摘要:針對雨水(shuǐ)口及其他跌落(luo)水流的流量測(ce)量問題，提出一(yī)種基于動量變(bian)化率而測定來(lai)流沖擊力的計(jì)量流量的方法(fa)。具體步驟是通(tong)過力傳感裝置(zhi)和稱重變送器(qi)🔴将下落水流沖(chong)擊力轉化爲電(dian)壓信号，依據率(lü)定實驗過🧑🏽🤝🧑🏻程中(zhōng)電壓值的變化(hua)，最終換算成雨(yu)水口徑流量計(ji)
。結果表明，應用(yong)該計量方法進(jìn)行雨水口流量(liàng)測量，其獲得👅的(de)🌈流量精度較高(gāo)，适應雨水口的(de)流量變化,是一(yī)種計✨量雨水口(kǒu)‼️流量的有效方(fang)法。
0引言
海綿城(cheng)市建設爲中國(guó)城市現代雨水(shuǐ)控制利用與🥵管(guǎn)🔞理系🍉統的發展(zhan)提供了機遇,但(dan)同時也帶來了(le)極大的挑戰與(yu)困惑”。監測雨水(shui)水質和計量雨(yǔ)水流量是研究(jiū)雨水問題的基(ji)💯本工作之一，是(shi)建設海綿城市(shi)的初始環節。雨(yu)水口是雨水排(pái)水系統中收集(ji)地表水流的構(gòu)築物，是地面徑(jing)流轉化爲管道(dào)排水的🐇過渡點(dian)口，也是城市非(fēi)點源污染物進(jin)入水環境的主(zhu)要通道。雨水口(kou)接納由零至徑(jing)流峰值範圍内(nei)的雨水流量，對(duì)流量計🎯提出了(le)較高的要求:首(shǒu)先要求測量具(jù)備精度好，其次(cì)要求流量計具(ju)有較廣的量程(chéng)比和良好的洩(xie)流能力。
國内現(xiàn)有的針對雨水(shuǐ)口的專利已超(chāo)過120項，其.主要涉(shè)及雨水口的截(jié)污淨化功能印(yin)。然而，涉及雨水(shui)口流量💜測量方(fāng)面的專利屈指(zhi)可數。由于雨水(shui)口空間有限，現(xian)有的水力學法(fa)的堰槽等流量(liàng)⛷️計量設備在🚩雨(yǔ)水口安裝不便(biàn);雨🐆水徑流小時(shí),現有的流速面(mian)積法流量計大(dà)🛀多難以滿足⛷️測(cè)量精度高的要(yao)求。國内外常用(yong)的示蹤劑法測(ce)量亦由✊于測量(liàng)點位選取困難(nán),而對雨水口流(liu)量計量束手無(wú)策日。找到一種(zhǒng)科💋學合理的雨(yǔ)水口流量計量(liàng)方法勢在必行(hang),因此本研究提(ti)出了一種基于(yú)動量變化率測(cè)定來流沖擊🚶♀️力(li)的計量方法以(yǐ)滿足研✏️究及工(gōng)程問題♋的要求(qiú)。本文主要闡述(shù)中國發明專利(lì)一一種雨水口(kou)流量測量裝置(zhi)傳利号:201610001374.4)的測量(liàng)基本原理并對(duì)該方法進行實(shi)際應用。
1雨水口(kou)流量計設計
1.1計(ji)量原理.
水流跌(die)入雨水口示意(yì)圖如圖1所示。
通(tōng)常雨水口接收(shou)的徑流通過雨(yu)水篦子跌水流(liú)入市政雨水管(guan)道，該過程中水(shuǐ)流在垂直地面(miàn)方向上的分:速(sù)度爲零，水流在(zai)下落過程中屬(shǔ)于自由落體☀️運(yun)動，其⛹🏻♀️任意位置(zhì)的垂直分速度(dù)始終符合公式(shi)(1):
式中:Vy爲垂直分(fen)速度,L/s;h爲自由落(luo)體高度,m;g爲重力(lì)加速度,9.8m/s'.
水體擊(jī)落平面受力分(fen)析如圖2所示。
假(jia)定水體在下落(luò)的過程中,落在(zài)某一個水平平(ping)闆上後流走。取(qǔ)🍉水體撞擊平闆(pǎn)瞬間，進行受力(li)分析。取截面EE與(yǔ)B-B之🏃🏻間的🔞Δh高度的(de)水體爲控制體(tǐ)，其中EE面上的速(su)度垂🎯直于地面(mian)，表示爲Vy;其中B-B面(mian)上的速度與地(dì)面❓平行，表示爲(wèi)V水平。平☔闆對水(shuǐ)的作用力P等于(yu)沖擊力F與對應(yīng)的△h高度的水體(tǐ)重力G之和。
對垂(chuí)直于地面方向(xiang)使用恒定總流(liú)動量定律進行(háng)分析:
式中:?F爲控(kòng)制體内的合外(wai)力，N;P爲平闆對水(shuǐ)的作用力,N;Q爲總(zǒng)流量,m3/s;ρ爲🤟水的密(mi)度;V,爲垂直分速(su)度,L/s。
對式2)進行處(chu)理,将式(1)代入式(shì)（2），可得:
根據牛頓(dùn)第三定律，平闆(pǎn)所受力即爲其(qí)對水體的作用(yòng)力P,理論上隻需(xū)測出平闆所受(shou)到的力即可通(tōng)過式（4）求出流量(liang)Q。本流量計通過(guò)力傳感器将水(shui)體下落到平闆(pǎn)所受到的力傳(chuan)感給稱重變送(song)器，通過設置稱(chēng)重變送器濾波(bō),使其排除幹擾(rao)後将模拟量轉(zhuan)化爲電壓值，并(bìng)通過DC電壓記錄(lù)器記錄💃🏻并保存(cun)。雨水口流量計(jì)流量與電壓轉(zhuǎn)換關系如圖3所(suo)示。
上述推導過(guo)程忽略了重力(lì)G及水流下落過(guo)程的損失,必然(rán)帶來❌一定誤差(cha)。因此，實際應用(yong)時應通過已知(zhi)的🍓流量标定稱(chēng)重變送器電壓(ya)U與實際流量之(zhi)間的關系。
1.2設計(jì)實例
設計實例(lì)中導流闆尺寸(cun)應符合國家标(biāo)準圖集GJBT-907《雨水口(kou)》05S518)叮标準;導流管(guan)設計爲上大下(xià)小的垂直圓台(tái)體使得來流不(bu)受導流管側壁(bi)作用力的影響(xiǎng);導流管管徑✏️及(ji)高度設計符合(hé)一定🤞的比例，保(bǎo)證任意方向的(de)來流🧑🏽🤝🧑🏻都以抛物(wu)線的方式下落(luò)到受力盤上;受(shou)力盤需要與導(dǎo)流管保持一定(ding)的距離，保證.來(lái)流可以順利排(pái)走，且受力盤直(zhí)徑應稍大于導(dǎo)流管管徑，保證(zheng)來流速度方✨向(xiàng)都轉換爲水平(píng)方向。.雨水口流(liú)量⚽計設計圖見(jiàn)圖4。圖中導流闆(pan)尺寸
爲700mm×400mm×3mm;導流管(guan)爲圓台體，上底(di)面直徑爲250mm,下底(dǐ)面直徑爲200mm,導流(liú)管高⭐度爲200mm，壁厚(hou)爲3mm;導流闆與導(dao)流管上底面焊(han)接;導♍流闆與受(shou)力盤底面平行(hang)，垂直有效距離(li)h爲300mm。
2流量計率定(ding)實驗
2.1率定實驗(yan)系統
儀表本身(shēn)的設計參數和(he)結構、液體流動(dòng)特性以及工作(zuò)狀态均密切影(yǐng)響流量計特性(xing)。流量計的現場(chǎng)使用環境複雜(zá),建立完全一緻(zhì)的使用條件比(bǐ)較困難。故而需(xū)選擇其共性條(tiáo)件，建🌍立率定裝(zhuang)置，理論與實踐(jian)相結🏒合來挖掘(jué)🚶♀️其使用條件下(xia)的共性特征0
本(běn)次采用的率定(dìng)方法是标準表(biǎo)法，通過事先正(zhèng)确标定的超聲(shēng)波流量計來标(biāo)定雨水口流量(liàng)計，二者串聯在(zài)管道上，流體依(yi)次⁉️通過2個流量(liàng)計，通過測量标(biāo)準流量率定雨(yu)水口流量計。
率(lǜ)定實驗系統如(ru)圖5所示，實驗通(tōng)過渠道長2000mm的穩(wěn)流🔞明渠💘向80mmx80mm的✌️集(jí)水槽供水，水流(liu)以任意方向通(tong)過導流管進入(rù)流量計，模拟現(xian)實⭐條件下雨水(shui)進入雨水口場(chǎng)景。爲滿足GB50014一2006《室(shi)外排水設計規(guī)範》中規定雨水(shuǐ)口實際洩水能(néng).力的極💁限值凹(ao),使用不同流量(liang)的2台水🧑🏽🤝🧑🏻泵供水(shui)，小流量潛水泵(bèng)的最大流量爲(wei)4.5L/s，大流量潛水❌泵(bèng)的最大流量爲(wèi)10L/s。在較小流量時(shí)，由1根直徑爲63mm的(de)PVC管供水，使用球(qiú)形閥控制流🐆量(liang)大小;在較大流(liu)量時，由1根直徑(jìng)爲110mm的PVC管引水到(dao)渠道前端由水(shuǐ)🌈泵❗變頻器控制(zhi)進水流🔞量。整個(ge)過程🌏使用.超聲(sheng)波流量計計量(liang)實⁉️際流量;雨水(shuǐ)口流量計使❄️用(yòng)DC電壓記錄器紀(ji)錄電壓☔值，通過(guò)式4)計算理論流(liú)量。渠道前端放(fàng)置2塊多孔闆穩(wěn)定來流避免水(shuǐ)面動蕩。.渠道的(de)出水通過流量(liang)計之後進入地(di)下水渠流入地(di)下水庫，泵從水(shui)庫抽水到實驗(yan)水渠，循環供水(shui)。實驗現場流量(liàng)計實物如圖6所(suo)示。
2.2率定結果及(jí)分析
由于采用(yong)水泵直接供水(shuǐ)方式，電壓、頻率(lü)的波動會直接(jiē)影響✌️實際供水(shui)流量呵，導緻測(ce)得的實際流量(liàng)數據發生一定(ding)的離散性。故采(cǎi)用數據平均方(fang)式消除随機誤(wu)差。
實驗中,DC電壓(yā)記錄器每隔10s記(ji)錄1次電壓值，内(nei)存足以紀錄大(da)約27h;使用UPSI2V5AH電源，可(ke)用時長約40h。對記(jì)錄的電壓值進(jin)行整理得到穩(wen)定流量下的電(diàn)壓均值。使用式(shi)4)計算得到電壓(yā)均.值對應的力(li)以及理論⛹🏻♀️流量(liang)。
實驗過程中,采(cǎi)用一大一小2台(tai)水泵供水，在小(xiǎo)泵流量🧑🏽🤝🧑🏻達到最(zuì)大值與大泵流(liu)量處于極小值(zhi)之間時,由于控(kòng)制困難，數🏃🏻♂️據缺(quē)失。将所有數據(ju)綜合分析,拟合(he)得到理論流量(liàng)以及實際流量(liàng)與電壓🔱均值的(de)關系曲線，經分(fèn)析線性關系良(liáng)好，符合真實情(qing)況，從而推💘導出(chu)DC電壓記錄器記(ji)錄電壓值U與流(liú)量Q的關系式如(rú)✍️式(6)所示:
結合理(li)論流量與實際(ji)流量對應關系(xì)圖(7)，對電壓均值(zhí)與🌐理論流量之(zhi)間的關系(U理論(lùn)-V)以及電壓均值(zhí)與實際㊙️流量之(zhī)間的關系(U實💁際(jì)-V)進行簡單回歸(guī)分析，結果如表(biǎo)2所示，相關性良(liáng)☁️好。
将式6)結合式(shi)4)加以推廣，在實(shi)際工程測量中(zhōng)，可将計💞量公式(shi)設定爲式6):
式中(zhōng):a和b爲修正系數(shu),根據現場實際(ji)情況,不同流量(liang)計配合不同的(de)修正系數，修正(zheng)系數可通過率(lü)定得到。
2.3誤差分(fèn)析
标準法率定(dìng)過程中，誤差溫(wen)度和壓力不是(shì)主要影響因素(sù)，可以不予考慮(lǜ)，被檢流量計的(de)精度主要取決(jue)于标準❤️流量計(ji)的精度🙇🏻口，假定(ding)實驗過程中使(shǐ)用的超聲波流(liu)量❗計精度良好(hao)。
忽略水體重力(li)G,使用式4)給出的(de)關系計算得到(dào)的理論流量與(yǔ)實際流量略有(yǒu)不同，計量流量(liàng)值會略微偏大(dà)♍。
誤差來源主要(yao)有:1)Ah高度的水體(tǐ)重力G的大小無(wu)法定量♍測定，爲(wèi)滿🔞足條件，已經(jing)設定△h足夠小，類(lèi)似于水膜🔞，其産(chan)生的誤差可認(ren)爲是系統誤差(cha);2)其中式4)中V,的計(ji)🥰算中，h在測量時(shi)會帶來系統誤(wu)差;3)實驗中平闆(pan)對水🔱的作用力(lì)P的測量誤差爲(wèi)随機誤差。
對電(diàn)壓均值與理論(lùn)流量、實際流量(liàng)之間的數據分(fen)🍉别✌️使用式0)計算(suàn)流量相對誤差(cha)，計算結果如圖(tú)8所示。可以看出(chū):在小流量時,所(suǒ)✔️有數據相對誤(wu)差絕對值均小(xiao)于10%，絕大多數相(xiàng)對誤差絕對值(zhi)均🚶小于5%;在大流(liú)量時相對誤差(chà)絕對值相對穩(wěn)定,均小于3%。
不難(nán)發現，在流量較(jiao)小時，相對誤差(cha)波動較大。這是(shi)💜由👌于此時使用(yòng)小流量泵時，由(yóu)球形閥控制流(liu)量，在流量👈較小(xiao)時，難以穩定控(kong)😄制。.
綜合分析,在(zài)流量大于1.40L/s時，電(dian)壓值-流量關系(xì)曲線的相🈚對誤(wù)差❤️的絕對值基(ji)本滿足相關規(gui)定中其對于大(dà)多數量💞水設備(bei)所要求的精度(dù)在5%範圍内的要(yao)求口。具體🤞流量(liàng)相對誤差範圍(wéi)見圖8。
3應用案例(li)
爲驗證雨水口(kǒu)流量計的實際(ji)效果，在北京某(mǒu)校園的道路雨(yu)水口上安裝了(le)該流量計，現場(chang)實驗裝置如圖(tú)9所示♻️。
對該地2025年(nián)12月16日的降雨進(jìn)行監測。通過.安(ān)放在校園中的(de)雨量計得到分(fen)時降雨量;通過(guò)該雨水口流量(liàng)計現場紀錄的(de)電壓⛹🏻♀️數據，使用(yòng)已經率定的換(huàn)算關系式6)繪出(chu)該雨水口徑流(liu)流量變化與降(jiang)雨強度的關系(xi)如圖💛10所示。降雨(yǔ)初期，雨強較大(da),降雨曆時較短(duan),路面徑流小，彙(hui)聚到雨水口的(de)流量也很少，維(wéi)持在📞0~0.50L/s;随着降雨(yu)的進行，經過一(yī)定曆時,雨水口(kou)徑流量達到峰(feng)值，約爲4.25L/s;随後随(suí)着降雨強度減(jiǎn)🌈小，流量也逐漸(jian)減小，最終趨于(yu)0.
對數據記錄器(qi)中的數據進行(háng)整理分析，可以(yǐ)看出:在降雨初(chu)期以及後期，雨(yǔ)水口徑流流量(liang)變化範圍很小(xiao)時，該🤞流量計可(kě)正确計量雨水(shui)口流量;當地表(biao)彙流突㊙️然進入(ru)雨水口⁉️時，該流(liu)量計可以穩定(ding)而迅速計量來(lai)流流量，不🤩會産(chǎn)生數值跳躍。整(zhěng)個過程中,計量(liàng)誤差小♈、精度優(you)良，其量程适應(yīng)雨水口流量變(bian)化，該法可以承(cheng)擔雨水口流量(liàng)計量工作。
4結語(yǔ)
本文首次提出(chū)了一種基于動(dong)量變化率測定(dìng)來流💞沖擊力的(de)計量流量的方(fāng)法，并給出了雨(yǔ)水口徑流流量(liàng)與降雨強度之(zhi)間的關系，該計(jì)量方法在水工(gōng)程領城，尤其是(shi)雨水研究中有(you)🐅着極爲📞重要的(de)實踐價值,爲開(kai)展雨水水量的(de)相關研究提供(gòng)了有力武器。該(gāi)流量計👨❤️👨可實時(shi)在線正确測量(liàng)雨水口徑流流(liu)㊙️量，誤差小，量程(chéng)比高，洪峰流量(liang)時依舊可以保(bao)持優良的洩流(liú)能力。作🏃爲一種(zhǒng)新式雨水口流(liu)量計量方法，其(qi)在科研工作和(hé)實際工程中，具(jù)有極高的實用(yòng)和推廣價值。另(lìng)外，由于⭕該流量(liàng)計内存可以存(cun)🈚儲一☀️定的數據(ju)，節約了人力成(cheng)本，但建議後續(xù)研究考慮将這(zhe)些計量數據存(cun)儲于雲端，并實(shi)現遠傳。
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