基于明渠流量計的污水流量監測數據準確度的技術分析

胡博，朱永宏，閆繼偉

(河南省計量科學研究院，河南鄭州450008)

0 引言

隨著環境污染問題日益嚴重，我國對建立環境管理體系，加大環境監測力度提出了更高要求。目前，國內重點排污企業均安裝了污水自動監測系統，保證污水排放的數據能夠實時上傳至市、省環境監測部門和國家環保主管部門。為了保證上傳數據的有效性，國家環保部發布了HJ/T355-2007《水污染源在線監測系統運行與考核技術規范》和HJ/T356-2007《水污染源在線監測數據有效性判別技術規范》等規范性文件。這些文件對有關水質的監測數據(如化學需氧量CODcr、氨氮NH3-N、總磷TP、pH值)等，詳細規定了試驗項目和數據要求［1-2］，但對如何保證水量的流量監測數據的準確，卻沒做要求。

隨著主要污染物總量減排監測要求的提出，這種情況日益被發現和重視。2013年底環境監測部門已有人提出關于污水流量監測質量監督檢查的技術和方法［3］。但從流量計量專業的角度來看，環監部門提出的方法僅對相關計量檢定規程項目進行了簡化和重組，并沒有進行深入的計量技術分析，無法保證現場流量數據的準確度。而本文則根據現場檢定明渠污水流量計的大量樣本數據，做出了一定的研究分析，為進一步準確實現污水流量在線監測打下了一定的基礎。

1 污水流量測量

1.1 原理及組成

由于排污口標準化和視頻監控的需要，污水流量自動監測系統以堰槽式明渠流量計為流量計量的主要方式。堰槽式明渠流量計的原理是在明渠中設置標準量水堰槽(如巴歇爾量水槽和矩形薄壁堰等)，并按規定位置測量水位，則流過堰槽的流量與水位呈單值關系，根據相應流量公式或經驗關系式，將測出的水位值換算成流量值。流量計由標準量水堰槽和液位流量轉換儀表(二次儀表)所組成。如圖1所示。

圖1 堰槽式明渠流量計系統示意圖

據統計，本次試驗污水流量自動監測系統共計338臺堰槽式明渠流量計。其中，巴歇爾槽式占68.2%，矩形薄壁堰占14.5%，其他堰槽類型占17.3%，本文以標準巴歇爾槽明渠流量計為例進行分析。

1.2 標準巴歇爾槽明渠流量計算的數學模型

標準巴歇爾槽流量Q按下式計算:

式中:C為流量系數;b為喉道寬度，m;ha為實測液位，m。

由標準巴歇爾槽明渠流量計的基本原理和流量計算公式可知，流量測量的準確度直接依賴于流量系數C的準確度、喉道寬度測量的準確度和實測液位的準確度。其中，實測液位的準確度評估又包含三個因素的影響:液位計測量的準確度、測量液位計零點的儀器的測量準確度和液面的擾動情況。

2 現場流量測量準確度的影響因素

通過上述分析，我們可以總結出基于明渠流量計的污水在線監測系統中，影響流量測量準確度的主要因素有以下幾個方面:

1)堰槽的類型，主要確定流量系數的測量準確度;

2)實測液位的準確度，主要取決于液位計測量的準確度和測量液位計零點的儀器的測量準確度;

3)液位測量的重復性，由液面的擾動或平穩程度決定，主要影響多次液位測量讀數的平均值的測量準確度;

4)堰槽的幾何尺寸，主要取決于喉道寬度(或其他堰槽中的板、槽尺寸)的測量儀器的準確度;

5)水位-流量轉換誤差，由流量計二次儀表的軟件產生。由于各種堰槽明渠流量計的流量計算公式涉及多個參數，流量計生產廠家在軟件系統進行換算時，各個參數根據不同的設計尺寸范圍以數據庫函數的方式進行存儲，由于存儲空間的限制造成無法足夠精確的設置參數，因此造成流量計顯示值的誤差。

2.1 堰槽的類型

明渠流量計在進行堰槽選擇時，現場主要考慮流量范圍和設計施工難度等因素。根據國家計量檢定規程JJG771-1990《明渠堰槽流量計試行檢定規程》［5］和各種類型堰槽的相關ISO國際標準［6-10］，幾種常用堰槽的流量范圍和流量系數所引入的測量誤差如表1所示。

表1 幾種常用堰槽的參數表

通過表1可知，幾種堰槽的流量系數所引入的測量誤差相差不大，各種堰槽類型在技術上并無高下之分。在綜合考慮流量適用范圍和現場設計施工難度后，巴歇爾槽和薄壁堰具有一定的優勢。兩者相比，薄壁堰的優點是制作方便，安裝簡單，缺點是水頭損失較大，污水中的泥沙和懸浮物容易在堰前沉積使水位提高而影響測量的準確度。巴歇爾槽的優點是測量范圍寬，水頭損失小，污水中懸浮物不易沉積，但加工和安裝較為復雜［11］。

2.2 液位測量的準確度

明渠流量計中的實際液位測量涉及液位計零點(即液位零點)和液位計測量精度等兩個方面，早期的浮子式液位計由于測量精度太低已經被淘汰，壓力式液位計由于易受污水腐蝕和沉積物覆蓋影響也較少使用［11］，現在主要使用超聲波液位計。超聲波測液位為非接觸式測量，可以不受液體性質的影響，但液體表面浮沫和固體漂浮物較多時也會受到影響。

本次試驗的明渠流量計全部采用的超聲波液位計，廠家標稱的測量精度為不大于3 mm，滿足環保行業標準HJ/T15-2007《環境保護產品技術要求超聲波明渠污水流量計》中對液位測量誤差的要求［12］。但實際測量結果卻相差很大，具體數據如圖2所示。

圖2 液位測量結果圖

試驗發現，現場使用的超聲波液位計問題很多。零點不準的原因主要在于液位計安裝時沒有做好零點的設置和校準。水位超差的原因一部分在于液位計安裝后沒有做好現場校準，另一部分在于液位計使用過程中傳感器探頭老化，測量精度不達標。

2.3 液位測量的重復性

明渠流量計液位測量的重復性主要取決于液面的穩定程度。液面平穩時，液位測量的重復性就容易達標;反之，水流不平穩，有大量漩渦、波浪、泡沫時，液位測量的重復性就不滿足要求。具體情況如圖3所示。

上述水流不平穩的情況，主要原因是明渠流量計安裝位置前端的行進渠道長度不滿足要求。根據規程要求，巴歇爾槽的安裝條件為前端順直行進渠道長度應不小于5倍的行進渠道寬度，而薄壁堰則要求為10倍。很多用戶受現場環境條件的限制，無法建造足夠長度的行進渠道進行整流，造成流量計處的流場條件十分惡劣，無法滿足明渠流量計的正常使用。

圖3 現場實測水面情況圖

針對這種情況，有兩種方式可以進行改善。一種方式為:在流量計的前端增加整流格柵，減小水流的波動，但通過現場試驗觀察，效果有限;另一種方式為:在渠道旁邊設置一靜水井，由連通管與渠道水流相通，靜水井底應低于渠道中最低水位150 mm，連通管管底距井底至少300 mm，靜水井頂面應大于預計最高水位300 mm，這樣靜水井內的水位與渠道中水位相同，把渠道中的漩渦和水流的脈動進行了隔離，同時也能大大減少水面的泡沫。現場試驗驗證，這種方式能夠有效改善液面不穩的情況，保證液位測量的重復性要求。

2.4 堰槽的幾何尺寸

堰槽幾何尺寸的誤差對測量結果準確度的影響主要有兩個方面:一是改變了流量計算的數學模型，造成流量計二次儀表計算的顯示值產生誤差，這種影響我們通過兩個實例可以看到。由表2可以看出，堰槽幾何尺寸誤差的增大可以造成流量測量誤差的增大，且影響量不斷遞增;二是影響到了水流經過堰槽時的水位，從而對液位的測量產生附加誤差。

造成堰槽幾何尺寸誤差的原因有三點:一是制造精度問題，一些企業為了節省成本，自己加工堰板和槽體，由于條件所限無法保證加工精度，造成堰槽的實物與設計尺寸產生誤差;二是安裝技術問題，一些流量計的堰板和槽體在安裝過程中，由于施工者的操作因素造成安裝尺寸誤差，或是施工經驗和溫度原因影響，造成堰板和槽體受渠壁擠壓產生形變;三是用戶主觀因素，一些企業為了省事，在已建好的不規則的渠道中安裝明渠流量計，為了適應渠道，只能將標準的堰板或槽體進行改造，造成幾何尺寸的偏差。

2.5 水位-流量轉換誤差

水位-流量轉換誤差直接影響流量計的顯示值，其產生的主要原因為:明渠流量計通過液位傳感器得到的是原始信號為液位信號，需通過二次儀表把液位信號轉換為流量值。由于明渠流量計的數學模型都比較復雜，儀表一般使用查表法把液位轉換成流量。即每測到一個液位，到存儲器內找對應液位點的流量替代。如果測到的液位在水位流量表中兩點液位之間，用線性插值法算出對應的流量［13］。因此，設置水位-流量表的點數越多，轉換精度越高。

通過現場試驗，取兩個主要廠家軟件數據庫內的水位-流量表進行驗證，具體數據如圖4所示。

表2 堰槽幾何尺寸的誤差對流量測量準確度的影響量%

圖4 廠家設置水位-流量轉換誤差比較圖

通過圖4可以看出:廠家一的軟件設置為30點對照，且液位點均勻分布，而廠家二設置為10點，不均勻分布，則廠家一顯示的水位流量轉換誤差明顯小于廠家二。

3 結論

污水流量監測數據的準確度，受到多方面因素的影響，在配套設施方面，需要保證行進渠道的長度，正確設立靜水井。在一次元件方面，需選擇合適的堰槽類型，堰槽尺寸保證一定的加工精度，液位傳感器滿足相應精度要求;在二次儀表方面，需要正確的進行軟件數據庫的設計，通過這些才能保證流量監測數據的準確有效。

通過上述分析，我們看到實現污水流量監測的堰槽式明渠流量計，不僅僅是一個計量器具，而且作為一個計量系統牽涉到選型、設計、加工、建筑、安裝、調試和設置，一旦建造成型，出現誤差后很難從根本上進行糾正，并且在現場受到各種環境條件的影響，使用中需要經常維護。因此，作為強制檢定的涉及環境保護的計量器具，我們計量部門不僅要按時周期檢定，更應該積極參與到環境監測部門對自動監測設備驗收和日常核查等技術文件的制定中，從而保證環境監測數據的真實、準確和有效，為實現環境保護，減少污染做出應有的貢獻。

［1］HJ/T355-2007水污染源在線監測系統運行與考核技術規范(試行)［S］.

［2］HJ/T356-2007水污染源在線監測系統數據有效性判別技術規范(試行)［S］.

［3］唐桂剛，景立新，萬婷婷，等.堰槽式明渠廢水流量監測數據有效性判別技術研究［J］.中國環境監測，2013，29(6):18-20.

［4］ISO9826-1992 Measurement of liquid flow in open channels-Parshall and SANIIRI flumes［S］.

［5］JJG771-1990明渠堰槽流量計試行檢定規程［S］.北京:中國計量出版社，1990.

［6］ISO 1438-2008 Hydrometry-Open channel flow measurement using thin-plate weirs［S］.

［7］ISO 3846-2008 Hydrometry-Open channel flow measurement using rectangular broad-crested weirs［S］.

［8］ISO 4374-1990 Liquid flow measurement in open channels--Round-nose horizontal broad-crested weirs［S］.

［9］ISO 4360-2008 Hydrometry-Open channel flow measurement using triangular profile weirs［S］.

［10］ISO 4377-2002 Hydrometric determinations-Flow measurement in open channels using structures—Flat-V weirs［S］.

［11］趙曉穎，連兵，牛武江，等.廢水總量控制監測中的流量測定與排污口規范化［J］.甘肅環境研究與監測，2002，15(3):44-45.

［12］HJ/T15-2007環境保護產品技術要求超聲波明渠污水流量計［S］.

［13］徐俊林，陳紅勛，馬崢.明渠流量計算的研究現狀和進展［J］.上海大學學報:自然科學版，2003，9(3):13-15.