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单纯依靠监测液位数据无法获得可靠的流量数据

2020.10.143642


排污系统中的入流和入渗问题越来越引起社会关注。生活污水溢流已成为一个持续的严重问题,若污水厂收集处理又会产生巨大的成本。正如一个污水厂高级管理人员所说:“我不喜欢花钱来处理雨水”。

到目前为止,对入流入渗问题进行定位和量化分析的技术方法中,最被认可的就是流量监测研究。研究的首选工具是面积速度法流量计。通过流量计测量管道的液位和流速的实时数据,从而计算出流量。流量计制造商们应用了一系列的专业技术,面积速度法流量计通常采用一个或多个传感器来测量流量,可远程通讯上传数据,获取或存储数据,并为用户提供专业的查看和评估软件。

在预算和技术资源有限的情况下,流量计的成本以及安装费用对于市政单位来说可能很贵。市政单位需要面对来自监管机构的压力,以及处理大量入流水量的成本压力,因此部分市政单位会考虑使用低成本的方法来评估入流入渗来源问题,即通过液位计测量液位,并通过计算软件和公式来推算流量。

液位计的成本只相当于流量计成本的一小部分,有人承诺只通过液位测量就能快速简单的评估污水系统的入流入渗,达到与使用面积速度流量计测量同样的效果。在理想的水力条件下,通过液位计可以推算出与实际情况大致接近的流量数据,但污水管道的水力条件并不总处于理想状态。为了更好地理解这种情况,很重要的一点是需要掌握流量的基础知识,了解有哪些变量能够影响“快速简单”的入流入渗评估。

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                                                                                                                              图1


流量的基础知识

掌握污水收集系统的流量至关重要,因为流量数据决定了设施的处理能力,并可通过流量来评估入流入渗对运营管理和设施规划的影响。

众所周知,流量公式是Q = VA,其中Q是流量,V是速度,A是管道的横截面积(见图1)。流量是通过面积速度流量计测量计算得到的。流量计可以提供精确的、可重复性的测量。

那些从事污水收集系统流量测量的人依靠面积速度流量计来进行测量工作。即使是很小的污水收集系统也可能是由数千个管道段和检查井组成。在整个收集系统中分布大量的流量计将会是更好的选择,但是流量计的投入成本可能高得令人望而却步。 因此,多个监测点的同步测量可能受到预算的限制。

另一种方式

在过去的几年里,有采用液位计来代替流量计进行污水管网流量数据的采集,其成本只是面积速度流量计的很少一部分。这些液位计是测量从传感器到水面的距离,然后按照既定的管径计算出液位值(见图2)。

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图2

仅使用液位计并不测量流体的速度。所以,如果我们要解Q = VA这个简单的流量方程式,我们必须测量流体的速度。

  利用下面的曼宁公式,理论上可以确定速度(v),如下图所示:          


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  其中因子n为曼宁系数(边界阻力),R为水力半径(管道),S为坡度。

因此,我们必须知道上述三个参数才能准确的获得流体的速度。为此,我们必须确定: 

Ø  管材的曼宁系数(n)                                                                                   

Ø 通过液位、管道形状和管径计算出的水力半径(R)

Ø  坡度等级

      一旦得到这些参数,通常使用公式软件推算出流量(Q)。如果仅使用液位计监测并通过公式软件计算流量,这种方法具有以下优点:

成本。液位计通常比面积速度流量计便宜35%到60%。因此,用户可以以更低的成本测算入流入渗量,或者以流量计的成本部署更多的液位计。后一种情况增加了监测点的数量。

      安装。通常,液位计安装和拆除更容易、更快速。因此,如有监测需要,它们可以更容易地移至新的监测位置。乍一看,液位计优势似乎很有吸引力,但是其他因素也会影响测量。

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棘手的公式问题

显而易见,仅用液位计来计算流量存在重大风险。测量的主要目的是获得高质量的测量数据,即要求数据精确度高,重现性好。没有这些,低质量、错误的数据将会得出错误的流量值、入流入渗根源及污水系统容量等评估结论。

如前所述,只使用液位计不测量速度,而是像上面所示的那样通过公式导出速度。

要想通过公式计算速度就必须先确认S, R和n的数值。这些值必须准确,否则计算结果将不准确。为了得到准确的数值,让我们先看看每个参数的涵义。

-坡度。通常,坡度可以从设计图纸中获得。我们必须假设图中所标注的设计坡度与实际建成的坡度完全一致。

按经验来说,这个假设很难成立,因为实际施工并不能完全按照设计图施工并保证高精度。另外,管段与管段之间的斜率(包括通向检查井的管段)可能与检查井与检查井之间的平均斜率相差一个数量级。更何况检查井本身的坡度很少与管道的设计坡度相同。

    施工后,我们还必须假设没有任何因素改变过管道坡度。例如,我们必须假定管道没有发生沉降或拱起变形。实际上,这是另一个糟糕的假设。因此,管道从设计到施工,再从施工到管道的当前状态的这两个过程中,坡度计算存在两次潜在的误差。充其量,坡度只是一个估值,甚至得到的结果可能相差一个数量级。


-水力半径。为获得管道半径,要做以下几个假设:

Ø  管道的几何形状是圆的

Ø  流槽尺寸是均匀一致的

Ø  流槽、进出管直径一致

       施工过程中对流槽形状和均匀性不易控制好。只需要随机检查十几个检修井,就可以看出不但流槽尺寸大有差异,而且形状也不一定规则。因此,形状和大小的差异都是误差的来源。

  特别值得注意的是,任何按设计带有接头的检修井仰拱都有差动半径,不能仅用水平仪测量。

    特别要注意的是,任何设计有流槽的检查井接口处的圆周半径都不尽相同,不能仅用液位计来测量。

    -曼宁系数。曼宁的粗糙度系数可以被认为是管道表面的流动阻力。粗糙度系数可以参考已出版的管材对照表格。这些表格提供了流速方程中的n值。例如,混凝土管的粗糙度系数n = 0.015,陶土管的粗糙度系数n = 0.013等等。虽然这些值可作为参考值,但是不能真实反映管道状况。粗糙度表提供了一个取值范围,但现实是,判断管道粗糙度系数是最困难的。因此,n值也是一个估计值。再次引入潜在的错误。

  -均匀水流。曼宁公式总是假设有一个“平滑、均匀的水流”,但这在污水管道中非常罕见。由于污水管道存在回水、跌落、波状/起伏水流或横向坡度变化等现象,使用曼宁公式则是错误的。当水力条件存在流向改变、管内有障碍物、管道曲线和偏移等情况时,都将违反曼宁公式的均匀流假设。回水现象可能是其中最严重的问题,因为回水时液位持续上升,但实际流量不变。

  -沉积物和过水面积。计算流量的最后一步是将估计的流速(v)乘以过水面积(A)。如果管内存在沉积物,那么假定的截面积就会出现偏差,某种程度上,这进一步加大了流量计算的误差。通常情况下,仅从上方观察很难判断管道底部现有沉积物的情况。即使考虑到沉积物对过水截面积的影响,但是沉积物通常分布不均匀,这也会造成误差。

       总之,曼宁公式所提供的结果可能勉强可以接受,但准确性取决于多个变量。坡度、水力半径、曼宁粗糙系数、均匀水流假设、过水面积等均有误差。当这些变量组合成一个单独的方程时,误差就会成倍增加,精度也会大大降低。这将大大降低数据的可信度。

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误报

  尽管前面已经描述了各个变量的误差,有人仍认为仅液位计监测能够提供有用的比较性信息。具体来说,尽管计算的流量值是不准确的,但液位计可以显示雨季和旱季的差异。如图1所示,可以明显看出,各站点如预期一样,雨季比旱季的水位要高。

 然而,使用液位计监测会有许多因素改变液位变化和掩盖实际流量状况。

  在下雨的时候,流量会随着水位的升高而增加。这似乎说明水位上升与降雨有必然联系的。然而旱季时下游沉积物堆积淤堵也会导致上游液位升高,而不是雨季入流入渗的结果。

  在另一个例子中,下雨时流量增加,但是下游管道顶部开始逐渐出现管壁结块堵塞。由于管壁结块堵塞,测量的液位也逐渐增加。在这两种情况下,堵塞导致的液位上升也会被解读为入流入渗问题。如果我们只依赖于液位测量,这可能会得出一个错误的结论,即该区域是入流入渗严重区域,可能需要重新规划和改造。但是实际上,如果能很好地清淤,就会发现这些区域只是在降雨期间增加少量的入流入渗。

  还有一例,某监测点用液位计监测显示流量大幅增加,而通过面积速度流量计监测则显示流量增加量不是很大。这是出现了回水现象,但是看起来像是入流入渗问题。

遗漏

    在华盛顿州最近的一项研究中,对液位计和流量计进行对比,评估两者对入流入渗的识别和量化能力。在几个位置上同时监测液位和流量数据变化。水力曲线显示出一种明显的现象,即流量计显示流量大量增加,而液位计显示微小的变化,则表示仅液位计监测存在遗漏现象。


  某个案例中显示,液位和流量这两条水力曲线没有相关性。液位曲线变化很小,但流量曲线增长了一倍。因此,若仅使用液位计监测入流入渗现象,此监测点的问题将完全被忽略,市政单位将认为该监测点正常。另一个液位和流量具有低相关性例子中,液位计监测到降雨时液位由1英寸变化到1.5英寸,利用曼宁公式,我们可以计算出平均流量增加了2.8倍,而使用面积速度流量计监测的数据是增长14倍。液位计只记录较小的液面变化,会让市政单位忽略掉实际存在的问题。

 这些示例说明仅使用液位计不能真实反映流量情况。上述案例中流速都有明显的增长,导致流量也相应的大幅增长。仅液位监测会完全忽视流速的变化。因此,如果不使用面积速度流量计直接测量流速,流量变化的真相将被液位监测数据所掩盖。因而大量的入流入渗现象将被液位监测的数据所掩盖,被忽略,需要在将来再对现在的问题做修正。

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结论

 液位监测对于污水系统管理有多种作用,包括减少污水管道溢流、优化清淤安排、污水溢流警报,甚至在污水泵站的堵塞报警。

然而,液位监测用公式计算的方法(根据液位假设流量)来分析入流入渗,这取决于多个无法控制的变量。这些变量是重大误差的来源。如前所述,淤堵和回水会导致误报,不监测流速变化会导致漏报。

    有人认为,有些是可以接受的,液位监测是接近实际情况的。但是我们如何定义“接近”呢?如果我们监测了10个地点,其中50%的入流入渗被遗漏,算是接近吗?如果我们只遗漏了20%的管段的入流入渗,是可以接受的吗?

    管网修复费用花费巨大。在这种情况下,当数百万美元的资本面临风险时,很难想象20%的错误是可以接受的!此外,依据错误信息进行的错误投资,是得不到任何投资回报的。低成本且易于使用的液位计看起来很好,但随之而来的是潜在的大量错误信息和资源的浪费。

    相比之下,使用流量计来测量和计算实际流量将提供一致的、可靠的数据,给用户提供了正确数据保证和信心,从而推动正确决策的实施,得到可观的回报。

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本文引自 TECH TALK  ,By Jay Boyd and Paul Mitchell

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