超声波雷达流量计在城市智慧排水中的应用

　　城市排水管网的难处，做运维的人都有体会。管道埋在地下几米深，大多靠重力自流，一年里真正满管运行的时间可能只有几场暴雨那么短，平日里水位浅浅一层，水流忽快忽慢;遇上雨污合流的管段，水量还要跟着早晚高峰起落。要在这个环境里把流量测准，比在实验台上难得多。

　　过去常用的几种计量方式在这里都不太顺手。电磁流量计要求满管、要求介质导电，还得在管道上断开一截做法兰连接;超声波时差法和多普勒法同样以满管为前提，管里只有半管水，声程计算就无从谈起;明渠流量计要土建堰槽，碰到含泥沙杂物的雨污水，堰前容易淤积。更现实的问题是人工抄表，运维人员掀开窨井盖、用绳子把仪器放下去，井下空间狭窄，还可能积聚甲烷、硫化氢，作业本身就有风险，而采回来的数据一个月才一次。

　　超声波雷达流量计换了个思路。它把雷达测流和超声波测流装进同一台设备：水位浅、没满管时，用雷达测流速和水位;水位涨到满管，切换为压力式水位计测水位、超声波测流速。切换靠雷达水位盲区和水浸压力变送器双重识别自动完成，一台设备覆盖两种工况。这对排水管网很关键，一次降雨前后管道状态会反复变化，设备如果只在某一种状态下工作，数据就会断档。

　　管道里的水流态并不规整，坡度、糙率、淤积和检查井的局部阻力，都会让流速剖面偏离理想情况。设备内嵌了满管压差算法(伯努利方程)、非满管明渠均匀流水力计算、非满管明渠非均匀流能量方程、非满管非恒定明渠流算法以及非满管非均匀流水面曲线算法，按流态调用对应模型;内置的流速-水位关系曲线在线标定模块，还能根据安装坡度、渠道糙率做动态补偿，消掉一部分安装偏差带来的系统性误差。

　　排水管网还有一个容易被忽略的地方，水流方向并不固定。低洼路段降雨时可能顶托甚至倒灌，污水管也会因为下游液位抬高而反向流动。设备用相位差检测实现正反向流量自动识别，累计数据可以按正向叠加、反向抵消或者净流量统计给出。做水量平衡分析时，这类结果比单一方向的累计值更接近实际。

　　井下环境对设备本身也是考验，潮气重、常年不见光，管道里还可能有可燃气体。外壳采用聚碳酸酯工程材料并做过抗UV处理，整机达到IP68防水防尘和Ex ia IIC T6 Ga防爆等级，工作温度覆盖-35℃到75℃，湿度95%RH无凝露的条件下也能运行。供电只要DC9~36V，平均电流80mA左右，现场取电或者太阳能供电都好安排。

　　测量指标上，雷达测速范围0.1~20m/s，超声波测速范围0.02~6m/s，两者精度都是±0.01m/s，雷达测距0~10m、精度±2mm。超声波能测到这么低的速度，对排水管网很实用：夜间或旱天污水流量小，流速常常低于0.1m/s，雷达这时候接近盲区，超声波正好补上。

　　真正让它在智慧排水里站住脚的是数据链路。设备集成工业级4G模块，支持SL/T 651水文协议和私有协议，上报间隔可以在1到60分钟之间设置，数据直接进水利云平台;同时支持蓝牙5.0本地配置与云端远程管理，参数批量下发，状态实时可见，出了异常还能收到预警推送，过去要下井才能办的事，现在在办公室就能处理。本地调试也不麻烦，用微信小程序连上蓝牙，渠道类型、渠宽渠深、安装高度、盲区补偿这些参数在手机上配好即可。

　　还有一点常被忽视，就是安装姿态。井下作业空间有限，设备装上去未必水平。设备内置重力传感器(精度±2%F·S)，水平安装时X、Y为0°、Z为-90°，随时可以读取角度判断有没有倾斜，为流量数据提供角度偏差补偿。这类细节不显眼，长期监测数据可不可信，往往就取决于这些地方。

　　落到正在推进的城市排水项目里，它的用武之地大致覆盖了几类需求：雨污水管网的流量与液位监测、窨井地下水监测、海绵城市调蓄设施的进出水计量、黑臭水体治理的效果考核，以及污水处理厂和泵站的进出水计量。把分散的测点数据汇到平台之后，管网负荷有没有饱和、雨污有没有混接、哪一段存在偷排，都能从流量曲线的变化里找到线索。到了汛期，还能依据实时水位与流量的变化判断检查井的溢流风险，给排水调度和内涝预警留出提前量。

　　城市智慧排水的目标，说到底不是把设备装上去，而是让地下那张管网在屏幕上变得可读。超声波雷达流量计解决的是其中看得见、测得准这一段：满管与非满管自动切换，正反向流量分别计量，数据直达平台。剩下的调度和决策，得靠这些连续、可信的数据来支撑。