排污口/排水口的长期和临时流量测量方法?

一 、 排污口 / 排水口 流量测量的特点

近日，国务院办公厅印发《关于加强入河入海排污口监督管理工作的实施意见》（国办函〔2022〕17号），第一次从国家层面出台加强和规范排污口监督管理的指导文件。

与此同时，住房和城乡建设部、生态环境部、国家发展改革委、水利部共同印发了《深入打好城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》，重点从加强城市黑臭水体排查、强化流域统筹治理、持续推进源头污染治理、系统开展水系治理、建立健全长效机制、强化监督检查和完善保障措施等方面提出具体的实施方案。而系统的实施，也涉及到排水口的治理。

排污口/排水口监测的内容：（1）流量和液位；（2）水质。随着监管要求的提升，越来越重视流量的监测。

二 、排污口 / 排水口流量测量方法的分析和选择

长周期的（比如24小时或7天）的累计测量和短时间（比如5分钟以内）的临时测量的测量方法不尽相同。

2.1 长周期的流量测量方法

长周期的（比如24小时或7天）的累计测量可以采用通常的流量测量方法，如电磁流量计、雷达流量计、Q-h关系和流速面积法。不同流量测量方法的简单分析如下：

●  电磁流量计 ：常用的流量测量设备，在高流速情况下测量精度高，低流速情况下测量误差大，不适合非满管测量（或者设置倒虹吸管安装，但会导致管道内积泥），因此不适合排污口/排水口流量测量；

●  雷达流量计 ：测量表面流速，根据预设模型换算过流断面的流速和流量，受表面杂质和流场分布的影响大，测量误差大；

●  Q-h关系 ，如各种堰的流量测量：优点是设备简单；缺点是增加土建工作量、有些场景并不适合采用堰测量、堰前容易积泥导致测量误差，以及需要定期校核；

●  流速面积法 ：常用的方法是超声波多普勒、超声波互相关流量计和超声波时差法流量计；需要测量断面流速和设定断面面积，是目前主流的流量测量方法。

也可以将上述测量方法分为定性和定量两种测量方法：

● 定性测量：雷达流量计、Q-h关系；

● 定量测量：电磁流量计、超声波多普勒、超声波互相关流量计和超声波时差法流量计。

综上所述，适合排污口/排水口流量测量的为超声波多普勒和超声波互相关流量计。

2.2 短时间的临时流量测量方法

短时间的临时流量测量方法，包括Woltman沃尔特曼流速计（机械式）、旋浆式和旋杯式流速仪、便携式超声波多普勒点流速仪和NFS便携式剖面流速仪。其中的发展历程如下：

?  Woltman沃尔特曼流速计（机械式）：传统的测量方法，对低流速不敏感，测量误差大；

?  旋浆式和旋杯式流速仪：传统的测量方法，测量工作量大，对操作人员的要求高，测量误差大；

?  便携式超声波多普勒点流速仪：测量方法简单，但受测量原理影响，测量误差大，且不适合过深的排污口/排水口；

?  便携式剖面流速仪：测量方法简单，可以测量整个断面流场，测量精度高，但不适合过深的排污口/排水口。

2.3 排污口/排水口流量测量的设备选择

从上面的分析，排污口/排水口流量的定量测量：

? 长周期的（比如24小时或7天）的累计测量方法：可以选择超声波多普勒、超声波互相关流量计和超声波时差法流量计这三种速度面积法流量计；

? 短时间（比如10分钟）的临时测量的测量方法：可以选择旋浆式和旋杯式流速仪、便携式超声波多普勒点流速仪和便携式剖面流速仪这三种流量计。

三、 速度面积法流量计的测量原理

流量无法直接测量。测量流量Q需要测量两个因素：断面平均流速和过流面积。采用以下通用计算公式：

Q = v ( 平均 )  ? A

? 液位的精确测量(h)

精确的流量测量需要在所有水力条件下进行精确可靠的液位测量。具有多重冗余通过连续测量包含渠道、管道或箱涵的充满度来确认过流的横截面A。液位变化会导致过流横截面积的变化。

? 流速的精确测量(v)

如前所述，需要精确测量过流断面的平均流速。过流断面平均流速的精确测量，是速度-面积法测量的核心要求。

3.1 超声波多普勒流量计

多普勒流量计基于多普勒效应进行流量测量。测量的先决条件是介质中包含有微小颗粒（矿物质或气泡），特别适用于生活污水、工业废水等介质的流体测量。城市地下管网雨污水中都含有一定数量的杂质微小颗粒或气泡，它们以与水体相同的速度移动。通过超声波多普勒流量计发射的脉冲超声波，采用多普勒的原理直接测量水体中微小颗粒的速度，再通过软件的分析计算就可以获得过流断面的平均流速。

多普勒流量计向水中发射连续超声波，超声波遇到水中颗粒后反射；多普勒流量计接收到的反射波的频率将发生变化。多普勒流量计将记录这个频率的变化值，并根据多普勒效应计算出颗粒的运动速度。多普勒流量计具有易于安装等特点，但也有如下的缺点：

3.2 超声波时差法流量计

利用对向设置的多组流速传感器实时发送的超声波信号的传播时间差，利用已知的计算公式计算得出沿测量路径的平均流速。

设置液位计，根据预先设定的断面尺寸，计算过流面积。

其中，要注意：

3.3 超声波互相关流量计

超声波互相关流量计的测量流速的方法是基于超声波反射原理。

工作时，流量计传感器发射固定角度的超声波脉冲，扫描雨污水中的反射物（微小颗粒，矿物或气泡），将得到的回波保存为图像或回波模式。间隔几毫秒后，接着进行第二次扫描，产生的回波图像或模式也被保存。由于反射物随雨污水介质在同步移动，通过比较前后两个相似图像或模式之间的相互关系可以识别反射物的位置来检测和计算流速。考虑到超声波的光束角度和脉冲重复率，通过空间分配最多可以直接测量流体中的16层微小颗粒的速度，从而直接计算得到高精度的管道断面流速：当流速＜1m/s时，测量不准确性为测量值的±0.5%+5mm/s；当流速＞1m/s时，测量不准确性为测量值的±1%。这也是互相关流量计的测量精度优于多普勒流量计的关键之处。

互相关流量计的测量原理，见下图。

互相关流量计基于最新的水力模型，COSP系统计算了一个密集的测量网络，从单个测量点位出发得到整个流体横截面。具有如下特点：

3.4 旋浆式和旋杯式流速仪

旋浆式和旋杯式流速仪均为传统的、垂直轴转子式流速仪器，用于测量某一过水段面中预定测点的时段平均流速。测速范围：0.015~3.5 m/s，适用于含沙量较少的河流和排污口/排水口。当水流作用到仪器的感应元件—旋浆或旋杯时，水流带动旋浆或旋杯转动，旋浆或旋杯的转速借助于仪器的接触机构转变为电脉冲信号进而传到计数器上。转速与转动力矩存在一定的函数关系，此关系是通过检定水槽的实验确定的。

优点：

? 价格便宜；

? 为传统测流方法，得到行业内认可。

缺点：

? 长期机械转动，设备容易损坏；

? 设备需要定期的校准；

? 对测量环境有要求，含沙量大的水体无法使用；

? 只能够测量流速，如果需要测流量的话是需要人工来换算的；

? 测量误差大，工作量大。

3.5 便携式超声波多普勒点流速仪

超声波多普勒点流速仪包含流速传感器，压力式水位计传感器和水温传感器。通过测得的流速及水位及断面尺寸，可求得断面流量。

其中：流速传感器用于测量水体流动的速度，压力式水位计用于测量水深，水温传感器用于测量水体温度补偿声速。

流速传感器采用多普勒原理（具体介绍，介绍见3.1）。与超声波多普勒流量计一样，便携式超声波多普勒点流速仪适用于生活污水、工业废水等介质的流体测量。

多普勒流量计向水中发射连续超声波，超声波遇到水中颗粒后反射；多普勒流量计接收到的反射波的频率将发生变化。多普勒流量计将记录这个频率的变化值，并根据多普勒效应计算出颗粒的运动速度。多普勒流量计具有易于安装等特点。但也有如下的缺点：

3.6 便携式剖面流速仪

采用超声波互相关传感器，可在河流、渠道和排污口/排水口中进行可靠和便捷的流量测量。每次测量都显示和存储完整的数据和测量质量检查，以确保最佳操作。易用且可以快速测量的便携式剖面流速仪，是全球最佳的手动流速测量仪表。

四、 不同测流设备的比较