趙起越 趙紅帥 王小菊 劉保獻(xiàn) 徐蘇士

(北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048)

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環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中水流量的測(cè)定方法

趙起越 趙紅帥 王小菊 劉保獻(xiàn) 徐蘇士

(北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048)

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

環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)；明渠；水流量

0 引言

環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)經(jīng)常需要對(duì)污染物進(jìn)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(fèi)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(zhǔn)確、可靠地測(cè)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(cè)工作正確實(shí)施的必要條件[1-3]。

環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中的大多數(shù)水體污染物測(cè)定在明渠中進(jìn)行。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)，是非滿管狀態(tài)流動(dòng)的水路。明渠中水流量的測(cè)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(cè)量流量法和通過測(cè)量流速計(jì)算流量?jī)纱箢?。直接測(cè)量流量法指通過流量計(jì)直接測(cè)出明渠中的水流量的方法；測(cè)量流速計(jì)算流量法指使用流速計(jì)測(cè)量出明渠中的水流速，再通過計(jì)算，得到流量。

1 直接測(cè)量流量方法

水流量的直接測(cè)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(dāng)位置安裝一個(gè)擋板，阻斷水流流動(dòng)，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(gè)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(cè)量上游液位可以計(jì)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(shí)用剖面堰幾種，最常用的是薄壁堰。堰法測(cè)量水流量，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，安裝維護(hù)方便，具有一定的測(cè)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(huì)影響水量的測(cè)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(cè)流槽測(cè)定。

明渠的一部分收縮，那么液流經(jīng)過收縮節(jié)流處時(shí)，流速增大，產(chǎn)生臨界流，同時(shí)液流液位下降，測(cè)量這個(gè)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(cè)流槽，有文丘里測(cè)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(guó)使用較多的是P-B槽。這種測(cè)流槽幾乎不受管壁粗糙程度等條件的影響，測(cè)量值的長(zhǎng)期變化??；P-B槽的水頭損失在非滿管流量測(cè)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(zhǎng)度應(yīng)為管徑的十倍以上。使用P-B槽測(cè)定，下游側(cè)水深必須小于上游水深的85%，且不應(yīng)有負(fù)坡度和閘閥，否則測(cè)量精度會(huì)下降。P-B槽的測(cè)定精度一般可達(dá)3%，如果不符合上述條件，測(cè)量誤差會(huì)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(shí)使用。具體做法是：選取有落差的地方或挖一個(gè)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(shí)間，重復(fù)測(cè)量數(shù)次取平均值，用公式Q=V/t計(jì)算出流量。其中Q、V及t分別為水流量、一定時(shí)間內(nèi)的排水體積及排水時(shí)間。本方法簡(jiǎn)單易行，測(cè)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(cè)量計(jì)算流量的方法

水流量流速測(cè)量法，分為流速儀法及浮標(biāo)法等。

2.1 浮標(biāo)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(cè)距離，記錄所用時(shí)間，重復(fù)幾次，取均值，按照公式Q=aLS/t計(jì)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(cè)定渠道的長(zhǎng)度，S是渠道的截面積，t為浮標(biāo)漂流所需時(shí)間[9-10]。

2.2 流速儀法

在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中使用最多的是超聲明渠流量計(jì)及潛水電磁流量計(jì)。

2.2.1 超聲明渠流量計(jì)

超聲明渠流量計(jì)是通過測(cè)量液體的平均流速和液位(截面積)來計(jì)算流量值的超聲流量?jī)x器，平均流速采用多普勒法和時(shí)差法，液位測(cè)量可使用超聲液位計(jì)、聲波液位計(jì)、氣泡液位計(jì)等。超聲流速計(jì)和超聲液位計(jì)合成的流速-水位測(cè)量裝置如圖1所示。

圖1 超聲流速-水位流量計(jì)

圖2 超聲回波法測(cè)液位

多聲道超聲明渠流量計(jì)由多對(duì)流速換能器、液位換能器、接線盒、控制器及電纜組成。測(cè)量準(zhǔn)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(shí)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(jì)由于使用流體流速及液位計(jì)算流量，比只測(cè)液位的堰、槽式流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度高。而且，在受背壓狀態(tài)下流動(dòng)也能測(cè)量，可以測(cè)逆向流。它可實(shí)現(xiàn)多聲道測(cè)量，準(zhǔn)確度隨聲道的增加而提高，性能穩(wěn)定，測(cè)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(cè)量，在液位低于最低聲道時(shí)，可做堰、槽流量計(jì)測(cè)量。超聲明渠流量計(jì)的測(cè)量不受斷面的限制，可以在各種形狀截面下進(jìn)行測(cè)量，還可以通過軟件和數(shù)學(xué)模型對(duì)測(cè)定結(jié)果加以修正。它安裝容易，不會(huì)阻礙流路，幾乎不會(huì)產(chǎn)生固體堆積，無需清污，長(zhǎng)期運(yùn)行幾乎不用維護(hù)。但由于受液體流速影響很大，測(cè)量處的上下游要保持足夠長(zhǎng)的直管段[11-12]。

2.2.2 潛水型電磁流量計(jì)

潛水型電磁流量計(jì)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的流量測(cè)量技術(shù)，可連續(xù)測(cè)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(jì)傳感器。水流經(jīng)擋板阻隔后以更高的流速流動(dòng)，抬高了上游水位，產(chǎn)生上、下游水位差，依據(jù)機(jī)械能守恒定律，該水位差轉(zhuǎn)化為水流動(dòng)的動(dòng)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(jì)測(cè)定的液體流速為：

式中，K為系數(shù)。

潛水型電磁流量計(jì)適于測(cè)量圓形、矩形和任意形狀的明渠、暗溝或河道的流量；對(duì)于上下游直管段要求低；流量計(jì)無活動(dòng)部件，可測(cè)含有固體顆?；驊腋◇w的液體； 采用低頻三值矩形波勵(lì)磁技術(shù)，零點(diǎn)穩(wěn)定，工作可靠，是明渠、暗溝污水排放流量測(cè)量的理想之選，但潛水電磁流量計(jì)的水頭損失較大，因降雨等流量增加時(shí)會(huì)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(jì)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(jì)的擋板前會(huì)有一定程度固形物堆積，要定期進(jìn)行清理[13-14]。

圖3 測(cè)量原理圖

3 測(cè)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(cè)定方法；

2)依據(jù)測(cè)量精確度要求選取流量測(cè)量方法；

3)依據(jù)環(huán)境條件及流量測(cè)定場(chǎng)所選取流量測(cè)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(cè)定方法；

5)依據(jù)水位落差、渠道坡度及水深等選取流量測(cè)定方法；

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

7)在滿足測(cè)量精度要求的前提下，盡量減小儀器價(jià)格，避免不必要的浪費(fèi)；

8)考慮儀器的維護(hù)保養(yǎng)能力，對(duì)儀器出現(xiàn)的失常、故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡早解決，保證測(cè)量精度，延長(zhǎng)儀器的使用壽命。

常用的幾種水流量測(cè)量技術(shù)如表1所示。

表1 常用流量測(cè)量方法比較表

4 結(jié)束語

綜上所述，測(cè)量流量的方法很多，一些標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則也在方法選取方面提供了幫助[15-16]。在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，我們需要針對(duì)不同項(xiàng)目的流體流量特點(diǎn)、流體狀態(tài)參數(shù)，選取不同的流量測(cè)量方法。

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

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

[5] CT/T 3008.1—1993城市排水流量堰槽測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)矩形薄壁堰[S][6] CT/T 3008.1—1993城市排水流量堰槽測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)三角形薄壁堰

[7] ISO 9826:1992 明渠液體流量測(cè)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾量水槽

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

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

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.14