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(shí)現(xiàn)通水，集中輸送污水從而實(shí)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(duì)深隧的在線監(jiān)測(cè)仍在探索之中。通過在深隧關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一系列監(jiān)測(cè)傳感器，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)深隧豎井的液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)^[4]，結(jié)合降雨監(jiān)測(cè)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(cè)傳感器^[5]，采用壓阻式液位傳感器，基于液位閾值對(duì)整個(gè)深隧運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。然而，基于豎井液位監(jiān)測(cè)可對(duì)深隧的運(yùn)行狀態(tài)有初步判斷，但實(shí)際影響深隧運(yùn)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(cè)方面，美國的密爾沃基深層隧道儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)立了超過300個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量設(shè)備^[6]，通過實(shí)時(shí)精確調(diào)度，確保深隧在運(yùn)營時(shí)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(duì)深隧內(nèi)污水的水量與流速等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的管控能力，為深隧運(yùn)營與調(diào)度帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)，下圖為大東湖深邃其中一座通風(fēng)井現(xiàn)場(chǎng)照片（如圖1）。

圖1 通風(fēng)井現(xiàn)場(chǎng)照片

表1 不同流量測(cè)量方法的比較

互相關(guān)流量計(jì)的測(cè)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(dòng)圖像而非變化頻率。工作時(shí)，流量計(jì)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(dòng)，通過比較前后兩個(gè)相似圖像或模式之間的相互關(guān)系可以識(shí)別反射物的位置來檢測(cè)和計(jì)算流速�；谠摐y(cè)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(cè)量流體中的16層微小顆粒的速度，從而直接計(jì)算得到高精度的管道斷面流速。

 圖2 互相關(guān)流量計(jì)的測(cè)量原理

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

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

2）靠近壁面和水平速度分布的流速計(jì)算；

3）速度積分覆蓋這個(gè)斷面，最多測(cè)量16層流速；

4）無需校準(zhǔn)；

圖3 流體橫截面流場(chǎng)分布圖示意圖

圖4 深隧流量計(jì)布設(shè)點(diǎn)位

表2 流量計(jì)安裝位置

圖5 深隧管道斷面16層流速監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

圖6 固定式流量計(jì)安裝的a）剖面圖 b）側(cè)視圖

圖7 流量計(jì)安裝現(xiàn)場(chǎng)效果

圖8 現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)拍圖

深隧通水運(yùn)行后，選取某個(gè)時(shí)刻下，4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各斷面的流速監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)值如表4所示。液位結(jié)果顯示，4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均為滿管狀態(tài)，與深隧設(shè)計(jì)要求相符；全斷面的平均流速監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，4個(gè)斷面的平均流速在0.693-0.75m/s的范圍內(nèi)波動(dòng)，從上游至下游的平均流速均滿足深隧設(shè)計(jì)中0.65m/s的最低流速要求。然而對(duì)每個(gè)斷面的3處傳感器分別計(jì)算平均流速時(shí)，-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(hào)井、7號(hào)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(jì)監(jiān)測(cè)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(jì)條件時(shí)，其靠近管道內(nèi)壁處流速存在大量低于設(shè)計(jì)流速的區(qū)域，實(shí)際運(yùn)行條件難以滿足深隧運(yùn)行的不淤流速的設(shè)計(jì)要求，僅通過測(cè)量單一平均流速，無法反映深隧等大管徑管道的實(shí)際運(yùn)行流速。因此，對(duì)深隧淤積風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需采用互相關(guān)流量監(jiān)測(cè)技術(shù)來獲得靠近管壁的實(shí)際流速，并基于該實(shí)際流速進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，且通過提升流速來實(shí)現(xiàn)淤積沖刷時(shí)，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(hào)井的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，可以從現(xiàn)場(chǎng)的RTU中，直接調(diào)出如下圖的實(shí)時(shí)流場(chǎng)分布圖（如圖10）。

圖10 大東湖深邃4號(hào)井的實(shí)際測(cè)量結(jié)果

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