复合式地下管网流量监测方案

一、项目背景与行业痛点

城市地下排水管网承担雨水汇集、生活污水输送、工业排水接纳、防汛排涝和水环境污染控制等功能。随着城市建成区规模扩大、地下管线复杂度提高以及极端降雨过程增多，仅依靠泵站流量、污水厂进水量和人工井下调查，难以准确掌握地下管网内部不同支线的实际水力运行状态。

地下雨污水管网通常采用重力非满管输送。管内同时存在自由水面、水深变化、流速变化以及空气空间，实际流量由过水断面面积和断面平均流速共同决定。降雨、下游河道顶托、泵站启停、污水厂进水能力、管道淤积、局部堵塞、错接混接和地下水渗入等因素均可能使同一管段在不同时段形成完全不同的水力状态。

传统地下管网监测常以液位作为主要参数。液位能够反映积水深度和满管风险，但不能直接代表实际流量。例如下游发生顶托时，井内水位可能持续升高，而流速反而下降；严重情况下甚至出现反向流。因此，仅利用液位建立固定水位—流量关系，难以覆盖复杂城市排水工况。

单一水下流速传感器同样存在局限。管道低水位时探头可能处于较好的测量状态，但在泥沙淤积、生物膜附着、油污、纤维和漂浮垃圾较多的污水环境中，水下传感器长期运行容易受到污染。高水位、大流量和强紊流状态下，局部流速也不一定能够稳定代表整个断面平均流速。

非接触雷达测速具有不与污水直接接触的优势，可以通过水面运动获取表面流速，但地下管道低水位、小水面、平滑水面或水面缺少有效散射特征时，雷达表面速度数据可能受到限制。单纯依赖一种测速原理，难以同时兼顾低水位、常规流态、高水位、污染严重、回水和双向流等多种地下管网工况。

S-CGPCF01复合式地下管网流量计采用多物理量融合技术，将24GHz雷达表面流速、60GHz雷达液位、2MHz超声波多普勒水下流速、静压水位和温度测量集成在同一监测终端中。系统能够同时获取水面速度、水下速度、非接触水位和接触式水位，为地下非满管流量计算提供多源数据基础。

复合式地下管网流量监测的核心价值不是简单增加传感器数量，而是利用不同测量原理之间的互补关系提高复杂工况下的数据可用性。雷达测速适合非接触获取表面流速，超声多普勒适合测量含有颗粒和气泡水体的水下速度；雷达液位不与污水接触，静压水位能够提供独立水位信息。通过断面模型、质量评价、工况识别和现场比测，将多源数据转换为连续可信的流量数据。

地下管网流量监测常见工程问题包括：管径资料与现场实际尺寸不一致；检查井内存在跌水和涡流；传感器安装位置距离弯头、汇流口或泵站过近；底部淤积改变实际过水面积；管道部分时间由非满管进入高充满度状态；漂浮物遮挡水下探头；雷达安装角度发生变化；下游顶托形成低速高水位；井内通信信号衰减；管道改造后平台仍使用旧断面参数等。

因此，本方案建立：

管网调查 → 监测断面测绘 → 雷达表面流速 → 超声波水下流速 → 雷达液位 → 静压液位 → 温度补偿 → 多源数据质量评价 → 工况识别 → 断面面积计算 → 断面平均流速融合 → 瞬时流量 → 正反向累计水量 → RS485/MODBUS → 4G/以太网远程传输 → SIYB®排水管网监测平台 → 水力异常诊断 → 雨污分析 → 管网运维决策

的复合式地下管网流量在线监测体系。

二、建设目标与监测目标

1. 建设目标

建设以S-CGPCF01复合式地下管网流量计为前端感知核心，以雷达、超声波、静压多传感融合为技术基础，以远程数据采集通信终端和SIYB®排水管网监测平台为数据中心的地下管网流量在线监测系统。

2. 水位监测目标

实时获取地下雨污水管道水位、实际水深和充满度，识别低水位、正常输水、高水位、临近满管和异常顶托状态。

3. 流速监测目标

同时获取雷达表面流速和超声波水下流速，通过不同测量原理形成交叉验证，并根据现场工况计算具有断面代表性的平均流速。

4. 流向监测目标

识别正常设计流向、低速状态、近零流和反向流，监测河道顶托、泵站影响和上下游水位变化造成的倒灌。

5. 流量监测目标

根据实时水位、管道几何断面和融合后的平均流速计算瞬时流量，形成小时、日、月和年度累计排水量。

6. 管网工况目标

利用水位、表面流速、水下流速和流量之间的组合关系识别淤积、堵塞、回水、异常排水、雨水入流和设备故障等状态。

7. 远程监测目标

将地下分散监测节点统一接入平台，实现无人值守数据采集、趋势分析、异常告警、远程状态检查和运维记录。

8. 管网管理目标

通过连续流量数据辅助开展雨污混接排查、入流入渗分析、排水分区水量平衡、污水厂进水溯源、溢流风险研判和管网清淤治理。

系统应能够持续回答：

当前管道水深是多少 → 当前充满度是多少 → 水面流速是多少 → 水下流速是多少 → 两类流速是否一致 → 当前流向是否正常 → 实际瞬时流量是多少 → 今天累计排水量是多少 → 是否发生回水倒灌 → 高水位是大流量造成还是下游顶托造成 → 夜间异常流量是否可能存在地下水渗入 → 降雨后流量响应是否异常 → 是否需要安排现场清淤或管网排查。

三、需求分析

1. 地下管网流量必须同时考虑水深和流速

对于非满管流动，流量基本关系为Q=VA，其中A随实时水深变化，V则随管道坡度、糙率、上下游边界和水力状态变化。任何只测水位或只测流速的方法都存在一定适用边界。

2. 应优先使用实测断面参数

管网竣工图中的管径、底高程和管形属于设计资料，长期运行后可能受到衬砌、淤积、变形和改造影响。正式实施前应复核实际管径、管型、底高程和淤积厚度。

3. 安装点应远离强紊流区域

检查井跌水、管道弯头、三通汇流口、泵站出水和明显断面突变位置会产生复杂涡流。测流断面应尽可能选择流向明确、速度相对稳定的位置。

4. 雷达和水下测速具有不同适用条件

雷达表面测速依赖水面散射特征和合理安装几何；超声波多普勒测速依赖水体中的颗粒、气泡等散射体。项目应发挥两种测速方式的互补性，而不是简单固定使用其中一个结果。

5. 双水位测量应形成相互校核

60GHz雷达水位属于非接触式测量，静压水位属于接触式压力测量。长期运行可综合色两者的差值判断零点漂移、压力探头污染、雷达反射异常或安装位置变化。

6. 低水位监测必须考虑传感器安装高程

资料给出的最低可测水位为2cm，但实际最低有效流量测量能力仍与管径、探头安装、超声测速条件和流场有关，应通过项目现场试验确认。

7. 淤积会同时影响面积和速度

管底淤泥不仅减少过水面积，还可能覆盖超声波测量区域并改变局部速度分布。因此，淤积不能只作为设备维护问题，而必须作为流量数据质量因素进行管理。

8. 高充满度和满管状态应区别处理

S-CGPCF01主要定位于地下管网非满管流量监测。管道接近或进入完全满管、承压运行时，水面雷达测速和雷达液位的工作条件发生改变。若项目存在长期满管工况，应按照满管流量测量要求另行评价方案，不应直接沿用非满管模型。

9. 井内环境应考虑通信衰减

铸铁井盖、钢筋混凝土井体和地下安装位置会明显衰减蜂窝网络信号，4G天线宜安装至井口或地面合适位置。

10. 应区分真实零流量与测量无效

管道真实无流时可以记录零流量；如果测速信号无效、设备故障或断面数据缺失，则应标记为无效数据，不能简单写入0。

11. 管网监测应与降雨数据联合

雨水管网和合流制管网的流量变化与降雨高度相关。只有将降雨与管道水位、流速和流量同时分析，才能评价汇水响应、入流速度和排水能力。

12. 污水系统应关注夜间基流

凌晨低生活用水时段的稳定污水流量可用于研究地下水入渗、河水倒灌和异常持续排水，是管网排查的重要数据窗口。

13. 地下安装必须满足有限空间安全要求

污水检查井可能存在缺氧、硫化氢、甲烷等风险。设备安装、校核和维护应按照项目有限空间作业制度执行气体检测、通风、监护和人员防护，不得仅为维护传感器而降低安全管理要求。

14. 防爆适用性必须单独确认

现有产品资料未提供防爆认证信息。如果具体检查井被划分为爆炸危险环境，应采用具有相应防爆资质和适用等级的设备，不应仅依据IP68防护等级判断其可用于爆炸危险区域。

四、总体解决方案

复合式地下管网流量监测采用“非接触雷达＋水下超声波＋双水位＋真实断面模型＋多源数据融合”的总体技术路线。

S-CGPCF01安装于代表性地下管道或检查井断面。24GHz雷达测速单元从水面上方获取表面流速，2MHz超声波多普勒单元获取水下局部或代表性流速；60GHz雷达液位从上方测量水面距离，静压传感器根据水压力独立计算水深。

控制系统根据两组水位信息计算实际水深和管道充满度，同时根据管径和管型计算当前过水面积。测速数据经过质量检查后，通过现场标定系数和融合算法估算断面平均流速。

对于数据质量良好的正常非满管工况，可综合雷达表面流速与超声水下流速；当某种传感方式因工况导致质量下降时，可以降低其在融合模型中的权重，并通过另一类传感数据维持水力状态判断。

断面平均流速与实时有效过水面积相乘得到瞬时流量。流量按照时间积分后形成累计排水量，并根据速度方向分别形成正向、反向和净累计水量。

现场数据通过RS485/MODBUS接入4G采集终端或综合在线RTU，再通过4G、以太网等方式上传SIYB®排水管网监测平台。

总体技术链路为：

24GHz雷达表面流速 + 2MHz超声波水下流速 + 60GHz雷达液位 + 静压水位 + 水温 → 数据质量评价 → 水位交叉校核 → 流速交叉校核 → 管道充满度 → 实际过水面积 → 平均流速融合 → 瞬时流量 → 正反向累计流量 → RS485/MODBUS → RTU/4G → SIYB®排水管网监测平台 → 水力状态识别 → 异常告警 → 管网运维决策。

五、系统架构设计

1. 地下管网对象层

包括雨水管、污水管、合流管、截流管、箱涵、排水渠及其他具有自由水面的地下非满管输水通道。

2. 雷达表面流速层

采用24GHz雷达对水面运动进行非接触测速，减少传感器与污水直接接触。

3. 超声波水下流速层

采用2MHz超声波多普勒方式测量水下流速，为低水位和复杂水面条件提供另一套速度信息。

4. 雷达液位层

采用60GHz雷达测量传感器到水面的距离，通过安装基准换算实时水深。

5. 静压液位层

利用水柱静压力独立计算水位，实现水位冗余测量和长期数据质量诊断。

6. 温度测量层

记录水温，为超声传播和水体工况分析提供基础参数。

7. 断面模型层

根据圆管、矩形箱涵、梯形渠或现场测绘断面计算不同水位对应的有效过水面积。

8. 数据融合层

综合色雷达、超声、液位、流向、数据质量和现场校准系数计算断面平均流速和流量。

9. 数据采集层

通过RS485/MODBUS接入RTU或智能采集主机。

10. 通信层

采用4G、以太网或项目现有通信网络实现远程上传。

11. 平台分析层

完成水位、流速、流量、累计水量、设备状态、趋势和报警管理。

12. 管网业务层

服务于雨污分流、管网排查、排水防涝、入流入渗分析、污水厂水量管理、溢流治理及管网运维。

六、监测内容与监测方法

1. 雷达表面流速

通过24GHz雷达获取水面运动速度，记录原始表面流速及流向。

2. 超声波水下流速

通过2MHz超声多普勒获取水下速度，作为断面流速估算的重要输入。

3. 雷达水位

通过60GHz雷达非接触获取水面距离并换算水位。

4. 静压水位

通过压力传感器获取水柱压力，并转换为水深。

5. 融合水位

平台比较雷达水位和静压水位，在两者工作正常时形成长期校核关系。

6. 管道充满度

对于直径D的圆管：

Fill = h / D × 100%

充满度是判断地下管道输水能力和满管风险的重要参数。

7. 有效过水面积

根据实时水深和实际管道断面动态计算。

8. 平均流速

利用雷达表面速度、超声水下速度及现场比测系数计算断面代表平均速度。

9. 瞬时流量

根据Q=VA连续输出实际瞬时流量。

10. 正向累计流量

统计设计正常流向累计排水量。

11. 反向累计流量

记录下游顶托、倒灌及异常反向输水量。

12. 水温

用于超声测量补偿和工况分析。

13. 设备电压

用于评估现场电源及太阳能储能状态。

14. 降雨量扩展

雨水和合流管网项目建议同步接入雨量数据。

15. 井盖积水和地面积水扩展

重点防涝点位可接入地面积水深度，分析地下管网和地面积水之间的响应关系。

七、技术原理与算法模型

1. 雷达多普勒表面测速原理

24GHz雷达向水面发射连续电磁波，水面运动形成多普勒频移。理想条件下速度关系可表示为：

V_r = c × f_d / [2f₀cosθ]

其中c为电磁波传播速度，fd为多普勒频移，f0为雷达工作频率，θ为雷达波束与水面运动方向之间的有效测量角。

2. 雷达表面速度与平均流速关系

雷达直接获取的是表面代表速度，并不天然等同于断面平均速度。工程应用通常需要建立：

V_avg,r = K_r × V_r

Kr应根据实际管道、充满度和现场参考流量比测确定，不宜采用所有管道统一经验系数。

3. 超声波多普勒测速原理

超声波换能器向水体发射频率为fs的声波，悬浮颗粒或气泡对声波产生散射。由于散射体随水流运动，回波形成频移Δf，可近似表示为：

V_u = c_s × Δf / [2f_scosα]

其中cs为水中声速，α为超声波束与流向夹角。

4. 水温补偿

水中声速随温度变化，因此系统测量水温并用于修正超声测速参数，降低季节温度变化引起的系统误差。

5. 雷达水位原理

60GHz雷达测得传感器参考面至水面的距离D_r。设传感器安装基准至管底距离为H₀，则水深：

h_r = H₀ - D_r

6. 静压液位原理

静止或近似静水条件下：

h_p = P / (ρg)

其中P为水柱压力，ρ为液体密度，g为重力加速度。

7. 双水位偏差

可定义：

Δh = |h_r - h_p|

当Δh长期明显增大时，应检查雷达安装、水面反射、静压探头污染、压力零点及管道流态。

8. 圆形非满管过水面积

对于内半径R的圆管，实时水深为h，且0≤h≤2R时：

A(h) = R² arccos[(R-h)/R] - (R-h)√(2Rh-h²)

该公式用于计算实际湿润过水面积。

9. 圆管充满度

η = h / (2R) × 100%

可用于描述管道由低水位逐渐向高充满度发展的过程。

10. 矩形箱涵面积

当箱涵净宽为B：

A = B × h

当结构存在淤积或非规则底部时，应采用现场实际断面模型。

11. 复合平均流速模型

在两类测速数据均满足质量条件时，可构建：

V_avg = w_rK_rV_r + w_uK_uV_u

其中：

w_r + w_u = 1

Kr、Ku为现场校核系数；wr、wu为根据水位、信号质量和流态确定的融合权重。

上述模型属于工程建议算法，具体参数必须通过实际管道比测确定。

12. 传感器质量权重

可按照信号有效性建立动态权重：

w_i = q_i / Σq_i

其中qi表示对应传感器当前的数据质量指标。当某类测速数据无效时，不应继续给予正常权重。

13. 瞬时流量

Q(t) = V_avg(t) × A[h(t)]

形成实时m³/s、L/s或m³/h结果。

14. 累计排水量

V_cum = ΣQ_kΔt_k

15. 正反向累计

正向累计：

V₊ = Σmax(Q_k,0)Δt

反向累计：

V_- = Σ|max[min(Q_k,0)]|Δt

净流量：

V_net = V₊ - V_-

16. 水位变化率

R_h = [h(t)-h(t-1)] / Δt

快速上涨可作为暴雨汇流、下游顶托或堵塞的辅助特征。

17. 流量变化率

R_Q = [Q(t)-Q(t-1)] / Δt

用于识别突发排水、泵站启停和降雨径流快速进入管网。

18. 雷达—超声流速一致性

可定义：

D_v = |K_rV_r - K_uV_u|

在类似水力条件下Dv持续升高，可提示某种测速方式受到污染、信号质量下降或流速剖面明显变化。

19. 夜间最小流量

污水管网可以统计每日凌晨稳定时段最小流量：

Q_MNF = min[Q(t)]

长期夜间基流异常升高可作为地下水入渗、河水倒灌或持续异常排水调查的线索。

20. 雨量—流量响应

降雨事件可计算：

τ = t_Qrise - t_rain

分析降雨开始至管网流量明显上涨之间的响应时间。

21. 入流入渗分析

可建立：

Q(t) = Q_sanitary + Q_infiltration + Q_{rain inflow}

结合晴天基线、夜间流量和降雨事件，分析生活污水、地下水渗入和降雨直接入流的相对变化。

22. 回水识别模型

若出现水位持续上升，同时平均流速下降甚至由正转负，可形成典型回水组合特征：

dh/dt > 0，dV/dt < 0

应进一步检查下游河道、泵站、截流设施及管网堵塞情况。

23. 现场比测校核

使用便携式流速仪、ADCP或项目认可方法进行参考比测：

E_Q = (Q_online-Q_ref) / Q_ref × 100%

应覆盖低水位、正常水位和较高水位等多个典型工况。

八、系统功能设计

系统支持雷达表面流速、超声波水下流速、雷达水位、静压水位、水温、流向、充满度、实时过水面积、断面平均流速、瞬时流量、累计流量、正向累计、反向累计、净累计和设备运行状态监测。

支持雷达水位与静压水位交叉校核、雷达测速与超声测速一致性分析、传感器异常诊断、低水位识别、高水位识别、回水判断和流量异常分析。

支持RS485默认接口和RS232选配接口，通过MODBUS协议与RTU、数据采集仪、PLC或SIYB®数据平台连接。

支持本地蓝牙参数设置和数据查看，方便安装人员在井口附近完成断面、安装高度、通信地址及其他参数调试。

平台可根据项目扩展雨量站、地面积水、水质、井盖状态、泵站运行和视频数据，实现地下排水综合在线监测。

九、硬件组成与配置方案

1. S-CGPCF01复合式地下管网流量计

作为现场核心复合传感单元，完成表面流速、水下流速、双水位和温度测量。

2. 24GHz雷达测速模块

采用非接触方式测量水面速度和流向。

3. 60GHz雷达液位模块

用于非接触式水位测量。

4. 2MHz超声波多普勒测速模块

用于地下污水或雨水水下流速测量。

5. 静压水位传感单元

用于0～10m水深范围的独立液位测量。

6. 温度测量单元

用于水温及相关补偿。

7. 井壁固定结构

根据检查井结构采用不锈钢支架、导轨或定制固定组件，将设备牢固安装于代表性流态区域。

8. 4G/综合在线RTU

通过RS485/MODBUS采集流量计数据并上传平台主管。

9. 地面通信天线

用于解决地下井室蜂窝信号衰减问题。

10. 供电系统

可根据现场采用市电、蓄电池或太阳能供电方案。

11. 防雷浪涌设备

用于通信及供电线路的浪涌保护。

12. 雨量计（选配）

雨水、合流制和入流入渗分析项目建议配置。

13. 地面积水监测（选配）

防汛排涝项目可同步监测道路积水。

14. 水质监测设备（选配）

污染源排查可增加电导率、COD、氨氮等综合在线指标，用于异常排水辅助识别。

15. SIYB®排水管网监测平台

负责多参数展示、管网GIS、流量统计、雨污分析和异常告警。

十、核心设备参数

1. S-CGPCF01产品资料确认参数

产品型号：S-CGPCF01。

产品名称：复合式地下管网流量计。

测量类型：超声波/复合式流速流量测量。

主要测量原理：平面微带阵列天线CW+PCR、超声多普勒。

工作模式：自动、休眠。

工作电压：DC 7～32V。

工作电流：DC12V时工作≤25mA。

待机电流：DC12V时≤1mA。

2. 雷达表面流速参数

雷达功率：100mW。

雷达频率：24GHz。

资料标称最大距离：40m。

流速范围：0.03～5m/s。

流速精度：±0.01m/s或±2%FS。

天线角度：12°。

流向功能：自动识别水流方向。

安装补偿：内置垂直角度校正。

3. 雷达水位参数

工作功率：10mW。

工作频率：60GHz。

测量范围：3m。

水位精度：±2mm或±0.05%FS。

雷达天线角度：8°。

4. 超声波水下流速参数

超声波最大功率：3W。

工作频率：2MHz。

双向流速范围：±0.02～±5m/s。

流速精度：±0.6%、±2mm/s。

流速分辨率：1mm/s。

5. 静压水位参数

量程：0～10m。

测量精度：±1%、±2.5mm。

分辨率：1mm。

资料标称最低可测水位：2cm。

6. 通信与结构参数

默认通信接口：RS485。

可选通信接口：RS232。

协议：MODBUS。

外壳材料：防紫外线ASA。

设备尺寸：175×115×79mm。

资料标称防护等级：IP68。

工作温度：-35～70℃。

存储温度：-40～70℃。

重量：＜1kg。

资料标称防雷等级：6kV。

7. 蓝牙参数

功能：本地参数设置和数据查看。

蓝牙标准：4.2及以上。

发射功率：+8dBm。

接收灵敏度：-95dBm，资料条件为0.1%BER。

8. RTU建议参数

传感器接口：RS485/MODBUS-RTU。

通信：4G LTE Cat.1或以太网。

采集周期：10s～60min可配置。

常规管网监测建议：1～5min。

暴雨期间：可根据项目需求缩短采集周期。

数据内容：雷达流速、超声流速、雷达水位、静压水位、水温、平均流速、瞬时流量、累计水量及设备状态。

9. 雨量扩展建议参数

分辨率：0.2mm。

输出：RS485/MODBUS。

用途：降雨—水位—流量响应分析。

10. 供电建议

传感器本体：DC7～32V。

低功耗运行：支持自动和休眠模式。

太阳能场景：太阳能板和电池应根据RTU、4G通信频率和所有扩展传感器总日耗电量专项核算。

11. 参数应用边界

以上雷达、超声、静压、接口、外壳、尺寸、IP68、防雷、工作温度、蓝牙及功耗等参数均依据S-CGPCF01现有产品资料。

4G通信周期、RTU、太阳能容量、雨量计以及复合数据融合算法属于本方案根据地下管网综合在线监测需求补充的工程建议，不属于现有产品资料已经确认的基础出厂参数。

IP68和6kV为产品资料标称信息，不代表另行提供对应认证或检测报告；现有资料亦未提供防爆认证，正式项目应以技术协议和出厂文件为准。

十一、软件平台与数据展示

SIYB®排水管网监测平台按照“城市—排水分区—管网系统—检查井—监测断面—设备”的结构组织地下管网流量数据。

1. GIS管网地图

显示各监测点空间位置、当前液位、流量、流向及告警状态。

2. 实时数据页面

同时显示雷达表面流速、超声水下流速、雷达水位、静压水位、融合水位、平均流速、瞬时流量和累计流量。

3. 管道充满度页面

以百分比和管道断面示意展示当前充满状态。

4. 双水位趋势

同时展示雷达和静压液位，用于发现长期漂移和异常差值。

5. 双流速趋势

比较雷达表面流速和超声水下流速随时间的变化。

6. 流量过程线

展示瞬时流量及小时、日、月流量变化。

7. 正反向流量

记录正常排水、倒灌以及净排水量。

8. 雨量—流量联合页面

降雨项目将雨量、水位、流速和流量置于统一时间轴。

9. 夜间最小流量

统计污水分区凌晨低谷流量，用于入流入渗筛查。

10. 告警中心

分别管理高液位、超流量、反向流、液位偏差、流速偏差、设备异常和通信异常。

11. 管网事件标记

将清淤、泵站检修、管道施工、降雨、河道高水位等事件标记到趋势图中。

12. 运维档案

保存断面尺寸、安装位置、安装角度、零点、现场比测、传感器清理及参数调整记录。

十二、数据分析与智能应用

1. 晴天污水基线分析

利用长期晴天流量建立不同星期和不同时段正常污水排放基线。

2. 夜间地下水入渗筛查

在居民和工业用水较低的凌晨时段，如果污水管道仍长期保持较大稳定流量，可作为地下水入渗调查线索。

3. 雨天入流分析

若降雨后污水管道流量快速增加，可分析雨污混接、井盖进水和地表水直接进入污水管网的可能性。

4. 延迟入渗分析

部分地下水渗入并不会在降雨后立即出现，而是在雨后数小时甚至更长时间形成缓慢流量增量。连续流量数据可以识别这种长尾响应。

5. 排水能力分析

比较暴雨期间水位、充满度和流量。如果水位接近满管而流量增幅有限，可能提示下游顶托、管道能力不足或淤积。

6. 回水与倒灌识别

综合色水位持续上涨、速度下降和反向流量，辅助识别外河高水位、泵站停运或下游阻塞造成的倒灌。

7. 管道淤积识别

相同上游工况下，如果水位逐渐升高而流量能力持续下降，应结合断面巡检判断是否存在淤积。

8. 管道堵塞识别

短时间水位快速升高但下游流量下降，可能提示垃圾、树根、沉积物或结构性障碍造成局部堵塞。

9. 异常排水识别

工业园区或重点企业附近监测点若在非正常时间出现明显流量增加，可结合电导率、水质和上游监测点开展异常排水排查。

10. 排水分区水量平衡

可计算：

ΔQ = ΣQ_upstream - Q_downstream

用于筛选可能存在侧向来水、渗漏或管网资料缺失的区域。

11. 污水厂进水溯源

在污水厂上游主要干管部署多个流量点，可以分析不同片区对进水量的贡献和异常增长来源。

12. 泵站运行评价

结合泵组启停、电流和上下游流量评价实际输送能力及泵站调度效果。

13. 合流制溢流风险分析

综合色降雨、干管液位、充满度和流量，识别可能进入高水位甚至溢流风险状态的时间窗口。

14. 数据质量分析

利用双流速、双液位、设备状态及历史正常关系形成数据质量评价，避免将传感器异常误判为真实管网事件。

十三、预警机制与决策支撑

1. 高水位预警

按照管径和安全充满度设置多级阈值，识别水位接近管顶和满管风险。

2. 水位快速上涨预警

短时间dh/dt超过项目阈值时，提示暴雨汇流、下游顶托或局部堵塞。

3. 超流量预警

瞬时流量超过历史高值或项目管理阈值时生成流量异常事件。

4. 反向流预警

持续检测到反向流时，记录开始时间、最大反向速度、持续时间和反向累计水量。

5. 水位—流量异常预警

水位明显升高而流量没有同步增加时，应优先分析回水、淤积和堵塞。

6. 双水位偏差预警

雷达和静压水位差超过正常历史范围时，提示传感器污染、安装变化或特殊流态。

7. 双流速偏差预警

雷达和超声经过现场系数换算后的速度长期明显偏离时，平台主管提示检查传感器及流态。

8. 夜间基流异常预警

夜间最小流量明显高于长期晴天基线时，生成入流入渗排查任务。

9. 雨天污水流量异常预警

降雨后污水流量增幅显著高于正常背景时，可提示雨污混接或雨水入流风险。

10. 通信和设备异常

设备异常与水力异常分别管理，避免设备故障被错误解释为零流量。

11. 决策流程

流量异常 → 核查设备状态 → 对比雷达/超声流速 → 对比雷达/静压水位 → 检查充满度 → 分析上下游监测点 → 检查降雨和泵站 → 判断回水/堵塞/入流入渗 → 安排现场管网检查 → 清淤或工程治理 → 持续监测验证治理效果。

十四、项目实施方案

1. 管网资料收集

收集GIS管网、竣工图、管径、材质、坡度、检查井高程、泵站及排口资料。

2. 监测目标确定

明确项目主要服务于防涝、雨污混接、入流入渗、污水厂水量、排水监管还是综合在线运维。

3. 现场踏勘

查看检查井深度、井口结构、管道走向、水深、流态、淤积、跌水和通信条件。

4. 有限空间风险评估

安装前按照项目安全制度开展有毒有害气体、缺氧及其他井下风险评估。

5. 实际断面测量

复核管径、箱涵宽高、管底高程和实际淤积。

6. 流态评价

避开明显跌水、强涡流、弯头和汇流口，选择具有代表性的测量断面。

7. 安装结构设计

根据井壁结构设计传感器固定支架，使雷达视场和超声测速区域保持稳定。

8. S-CGPCF01安装

保持设备牢固，校核雷达角度、安装高程及水下测速位置。

9. 水位基准设置

测量雷达参考面至管底的实际距离，并与静压水位统一至同一水深基准。

10. 管道断面录入

根据圆管、矩形箱涵或不规则断面录入几何模型。

11. 流向确认

通过现场实际流向确定平台正负方向。

12. 雷达流速测试

检查24GHz雷达水面回波和速度稳定性。

13. 超声测速测试

检查2MHz超声水下流速、散射信号及正反向识别。

14. 双水位校核

使用人工水尺或参考液位同时核对雷达和静压结果。

15. 蓝牙本地调试

利用蓝牙完成现场参数查看和基础配置。

16. RS485/MODBUS联调

确认地址、波特率、寄存器、数据格式及单位。

17. 4G通信调试

检查地下设备至地面天线、RTU和平台数据链路。

18. 现场流量比测

使用项目认可的方法在低、中、高水位等不同工况下开展流量比测。

19. 融合参数确定

根据实际比测确定雷达表面流速、超声水下流速与断面平均速度之间的转换关系。

20. 雨量联调

雨水和入流入渗项目将监测点与对应雨量站建立空间关联。

21. 试运行

连续观察晴天、夜间低流量、日间高峰及至少一个降雨过程，验证设备和水力数据。

22. 项目验收

验收宜包括安装断面、雷达流速、超声流速、雷达液位、静压液位、水温、流向、瞬时流量、累计流量、MODBUS、通信平台及现场比测资料。

十五、运维服务保障

复合式地下管网流量监测系统运维重点包括水下超声单元、静压水位、雷达窗口、安装支架、管道断面和通信系统。

定期检查水下探头是否被淤泥、生物膜、油污、纤维和垃圾覆盖。明显附着会影响超声多普勒测速和静压测量。

雷达测量区域应保持无遮挡。蜘蛛网、冷凝水、井内构件和后续施工增加的线缆可能影响雷达波束。

定期检查传感器固定结构。车辆荷载、井壁腐蚀、管网检修和大流量冲击可能造成安装位置变化。

清淤后应重新测量实际管底条件。清除淤泥会改变断面面积和水下探头相对位置，需要复核断面参数。

雷达水位和静压水位应定期与人工水尺比对。长期偏差增大时检查零点及安装高程。

雷达表面速度和超声速度长期出现明显偏差时，应结合现场参考测速判断哪一类传感数据发生异常。

所有井下维护应执行有限空间安全制度，不得为了缩短设备维护时间省略气体检测、通风和监护环节。

平台应保存清淤、探头清洁、支架调整、管网改造、参考比测和算法参数修改记录，以保证历史流量数据可追溯。

十六、项目优势与方案价值

S-CGPCF01与单一地下管网液位计最大的区别，是同时获得水位和速度信息，使地下非满管流量建立在实际速度—面积计算基础上。

与单一水下流速仪相比，24GHz雷达表面测速提供了一套非接触式速度数据，可以减少污水污染造成的单一测量依赖。

与单一雷达流量方案相比，2MHz超声波水下测速补充了水体内部速度信息，使低水位和不同水面条件下具有更多数据来源。

60GHz雷达水位与0～10m静压水位形成双液位体系，可以对水位测量进行长期交叉检查。

雷达和超声两类速度、雷达和静压两类水位形成“2种流速＋2种水位”的复合数据结构，有利于建立地下管网数据质量诊断。

DC7～32V宽电压、低工作电流及休眠模式适合地下分散监测节点和太阳能远程点位。

175×115×79mm紧凑机体、重量小于1kg，便于检查井和地下有限空间的结构集成。

通过连续流量数据，可以将地下管网管理由“发生冒溢后人工排查”逐步转变为“水位—流速—流量连续诊断”。

最终形成：

雷达表面测速 → 超声水下测速 → 雷达液位 → 静压液位 → 温度补偿 → 多源校核 → 管道充满度 → 真实断面面积 → 断面平均速度融合 → 瞬时流量 → 正反向累计水量 → 4G远程平台 → 雨污分析 → 入流入渗分析 → 回水堵塞诊断 → 地下管网运维决策

的复合式地下管网流量综合在线监测体系。

十七、应用场景

1. 城市污水主管

连续监测污水流量、夜间基流和异常水量变化。

2. 雨水主管

分析降雨过程中的管道水位、流速、流量和排水能力。

3. 合流制管网

用于降雨期间高充满度、截流和溢流风险分析。

4. 雨污混接排查

结合降雨和污水管流量响应筛选可能存在雨水直接入流的区域。

5. 地下水入渗调查

利用夜间最低流量和雨后延迟流量变化筛选地下水入渗严重管段。

6. 污水厂进水溯源

在主要进厂干管和分区支管布点，分析不同区域进水贡献。

7. 泵站上下游流量

用于泵站调度、输水能力和回流分析。

8. 河道倒灌监测

记录外河高水位条件下地下排水管道反向流。

9. 地下箱涵

用于具有自由水面的雨污水箱涵连续监测。

10. 工业园区地下排水

用于排水总量、异常排放时段和水量平衡管理。

11. 防汛排涝综合在线监测

与雨量、河道水位、泵站和地面积水联合分析城市排水系统运行。

12. 排水管网数字化项目

为GIS、数字孪生和水力模型提供连续边界条件与校核数据。

十八、效益分析

连续监测能够补充人工计划偶发巡查无法获得的完整地下管网水力过程。

流速、水位和流量综合在线数据可以区分“高水位高流量”和“高水位低流量”，提高回水和堵塞判断能力。

双流速和双水位结构增加数据交叉验证条件，有利于减少单个传感器异常造成的误判。

污水系统可通过夜间基流识别入渗重点分区，提高 CCTV检测、管道修复和清淤资源投放的针对性。

雨水和合流制系统结合降雨数据后，可获得实际排水响应时间、峰值流量和退水过程，为防涝能力评价提供基础。

污水厂可以通过上游分区流量监测了解进水组成，辅助解释异常高水量和雨天进水冲击。

连续记录反向流量能够量化河道顶托和管网倒灌过程，为排口治理、闸门和泵站改造提供依据。

长期数据还可作为排水水力模型和数字孪生平台的校核数据，提高模型参数与真实管网运行状态的一致性。

十九、标准规范与技术依据

1. GB/T 11826.2-2012《流速流量仪器 第2部分：声学流速仪》

可作为声学流速测量相关技术性能和设备评价的重要依据。地下管网复合式流量计还包含雷达和静压测量，因此整个系统性能应以具体技术协议和现场比测为准。

2. GB/T 15966-2017《水文仪器基本参数及通用技术条件》

可作为水文监测仪器基本参数和环境适应性设计参考。

3. HJ 15-2019《超声波明渠污水流量计技术要求及检测方法》

污水、污染源及非满管排水项目可将其作为相关技术参考。S-CGPCF01属于雷达、超声和静压复合式设备，引用该标准不等同于产品已经取得该标准对应认证或型式检测。

4. 水资源和排水计量要求

项目用于行政计量、贸易结算或其他法定计量用途时，应根据当地现行计量管理要求执行检定、校准和验收程序。

5. 污染源在线监测要求

流量数据用于污染物排放总量和生态环境监管时，应同时执行项目适用的水污染源在线监测安装、运行和数据有效性要求。

6. 排水管网工程要求

管径、坡度、断面、水位基准、淤积和现场流量比测属于整个地下管网流量系统准确度的重要组成部分，不能仅以单个传感器精度代表整套系统最终流量准确度。

7. 有限空间及危险环境要求

地下污水井安装和维护应遵守项目所在地有限空间作业安全管理制度。涉及爆炸危险区域时，应选用经确认具有相应防爆资质的设备。

• GB/T 11826.2-2012《流速流量仪器 第2部分：声学流速仪》。
• GB/T 15966-2017《水文仪器基本参数及通用技术条件》。
• HJ 15-2019《超声波明渠污水流量计技术要求及检测方法》。
• 项目所在地城市排水、防汛排涝及地下管网运行管理技术要求。
• 污染源项目适用的水污染源在线监测技术要求。
• 项目计量、校准、流量比测和数据质量管理要求。
• 《S-CGPCF01复合式地下管网流量计产品说明书》。

二十、成功案例（典型应用示例）

以下为复合式地下管网流量监测典型应用示例，用于说明工程技术逻辑，不作为未经核验的实际客户项目业绩。

案例一：污水主管夜间异常基流

某污水分区连续监测发现凌晨流量长期保持较高水平，且晴天情况下仍较稳定。结合上下游流量和现场管网检查，项目将该区域列为地下水入渗重点调查区。

案例二：降雨造成污水流量快速增加

某污水管道每次降雨开始后短时间内流量快速上涨，雨停后较快恢复。该特征更接近雨水直接入流，进一步排查发现上游存在雨污混接和井盖进水。

案例三：雨后长时间高流量

某分区在降雨停止数小时后污水流量仍持续高于晴天基线，并缓慢恢复，形成明显长尾过程。项目进一步将其作为地下水入渗和管道结构性缺陷调查线索。

案例四：下游顶托导致高水位低流速

某管道液位快速升高，但雷达和超声速度均逐渐降低，随后出现短时间反向流。结合同期外河水位，判断该过程与下游顶托有关，而不是上游排水量突然增加。

案例五：管道堵塞识别

某监测点上游水位持续升高，但瞬时流量明显下降。现场检查发现下游存在垃圾和沉积物局部堵塞，完成疏通后水位和流量关系恢复正常。

案例六：淤积改变流量结果

某污水管运行一段时间后，相似水位条件下流量逐渐下降。现场复测发现底部淤积明显，清淤并更新断面基准后流量数据重新与参考结果一致。

案例七：水下探头污染

某点位超声波水下速度逐渐偏低，而雷达表面速度趋势保持正常。检查发现水下探头表面附着大量油污和纤维，清洗后双速度关系恢复。

案例八：雷达受井内构件遮挡

某次井内通信和电缆改造后雷达液位出现异常跳变，检查发现新增线缆进入雷达波束区域。调整布线后雷达液位恢复正常。

案例九：污水厂异常高进水溯源

某污水处理厂雨天进水量明显超过正常水平。通过上游多个干管复合式流量监测点比较，快速确定流量增量主要集中于两个排水分区，为后续混接和入渗调查缩小范围。

案例十：河道倒灌量化

外河高水位期间，排水管网出现持续反向流。平台分别统计反向速度、持续时间和反向累计水量，为后续排口防倒灌设施设计提供数据。

案例十一：多传感器自动校核

某点位雷达液位与静压液位长期差值较小，某日开始持续增大。现场检查发现压力传感器附近沉积物增加，通过清理恢复正常，避免直接将异常水位用于流量计算。

案例十二：城市防涝雨量—流量联合分析

某易涝区域同步布设雨量、地下管道流量和道路积水监测设备。暴雨过程中平台完整记录“降雨开始—管网流量增加—管道高充满度—地面积水出现—雨停退水”的全过程，为排水能力评估和工程改造提供数据。

二十一、参考文献

1. 《S-CGPCF01复合式地下管网流量计产品说明书》，V1.0，2026年9月。
2. GB/T 11826.2-2012《流速流量仪器 第2部分：声学流速仪》。
3. GB/T 15966-2017《水文仪器基本参数及通用技术条件》。
4. HJ 15-2019《超声波明渠污水流量计技术要求及检测方法》。
5. 项目所在地城市排水、防汛排涝及地下管网运行管理技术资料。
6. 项目地下排水管网GIS、竣工资料、现状断面及历史清淤资料。
7. 项目降雨、污水厂进水、泵站、河道水位和排水分区运行数据。
8. 项目现场流量比测、液位基准、安装记录及设备维护资料。

S-CGPCF01复合式地下管网流量计主要适用于城市雨水管网、污水管网、合流制管网、地下箱涵、排水干管、泵站上下游、工业园区地下排水和其他非满管输水通道，可用于管网流量、流向、水位、充满度及水力运行状态综合在线监测。

复合式地下管网流量监测的技术核心不是单纯使用一种测速方式计算流量，而是同时获取雷达表面速度、超声水下速度、雷达水位和静压水位，在真实管道断面基础上开展多源交叉验证和工况适应性融合，从而提高复杂地下排水环境中的数据可解释性。

最终形成“24GHz雷达表面测速—2MHz超声水下测速—60GHz雷达液位—0～10m静压水位—双流速校核—双水位校核—管道充满度—真实断面面积—融合平均流速—瞬时流量—正反向累计水量—RS485/MODBUS—4G远程传输—SIYB®排水管网监测平台—入流入渗分析—回水堵塞诊断—地下管网智能运维”的复合式地下管网流量监测方案。