环境保护监测中水流量的测定方法

赵起越 赵红帅 王小菊 刘保献 徐蘇士

(北京市环境保护监测中心，北京 100048)



环境保护监测中水流量的测定方法

赵起越 赵红帅 王小菊 刘保献 徐蘇士

(北京市环境保护监测中心，北京 100048)

水流量是环境管理部门对水体污染物实施控制的必备参数，也是环境保护监测工作的重要内容。本文综述了几种常用的水流量测试技术，从测试原理、仪器配置和优缺点几方面进行了阐述，并选取几种主要技术进行了比较。为环保监测系统进行水流量测定方法的选择及正确应用提供了借鉴。

环境保护监测；明渠；水流量

0 引言

环境保护监测经常需要对污染物进行总量控制，水体中的污染物排放总量要使用污染物浓度与水流量的乘积得出，水流量除了总量控制外，在排污收费及污染物调查等工作中也都是重要的换算参数，因此准确、可靠地测定流量是保障污染源总量减排和工业污染源总量排放监测工作正确实施的必要条件[1-3]。

环境保护监测中的大多数水体污染物测定在明渠中进行。按照国际标准化组织(ISO)的规定，明渠是由于水路本身坡度形成自由表面的流动，是非满管状态流动的水路。明渠中水流量的测量方法很多，环保工作中常用的获得水流量的方法主要有直接测量流量法和通过测量流速计算流量两大类。直接测量流量法指通过流量计直接测出明渠中的水流量的方法；测量流速计算流量法指使用流速计测量出明渠中的水流速，再通过计算，得到流量。

1 直接测量流量方法

水流量的直接测量方法有堰法、槽法及容积法等，具体如下：

1.1 堰法

在明渠的适当位置安装一个挡板，阻断水流流动，使上游液流通过装置的顶部、缺口或孔口，向下游侧流去。这个装置成为堰。由于堰的上游侧液位和液流流量有一定的关系，通过测量上游液位可以计算出水流量。按照形式不同，堰可以分为薄壁堰、宽顶堰、三角形剖面堰和实用剖面堰几种，最常用的是薄壁堰。堰法测量水流量，仪器结构简单，价格便宜，安装维护方便，具有一定的测量精度，但该方法不能用于接近平坦地面的渠道。另外,堰上游容易堆积固体，要定期清理，否则会影响水量的测量[4-6]。

1.2 槽法

在平坦的明渠及工业排水管道中，水流量常用测流槽测定。

明渠的一部分收缩，那么液流经过收缩节流处时，流速增大，产生临界流，同时液流液位下降，测量这个液位的下降量就可以求得液流流量。根据水路的收缩节流方式不同产生不同形状的测流槽，有文丘里测流槽、巴歇尔水槽及帕尔默-玻鲁斯水槽(又称P-B槽)等。在我国使用较多的是P-B槽。这种测流槽几乎不受管壁粗糙程度等条件的影响，测量值的长期变化小；P-B槽的水头损失在非满管流量测定仪表中是最小的，喉道部槽顶自清洗效果显著，很少有沉淀和堆积；上游坡度应在2/100以下，上游侧直管段长度应为管径的十倍以上。使用P-B槽测定，下游侧水深必须小于上游水深的85%，且不应有负坡度和闸阀，否则测量精度会下降。P-B槽的测定精度一般可达3%，如果不符合上述条件，测量误差会增大[7-8]。

1.3 容积法

容积法一般在排水量小或渠道形状不规则时使用。具体做法是：选取有落差的地方或挖一个坑，将采样器置于内部，接纳排水。记录一定体积的排水所需时间，重复测量数次取平均值，用公式Q=V/t计算出流量。其中Q、V及t分别为水流量、一定时间内的排水体积及排水时间。本方法简单易行，测量精度较高，适于水量较小的连续或间歇排放的水[9]。

2 通过流速测量计算流量的方法

水流量流速测量法，分为流速仪法及浮标法等。

2.1 浮标法

在水流较缓、水沟较直的情况下，选取一段底平、大于10m的直管道，将木块等漂浮物置于其中，在无外力作用下，漂浮物流过被测距离，记录所用时间，重复几次，取均值，按照公式Q=aLS/t计算流量。式中a为平均流速与主轴线表面流速之比，它随着水渠的宽度、水深、水渠的状况等条件不同而不同，a不是恒定的数，一般渠道a=0.7，充满圆形管道的流体，a=0.5。L是测定渠道的长度，S是渠道的截面积，t为浮标漂流所需时间[9-10]。

2.2 流速仪法

在实际监测工作中使用最多的是超声明渠流量计及潜水电磁流量计。

2.2.1 超声明渠流量计

超声明渠流量计是通过测量液体的平均流速和液位(截面积)来计算流量值的超声流量仪器，平均流速采用多普勒法和时差法，液位测量可使用超声液位计、声波液位计、气泡液位计等。超声流速计和超声液位计合成的流速-水位测量装置如图1所示。

图1 超声流速-水位流量计

图2 超声回波法测液位

多声道超声明渠流量计由多对流速换能器、液位换能器、接线盒、控制器及电缆组成。测量准确度主要取决于渠的尺寸、形状及截面误差，平均流速和液位误差值根据实际要求通过多声道布置可控制在较精确的范围内。超声明渠流量计由于使用流体流速及液位计算流量，比只测液位的堰、槽式流量计测量准确度高。而且，在受背压状态下流动也能测量，可以测逆向流。它可实现多声道测量，准确度随声道的增加而提高，性能稳定，测量流量范围较宽，水量没有限制，水位离渠床距离从接近零到满位均能测量，在液位低于最低声道时，可做堰、槽流量计测量。超声明渠流量计的测量不受断面的限制，可以在各种形状截面下进行测量，还可以通过软件和数学模型对测定结果加以修正。它安装容易，不会阻碍流路，几乎不会产生固体堆积，无需清污，长期运行几乎不用维护。但由于受液体流速影响很大，测量处的上下游要保持足够长的直管段[11-12]。

2.2.2 潜水型电磁流量计

潜水型电磁流量计是20世纪80年代发展起来的流量测量技术，可连续测定明渠、暗渠、河道和非满管中导电液体的体积流量。如图3所示，在渠道中设置一块挡板截流，在挡板底部安装流量计传感器。水流经挡板阻隔后以更高的流速流动，抬高了上游水位，产生上、下游水位差，依据机械能守恒定律，该水位差转化为水流动的动能，从而与水流速度发生关系，据此，潜水型电磁流量计测定的液体流速为：

式中，K为系数。

潜水型电磁流量计适于测量圆形、矩形和任意形状的明渠、暗沟或河道的流量；对于上下游直管段要求低；流量计无活动部件，可测含有固体颗粒或悬浮体的液体； 采用低频三值矩形波励磁技术，零点稳定，工作可靠，是明渠、暗沟污水排放流量测量的理想之选，但潜水电磁流量计的水头损失较大，因降雨等流量增加时会使其溢流或要打开闸门，传感器内必须保持满管流，如果不能满足，应设计成把水渠底部挖深安装或者在下游侧安装堰板，另外，流量计的挡板前会有一定程度固形物堆积，要定期进行清理[13-14]。

图3 测量原理图

3 测量方法的选取

1)依据水路形状和大小、流速范围、最大及最小流量选取流量测定方法；

2)依据测量精确度要求选取流量测量方法；

3)依据环境条件及流量测定场所选取流量测定方法；

4)依据流体状况，如腐蚀性、酸碱性、浑浊性等选取流量测定方法；

5)依据水位落差、渠道坡度及水深等选取流量测定方法；

6)依据已有的流量计与流体的匹配情况选取流量测定方法，如使用超声波流量计要注意流体的浊度，使用潜水电磁流量计要注意流量计的材料一定要能在被测流体中长时间浸泡；

7)在满足测量精度要求的前提下，尽量减小仪器价格，避免不必要的浪费；

8)考虑仪器的维护保养能力，对仪器出现的失常、故障及时发现，尽早解决，保证测量精度，延长仪器的使用寿命。

常用的几种水流量测量技术如表1所示。

表1 常用流量测量方法比较表

4 结束语

综上所述，测量流量的方法很多，一些标准和导则也在方法选取方面提供了帮助[15-16]。在实际监测工作中，我们需要针对不同项目的流体流量特点、流体状态参数，选取不同的流量测量方法。

[1] 颜涛，宋毅倩，谷树茂，等.常用污染源废水流量测量技术原理与选用[A].中国环境科学学会学术年会论文集，2013：1865-1868

[2] 刘乔芳，朱雪梅，王宇健.污染物总量控制中载体水流量的测定[J].中国环境监测，2001，17(6)：42-43

[3] 曲行丽，杨廷剑.流量测量技术综述[J].工程技术，2011,22(7):59，764

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

[5] CT/T 3008.1—1993城市排水流量堰槽测量标准矩形薄壁堰[S][6] CT/T 3008.1—1993城市排水流量堰槽测量标准三角形薄壁堰

[7] ISO 9826:1992 明渠液体流量测量——巴歇尔槽和孙奈利槽[S]

[8] CT/T 3008.1—1993城市排水流量堰槽测量标准巴歇尔量水槽

[9] 宋继红，陈丽娜.谈废水流量的测定[J].合作经济与科技，2009(18)：123-124

[10] 潘再哲.环境监测中污水流量的测定[J].商品与质量·建筑与发展，2014(2)：586

[11] ISO 6416:1985 明渠液体流量测量——超声(声学)法测排放量[S]

[12] 于秀丽，杨瑞江.超声波在流量测量技术中的应用[J].甘肃科技，2002(5)：17-18

[13] 邓昌闫.电磁流量计综述[J].水利水文自动化，1996(4)：6-15

[14] 曹王剑，李胜.流量仪表的选型设计探讨[J].自动化与仪器仪表，2000(3)：5:4-57,34

[15] ISO 8363:1986 明渠液体流量测量——方法选择指南通则[S]

[16] ISO 8386:1986 明渠液体流量测量——测流设备选择指南通则[S]

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.14