流速-液位联合分析诊断管道状态—智慧排水之乱弹（153）

杨婷婷 李志一
2025-07-01
小编按：排水管道流量监测的作用不仅仅是简单地来采集流量数据。对于非满管或满管切换的排水管道，液位与流速的相关关系分析至关重要，也能揭示很多内在的秘密，特别是反映现场的工况及状态变化。本文基于液位、流速的同步实际监测数据进行归纳总结，对几种常见的分析诊断图进行了研究和探索，也介绍了清环开发的联合诊断分析模块，供大家参考。  

1、为什么要对管道运行状态进行诊断？   

在这个飞速发展的城市大舞台上，排水管道就像城市的隐形守护者，默默守护着城市的顺畅呼吸和人们的舒适生活。但这位守护者也有烦恼，比如拥堵、超载、偶尔还闹点小脾气——溢流，这些问题都让传统的“单一侦探”（单一指标分析方法）头疼不已，经常摸不着北。
不过，好消息来啦！随着在线监测技术这位“超级侦探”的崛起，它现在能实时捕捉管道里那些神秘的流速、液位小秘密，就像是给管道装上了24小时不休息的“眼睛”。【小编：给排水管网装上眼睛是一个最基本的刚性需求，甚至来讲和所谓的经济效益关系不大。为什么呢？就像一个人一样，如果眼睛是瞎的，那怎么可能很好的生活？所以我们不仅要给排水管网装上眼睛，也要装上能“看得见、看得清、看得准”的眼睛。】但问题是，这些宝贵的数据之前只是被简单地用来算算流量、流速、液位，就像是看了一场热闹的电影，却没读懂背后的故事。
为了揭开这些数据的神秘面纱，咱们得找个新招儿——一种能像侦探小说一样，把液位、流速这些线索串联起来，探究它们之间错综复杂关系的“综合诊断大法”。想象一下，用这种方法，我们不仅能看到管道的表面状况，还能深入它的内心世界，了解它的每一次心跳和呼吸。
于是，北京清环就推出了这么一套“管道健康检查秘籍”，它利用在线监测技术获取的足够多的数据，再搭配上升级版的曼宁公式和数据分析技术，简直就是管道界的“福尔摩斯”！这样一来，无论是管道的小问题还是大事故，都能被一一揪出来，精准处置。

2、先介绍一下分析方法  

曼宁公式在排水管道工程中有着广泛的应用，用于估算和设计管道的水流条件。通过曼宁公式，可以预测不同条件下的流速、流量和水位，为工程设计和运行提供重要的参考依据。然而，排水管道的独特性在于其运行环境尤为恶劣，特别是在我国，管道淤积现象屡见不鲜。为了更准确地评估这种复杂环境下的水流状况，将管道淤积深度纳入考量，并引入液位过水包角（圆管中水深对应的圆心角）和淤积过水包角来替代传统的充满度。   
详见熊五博士排水管网液位能算流量—智慧排水之乱弹（127）。
基于修正后的曼宁公式，可绘制排水管道特性曲线。在理想工况下，流速与液位之间的关系遵循修正公式，且管道曼宁曲线过零点。随着管道内充满度的逐渐提升，流速也呈现出相应的增长趋势。当充满度接近满管状态时，流速会达到一个峰值。然而，一旦充满度超过这一临界点，尽管充满度继续增加，流速却会开始呈现下降趋势。
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当管道面临如底部淤积、过载、溢流或流量限制等不利工况时，其实际运行数据将显著偏离理想状态下的特性曲线。这种偏离不仅揭示了管道运行中的潜在问题，而且提供了对管道性能进行全面分析和精确诊断的依据。通过对比实际数据与理想曲线，能够更准确地识别出管道运行的瓶颈和需要优化的环节，从而确保管道系统的稳定、高效运行。【小编：所以我们不能笼统地说，通过液位就能算流量。是否能做计算是和当前管道是否处在理想的运行状况是密切相关的。不过遗憾的是，根据实际监测，大部分情况排水管道并没有处在理想的工作状态，所以对于绝大多数工况下，通过液位来计算流量是不靠谱的、不准确的，甚至是不负责任的。】

3、具体案例具体分析  

基于上百个项目中数千台流量设备的数据分析，我们总结了“曼宁公式诊断法”在排水管道运行状态诊断中的应用，确保了该方法的无偏性、准确性和可靠性。这里列举了一些典型的案例。   

3.1管道壅塞的发生   

管道底部就像是城市里的秘密角落，淤积通常由污水中的固体颗粒、杂质或沉积物在管道底部逐渐积累形成，难以被发现，进而形成管道本段、上下游段的壅塞。
在壅塞工况下，管道的曼宁曲线作为描述水流特性的重要工具，其形态会显著偏离无淤积时的理想状态，不再与坐标轴零点相交。淤积层的增厚会导致管道内水位上升，在流速较低时，仍然存在一定的液位。然而尽管淤积对水流条件产生了显著影响，但流速与充满度之间的基本关系仍遵循曼宁曲线的原理，体现了管道水流运动的固有规律。
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3.2管道过载的发生   

随着城市的扩张，城市污水排放量与日俱增，这使得管道过载的风险日益升高。
一般而言，管道过载可以分为两个阶段：理想工况阶段与过载工况阶段。在理想工况阶段，随着污水流速的逐渐提升，管道的充满度会遵循曼宁曲线的规律，以稳定可预测的方式增加。在这一阶段中，排水系统仍保持了有效顺畅的运行。然而，当进入过载工况阶段时，管道流量达到其满管流量的阈值，情况便发生了显著变化。由于过水能力的限制，管道流速几乎不再增加，而管道的充满度却会持续攀升，直至产生溢流。   
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3.3管道溢流的发生   

排水管道的溢流问题，其根源往往复杂多样。但总的来说，管道溢流的主要原因就是管道的过水能力小于负荷，即管道的传输能力不足以及时转运大量的污水。利用“曼宁公式诊断法”，可以判断溢流发生的位置，包括上游管道溢流、下游管道溢流以及原位溢流工况。
上、下游管段出现溢流的工况下，管道内的充满度与流速之间的关系具有较高的相似性。在管道系统正常运行阶段，充满度和流速数据与管道曼宁曲线相吻合。随着管道流量的不断增加，下游限流设施开始介入调节。监测点位置的水流逐渐受阻并累积，形成壅水现象。此时，流速会经历短暂的小幅下降后趋于稳定，而充满度则持续上升，直至达到管道的最大深度。当上游管段发生溢流时，监测点处流量基本不变，充满度和流速数据维持在一个稳定的水平，如下图（左）所示；当下游管段发生溢流时，监测点处充满度不变，流速却显著加快，进而导致流量的显著增加，如下图（右）所示。   
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与上、下游管段发生溢流的情况不同，当进入原位溢流工况时，水深能够越过其检查井的埋深，此时水流因排向外部空间而冲破原有的压力束缚，流速因此呈现出显著的增长趋势，流量也随之迅速攀升。在这一阶段，充满度的变化则相对微小，通常可以忽略不计，如下图所示。
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3.4流量控制的发生   

在排水系统出现混流现象或合流制管道系统截污系数设置不当时，会不可避免地影响污水厂的进水流量，从而导致污水厂面临超负荷运行的挑战。为了有效调节污水厂的进水流量，确保水处理工艺的稳定运行，通常在管道系统的末端采取一系列流量限制措施。在合流制系统中，溢流堰是常用的流量调节手段；而在污水系统中，则更倾向于采用恒速污水泵来确保水流的稳定与可控。
溢流堰的设置方式有两种：尾堰和侧堰。尾堰调节工况下，管道水流开始等流量工况运行，水深增加，流速则相应减小。水深增加至堰高时（充满度0.4），水流越过堰顶溢流入河。在整个溢流过程中，水深和流速有一个持续增加的过程。   
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在安装了侧堰的合流制管道系统中，流速与充满度的关系不再完全遵循传统的曼宁曲线规律。发生溢流之前，流速和水深呈现同步增长的态势。而当溢流实际发生时，尽管数据整体偏离了曼宁曲线的预测范围，但溢流曲线仍然在一定程度上遵循了曼宁曲线的基本趋势。
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污水泵站的调控，一是污水泵对管道流量的常规限制，维持过流量恒定；二是为短时降低管道液位，污水泵进行的大力抽排。恒速泵流量调节的工况下，管道流体随泵开启台数的不同而不断变化。无调节工况时，管道充满度与流速遵循曼宁曲线关系。到达某一固定流量，恒速泵开始控制，管道的流量被调控并稳定在特定的数值上，充满度与流速呈等流量变化趋势。多泵并联时，管道总流量非简单叠加，而是受多种因素影响出现流量折损情况。   
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在管道受大流量抽排泵站影响时，充满度与流速严重偏离管道曼宁曲线。抽排作业未开始时，管道内液位较高，流速过低，呈严重过载状态。此时，下游泵站启动抽排作业，初始阶段流量受到抽排效应的影响，表现为迅速增加，充满度急剧下降。随着泵站逐渐过渡到稳定运行状态，流量将逐渐趋于平稳，开始等流量过流模式，管道内液位下降，流速稳步增加。
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4、总结   

4、对排水管理的技术支持

从上面的分析可以看出，管道运行状态的诊断对排水管理工作具有重要价值。我公司利用流速和液位指标的联合分析技术，推出排水管道工况图在线分析功能，基于在线监测数据和智能诊断算法，实现了管道运行状态的在线实时自动分析能力，能够为排水管理提供有效的技术支持。

首先，对于单一点位，系统可以自动识别每日的管道运行工况。由于现场的复杂性，实测数据与理论结果相比具有一定的不确定性，系统采用了模糊识别技术，能够给出工况诊断结果的识别可能性。同时，系统建立了标准工况数据库，能够根据工况的识别结果给出参考和结论，便于管理者掌握诊断结果的技术意义。

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其次，系统还提供了单一点位的长时间段分析，可以根据排水管理需求，按旱天、雨天分类分析最具代表性的运行工况；并基于精细统计，以数据表征管道长期运行状态，按比例分析各工况出现的时长，便于掌握该点位在一段时间内的整体运行情况。
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最后，在区域层面，系统实现了对最近一段时期的整体运行工况的诊断分析。通过统计所有监测点位的诊断结果，按旱天、雨天分类分析区域整体运行工况，并能直观地比较两个时间段内的变化情况，从更宏观的层面支持排水管理决策。

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5、总结

鉴于排水管道运行的复杂现状，我们对经典曼宁公式进行了必要的修正。通过对大量管道实际监测数据的分析，基于修正公式，提出了一种新液位和流速数据联合分析的诊断方法，旨在精准识别排水管道中的非正常运行状态。这种新的综合分析方法将诊断结果细化为5大类：理想工况、管道壅塞、管道过载、管道溢流以及流量控制，从而实现对排水管道状态更加精确、全面的掌握。

基于这种新的诊断方法，我们推出排水管道工况图在线分析功能，基于在线监测数据和智能诊断算法，实现了管道运行状态的在线实时自动分析能力，为排水管理提供了有效的技术支持。

当然要使用该功能，使用可靠的流量监测设备是必需的。可参考：清环主编的《多普勒断面扫描式排水管道在线监测流量仪》T/CSGPC045-2025发布

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在获得可靠的液位和平均流速后，才能使用该模块对现场工况进行分析诊断，系统界面如下所示。
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