環(huán)境保護監(jiān)測中水流量的測定方法

趙起越 趙紅帥 王小菊 劉保獻 徐蘇士

(北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心，北京 100048)

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環(huán)境保護監(jiān)測中水流量的測定方法

趙起越 趙紅帥 王小菊 劉保獻 徐蘇士

(北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心，北京 100048)

水流量是環(huán)境管理部門對水體污染物實施控制的必備參數(shù)，也是環(huán)境保護監(jiān)測工作的重要內(nèi)容。本文綜述了幾種常用的水流量測試技術(shù)，從測試原理、儀器配置和優(yōu)缺點幾方面進行了闡述，并選取幾種主要技術(shù)進行了比較。為環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)進行水流量測定方法的選擇及正確應(yīng)用提供了借鑒。

環(huán)境保護監(jiān)測；明渠；水流量

0 引言

環(huán)境保護監(jiān)測經(jīng)常需要對污染物進行總量控制，水體中的污染物排放總量要使用污染物濃度與水流量的乘積得出，水流量除了總量控制外，在排污收費及污染物調(diào)查等工作中也都是重要的換算參數(shù)，因此準確、可靠地測定流量是保障污染源總量減排和工業(yè)污染源總量排放監(jiān)測工作正確實施的必要條件[1-3]。

環(huán)境保護監(jiān)測中的大多數(shù)水體污染物測定在明渠中進行。按照國際標準化組織(ISO)的規(guī)定，明渠是由于水路本身坡度形成自由表面的流動，是非滿管狀態(tài)流動的水路。明渠中水流量的測量方法很多，環(huán)保工作中常用的獲得水流量的方法主要有直接測量流量法和通過測量流速計算流量兩大類。直接測量流量法指通過流量計直接測出明渠中的水流量的方法；測量流速計算流量法指使用流速計測量出明渠中的水流速，再通過計算，得到流量。

1 直接測量流量方法

水流量的直接測量方法有堰法、槽法及容積法等，具體如下：

1.1 堰法

在明渠的適當位置安裝一個擋板，阻斷水流流動，使上游液流通過裝置的頂部、缺口或孔口，向下游側(cè)流去。這個裝置成為堰。由于堰的上游側(cè)液位和液流流量有一定的關(guān)系，通過測量上游液位可以計算出水流量。按照形式不同，堰可以分為薄壁堰、寬頂堰、三角形剖面堰和實用剖面堰幾種，最常用的是薄壁堰。堰法測量水流量，儀器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，安裝維護方便，具有一定的測量精度，但該方法不能用于接近平坦地面的渠道。另外,堰上游容易堆積固體，要定期清理，否則會影響水量的測量[4-6]。

1.2 槽法

在平坦的明渠及工業(yè)排水管道中，水流量常用測流槽測定。

明渠的一部分收縮，那么液流經(jīng)過收縮節(jié)流處時，流速增大，產(chǎn)生臨界流，同時液流液位下降，測量這個液位的下降量就可以求得液流流量。根據(jù)水路的收縮節(jié)流方式不同產(chǎn)生不同形狀的測流槽，有文丘里測流槽、巴歇爾水槽及帕爾默-玻魯斯水槽(又稱P-B槽)等。在我國使用較多的是P-B槽。這種測流槽幾乎不受管壁粗糙程度等條件的影響，測量值的長期變化??；P-B槽的水頭損失在非滿管流量測定儀表中是最小的，喉道部槽頂自清洗效果顯著，很少有沉淀和堆積；上游坡度應(yīng)在2/100以下，上游側(cè)直管段長度應(yīng)為管徑的十倍以上。使用P-B槽測定，下游側(cè)水深必須小于上游水深的85%，且不應(yīng)有負坡度和閘閥，否則測量精度會下降。P-B槽的測定精度一般可達3%，如果不符合上述條件，測量誤差會增大[7-8]。

1.3 容積法

容積法一般在排水量小或渠道形狀不規(guī)則時使用。具體做法是：選取有落差的地方或挖一個坑，將采樣器置于內(nèi)部，接納排水。記錄一定體積的排水所需時間，重復(fù)測量數(shù)次取平均值，用公式Q=V/t計算出流量。其中Q、V及t分別為水流量、一定時間內(nèi)的排水體積及排水時間。本方法簡單易行，測量精度較高，適于水量較小的連續(xù)或間歇排放的水[9]。

2 通過流速測量計算流量的方法

水流量流速測量法，分為流速儀法及浮標法等。

2.1 浮標法

在水流較緩、水溝較直的情況下，選取一段底平、大于10m的直管道，將木塊等漂浮物置于其中，在無外力作用下，漂浮物流過被測距離，記錄所用時間，重復(fù)幾次，取均值，按照公式Q=aLS/t計算流量。式中a為平均流速與主軸線表面流速之比，它隨著水渠的寬度、水深、水渠的狀況等條件不同而不同，a不是恒定的數(shù)，一般渠道a=0.7，充滿圓形管道的流體，a=0.5。L是測定渠道的長度，S是渠道的截面積，t為浮標漂流所需時間[9-10]。

2.2 流速儀法

在實際監(jiān)測工作中使用最多的是超聲明渠流量計及潛水電磁流量計。

2.2.1 超聲明渠流量計

超聲明渠流量計是通過測量液體的平均流速和液位(截面積)來計算流量值的超聲流量儀器，平均流速采用多普勒法和時差法，液位測量可使用超聲液位計、聲波液位計、氣泡液位計等。超聲流速計和超聲液位計合成的流速-水位測量裝置如圖1所示。

圖1 超聲流速-水位流量計

圖2 超聲回波法測液位

多聲道超聲明渠流量計由多對流速換能器、液位換能器、接線盒、控制器及電纜組成。測量準確度主要取決于渠的尺寸、形狀及截面誤差，平均流速和液位誤差值根據(jù)實際要求通過多聲道布置可控制在較精確的范圍內(nèi)。超聲明渠流量計由于使用流體流速及液位計算流量，比只測液位的堰、槽式流量計測量準確度高。而且，在受背壓狀態(tài)下流動也能測量，可以測逆向流。它可實現(xiàn)多聲道測量，準確度隨聲道的增加而提高，性能穩(wěn)定，測量流量范圍較寬，水量沒有限制，水位離渠床距離從接近零到滿位均能測量，在液位低于最低聲道時，可做堰、槽流量計測量。超聲明渠流量計的測量不受斷面的限制，可以在各種形狀截面下進行測量，還可以通過軟件和數(shù)學(xué)模型對測定結(jié)果加以修正。它安裝容易，不會阻礙流路，幾乎不會產(chǎn)生固體堆積，無需清污，長期運行幾乎不用維護。但由于受液體流速影響很大，測量處的上下游要保持足夠長的直管段[11-12]。

2.2.2 潛水型電磁流量計

潛水型電磁流量計是20世紀80年代發(fā)展起來的流量測量技術(shù)，可連續(xù)測定明渠、暗渠、河道和非滿管中導(dǎo)電液體的體積流量。如圖3所示，在渠道中設(shè)置一塊擋板截流，在擋板底部安裝流量計傳感器。水流經(jīng)擋板阻隔后以更高的流速流動，抬高了上游水位，產(chǎn)生上、下游水位差，依據(jù)機械能守恒定律，該水位差轉(zhuǎn)化為水流動的動能，從而與水流速度發(fā)生關(guān)系，據(jù)此，潛水型電磁流量計測定的液體流速為：

式中，K為系數(shù)。

潛水型電磁流量計適于測量圓形、矩形和任意形狀的明渠、暗溝或河道的流量；對于上下游直管段要求低；流量計無活動部件，可測含有固體顆?；驊腋◇w的液體； 采用低頻三值矩形波勵磁技術(shù)，零點穩(wěn)定，工作可靠，是明渠、暗溝污水排放流量測量的理想之選，但潛水電磁流量計的水頭損失較大，因降雨等流量增加時會使其溢流或要打開閘門，傳感器內(nèi)必須保持滿管流，如果不能滿足，應(yīng)設(shè)計成把水渠底部挖深安裝或者在下游側(cè)安裝堰板，另外，流量計的擋板前會有一定程度固形物堆積，要定期進行清理[13-14]。

圖3 測量原理圖

3 測量方法的選取

1)依據(jù)水路形狀和大小、流速范圍、最大及最小流量選取流量測定方法；

2)依據(jù)測量精確度要求選取流量測量方法；

3)依據(jù)環(huán)境條件及流量測定場所選取流量測定方法；

4)依據(jù)流體狀況，如腐蝕性、酸堿性、渾濁性等選取流量測定方法；

5)依據(jù)水位落差、渠道坡度及水深等選取流量測定方法；

6)依據(jù)已有的流量計與流體的匹配情況選取流量測定方法，如使用超聲波流量計要注意流體的濁度，使用潛水電磁流量計要注意流量計的材料一定要能在被測流體中長時間浸泡；

7)在滿足測量精度要求的前提下，盡量減小儀器價格，避免不必要的浪費；

8)考慮儀器的維護保養(yǎng)能力，對儀器出現(xiàn)的失常、故障及時發(fā)現(xiàn)，盡早解決，保證測量精度，延長儀器的使用壽命。

常用的幾種水流量測量技術(shù)如表1所示。

表1 常用流量測量方法比較表

4 結(jié)束語

綜上所述，測量流量的方法很多，一些標準和導(dǎo)則也在方法選取方面提供了幫助[15-16]。在實際監(jiān)測工作中，我們需要針對不同項目的流體流量特點、流體狀態(tài)參數(shù)，選取不同的流量測量方法。

[1] 顏濤，宋毅倩，谷樹茂，等.常用污染源廢水流量測量技術(shù)原理與選用[A].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集，2013：1865-1868

[2] 劉喬芳，朱雪梅，王宇健.污染物總量控制中載體水流量的測定[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2001，17(6)：42-43

[3] 曲行麗，楊廷劍.流量測量技術(shù)綜述[J].工程技術(shù)，2011,22(7):59，764

[4] ISO 1438-1:1980 堰和文丘里槽明渠水流測量——第一部分薄壁堰[S]

[5] CT/T 3008.1—1993城市排水流量堰槽測量標準矩形薄壁堰[S][6] CT/T 3008.1—1993城市排水流量堰槽測量標準三角形薄壁堰

[7] ISO 9826:1992 明渠液體流量測量——巴歇爾槽和孫奈利槽[S]

[8] CT/T 3008.1—1993城市排水流量堰槽測量標準巴歇爾量水槽

[9] 宋繼紅，陳麗娜.談廢水流量的測定[J].合作經(jīng)濟與科技，2009(18)：123-124

[10] 潘再哲.環(huán)境監(jiān)測中污水流量的測定[J].商品與質(zhì)量·建筑與發(fā)展，2014(2)：586

[11] ISO 6416:1985 明渠液體流量測量——超聲(聲學(xué))法測排放量[S]

[12] 于秀麗，楊瑞江.超聲波在流量測量技術(shù)中的應(yīng)用[J].甘肅科技，2002(5)：17-18

[13] 鄧昌閆.電磁流量計綜述[J].水利水文自動化，1996(4)：6-15

[14] 曹王劍，李勝.流量儀表的選型設(shè)計探討[J].自動化與儀器儀表，2000(3)：5:4-57,34

[15] ISO 8363:1986 明渠液體流量測量——方法選擇指南通則[S]

[16] ISO 8386:1986 明渠液體流量測量——測流設(shè)備選擇指南通則[S]

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.14