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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辣士 ( 北京市环境保护监测中心，北京1 0 0 0 4 8 ) 摘要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。 关键词环境保护监测；明渠；水流量 d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 0 7 7 1 2 0 1 5 0 6 1 4 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 。 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( I S O ) 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 计量技术2 0 1 5 N o6 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 在乎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一玻鲁斯水 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 1 0 0 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8 5 ，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 。8J 。 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 万方数据 = V t 计算出流量。其中Q 、v 及分别为水流量、 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 排放的水引。容器 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1 0 m 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 = a L S t 计算流 量。式中。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，o 不是恒定的数，一般渠道。= 0 7 ，充满圆形 管道的流体，口= 0 5 。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 0 | 。 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一水位测量装置如图1 所示。 图1 超声流速一水位流量计 国内外普遍采用的测量液位的方法是超声脉 冲回波法，原理见图2 。由超声波换能器向液面垂 直发射声脉冲，声波遇液面返回，被接收，则z = 詈。 二 其中c 为空气中的声速，t 为超声波的传播时间，又 因超声传感器距离流量槽底面的高度为定值 ，则 液位即为H = h 一。 多声道超声明渠流量计由多对流速换能器、液 4 8 图2 超声回波法测液位 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1 。1 2o 。 2 2 2 潜水型电磁流量计 潜水型电磁流量计是2 0 世纪8 0 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，拾高了 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： y = K , 2 9 ( h 。一h 6 ) = K , 2 9 h 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， 万方数据 图3 测量原理图 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1 3 4 | 。 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 测流技术种类薄壁堰P B 槽超声流速一水位流量计 潜水电磁流量计 渠道要截流，检渠道一段要装槽，检不用改动渠道，流速测定渠道要截流，检测 仪器安装 测仪器结构简单测仪器结构较复杂使用流速计仪器结构复杂 检测仪器液位计液位计流速计及液位计直接测量 测量范围( m 3 h ) 1 5 4 0 0 02 0 1 2 0 0 0 流速0 2 0 m s 1 0 5 0 0 0 测量精度( ) 1 33 53 5 单独1 5 ；分流2 5 固态物质沉积会沉积，不会排 不会沉积，随流排泄不会沉积，随流排泄 会沉积，能部分 情况泄，要定期清除排泄 上游侧不小于5 一1 0上游侧不小于l o 1 5 倍 上、下游直管段要 1 5 0 0 2 4 0 0 倍口径，下游侧不小于口径，下游侧不小于5 倍 求( r a m ) 2 倍口径口径 超声流速计对浊度有一导电率不小于1 0 “ 流体要求 无 无 定要求 S c m 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1 5 。1 引。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。 参考文献 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 ! 量堇盔兰Q ! ! ：坠鱼 与选用 A 中国环境科学学会学术年会论文集，2 0 1 3 ：1 8 6 5 1 8 6 8 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，2 0 0 1 ，1 7 ( 6 ) ：4 2 - 4 3 3 曲行丽，杨廷剑流量测量技术综述 J 工程技术，2 0 1 1 ，2 2 ( 7 ) ：5 9 ，7 6 4 4 I S O1 4 3 8 一I ：1 9 8 0 堰和文丘里槽明渠水流测量第一部分薄 壁堰 s 5 C T T3 0 0 8 1 1 9 9 3 城市排水流量堰槽测量标准矩形薄壁堰 s ( 下转第5 7 页) 4 9 万方数据 瞄疆囡圆i 蛋 将表1 中的数代入式( 5 ) ( 1 3 ) ( 1 9 ) ( 2 0 ) ( 2 1 ) ， 并换算成( ”) ，得到的数据见表2 。 表2 经计算缮到的数据值单位：” 实验次数 卢 口占 一l巩 11 3 4 60 6 70 0 21 0 7 21 2 6 9 2一1 3 5 6O 6 70 0 31 0 7 4一1 2 7 3 3 1 3 5 60 6 50 0 3l O 7 31 2 7 0 41 3 6 7O 7 00 0 51 0 ，6 91 2 6 9 5一1 3 7 10 6 70 0 61 0 7 11 2 6 4 6一1 3 6 6O 6 30 0 51 0 7 31 2 6 6 7 1 3 6 4O 7 0O 0 31 07 I1 2 6 4 8 1 3 6 50 7 80 o o1 0 8 21 2 6 0 91 3 6 4 O 7 20 0 l1 0 ，8 01 2 5 3 1 0 1 3 6 4 0 7 30 0 3 1 0 8 4一1 2 5 3 平均值 一1 3 6 2O 6 90 0 l1 0 7 5 1 2 6 4 标准偏差 0 0 70 0 40 0 4O 0 50 0 7 至此，吊镜使用中影响测量精度的关键参数均 已获得，同时也获得了两根平行光管偏离水平面的 夹角。 4 测量不确定度分析 本次实验环境温度为2 0 0 0 C ，相对湿度为 5 0 ，影响测量不确定度的因素主要有： 1 ) 光管的稳定性。两根光管放置在隔振地基 和隔振平台组成的底座上，理论上来说人员走动对 它的影响应该不大，但实际由于光管的超高精度， 由过去的实验数据表明，阁围有人员走动时光管的 变化量在1 ”以上，因此实验过程中只留下2 名实验 人员，且禁止走动。另外，实验中光管的短期稳定 性是一个很重要的因素，通过对系统稳定性的监测 可知，光管的短期稳定性在0 0 4 ”以内。 2 ) 光管出射光线不平行。根据自准直仪的测 量原理，当光管的出射光线不平行，且反射镜的中 心偏离了光管光轴的中心时会引入不确定度，估算 此不确定度为0 0 6 ”。 3 ) 本次实验中获得的各参数标准偏差在0 0 4 ” 0 0 7 ”不等，按A 类标准不确定度评定。人员操作 时的误差已体现在测量重复性之中，在此不予单独 考虑。 结合上述评定，可知用此套装置对吊镜进行溯 源时的不确定度应在0 2 ”以内。 5结论 综上所述，利用两套1 8 0 。共轴放置的长焦距高 分辨率的平行光管，借助双面镜就能对吊镜进行溯 源，而且通过C C D 图像采集软件，还能进步提高 分辨率，最终将测量不确定度控制在0 2 ”以内，实 现了水平准线的高精度复现。 参考文献 1 刘海波，陈志高水准仪检定装置的校准 J 中国计量2 0 0 4 ( 7 ) ：6 7 6 9 2 张卫东，张琳娜水准仪检定装置水平准线偏差检定方法的探 讨 J 计量学报2 0 0 8 9 ( 2 9 ) ：4 8 5 I 3 齐乘光，付辉清，沈妮，等自动安平式水平准线计量标准 J 计量技术1 9 9 9 ( 6 ) ：3 0 3 2 4 贾敏强，刘海波，付辉清铅垂线实现方法研究 J 大地测量与 地球动力学，2 0 0 7 6 ( 2 7 ) ：1 3 9 1 4 1 ，1 5 5 5 郝群激光准直和C C D 测量技术在大型尺寸形位误差测量中 的应用研究 D 北京：清华大学，1 9 9 7 6 刘素