明渠流量計(jì)的污水流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的技術(shù)分析

 0 引言

隨著環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，我國(guó)對(duì)建立環(huán)境管理體系，加大環(huán)境監(jiān)測(cè)力度提出了更高要求。目前，國(guó)內(nèi)重點(diǎn)排污企業(yè)均安裝了 污水自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)部門和國(guó)家環(huán)保主管部門。為了保證上傳數(shù)據(jù)的有效性，國(guó)家環(huán)保部發(fā)布了 HJ/T355－2007《水污染源在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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，但對(duì)如何保證水量的 流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，卻沒(méi)做要求。

隨著主要污染物總量減排監(jiān)測(cè)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(cè)部門已有人提出關(guān)于污水流量監(jiān) 測(cè)質(zhì)量監(jiān)督檢查的技術(shù)和方法。但從流量計(jì)量專業(yè)的角度來(lái)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(jiǎn)化和重組，并沒(méi)有進(jìn)行深入的計(jì)量技術(shù)分 析，無(wú)法保證現(xiàn)場(chǎng)流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。而本文則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)打下了 一定的基礎(chǔ)。

1 污水流量測(cè)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(cè)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(cè)量水位，則流過(guò)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(cè)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(cè)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：

    （1）

式中：C為流量系數(shù)；b為喉道寬度，m；ha為實(shí)測(cè)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(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確度和實(shí)測(cè)液位的準(zhǔn)確 度。其中，實(shí)測(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確度、測(cè)量液位計(jì)零點(diǎn)的儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度和液面的擾動(dòng)情況。

2 現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)量準(zhǔn)確度的影響因素

通過(guò)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(cè)系統(tǒng)中，影響流量測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度；

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

3）液位測(cè)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(cè)量讀數(shù)的平均值的測(cè)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(cè)量?jī)x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(kù)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(wú)法足夠的設(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(chǎng)主要考慮流量范圍和設(shè)計(jì)施工難度等因素。根據(jù)國(guó)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》和各種類型堰槽的相關(guān)ISO標(biāo)準(zhǔn)，幾種常用堰槽的流量范圍和流量系數(shù)所引入的測(cè)量誤差如表1所示。

表1 幾種常用堰槽的參數(shù)表

通過(guò)表1可知，幾種堰槽的流量系數(shù)所引入的測(cè)量誤差相差不大，各種堰槽類型在技術(shù)上并無(wú)高下之分。在綜合考慮流量適用范 圍和現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)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(cè)量的準(zhǔn)確度。巴歇爾槽的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)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。

2.2 液位測(cè)量的準(zhǔn)確度

明渠流量計(jì)中的實(shí)際液位測(cè)量涉及液位計(jì)零點(diǎn)（即液位零點(diǎn)）和液位計(jì)測(cè)量精度等兩個(gè)方面，早期的浮子式液位計(jì)由于測(cè)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，現(xiàn)在主要使用超聲波液位計(jì)。超聲波測(cè)液位為非接觸式測(cè)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(cè)量精度為不大于3mm，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(cè)量誤差的要求。但實(shí)際測(cè)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(cè)量結(jié)果圖

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)使用的超聲波液位計(jì)問(wèn)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(méi)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(méi)有做好現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，另一部分在于液位計(jì)使用過(guò)程中傳感器探頭老化，測(cè)量精度不達(dá)標(biāo)。