项目背景与行业痛点

城市排水管网、雨污水管道、箱涵、排水渠及各类窨井是城市水循环和排水系统的重要组成部分。传统排水流量监测通常依赖人工巡测、便携式仪器或单一传感器，难以实现大量分散窨井的长期连续监测，无法及时掌握降雨过程中排水流量、水位及变化趋势。窨井内部具有空间狭小、环境潮湿、泥沙及杂物较多、流态变化复杂等特点，普通流量监测设备容易受到低流速、非满管、液面波动、泥沙淤积以及安装条件的影响。特别是在城市暴雨期间，流速和水位可能快速变化，单一测量原理难以兼顾不同流态下的监测需求。双模复合窨井遥测流量监测方案采用雷达流速与另一流速测量通道进行复合感知，同时配置水位和水温监测，通过多通道数据融合、流量模型计算和远程无线传输，实现窨井内流速、水位、流量等参数的连续自动监测。

建设目标与监测目标

建设面向城市排水窨井的自动化流量监测系统，实现监测点流速、水位、水温及计算流量的连续采集和远程传输，减少人工巡测工作量，为排水管网运行分析、内涝监测、污水排放管理和水务调度提供基础数据。

系统采用双模复合流速感知方式，根据不同流态和现场配置选择合适的流速通道参与流量计算，并通过水位数据、流速数据和断面模型建立流量计算关系。

通过4G无线通信将窨井内监测数据远程上传至管理平台，实现多监测点统一管理、历史数据查询、流量过程分析、异常识别和超限预警。

需求分析

窨井流量监测设备需要适应潮湿、积水、泥沙、污水及复杂流态环境，设备主机采用不锈钢壳体，典型防护等级为IP68，满足长期安装于窨井等潮湿环境中的设备防护需求。

系统需要同时获取流速和水位数据，并结合实际管道或渠道断面建立流量计算模型。流速综合精度约为±(3%读数＋0.005 m/s)，分辨率达到0.001 m/s；水位量程为0～10 m，可根据项目定制，典型盲区约0.05 m。

针对窨井内部缺少市电的特点，设备采用一次锂电池组供电，电池容量根据采集频率、通信频率、现场环境和项目运行周期进行配置，以降低现场布线和维护工作量。

系统采用4G通信，实现监测数据远程传输，并支持按照项目要求设置采集、计算和数据上报策略，在满足监测连续性的同时兼顾电池使用寿命。

总体解决方案

系统由双模复合流速感知单元、水位感知单元、水温感知单元、数据采集与计算主机、4G无线通信单元、电池供电单元、安装结构和远程监测平台组成。

流速监测采用双模复合方式，其中雷达通道通过非接触方式感知水面流速，适合减少传感器与污水直接接触；另一流速通道根据项目配置采用相应的接触式或浸没式测量方式，用于在特定水深、流态条件下补充雷达通道的适用范围。

水位传感器同步获取窨井或管道内水位，系统根据水位判断当前有效过流断面，并结合流速数据计算流量。对于圆形、矩形、梯形、椭圆、U形等典型断面，可根据项目建立相应的水位—面积关系。

采集主机完成流速、水位、水温数据同步采集，对异常值进行筛选和数据处理，根据配置的断面模型计算瞬时流量、累计流量等数据，并通过4G网络上传至远程监测平台。

系统架构设计

系统采用“流速感知层—水位感知层—现场采集计算层—无线通信层—云平台层—应用层”的架构。

流速感知层由雷达流速通道和第二流速测量通道组成，根据水位、流态及设备配置形成双模复合流速监测。

水位感知层实时采集窨井或管道内水位信息，并与流速数据进行时间同步，为过流面积计算和流量模型提供基础数据。

现场采集计算层负责多通道数据采集、滤波、异常识别、流速融合、断面计算、流量计算、本地数据缓存和设备状态管理。

通信层采用4G无线网络将数据传输至远程平台；平台层负责设备接入、数据存储、监测展示和报警管理；应用层面向排水管网、水务管理、城市防汛和运维人员提供流量监测及分析服务。

监测内容与监测方法

主要监测参数包括流速、水位、水温和计算流量，并可根据项目需要增加累计流量、流量变化率、设备状态和通信状态等数据。

雷达流速通道通过向水面发射电磁波并接收水面散射信号，根据多普勒频移特征获取水面附近流速信息。由于雷达属于非接触测量方式，可减少探头长期浸泡在污水中的维护问题。

雷达通道低流边界约为±0.2 m/s，工程应用中建议流速大于0.3 m/s。对于低流速或雷达通道不适宜工作的状态，可结合另一流速测量通道进行补充，以提高不同流态下的监测适应能力。

水位通道用于获取当前液面高度，系统根据水位和预设管道断面模型计算有效过流面积，再结合流速数据获得瞬时流量。

水温用于辅助判断水体环境变化，并可作为流量数据质量分析和设备运行状态判断的辅助参数。

技术原理与算法模型

雷达流速测量基于多普勒效应，通过分析水面散射信号的频移特征获得流速信息。该测量方式属于非接触式流速测量，适合窨井内不便频繁拆卸和维护的长期监测场景。

第二流速通道根据具体产品配置采用相应流速测量原理，与雷达通道形成测量互补。系统根据当前水位、流速有效性、信号质量和预设切换策略判断不同流速通道的数据是否满足计算条件。

流量计算采用“平均流速×有效过流面积”的基本模型。系统首先根据水位和管道几何参数计算当前有效过流面积，再结合有效流速计算瞬时流量。

对于圆形管道，根据管径和水位计算部分充满状态下的过流面积；对于矩形、梯形、椭圆、U形等断面，则根据断面尺寸和水位建立对应的水位—面积模型。对于非标准断面，可根据现场测量结果建立定制断面模型。

数据处理采用限幅、滑动滤波、异常值剔除、流速有效性判断和趋势判断等方法。对于短时间突变数据，系统结合持续时间和相邻数据进行判断，避免单个异常采样点直接造成流量异常报警。

系统功能设计

1. 双模流速监测：同时配置雷达流速通道和第二流速测量通道，根据现场工况实现复合流速监测。

2. 水位自动监测：连续获取窨井或管道内水位数据，并用于过流面积计算。

3. 水温监测：采集0～60 ℃范围内水温数据，辅助进行水体状态和设备运行分析。

4. 流量自动计算：根据实时水位、流速和断面模型计算瞬时流量。

5. 累计流量统计：根据连续流量数据进行时间积分，可形成小时、日、月等累计流量统计数据。

6. 双通道数据校验：根据流速通道有效性、数据差异和信号状态判断流速数据质量。

7. 异常识别：识别水位突变、流速异常、双通道偏差、设备离线和通信异常等状态。

8. 4G远程通信：通过4G网络向远程平台上传监测数据。

9. 本地数据缓存：通信异常时保存监测数据，通信恢复后根据系统策略进行数据补传。

10. 远程参数配置：支持根据项目要求配置采集周期、上报周期、断面参数和报警阈值。

硬件组成与配置方案

1. 雷达流速传感器：采用非接触式雷达技术监测水面流速，适用于窨井和排水管道等长期无人值守环境。

2. 第二流速测量单元：根据项目配置采用相应流速测量通道，与雷达通道形成双模复合监测。

3. 水位传感器：用于测量窨井或管道内水位，量程0～10 m，可根据实际项目定制。

4. 水温传感器：用于采集水体温度，测量范围0～60 ℃。

5. 数据采集主机：负责多通道信号采集、数据计算、断面模型处理、流量计算、本地缓存和设备控制。

6. 无线通信单元：配置4G通信模块，实现监测数据远程传输。

7. 供电单元：采用一次锂电池组供电，容量根据采集频率、通信频率和项目运行周期进行配置。

8. 防护结构：主机采用不锈钢壳体，典型防护等级IP68，适用于窨井潮湿、积水等环境。

9. 防爆配置：如项目涉及可燃气体或爆炸性危险环境，应根据具体危险区域、设备安装位置及有效防爆认证和技术文件进行选型，不将普通IP68结构直接等同于防爆设备。

核心设备参数

流速精度：综合约±(3%读数＋0.005 m/s)，具体分通道按配置确定。

流速分辨率：0.001 m/s。

雷达低流边界：约±0.2 m/s；工程应用建议流速大于0.3 m/s。

水位量程：0～10 m，可定制；典型盲区约0.05 m。

水位精度：±(0.2%FS＋0.001 m)。

水温测量范围：0～60 ℃。

水温精度：±0.5 ℃。

主机结构：不锈钢壳体，典型防护等级IP68。

防爆配置：根据项目危险区域及有效防爆文件进行配置。

供电方式：一次锂电池组，容量根据项目配置。

通信方式：4G无线通信。

软件平台与数据展示

平台按照监测点统一管理窨井流量监测设备，实时展示流速、水位、水温、瞬时流量、累计流量和设备运行状态。

实时监测界面可展示当前水位、双通道流速、采用的有效流速通道、流量计算结果、数据更新时间及设备在线状态，便于运维人员快速掌握监测点运行情况。

历史数据支持按照时间范围查询流速、水位和流量过程，可通过趋势曲线分析降雨期间水位上涨、流速变化和流量峰值，并支持数据导出。

平台可对多个窨井监测点进行集中管理，按照区域、管网、排水设施或行政区域进行分类，实现城市排水监测数据的统一汇聚。

数据分析与智能应用

系统可根据流量、水位和流速历史数据分析排水管网运行过程，识别正常排水、快速上涨、流量峰值和流量异常等状态。

通过水位—流量关系分析，可以掌握不同降雨过程中的排水响应特征，为排水能力评估、管网运行分析和内涝风险研判提供数据依据。

通过双模流速数据关联分析，可以识别不同流态下的测量通道有效性。当雷达流速进入低流边界区域或信号质量下降时，可结合第二流速通道进行辅助判断，减少单一流速测量方式在特定工况下造成的数据缺失。

长期运行后，可根据监测数据形成监测点流量基线，并对明显偏离历史规律的水位、流速和流量数据进行异常识别，为管网运行维护提供辅助依据。

预警机制与决策支撑

系统支持设置水位上限、流量上限、流速异常和数据质量等预警条件。当监测值超过设定阈值时，平台生成相应预警信息，并记录发生时间、监测值和持续时间。

针对城市暴雨和内涝监测，可重点设置水位快速上涨和流量快速增加预警。当单位时间内水位上涨幅度或流量变化率达到设定条件时，可提前提示排水系统可能进入高负荷运行状态。

系统可增加双通道一致性预警。当两种流速测量方式在有效测量条件下持续出现明显偏差时，平台提示检查传感器安装状态、流态变化、探头污染及设备运行状态。

对于低流速状态，系统根据雷达通道低流边界进行有效性判断，避免在不适宜的流速范围内直接将雷达数据作为高可信度流量计算依据。

项目实施方案

项目实施首先开展窨井及管道现场勘察，确定管径、断面形状、窨井结构、水流方向、正常水位范围、最高水位、安装空间及通信条件。

根据现场流态和管道结构确定雷达流速传感器安装角度及测量位置，同时确定第二流速测量通道、水位传感器和水温传感器的安装位置，避免设备之间相互遮挡或受到明显水流干扰。

完成设备安装后，对水位基准、管道断面参数、流量计算模型和通信参数进行配置。必要时结合现场人工测流或便携式仪器进行比对，对流量计算模型进行现场校核。

完成4G通信测试和平台接入后，对实时数据、历史数据、流量计算、设备状态和报警功能进行联调，并根据实际运行情况优化采集周期和数据上报策略。

运维服务保障

系统采用窨井内低功耗设备与4G远程通信方式，可减少日常人工巡测工作量。平台通过设备在线状态、数据更新时间和通信状态辅助判断设备运行情况。

现场运维重点检查流速传感器安装状态、水位传感器测量状态、探头表面附着物、泥沙淤积、窨井积泥及设备防护结构。对于污水、泥沙较多的监测点，应根据现场情况制定定期检查和清洁计划。

一次锂电池组的维护周期根据电池容量、采集频率、4G通信频率、环境温度和实际运行状态确定。通过合理配置采集及上报策略，可在满足监测需求的基础上降低通信功耗。

涉及防爆环境的项目，应严格按照现场危险区域划分和有效防爆认证文件进行设备选型、安装和维护，不得以普通防护等级代替防爆要求。

项目优势与方案价值

本方案的核心优势是采用双模复合流速监测方式，将非接触雷达流速与另一流速测量通道结合，针对窨井内不同水位和流态条件形成互补，提高长期监测的适应性。

雷达流速通道采用非接触式测量，可减少传感器长期浸没造成的维护压力；第二流速通道用于补充特定水深和流态条件下的测量需求，使系统不完全依赖单一流速测量原理。

设备将流速、水位和水温集成到同一遥测系统中，并结合管道断面模型自动计算流量，实现从基础参数监测到流量数据输出的完整监测链路。

采用一次锂电池和4G通信，适合大量分散窨井的无线化部署，不需要为每个监测点单独建设市电和有线通信线路，可降低城市排水监测点建设的实施难度。

应用场景

城市排水管网：用于雨水管网、污水管网和合流制管网关键节点的流量、水位连续监测。

城市内涝监测：部署于易积水区域和关键排水节点，监测暴雨过程中水位、流速和流量变化，为内涝预警提供基础数据。

排水泵站：用于泵站进出水管道或相关窨井监测，分析泵站运行前后的水位和流量变化。

河道及排水口：用于城市河道、排水口和入河排口的流量监测，为排水过程和水量分析提供数据。

污水处理及管网：用于污水输送管道、厂区进出水及关键管网节点流量监测，为污水处理运行管理和水量核算提供基础数据。

工业园区排水：用于园区雨污管网、排水总管及重点排水节点的流量监测，实现园区排水过程数字化管理。

效益分析

通过窨井内自动流量监测设备替代部分人工巡测，可提高排水管网流量数据的采集频率和连续性，降低分散监测点的现场维护压力。

双模复合流速监测能够提高不同流态下的监测适应能力，结合水位和断面模型自动计算流量，为城市排水系统运行分析提供连续数据。

4G无线通信和云端平台能够将分散在城市各区域的窨井监测点统一接入，实现多点集中管理，减少传统有线监测系统的施工和布线工作。

通过水位、流速和流量变化趋势分析，可以掌握排水管网在不同降雨过程中的运行状态，为内涝风险分析、排水调度和管网改造提供数据支撑。

标准规范与政策依据

GB/T 11826.2-2012《流速流量仪器 第2部分：声学流速仪》现行，可作为流速流量仪器相关技术应用的参考依据。

GB/T 11828.2-2022《水位测量仪器 第2部分：压力式水位计》现行，可作为压力式水位测量相关技术要求的参考依据。citeturn0search0

GB/T 41368-2022《水文自动测报系统技术规范》现行，适用于水文自动测报系统相关技术工作，可作为自动采集、传输和监测系统建设的参考依据。citeturn0search3

对于城市排水管网、窨井及地下空间应用，还应根据项目具体建设性质执行所在地现行的排水、防汛、地下空间、电气安全、通信、防爆及相关工程建设标准。

涉及爆炸性危险环境的项目，应根据现场危险区域划分及有效防爆认证、检验和技术文件进行设备选型与工程实施；普通IP68防护等级不能替代防爆性能要求。

成功案例

该方案可根据城市排水管网、雨污水管道、泵站、排水口及内涝监测项目进行定制化部署，适用于需要长期、连续获取流速、水位和流量数据的分散式窨井监测点。项目实施过程中可根据管径、断面结构、流态、水位范围和通信条件配置不同监测设备，并通过统一平台形成多点流量监测网络。对于重点区域，可进一步融合雨量、水位、视频和泵站运行数据，构建城市排水综合监测体系。

参考文献

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

2. GB/T 11828.2-2022《水位测量仪器 第2部分：压力式水位计》。

3. GB/T 41368-2022《水文自动测报系统技术规范》。

4. 相关城市排水管网、内涝防治、地下空间及工程安全现行标准规范。