武汉市位于长江中下游平原，梅雨季节降水充沛且地下水位较高，使其长期面临汛期的合流制污水溢流^[1]与内涝问题。为缓解武汉市水环境状况，武汉市于2020建设完成大东湖污水深隧传输系统并实现通水，集中输送污水从而实现污水有效处理并大幅度消减初雨、溢流污染。

深隧工程在国内仅在广州、香港^[3]、北京、上海等一线城市有初步应用，因此对深隧的在线监测仍在探索之中。通过在深隧关键节点处设置一系列监测传感器，利用实时监测获取的数据，可实现对深隧的入流和排水的全面掌控与精确调度。例如，美国芝加哥排水系统通过对深隧竖井的液位进行监测^[4]，结合降雨监测数据决策闸门的启闭；与此类似，广州排水深隧的东濠涌段设有在线液位监测传感器^[5]，采用压阻式液位传感器，基于液位阈值对整个深隧运行状态进行报警。然而，基于竖井液位监测可对深隧的运行状态有初步判断，但实际影响深隧运行的流速、淤积等状态仅通过液位难以反映。在深隧流量监测方面，美国的密尔沃基深层隧道储存系统设立了超过300个实时监测流量设备^[6]，通过实时精确调度，确保深隧在运营时自身达到不堵塞，避免了人工下井维护和设备清淤。

大东湖污水深隧埋深达到50m以上，全长17.6km且仅保留7座通风井^[2]，一旦通水后无法停水查看管道状态，缺乏对深隧内污水的水量与流速等关键技术点的管控能力，为深隧运营与调度带来巨大的风险，下图为大东湖深邃其中一座通风井现场照片（如图1）。

图1 通风井现场照片

表1 不同流量测量方法的比较

互相关流量计的测量流速的方法同样基于超声波反射原理，但其记录并比较的值为颗粒的移动图像而非变化频率。工作时，流量计传感器发射固定角度的超声波脉冲，扫描污水中的反射物（微小颗粒，矿物或气泡），将得到的回波保存为图像或回波模式。间隔几毫秒后，接着进行第二次扫描，产生的回波图像或模式也被保存（图2）。由于反射物随污水介质在同步移动，通过比较前后两个相似图像或模式之间的相互关系可以识别反射物的位置来检测和计算流速。基于该测量原理，考虑到超声波的光束角度和脉冲重复率，通过空间分配最多可以直接测量流体中的16层微小颗粒的速度，从而直接计算得到高精度的管道断面流速。

 图2 互相关流量计的测量原理

互相关流量计基于最新的水力模型，系统计算了一个密集的测量网络，从单个测量点位出发覆盖了整个流体横截面（如图3），相比多普勒技术具有如下特点：

1）具有经过科学流量测量的、渠道专用的实时流体数学模型；

2）靠近壁面和水平速度分布的流速计算；

3）速度积分覆盖这个断面，最多测量16层流速；

4）无需校准；

图3 流体横截面流场分布图示意图

图4 深隧流量计布设点位

表2 流量计安装位置

图5 深隧管道断面16层流速监测点位

图6 固定式流量计安装的a）剖面图 b）侧视图

图7 流量计安装现场效果

图8 现场安装实拍图

深隧通水运行后，选取某个时刻下，4个监测断面的监测网格数据进行分析。各断面的流速监测统计值如表4所示。液位结果显示，4个监测断面均为满管状态，与深隧设计要求相符；全断面的平均流速监测结果显示，4个断面的平均流速在0.693-0.75m/s的范围内波动，从上游至下游的平均流速均满足深隧设计中0.65m/s的最低流速要求。然而对每个断面的3处传感器分别计算平均流速时，-30°的传感器所处位置的流速较中心位置的流速偏低，其4号井、7号井断面处的流速则低于0.65m/s的最低流速要求。

表3 流量计监测数据

图9 深隧管道断面流速分布图

由上述结果可以判断，在平均流速满足设计条件时，其靠近管道内壁处流速存在大量低于设计流速的区域，实际运行条件难以满足深隧运行的不淤流速的设计要求，仅通过测量单一平均流速，无法反映深隧等大管径管道的实际运行流速。因此，对深隧淤积风险评估需采用互相关流量监测技术来获得靠近管壁的实际流速，并基于该实际流速进行风险评估，且通过提升流速来实现淤积冲刷时，也同样需要以靠近管壁处的流速为参考标准。以下为大东湖深邃4号井的实际测量结果，可以从现场的RTU中，直接调出如下图的实时流场分布图（如图10）。

图10 大东湖深邃4号井的实际测量结果

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