明渠廢水流量計的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)分析

 “十一五”以來，根據(jù)主要污染物總量減排監(jiān)測的要求，重點排污企業(yè)均安裝了廢水流量自動監(jiān)測裝置，以堰、槽明渠流量計為主，其中最常用的為薄壁堰和巴歇爾槽。但中國廢水自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［1-2］中并無流量自動監(jiān)測質(zhì)控或數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)規(guī)定，導(dǎo)致環(huán)保部門在開展自動監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性審核時，流量監(jiān)測結(jié)果的有效性審核至今仍然空缺。該文以薄壁堰和巴歇爾槽明渠流量計為研究對象，研究廢水流量自動監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)。針對缺少堰槽明渠廢水流量監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)的現(xiàn)狀，研究了計量檢定期間對廢水流量計的監(jiān)督檢查技術(shù)，設(shè)計了現(xiàn)場計量檢定項目、流量計運行維護(hù)情況、生產(chǎn)工況的變化3 個方面檢查內(nèi)容、8 項檢查指標(biāo)，并分別提出了檢查方法及檢查結(jié)果的判定與處理，填補了中國廢水流量自動數(shù)據(jù)有效性認(rèn)定的技術(shù)空白，完善了廢水流量監(jiān)測的質(zhì)控體系。開展的試點工作表明，該文提出廢水流量計監(jiān)督檢查技術(shù)具有較好的實用性。
 
1 堰槽明渠廢水流量計在進(jìn)行流量監(jiān)測技術(shù)及問題識別中國的堰槽式明渠廢水流量監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分為3 類，分別是建設(shè)部門頒布的流量計測量標(biāo)準(zhǔn)［3-7］、計量部門頒布的流量計檢定規(guī)程［8］和環(huán)保部門頒布的產(chǎn)品技術(shù)要求［9］。測量標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了流量計的結(jié)構(gòu)、流量公式、制作、安裝、水頭測量、綜合誤差分析及維護(hù)等方面內(nèi)容; 計量檢定規(guī)程規(guī)定了對產(chǎn)品規(guī)格、性能、不確定度等進(jìn)行定期檢測，確保流量測量的不確定度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi); 環(huán)保產(chǎn)品技術(shù)要求則規(guī)定了明渠廢水流量計的技術(shù)要求、檢驗項目、試驗方法、檢驗規(guī)則、包裝、運輸和貯存的要求，是明渠流量計進(jìn)入環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域使用的門檻。3 類技術(shù)中，測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是基礎(chǔ)，環(huán)保產(chǎn)品技術(shù)要求及計量檢定規(guī)程是保證測量準(zhǔn)確的外部質(zhì)控要求，其中計量檢定是目前保證流量計日常正常運行、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效的技術(shù)要求。
 
但由于流量計計量檢定工作量較大，計量人員技術(shù)要求高，較難頻繁開展。中國目前流量計的計量檢定周期一般為兩年或以上。由于兩次檢定期間間隔時間較長，而企業(yè)生產(chǎn)工況變化導(dǎo)致的排水量和水質(zhì)的變化、流量計運行維護(hù)、水位測量精度等因素對廢水流量監(jiān)測的準(zhǔn)確性均會產(chǎn)生較大的影響。通過研究檢定期間廢水流量計的監(jiān)督檢查技術(shù)，檢查廢水流量計是否得到必要的維護(hù)，運行是否正常，作為判別廢水流量監(jiān)測數(shù)據(jù)是否有效的依據(jù)。這對于完善廢水自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范和廢水流量測量質(zhì)量保證體系也是非常必要的，見圖1。

 

 
　　2 明渠廢水流量監(jiān)測質(zhì)量監(jiān)督檢查技術(shù)研究
2. 1 明渠流量計監(jiān)督檢查技術(shù)設(shè)計總體思路監(jiān)督檢查可以看作的計量檢定的期間核查，檢查內(nèi)容設(shè)計的基本原則是既抓住影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵點，又須簡便易行。可從現(xiàn)場計量檢定技術(shù)內(nèi)容、日常運行維護(hù)情況、生產(chǎn)工況的變化等幾個方面考慮檢查內(nèi)容的設(shè)計，在2. 2、2. 3、2. 4 節(jié)將分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。監(jiān)督檢查的方法遵循科學(xué)實用、簡便易行的原則，可采用資料檢查、現(xiàn)場勘察、參數(shù)核對和流量計算相結(jié)合，輔以必要的水位實測驗證，對流量計的運行情況及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性進(jìn)行較為全面的判定。
 
　　2. 2 以現(xiàn)場計量檢定技術(shù)內(nèi)容為基礎(chǔ)的監(jiān)督檢查技術(shù)現(xiàn)場檢定技術(shù)內(nèi)容直接影響流量測量的不確定度。明渠流量計現(xiàn)場計量檢定內(nèi)容主要包括
　?、俣蝺x表水位誤差的檢定;
　?、谘卟圻^流狀態(tài)， 要求行近渠槽水流條件Fr≤0. 5，并判斷自由出流或淹沒出流;
　?、垩卟劢Y(jié)構(gòu)尺寸( 寬度、長度) 的不確定值;
　?、苄薪坶L度、行近渠槽中心線與堰槽建筑物中心線重合程度;
　　 ⑤水位零點的不確定值;
　?、匏涣髁哭D(zhuǎn)換不確定度。
在充分考慮上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，按照監(jiān)督檢查設(shè)計總體原則對檢查項目進(jìn)行簡化設(shè)計，包括流量計檢定證書及設(shè)備清單、水位測量點位及測量精度、過流狀態(tài)及流量計算、渠槽結(jié)構(gòu)及狀態(tài)4項。
 
　　2. 2. 1 流量計檢定證書及設(shè)備清單
　　檢查內(nèi)容設(shè)計: 流量計通過計量檢定是保證流量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提，因此首先要檢查流量計的現(xiàn)場計量檢定證書，同時檢查流量計的設(shè)備清單、有關(guān)的技術(shù)材料、技術(shù)參數(shù)是否齊全及符合要求。
　　檢查方法: 明渠廢水流量計由量水堰槽和水位流量轉(zhuǎn)換儀表組成。流量計檢定證書由具備流量檢定資質(zhì)的單位出具，內(nèi)容包括流量計的類型及檢定結(jié)果?，F(xiàn)場檢查時，由排污企業(yè)出具流量計設(shè)備清單和流量計檢定證書，再進(jìn)行如下檢查:
　?、賹φ赵O(shè)備清單在現(xiàn)場逐一察看，檢查設(shè)備的完整性及有關(guān)參數(shù);
　?、诔鼍邫z定證書的單位是否有檢定資質(zhì); 檢定證書是否過期; 不確定度檢定結(jié)果是否合格。
檢查結(jié)果處理: 沒有流量計檢定證書、或檢定證書過期的，盡快進(jìn)行計量檢定，直到檢定合格。
 
　　2. 2. 2 檢查水位測量點位及測量精度
檢查內(nèi)容設(shè)計: 將計量檢定內(nèi)容①和⑤合并為檢查水位測量點位及測量精度，水位測量是明渠流量計定量計算流量最重要的動態(tài)參數(shù)，其測量位置正確性和測量結(jié)果的準(zhǔn)確性是流量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的重要保證。
 
檢查方法: 依據(jù)流量計測量標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求，薄壁堰的水位觀測斷面位于堰板上游3 ～ 4 倍最大水位處; 巴歇爾槽的水位觀測斷面位于喉道上游2 /3 收縮段處( 淹沒流時雙水位測量，設(shè)第二水位觀測靜水井，但中國廢水流量監(jiān)測一般不采用淹沒流，無第二水位觀測靜水井) 。
 
水位的測量精度的檢查方法: 查看水位校準(zhǔn)記錄，檢查校準(zhǔn)周期及校準(zhǔn)結(jié)果; 采用測量精度達(dá)1 mm 的直尺測量水位觀測斷面處的水位值，并和流量計的水位觀測值進(jìn)行比較。按照測量標(biāo)準(zhǔn)，要求誤差在3 mm 以內(nèi)。
 
檢查結(jié)果處理: 水位測量位置不合格，監(jiān)測數(shù)據(jù)不合格，需要整改; 水位測量精度不合格的，監(jiān)測數(shù)據(jù)不合格，需要檢查校準(zhǔn)水位測量儀表。
 
　　2. 2. 3 檢查過流狀態(tài)及流量計算
　　檢查內(nèi)容設(shè)計: 將計量檢定內(nèi)容②和⑥合并為檢查堰槽過流狀態(tài)、流量計算公式及計算結(jié)果。由于廢水流量計設(shè)計一般為自由流，該文按自由流要求設(shè)計檢查方法。
　　檢查方法: 首先檢查過流狀態(tài)是否為自由流。對于薄壁堰，檢查下游水位，若不高于堰頂為自由流。巴歇爾槽的過流狀態(tài)依據(jù)淹沒系數(shù)判定，淹沒系數(shù)為下游水位和上游水位的比值。巴歇爾槽喉道寬度為小于0. 152、0. 152 ～ 1、1 ～ 2. 4、大于3. 05 m時，淹沒系數(shù)須分別小于0. 5、0. 6、0. 7、0. 8。根據(jù)過流狀態(tài)和流量計算方法，采用流量計測得的水位值及流量計各規(guī)格參數(shù)，用標(biāo)準(zhǔn)的流量公式人工計算流量，并和流量計顯示結(jié)果進(jìn)行比較，要求二者的計算誤差不應(yīng)大于5%，否則可能存在人為修改計算公式或參數(shù)。
檢查結(jié)果處理: 出現(xiàn)淹沒流的，或流量計算結(jié)果誤差大于5%的，監(jiān)測數(shù)據(jù)不合格，需進(jìn)行相應(yīng)的整改。
 
　　2. 2. 4 檢查渠槽結(jié)構(gòu)狀態(tài)
　　檢查內(nèi)容設(shè)計: 將計量檢定內(nèi)容③和④合并為檢查渠槽的外觀與狀態(tài)。
檢查方法: 主要采用現(xiàn)場查看的方式進(jìn)行檢查，重點檢查附近是否有工程施工等可能對流量計結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的事件，再檢查渠槽是否有改動的痕跡，是否有明顯的變形、漏水，渠道是否清潔、水流是否暢通等，若都沒有可判定渠槽結(jié)構(gòu)狀態(tài)無明顯改變。檢查結(jié)果處理: 渠槽結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生明顯改變的，監(jiān)測數(shù)據(jù)不合格，需進(jìn)行相應(yīng)的整改。
 
　　2. 3 明渠流量計運行維護(hù)情況檢查
堰槽測量標(biāo)準(zhǔn)均對流量計的維護(hù)提出了要求［3-7］，主要包括: ①行近渠道、連通管和靜水井保持清潔; ②下游渠道應(yīng)無阻礙; ③堰體或槽體應(yīng)保持牢固、無損害; ④無漏水; ⑤每年檢查一次堰槽各部位的尺寸，與原尺寸相符; ⑥每年校驗一次水位計的精度; ⑦每年校測一次水頭零點。其中，維護(hù)要求①、②、③、④、⑤的檢查可并入2. 2. 4 中，維護(hù)要求⑥和⑦的檢查可并入2. 2. 2 中。此外，還需增加對排污企業(yè)運維情況與數(shù)據(jù)處理情況的檢查。
 
　　2. 3. 1 流量計運行維護(hù)情況
　　檢查內(nèi)容: 檢查流量計是否有專人負(fù)責(zé)運行維護(hù)，人員是否開展有關(guān)技術(shù)培訓(xùn); 檢查運行維護(hù)的內(nèi)容、檔案記錄情況，重點檢查渠道的清理、液位測量的校準(zhǔn)等運維記錄。
檢查方法: 檢查流量計維護(hù)的檔案資料，并進(jìn)行現(xiàn)場查看，重點檢查: ①流量計的日常維護(hù)是否責(zé)任到人; ②流量計的日常維護(hù)檔案記錄，水位測量、水頭零點是否定期校準(zhǔn); ③堰式流量計是否存在堰前雍堵、漂浮物和懸浮物過多等情況。檢查結(jié)果處理: 明渠流量計運行維護(hù)檔案不全、不規(guī)范的，渠道不暢通的，需完善運行維護(hù)制度，并做好維護(hù)工作。
 
　　2. 3. 2 數(shù)據(jù)處理情況檢查
　　檢查內(nèi)容: 檢查數(shù)據(jù)庫記錄，包括瞬時流量數(shù)據(jù)及累計流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的缺失情況及數(shù)據(jù)處理情況。
檢 查方法: 調(diào)閱流量計歷史數(shù)據(jù)庫，檢查流量數(shù)據(jù)的異常、缺失及處理情況，檢查流量小時數(shù)據(jù)及日報表，計算流量數(shù)據(jù)的獲取率( 正常的小時流量數(shù)據(jù)量/排污小時數(shù)) 。檢查結(jié)果處理: 流量數(shù)據(jù)獲取率小于85%的，需完善運維制度、加強運維工作。
 
　　2. 4 基于生產(chǎn)工況變化情況的檢查
工況的變化可能導(dǎo)致水質(zhì)及流量的改變，對于流量的測量可能產(chǎn)生較大影響。因此本部分檢查重點包括水質(zhì)變化情況和流量變化情況。
 
　　2. 4. 1 水質(zhì)的變化情況
檢查內(nèi)容: 對于堰式流量計，可檢查懸浮物、漂浮物是否大量增加導(dǎo)致堰前雍堵等。檢查方法: 對于堰式流量計，檢查水質(zhì)情況，如果由于工況的變化導(dǎo)致廢水中懸浮物或漂浮物含量過高，造成堰前雍堵，流量計就不能正常測流。檢查結(jié)果處理: 若懸浮物或漂浮物顯著增多造成堰前擁堵、影響測量的，監(jiān)測數(shù)據(jù)不合格，需建立定期清理計劃并落實，必要時改用其它類型流量計。
 
　　2. 4. 2 流量的變化情況
　　檢查內(nèi)容設(shè)計: 一般來說，在量程范圍內(nèi)，明渠流量計的測量誤差和流量成反比，如果由于工況的改變，導(dǎo)致平均流量過小或過大均會影響流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。以一個典型的小型三角堰為例，水位、流量和不確定度關(guān)系見表1［10］。
 

　　由于流量計示值的幾個檢定點一般在流量計量程的20% ～ 100% 之間，流量計不確定度為各檢定點不確定度的平均值， 20%以下未設(shè)檢定點。因此，流量測量平均值也應(yīng)在量程范圍的20% ～100%為宜。表1 中，流量達(dá)0. 459 時，不確定度為2. 8%，剛好接近中國三角堰不確定度標(biāo)準(zhǔn)3%［8］的要求，此時流量結(jié)果接近于量程的20%。若排污企業(yè)工況發(fā)生變化，導(dǎo)致流量的平均值小于流量計量程的20%，流量測量結(jié)果的不確定度就難以滿足計量要求。顯然，如果流量測量結(jié)果平均大于明渠流量計量程的100%時，也是不合適的。檢查方法: 調(diào)閱的流量數(shù)據(jù)庫計算小時流量平均值，檢查小時流量平均值是否在流量計量程的20% ～ 100%之間。
檢查結(jié)果處理: 若流量均值低于流量計量程的20%，或大于量程的100%，監(jiān)測數(shù)據(jù)不合格，視實際流量更換適當(dāng)量程的流量計。
 
　　3 應(yīng)用試點及結(jié)論
對某市安裝的11 套堰槽明渠流量計進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)督檢查試點。11 家企業(yè)均安裝了矩形薄壁堰，檢查結(jié)果:
①僅4 家通過計量檢定，1 家檢定證書過期，其余6 家未開展檢定;
②6 家水位觀測斷面位置不符合要求;
③3 家水位測量誤差小于3mm，5 家介于3 ～ 5 mm，3 家大于5 mm，分別為16、13 和23 mm;
④過流狀態(tài)、流量計運維、數(shù)據(jù)獲取情況、水質(zhì)變化均符合要求，但普遍存在未定期清淤現(xiàn)象;
⑤2 家水位-流量公式計算誤差較大，分別為5. 8%和62. 9%;
⑥4 家企業(yè)渠槽長度不符合要求;
⑦3 家平均流量不符合要求，分別為量程的1. 8%、5. 8%和9. 7%。
可見，由于監(jiān)管的缺失，各流量計或多或少都存在一定問題。該文提出的明渠流量計3 個方面檢查內(nèi)容、8 項檢查指標(biāo)簡便易用，對于完善流量監(jiān)測質(zhì)控體系、保證流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確具有重要意義。另外，根據(jù)試點測量結(jié)果，水位測量誤差可修改為不大于5 mm。