观点讨论：排水流量测量如何做到更准确？

流量、液位、水质数据是排水管网、排水泵站和污水处理厂精准运维管理的基础，其中

流量、液位、水质数据是排水管网、排水泵站和污水处理厂精准运维管理的基础，其中 流量 的准确与否又是排水运维质量管控的难点与重点 。流量数据的严重误差，直接影响运行调度、药剂投加、精准曝气、工艺调整，以及排水设施入河水量与污染物计算和运行费用结算。

流量测量有如下特点 ：

① 流量管理是城市排水运维的基本要素；

② 流量设施投入小，效益大；

③ 有多种排水流量测量方法与设备，但须有合适的应用场景及正确的安装；

④ 受排水管网中杂质、有害气体的影响，测量设备容易被缠绕、损坏，导致数据失准；

⑤ 缺少排水流量计在线校准的标准和方法。

排水系统流量精准测量需要解决的问题：

① 进一步挖掘排水可靠流量数据的价值；

② 降低流量测量误差（常见为 20% 以上）；

③ 减少对流量计的维护工作量（常见 1 周左右）；

④ 提高流量测量设备的寿命（常见 1~2 年）；

⑤ 采用可靠的在线校准方法，校核流量测量数据的准确性。

目前，这些问题已在排水行业开始引起重视。

在此，我们想回顾一下排水管网流量计的发展历史，根据实地调研和工程实践总结，就流量计的选择、安装点的选择、安装方法和数据梳理等分享一些观点，即：流量测量 ≠ 流量计；流量测量 = 准确的流量计 + 合理的测量点 + 适合的安装方法 + 科学的数据分析。

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排水管网流量计的发展史

目前对排水设施的流量测量，总体上分为接触式流量测量和非接触式流量测量（见图 1 ）。

接触式流量测量： 包括超声波多普勒流量计、超声波时差法流量计、超声波互相关流量计、电磁流量计；

非接触式流量测量： 包括雷达流量计和计量堰槽（ Q - h 关系）。

图 1 排水系统主要流量计的分类

现有的水系统流量计都有漫长的发展历程，比如：

文丘里流量计基于伯努利方程（ 1726 年），第一台文丘里流量计出现于 1886 年；
巴歇尔槽流量计由文丘里流量计改进发展而来，第一台巴歇尔槽流量计出现于 1922 年；
电磁流量计基于基于法拉第原理（ 1831 年），第一台电磁流量计出现于 20 世纪 30 年代；
超声波时差法的第一个专利产生于 1928 年，第一台商用的超声波时差法流量计出现于 1955 年；
超声波多普勒流量计基于多普勒效应（ 1842 年），第一台商用的超声波多普勒流量计出现于 20 世纪 60 年代；
自 20 世纪 60 年代中期开始，互相关流量计的论文已陆续发表在英文期刊； 20 世纪 80 年代，国内已开始超声波互相关流量计的研究（参见：泽人等 . 仪器中的相关技术 - 互相关流量计 , 电子测量技术 [J] ， 1986 年 06 期）。第一台商用的超声波互相关流量计出现于 2000 年。

排水系统流量计的发展史告诉我们：

现有排水系统流量计的测量原理都是清晰、明确和可验证的；
每款成熟的排水系统流量计，都需要长期的理论探索、试验验证，以及不断的产品迭代。

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流量计的选择

通常，可以根据如下条件选择合适的流量计：

前后平直段长度；
测量精度要求；
几何形状（外形、尺寸）；
当前水位和高水位；
预计当前流速；
测量介质的浊度（河水、雨水、污水等）；
流动模式（湍流 / 对称）；
供电和通信方式；

不同应用场景下可能的流量计选择种类见表 1 。

表 1 排水系统主要流量计的分类

备注： √ 是指可以使用，但测量不准确性偏大，或者受 到 法规限制。

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安装点的选择

选择合适的安装点时，需要考虑：

雷诺数对流速剖面的影响；
前后平直段、流速断面和测量精度的关系。

雷诺数（ Re ）是重要的无量纲量，可帮助预测不同流体流动情况下的流动模式。在低雷诺数下，流动倾向于以层流为主；而在高雷诺数下，湍流是由流体速度和方向的差异引起的。

安装点需要选择在雷诺数＜ 5000 的位置。对于非满管的情况，通常要求平直段长度 ≥ 10 D 。

图 2 非满管渠道不同位置的流场变化

（此图来源法国斯特拉斯堡大学 2013 年博士论文，作者 Laurent SOLLIEC ，博士论文题目 ： Real time flow rate modelling in disturbed conditions from velocity profilers ，即 在扰动条件下的速度剖面仪实时流速建模）

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安装方法的选择

除了电磁流量计需要在设计阶段提前预留安装位置，开挖仪表井和做倒虹人为形成满管条件之外，排水系统流量计的安装方式大体如图 3 所示，可以根据需要选择。

图 3 排水系统流量计的安装方式

① 胀圈法安装：解决 DN150 ~ DN2000 管道内楔形传感器的安装。胀圈法安装获得稳定的安装角度和安装方向，是目前楔形传感器比较理想的安装方式。缺点：需要人员进入管道内安装，存在一定的安装风险。

② L 杆安装：用于管道内 12 点钟和 6 点钟方向的安装，是常用的安装方式。 L 杆安装的优点是简单快速，通常无需人员下井施工；缺点是容易挂住垃圾，导致维护工作量大，传感器很难精确定位，增加测量误差。也可以考虑采用改进的 L 杆安装，降低维护工作量。

③ 浮板 / 浮船式安装：可以用于敞开渠道的流量测量。其优点是安装和维护方便，可以同步测量流速和污泥界面高度，但不适用表面垃圾很多的应用场景。

④ 渠道侧壁测量安装：将传感器固定在渠道侧壁上。其优点是可以解决大尺寸的渠道流量测量，其缺点是需要人员进入渠道内施工，传感器必须安装在最低液位之下。

⑤ 插入式安装：将管式传感器插入到管道内的安装。其优点是：安装快速，维护方便，传感器仅仅插入管道内壁 12mm 因而不容易挂住垃圾；其缺点是需要进行管道开孔，并提前预留施工、安装和维护的空间。

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数据处理

排水系统流量测量过程中，确实会获得一些异常的数据。 我们建议，认真分析每一个异常数据，而不应直接 ” 优化 “ 这些数据。

我们建议的数据处理方式：

① 采用液位冗余的测量，获得 2 组以上的同步液位数据，判断传感器是否被异物覆盖，并进一步判断是否应该 “ 优化 ” 已确认的传感器被异物覆盖期间的测量数据；

② 与雨量计的数据结合判断，流量的异常数据是否由降雨导致，并进一步分析降雨、汇水分区等因素对流量的影响；

③ 根据流量计的自学习曲线，分析判断传感器自身的异常情况；

④ 除了传感器被异物覆盖、降雨影响流量及传感器异常等情况，都不应该对已获得测量数据进行 ” 优化 “ 处理，以避免丢失有用信息。

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结语

① 排水系统的流量测量重要性排序： 维护间隔长、设备寿命长、适合的测量精度（适合的流量计） ；

② 维护间隔长、适应性强、使用便捷是优先事项；

③ 根据应用场景、测量精度要求等条件，选择合适的流量计；

④ 安装点需要选择在 Re < 5000 的位置；对于非满管的情况，通常要求平直段长度 ≥ 10 D ；

⑤ 根据现场条件，选择合适的安装方法；

⑥ 数据质量是数据分析和应用的前置条件；测量精度不高，数据变化趋势也会错误；

⑦ 科学合理 地进行 数据分析和处理，而不是盲目 “ 优化 ” 数据或曲线 “ 平滑化 ” ，是提高数据质量的重要原则 。