Flo－mate2000型流速儀快速測量水體流量的探討

明洪武，黃穎媛

(桂林市環境監測中心站，廣西桂林 541002)

1 概述

在我們的環境監測工作中，采集水樣的同時經常需要測量水體流量，以利于計算或核算各類污染物的排放量。以桂林市環境監測中心站的監測工作為例，每月的國控區河流斷面例行監測需要測量河水流量，每季度的國控廢水重點污染源及污水處理廠監測也需要同時測量廢水流量。

流量測量的早期常用方法主要是利用浮標法測出水體流速，然后量出水體的過水截面面積，兩者相乘得出流量［1］。但是這種方法的缺點很多，如耗時長，所需的水流平緩斷面長，浮標受外環境影響較大而不易控制，測量精度低等。現行簡單實用的方法為流速儀法，不僅操作方便而且省時省力，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定律來測量流速，具有操作使用靈活，安裝及維護簡便的優點。當水流徑直從傳感器前端靠近傳感器時，水流方向、磁場和感應電流兩兩垂直，因此，產生的電流大小代表液體流過電極的速度，由此可以快速精確地測量出水體的流速。

測量水體流量時，因水流經過的截面不同導致各個部分的流速不一致，需要使用不同的方法來進行測量，其計算方法也不盡相同，流速校正系數也有所區別。本文根據在實際工作中遇到的不同水體排放情況，對采用Flo－Mate 2000電磁式流速儀測量并計算流量所采樣的不同測量方法和計算方法進行探討。

2 不同排水渠道的流量測量

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量

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

2.1.1 斷面垂線的布設

根據矩形溝渠的寬度，等距離布設2～6條垂線［3］。一般廢水的排放溝渠不會很寬，通過現場的實際監測，如圖1所示布設3條垂線 (左、中、右)即可滿足要求。

2.1.2 不同垂線的流速測量

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

2.1.3 截面面積的測量

此時需要計算出垂線將截面分開的每個小塊的面積 (S1，S2，S3，S4)，測量內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)，而不是計算整個截面的面積。

2.1.4 流量的計算

將截面的每個小塊的流速 (流速取左右兩條垂線流速算術平均值)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據。一般情況下矩形截面的墻面較為光滑，兩邊測量的流量 (Q1和Q4)計算時所用的流速需乘以0.9的岸邊系數［3］進行校正。

計算公式為:

2.2 梯形溝渠廢水的測量

梯形截面的溝渠也是廢水排放口較為常見的類型，如陽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，實際測量時，把梯形分成3個大的部分，即中間的矩形和兩邊的三角形。分開后，垂線的布設、不同垂線流速測量以及截面面積的測量等都與矩形的測量方法一致;不同之處是:三角形與矩形分開處須設一條垂線，并測量該垂線的深度和流速，并且該處的流速要乘上岸邊系數來計算三角形截面的流量。岸邊系數視情況而定，當岸邊為不平整墻面時岸邊系數取0.8，光滑時岸邊系數取0.9［3］。如圖2所示。

此時的流量計算公式為:

2.3 圓形管道廢水的測量

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

非滿管流量的測量現沒有標準方法，一些期刊上的文章建議使用0.7系數法［5］，即使用浮標法或流速儀法測出管道內的最高流速點 (水流平穩時一般是水平面中線稍下點流速最大，如圖3)，將這一流速乘以0.7作為該管道內水流的平均流速，然后乘以過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)，用流速儀分別測出每份截面的流速，兩邊部分的流速乘以0.9的岸邊系數，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總的水體流量。

經過筆者進行實際測量，認為以上方法均不恰當。0.7系數法不能真實反映管道內流體的流速，因為通常水體的流速都是不均勻的，特別是在一些情況未知的管道內，在我們的實際監測中就遇到過管道壁兩邊的流速比中間的流速大的情況，所以0.7系數法只能用在管道很長并且流速很平穩的情況下;3等份法的計算方法也存在問題，因為管道內的過水面積為弧形，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對流速進行校正的話，中間部分筆者認為也同樣需要乘上岸邊系數，只不過系數的大小不同罷了。

2.4 非幾何圖形截面的測量

非幾何圖形的截面通常出現在河水的測量情況下，如我站每個月都需要監測的漓江干流 (大河斷面和陽朔斷面)。這些非幾何截面的流量測量須按照GB 50179－1993《河流流量測驗規范》中技術要求進行，理論上是所布設的垂線越多，測量的精確度越高，當然也跟岸邊系數有關，但工作量較大。

3 數據比較

水體流量的測量方法較多，隨之產生的流量計也各式各樣，常用的水體流量計有差壓流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲流量計等。在日常監測工作中 (包括在線儀器的比對驗收監測)發現，各污染源排放污水時所用最普遍的流量計為超聲波明渠流量計，采用Flo－Mate 2000流速儀所測量到的流量與超聲波明渠流量計所得流量數據進行對比。

3.1 一點法進行測量時數據對比

超聲波明渠流量計與相應的巴歇爾槽配用，利用超聲波在空氣中的傳播規律來測量液位高度，并不斷把液位信息傳輸給主機，主機通過運算系統，自動測出瞬時流量和累計流量并存儲 (不同的巴歇爾槽采用不同的計算公式)。由此可見，超聲波明渠流量計所測流量跟水體水位高度有關，與流速沒有關聯，而流速儀法測量流量時，流速的大小直接影響到流量的測量結果。

對桂林市某造紙廠污水排放口的在線流量計與流速儀法的手工流量測量數據進行對比，使用流速儀法進行一點測量，即在矩形排污溝的中間設一垂線來測量流速，從而計算流量，測量結果見表1。

表1 采用一點法進行測量時數據對比

從表1中數據可以看出，用流速儀法進行手工測量所得到的數據普遍偏大，某些數據甚至超過了10%的誤差范圍。

3.2 三點法進行測量時數據對比

采用本文2.1矩形溝渠廢水的流量測量方法，可以得出表2數據。

表2 采用三點法進行測量時數據對比

從表2可以看出，流速儀法測得流量與超聲波明渠流量計所測流量非常接近，能真實有效地獲得相關數據。雖然該方法繁瑣并且耗費時間較多，但是所產生的誤差也較小，能更好地為污染物核查工作服務。

4 注意事項及問題探討

4.1 理論的可行性及實際的可操作性

用流速儀法對排放廢水的溝渠進行流量測量時，主要是依據GB 50179－1993《河流流量測驗規范》中的相關技術要求來進行的，所以很多東西只是借鑒或參考，包括布點和計算等，我們在測量中也盡可能地按照規范來進行。但是在實際測量時，可以視情況而定，如垂線的布設，如果水流很平緩且均勻，可以少布點，雖然布點的數量越多測量越準確，但是這樣也會增加工作量;另外就是岸邊系數的使用，0.7、0.8、0.9都不是固定的，我們計算時也可以視具體情況靈活運用。

4.2 流速測量的影響因素

在整個流量的測量及計算過程中，很多因素都會影響到結果的準確性，如垂線的布設數量，面積的計算，不同操作人員以及不同儀器的測量結果等。其中面積的計算所帶來的誤差較大，特別是水深的測量，因為一般情況下水平面都不可能是平的，當水體流速較大時，水平面會產生波紋，水體對我們的測量工具會產生一個沖擊，這時候選用合適的測量工具很重要 (一般水文部門都有特制的水尺)，否則水深的讀數會偏大，從而計算出來的流量也偏大。還有一種情況就是垂線布設數量太少，或者中間測點多，兩岸測點少，導致測點不均勻，由于中間流速較大，這樣的布點測量方法也會使我們計算出來的流量偏大。

4.3 圓形管道的流量測量方法

管道流量的計算目前在規范中尚無公式可循，有人提出采用建筑物室內給水管道的水力計算秒流量公式［6］;而我站使用的Flo－Mate 2000流速儀的說明書中也有圓形管道的流量測量方法以及計算公式，但是較為復雜，需查表使用換算系數，涉及到的因素也較多。出于可操作性強，簡單實用考慮，本文作者認為可采用以下方法來計算圓形管道的流量，即在液面上等距離多布設垂線，測量每條垂線中心點的流速，然后計算出平均流速，平均流速乘上0.9的系數再乘以過水截面積即視為管道內的流量。使用此方法測量時無論是操作還是計算都較為簡便，但所得數據只作為參考使用，至于準確性和可行性還有待進一步探討。

［1］田水利，王家鈺，龐慧.黃河流域浮標法流量測驗誤差問題的探討［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］本書編委會.水和廢水監測分析方法 (第四版)［M］.北京:中國環境科學出版社，2002.

［3］GB50179－1993，河流流量測驗規范 ［S］.

［4］本書編委會.給水排水設計手冊 (第01冊)［M］.北京:中國建筑工業出版社，2000.

［5］郭忠義.快速準確測量圓形管道廢水流量 ［J］.環境工程，2001，4(19).

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