明渠流量计量表的污水流量监测数据的技术分析

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，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。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：

（1）

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》和各种类型堰槽的相关ISO国际标准，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。

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，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3mm，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。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。