Flo－mate2000型流速仪快速测量水体流量的探讨

明洪武，黄颖媛

(桂林市环境监测中心站，广西桂林 541002)

1 概述

在我们的环境监测工作中，采集水样的同时经常需要测量水体流量，以利于计算或核算各类污染物的排放量。以桂林市环境监测中心站的监测工作为例，每月的国控区河流断面例行监测需要测量河水流量，每季度的国控废水重点污染源及污水处理厂监测也需要同时测量废水流量。

流量测量的早期常用方法主要是利用浮标法测出水体流速，然后量出水体的过水截面面积，两者相乘得出流量［1］。但是这种方法的缺点很多，如耗时长，所需的水流平缓断面长，浮标受外环境影响较大而不易控制，测量精度低等。现行简单实用的方法为流速仪法，不仅操作方便而且省时省力，特别是我站使用的电磁式流速仪 (Flo－Mate 2000)，其利用法拉第电磁感应定律来测量流速，具有操作使用灵活，安装及维护简便的优点。当水流径直从传感器前端靠近传感器时，水流方向、磁场和感应电流两两垂直，因此，产生的电流大小代表液体流过电极的速度，由此可以快速精确地测量出水体的流速。

测量水体流量时，因水流经过的截面不同导致各个部分的流速不一致，需要使用不同的方法来进行测量，其计算方法也不尽相同，流速校正系数也有所区别。本文根据在实际工作中遇到的不同水体排放情况，对采用Flo－Mate 2000电磁式流速仪测量并计算流量所采样的不同测量方法和计算方法进行探讨。

2 不同排水渠道的流量测量

仪器:Flo－Mate 2000电磁式流速仪;

沟渠类型:矩形、梯形、圆形、非几何图形。

2.1 矩形沟渠废水的流量测量

废水排放沟渠的截面为矩形 (如图1)，这种情况最为常见。只要满足以下条件即可进行测量:排污截面底部硬质平滑，排污口处有3～5m的平直过流水段，且水位高度≮0.1m［2］(假设所布设的垂线深度一致，水面宽度和水底宽度一致)。

2.1.1 断面垂线的布设

根据矩形沟渠的宽度，等距离布设2～6条垂线［3］。一般废水的排放沟渠不会很宽，通过现场的实际监测，如图1所示布设3条垂线 (左、中、右)即可满足要求。

2.1.2 不同垂线的流速测量

如果水位不是很深，如＜1m，可用一点法进行测量，即在0.6倍水深处［3］(从顶部算)放入流速仪探头面对水流方向进行测量 (测量时探头需用工具固定不让其摇晃);水较深时使用二点法(0.2及0.8水深处)进行测量，然后算其平均值作为该条垂线的流速。

2.1.3 截面面积的测量

此时需要计算出垂线将截面分开的每个小块的面积 (S1，S2，S3，S4)，测量内容包括每条垂线深度 (H1)，以及每2条垂线之间的距离等 (L，2L)，而不是计算整个截面的面积。

2.1.4 流量的计算

将截面的每个小块的流速 (流速取左右两条垂线流速算术平均值)乘以面积可以得出该小块的流量 (Q1，Q2，Q3，Q4)，然后将所有小块的流量相加得出该矩形截面的每秒流量，也就是我们最后所需要的流量数据。一般情况下矩形截面的墙面较为光滑，两边测量的流量 (Q1和Q4)计算时所用的流速需乘以0.9的岸边系数［3］进行校正。

计算公式为:

2.2 梯形沟渠废水的测量

梯形截面的沟渠也是废水排放口较为常见的类型，如阳朔田家河污水处理厂 (一期)的废水总排口，其渠道截面即为梯形，且为非等腰梯形。同样，测量条件也需满足上述矩形截面的要求。

一般的梯形排放渠道都是上宽下窄，实际测量时，把梯形分成3个大的部分，即中间的矩形和两边的三角形。分开后，垂线的布设、不同垂线流速测量以及截面面积的测量等都与矩形的测量方法一致;不同之处是:三角形与矩形分开处须设一条垂线，并测量该垂线的深度和流速，并且该处的流速要乘上岸边系数来计算三角形截面的流量。岸边系数视情况而定，当岸边为不平整墙面时岸边系数取0.8，光滑时岸边系数取0.9［3］。如图2所示。

此时的流量计算公式为:

2.3 圆形管道废水的测量

圆形管道的流量有专门的给水排水理论计算公式，如果知道圆形管道的内径、管壁粗糙系数、水力坡度、水力半径等，通过查阅《给水排水设计手册.第01册》［4］即可得出。但是在实际工作中，管道埋入地下后，许多参数我们都无从查起，如水力坡度，常见的是城市污水管网。如果管道内的水体是满管的，我们可以使用满管流量计直接进行测量，但是实际工作中遇到的都是非满管状况的较多，这时就需要借助自己手中的流速仪进行管道流量的测量。

非满管流量的测量现没有标准方法，一些期刊上的文章建议使用0.7系数法［5］，即使用浮标法或流速仪法测出管道内的最高流速点 (水流平稳时一般是水平面中线稍下点流速最大，如图3)，将这一流速乘以0.7作为该管道内水流的平均流速，然后乘以过水截面的面积算出流量;还有一种方法是将扇形按水面宽等距离分成3份 (如图4)，用流速仪分别测出每份截面的流速，两边部分的流速乘以0.9的岸边系数，而中间部分不变，再用各部分的流速乘以各部分的面积得出流量，流量相加得到管道内总的水体流量。

经过笔者进行实际测量，认为以上方法均不恰当。0.7系数法不能真实反映管道内流体的流速，因为通常水体的流速都是不均匀的，特别是在一些情况未知的管道内，在我们的实际监测中就遇到过管道壁两边的流速比中间的流速大的情况，所以0.7系数法只能用在管道很长并且流速很平稳的情况下;3等份法的计算方法也存在问题，因为管道内的过水面积为弧形，被分成3等份的中间部分的底部也是弧形，如果两边需要岸边系数对流速进行校正的话，中间部分笔者认为也同样需要乘上岸边系数，只不过系数的大小不同罢了。

2.4 非几何图形截面的测量

非几何图形的截面通常出现在河水的测量情况下，如我站每个月都需要监测的漓江干流 (大河断面和阳朔断面)。这些非几何截面的流量测量须按照GB 50179－1993《河流流量测验规范》中技术要求进行，理论上是所布设的垂线越多，测量的精确度越高，当然也跟岸边系数有关，但工作量较大。

3 数据比较

水体流量的测量方法较多，随之产生的流量计也各式各样，常用的水体流量计有差压流量计、容积流量计、电磁流量计、超声流量计等。在日常监测工作中 (包括在线仪器的比对验收监测)发现，各污染源排放污水时所用最普遍的流量计为超声波明渠流量计，采用Flo－Mate 2000流速仪所测量到的流量与超声波明渠流量计所得流量数据进行对比。

3.1 一点法进行测量时数据对比

超声波明渠流量计与相应的巴歇尔槽配用，利用超声波在空气中的传播规律来测量液位高度，并不断把液位信息传输给主机，主机通过运算系统，自动测出瞬时流量和累计流量并存储 (不同的巴歇尔槽采用不同的计算公式)。由此可见，超声波明渠流量计所测流量跟水体水位高度有关，与流速没有关联，而流速仪法测量流量时，流速的大小直接影响到流量的测量结果。

对桂林市某造纸厂污水排放口的在线流量计与流速仪法的手工流量测量数据进行对比，使用流速仪法进行一点测量，即在矩形排污沟的中间设一垂线来测量流速，从而计算流量，测量结果见表1。

表1 采用一点法进行测量时数据对比

从表1中数据可以看出，用流速仪法进行手工测量所得到的数据普遍偏大，某些数据甚至超过了10%的误差范围。

3.2 三点法进行测量时数据对比

采用本文2.1矩形沟渠废水的流量测量方法，可以得出表2数据。

表2 采用三点法进行测量时数据对比

从表2可以看出，流速仪法测得流量与超声波明渠流量计所测流量非常接近，能真实有效地获得相关数据。虽然该方法繁琐并且耗费时间较多，但是所产生的误差也较小，能更好地为污染物核查工作服务。

4 注意事项及问题探讨

4.1 理论的可行性及实际的可操作性

用流速仪法对排放废水的沟渠进行流量测量时，主要是依据GB 50179－1993《河流流量测验规范》中的相关技术要求来进行的，所以很多东西只是借鉴或参考，包括布点和计算等，我们在测量中也尽可能地按照规范来进行。但是在实际测量时，可以视情况而定，如垂线的布设，如果水流很平缓且均匀，可以少布点，虽然布点的数量越多测量越准确，但是这样也会增加工作量;另外就是岸边系数的使用，0.7、0.8、0.9都不是固定的，我们计算时也可以视具体情况灵活运用。

4.2 流速测量的影响因素

在整个流量的测量及计算过程中，很多因素都会影响到结果的准确性，如垂线的布设数量，面积的计算，不同操作人员以及不同仪器的测量结果等。其中面积的计算所带来的误差较大，特别是水深的测量，因为一般情况下水平面都不可能是平的，当水体流速较大时，水平面会产生波纹，水体对我们的测量工具会产生一个冲击，这时候选用合适的测量工具很重要 (一般水文部门都有特制的水尺)，否则水深的读数会偏大，从而计算出来的流量也偏大。还有一种情况就是垂线布设数量太少，或者中间测点多，两岸测点少，导致测点不均匀，由于中间流速较大，这样的布点测量方法也会使我们计算出来的流量偏大。

4.3 圆形管道的流量测量方法

管道流量的计算目前在规范中尚无公式可循，有人提出采用建筑物室内给水管道的水力计算秒流量公式［6］;而我站使用的Flo－Mate 2000流速仪的说明书中也有圆形管道的流量测量方法以及计算公式，但是较为复杂，需查表使用换算系数，涉及到的因素也较多。出于可操作性强，简单实用考虑，本文作者认为可采用以下方法来计算圆形管道的流量，即在液面上等距离多布设垂线，测量每条垂线中心点的流速，然后计算出平均流速，平均流速乘上0.9的系数再乘以过水截面积即视为管道内的流量。使用此方法测量时无论是操作还是计算都较为简便，但所得数据只作为参考使用，至于准确性和可行性还有待进一步探讨。

［1］田水利，王家钰，庞慧.黄河流域浮标法流量测验误差问题的探讨［A］.黄河水文科技成果与论文选集［C］.郑州:黄河水利出版社，2001.

［2］本书编委会.水和废水监测分析方法 (第四版)［M］.北京:中国环境科学出版社，2002.

［3］GB50179－1993，河流流量测验规范 ［S］.

［4］本书编委会.给水排水设计手册 (第01册)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

［5］郭忠义.快速准确测量圆形管道废水流量 ［J］.环境工程，2001，4(19).

［6］郭尚鸣，马林海.直饮水管道流量计算的探讨 ［J］.西南给排水，1999，(6).