水位流量计

污水明渠流量计如何实现在线比对和校准？为贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国水污染防治法》，保护生态环境，保障人体健康，生态环境部于2019年12月24日，发布了《水污染源在线监测系统（CODCr、NH3-N 等）安装技术规范》和《水污染源在线监测系统（CODCr、NH3-N 等）验收技术规范》。在《安装技术规范》中，提出了在线监测系统的组成中，需要有流量监测单元，对于需测定流量的排污单位，要建设明渠标准化计量堰（槽），并且堰槽的建设应能够进行明渠流量计比对工作，推荐三角堰、矩形堰及巴歇尔槽。在《验收技术规范》中，对水污染源流量监测单元的验收方法提出了具体的要求，分为液位误差比对和流量误差比对，具体如下：(1) 液位误差比对：用便携式明渠流量计比对装置（液位测量精度≤0.1 mm）和超声波明渠流量计测量同一水位观测断面处的液位值，进行比对试验，每2 min记录一次数据对，连续记录6次，计算每一组数据对的误差值Hi，选取最大的Hi作为流量计的液位比对误差。(2) 流量误差比对：用便携式明渠流量计比对装置和超声波明渠流量计测量同一水位观测断面处的瞬时流量，进行比对试验，待数据稳定后，开始计时，计时10 min，分别读取明渠流量比对装置该时段内的累积流量F1 和超声波明渠流量计该时段内的累积流量F2，按公式计算流量比对误差ΔF。根据以上要求可以看出，在现场验收时需要用到便携式明渠流量计，验收的过程中要连续地统计记录液位数据及流量数据，需要在12分钟内同步记录在线明渠流量计和便携污水流量计各6个液位数据，及在10分钟内同步记录在线明渠流量计和便携污水流量计各2个明渠流量累计数据，而且因为污水流量监测过程是不可逆的，一旦在记录过程中出现问题，则需要重新进行比对验收，在时间上和空间上都给现场的验收工作带来了困难。国内虽然有各类的明渠污水流量计，但是并没有一款能够方便快速完成上述验收任务的便携式污水流量计，我们公司利用多年环保监测仪器研发经验，结合《水污染源在线监测系统（CODCr、NH3-N 等）安装技术规范》和《水污染源在线监测系统（CODCr、NH3-N 等）验收技术规范》等标准的要求，开发出了一款专门针对明渠流量计现场验收要求的便携式明渠流量计XY-6800R型便携式明渠流量计。

声学多普勒的水流测量系统是水与废水行业中的主要工具，不仅测量水流速度，还可以测量水位以及计算流量（排放量），并且测量数据的输出格式可轻松实现上传到商业数据记录器、SCADA系统、PLC以及远程遥测设备。仪器常用到名称如下：# ADFM–声学多普勒流量计# ADVM–声学多普勒流速# AVM–面积流速型流量计#“超声波”流量计上述术语有时可以互换使用，如“多普勒”。但并非所有多普勒系统均采用相同的工作方式，用于流量测量的多普勒系统大致可以分为两类：连续波 (CW) 和脉冲。SonTek声学多普勒系统（例如SonTek-IQ）就是脉冲多普勒，连续波式或脉冲式多普勒是否适合于特定场所将取决于环境因素和精度要求。价格通常被视为连续波式与脉冲式多普勒流量计之间的主要区别，有时这也是选择仪器时最重要的考量。然而，对大多数操作人员和管理人员而言，了解技术差异及其在野外环境的意义将有助于作出明智的选择，同样关系到设备操作、数据质量保障和未来的决策。本技术说明旨在从实践的角度阐明某些重要的技术差异。声学多普勒流速测量系统采用多普勒频移的物理原理来测量水流速度。多普勒原理指出了，如果声源相对于接收器运动，则接收器处的声音频率会与发射频率相偏移。请注意，多普勒系统实际上并未直接测量水流速度，而是测量悬浮在水柱中的散射颗粒的速度，并假设颗粒的运动速度与水流速度相同。如果没有反射信号的散射颗粒，则多普勒系统将无法测量速度。反射信号的振幅将随着水中散射颗粒的密度、颗粒材料及其在发射频率下的声波反射率以及与换能器的距离而变化。传输的声波信号从换能器呈几何图形传播，而且声音也被水所吸收。传输损耗与系统范围的平方成正比，而反射信号强度降低到系统噪声等级的距离决定了最大测量范围。需要注意的是此类多普勒系统无法直接测量流量（排放量）。流量是基于测得速度、测得水位和渠道截面积而计算出的参数。由于系统仅测量声波所在的渠道的部分水流速，因此使用教科书理论模型或特定于地点的校准（指标流速率定）将仪器测得的速度与平均流速相关联。然后将平均流速 (V) 乘以渠道截面积 (A) 以求出流量值 (Q=VA)，其中渠道截面积由用户提供的有关渠道几何形状、仪器位置以及所测水位的信息所确定。因此，流量的准确度部分取决于估算流量时，渠道流速分布的信息量。以下是笔直且洁净的混凝土衬砌运河（显示的典型现场照片）中不规则速度分布的部分示例，这是在SonTek-IQ的开发过程中使用FlowTracker手持式ADV系统在密集间隔的离散单点中测得的流速：如示例中所示，渠道中的速度分布通常是不均匀的，并且边界层（如渠道的底部或侧面）附近的速度通常明显较低。仪器常用到名称如下：# 由于速度数据中的任何误差都会导致计算出的流量出现误差，因此仪器的速度测量精度至关重要。# 用户给出的渠道几何形状和仪器位置的误差将导致计算出的流量出现误差。# 将仪器测得的速度与平均流速相关联的方法将影响所计算出的流量的精度。多普勒原理同其他原理比较时，“多普勒”概念容易被默认为成“连续波”，这种误解会导致混淆和歪曲。由于多普勒的脉冲和连续方式是完全不同的，因此了解引用哪种多普勒方法总是重要的，本节将对此进行解释。连续波系统通常是单波束解决方案，这意味着采用单波束来接收声波信号。如果多普勒系统没有被定位为“脉冲”、“剖析”或“距离选通”仪器，则通常默示其为连续波系统。连续波系统最常使用独立的发射和接收换能器，从而发射相对于水深的长声脉冲。本质上，系统将连续信号发射到水中，同时监听信号反射。因此，接收的信号是沿声束范围里，所有散射介质的反射信号振幅与相位组合，任何空间信息都是未知的，因为不可能将特定回声信号与沿波束的对应位置关联。尤其是在浅水区，有些连续波系统更容易测量到从水面或河床反射的信号，因为连续波系统不跟踪反射来自哪个位置。这些错误的边界反射会给真实的测量带来明显的噪声和偏差。脉冲式多普勒系统（如SonTek-IQ）在水中传输短的声波脉冲，然后分段侦听反射信号，依据脉冲传输后的时间转换成脉冲在水中的传播距离，从而确定了作为信号源颗粒的位置。通过测量发射脉冲后的特定时间内反射的声波信号，系统能够测量水速的剖面，其中的水柱分成多个深度单元（也称为距离单元或层）。在每个单元中，水速是根据测量的声学数据计算的。这样做的效果是提供了从底部到水面的许多离散的、紧密间隔的测量数据。一些脉冲多普勒系统将报告来自单个测量单元的流速，而不是输出测量的剖面流速。也就是说，他们在得到速度剖面后计算平均速度。由于每个脉冲多普勒换能器既是发射器又是接收器（称为“单站”），因此系统在发射信号后必须等待一小段时间，以便有时间从系统中清除发射脉冲。这种暂停会在系统旁边产生一个无法收集数据的区域，这被称为“盲区”。SonTek-IQ系统具有四个用于测量水流速度的换能器：两束与测量上游和下游的系统的轴线对齐两束对系统侧面进行测量的偏斜波束因此，SonTek-IQ可以解释整个渠宽上某些水平速度的变化。另外，除压力传感器外，还具有一束用于精确测量水深的声束。连续波 (CW) 多普勒系统通常使用单声束来接收已被水中悬浮颗粒所反射的信号。通常，将系统置于渠道、管道或水流的中间，这意味着要测量的水流速度处于仪器前方的渠道中心。有些型号集成了用于测量深度的压力传感器。脉冲多普勒系统使用两个或多个声束来接收已被水中悬浮颗粒所反射的信号。声束被进一步“划分”为可测量整个水柱中各层水流速度的离散单元。对于SonTek-IQ，共有四束声束-一束在渠道中心朝向上游，一束在渠道中心朝向下游，一束偏斜声束朝向渠道右侧，一束偏斜声束朝向渠道左侧。SonTek-IQ还具有用于测量水深的第五束声束以及压力传感器。SonTek-IQ Plus版本提供了流量监测解决方案，适用于深度最大为5m的较大运河和自然环境。具有在水平和垂直方向跨渠道采集小至2cm的单元中的速度分析数据的功能。连续式多普勒系统连续、同步收发的运行方式，其中一个影响称为范围偏置。由于传输的信号与系统的距离越来越弱，因此距离传感器较近的粒子的声学反射对接收信号的影响将大于距离较远的信号。如果通道中的速度分布均匀，则靠近传感器的散射粒子的影响就无关紧要了。但如前所述，通道中的速度通常不均匀。位于发射端附近的散射颗粒产生的更强信号影响，会导致对离系统更近的声波反射产生范围偏差。由于声传输损耗（衰减、吸收），测距偏差问题随着渠道深度的增加而增加。■ 因此由于最大速度通常出现在水面下方，连续波系统的最大渠道深度会受到限制。例如，在水面附近可能存在对实际总流量有着重大影响的高流速情况，但是来自近水面速度的信号输入可能比来自靠近底部的较慢速度的信号输入要弱。通常情况是，底部沉积物浓度较高或颗粒较大，因此具有较强的反射特性。更为复杂的是，这种偏差会随着时间和条件而变化。散射颗粒通常在整个水柱中分布不均匀，并且不同材料的颗粒将具有不同的反射特性。例如，矿物沉积物将具有不同于絮凝剂的散射和反射特性，并且水柱中是否存在沉积物云团及其位置都能够引起幅值不断变化的偏差。在高动态的环境条件下。■ 因此即使在不同流量下校准连续波系统的做法，也可能无法解释和满足存在的众多未知变量。脉冲多普勒系统不受测距偏差的影响。由于系统专为测量精确定时的、以空间为参考的速度数据而设计，因此诸如SonTek-IQ类的脉冲多普勒系统通常会提供更高的速度精度、更高的速度范围和深度范围，从而可以计算出准确的排放量（流量）数据。■ 因此脉冲多普勒系统被认为在更大范围的条件下，尤其在因水力学、水质、颗粒大小和成分而变化的环境中，有更高的可靠性。多普勒流量计（如图所示的SonTek-IQ）根据从水中颗粒反射回来的信号来测量水流速度。通常，水流速度（由箭头表示）随深度和与边界的距离而变化，从而形成速度（流量）剖面（由曲线表示）。对于诸如SonTek-IQ之类的脉冲多普勒系统，颗粒的形状、大小和在水中的分布不会使速度测量结果产生偏差，因为每个测量结果均由在水柱中多个已知位置进行的多次测量组成。即使条件发生变化，脉冲多普勒系统也会捕获速度剖面信息。当流量发生变化或颗粒浓度随每日、季节性或运行因素而变化时，这将获得更精确的测量结果。由于连续波系统缺乏检测流量剖面的能力，因此通常依赖于流量校准，对于每种新的流量或颗粒条件，都可能需要重新校准。SonTek-IQ在意大利普利亚地区Vasca Tavoliere的部署示例。该定制安装架是由Consorzio di Bonifica della Capitanata设计的，旨在安全高效地维护仪器。声学多普勒流量计的典型硬件组件。连续波 (CW) 和脉冲多普勒系统均可采用一体或分体式配置。脉冲多普勒SonTek-IQ（左图）由包含传感器、处理和通讯电子设备的单个单元组成。大多数连续波系统由两个组件组成，传感器通过电缆连接到装有处理和通信电子设备的顶盒。多普勒仪器的波束角（声束“向上投射”到水中的角度）取决于制造商和某种型号。由于波束角会影响本仪器的有效测量范围，因此是一个重要参数。SonTek-IQ采用与垂直方向成35°的波束角，这意味着波束更为垂直。相反，许多连续波系统采用更为水平的波束角，例如与水平方向成20°角。当以更大的水平角度发送时，声脉冲在到达水面之前有着更长的传播距离，传播距离越长，连续波系统的信号越易衰减。在某些情况下，较深的水环境可能导致信号强度不足以测量水柱的中层或上层。某些连续波型号在低功率设置（首先产生较弱的信号）下运行，这进一步增加了在较长距离下信号丢失的可能性。■ 因此在较高的水位下，较大的水平波束角会使测量结果偏向靠近河床的水流速度。同样，通常会针对此类偏差或无法测量的区域校准连续波传感器，但如果环境条件不够稳定，则水深、流态或颗粒条件的任何变化（无论好坏）都会影响信号衰减，因此需要更改校准以保持数据准确性。由于连续发射和接收信号，连续波系统通常具有最小盲区要求极低的优势。■ 因此连续波系统可以在比脉冲多普勒系统更浅的深度进行测量，具体取决于换能器的设计和尺寸。此外，连续波系统通常采用分体两件式设计，并使用一根小型水下传感器电缆将其连接到位于水面某处的大盒子上。由于可以将处理电子设备、记录器和通信模块放置在较大的顶侧盒中，因此可以将水下传感器外壳作得更小，并且可以在较浅的深度进行测量。脉冲多普勒系统可以采用一体或分体式设计。SonTek-IQ是单个单元，只需连接到外部电源即可运行。但是，由于系统包含处理电子设备和内部记录器并采用了更多的声换能器，因此其尺寸可能比大多数连续波设计中可能采用的小型水下传感器要大。此外，如前所述，诸如SonTek-IQ类的脉冲多普勒在传感器面附近设计了最小的盲区。有时，与连续波式多普勒相比，脉冲式多普勒对操作深度的要求更高。

摘要：美国内珀维尔市通过安装准确耐用的流量计，消除了传感器漂移，为流量监测系统提供了可***的数据。通过对这些可***的流量和液位数据进行分析，能够分析市政排水管网的状态，判断入流和渗漏问题，优化对市政排水管网的维护和管理，执行最优的污水管道修复策略，最终减少进入污水处理厂的流量。 关键词：流量监测；市政排水管网；入流和渗漏；优化 The successful application of Sigma flow meter in municipal sewer system Huang Weiming1, Fang Wen2, Marcia Kinley3 (1. Hach Company Beijing Representative, 2.Hach Company Beijing Representative, 3. Hach Company) Abstract: The city of Naperville has installed the strong and accurate flow meter, eliminated sensor drift, and provided reliable data for the flow monitoring system. By analyzing these reliable data of flow and level, we can know the status of the municipal sew system, judge the problem of infiltration and inflow, optimize the maintenance and manager for municipal sewer system, execute the optimized strategy for sewer rehabilitation, and finally reduce the flow into water treatment plant. Key word: flow monitoring municipal sewer system infiltration and inflow optimize 1、市政排水管网概述 市政排水管网是城市基础卫生设施的重要环节。它的作用就是及时可***地排除产生的污水或废水，给城市创造一个安全的生存和生产环境，对于维护城市公共卫生、保障人民身体健康具有非常重要的意义。 市政排水管网有合流制和分流制两种排水系统。合流制排水系统中，生活污水、降雨径流和工业废水混合排入同一管道。分流制排水系统中，生活污水和工业废水在城市污水管道排出，雨水单独由雨水管道排出，能够有效减少降雨对城市污水处理厂造成的冲击。大部分的老城采用的是合流制排水系统，大部分的新城市以及开发区采用的是分流制排水系统，合流制排水系统正逐步向分流制排水系统演变。 2、美国内珀维尔的市政排水管网问题 内珀维尔的污水收集系统是一个独立的下水道系统，包含了469英里的污水管道和19个泵站，大多数管道都是重力流形式。收集到的污水和来自附近沃伦维尔小镇的污水汇合，进入日均处理量约为8.5万吨/天的污水处理厂。 内珀维尔大部分建于20世纪60年代的混凝土管道正迅速变坏，而且，其中还有一部分管道建于20世纪20年代。在污水长年累月的腐蚀及其他环境因素的作用下，污水管道严重老化，破损和堵塞的危险成为市政管理者主要关心的问题。 一方面，由于污水管道的破损，地下水可能会进入污水收集系统。我们称之为渗漏。 另一方面，降雨时，由于雨水管路接到了污水管路，雨水会进入污水收集系统。我们称之为入流。 入流和渗漏问题会引起污水收集系统过载，冲击污水处理厂的运行，造成更高的处理费用和过多的泵房运行成本；还会造成污水管道水位升高，当超过水位警戒线时，会导致污水回流，如图1所示；甚至会造成检修口溢流，破坏环境卫生，影响公共健康。 图1、过载水位警戒线 Figure1. Warning level when overload 所以，只有减少入流和渗漏问题，才能够有效避免污水收集系统过载，从而节省处理费用，保护环境以及公共健康。这就要求能够快速找到具有入流和渗漏问题的污水管道，进行修复。 然而，要在如此多的污水管道中，找到具有入流和渗漏问题的污水管道不是一件容易的事情。况且，污水管道的环境极其恶劣，难闻的、有毒的气体随时会阻止维护工作的进程。随着经济的飞速发展，排水管网也在不断扩大。迫切需要一种快速简便的方法，来找到管网中存在入流和渗漏问题的污水管道。 3、全新Sigma流量计的应用 信息系统是市政基础设施有效运行和维护的关键，包括污水收集系统。对于污水收集系统而言，流量测量技术是信息系统的关键因素。只要能正确使用流量计，就能得到准确的流量，从而为减少入流和渗漏问题提供所需的关键信息。这些准确的流量数据，对于污水管网的运行和维护是很重要的。对污水管网进行恰当的运行和维护，能够减少污水管道的入流和渗漏问题，从而减少对污水处理容量的需求，带来更高的使用率，降低成本。对污水流量进行完全和准确的测量，还能够判断哪些污水管道的入流和渗漏问题比较严重，从而确定需要修复的污水管道。 图2、Sigma流量计探头的安装 Figure2. Installation of the Sigma flow meter 内珀维尔从20世纪80年代后期就开始解决入流和渗漏问题，2002年开始加快问题解决的进程。最近，安装了HACH公司的Sigma AV流量计，如图2所示，并开发出很好的流量监测信息系统，能够提供污水收集系统当前状态的实时信息。 整个流量监测系统有24个固定监测点和10个临时监测点，用于监测排水主干管、干管的重要节点部位的流量。其中两个固定监测点测量来自沃伦维尔小镇的流量，用于收费目的。剩下的监测点主要用于入流和渗漏的监测。在适当的位置安装适当的流量计，根据这些流量计测量到的流量信息，就能知道哪条污水管道的入流和渗漏问题最严重。区分出市政排水管网中入流和渗漏问题最严重的这部分管道，就能有针对性的进行修复。这样，就把有限的资源投入到收益最大的地方。 流量监测系统的功能，是建立在可***的流量信息上的。目前，有多种不同的测量技术用于流量测量，选择正确的流量和液位传感器是很关键的。Sigma AV流量计采用更加准确耐用的流量测量技术&mdash &mdash 多普勒频移技术。如图3所示，流体中的颗粒（固体或者气泡）使超声信号产生频率偏移，频率偏移和颗粒的流速成比例关系，通过测量频率偏移测量流体的流速；利用浸没压力方法测量液位从而计算出横截面积。根据测量的流速和面积计算出液体的流量。 图3、Sigma AV流量计测量原理 Figure3. Measuring principle of Sigma AV sensor Sigma AV流量计能够在苛刻的条件下，连续测量而没有漂移，能够在更长的维护间隔内工作，提供更加准确的流量数据，从而为城市的入流和渗漏减排计划带来了进一步的准确度和效率。 有了可***、精确的流量计后，就能准确的判断污水管道的问题了。比如： 1、流速下降了，液位却出现了一个峰值，说明有堵塞现象。用户有一次在查看数据时发现了这种现象，如图3所示。到达现场提起检修口的盖子检查，发现有一块胶合板堵住了水流。 图4、污水管道出现堵塞的情况 Figure4. Showing sewer blocked 2、在下雨时，流量有明显的增加，说明该污水管道有入流或者渗漏的问题，需要对这段污水管道进行修复。如图4所示。 图5、下雨时污水管道有入流和渗漏的情况 Figure5. Showing infiltration and inflow when rainfall 如果在下雨时，同时有多个测量点的流量有明显的增加，说明有多段污水管道出现了入流和渗漏问题。而又因为资源有限，不能同时解决所有污水管道的问题。这时候，就需要判断入流和渗漏问题最严重的污水管道，先解决这段污水管道的问题具有最大的成本效益。比较这几个流量增加的测量点，可以发现流量增加最多的那段污水管路就是入流和渗漏问题最严重的。 到目前为止，内珀维尔市已经减少大量的入流和渗漏问题。由于问题的解决，减少了进入污水处理厂的污水量，就没有必要再新建污水处理厂了。 4、结语 内珀维尔市安装了更加准确耐用的流量计，为流量监测系统提供了可***的数据。内珀维尔市的流量监测系统，由于有了可***的流量和液位数据，能够快速准确的分析城市排水管网的状态，判断污水管道是否出现入流和渗漏问题，对城市入流和渗漏减缓工程有着积极的意义。根据排水管网的分析结果，能够优化对污水管网的维护和管理，还能够执行最优的污水管道修复策略，最终减少入流和渗漏问题对污水处理厂造成的冲击。 通过准确、连续的流量和液位监测，我们不仅可以分析污水管道是否堵塞，是否出现入流和渗漏问题，还可以分析污水管道是否发生污水泄漏，从而防止污水对环境的污染，保护环境。 参考文献 [1] 叶萍. 中国城市排水建设发展的思考. 时代金融. 2006，4：95-97； [2] 王昊阳. 城市分流与河流制混合区域排水管网水质水量变化特征. 清华大学硕士学位论文. 2007，6； 详情请点击