基于明渠流量计的污水流量监测数据准确度的技术分析

胡博，朱永宏，闫继伟

(河南省计量科学研究院，河南郑州450008)

0 引言

随着环境污染问题日益严重，我国对建立环境管理体系，加大环境监测力度提出了更高要求。目前，国内重点排污企业均安装了污水自动监测系统，保证污水排放的数据能够实时上传至市、省环境监测部门和国家环保主管部门。为了保证上传数据的有效性，国家环保部发布了HJ/T355-2007《水污染源在线监测系统运行与考核技术规范》和HJ/T356-2007《水污染源在线监测数据有效性判别技术规范》等规范性文件。这些文件对有关水质的监测数据(如化学需氧量CODcr、氨氮NH3-N、总磷TP、pH值)等，详细规定了试验项目和数据要求［1-2］，但对如何保证水量的流量监测数据的准确，却没做要求。

随着主要污染物总量减排监测要求的提出，这种情况日益被发现和重视。2013年底环境监测部门已有人提出关于污水流量监测质量监督检查的技术和方法［3］。但从流量计量专业的角度来看，环监部门提出的方法仅对相关计量检定规程项目进行了简化和重组，并没有进行深入的计量技术分析，无法保证现场流量数据的准确度。而本文则根据现场检定明渠污水流量计的大量样本数据，做出了一定的研究分析，为进一步准确实现污水流量在线监测打下了一定的基础。

1 污水流量测量

1.1 原理及组成

由于排污口标准化和视频监控的需要，污水流量自动监测系统以堰槽式明渠流量计为流量计量的主要方式。堰槽式明渠流量计的原理是在明渠中设置标准量水堰槽(如巴歇尔量水槽和矩形薄壁堰等)，并按规定位置测量水位，则流过堰槽的流量与水位呈单值关系，根据相应流量公式或经验关系式，将测出的水位值换算成流量值。流量计由标准量水堰槽和液位流量转换仪表(二次仪表)所组成。如图1所示。

图1 堰槽式明渠流量计系统示意图

据统计，本次试验污水流量自动监测系统共计338台堰槽式明渠流量计。其中，巴歇尔槽式占68.2%，矩形薄壁堰占14.5%，其他堰槽类型占17.3%，本文以标准巴歇尔槽明渠流量计为例进行分析。

1.2 标准巴歇尔槽明渠流量计算的数学模型

标准巴歇尔槽流量Q按下式计算:

式中:C为流量系数;b为喉道宽度，m;ha为实测液位，m。

由标准巴歇尔槽明渠流量计的基本原理和流量计算公式可知，流量测量的准确度直接依赖于流量系数C的准确度、喉道宽度测量的准确度和实测液位的准确度。其中，实测液位的准确度评估又包含三个因素的影响:液位计测量的准确度、测量液位计零点的仪器的测量准确度和液面的扰动情况。

2 现场流量测量准确度的影响因素

通过上述分析，我们可以总结出基于明渠流量计的污水在线监测系统中，影响流量测量准确度的主要因素有以下几个方面:

1)堰槽的类型，主要确定流量系数的测量准确度;

2)实测液位的准确度，主要取决于液位计测量的准确度和测量液位计零点的仪器的测量准确度;

3)液位测量的重复性，由液面的扰动或平稳程度决定，主要影响多次液位测量读数的平均值的测量准确度;

4)堰槽的几何尺寸，主要取决于喉道宽度(或其他堰槽中的板、槽尺寸)的测量仪器的准确度;

5)水位-流量转换误差，由流量计二次仪表的软件产生。由于各种堰槽明渠流量计的流量计算公式涉及多个参数，流量计生产厂家在软件系统进行换算时，各个参数根据不同的设计尺寸范围以数据库函数的方式进行存储，由于存储空间的限制造成无法足够精确的设置参数，因此造成流量计显示值的误差。

2.1 堰槽的类型

明渠流量计在进行堰槽选择时，现场主要考虑流量范围和设计施工难度等因素。根据国家计量检定规程JJG771-1990《明渠堰槽流量计试行检定规程》［5］和各种类型堰槽的相关ISO国际标准［6-10］，几种常用堰槽的流量范围和流量系数所引入的测量误差如表1所示。

表1 几种常用堰槽的参数表

通过表1可知，几种堰槽的流量系数所引入的测量误差相差不大，各种堰槽类型在技术上并无高下之分。在综合考虑流量适用范围和现场设计施工难度后，巴歇尔槽和薄壁堰具有一定的优势。两者相比，薄壁堰的优点是制作方便，安装简单，缺点是水头损失较大，污水中的泥沙和悬浮物容易在堰前沉积使水位提高而影响测量的准确度。巴歇尔槽的优点是测量范围宽，水头损失小，污水中悬浮物不易沉积，但加工和安装较为复杂［11］。

2.2 液位测量的准确度

明渠流量计中的实际液位测量涉及液位计零点(即液位零点)和液位计测量精度等两个方面，早期的浮子式液位计由于测量精度太低已经被淘汰，压力式液位计由于易受污水腐蚀和沉积物覆盖影响也较少使用［11］，现在主要使用超声波液位计。超声波测液位为非接触式测量，可以不受液体性质的影响，但液体表面浮沫和固体漂浮物较多时也会受到影响。

本次试验的明渠流量计全部采用的超声波液位计，厂家标称的测量精度为不大于3 mm，满足环保行业标准HJ/T15-2007《环境保护产品技术要求超声波明渠污水流量计》中对液位测量误差的要求［12］。但实际测量结果却相差很大，具体数据如图2所示。

图2 液位测量结果图

试验发现，现场使用的超声波液位计问题很多。零点不准的原因主要在于液位计安装时没有做好零点的设置和校准。水位超差的原因一部分在于液位计安装后没有做好现场校准，另一部分在于液位计使用过程中传感器探头老化，测量精度不达标。

2.3 液位测量的重复性

明渠流量计液位测量的重复性主要取决于液面的稳定程度。液面平稳时，液位测量的重复性就容易达标;反之，水流不平稳，有大量漩涡、波浪、泡沫时，液位测量的重复性就不满足要求。具体情况如图3所示。

上述水流不平稳的情况，主要原因是明渠流量计安装位置前端的行进渠道长度不满足要求。根据规程要求，巴歇尔槽的安装条件为前端顺直行进渠道长度应不小于5倍的行进渠道宽度，而薄壁堰则要求为10倍。很多用户受现场环境条件的限制，无法建造足够长度的行进渠道进行整流，造成流量计处的流场条件十分恶劣，无法满足明渠流量计的正常使用。

图3 现场实测水面情况图

针对这种情况，有两种方式可以进行改善。一种方式为:在流量计的前端增加整流格栅，减小水流的波动，但通过现场试验观察，效果有限;另一种方式为:在渠道旁边设置一静水井，由连通管与渠道水流相通，静水井底应低于渠道中最低水位150 mm，连通管管底距井底至少300 mm，静水井顶面应大于预计最高水位300 mm，这样静水井内的水位与渠道中水位相同，把渠道中的漩涡和水流的脉动进行了隔离，同时也能大大减少水面的泡沫。现场试验验证，这种方式能够有效改善液面不稳的情况，保证液位测量的重复性要求。

2.4 堰槽的几何尺寸

堰槽几何尺寸的误差对测量结果准确度的影响主要有两个方面:一是改变了流量计算的数学模型，造成流量计二次仪表计算的显示值产生误差，这种影响我们通过两个实例可以看到。由表2可以看出，堰槽几何尺寸误差的增大可以造成流量测量误差的增大，且影响量不断递增;二是影响到了水流经过堰槽时的水位，从而对液位的测量产生附加误差。

造成堰槽几何尺寸误差的原因有三点:一是制造精度问题，一些企业为了节省成本，自己加工堰板和槽体，由于条件所限无法保证加工精度，造成堰槽的实物与设计尺寸产生误差;二是安装技术问题，一些流量计的堰板和槽体在安装过程中，由于施工者的操作因素造成安装尺寸误差，或是施工经验和温度原因影响，造成堰板和槽体受渠壁挤压产生形变;三是用户主观因素，一些企业为了省事，在已建好的不规则的渠道中安装明渠流量计，为了适应渠道，只能将标准的堰板或槽体进行改造，造成几何尺寸的偏差。

2.5 水位-流量转换误差

水位-流量转换误差直接影响流量计的显示值，其产生的主要原因为:明渠流量计通过液位传感器得到的是原始信号为液位信号，需通过二次仪表把液位信号转换为流量值。由于明渠流量计的数学模型都比较复杂，仪表一般使用查表法把液位转换成流量。即每测到一个液位，到存储器内找对应液位点的流量替代。如果测到的液位在水位流量表中两点液位之间，用线性插值法算出对应的流量［13］。因此，设置水位-流量表的点数越多，转换精度越高。

通过现场试验，取两个主要厂家软件数据库内的水位-流量表进行验证，具体数据如图4所示。

表2 堰槽几何尺寸的误差对流量测量准确度的影响量%

图4 厂家设置水位-流量转换误差比较图

通过图4可以看出:厂家一的软件设置为30点对照，且液位点均匀分布，而厂家二设置为10点，不均匀分布，则厂家一显示的水位流量转换误差明显小于厂家二。

3 结论

污水流量监测数据的准确度，受到多方面因素的影响，在配套设施方面，需要保证行进渠道的长度，正确设立静水井。在一次元件方面，需选择合适的堰槽类型，堰槽尺寸保证一定的加工精度，液位传感器满足相应精度要求;在二次仪表方面，需要正确的进行软件数据库的设计，通过这些才能保证流量监测数据的准确有效。

通过上述分析，我们看到实现污水流量监测的堰槽式明渠流量计，不仅仅是一个计量器具，而且作为一个计量系统牵涉到选型、设计、加工、建筑、安装、调试和设置，一旦建造成型，出现误差后很难从根本上进行纠正，并且在现场受到各种环境条件的影响，使用中需要经常维护。因此，作为强制检定的涉及环境保护的计量器具，我们计量部门不仅要按时周期检定，更应该积极参与到环境监测部门对自动监测设备验收和日常核查等技术文件的制定中，从而保证环境监测数据的真实、准确和有效，为实现环境保护，减少污染做出应有的贡献。

［1］HJ/T355-2007水污染源在线监测系统运行与考核技术规范(试行)［S］.

［2］HJ/T356-2007水污染源在线监测系统数据有效性判别技术规范(试行)［S］.

［3］唐桂刚，景立新，万婷婷，等.堰槽式明渠废水流量监测数据有效性判别技术研究［J］.中国环境监测，2013，29(6):18-20.

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

［5］JJG771-1990明渠堰槽流量计试行检定规程［S］.北京:中国计量出版社，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］赵晓颖，连兵，牛武江，等.废水总量控制监测中的流量测定与排污口规范化［J］.甘肃环境研究与监测，2002，15(3):44-45.

［12］HJ/T15-2007环境保护产品技术要求超声波明渠污水流量计［S］.

［13］徐俊林，陈红勋，马峥.明渠流量计算的研究现状和进展［J］.上海大学学报:自然科学版，2003，9(3):13-15.