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8 d" F- H9 N& b# ` 作者：刘爱国
4 u5 I5 h" l7 H, C 在黑臭水体治理、污水提质增效工作中为了快速、低成本的掌握排水管道的运行特征，需对其液位、速度及流量等多种基本运行参数进行测定，以评估雨污混接、地下水或河水入渗等情况。常用方法有直接测量流量法和直接测量流速计算流量两类。直接测量流量法指通过流量计直接测出排水管道中的水流量的方法；测量流速计算流量法指使用流速计测量出排水管道中的水流速，再通过计算，得到流量。 ) W. _/ u* a9 g: G1 m( r
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) H* o6 ]' @6 [ 现场流量监测 9 K+ y$ b x% p: N
一、直接测量流量的方法 9 P+ f2 Y2 |3 S! F
水流量的直接测量方法有堰法，槽法及容器法等。在排水管道中常用且使用方便的为容器法，具体如下：
+ U7 w! Q" ~( E# x& S- o3 f$ ~0 N/ n 容器法一般在排水量小或渠道形状不规则时使用。具体做法是：选取有落差的地方，将采样器置于内部，接纳排水。记录一定体积的排水所需时间，重复测量数次取平均值，流量计算公式 - s2 j" \1 S! I+ q
Q= V/t 9 w7 q! D8 o0 u
其中Q：水流量
: o, @% M/ H$ b1 c/ Q& C V：计量容器的体积。 8 n6 c; S8 i3 g: a' j
t：排水充满计量容器的时间 0 N; a- ?7 a+ W, d% f
本方法简单易行，测量精度较高，适于水量较小的连续或间歇排放的水。 % y. A$ ~3 Z0 O4 A+ z% c
二、测量流速计算流量的方法 " C6 f. h" B0 S+ \
水流量流速测量法，分为流速仪法及浮标法等。
`" r$ s" i9 W, c' N5 ` 1、浮标法
9 |% k0 O/ F( Z; [9 l& d' X 在水流较缓、管（渠）较直的情况下，选取一段底平、大于10m、有一定液面高度的直管（渠）道，将泡沫、木块、乒乓球（注入1/3水）、树叶等漂浮物置于水流中，在无外力作用下，漂浮物流过被测管段，记录距离、所用时间，重复几次，取均值。 : X: x+ N7 ~) a( V' \# \4 B, I) `
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浮标法测流示意图 * F" g/ R/ i2 @& ^/ m9 o
流量计算公式：Q=αLS/t
# ?" r7 I( C9 `6 y2 Q$ Y9 n 式中α—平均流速与主轴线表面流速之比，它随着水渠的宽度，水深，水渠的状况等条件不同而不同，α不是恒定的数，一般渠道α=0.7；充满圆形管道的流体，α=0.5。 & m) d X' C9 t, j* A& ?+ J" X
L—是测定管（渠）道的长度 : q/ A! D' f% m. h
S—管（渠）道的过水断面面积
- G& `8 z; ? `! \" y" A t—浮标通过测定管（渠）道段漂流所用平均时间 $ K1 l5 v( r/ P! v: F
本方法简单易行，但精确度较差，一般在无其他测试条件下时使用。 7 J, E: }, i. Z" c4 ?& \
2、流速仪法 V K/ L& T* o- j
流量较大且排水管（渠）道规则时，选用流速仪法。截面积是固定不变的，且较易计算，故流量的测定可转变为流速、液位的测定。在排水管道内不易直接测量时可在河流或水渠中测量，此时需选在水流状况良好的地点进行。当过水断面较宽时可在与水流方向成直角的断面上分成适当大小的小区间进行测量，求出各小区间流量，求和后即得总流量。由于速度测量值对流速分布和流态的依赖性很大，要求直管段很长(20倍管径以上)。流量测量准确度主要取决于渠的尺寸、形状及截面误差。
' I" [7 l1 J2 A* O6 O* ` （1）螺旋桨流速仪 0 G4 n3 t- A4 N/ z% \8 v) c1 y, P
流速仪工作时，旋桨受水流驱动产生回转，带动旋转部件的转子部分同步旋转，安装在转子上的磁钢激励干簧管产生通断信号。此信号经设备转换为数字显示信号。测量一段时间（不少于100秒）内的平均流速。
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便携式流速流量测定仪
5 i$ I4 T2 \5 G) K 水深测量：用测杆直接观读。用测杆测深时，往往有壅水现象，因此要修正壅水影响的水深误差。即在观读水深时，减去壅水高度。在混凝土衬砌的断面上测流，水深测量应注意测杆底盘下面一段尖端的高度，根据分化刻度的起始位置，进行相应的处理。
) [$ M7 Q5 u- @; T 流量计算公式：Q=VS
0 V0 w5 t7 k( | 式中Q—流量
/ B) [. w# C9 d S—污水水流截面积
" U3 e: t0 O( v- K7 \ V—截面平均流速
7 s6 V6 e5 I. d: r, f, Y 在水深不低于10cm，最好大于30cm，流速不小于0.05m/s时选用。 2 c/ e5 p+ O0 G7 z5 R4 ]
（2）超声波流量计
; r- x: B0 k1 B: g% G 超声波流量计使用速度面积法，速度测量使用超声波或多普勒超声波测量原理，液位测量使用压力或超声波测量原理。对排水管（渠）道内的水流测量平均流速和液位(截面积)来计算流量值。准确度在±1%~±5%。 + f: X5 V$ M) I, X* t7 W9 Z
超声波在传播路径上如遇到微小固体颗粒或气泡会被散射，因为用时差法测量含有这类东西的流体时就不能很好地工作，它只能用来测量比较洁净的流体。而多普勒法正是利用超声波被散射这一特点工作的。多普勒超声波通过测量介质中的颗粒、气泡等反射物实现流速测量，因此适用于杂质含量较多的脏水和浆体的测量，如城市污水、污泥等。可实现排水管网或明渠等场合的满管、非满管流量。监测精度和灵敏度较高，在受背压状态下流动也能测量，可以测逆向流。它可实现多声道测量,准确度随声道的增加而提高,性能稳定。 ' f8 }8 d5 J7 R5 S3 ?+ |6 o* @
: H; z9 @6 \& W1 W# U: W 超声波流量计流速测量原理 7 p9 N) D) F- b) z' ~
液位测量使用压力或超声波测量原理，可全量程测量，在过载情况下依然提供正确液位值。 8 \" G* r: J5 `/ v
超声波流量计采用面积—流速法，采用液位、流速一体化传感器，同时测量液位和流速，积算仪再根据截面形状及流速、液位信息计算流量。
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2 \8 @6 y: ~+ F; x1 y 多普勒流速、液位监测探头 8 E3 w! k3 Q4 k4 e a
可用于排水管道、排水渠、排水口、断面宽度小于5米的河道的在线流量测量，有便携式、固定式。超声换能器有接触式和非接触式。 9 B1 n7 f2 N* s6 ~
三、污水管道在线流量监测及数据分析 * g; X: u( K9 ?! I, a" ?
为了快速地了解污水管道的连续运行特征，需对其液位、速度及流量等多种基本运行参数进行连续测量，获取持续监测数据，通过这些基础数据的统计、分析，可以全面地掌握污水管道中流体变化规律，进行污水管网系统现状诊断与评估。多普勒超声波流量计加装存储设备可以实现本地储存或经中继器缓存后通过无线网络发送到数据平台实现在线监测。可进行瞬时、短期、长期的流速、流量、液位监测。 & e. U7 J) r6 A( m: d
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多普勒流量计 . W4 }$ e% |0 o' l
1、多普勒超声波流量计安装
% P, {0 }# g' z+ T6 d) V+ ? 流量计可用于测量直通井内满管或非满管时，管道内部的水流量情况。安装时只需要将探头置入管道内部底侧中心，正向/逆向对准水流方向即可。特殊情况如存在淤泥也可进行测量，只需将传感器提高到淤泥上进行固定且记录好相关参数即可。
; {+ G( |$ v/ c5 I" \2 X5 O$ t （1）监测点位选择 ; ?) V! ~. L$ Y& _1 p1 w7 h
只有选取了合适的安装点位才能对管网进行较为精准的流量测量。一般窨井不能为三通井或多通井，不要存在跌落或其他造成水流紊乱的情况，不能选取90°转弯井，不能选取增压管直排出来的消能窨井，不能选取与河道相通且出口低于河道水面的窨井。尽量选择能清晰看见管道和水流情况，水流不复杂的检查井进行测量，便于获取更为准确的数据。 - e1 n1 c# v+ x* G- w5 F! l1 v
（2）传感器和主机的安装
8 U& }) O3 m' `) U [/ n4 h- F 将多普勒流量计设备置于检修井中，L型的支架头部（探头）伸进管道内置于管道底部，对着水来的方向。探头支架和主机固定在井壁上，连接探头和主机线缆。检查设备运行情况，将设备编号、断面规格、泥深、探头位置等上传数据平台进行参数设置后可实现在线水流量数据监测。
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监测设备安装示意图
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0 e$ ]3 H. G$ i5 d( p; S; }8 i 主机完成安装后现场照片 6 ]1 V R' \3 O
4 @$ J2 n) z" s3 \ 管道安装监测探头示意图
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# ]2 `3 W# s& M: z0 U8 ^$ U 渠道安装监测探头示意图 8 \+ h: o$ w0 u/ Q
* t9 b$ F! v9 ^1 i$ g 宽渠道安装监测探头示意图 ' D9 n2 L3 w+ o. |( V5 c: }1 M }. `
2、监测数据分析 ) e" i2 n- }) l3 G
对液位、流速、流量数据进行的瞬时、短期、长期监测数据进行分析可了解污水管道运行规律、管道外来水入渗、水量统计及变化规律、定量识别雨水入流量等。
* }( i! w6 t' _6 U: W" a （1）旱季污水管道外来水入渗分析 * t# |$ [+ l6 e1 ~- @! [
非降雨时段地下水渗入量全天是恒定的，经长期监测在凌晨3:00-6:00排水系统内污水流入量很少，小区域（生活小区）的排水系统出口处的流量是地下水入渗量（夜间最小流量法）。 . }; k3 \: ^6 a2 \
7 j5 w! G+ F# k+ h' h 某生活小区旱天流量分析图 5 v$ O2 l6 J2 w6 e& G* {; x$ C
（2）降雨期污水管道雨水入流分析 1 r, P" C9 d$ }' M9 S
将降雨量与降雨引起的干管流量增加量进行拟合，随着降雨量增加污水管网中水体流速、流量随之增加。 2 H3 J0 L6 M4 O! B1 {! w6 q- \' H& a
0 `, Y& @7 [8 z6 R+ D( z+ a v 污干管液位与流量监测数据与降雨之间的关系 # n* {2 ]+ w5 `; Y" N, ^9 H T
管道内流量和液位受降雨影响波动较大，在干旱期管道非带压运行，当有降雨事件发生时，流量和液位明显增加，造成管段不同程度带压运行。可见，排水收水区域内排水系统对降水过程有十分明显的响应。 8 e% O2 b( w! ~: h' z0 X
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