水污染源在線明渠超聲波流量計(jì)對(duì)比確認(rèn)方法的探討

0　引言 　　隨著科學(xué)的發(fā)展,水污染源流量測(cè)量逐漸由不定期瞬時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)在線監(jiān)測(cè),與其他污染物(如,CODCr,NH3-N)在線監(jiān)測(cè)儀器相配套,滿足了國(guó)家對(duì)排污源主要污染物總量控制的要求。目前,廣泛使用、方便、準(zhǔn)確可靠的污水排放計(jì)量手段是非接觸測(cè)量方式的超聲波明渠流量計(jì)。超聲波的特征是頻率高、波長(zhǎng)短、衍射現(xiàn)象小、方向性好、在液體和固體中衰減小、穿透率大、遇到雜質(zhì)或分界面有顯著的反射[1]。根據(jù)計(jì)量要求,對(duì)污水排放企業(yè)安裝的在線設(shè)備必須進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)。完成該項(xiàng)工作的單位主要為省、市級(jí)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站,且以市級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)站為主。對(duì)于污染物在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的對(duì)比,一般采集平行樣,1個(gè)樣品在線儀器分析,另1個(gè)樣品送到化驗(yàn)室分析,然后進(jìn)行2個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)比,確定污染物在線監(jiān)測(cè)設(shè)備是否合格。對(duì)于流量的監(jiān)測(cè)目前還比較困難,因?yàn)榇蟛糠质屑?jí)站的流量計(jì)是旋槳轉(zhuǎn)子流量計(jì),與超聲波流量計(jì)配套的主要是溢流堰或槽,這些堰或槽不具備轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量條件。因此,必須采用全新的思路對(duì)明渠超聲波在線流量?jī)x進(jìn)行比對(duì)。筆者是通過(guò)確認(rèn)明渠超聲波流量計(jì)是否正確安裝,對(duì)應(yīng)水頭高度與相應(yīng)的流量是否吻合來(lái)比對(duì)確認(rèn)在線超聲波明渠流量計(jì)的。 　　1　比對(duì)測(cè)量的原理 　　目前,運(yùn)城市排污企業(yè)安裝的超聲波流量計(jì)主要是北京九波聲迪科技有限公司生產(chǎn)的WL-1A型超聲波明渠流量計(jì),常用的量水堰槽有直角三角堰、矩形堰和巴歇爾槽(見(jiàn)圖1)。其中,大部分企業(yè)安裝的是巴歇爾槽,只有極少數(shù)企業(yè)安裝的是三角堰、矩形堰。巴歇爾槽的水位—流量關(guān)系由實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定,且對(duì)于上游行進(jìn)渠槽條件要求較弱。由于三角堰和矩形堰的水位—流量關(guān)系來(lái)源于理論計(jì)算,因此容易忽略一些使用條件帶來(lái)附加誤差。 　　WL-1A儀表直接測(cè)量的物理量是液位。用于明渠測(cè)流量時(shí),在明渠上安裝量水堰槽。量水堰槽把明渠內(nèi)流量的大小轉(zhuǎn)成液位的高低。儀表測(cè)量量水堰槽內(nèi)的水位,再按相應(yīng)量水堰槽的水位—流量關(guān)系反算出流量。 　　1.1　測(cè)量水堰槽測(cè)流量的原理 　　渠內(nèi)的流量越大,液位越高;流量越小,液位越低(見(jiàn)圖2)。 　 　　一般渠道,液位與流量沒(méi)有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因?yàn)橥瑯拥乃?流量的大小還與渠道的橫截面積、坡度、粗糙度有關(guān)。在渠道內(nèi)安裝測(cè)量的水堰槽,由于堰的缺口或槽的縮口橫截面積比渠道的小,所以渠道上游水位與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系主要取決于堰槽的幾何尺寸。同樣的測(cè)量水堰槽放在不同的渠道上,相同的液位對(duì)應(yīng)相同的流量。量水堰槽的作用就是把流量轉(zhuǎn)成液位。量水堰槽的水位—流量關(guān)系可以從JJG 711—90明渠堰槽流量計(jì)中查到。 　　1.2　超聲波測(cè)液位的原理 　　超聲波測(cè)液位采原則見(jiàn)圖3。 　　超聲波測(cè)液位采用超聲波回聲測(cè)距法,探頭固定安裝在量水堰槽水位觀測(cè)點(diǎn)的上方,對(duì)準(zhǔn)水面發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)過(guò)t1時(shí)間,走過(guò)E1距離,碰到校正棒。一部分超聲波能量被校正棒反射,并被探頭接收(儀表在顯示器上“校波”的指示位置出現(xiàn)“▲”提示符)。儀表記錄這段時(shí)長(zhǎng)t1。超聲波的另一部分能量繞過(guò)校正棒,經(jīng)過(guò)t2時(shí)到達(dá)水面。這部分能量被水面反射后,被探頭接收(儀表在顯示器上“回波”的指示位置出現(xiàn)“▲”提示符)。儀表記下這段時(shí)長(zhǎng)t2。校正棒的長(zhǎng)度E1是固定的。儀表根據(jù)t1與t2的比例,再乘以E1,求出水面到探頭的距離D。 　　根據(jù)北京九波生迪科技有限公司編寫(xiě)的《WLA-1A型超聲波明渠流量計(jì)使用說(shuō)明書(shū)(2007)》安裝儀表時(shí),通過(guò)按鍵已向儀表的存儲(chǔ)器內(nèi)設(shè)置了探頭(法蘭盤(pán)位置)到水位等于0的距離L。儀表從內(nèi)存讀取參數(shù)L。用L減去D,求出液位H,再根據(jù)堰槽類型,計(jì)算出水頭高度。 　　儀表的作用就是控制探頭發(fā)射和接收超聲波得到液位數(shù)據(jù),計(jì)算得到相應(yīng)的測(cè)量值,把液位轉(zhuǎn)成流量。 　　詳細(xì)操作參看儀表說(shuō)明書(shū)。 　　2　安裝要求 　　堰或槽一般由正規(guī)廠家設(shè)計(jì)安裝,筆者只簡(jiǎn)單介紹傳感器的安裝。 　　堰式流量計(jì)的超聲波或靜壓液位傳感器安裝在上游距堰板最大水頭的3倍~4倍處。研究發(fā)現(xiàn)置于3.5倍最大水頭處,將渠底進(jìn)行整平,保證測(cè)量時(shí)流量計(jì)固定不動(dòng),測(cè)量精度更高[2]。槽式流量計(jì)的巴歇爾槽和無(wú)喉道槽配接的超聲波或靜壓液位傳感器安裝在距喉道2/3收縮段長(zhǎng)度的位置。 　　安裝超聲波液位傳感器注意事項(xiàng)是,a)超聲波液位傳感器發(fā)射聲波面要垂直對(duì)準(zhǔn)水面;b)超聲波液位傳感器的安裝高度不要過(guò)高,安裝高度稍大于最高水位加上盲區(qū)(此距離不能用于測(cè)量)的距離即可;c)超聲波液位傳感器有波束角,安裝時(shí)要使其聲波傳播路徑上沒(méi)有其他反射面[2]。 　　3　實(shí)際應(yīng)用 　　3.1　測(cè)量前的準(zhǔn)備 　　實(shí)際工作中,監(jiān)測(cè)人員帶上卷尺或測(cè)量尺(要求精確到0.001 m)和裝有Excel文件的手提電腦即可。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員觀察堰槽形狀,檢查設(shè)備安裝位置合格,設(shè)備完善后,測(cè)量堰槽的各種參數(shù),如,三角堰的角度及水頭高度,矩形堰測(cè)量渠寬、堰開(kāi)口寬度及水頭高度,巴歇爾槽測(cè)量喉口的寬度和喉口上游水深,最后根據(jù)堰槽的各種參數(shù)確定應(yīng)使用的公式。 　　3.2　測(cè)量位置 　　矩形堰或三角堰水頭的測(cè)量位置位于出水口的上游緊靠渠壁的位置,測(cè)量水深H減去P值,得到水頭高度h值(見(jiàn)圖4)。巴歇爾槽測(cè)量位置位于緊靠近喉口的上游靠渠壁的位置。注意測(cè)量設(shè)備不能緊貼超聲波傳感器,防止對(duì)其形成干擾,同時(shí)測(cè)量器具要細(xì)且有一定的機(jī)械強(qiáng)度,如,測(cè)量巴歇爾槽水深時(shí),水流比較急測(cè)量工具容易變形,一些小尺寸的巴歇爾槽如果測(cè)量工具粗笨會(huì)使水面高度提高。 　　3.3　計(jì)算公式 　　每個(gè)企業(yè)的在線監(jiān)測(cè)設(shè)施都有驗(yàn)收?qǐng)?bào)告。根據(jù)報(bào)告提供的計(jì)算公式計(jì)算流量,也可根據(jù)在線流量計(jì)說(shuō)明書(shū)提供的計(jì)算公式計(jì)算流量。 　　3.4　方法應(yīng)用 　　對(duì)比監(jiān)測(cè)時(shí),首先把計(jì)算公式輸入計(jì)算機(jī)的Excel文件,設(shè)計(jì)好最快捷的計(jì)算方法,一般要用到Power函數(shù),然后開(kāi)始測(cè)量深度或水頭高度,每讀取1個(gè)數(shù)值,立即輸入該數(shù)值,同時(shí)記錄在線流量計(jì)的數(shù)值。每次連續(xù)測(cè)量5個(gè)數(shù)值計(jì)算平均值,作為觀測(cè)結(jié)果。 　　只要堰槽安裝規(guī)范且儀表參數(shù)設(shè)定準(zhǔn)確,均能滿足對(duì)比測(cè)量的要求。 　　3.5　實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題 　　實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)即使流量計(jì)本身不存在問(wèn)題,也會(huì)因安裝位置不對(duì),參數(shù)設(shè)置或渠道地面等問(wèn)題導(dǎo)致測(cè)量失敗[3]。通常的問(wèn)題包括: 　　a)部分企業(yè)堰槽不符合設(shè)計(jì)要求,如,溢流口0.75 m的矩形堰,溢流口加寬到0.8 m;巴歇爾槽喉口上寬下窄,會(huì)造成計(jì)量結(jié)果偏低。工作中發(fā)現(xiàn),有些企業(yè)為了掩蓋排污總量故意把儀表設(shè)置成低于正常流量值的固定數(shù)值; 　　b)污水處理公司常常把進(jìn)出口在線流量計(jì)儀表的參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤,致使處理量比實(shí)際明顯偏大,主要是為了完成當(dāng)?shù)卣逻_(dá)的減排目標(biāo),弄虛作假; 　　c)有些企業(yè)排污口在線流量監(jiān)測(cè)設(shè)施儀表位置安裝不規(guī)范,如,在線測(cè)量?jī)x表沒(méi)有校正棒或測(cè)量?jī)x表固定支架用軟鐵皮制成,有風(fēng)的情況下亂晃動(dòng)等等; 　　d)有的污水處理廠巴歇爾槽的上端緊靠水流的轉(zhuǎn)角,水面由于向心力的作用,水流湍急且左右高度不一樣,造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。 　　4　結(jié)語(yǔ) 　　安裝在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可有效地核算污染物排放總量,便于環(huán)境保護(hù)主管部門(mén)對(duì)污染物排放量進(jìn)行管理。目前,企業(yè)污水排放口的在線流量計(jì)大部分使用明渠超聲波流量計(jì),該設(shè)備計(jì)量是否準(zhǔn)確需要進(jìn)行比對(duì)確認(rèn)。針對(duì)環(huán)保監(jiān)測(cè)部門(mén)目前使用的流量測(cè)量設(shè)備比較落后,且在線流量設(shè)備的渠道不具備測(cè)量條件的狀況,筆者提出根據(jù)明渠超聲波流量計(jì)測(cè)量原理,通過(guò)測(cè)量水深或水頭高度用公式計(jì)算流量的方法,通過(guò)實(shí)踐證明計(jì)算精準(zhǔn),可滿足在線明渠超聲波流量計(jì)比對(duì)確認(rèn)的要求。 　　這種通過(guò)測(cè)量水深用公式計(jì)算流量的方法可用于小型河流的流量測(cè)定,在河流河床較窄的地方固定兩邊的河堤壩和河床,形成1個(gè)矩形水渠,把流量測(cè)定轉(zhuǎn)換成深度測(cè)定,然后依有關(guān)資料和實(shí)踐,回歸水深和流量的函數(shù)模型,就可根據(jù)測(cè)量到的水深數(shù)據(jù)計(jì)算流量。