污水管网水流监测及有关计算机模型技术的应用

污水管网水流监测及有关计算机模型技术的应用 季中 一 概述 我们知道 水流流量是任何水系统的基本参量 对于在系统中各个不同部位流量的了解是 任何信息系统的基本要求 这种用来了解系统工作状况的观测系统就如同人们用来了解周 围环境的眼睛一样重要 没有一个可靠的观测系统 对系统的任何进一步的改进和优化都 无从谈起 就城市污水及雨水排放管网系统而言 由于其特殊的管道和明渠条件 流量 和工作水环 境的要求 测量水流流量常用压力差法 超声法 和电磁法 压力差法测量水流通过在某 装置时压力或水位的降低 利用水流的能量原理 将压差换算成流量 由于这种方法只测 量压力或水位 测量方法和测量系统都很简单 测量数据相对可靠 在条件许可时常常是 最佳的选择 但往往由于这种方法需要通过外在的改变水流的装置 在装置两侧产生明显 可测量到的压差 有时难以实行 超声法 和电磁法测量水流截面面积和流速在该面上的 分布 将其换算成流量 超声法 和电磁法由于牵扯到流速及其分布的测量 可靠性和精 度上都受到很大的限制 在无压管道中 这些方法不仅需要测量流速分布 还要测量水位 任何水位和流速测量的问题都会导致采集到数据的错误 近年来本人参预的美国华盛顿州 靳县水资源部的污水管道雨水渗入调查项目主要调用的就是利用超声法和电磁法的仪器 约 800 台仪器采集的数据质量令人大失所望 尤其是这些仪器的可靠性在污水管道这种苟 刻的环境下显示出明显的弱点 很多经常使用这种仪器的同行也都有同样的体会 二 产品简要 城市污水及雨水排放管网系统污水管网水力计算机模型 是根据水流的力学原理 利用计 算机语言编写的软件 它可以根据管网系统的尺寸 泵站的抽水能力 闸门的控制方式 以及设计来流过程 推算管网系统的水流水位变化 在七十年代以前 水力学物理模型在 工程界型非常流行 它随着计算机技术的发展 自七十年代以来水力计算机模型发展迅猛 由于计算机模型用水流的原形建立基本方程 并通过数值方法求解 完全排除了物理模型 缩小时造成的理论缺陷 而且由于其使用方便及成本低廉的特点 目前不仅在大中型水利 工程方面已经完全取代水力学物理模型 而且在很多小型工程上 已经有了广泛的应用 本方案提出的城市污水及雨水排放管网系统流量的测量就是一个很有前途并未被开发的应 用实例 本产品利用压差测量方法的简明 可靠 和经济等优点 结合现代管网数值计算模型 测 量污水及雨水排放管道中的水流流量 产品有两个主要组成部分 数据采集系统和数据处 理系统 除此之外 还有一些围绕着两个组成部分一些附加系统 数据采集系统中包括水位测量系统 这个系统主要由装置在被测管道或管道系统上下游的 两个 或数个 窨井里的水位 压力传感器和一个数据存储系统以及他们之间必要的通讯系统 组成 这个系统安装在野外 负责同时采集两组 或数组 水位数据 以为数据处理系统提 供原始数据 根据用途 现场条件和经费的考虑 这个系统可以实时为数据处理系统提供 数据以推算实时流量 也可以将水位 压力数据存储在系统里并定期下载 然后由数据处理 系统处理以得到历史流量资料 水位 压力测量方法有很多种选择 具体可根据实际问题 结合可靠行 精度 及费用的考 虑做出选择 由于只需要水位 压力测量 这就为无接触测量提供了机会 数据处理系统主要由排水及污水管网的计算机模型组成 它装置在使用者的计算机上 通 过必要的接口与数据采集系统通讯 使用者需要一次性地建立所测管道的几何及物理参数 数据库 包括管道的形状和尺寸 上下游的窨井的高程和地点 管壁的粗糙度 以及其它 一些必要的参数 计算机模型通过这些参数以及水位 压力测量结果 计算出相应的水流流 量 除此之外 本产品还包括围绕着该系统建立的用户平台 方便系统的使用 并通过图形等 不同形式显示测量结果 还可包括一些对数据进一步分析的工具 目前有许多流行的商用排水及污水管网的计算机模型 这种模型通过对水流动力学方程求 解以计算水流状况 本人发展的 Superlink 算法计算稳定 精确 快速 并易于使用 它不 仅在学术研究上处于领先地位 见 98 年第三期美国土木工程师学会的ASCE Journal Of Hydraulic Engineering 期刊上发表的论文 并参照在此之后发表的对该论文的引 用文章 并在商用上的到了广泛的应用 本人最近对超声法 和电磁法测量仪器的测量的流量结果进行了分析比较 并结合上述仪 器测量的水位资料 通过数值计算机模型处理得出了相应水流流量 对不同方法结果的对 比证明 这种新形测量方法可完全代替现有的结合流速的测量方法 三 市场前景 应该指出的是 虽然这项技术在这里用于污水及水管网水流测量 它在其他领域的应用 包括供水系统 河流 灌溉系统 油管输送 工业液流测量 甚至人体心血管血流系统方 面的应用也是现实可行的 这种应用还可进一步扩展到气流测量领域 就水资源而言 根据联合国的一项调查 在将来的五十年内 世界上有一半的人口将生活 在水资源贫乏的环境中 随着日益严重的全球性水资源短缺 水污染控制及水源的合理利 用越来越受到社会的广泛重视 无论发达国家还是发展中国家 环保法规皆日趋苛刻 随 着发展中国家经济的发展 对水环境的保护也越来越重视 从而推动建设更多的新污水处 理系统 从发达国家的趋势看 许多旧系统需要更新改造 而且污水处理系统逐步趋向自 动化 污水的回收和再利用也越来越受到重视 水资源信息系统更加复杂和多功能化 水 价和污水处理成本的日益提高也为供水和水处理的效率提出了更高的要求 这种水资源的 和水环境的现状和发展方向为我们这项技术提供了巨大的商机 据美国环境总署的研究 在将来的二十年里 美国在供水和污水处理方面预计将花费三千亿至一万亿美元 从液体流量现有的观测技术来讲 市场上占有主导地位的主要有压力差法 螺旋桨法和涡 流法 据估计 其 2001 年各自的市场各占五亿 四亿三千万 和一亿四千万美元 其他还 有超声法 哥氏力法 电磁法等其他一些测量方法 他们占有相对少量的市场 就流量测 量在污水管网中的应用而言 市场要求日益增长 本人工作的美国华盛顿州靳县 西雅图所 在地 水资源部最近开展了一个城市污水管道雨水渗入调查项目 在污水管道里调用的流量 仪达 800 台 光这些仪器的租用和数据采集的花费就占了本项目三千四百万美元预算的三 分之二以上 据我们最近对美国的市场 学术期刊 以及专利文献调查 并结合本人在本领域工作的亲 身经历 水流测量目前常用的方法主要还局限在简单的 流速 X 面积 的方法测量水流流量 结合科学研究前沿的数值计算技术来测量液体流量的商用产品 目前还没有出现 超声波 法和电磁法在污水管中测量流量几乎仍然是唯一的选择 由于仪器设备的可靠性受到限制 仪器的定期养护 维修 和率定耗费了大量的人力物力 采集到的数据的分析和质量控制 更使用户伤透了脑筋 由于数据的质量不能得到保障 系统自动化和优化操作难以施行 本技术用简单可靠的水位 压力测量 数据质量的稳定性容易得到保证 在降低低养护 维 修 和率定成本的条件下 可为系统的自动化和优化操作提供进一步发展的基础 对于发达国家中小城市来讲 污水系统中作为系统改造 规划 设计 及系统操作而提供 依据而施行水流测量的很多 一般需要 5 20 个测量点的系统司空见惯 如果系统需要统一 中心控制以及优化 需要的测量点则更多 目前常用的超声波法和电磁法仪器 包括安装 和仪器本身 目前在市场上的费用约 7 000 美元 台 四 发展计划及策略 本产品经过数年的研究和发展 其关键的部份 即水流数值计算机模型在工程上的应用以 趋成熟 但要真正使用在水文和环境测量上并得以普及 这个产品必须满足用户的需要 或者说要让不懂计算机模型的人经过暂短的培训 就能够操作 这就需要发展配套产品 用市场上已有的有关测量监测仪器与我们的计算机数值模型配套 配套过程中会有些具体 技术问题需要解决 因为本产品的核心是数据处理器 通过与水位 压力测量产品和数据存 储和传输产品的配套 并突出宣传本产品的技术含量以及高可靠性 高精度 低养护 维 修 和率定成本的特点 从而达到本产品高回报的目的 产品发展的第一步是发展样机 包括选择现有水位 压力传感器和数据存储和传输产品 各 个软硬件模块的发展 以及必要试用过程及用户反馈 这个过程估计需要一年到一年半左 右 在产品发展的过程中 我们还要与国内外同行合作 用我们的半成品作实地测量 这样一 方面为我们的产品提供一个很好的测试机会 另一方面有助于增加我们产品的信誉和知名 度 与此同时 我们打算利用国际学术会议的机会 发表我们产品的介绍及结果 增加产 品在数据采集和系统控制方面的影响和知名度 并争取在国际知名的学术期刊以及应用杂 志上发表一些与我们产品的应用有关的文章 五 所用设备及资金 初步估计 必要设备及花费 办公室及办公设备 实验及必要的实验室设备 个人电脑 应用软件 人员工资 出差旅费 技术产权保护 所需发展资金 生产样机过程需人民币约二百万至四百万元 六 效益分析 初步估计 由于本产品属于创新产品 其数值计算模型的计算方法在学术上还处于领先地位 将其商 业化 近期内 三年内 主要策略是渗入和扩大市场 在此期间 我们可以适当合理定价 增加市场的占有百分比 目前竞争对手主要是超声波法和电磁法厂商 由于本产品只要测 量水位从而大幅度增加测量的可靠度的优势 从而大大减少系统维护和数据检验的人力物 力 只要本产品的定价与超声波法和电磁法仪器相当 就可能将其