堰槽式明渠废水流量计的流量监测数据有效性判别技术分析

 “十一五”以来，根据主要污染物总量减排监测的要求，重点排污企业均安装了废水流量自动监测装置，以堰、槽明渠流量计为主，其中zui常用的为薄壁堰和巴歇尔槽。但中国废水自动监测技术规范［1-2］中并无流量自动监测质控或数据有效性判别技术规定，导致环保部门在开展自动监测数据有效性审核时，流量监测结果的有效性审核至今仍然空缺。该文以薄壁堰和巴歇尔槽明渠流量计为研究对象，研究废水流量自动监测数据有效性判别技术。针对缺少堰槽明渠废水流量监测数据有效性判别技术的现状，研究了计量检定期间对废水流量计的监督检查技术，设计了现场计量检定项目、流量计运行维护情况、生产工况的变化3 个方面检查内容、8 项检查指标，并分别提出了检查方法及检查结果的判定与处理，填补了中国废水流量自动数据有效性认定的技术空白，完善了废水流量监测的质控体系。开展的试点工作表明，该文提出废水流量计监督检查技术具有较好的实用性。
 
1 堰槽明渠废水流量计在进行流量监测技术及问题识别中国的堰槽式明渠废水流量监测技术标准分为3 类，分别是建设部门颁布的流量计测量标准［3-7］、计量部门颁布的流量计检定规程［8］和环保部门颁布的产品技术要求［9］。测量标准涵盖了流量计的结构、流量公式、制作、安装、水头测量、综合误差分析及维护等方面内容; 计量检定规程规定了对产品规格、性能、不确定度等进行定期检测，确保流量测量的不确定度在标准范围内; 环保产品技术要求则规定了明渠废水流量计的技术要求、检验项目、试验方法、检验规则、包装、运输和贮存的要求，是明渠流量计进入环境保护领域使用的门槛。3 类技术中，测量技术标准是基础，环保产品技术要求及计量检定规程是保证测量准确的外部质控要求，其中计量检定是目前**保证流量计日常正常运行、数据准确有效的技术要求。
 
但由于流量计计量检定工作量较大，计量人员技术要求高，较难频繁开展。中国目前流量计的计量检定周期一般为两年或以上。由于两次检定期间间隔时间较长，而企业生产工况变化导致的排水量和水质的变化、流量计运行维护、水位测量精度等因素对废水流量监测的准确性均会产生较大的影响。通过研究检定期间废水流量计的监督检查技术，检查废水流量计是否得到必要的维护，运行是否正常，作为判别废水流量监测数据是否有效的依据。这对于完善废水自动监测技术规范和废水流量测量质量保证体系也是非常必要的，见图1。

 
　　2 明渠废水流量监测质量监督检查技术研究
2. 1 明渠流量计监督检查技术设计总体思路监督检查可以看作的计量检定的期间核查，检查内容设计的基本原则是既抓住影响测量结果准确性的关键点，又须简便易行。可从现场计量检定技术内容、日常运行维护情况、生产工况的变化等几个方面考虑检查内容的设计，在2. 2、2. 3、2. 4 节将分别进行详细介绍。监督检查的方法遵循科学实用、简便易行的原则，可采用资料检查、现场勘察、参数核对和流量计算相结合，辅以必要的水位实测验证，对流量计的运行情况及数据准确性进行较为全面的判定。
 
　　2. 2 以现场计量检定技术内容为基础的监督检查技术现场检定技术内容直接影响流量测量的不确定度。明渠流量计现场计量检定内容主要包括
　　①二次仪表水位误差的检定;
　　②堰槽过流状态， 要求行近渠槽水流条件Fr≤0. 5，并判断自由出流或淹没出流;
　　③堰槽结构尺寸( 宽度、长度) 的不确定值;
　　④行近渠槽长度、行近渠槽中心线与堰槽建筑物中心线重合程度;
　　 ⑤水位零点的不确定值;
　　⑥水位流量转换不确定度。
在充分考虑上述内容的基础上，按照监督检查设计总体原则对检查项目进行简化设计，包括流量计检定证书及设备清单、水位测量点位及测量精度、过流状态及流量计算、渠槽结构及状态4项。
 
　　2. 2. 1 流量计检定证书及设备清单
　　检查内容设计: 流量计通过计量检定是保证流量测量数据准确的前提，因此*先要检查流量计的现场计量检定证书，同时检查流量计的设备清单、有关的技术材料、技术参数是否齐全及符合要求。
　　检查方法: 明渠废水流量计由量水堰槽和水位流量转换仪表组成。流量计检定证书由具备流量检定资质的单位出具，内容包括流量计的类型及检定结果。现场检查时，由排污企业出具流量计设备清单和流量计检定证书，再进行如下检查:
　　①对照设备清单在现场逐一察看，检查设备的完整性及有关参数;
　　②出具检定证书的单位是否有检定资质; 检定证书是否过期; 不确定度检定结果是否合格。
检查结果处理: 没有流量计检定证书、或检定证书过期的，尽快进行计量检定，直到检定合格。
 
　　2. 2. 2 检查水位测量点位及测量精度
检查内容设计: 将计量检定内容①和⑤合并为检查水位测量点位及测量精度，水位测量是明渠流量计定量计算流量zui重要的动态参数，其测量位置正确性和测量结果的准确性是流量数据准确的重要保证。
 
检查方法: 依据流量计测量标准及技术要求，薄壁堰的水位观测断面位于堰板上游3 ～ 4 倍zui大水位处; 巴歇尔槽的水位观测断面位于喉道上游2 /3 收缩段处( 淹没流时双水位测量，设二水位观测静水井，但中国废水流量监测一般不采用淹没流，无二水位观测静水井) 。
 
水位的测量精度的检查方法: 查看水位校准记录，检查校准周期及校准结果; 采用测量精度达1 mm 的直尺测量水位观测断面处的水位值，并和流量计的水位观测值进行比较。按照测量标准，要求误差在3 mm 以内。
 
检查结果处理: 水位测量位置不合格，监测数据不合格，需要整改; 水位测量精度不合格的，监测数据不合格，需要检查校准水位测量仪表。
 
　　2. 2. 3 检查过流状态及流量计算
　　检查内容设计: 将计量检定内容②和⑥合并为检查堰槽过流状态、流量计算公式及计算结果。由于废水流量计设计一般为自由流，该文按自由流要求设计检查方法。
　　检查方法: *先检查过流状态是否为自由流。对于薄壁堰，检查下游水位，若不高于堰顶为自由流。巴歇尔槽的过流状态依据淹没系数判定，淹没系数为下游水位和上游水位的比值。巴歇尔槽喉道宽度为小于0. 152、0. 152 ～ 1、1 ～ 2. 4、大于3. 05 m时，淹没系数须分别小于0. 5、0. 6、0. 7、0. 8。根据过流状态和流量计算方法，采用流量计测得的水位值及流量计各规格参数，用标准的流量公式人工计算流量，并和流量计显示结果进行比较，要求二者的计算误差不应大于5%，否则可能存在人为修改计算公式或参数。
检查结果处理: 出现淹没流的，或流量计算结果误差大于5%的，监测数据不合格，需进行相应的整改。
 
　　2. 2. 4 检查渠槽结构状态
　　检查内容设计: 将计量检定内容③和④合并为检查渠槽的外观与状态。
检查方法: 主要采用现场查看的方式进行检查，重点检查附近是否有工程施工等可能对流量计结构产生影响的事件，再检查渠槽是否有改动的痕迹，是否有明显的变形、漏水，渠道是否清洁、水流是否畅通等，若都没有可判定渠槽结构状态无明显改变。检查结果处理: 渠槽结构状态发生明显改变的，监测数据不合格，需进行相应的整改。
 
　　2. 3 明渠流量计运行维护情况检查
堰槽测量标准均对流量计的维护提出了要求［3-7］，主要包括: ①行近渠道、连通管和静水井保持清洁; ②下游渠道应无阻碍; ③堰体或槽体应保持牢固、无损害; ④无漏水; ⑤每年检查一次堰槽各部位的尺寸，与原尺寸相符; ⑥每年校验一次水位计的精度; ⑦每年校测一次水头零点。其中，维护要求①、②、③、④、⑤的检查可并入2. 2. 4 中，维护要求⑥和⑦的检查可并入2. 2. 2 中。此外，还需增加对排污企业运维情况与数据处理情况的检查。
 
　　2. 3. 1 流量计运行维护情况
　　检查内容: 检查流量计是否有专人负责运行维护，人员是否开展有关技术培训; 检查运行维护的内容、档案记录情况，重点检查渠道的清理、液位测量的校准等运维记录。
检查方法: 检查流量计维护的档案资料，并进行现场查看，重点检查: ①流量计的日常维护是否责任到人; ②流量计的日常维护档案记录，水位测量、水头零点是否定期校准; ③堰式流量计是否存在堰前雍堵、漂浮物和悬浮物过多等情况。检查结果处理: 明渠流量计运行维护档案不全、不规范的，渠道不畅通的，需完善运行维护制度，并做好维护工作。
 
　　2. 3. 2 数据处理情况检查
　　检查内容: 检查数据库记录，包括瞬时流量数据及累计流量数据，数据的缺失情况及数据处理情况。
检 查方法: 调阅流量计历史数据库，检查流量数据的异常、缺失及处理情况，检查流量小时数据及日报表，计算流量数据的获取率( 正常的小时流量数据量/排污小时数) 。检查结果处理: 流量数据获取率小于85%的，需完善运维制度、加强运维工作。
 
　　2. 4 基于生产工况变化情况的检查
工况的变化可能导致水质及流量的改变，对于流量的测量可能产生较大影响。因此本部分检查重点包括水质变化情况和流量变化情况。
 
　　2. 4. 1 水质的变化情况
检查内容: 对于堰式流量计，可检查悬浮物、漂浮物是否大量增加导致堰前雍堵等。检查方法: 对于堰式流量计，检查水质情况，如果由于工况的变化导致废水中悬浮物或漂浮物含量过高，造成堰前雍堵，流量计就不能正常测流。检查结果处理: 若悬浮物或漂浮物显著增多造成堰前拥堵、影响测量的，监测数据不合格，需建立定期清理计划并落实，必要时改用其它类型流量计。
 
　　2. 4. 2 流量的变化情况
　　检查内容设计: 一般来说，在量程范围内，明渠流量计的测量误差和流量成反比，如果由于工况的改变，导致平均流量过小或过大均会影响流量数据的准确度。以一个典型的小型三角堰为例，水位、流量和不确定度关系见表1［10］。

　　由于流量计示值的几个检定点一般在流量计量程的20% ～ **** 之间，流量计不确定度为各检定点不确定度的平均值， 20%以下未设检定点。因此，流量测量平均值也应在量程范围的20% ～****为宜。表1 中，流量达0. 459 时，不确定度为2. 8%，刚好接近中国三角堰不确定度标准3%［8］的要求，此时流量结果接近于量程的20%。若排污企业工况发生变化，导致流量的平均值小于流量计量程的20%，流量测量结果的不确定度就难以满足计量要求。显然，如果流量测量结果平均大于明渠流量计量程的****时，也是不合适的。检查方法: 调阅的流量数据库计算小时流量平均值，检查小时流量平均值是否在流量计量程的20% ～ ****之间。
检查结果处理: 若流量均值低于流量计量程的20%，或大于量程的****，监测数据不合格，视实际流量更换适当量程的流量计。
 
　　3 应用试点及结论
对某市安装的11 套堰槽明渠流量计进行现场监督检查试点。11 家企业均安装了矩形薄壁堰，检查结果:
①仅4 家通过计量检定，1 家检定证书过期，其余6 家未开展检定;
②6 家水位观测断面位置不符合要求;
③3 家水位测量误差小于3mm，5 家介于3 ～ 5 mm，3 家大于5 mm，分别为16、13 和23 mm;
④过流状态、流量计运维、数据获取情况、水质变化均符合要求，但普遍存在未定期清淤现象;
⑤2 家水位-流量公式计算误差较大，分别为5. 8%和62. 9%;
⑥4 家企业渠槽长度不符合要求;
⑦3 家平均流量不符合要求，分别为量程的1. 8%、5. 8%和9. 7%。
可见，由于监管的缺失，各流量计或多或少都存在一定问题。该文提出的明渠流量计3 个方面检查内容、8 项检查指标简便易用，对于完善流量监测质控体系、保证流量数据的准确具有重要意义。另外，根据试点测量结果，水位测量误差可修改为不大于5 mm。


上一条：超声波明渠污水流量计实地校准方法探讨
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