污水处理厂巴氏计量槽实用性研究
・循环经济研究
污水处理厂巴氏计量槽实用性研究
北京建筑工程学院环境与能源工程学院牛住元张雅君王文海
摘要：经过对北京某大型市政污水处理厂（Ａ厂）调研，发现出水干管巴氏计量槽存在较大的计量误差。本文通过实测研究，结合巴氏计量槽工作原理，分析其产生误差的根本原因。同时，对其在大型市政污水处理厂的实用价值进行评价。
关键词：巴氏计量槽喉管上游液位
前言
巴氏计量槽在工程应用中已有近百年的历史，是污水处理厂应用
最为普遍的计量设施之一。经调研发现，北京某污水厂（以下简称Ａ厂）
出水总干线上的巴氏计量槽长期存在计量不准确的问题，一直处在弃
用的状态。巴氏计量槽施工复杂，造价较高，而且上下游水位会形成一
定的水位差，造成污水处理全流程水头头损失的增加。可见，巴氏计量
槽不能正常计量，对于基建投资和污水提升能耗都是一个不小的浪费。
所以，研究其误差产生的原因和在污水处理厂中的实用价值具有十分显著的意义。
一、巴氏计量槽计量原理
巴氏计量槽是一种明渠形式流量计，在研究过程中通常可以把污
水在明渠中的流动，近似看作理想流体的定常流动。根据流体在定常流条件下的伯努利方程，任意时刻的总能量（位置势能、压力能、流体动能之和）保持恒定，见式１。
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式中，ｃ一常擞，Ｐ一压能，二ｍｖ２～流｛：｛｝＝动能，ｐｇｈ—位置势能。
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明渠中的流体可以看作是在无压状态下的流动，因此在明渠流中应用伯努利方程时，可不予考虑。根据伯努利方程，若在明渠中设置一收缩段，液体在流经此处时，流速就会增大，同时致使液流液位下降，节流使液位能变成了流速能，测量这个液位的下降高度就可求得流量，用这种方式计量流量的装置叫做文丘里水槽。水路的收缩节流方式有很多种，有的在侧壁收缩，有的使水路底部隆起节流，也有两者都采用的，由此产生了各种形状的文丘里水槽，巴氏计量槽便是应用最广泛的文丘里水槽之一。
１９２２年美国的Ｒ．Ｌ．Ｐａｒｓｈａｌｌ在文丘里水槽的基础上经过改进，研究制造出了巴歇尔水槽，即巴氏计量槽。巴氏槽由三部分组成：喉道上游具有水平底面的均匀收缩段；具有下降坡度底面、侧面宽度狭窄且互相平行的喉道段；下游具有上升坡度底面的均匀扩散段。根据喉道的宽度（用表示），可以把巴歇尔水槽分为三种类型：小型槽（Ｗ＝０．０７５ｍ、０．１５２ｍ、０．２２８ｍ）；标准型槽（Ｗ＝０．２５’２．４０ｍ）和大型槽（Ｗ＝３．０５“５．２４ｍ）［１］。
自然流动的液流在坡度平缓的水路中流速缓慢，而经水面传播的波的速度却比液流的速度要快，这种液流状态称为稳定流。在流经文丘里水槽时，这种液流的变化会产生波，并向上游传播到很远的地方，从而对上游液位产生影响。如果水路的坡度很陡，液流的速度比波的传播速度快，这种液流称为射流。射流在经过水槽时，波无法向上游侧传播，
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万方数据
就不会对上游的液位造成影响。巴氏计量槽就是利用这一原理，使喉管的流速增加，变成射流状态，使喉管上游液位保持相对稳定，作为计算流量的重要参数，从而简化了流量计算公式。巴氏计量槽流量计量使用的多是试验得来的经验公式。见公式２。
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（２）
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二、影响计量准确性的因素（一）设计参数的合理性
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１．合理设计水槽规模
如果选用的量水槽太大，不仅价格昂贵，需要把水路拓得很宽，而
且液位变化很小，测量精度较低：而如果选用的量水槽太小，液流的流
动损失太大，上游侧的液流有可能溢出。因此，选择量水槽尺寸时，应同时考虑最大流量和最小流量的工作条件，应使整个流量测量范围内水槽液位的变化范围在１００嗍以下。
２．严格依照设计要求
计量槽应设在渠道的直线段上，直线段的长度应不小于渠道宽度的８’１０倍。在计量槽上游，直线段不小于渠宽的２’３倍；下游不少于４’５倍。计量槽的轴线应与渠道中心重合，且上下游渠道的坡度应保持
均匀。巴氏计量槽对于设计和施工的要求都很高，如尺寸不符就会影响
计量精度。
（二）喉管上下游液位比国，／Ｈ，）
上游液位不受下游影响的流动称为自由流，巴氏计量槽的流量计算就是基于自由流条件下得出的，其流量由上游测量液位和水槽的喉管尺寸决定。但是，在水路中满水流动而无法产生足够的上下游液位
差，或受潮水涨落的影响使下游侧的液位产生大幅度的变化时，巴氏计
量槽就不得不在潜没流条件下计量。对于巴氏计量槽而言，下游侧液位的上升会使流经量水槽的液流流量减少，当喉管上下侧的液位差小于一定值时，上游侧的液位就会受到下游液位的影响而发生变化。采用标准型巴氏计量槽时（ｗ＝Ｏ．２５’２．４０１１１），当喉管下游与上游的液位高度比Ｈ２／Ｈ１兰０．７时为自由流，超过此数值即为潜没流。上下游水位如图１所
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上游液位受下游影响时的流动称为潜没流。如果巴氏计量槽处在
潜没流状态下，流量计算时就要同时考虑上下游的液位高度，选择潜没流公式计算。巴氏计量槽的计算方法，通常在水槽设计阶段直接按自由流设定。此时如果流量计算方法不能得到及时更正，测量结果就会产生较大误差。由此可见，在设计和施工可靠的基础下，巴氏计量槽喉管上下游的液位差变化导致潜没流状态是影响计量精度的重要因素。
三、Ａ厂巴氏计量槽实测分析（一）总出水巴氏计量槽设计特征
Ａ厂采用的巴氏计量槽分为两种，一种为设置在总出水管线上，喉
管尺寸为２ｍ，计量污水处理总量；另一种设置在污泥回流渠道上，喉管尺寸为０．９ｍ，计量污泥回流量。
出水巴氏计量槽设在ＤＮ２０００的总出水管线上，采用喉管尺寸为Ｗ＝２．ＯＯｍ的标准型槽。槽宽为２．８８ｍ，上游渠道总长ｌＯｍ，下游渠道长ｌｍ，上下游渠道均按０．０１５％放坡，并在上游设置观测井，具体设计特征
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如图２所示：
通过对巴氏计量槽设计参数和污水厂设计平均处理流量的分析，喉管前后水深比Ｈ２／Ｈ１耋０．７，设计符合自由流的要求。运用自由流流量计算公式，得出出水巴氏计量槽设计平均计量流量为４０．２万ｍ３／ｄ，与Ａ
厂设计处理水量４０万ｍ３／ｄ相吻合。污泥回流设计平均计量流量为
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１６．８万ｍ。／ｄ，与８０％的设计回流比基本一致。设计参数见表２—７：
（二）计量误差实测研究分析
利用公式２，对污水于管巴式槽（＝２．ＯＯｍ）在最大和最小上游液位水
深时的计量流量进行计算，将计算结果与日进水流量变化曲线对比。清
河污水处理厂日平均最小进水流量约为１５０００ｍ。／ｈ左右，最大流量平均
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在２２０００ｍ。／ｈ以上。计算得出巴式槽的计量流量大幅度小于实际处理水量，可见其误差十分明显，计算数据如表所示。
Ａ厂实际每天平均处理水量为４５万吨左右，已经远远超过了设计处理能力４０万吨。由于污水进水流量每天变化幅度较大，所以经过对水槽喉管上游液位测量发现其随时间推移变化也很大。上游水深变化趋势与总进水最的变化趋势一致，但是由于处理构筑的停留调节作用，具有明显的时间延后性。实测结果表明，喉管上游水位变化最大时超过
万方数据
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了３０ａｍ，变化幅度远大于设计手册中规定的ｌＯｃｍ。由此可见，污水厂处
理流量负荷过大，超过了巴式槽计量范围，且喉管上游水位随时间大幅
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变化，是导致巴氏槽较大计量误差的原因之一。上游液位变化趋势见图
３。
出水巴氏计量槽喉管下游渠道设计长度仅为１ｍ，明显小于渠道４’５倍长的设计要求。经计算，明渠的过流能力明显大于设计排水管线的过流能力。又因明渠段长度太短，所以导致排水不畅。因此，喉管下游
发生壅水现象，使得下游水位上升，上游水位降低，上下游水位差逐渐减小变成潜没流，从而导致计量数值偏小。
另外，雨季由于清河水位上涨，造成出水管线末端排放不畅，会加剧喉管下游的壅水现象，加大巴氏计量槽计量误差。由于下游壅水，造成上下游的水位相差很小，实际测得喉管上下游液位比Ｈ２／Ｈ１普遍大于０．７，表明水槽一直处在潜没流的状态下。因此可见，巴氏计量槽喉管
下游产生的壅水现象导致的潜没流状态｜，是水槽计量不准确的另一原因。
四、结论
综合Ａ厂出水干线巴氏计量槽计量误差实测分析，日处理水量负
荷过大，超过巴氏计量槽设计计量范围较多，是导致计薰不准确的主要原因。另外，巴氏槽同时设计存在缺陷，下游管渠设计长度过短且排水
干管过水能力不强，也是影响计量精度的重要因素。由此可见，巴氏计量槽在进水流量变化较大的污水厂，误差较大，适用性不强。由于Ａ厂处水流量在排放以前已由二沉池薄壁三角堰控制，所以出水干线设计巴氏计量槽的必要性不大。
参考文献：
ｆ１］齐伟污水排放计量系统的研究．太原理工大学硕士学位论
文，２００７，１８，２２
【２】张自杰排水工程（下）．中国建筑工业出版社，第四版：４３３
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