Flo－mate2000型流速儀快速測量水體流量的探討

明洪武，黃穎媛

(桂林市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西桂林 541002)

1 概述

在我們的環(huán)境監(jiān)測工作中，采集水樣的同時經(jīng)常需要測量水體流量，以利于計算或核算各類污染物的排放量。以桂林市環(huán)境監(jiān)測中心站的監(jiān)測工作為例，每月的國控區(qū)河流斷面例行監(jiān)測需要測量河水流量，每季度的國控廢水重點污染源及污水處理廠監(jiān)測也需要同時測量廢水流量。

流量測量的早期常用方法主要是利用浮標(biāo)法測出水體流速，然后量出水體的過水截面面積，兩者相乘得出流量［1］。但是這種方法的缺點很多，如耗時長，所需的水流平緩斷面長，浮標(biāo)受外環(huán)境影響較大而不易控制，測量精度低等?，F(xiàn)行簡單實用的方法為流速儀法，不僅操作方便而且省時省力，特別是我站使用的電磁式流速儀 (Flo－Mate 2000)，其利用法拉第電磁感應(yīng)定律來測量流速，具有操作使用靈活，安裝及維護(hù)簡便的優(yōu)點。當(dāng)水流徑直從傳感器前端靠近傳感器時，水流方向、磁場和感應(yīng)電流兩兩垂直，因此，產(chǎn)生的電流大小代表液體流過電極的速度，由此可以快速精確地測量出水體的流速。

測量水體流量時，因水流經(jīng)過的截面不同導(dǎo)致各個部分的流速不一致，需要使用不同的方法來進(jìn)行測量，其計算方法也不盡相同，流速校正系數(shù)也有所區(qū)別。本文根據(jù)在實際工作中遇到的不同水體排放情況，對采用Flo－Mate 2000電磁式流速儀測量并計算流量所采樣的不同測量方法和計算方法進(jìn)行探討。

2 不同排水渠道的流量測量

儀器:Flo－Mate 2000電磁式流速儀;

溝渠類型:矩形、梯形、圓形、非幾何圖形。

2.1 矩形溝渠廢水的流量測量

廢水排放溝渠的截面為矩形 (如圖1)，這種情況最為常見。只要滿足以下條件即可進(jìn)行測量:排污截面底部硬質(zhì)平滑，排污口處有3～5m的平直過流水段，且水位高度≮0.1m［2］(假設(shè)所布設(shè)的垂線深度一致，水面寬度和水底寬度一致)。

2.1.1 斷面垂線的布設(shè)

根據(jù)矩形溝渠的寬度，等距離布設(shè)2～6條垂線［3］。一般廢水的排放溝渠不會很寬，通過現(xiàn)場的實際監(jiān)測，如圖1所示布設(shè)3條垂線 (左、中、右)即可滿足要求。

2.1.2 不同垂線的流速測量

如果水位不是很深，如＜1m，可用一點法進(jìn)行測量，即在0.6倍水深處［3］(從頂部算)放入流速儀探頭面對水流方向進(jìn)行測量 (測量時探頭需用工具固定不讓其搖晃);水較深時使用二點法(0.2及0.8水深處)進(jìn)行測量，然后算其平均值作為該條垂線的流速。

2.1.3 截面面積的測量

此時需要計算出垂線將截面分開的每個小塊的面積 (S1，S2，S3，S4)，測量內(nèi)容包括每條垂線深度 (H1)，以及每2條垂線之間的距離等 (L，2L)，而不是計算整個截面的面積。

2.1.4 流量的計算

將截面的每個小塊的流速 (流速取左右兩條垂線流速算術(shù)平均值)乘以面積可以得出該小塊的流量 (Q1，Q2，Q3，Q4)，然后將所有小塊的流量相加得出該矩形截面的每秒流量，也就是我們最后所需要的流量數(shù)據(jù)。一般情況下矩形截面的墻面較為光滑，兩邊測量的流量 (Q1和Q4)計算時所用的流速需乘以0.9的岸邊系數(shù)［3］進(jìn)行校正。

計算公式為:

2.2 梯形溝渠廢水的測量

梯形截面的溝渠也是廢水排放口較為常見的類型，如陽朔田家河污水處理廠 (一期)的廢水總排口，其渠道截面即為梯形，且為非等腰梯形。同樣，測量條件也需滿足上述矩形截面的要求。

一般的梯形排放渠道都是上寬下窄，實際測量時，把梯形分成3個大的部分，即中間的矩形和兩邊的三角形。分開后，垂線的布設(shè)、不同垂線流速測量以及截面面積的測量等都與矩形的測量方法一致;不同之處是:三角形與矩形分開處須設(shè)一條垂線，并測量該垂線的深度和流速，并且該處的流速要乘上岸邊系數(shù)來計算三角形截面的流量。岸邊系數(shù)視情況而定，當(dāng)岸邊為不平整墻面時岸邊系數(shù)取0.8，光滑時岸邊系數(shù)取0.9［3］。如圖2所示。

此時的流量計算公式為:

2.3 圓形管道廢水的測量

圓形管道的流量有專門的給水排水理論計算公式，如果知道圓形管道的內(nèi)徑、管壁粗糙系數(shù)、水力坡度、水力半徑等，通過查閱《給水排水設(shè)計手冊.第01冊》［4］即可得出。但是在實際工作中，管道埋入地下后，許多參數(shù)我們都無從查起，如水力坡度，常見的是城市污水管網(wǎng)。如果管道內(nèi)的水體是滿管的，我們可以使用滿管流量計直接進(jìn)行測量，但是實際工作中遇到的都是非滿管狀況的較多，這時就需要借助自己手中的流速儀進(jìn)行管道流量的測量。

非滿管流量的測量現(xiàn)沒有標(biāo)準(zhǔn)方法，一些期刊上的文章建議使用0.7系數(shù)法［5］，即使用浮標(biāo)法或流速儀法測出管道內(nèi)的最高流速點 (水流平穩(wěn)時一般是水平面中線稍下點流速最大，如圖3)，將這一流速乘以0.7作為該管道內(nèi)水流的平均流速，然后乘以過水截面的面積算出流量;還有一種方法是將扇形按水面寬等距離分成3份 (如圖4)，用流速儀分別測出每份截面的流速，兩邊部分的流速乘以0.9的岸邊系數(shù)，而中間部分不變，再用各部分的流速乘以各部分的面積得出流量，流量相加得到管道內(nèi)總的水體流量。

經(jīng)過筆者進(jìn)行實際測量，認(rèn)為以上方法均不恰當(dāng)。0.7系數(shù)法不能真實反映管道內(nèi)流體的流速，因為通常水體的流速都是不均勻的，特別是在一些情況未知的管道內(nèi)，在我們的實際監(jiān)測中就遇到過管道壁兩邊的流速比中間的流速大的情況，所以0.7系數(shù)法只能用在管道很長并且流速很平穩(wěn)的情況下;3等份法的計算方法也存在問題，因為管道內(nèi)的過水面積為弧形，被分成3等份的中間部分的底部也是弧形，如果兩邊需要岸邊系數(shù)對流速進(jìn)行校正的話，中間部分筆者認(rèn)為也同樣需要乘上岸邊系數(shù)，只不過系數(shù)的大小不同罷了。

2.4 非幾何圖形截面的測量

非幾何圖形的截面通常出現(xiàn)在河水的測量情況下，如我站每個月都需要監(jiān)測的漓江干流 (大河斷面和陽朔斷面)。這些非幾何截面的流量測量須按照GB 50179－1993《河流流量測驗規(guī)范》中技術(shù)要求進(jìn)行，理論上是所布設(shè)的垂線越多，測量的精確度越高，當(dāng)然也跟岸邊系數(shù)有關(guān)，但工作量較大。

3 數(shù)據(jù)比較

水體流量的測量方法較多，隨之產(chǎn)生的流量計也各式各樣，常用的水體流量計有差壓流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲流量計等。在日常監(jiān)測工作中 (包括在線儀器的比對驗收監(jiān)測)發(fā)現(xiàn)，各污染源排放污水時所用最普遍的流量計為超聲波明渠流量計，采用Flo－Mate 2000流速儀所測量到的流量與超聲波明渠流量計所得流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

3.1 一點法進(jìn)行測量時數(shù)據(jù)對比

超聲波明渠流量計與相應(yīng)的巴歇爾槽配用，利用超聲波在空氣中的傳播規(guī)律來測量液位高度，并不斷把液位信息傳輸給主機(jī)，主機(jī)通過運算系統(tǒng)，自動測出瞬時流量和累計流量并存儲 (不同的巴歇爾槽采用不同的計算公式)。由此可見，超聲波明渠流量計所測流量跟水體水位高度有關(guān)，與流速沒有關(guān)聯(lián)，而流速儀法測量流量時，流速的大小直接影響到流量的測量結(jié)果。

對桂林市某造紙廠污水排放口的在線流量計與流速儀法的手工流量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，使用流速儀法進(jìn)行一點測量，即在矩形排污溝的中間設(shè)一垂線來測量流速，從而計算流量，測量結(jié)果見表1。

表1 采用一點法進(jìn)行測量時數(shù)據(jù)對比

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，用流速儀法進(jìn)行手工測量所得到的數(shù)據(jù)普遍偏大，某些數(shù)據(jù)甚至超過了10%的誤差范圍。

3.2 三點法進(jìn)行測量時數(shù)據(jù)對比

采用本文2.1矩形溝渠廢水的流量測量方法，可以得出表2數(shù)據(jù)。

表2 采用三點法進(jìn)行測量時數(shù)據(jù)對比

從表2可以看出，流速儀法測得流量與超聲波明渠流量計所測流量非常接近，能真實有效地獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。雖然該方法繁瑣并且耗費時間較多，但是所產(chǎn)生的誤差也較小，能更好地為污染物核查工作服務(wù)。

4 注意事項及問題探討

4.1 理論的可行性及實際的可操作性

用流速儀法對排放廢水的溝渠進(jìn)行流量測量時，主要是依據(jù)GB 50179－1993《河流流量測驗規(guī)范》中的相關(guān)技術(shù)要求來進(jìn)行的，所以很多東西只是借鑒或參考，包括布點和計算等，我們在測量中也盡可能地按照規(guī)范來進(jìn)行。但是在實際測量時，可以視情況而定，如垂線的布設(shè)，如果水流很平緩且均勻，可以少布點，雖然布點的數(shù)量越多測量越準(zhǔn)確，但是這樣也會增加工作量;另外就是岸邊系數(shù)的使用，0.7、0.8、0.9都不是固定的，我們計算時也可以視具體情況靈活運用。

4.2 流速測量的影響因素

在整個流量的測量及計算過程中，很多因素都會影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性，如垂線的布設(shè)數(shù)量，面積的計算，不同操作人員以及不同儀器的測量結(jié)果等。其中面積的計算所帶來的誤差較大，特別是水深的測量，因為一般情況下水平面都不可能是平的，當(dāng)水體流速較大時，水平面會產(chǎn)生波紋，水體對我們的測量工具會產(chǎn)生一個沖擊，這時候選用合適的測量工具很重要 (一般水文部門都有特制的水尺)，否則水深的讀數(shù)會偏大，從而計算出來的流量也偏大。還有一種情況就是垂線布設(shè)數(shù)量太少，或者中間測點多，兩岸測點少，導(dǎo)致測點不均勻，由于中間流速較大，這樣的布點測量方法也會使我們計算出來的流量偏大。

4.3 圓形管道的流量測量方法

管道流量的計算目前在規(guī)范中尚無公式可循，有人提出采用建筑物室內(nèi)給水管道的水力計算秒流量公式［6］;而我站使用的Flo－Mate 2000流速儀的說明書中也有圓形管道的流量測量方法以及計算公式，但是較為復(fù)雜，需查表使用換算系數(shù)，涉及到的因素也較多。出于可操作性強(qiáng)，簡單實用考慮，本文作者認(rèn)為可采用以下方法來計算圓形管道的流量，即在液面上等距離多布設(shè)垂線，測量每條垂線中心點的流速，然后計算出平均流速，平均流速乘上0.9的系數(shù)再乘以過水截面積即視為管道內(nèi)的流量。使用此方法測量時無論是操作還是計算都較為簡便，但所得數(shù)據(jù)只作為參考使用，至于準(zhǔn)確性和可行性還有待進(jìn)一步探討。

［1］田水利，王家鈺，龐慧.黃河流域浮標(biāo)法流量測驗誤差問題的探討［A］.黃河水文科技成果與論文選集［C］.鄭州:黃河水利出版社，2001.

［2］本書編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法 (第四版)［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［3］GB50179－1993，河流流量測驗規(guī)范 ［S］.

［4］本書編委會.給水排水設(shè)計手冊 (第01冊)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［5］郭忠義.快速準(zhǔn)確測量圓形管道廢水流量 ［J］.環(huán)境工程，2001，4(19).

［6］郭尚鳴，馬林海.直飲水管道流量計算的探討 ［J］.西南給排水，1999，(6).