。因斷面內(nèi)流速分布不均，傳感器分布式布設(shè)的原理是在斷面的不同位置分別布設(shè)測(cè)速探頭，盡可能測(cè)量到不同位置的代表性流速，通過科學(xué)的算法獲得斷面的平均流速，相對(duì)單一測(cè)速探頭起到提升流量監(jiān)測(cè)精度的作用。 超聲波多普勒流量測(cè)量的必要條件是：被測(cè)流體介質(zhì)應(yīng)是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質(zhì)。這個(gè)工作條件成為它測(cè)量天然水體或者高含各種顆粒物和復(fù)雜成份的城市排水、污水等水體的一大優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)流量計(jì)難以解決的問題，彌補(bǔ)了水文傳統(tǒng)測(cè)流方法在城市排水區(qū)域的局限性，并在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)性上有了質(zhì)的飛躍。目前，超聲波多普勒流量計(jì)正日益得到廣泛應(yīng)用。技術(shù)特點(diǎn)H1688型聲學(xué)多普勒流量計(jì)是一款性價(jià)比非常高的接觸式聲學(xué)多普勒測(cè)流設(shè)備，尤其適用于濁度大于20mg/L的流體流量測(cè)量，同系列產(chǎn)品也可應(yīng)用于固液兩相流的流量測(cè)量。具有微功耗、高精度、寬量程等特點(diǎn)，操作簡(jiǎn)便，可同時(shí)檢測(cè)流量、流速、水位、水溫、剩余電量、電壓等多種參數(shù)，能夠很好的滿足用戶對(duì)于產(chǎn)品高精度和高穩(wěn)定性的需求。與其它常規(guī)類型流量計(jì)或其它超聲波流量計(jì)相比，具有高精度、高可靠性、高性能、價(jià)格適中等顯著特點(diǎn)，具體技術(shù)特點(diǎn)如下：斷面流速測(cè)量：超聲波探頭的測(cè)量截面為橢圓形，覆蓋不同縱深的流速，更接近于斷面流速；測(cè)量精度高：選帶傅里葉變換(Zoom-FFT)算法保證測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定并具有毫米級(jí)別的速度分辨率；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特：通過專利保護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效防止淤泥堵塞關(guān)鍵測(cè)量部位，減少流量計(jì)的維護(hù)；低功耗設(shè)計(jì)：嵌入式軟硬件整體低功耗設(shè)計(jì)、先進(jìn)的電源管理策略及科學(xué)的工作模式切換；應(yīng)用場(chǎng)景廣：濁度大于20mg/L的滿管和非滿管流量測(cè)量均可，通過選用相關(guān)配件可擴(kuò)展支持淤積監(jiān)測(cè)功能；防護(hù)等級(jí)高：IP68防水防塵等級(jí)，可滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)合。電路異常保護(hù)：有過電壓保護(hù)、浪涌電壓保護(hù)及電源極性反接保護(hù)，避免操作失誤引起的電氣損壞；技術(shù)指標(biāo)基本規(guī)格外形尺寸256mm*90mm*60mm（V11）200mm*65mm*32mm（V1X/V2X）基本性能參數(shù)指標(biāo)項(xiàng)指標(biāo)描述流速測(cè)量范圍-7m/s～7m/s流速測(cè)量分辨率0.001m/s水位測(cè)量范圍0~10m水位測(cè)量精度0.001m溫度范圍-30℃~+70℃電壓范圍DC12V±15%電磁兼容符合GB/T17626.2-2018和GB/T17626.8-2006標(biāo)準(zhǔn)防爆等級(jí)符合ExibmbIIBT4Gb標(biāo)準(zhǔn)頒發(fā)防爆合格證防護(hù)等級(jí)IP68，符合GB/T4208-2017標(biāo)準(zhǔn)軟/硬件平臺(tái)指標(biāo)項(xiàng)指標(biāo)描述處理器工業(yè)級(jí)、超低功耗32位MCU。環(huán)境性能指標(biāo)項(xiàng)指標(biāo)描述高溫存儲(chǔ)限+80℃高溫工作限+70℃低溫存儲(chǔ)限-40℃低溫工作限-30℃相對(duì)濕度≤95%(+40℃時(shí))流速計(jì)算從多普勒流速傳感器（換能器）發(fā)射的超聲波束遇到流體中運(yùn)動(dòng)著顆粒或氣泡，再反射回來由多普勒流速傳感器（換能器）接收；發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。多普勒流量計(jì)是一種完全獨(dú)立的流量計(jì),可以同時(shí)記錄管涵（或渠道）中流量、流速、水位以及水溫等多種參數(shù)。其測(cè)量原理是以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，根據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個(gè)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對(duì)速度成正比，在聲學(xué)多普勒流量測(cè)量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運(yùn)動(dòng)的固體顆粒把入射到其表面上的超聲波反射回接收器。發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移，由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以測(cè)量頻差可以求得流速,進(jìn)而可以得到流體的流量Q。其中：u為聲道流速，f1為傳感器工作頻率，δfd為多普勒頻差。流量計(jì)算聲學(xué)多普勒流量計(jì)實(shí)時(shí)采集的流速、水位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集處理單元接收到流速、水位數(shù)據(jù)，計(jì)算出瞬時(shí)流量，記為Qs；再計(jì)算出累計(jì)流量，記為Q；其流量可按下式計(jì)算：Qs=AV式中A為管道過水面積，V為斷面平均流速。Q=QsT式中Qs斷面瞬時(shí)流量，T為累計(jì)時(shí)長(zhǎng)（單位h）多普勒流量計(jì)安裝設(shè)計(jì)選擇安裝地點(diǎn)的時(shí)候要保證管道平直周圍無電氣干擾，且管內(nèi)無其他混接排水管的障礙物影響，避免漩渦、交匯管道出水等導(dǎo)致超聲波探測(cè)受干擾而測(cè)量不準(zhǔn),總體安裝圖如下圖。多普勒流量計(jì)安裝選址流量計(jì)采用L型鋁合金不銹鋼金屬支架、不銹鋼支架長(zhǎng)度與現(xiàn)場(chǎng)管道深度相關(guān)，流量計(jì)探頭固定在L型支架底部探頭前端的收發(fā)模塊與水流方向需要平行，在窨井壁50cm處和70cm處固定兩塊方型金屬固定件方便固定住L型支架上端部分，防止支架因排水管網(wǎng)水流導(dǎo)致晃動(dòng)。遙測(cè)終端機(jī)固定件采用膨脹螺絲固定在井壁距離井口30-40cm多普勒流量計(jì)安裝注意事項(xiàng)需要注意若窨井蓋為內(nèi)部凸型結(jié)構(gòu)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將固定背板安裝在距離井口更下端部分，防止凸起部分壓住設(shè)備天線。牢固固定，在頂部與側(cè)面之間至少要留出15cm長(zhǎng)度空間，在其下最少需留出30cm空間用于通訊線纜、電源電纜的連接。流量計(jì)及RTU安裝遵循節(jié)約線纜、操作方便，同時(shí)滿足傳輸信號(hào)質(zhì)量良好；盡量遠(yuǎn)離電磁干擾源、強(qiáng)震動(dòng)、紊流和擾流等地點(diǎn)進(jìn)行安裝；流量計(jì)及RTU確保在斷電的情況下進(jìn)行接線；流量計(jì)應(yīng)該安裝在水流平緩順直段。多普勒流量計(jì)調(diào)試方案現(xiàn)場(chǎng)將流量計(jì)的航空頭接到綜合采集儀的調(diào)試口上（默認(rèn)channel2），現(xiàn)場(chǎng)通過藍(lán)牙app進(jìn)行召測(cè),遠(yuǎn)程可通過web頁(yè)面下發(fā)任務(wù)召測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，產(chǎn)看當(dāng)前流量計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況。觀察液位數(shù)據(jù)是否符合現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)通過藍(lán)牙app進(jìn)行管道參數(shù)配置，或者記錄相關(guān)管道參數(shù)通過web頁(yè)面遠(yuǎn)程下發(fā)命令配置管道參數(shù)。蓋井之前使用藍(lán)牙app或者通過web頁(yè)面遠(yuǎn)程召測(cè)一組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看當(dāng)前環(huán)境下NB信號(hào)情況。數(shù)據(jù)展示平臺(tái)數(shù)據(jù)展示平臺(tái)軟件安裝于管理站專用服務(wù)器上，提供水位、流速、流量、電池電壓等數(shù)據(jù)展示，同時(shí)提供基于WEB方式的瀏覽、查詢及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。平臺(tái)數(shù)據(jù)展示示意圖如下圖所示：流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置清單監(jiān)測(cè)類型設(shè)備清單技術(shù)參數(shù)數(shù)量