明洪武，黃穎媛

(桂林市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西桂林 541002)

1 概述

在我們的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，采集水樣的同時(shí)經(jīng)常需要測(cè)量水體流量，以利于計(jì)算或核算各類污染物的排放量。以桂林市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站的監(jiān)測(cè)工作為例，每月的國(guó)控區(qū)河流斷面例行監(jiān)測(cè)需要測(cè)量河水流量，每季度的國(guó)控廢水重點(diǎn)污染源及污水處理廠監(jiān)測(cè)也需要同時(shí)測(cè)量廢水流量。

流量測(cè)量的早期常用方法主要是利用浮標(biāo)法測(cè)出水體流速，然后量出水體的過(guò)水截面面積，兩者相乘得出流量［1］。但是這種方法的缺點(diǎn)很多，如耗時(shí)長(zhǎng)，所需的水流平緩斷面長(zhǎng)，浮標(biāo)受外環(huán)境影響較大而不易控制，測(cè)量精度低等。現(xiàn)行簡(jiǎn)單實(shí)用的方法為流速儀法，不僅操作方便而且省時(shí)省力，特別是我站使用的電磁式流速儀 (Flo－Mate 2000)，其利用法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)量流速，具有操作使用靈活，安裝及維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)水流徑直從傳感器前端靠近傳感器時(shí)，水流方向、磁場(chǎng)和感應(yīng)電流兩兩垂直，因此，產(chǎn)生的電流大小代表液體流過(guò)電極的速度，由此可以快速精確地測(cè)量出水體的流速。

測(cè)量水體流量時(shí)，因水流經(jīng)過(guò)的截面不同導(dǎo)致各個(gè)部分的流速不一致，需要使用不同的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其計(jì)算方法也不盡相同，流速校正系數(shù)也有所區(qū)別。本文根據(jù)在實(shí)際工作中遇到的不同水體排放情況，對(duì)采用Flo－Mate 2000電磁式流速儀測(cè)量并計(jì)算流量所采樣的不同測(cè)量方法和計(jì)算方法進(jìn)行探討。

2 不同排水渠道的流量測(cè)量

儀器:Flo－Mate 2000電磁式流速儀;

溝渠類型:矩形、梯形、圓形、非幾何圖形。

2.1 矩形溝渠廢水的流量測(cè)量

廢水排放溝渠的截面為矩形 (如圖1)，這種情況最為常見(jiàn)。只要滿足以下條件即可進(jìn)行測(cè)量:排污截面底部硬質(zhì)平滑，排污口處有3～5m的平直過(guò)流水段，且水位高度≮0.1m［2］(假設(shè)所布設(shè)的垂線深度一致，水面寬度和水底寬度一致)。

2.1.1 斷面垂線的布設(shè)

根據(jù)矩形溝渠的寬度，等距離布設(shè)2～6條垂線［3］。一般廢水的排放溝渠不會(huì)很寬，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)，如圖1所示布設(shè)3條垂線 (左、中、右)即可滿足要求。

2.1.2 不同垂線的流速測(cè)量

如果水位不是很深，如＜1m，可用一點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量，即在0.6倍水深處［3］(從頂部算)放入流速儀探頭面對(duì)水流方向進(jìn)行測(cè)量 (測(cè)量時(shí)探頭需用工具固定不讓其搖晃);水較深時(shí)使用二點(diǎn)法(0.2及0.8水深處)進(jìn)行測(cè)量，然后算其平均值作為該條垂線的流速。

2.1.3 截面面積的測(cè)量

此時(shí)需要計(jì)算出垂線將截面分開(kāi)的每個(gè)小塊的面積 (S1，S2，S3，S4)，測(cè)量?jī)?nèi)容包括每條垂線深度 (H1)，以及每2條垂線之間的距離等 (L，2L)，而不是計(jì)算整個(gè)截面的面積。

2.1.4 流量的計(jì)算

將截面的每個(gè)小塊的流速 (流速取左右兩條垂線流速算術(shù)平均值)乘以面積可以得出該小塊的流量 (Q1，Q2，Q3，Q4)，然后將所有小塊的流量相加得出該矩形截面的每秒流量，也就是我們最后所需要的流量數(shù)據(jù)。一般情況下矩形截面的墻面較為光滑，兩邊測(cè)量的流量 (Q1和Q4)計(jì)算時(shí)所用的流速需乘以0.9的岸邊系數(shù)［3］進(jìn)行校正。

計(jì)算公式為:

2.2 梯形溝渠廢水的測(cè)量

梯形截面的溝渠也是廢水排放口較為常見(jiàn)的類型，如陽(yáng)朔田家河污水處理廠 (一期)的廢水總排口，其渠道截面即為梯形，且為非等腰梯形。同樣，測(cè)量條件也需滿足上述矩形截面的要求。

一般的梯形排放渠道都是上寬下窄，實(shí)際測(cè)量時(shí)，把梯形分成3個(gè)大的部分，即中間的矩形和兩邊的三角形。分開(kāi)后，垂線的布設(shè)、不同垂線流速測(cè)量以及截面面積的測(cè)量等都與矩形的測(cè)量方法一致;不同之處是:三角形與矩形分開(kāi)處須設(shè)一條垂線，并測(cè)量該垂線的深度和流速，并且該處的流速要乘上岸邊系數(shù)來(lái)計(jì)算三角形截面的流量。岸邊系數(shù)視情況而定，當(dāng)岸邊為不平整墻面時(shí)岸邊系數(shù)取0.8，光滑時(shí)岸邊系數(shù)取0.9［3］。如圖2所示。

此時(shí)的流量計(jì)算公式為:

2.3 圓形管道廢水的測(cè)量

圓形管道的流量有專門的給水排水理論計(jì)算公式，如果知道圓形管道的內(nèi)徑、管壁粗糙系數(shù)、水力坡度、水力半徑等，通過(guò)查閱《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè).第01冊(cè)》［4］即可得出。但是在實(shí)際工作中，管道埋入地下后，許多參數(shù)我們都無(wú)從查起，如水力坡度，常見(jiàn)的是城市污水管網(wǎng)。如果管道內(nèi)的水體是滿管的，我們可以使用滿管流量計(jì)直接進(jìn)行測(cè)量，但是實(shí)際工作中遇到的都是非滿管狀況的較多，這時(shí)就需要借助自己手中的流速儀進(jìn)行管道流量的測(cè)量。

非滿管流量的測(cè)量現(xiàn)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)方法，一些期刊上的文章建議使用0.7系數(shù)法［5］，即使用浮標(biāo)法或流速儀法測(cè)出管道內(nèi)的最高流速點(diǎn) (水流平穩(wěn)時(shí)一般是水平面中線稍下點(diǎn)流速最大，如圖3)，將這一流速乘以0.7作為該管道內(nèi)水流的平均流速，然后乘以過(guò)水截面的面積算出流量;還有一種方法是將扇形按水面寬等距離分成3份 (如圖4)，用流速儀分別測(cè)出每份截面的流速，兩邊部分的流速乘以0.9的岸邊系數(shù)，而中間部分不變，再用各部分的流速乘以各部分的面積得出流量，流量相加得到管道內(nèi)總的水體流量。

經(jīng)過(guò)筆者進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，認(rèn)為以上方法均不恰當(dāng)。0.7系數(shù)法不能真實(shí)反映管道內(nèi)流體的流速，因?yàn)橥ǔＫw的流速都是不均勻的，特別是在一些情況未知的管道內(nèi)，在我們的實(shí)際監(jiān)測(cè)中就遇到過(guò)管道壁兩邊的流速比中間的流速大的情況，所以0.7系數(shù)法只能用在管道很長(zhǎng)并且流速很平穩(wěn)的情況下;3等份法的計(jì)算方法也存在問(wèn)題，因?yàn)楣艿纼?nèi)的過(guò)水面積為弧形，被分成3等份的中間部分的底部也是弧形，如果兩邊需要岸邊系數(shù)對(duì)流速進(jìn)行校正的話，中間部分筆者認(rèn)為也同樣需要乘上岸邊系數(shù)，只不過(guò)系數(shù)的大小不同罷了。

2.4 非幾何圖形截面的測(cè)量

非幾何圖形的截面通常出現(xiàn)在河水的測(cè)量情況下，如我站每個(gè)月都需要監(jiān)測(cè)的漓江干流 (大河斷面和陽(yáng)朔斷面)。這些非幾何截面的流量測(cè)量須按照GB 50179－1993《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中技術(shù)要求進(jìn)行，理論上是所布設(shè)的垂線越多，測(cè)量的精確度越高，當(dāng)然也跟岸邊系數(shù)有關(guān)，但工作量較大。

3 數(shù)據(jù)比較

水體流量的測(cè)量方法較多，隨之產(chǎn)生的流量計(jì)也各式各樣，常用的水體流量計(jì)有差壓流量計(jì)、容積流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)等。在日常監(jiān)測(cè)工作中 (包括在線儀器的比對(duì)驗(yàn)收監(jiān)測(cè))發(fā)現(xiàn)，各污染源排放污水時(shí)所用最普遍的流量計(jì)為超聲波明渠流量計(jì)，采用Flo－Mate 2000流速儀所測(cè)量到的流量與超聲波明渠流量計(jì)所得流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 一點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比

超聲波明渠流量計(jì)與相應(yīng)的巴歇爾槽配用，利用超聲波在空氣中的傳播規(guī)律來(lái)測(cè)量液位高度，并不斷把液位信息傳輸給主機(jī)，主機(jī)通過(guò)運(yùn)算系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量并存儲(chǔ) (不同的巴歇爾槽采用不同的計(jì)算公式)。由此可見(jiàn)，超聲波明渠流量計(jì)所測(cè)流量跟水體水位高度有關(guān)，與流速?zèng)]有關(guān)聯(lián)，而流速儀法測(cè)量流量時(shí)，流速的大小直接影響到流量的測(cè)量結(jié)果。

對(duì)桂林市某造紙廠污水排放口的在線流量計(jì)與流速儀法的手工流量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，使用流速儀法進(jìn)行一點(diǎn)測(cè)量，即在矩形排污溝的中間設(shè)一垂線來(lái)測(cè)量流速，從而計(jì)算流量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 采用一點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，用流速儀法進(jìn)行手工測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)普遍偏大，某些數(shù)據(jù)甚至超過(guò)了10%的誤差范圍。

3.2 三點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比

采用本文2.1矩形溝渠廢水的流量測(cè)量方法，可以得出表2數(shù)據(jù)。

表2 采用三點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表2可以看出，流速儀法測(cè)得流量與超聲波明渠流量計(jì)所測(cè)流量非常接近，能真實(shí)有效地獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。雖然該方法繁瑣并且耗費(fèi)時(shí)間較多，但是所產(chǎn)生的誤差也較小，能更好地為污染物核查工作服務(wù)。

4 注意事項(xiàng)及問(wèn)題探討

4.1 理論的可行性及實(shí)際的可操作性

用流速儀法對(duì)排放廢水的溝渠進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)，主要是依據(jù)GB 50179－1993《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中的相關(guān)技術(shù)要求來(lái)進(jìn)行的，所以很多東西只是借鑒或參考，包括布點(diǎn)和計(jì)算等，我們?cè)跍y(cè)量中也盡可能地按照規(guī)范來(lái)進(jìn)行。但是在實(shí)際測(cè)量時(shí)，可以視情況而定，如垂線的布設(shè)，如果水流很平緩且均勻，可以少布點(diǎn)，雖然布點(diǎn)的數(shù)量越多測(cè)量越準(zhǔn)確，但是這樣也會(huì)增加工作量;另外就是岸邊系數(shù)的使用，0.7、0.8、0.9都不是固定的，我們計(jì)算時(shí)也可以視具體情況靈活運(yùn)用。

4.2 流速測(cè)量的影響因素

在整個(gè)流量的測(cè)量及計(jì)算過(guò)程中，很多因素都會(huì)影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性，如垂線的布設(shè)數(shù)量，面積的計(jì)算，不同操作人員以及不同儀器的測(cè)量結(jié)果等。其中面積的計(jì)算所帶來(lái)的誤差較大，特別是水深的測(cè)量，因?yàn)橐话闱闆r下水平面都不可能是平的，當(dāng)水體流速較大時(shí)，水平面會(huì)產(chǎn)生波紋，水體對(duì)我們的測(cè)量工具會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊，這時(shí)候選用合適的測(cè)量工具很重要 (一般水文部門都有特制的水尺)，否則水深的讀數(shù)會(huì)偏大，從而計(jì)算出來(lái)的流量也偏大。還有一種情況就是垂線布設(shè)數(shù)量太少，或者中間測(cè)點(diǎn)多，兩岸測(cè)點(diǎn)少，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)不均勻，由于中間流速較大，這樣的布點(diǎn)測(cè)量方法也會(huì)使我們計(jì)算出來(lái)的流量偏大。

4.3 圓形管道的流量測(cè)量方法

管道流量的計(jì)算目前在規(guī)范中尚無(wú)公式可循，有人提出采用建筑物室內(nèi)給水管道的水力計(jì)算秒流量公式［6］;而我站使用的Flo－Mate 2000流速儀的說(shuō)明書(shū)中也有圓形管道的流量測(cè)量方法以及計(jì)算公式，但是較為復(fù)雜，需查表使用換算系數(shù)，涉及到的因素也較多。出于可操作性強(qiáng)，簡(jiǎn)單實(shí)用考慮，本文作者認(rèn)為可采用以下方法來(lái)計(jì)算圓形管道的流量，即在液面上等距離多布設(shè)垂線，測(cè)量每條垂線中心點(diǎn)的流速，然后計(jì)算出平均流速，平均流速乘上0.9的系數(shù)再乘以過(guò)水截面積即視為管道內(nèi)的流量。使用此方法測(cè)量時(shí)無(wú)論是操作還是計(jì)算都較為簡(jiǎn)便，但所得數(shù)據(jù)只作為參考使用，至于準(zhǔn)確性和可行性還有待進(jìn)一步探討。

［1］田水利，王家鈺，龐慧.黃河流域浮標(biāo)法流量測(cè)驗(yàn)誤差問(wèn)題的探討［A］.黃河水文科技成果與論文選集［C］.鄭州:黃河水利出版社，2001.

［2］本書(shū)編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法 (第四版)［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［3］GB50179－1993，河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范 ［S］.

［4］本書(shū)編委會(huì).給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè) (第01冊(cè))［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

［5］郭忠義.快速準(zhǔn)確測(cè)量圓形管道廢水流量 ［J］.環(huán)境工程，2001，4(19).

［6］郭尚鳴，馬林海.直飲水管道流量計(jì)算的探討 ［J］.西南給排水，1999，(6).