摘要:簡述了污(wu)水自動監(jian)測系統中(zhong)流量(liang)測量(liang)的原(yuan)理和組成(cheng)，通過(guo)對(dui)标準巴(ba)歇爾槽(cao)明渠流(liu)量計 流量計算(suan)數學模型的分(fen)析，總(zong)結出(chu)污水(shui)在線監(jian)測(ce)系統中影響流(liu)量測(ce)量精(jing)度(du)的5項主(zhu)要因素，并對各(ge)項因素(su)進行了相應的技術分(fen)析。
0引言(yan)
　　随(sui)着環境污染(ran)問題日(ri)益嚴重，我(wo)國對建立(li)環境管理(li)體系，加大(da)環境監測力(li)度提出(chu)了更高(gao)要求。目前，國内重點排(pai)污企業均(jun)安裝了污(wu)水自動監(jian)測系(xi)統，保證污(wu)水排(pai)放(fang)的(de)數據(ju)能夠實(shi)時，上傳至市(shi)、省(sheng)環(huan)境監(jian)測部(bu)門和(he)國家(jia)環保(bao)主(zhu)管部門(men)。爲了保(bao)證(zheng)上傳數據(ju)的有效性(xing)，國家環保部發(fa)布了(le)HJ/T355-2007《水(shui)污(wu)染源(yuan)在線(xian)監測系統運行與考(kao)核技(ji)術規範》和(he)HJ/T356-2007《水污染源(yuan)在線(xian)監測(ce)數據(ju)有效性判(pan)别技(ji)術規(gui)範》等(deng)規範性文(wen)件。這(zhe)些文件(jian)對有關(guan)水質(zhi)的監測數據(如(ru)化學需氧(yang)量COD。、氨氮(dan)NH,-N、總磷TP、pH值)等，詳細(xi)規定了(le)試驗項目(mu)和數(shu)據要(yao)求1-2],但對如(ru)何保證水(shui)量的流量監(jian)測數據(ju)的正确，卻(que)沒做要求(qiu)。
　　随着(zhe)主要(yao)污染(ran)物總(zong)量減排監(jian)測(ce)要求的(de)提出，這種情況(kuang)8益被(bei)發(fa)現和重(zhong)視。2013年底環境監測部(bu)門已有人(ren)提出(chu)關于(yu)污水(shui)流量(liang)監測質量(liang)監督(du)檢(jian)查的技(ji)術和(he)方法3。但從(cong)流量計量專業(ye)的角(jiao)度(du)來看，環(huan)監部門提出的方法僅對相關(guan)計量檢定(ding)規程(cheng)項目進行了簡(jian)化和重組(zu)，并沒(mei)有進(jin)行深人的(de)計量技術分析，無法(fa)保證現場(chang)流量(liang)數(shu)據(ju)的精(jing)度。而(er)本(ben)文則根(gen)據現(xian)場(chang)檢定明(ming)渠污水(shui)流量計(ji)的大量樣(yang)本數(shu)據，做(zuo)出了一定(ding)的分(fen)析，爲進一(yi)步正确實(shi)現污(wu)水流(liu)量(liang)在(zai)線監測打(da)下(xia)了(le)--定的(de)基礎。
1污(wu)水(shui)流量(liang)測量
1.1原理及組(zu)成
　　由于(yu)排污口(kou)标準(zhun)化(hua)和視頻(pin)監控的需要，污(wu)水流(liu)量自動監(jian)測系統(tong)以(yi)堰槽(cao)式明渠流量計(ji)爲流量計量的(de)主要方式(shi)。堰槽(cao)式明渠流量計(ji)的原(yuan)理是(shi)在明(ming)渠中設置标準(zhun)量水(shui)堰槽(如巴(ba)歇爾(er)量(liang)水(shui)槽和(he)矩形薄壁堰等(deng))，并按規定(ding)位置測量(liang)水(shui)位(wei)，則流(liu)過堰槽(cao)的(de)流量(liang)與水位(wei)呈(cheng)單值(zhi)關系，根(gen)據(ju)相應(ying)流量(liang)公式(shi)或經(jing)驗關(guan)系式(shi)，将測(ce)出的水(shui)位(wei)值換(huan)算成(cheng)流(liu)量值。流(liu)量計(ji)由标(biao)準量(liang)水堰(yan)槽和(he)液位流量(liang)轉換(huan)儀表(biao)(二次儀表)所組成。如(ru)圖(tu)1所示。
 
　　據(ju)統計(ji)，本次試驗(yan)污水(shui)流量自動(dong)監測(ce)系(xi)統共計338台堰(yan)槽式(shi)明渠(qu)流量(liang)計(ji)。其(qi)中，巴(ba)歇爾槽(cao)式占68.2%,矩(ju)形薄壁堰占14.5%，其(qi)他堰槽(cao)類型占(zhan)17.3%，本文以标準巴歇爾(er)槽明渠流(liu)量計(ji)爲例(li)進行(hang)分析(xi)。
1.2标準巴歇(xie)爾槽(cao)明渠(qu)流計算的數(shu)學模型(xing)
　　标準(zhun)巴(ba)歇(xie)爾槽流量(liang)Q按下式計(ji)算:
 
　　式中(zhong):C爲(wei)流量(liang)系數(shu);b爲喉道寬(kuan)度，m;ha爲(wei)實測(ce)液位，m。
　　由标準巴(ba)歇爾(er)槽明渠流(liu)量計的基(ji)本原(yuan)理和(he)流量計(ji)算(suan)公式(shi)可知，流量(liang)測量(liang)的精度直接依(yi)賴于(yu)流量(liang)系數(shu)C的精度、喉(hou)道寬(kuan)度測(ce)量的精度(du)和實測液位的(de)精度(du)。其中(zhong)，實測(ce)液位的(de)精度評(ping)估又包含三個(ge)因素的影(ying)響:液(ye)位計(ji)測量的精(jing)度、測量(liang)液位計(ji)零點的儀(yi)器的(de)測量精(jing)度(du)和液(ye)面的擾動(dong)情況(kuang)。
2現場(chang)流(liu)量(liang)測量精度的影響因(yin)素
　　通過上述分析，我(wo)們可(ke)以總(zong)結出基于(yu)明渠流量(liang)計的(de)污水(shui)在線監測(ce)系統中，影(ying)響(xiang)流(liu)量測(ce)量精度(du)的(de)主要因素(su)有以(yi)下幾(ji)個方面:
1)堰(yan)槽的類型，主要确定(ding)流量系(xi)數(shu)的測(ce)量精度;
2)實測液(ye)位的(de)精(jing)度(du)，主要取決(jue)于液(ye)位計(ji)測量的精(jing)度和測量(liang)液位(wei)計零(ling)點的儀(yi)器的測(ce)量精度;
3)液(ye)位測(ce)量的重(zhong)複(fu)性，由(you)液面的擾動或(huo)平穩程度(du)決定(ding)，主要影(ying)響多次(ci)液位測量(liang)讀數(shu)的平(ping)均值的測(ce)量精度;
4)堰槽的(de)幾何尺寸，主要(yao)取決于(yu)喉道寬度(或其(qi)他(ta)堰槽(cao)中的闆(pan)、槽尺寸(cun))的測(ce)量儀器的(de)精度;
5)水(shui)位(wei)-流量(liang)轉換(huan)誤差(cha)，由流(liu)量計二次(ci)儀表(biao)的軟(ruan)件産生。由(you)于各種堰(yan)槽明(ming)渠流(liu)量計(ji)的流(liu)量計算(suan)公(gong)式涉(she)及多個參數，流(liu)量計生産(chan)　　廠家(jia)在軟件系(xi)統進(jin)行換(huan)算(suan)時，各個(ge)參數根(gen)據(ju)不同(tong)的設計尺寸範(fan)圍以(yi)數據(ju)庫函(han)數的(de)方(fang)式進行(hang)存儲(chu)，由(you)于存儲(chu)空間的限制造(zao)成無(wu)法(fa)足夠精(jing)确的設置(zhi)參數，因此(ci)造成流量(liang)計顯示值(zhi)的誤(wu)差。
2.1堰槽的類型(xing)
　　明渠流量計在(zai)進行(hang)堰(yan)槽(cao)選擇(ze)時,現場主(zhu)要考(kao)慮流量範(fan)圍和(he)設計施工(gong)難度(du)等因素。根據國(guo)家計量(liang)檢(jian)定規(gui)程JJG771-1990《明(ming)渠堰(yan)槽流(liu)量計(ji)試行(hang)檢定(ding)規程》[5]和各種類(lei)型堰槽(cao)的(de)相關(guan)ISO國際标準(zhun)[6-10]，幾種(zhong)常用(yong)堰(yan)槽的流(liu)量範(fan)圍和(he)流量(liang)系數(shu)所引(yin)入的(de)測量(liang)誤差(cha)如表(biao)1所示(shi)。
 
　　通(tong)過(guo)表1可知，幾(ji)種堰(yan)槽的(de)流量系數(shu)所引入的(de)測量誤差(cha)相差(cha)不大(da)，各種(zhong)堰槽(cao)類(lei)型在技(ji)術上并(bing)無(wu)高下(xia)之分(fen)。在(zai)綜合考(kao)慮流量(liang)适(shi)用範圍和(he)現場設計(ji)施工難度(du)後，巴歇爾(er)槽和薄壁(bi)堰具有(you)--定(ding)的優勢。兩者(zhe)相比，薄(bao)壁堰的優點是制作(zuo)方便(bian)，安裝(zhuang)簡單，缺(que)點是水(shui)頭損(sun)失較大，污(wu)水中(zhong)的泥(ni)沙和(he)懸浮物容易在(zai)堰前沉積(ji)使水(shui)位提(ti)高而影響(xiang)測量的(de)精(jing)度。巴(ba)歇爾槽(cao)的優點(dian)是測量範(fan)圍寬(kuan)，水頭損(sun)失(shi)小，污(wu)水中懸浮(fu)物不(bu)易沉(chen)積(ji)，但加工(gong)和安裝(zhuang)較(jiao)爲複(fu)雜”。
2.2液(ye)位測(ce)量的(de)精度
　　明(ming)渠(qu)流量(liang)計中的(de)實際液(ye)位測量涉及液(ye)位計零點(即液(ye)位零(ling)點)和(he)液位計測(ce)量(liang)精度等(deng)兩個方面，早期(qi)的浮(fu)子式液位(wei)計由(you)于測量精度太(tai)低已經被(bei)淘汰，壓力(li)式液(ye)位計(ji)由于易受(shou)污水腐蝕(shi)和沉(chen)積物覆(fu)蓋影響(xiang)也較少使用"，現在主(zhu)要使用超(chao)聲波液(ye)位(wei)計。超(chao)聲波(bo)測液位爲(wei)非接(jie)觸式(shi)測量，可以(yi)不受液體(ti)性質(zhi)的(de)影響，但液體(ti)表面浮沫(mo)和固體漂(piao)浮物較多(duo)時也(ye)會受(shou)到影(ying)響。
　　本(ben)次試(shi)驗的(de)明渠流量(liang)計全部(bu)采用的(de)超聲(sheng)波液(ye)位計(ji),廠家(jia)标稱的測(ce)量精度爲(wei)不大(da)于3mm,滿(man)足環保行(hang)業标準HJ/T15-2007《環境保(bao)護産(chan)品技(ji)術要求超(chao)聲波明渠(qu)污水(shui)流(liu)量計》中(zhong)對液(ye)位測(ce)量誤(wu)差的(de)要(yao)求(qiu)[12]。但實(shi)際測(ce)量(liang)結(jie)果卻(que)相差很大(da)，具體(ti)數據如(ru)圖2所示(shi)。
 
　　試驗發(fa)現，現場(chang)使用的超聲波(bo)液位計(ji)問(wen)題很(hen)多。零(ling)點(dian)不(bu)準的(de)原因(yin)主要(yao)在于液位(wei)計安裝時(shi)沒有做好(hao)零點的設(she)置(zhi)和(he)校準(zhun)。水位超(chao)差的原(yuan)因一(yi)部分(fen)在于(yu)液位計安(an)裝後沒有(you)做好(hao)現場(chang)校準，另一(yi)部分在于液位計使(shi)用過程中(zhong)傳感(gan)器探(tan)頭(tou)老化，測(ce)量精度(du)不(bu)達标。
2.3液位(wei)測量的重(zhong)複性
　　明(ming)渠流量(liang)計液(ye)位測量的(de)重複(fu)性主要取決于(yu)液(ye)面的穩(wen)定程度(du)。液(ye)面平(ping)穩時，液位測量(liang)的重複(fu)性(xing)就容(rong)易達(da)标;反之，水(shui)流不(bu)平(ping)穩，有大量漩(xuan)渦(wo)、波浪、泡(pao)沫時(shi)，液(ye)位(wei)測量(liang)的重複(fu)性(xing)就不(bu)滿足要求。具體(ti)情況(kuang)如圖(tu)3所示(shi)。
 
　　上述水流(liu)不平(ping)穩的(de)情況(kuang)，主要(yao)原因是明(ming)渠流(liu)量計(ji)安裝位置(zhi)前端的行(hang)進渠(qu)道長(zhang)度不(bu)滿足(zu)要求。根據(ju)規程要求(qiu)，巴歇爾槽(cao)的安裝條件爲(wei)前端(duan)順直(zhi)行進(jin)渠道長度(du)應不小于5倍(bei)的行進(jin)渠道(dao)寬度(du)，而薄(bao)壁堰(yan)則要(yao)求爲(wei)10倍。很(hen)多(duo)用(yong)戶受(shou)現場(chang)環境(jing)條件(jian)的限制，無(wu)法建(jian)造足夠(gou)長(zhang)度的(de)行進渠道(dao)進行(hang)整流(liu)，造(zao)成流量(liang)計處的(de)流(liu)場條件十(shi)分惡劣，無(wu)法滿足明(ming)渠流量計(ji)的正常使(shi)用。針對這(zhe)種情(qing)況，有(you)兩種方式(shi)可以進(jin)行(hang)改善。一種(zhong)方式(shi)爲:在(zai)流量(liang)計的(de)前端(duan)增加(jia)整(zheng)流格栅(shan)，減小水流(liu)的波(bo)動，但(dan)通過現場(chang)試驗觀察(cha)，效果有限(xian);另一種方(fang)式爲(wei):在渠道旁邊設置一(yi)靜水(shui)井，由連通(tong)管與渠道水流相通(tong)，靜水井底(di)應低于渠道中最低(di)水位150mm，連通(tong)管管底距(ju)井底至少(shao)300mm,靜水(shui)井(jing)頂(ding)面應(ying)大于(yu)預(yu)計最高(gao)水位300mm,這(zhe)樣(yang)靜水(shui)井内(nei)的(de)水位與(yu)渠道中水位相(xiang)同，把渠(qu)道中的(de)漩渦和水(shui)流的脈動(dong)進(jin)行了隔(ge)離，同(tong)時(shi)也(ye)能大(da)大減(jian)少水面的(de)泡沫。現場(chang)試驗驗證，這種方式(shi)能夠有(you)效(xiao)改善(shan)液面不穩(wen)的情(qing)況，保證(zheng)液(ye)位測(ce)量的重複(fu)性要(yao)求。
2.4堰(yan)槽的幾何(he)尺寸
　　堰槽幾何(he)尺寸的誤(wu)差對(dui)測量(liang)結果精度(du)的影響主(zhu)要有(you)兩個(ge)方面(mian):一是(shi)改變了流(liu)量計算的(de)數(shu)學模型(xing)，造成流(liu)量(liang)計二次儀(yi)表(biao)計算的(de)顯示值産(chan)生誤(wu)差，這(zhe)種(zhong)影響我(wo)們通過(guo)兩(liang)個實(shi)例可(ke)以看到。由(you)表2可(ke)以看(kan)出，堰槽幾何尺寸誤(wu)差的增大(da)可以(yi)造成(cheng)流(liu)量測量(liang)誤差的(de)增(zeng)大，且(qie)影響(xiang)量(liang)不斷遞(di)增;二是影(ying)響到了水流(liu)經過堰(yan)槽時(shi)的(de)水位，從而對液(ye)位的測(ce)量産(chan)生附(fu)加誤差。
 
　　造(zao)成堰槽幾(ji)何尺(chi)寸誤差的原因(yin)有三(san)點:一(yi)是制造精(jing)度問(wen)題，一(yi)些企(qi)業爲(wei)了節省(sheng)成(cheng)本，自己加(jia)工(gong)堰(yan)闆和(he)槽體，由(you)于條件(jian)所限(xian)無法保證(zheng)加工精度(du)，造成堰槽(cao)的(de)實(shi)物與(yu)設計(ji)尺寸(cun)産生(sheng)誤差(cha);二是(shi)安裝(zhuang)技術問題，一些(xie)流量計(ji)的(de)堰闆(pan)和槽體在安裝過程(cheng)中，由(you)于施(shi)工者(zhe)的操作因(yin)素造(zao)成(cheng)安裝尺(chi)寸誤差(cha)，或(huo)是施(shi)工經驗(yan)和溫度(du)原因影響(xiang)，造成堰闆(pan)和槽(cao)體受(shou)渠壁擠壓(ya)産生(sheng)形變(bian);三是用戶(hu)主觀因素(su)，一些(xie)企業(ye)爲了(le)省事(shi)，在已建(jian)好(hao)的不(bu)規則的渠(qu)道中(zhong)安裝明渠(qu)流量計，爲(wei)了适應渠(qu)道，隻(zhi)能将(jiang)标準的堰(yan)闆或槽體(ti)進行改造，造成(cheng)幾何(he)尺(chi)寸的偏(pian)差。
2.5水位一(yi)流量轉換(huan)誤差(cha)
　　水位(wei)-流量轉換誤差(cha)直接影(ying)響流量(liang)計的顯(xian)示(shi)值，其(qi)産生的(de)主要原(yuan)因爲(wei):明(ming)渠(qu)流量(liang)計通(tong)過液(ye)位傳(chuan)感器得到的是原始信号爲液(ye)位信号，需通過二次(ci)儀表(biao)把液(ye)位信(xin)号轉換爲(wei)流量值。由于明(ming)渠流量(liang)計(ji)的數(shu)學模(mo)型都比較(jiao)複雜，儀(yi)表一般(ban)使用(yong)查表法把(ba)液位轉換(huan)成流(liu)量。即(ji)每測(ce)到一(yi)一個液(ye)位(wei)，到存儲器(qi)内找對應(ying)液位點的流量(liang)替代(dai)。如果(guo)測到(dao)的液位在水位流量表中兩點(dian)液位之間，用線(xian)性插(cha)值(zhi)法(fa)算出(chu)對應的(de)流(liu)量(3]。因(yin)此，設置水(shui)位-流(liu)量表(biao)的(de)點(dian)數越(yue)多，轉換精(jing)度越(yue)高。
　　通過現場試驗，取兩個主要(yao)廠家(jia)軟件(jian)數據(ju)庫内(nei)的水(shui)位一(yi)流量表進(jin)行驗證，具體數據如(ru)圖4所示。
 
　　通(tong)過圖4可以看(kan)出(chu):廠家(jia)一的(de)軟(ruan)件(jian)設置(zhi)爲30點(dian)對照，且液(ye)位點均(jun)勻分布(bu)，而廠(chang)家二(er)設置(zhi)爲10點，不均勻分(fen)布，則(ze)廠(chang)家一顯(xian)示的水位流量轉換誤差明顯(xian)小于廠家二。
3結(jie)論
　　污(wu)水流量監(jian)測數(shu)據(ju)的精度，受到(dao)多(duo)方(fang)面因(yin)素的影響(xiang)，在配套設施方(fang)面，需(xu)要保證行(hang)進渠(qu)道的長(zhang)度,正确(que)設立靜水(shui)井。在一次(ci)元件方面(mian)，需選擇(ze)合适的(de)堰;槽(cao)類型(xing)，堰槽(cao)尺寸保證一定的加(jia)工精(jing)度，液(ye)位傳感(gan)器滿足相應精度要求(qiu);在二次儀(yi)表方(fang)面，需(xu)要(yao)正确的(de)進行軟件數據(ju)庫的(de)設計(ji)，通過(guo)這些才(cai)能(neng)保證(zheng)流量(liang)監測(ce)數據(ju)的準(zhun)确(que)有效。
　　通過上(shang)述分析,我(wo)們看到實現污水流(liu)量(liang)監測的(de)堰槽式明渠流(liu)量計(ji)，不(bu)僅僅是(shi)一個(ge)計量器具，而且(qie)作(zuo)爲(wei)一個(ge)計量(liang)系統(tong)牽涉(she)到選型(xing)、設計、加(jia)工、建(jian)築、安裝、調試和(he)設置，--旦建(jian)造成型(xing)，出(chu)現誤(wu)差後(hou)很難從根(gen)本上進(jin)行(hang)糾正(zheng)，并且(qie)在(zai)現(xian)場受(shou)到各(ge)種環(huan)境條件的(de)影(ying)響(xiang)，使用(yong)中需(xu)要經(jing)常維(wei)護。因此(ci)，作爲強(qiang)制檢(jian)定的涉及環境(jing)保護的計(ji)量器(qi)具，我們計(ji)量部(bu)門不僅要(yao)按時(shi)周(zhou)期(qi)檢定，更應(ying)該積極參(can)與到環境監測(ce)部門(men)對自動監(jian)測設備(bei)驗(yan)收和日常(chang)核查等技(ji)術文件(jian)的制定(ding)中，從(cong)而保證環(huan)境監測數(shu)據的(de)真實(shi)、準(zhun)确和有(you)效，爲實現(xian)環境(jing)保護(hu)，減少(shao)污染(ran)做出應有(you)的貢(gong)獻。

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