基于明渠流量計(jì)的污水流量監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的技術(shù)分析

胡博，朱永宏，閆繼偉

(河南省計(jì)量科學(xué)研究院，河南鄭州450008)

0 引言

隨著環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，我國對(duì)建立環(huán)境管理體系，加大環(huán)境監(jiān)測力度提出了更高要求。目前，國內(nèi)重點(diǎn)排污企業(yè)均安裝了污水自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，保證污水排放的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)上傳至市、省環(huán)境監(jiān)測部門和國家環(huán)保主管部門。為了保證上傳數(shù)據(jù)的有效性，國家環(huán)保部發(fā)布了HJ/T355-2007《水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行與考核技術(shù)規(guī)范》和HJ/T356-2007《水污染源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范性文件。這些文件對(duì)有關(guān)水質(zhì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)(如化學(xué)需氧量CODcr、氨氮NH3-N、總磷TP、pH值)等，詳細(xì)規(guī)定了試驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)據(jù)要求［1-2］，但對(duì)如何保證水量的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，卻沒做要求。

隨著主要污染物總量減排監(jiān)測要求的提出，這種情況日益被發(fā)現(xiàn)和重視。2013年底環(huán)境監(jiān)測部門已有人提出關(guān)于污水流量監(jiān)測質(zhì)量監(jiān)督檢查的技術(shù)和方法［3］。但從流量計(jì)量專業(yè)的角度來看，環(huán)監(jiān)部門提出的方法僅對(duì)相關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程項(xiàng)目進(jìn)行了簡化和重組，并沒有進(jìn)行深入的計(jì)量技術(shù)分析，無法保證現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。而本文則根據(jù)現(xiàn)場檢定明渠污水流量計(jì)的大量樣本數(shù)據(jù)，做出了一定的研究分析，為進(jìn)一步準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)污水流量在線監(jiān)測打下了一定的基礎(chǔ)。

1 污水流量測量

1.1 原理及組成

由于排污口標(biāo)準(zhǔn)化和視頻監(jiān)控的需要，污水流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)以堰槽式明渠流量計(jì)為流量計(jì)量的主要方式。堰槽式明渠流量計(jì)的原理是在明渠中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽(如巴歇爾量水槽和矩形薄壁堰等)，并按規(guī)定位置測量水位，則流過堰槽的流量與水位呈單值關(guān)系，根據(jù)相應(yīng)流量公式或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，將測出的水位值換算成流量值。流量計(jì)由標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽和液位流量轉(zhuǎn)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(jì)系統(tǒng)示意圖

據(jù)統(tǒng)計(jì)，本次試驗(yàn)污水流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)共計(jì)338臺(tái)堰槽式明渠流量計(jì)。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(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽明渠流量計(jì)為例進(jìn)行分析。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽明渠流量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽流量Q按下式計(jì)算:

式中:C為流量系數(shù);b為喉道寬度，m;ha為實(shí)測液位，m。

由標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽明渠流量計(jì)的基本原理和流量計(jì)算公式可知，流量測量的準(zhǔn)確度直接依賴于流量系數(shù)C的準(zhǔn)確度、喉道寬度測量的準(zhǔn)確度和實(shí)測液位的準(zhǔn)確度。其中，實(shí)測液位的準(zhǔn)確度評(píng)估又包含三個(gè)因素的影響:液位計(jì)測量的準(zhǔn)確度、測量液位計(jì)零點(diǎn)的儀器的測量準(zhǔn)確度和液面的擾動(dòng)情況。

2 現(xiàn)場流量測量準(zhǔn)確度的影響因素

通過上述分析，我們可以總結(jié)出基于明渠流量計(jì)的污水在線監(jiān)測系統(tǒng)中，影響流量測量準(zhǔn)確度的主要因素有以下幾個(gè)方面:

1)堰槽的類型，主要確定流量系數(shù)的測量準(zhǔn)確度;

2)實(shí)測液位的準(zhǔn)確度，主要取決于液位計(jì)測量的準(zhǔn)確度和測量液位計(jì)零點(diǎn)的儀器的測量準(zhǔn)確度;

3)液位測量的重復(fù)性，由液面的擾動(dòng)或平穩(wěn)程度決定，主要影響多次液位測量讀數(shù)的平均值的測量準(zhǔn)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(zhǔn)確度;

5)水位-流量轉(zhuǎn)換誤差，由流量計(jì)二次儀表的軟件產(chǎn)生。由于各種堰槽明渠流量計(jì)的流量計(jì)算公式涉及多個(gè)參數(shù)，流量計(jì)生產(chǎn)廠家在軟件系統(tǒng)進(jìn)行換算時(shí)，各個(gè)參數(shù)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)尺寸范圍以數(shù)據(jù)庫函數(shù)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，由于存儲(chǔ)空間的限制造成無法足夠精確的設(shè)置參數(shù)，因此造成流量計(jì)顯示值的誤差。

2.1 堰槽的類型

明渠流量計(jì)在進(jìn)行堰槽選擇時(shí)，現(xiàn)場主要考慮流量范圍和設(shè)計(jì)施工難度等因素。根據(jù)國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG771-1990《明渠堰槽流量計(jì)試行檢定規(guī)程》［5］和各種類型堰槽的相關(guān)ISO國際標(biāo)準(zhǔn)［6-10］，幾種常用堰槽的流量范圍和流量系數(shù)所引入的測量誤差如表1所示。

表1 幾種常用堰槽的參數(shù)表

通過表1可知，幾種堰槽的流量系數(shù)所引入的測量誤差相差不大，各種堰槽類型在技術(shù)上并無高下之分。在綜合考慮流量適用范圍和現(xiàn)場設(shè)計(jì)施工難度后，巴歇爾槽和薄壁堰具有一定的優(yōu)勢(shì)。兩者相比，薄壁堰的優(yōu)點(diǎn)是制作方便，安裝簡單，缺點(diǎn)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(zhǔn)確度。巴歇爾槽的優(yōu)點(diǎn)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(fù)雜［11］。

2.2 液位測量的準(zhǔn)確度

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

本次試驗(yàn)的明渠流量計(jì)全部采用的超聲波液位計(jì)，廠家標(biāo)稱的測量精度為不大于3 mm，滿足環(huán)保行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T15-2007《環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求超聲波明渠污水流量計(jì)》中對(duì)液位測量誤差的要求［12］。但實(shí)際測量結(jié)果卻相差很大，具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 液位測量結(jié)果圖

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場使用的超聲波液位計(jì)問題很多。零點(diǎn)不準(zhǔn)的原因主要在于液位計(jì)安裝時(shí)沒有做好零點(diǎn)的設(shè)置和校準(zhǔn)。水位超差的原因一部分在于液位計(jì)安裝后沒有做好現(xiàn)場校準(zhǔn)，另一部分在于液位計(jì)使用過程中傳感器探頭老化，測量精度不達(dá)標(biāo)。

2.3 液位測量的重復(fù)性

明渠流量計(jì)液位測量的重復(fù)性主要取決于液面的穩(wěn)定程度。液面平穩(wěn)時(shí)，液位測量的重復(fù)性就容易達(dá)標(biāo);反之，水流不平穩(wěn)，有大量漩渦、波浪、泡沫時(shí)，液位測量的重復(fù)性就不滿足要求。具體情況如圖3所示。

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

圖3 現(xiàn)場實(shí)測水面情況圖

針對(duì)這種情況，有兩種方式可以進(jìn)行改善。一種方式為:在流量計(jì)的前端增加整流格柵，減小水流的波動(dòng)，但通過現(xiàn)場試驗(yàn)觀察，效果有限;另一種方式為:在渠道旁邊設(shè)置一靜水井，由連通管與渠道水流相通，靜水井底應(yīng)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(yīng)大于預(yù)計(jì)最高水位300 mm，這樣靜水井內(nèi)的水位與渠道中水位相同，把渠道中的漩渦和水流的脈動(dòng)進(jìn)行了隔離，同時(shí)也能大大減少水面的泡沫?，F(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，這種方式能夠有效改善液面不穩(wěn)的情況，保證液位測量的重復(fù)性要求。

2.4 堰槽的幾何尺寸

堰槽幾何尺寸的誤差對(duì)測量結(jié)果準(zhǔn)確度的影響主要有兩個(gè)方面:一是改變了流量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，造成流量計(jì)二次儀表計(jì)算的顯示值產(chǎn)生誤差，這種影響我們通過兩個(gè)實(shí)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(jīng)過堰槽時(shí)的水位，從而對(duì)液位的測量產(chǎn)生附加誤差。

造成堰槽幾何尺寸誤差的原因有三點(diǎn):一是制造精度問題，一些企業(yè)為了節(jié)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(shí)物與設(shè)計(jì)尺寸產(chǎn)生誤差;二是安裝技術(shù)問題，一些流量計(jì)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(jīng)驗(yàn)和溫度原因影響，造成堰板和槽體受渠壁擠壓產(chǎn)生形變;三是用戶主觀因素，一些企業(yè)為了省事，在已建好的不規(guī)則的渠道中安裝明渠流量計(jì)，為了適應(yīng)渠道，只能將標(biāo)準(zhǔn)的堰板或槽體進(jìn)行改造，造成幾何尺寸的偏差。

2.5 水位-流量轉(zhuǎn)換誤差

水位-流量轉(zhuǎn)換誤差直接影響流量計(jì)的顯示值，其產(chǎn)生的主要原因?yàn)?明渠流量計(jì)通過液位傳感器得到的是原始信號(hào)為液位信號(hào)，需通過二次儀表把液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為流量值。由于明渠流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型都比較復(fù)雜，儀表一般使用查表法把液位轉(zhuǎn)換成流量。即每測到一個(gè)液位，到存儲(chǔ)器內(nèi)找對(duì)應(yīng)液位點(diǎn)的流量替代。如果測到的液位在水位流量表中兩點(diǎn)液位之間，用線性插值法算出對(duì)應(yīng)的流量［13］。因此，設(shè)置水位-流量表的點(diǎn)數(shù)越多，轉(zhuǎn)換精度越高。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，取兩個(gè)主要廠家軟件數(shù)據(jù)庫內(nèi)的水位-流量表進(jìn)行驗(yàn)證，具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

表2 堰槽幾何尺寸的誤差對(duì)流量測量準(zhǔn)確度的影響量%

圖4 廠家設(shè)置水位-流量轉(zhuǎn)換誤差比較圖

通過圖4可以看出:廠家一的軟件設(shè)置為30點(diǎn)對(duì)照，且液位點(diǎn)均勻分布，而廠家二設(shè)置為10點(diǎn)，不均勻分布，則廠家一顯示的水位流量轉(zhuǎn)換誤差明顯小于廠家二。

3 結(jié)論

污水流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，受到多方面因素的影響，在配套設(shè)施方面，需要保證行進(jìn)渠道的長度，正確設(shè)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(yīng)精度要求;在二次儀表方面，需要正確的進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，通過這些才能保證流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效。

通過上述分析，我們看到實(shí)現(xiàn)污水流量監(jiān)測的堰槽式明渠流量計(jì)，不僅僅是一個(gè)計(jì)量器具，而且作為一個(gè)計(jì)量系統(tǒng)牽涉到選型、設(shè)計(jì)、加工、建筑、安裝、調(diào)試和設(shè)置，一旦建造成型，出現(xiàn)誤差后很難從根本上進(jìn)行糾正，并且在現(xiàn)場受到各種環(huán)境條件的影響，使用中需要經(jīng)常維護(hù)。因此，作為強(qiáng)制檢定的涉及環(huán)境保護(hù)的計(jì)量器具，我們計(jì)量部門不僅要按時(shí)周期檢定，更應(yīng)該積極參與到環(huán)境監(jiān)測部門對(duì)自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備驗(yàn)收和日常核查等技術(shù)文件的制定中，從而保證環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)、準(zhǔn)確和有效，為實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)，減少污染做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

［1］HJ/T355-2007水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行與考核技術(shù)規(guī)范(試行)［S］.

［2］HJ/T356-2007水污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)規(guī)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(jiān)測數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)研究［J］.中國環(huán)境監(jiān)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(jì)試行檢定規(guī)程［S］.北京:中國計(jì)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(jiān)測中的流量測定與排污口規(guī)范化［J］.甘肅環(huán)境研究與監(jiān)測，2002，15(3):44-45.

［12］HJ/T15-2007環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求超聲波明渠污水流量計(jì)［S］.

［13］徐俊林，陳紅勛，馬崢.明渠流量計(jì)算的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，9(3):13-15.