摘(zhāi)要:針對(duì)雨水口及其他(tā)跌(diē)落水(shuǐ)流的流(liú)量測量(liàng)問題，提(tí)出一種基于動量變化率而測(cè)定來(lái)流沖擊力的計量流量的(de)方法。具體步驟是通(tōng)過(guò)力傳感(gǎn)裝置和稱(chēng)重變(biàn)送器(qì)将下(xià)落水(shuǐ)流(liú)沖擊(jī)力(lì)轉化(huà)爲電壓信号，依(yī)據率定實驗過程中(zhōng)電壓值的(de)變化，最終換算(suàn)成雨水口徑流(liú)量計 。結果表明，應用(yòng)該計(jì)量方(fāng)法進(jìn)行(háng)雨水口(kǒu)流量測量，其獲(huò)得的(de)流量精度(dù)較高，适(shì)應雨(yǔ)水口的流量(liàng)變化,是一(yī)種計量雨(yǔ)水口流量的有效方(fāng)法。
0引言
　　海(hǎi)綿城市(shì)建設爲(wèi)中國(guó)城(chéng)市(shì)現代(dài)雨水控(kòng)制利用與管(guǎn)理系統的發展提(tí)供了機遇,但同時也帶(dài)來了極大(dà)的挑(tiāo)戰與困(kùn)惑”。監測雨水(shuǐ)水(shuǐ)質和計(jì)量(liàng)雨水流量是(shì)研究雨水問題的基(jī)本(běn)工作之(zhī)一，是建(jiàn)設海綿(mián)城市(shì)的初始環(huán)節。雨水口是雨(yǔ)水排(pái)水系統(tǒng)中(zhōng)收集地表(biǎo)水流的構築物，是地面徑流(liú)轉(zhuǎn)化爲管(guǎn)道(dào)排水(shuǐ)的過(guò)渡點口，也是城(chéng)市非(fēi)點源(yuán)污染(rǎn)物進入水環境(jìng)的主(zhǔ)要通(tōng)道。雨(yǔ)水口接納由零至徑(jìng)流峰值範(fàn)圍内的(de)雨(yǔ)水流(liú)量，對(duì)流量計提(tí)出了(le)較高的要(yào)求:首先要(yào)求測(cè)量具備精(jīng)度好(hǎo)，其次要求(qiú)流量計具(jù)有較廣的(de)量程比和(hé)良好(hǎo)的洩流能力。
　　國内現有的針對(duì)雨水口的專利(lì)已超(chāo)過(guò)120項，其.主(zhǔ)要涉及雨水口(kǒu)的(de)截污淨化功(gōng)能印。然而，涉及(jí)雨水(shuǐ)口流量測(cè)量方面的專利屈指可數。由于(yú)雨(yǔ)水口空間有(yǒu)限，現有的(de)水力學法的(de)堰(yàn)槽等流量(liàng)計量設備(bèi)在雨水口(kǒu)安裝(zhuāng)不便(biàn);雨水徑流(liú)小時,現有(yǒu)的流速面(miàn)積(jī)法流量(liàng)計大多難以滿(mǎn)足測量精度高(gāo)的(de)要求。國内外(wài)常用的示蹤劑(jì)法測量(liàng)亦(yì)由于(yú)測量(liàng)點位選取(qǔ)困難(nán),而對(duì)雨水(shuǐ)口流(liú)量計量束(shù)手無策日。找到(dào)一種科學(xué)合理(lǐ)的雨水口流量(liàng)計量(liàng)方法勢在(zài)必行,因此本研(yán)究提出(chū)了一種(zhǒng)基于動(dòng)量(liàng)變化率測定(dìng)來流沖(chòng)擊力的計量方法以(yǐ)滿(mǎn)足研究(jiū)及工程問題的要求。本文(wén)主要(yào)闡述(shù)中國發明(míng)專利(lì)一一種雨(yǔ)水口流(liú)量測量裝置傳利号(hào):201610001374.4)的(de)測量(liàng)基本原理并對該方法進行實際(jì)應用。
1雨水口(kǒu)流量計設(shè)計
1.1計量原理.
　　水流跌(diē)入雨(yǔ)水口示意圖如(rú)圖1所(suǒ)示。

　　通常(cháng)雨(yǔ)水口(kǒu)接(jiē)收的徑流通(tōng)過雨水篦子(zǐ)跌水流入市(shì)政雨(yǔ)水管道，該過程中水(shuǐ)流在(zài)垂直地面方(fāng)向(xiàng)上的(de)分:速度爲零(líng)，水流在下落過程(chéng)中屬(shǔ)于自由落(luò)體運動，其任意(yì)位置的垂(chuí)直分(fèn)速度(dù)始終(zhōng)符(fú)合公式(shì)(1):

　　式中(zhōng):vy爲垂(chuí)直分(fèn)速度,l/s;h爲自(zì)由落體高度,m;g爲(wèi)重力加速度,9.8m/s'.
　　水(shuǐ)體擊落(luò)平面(miàn)受(shòu)力分(fèn)析(xī)如(rú)圖2所示。

　　假定水體在(zài)下落(luò)的過程中(zhōng),落在某一(yī)個水(shuǐ)平平闆上(shàng)後流(liú)走。取(qǔ)水體(tǐ)撞擊平闆(pǎn)瞬間(jiān)，進行(háng)受力(lì)分析(xī)。取截(jié)面ee與(yǔ)b-b之間的Δh高(gāo)度的水(shuǐ)體(tǐ)爲控(kòng)制體，其(qí)中(zhōng)ee面上(shàng)的速度垂(chuí)直于地面(miàn)，表(biǎo)示(shì)爲vy;其(qí)中b-b面上(shàng)的(de)速度(dù)與地面平行，表(biǎo)示爲v水平。平闆(pǎn)對水(shuǐ)的(de)作用力p等于沖擊力f與(yǔ)對應(yīng)的△h高度的(de)水體重力g之和(hé)。
　　對垂直于地面(miàn)方向使用恒定(dìng)總流(liú)動量定律進(jìn)行分析:

　　式中(zhōng):?f爲控制體内的(de)合外力，n;p爲(wèi)平闆對水(shuǐ)的(de)作用力(lì),n;q爲總流量,m3/s;ρ爲水的密(mì)度;v,爲垂直(zhí)分速度,l/s。
對式2)進(jìn)行處(chù)理,将式(1)代(dài)入式（2），可得:

　　根據牛頓(dùn)第三定律(lǜ)，平闆所受力即(jí)爲其對水體的(de)作用力p,理(lǐ)論上隻需測出平闆(pǎn)所受到(dào)的(de)力即(jí)可通(tōng)過式（4）求出(chū)流量q。本流量計(jì)通過(guò)力(lì)傳(chuán)感器(qì)将水體(tǐ)下(xià)落到(dào)平闆(pǎn)所受到的力傳感(gǎn)給稱重(zhòng)變送(sòng)器，通過設(shè)置稱重變(biàn)送器(qì)濾波,使其排除(chú)幹擾後将(jiāng)模拟(nǐ)量轉化爲電壓(yā)值，并(bìng)通(tōng)過dc電壓記錄器記(jì)錄并(bìng)保存。雨水口流量計(jì)流量與電(diàn)壓轉換關系如(rú)圖3所示(shì)。

　　上述推(tuī)導過程忽略了(le)重力(lì)g及(jí)水(shuǐ)流下(xià)落過程的(de)損失,必(bì)然帶來一定(dìng)誤差(chà)。因此，實際應用時應通過(guò)已知的流量标定稱(chēng)重變(biàn)送器(qì)電壓u與實(shí)際流量之(zhī)間的(de)關系(xì)。
1.2設計(jì)實例
　　設計(jì)實例(lì)中(zhōng)導流闆尺寸應符(fú)合國家标(biāo)準圖集gjbt-907《雨(yǔ)水口》05s518)叮(dīng)标(biāo)準;導流管設計爲上(shàng)大下小的垂直(zhí)圓台(tái)體使得來(lái)流不受導(dǎo)流管(guǎn)側壁作用力的影響;導流(liú)管管(guǎn)徑及高度設計(jì)符合一定的比(bǐ)例(lì)，保證任意方(fāng)向的來流都(dōu)以(yǐ)抛物線的(de)方式(shì)下落到(dào)受(shòu)力盤上;受力(lì)盤需要(yào)與導(dǎo)流(liú)管保持(chí)一定的距離，保(bǎo)證.來流(liú)可(kě)以順(shùn)利排走，且受力(lì)盤直徑應稍大(dà)于導流管管徑(jìng)，保證(zhèng)來流(liú)速度(dù)方向都(dōu)轉(zhuǎn)換爲(wèi)水平方(fāng)向(xiàng)。.雨水(shuǐ)口流(liú)量計(jì)設計(jì)圖見圖(tú)4。圖中導(dǎo)流闆尺寸
　　爲700mm×400mm×3mm;導(dǎo)流管(guǎn)爲(wèi)圓(yuán)台體(tǐ)，上底(dǐ)面直徑爲(wèi)250mm,下底面直(zhí)徑爲(wèi)200mm,導流(liú)管高度爲(wèi)200mm，壁厚(hòu)爲3mm;導(dǎo)流(liú)闆與導流管(guǎn)上底(dǐ)面焊接;導流闆(pǎn)與受力盤底面(miàn)平行(háng)，垂直(zhí)有效(xiào)距離h爲300mm。

2流量計(jì)率定實(shí)驗
2.1率定(dìng)實驗系(xì)統
　　儀表(biǎo)本身的設(shè)計參(cān)數和結構(gòu)、液體(tǐ)流動特(tè)性以及工作(zuò)狀态均密(mì)切(qiē)影(yǐng)響流量計(jì)特性。流量(liàng)計的(de)現場使用(yòng)環境複雜,建立完全(quán)一緻的使(shǐ)用條件比較困難。故(gù)而需選(xuǎn)擇其共性條件，建立率(lǜ)定裝置，理論與實踐相結合來挖(wā)掘(jué)其使用條(tiáo)件下的共性特(tè)征0
　　本次(cì)采用的(de)率定(dìng)方法是标(biāo)準表法，通過事(shì)先正确标定的(de)超聲波(bō)流(liú)量(liàng)計來标(biāo)定雨(yǔ)水口流量計(jì)，二者串(chuàn)聯在(zài)管道上，流(liú)體(tǐ)依次通過2個(gè)流量(liàng)計，通過(guò)測(cè)量标準流量率(lǜ)定雨水(shuǐ)口流量(liàng)計。
　　率定實驗系(xì)統如(rú)圖5所示，實(shí)驗通過渠(qú)道長(zhǎng)2000mm的穩流明渠向(xiàng)80mmx80mm的集(jí)水槽(cáo)供水，水流(liú)以任(rèn)意方(fāng)向通過導(dǎo)流管(guǎn)進入流量計，模(mó)拟現實(shí)條(tiáo)件下(xià)雨水進入雨水(shuǐ)口場(chǎng)景。爲滿足(zú)gb50014一2006《室外排水設(shè)計規範》中規定雨水口(kǒu)實際洩(xiè)水能.力的(de)極限值凹(āo),使(shǐ)用不同(tóng)流(liú)量的2台水泵供水，小(xiǎo)流量(liàng)潛(qián)水泵的最大流量爲(wèi)4.5l/s，大(dà)流量潛(qián)水泵(bèng)的最(zuì)大流量爲(wèi)10l/s。在較小流(liú)量時，由1根(gēn)直徑(jìng)爲63mm的(de)pvc管供水，使(shǐ)用球形閥(fá)控制(zhì)流量(liàng)大小;在較(jiào)大流量時，由1根(gēn)直徑爲110mm的pvc管引(yǐn)水到渠(qú)道(dào)前端(duān)由水泵(bèng)變頻器(qì)控制(zhì)進水(shuǐ)流量。整個(gè)過程(chéng)使用(yòng).超聲波流(liú)量計計量(liàng)實際流量(liàng);雨水口(kǒu)流量計使用dc電壓記錄器紀錄電(diàn)壓值(zhí)，通過式4)計算理(lǐ)論流量。渠道前(qián)端放置2塊多孔(kǒng)闆穩定(dìng)來流避(bì)免水(shuǐ)面動蕩。.渠(qú)道的(de)出水通過流量計之(zhī)後進(jìn)入地下水渠流(liú)入地(dì)下(xià)水(shuǐ)庫，泵(bèng)從水(shuǐ)庫抽水到實驗水渠，循(xún)環(huán)供水。實驗(yàn)現場流量計實物如(rú)圖6所(suǒ)示。

2.2率定結(jié)果及(jí)分析
　　由于(yú)采用水泵直接供水(shuǐ)方式，電壓(yā)、頻率的波(bō)動會直接(jiē)影響實際(jì)供水(shuǐ)流量呵，導緻測得(dé)的實(shí)際流量數據(jù)發生(shēng)一定的離散性(xìng)。故采(cǎi)用數據平(píng)均方式消除随(suí)機誤差。
　　實驗中,dc電壓記錄(lù)器每(měi)隔10s記錄1次(cì)電壓(yā)值，内(nèi)存足以紀(jì)錄大約27h;使(shǐ)用upsi2v5ah電(diàn)源，可用時長(zhǎng)約(yuē)40h。對記錄(lù)的(de)電壓值進行(háng)整理得(dé)到穩定(dìng)流量下(xià)的電(diàn)壓均值。使(shǐ)用式4)計算(suàn)得到(dào)電壓(yā)均.值對應的力以及(jí)理論(lùn)流量(liàng)。
　　實驗過程中(zhōng),采(cǎi)用一大一(yī)小2台水(shuǐ)泵供水，在小泵流量達(dá)到最大(dà)值與大泵流量(liàng)處(chù)于極(jí)小值之間時,由(yóu)于控(kòng)制困難，數(shù)據缺失(shī)。将(jiāng)所有數據(jù)綜合分析,拟合(hé)得到理論(lùn)流量(liàng)以及實際(jì)流量與電壓均(jun1)值的(de)關(guān)系(xì)曲線，經分(fèn)析線性關(guān)系良好，符(fú)合真(zhēn)實情況，從而推(tuī)導出dc電壓記錄器記(jì)錄電壓值(zhí)u與流量q的關系(xì)式如式(6)所(suǒ)示:

　　結(jié)合理論流量與(yǔ)實際流量(liàng)對應(yīng)關系圖(7)，對(duì)電壓均值與(yǔ)理(lǐ)論流(liú)量之間的關系(xì)(u理論-v)以及(jí)電壓(yā)均值與實(shí)際流(liú)量之間的關系(xì)(u實際-v)進行(háng)簡單回歸(guī)分析，結果(guǒ)如(rú)表2所示(shì)，相關(guān)性良好。

将式6)結合式4)加(jiā)以(yǐ)推廣(guǎng)，在實際工程測(cè)量中，可将計量(liàng)公式(shì)設定(dìng)爲式(shì)6):

　　式中:a和b爲修正(zhèng)系數(shù),根據現場(chǎng)實際情況(kuàng),不同(tóng)流量(liàng)計(jì)配合不(bú)同的修正(zhèng)系數(shù)，修正系數可通(tōng)過率(lǜ)定得(dé)到。
2.3誤(wù)差分析(xī)
　　标準法(fǎ)率定(dìng)過程中，誤(wù)差(chà)溫(wēn)度和壓力(lì)不是主要(yào)影響因素(sù)，可以不予考慮，被(bèi)檢流量(liàng)計的(de)精(jīng)度主要(yào)取決于标準流(liú)量計的(de)精度口(kǒu)，假定實驗過程(chéng)中使用(yòng)的超聲(shēng)波流(liú)量計精度(dù)良好。
　　忽(hū)略水體(tǐ)重力g,使用(yòng)式4)給出的關系(xì)計算(suàn)得到的理(lǐ)論流量與(yǔ)實(shí)際流量略有不同，計量(liàng)流量值會略微(wēi)偏大(dà)。
　　誤差(chà)來源(yuán)主要有:1)ah高度的(de)水體重力(lì)g的大小無(wú)法定量測(cè)定，爲滿足條件(jiàn)，已經(jīng)設定(dìng)△h足夠小，類似(sì)于水膜(mó)，其産(chǎn)生的誤差(chà)可認爲是系統(tǒng)誤差(chà);2)其中式4)中(zhōng)v,的計算(suàn)中，h在測(cè)量時會(huì)帶來系統誤(wù)差(chà);3)實(shí)驗中(zhōng)平闆(pǎn)對水的作(zuò)用力p的測(cè)量誤(wù)差爲随機誤差(chà)。
　　對電(diàn)壓(yā)均值與理論流量(liàng)、實際(jì)流量(liàng)之間(jiān)的數(shù)據分(fèn)别使用式0)計算流量(liàng)相對誤差(chà)，計(jì)算(suàn)結果(guǒ)如圖(tú)8所示。可以(yǐ)看出:在小流量(liàng)時,所有數(shù)據相(xiàng)對誤差絕對值均小于(yú)10%，絕(jué)大多(duō)數相對誤差絕(jué)對值均小(xiǎo)于5%;在(zài)大流(liú)量時相對(duì)誤差絕(jué)對(duì)值相(xiàng)對穩定,均小于(yú)3%。

　　不難發(fā)現(xiàn)，在流量較小時，相對(duì)誤差波動(dòng)較(jiào)大(dà)。這是由于此時使用小流量泵時，由球形閥控(kòng)制流量，在流量(liàng)較小時，難(nán)以(yǐ)穩(wěn)定控制。.
　　綜(zōng)合分析,在(zài)流量大于(yú)1.40l/s時，電壓值(zhí)-流量(liàng)關系曲線(xiàn)的相(xiàng)對誤差的(de)絕(jué)對值基本滿足相(xiàng)關規定中(zhōng)其對于大多數(shù)量水(shuǐ)設備所要求的(de)精度(dù)在(zài)5%範圍内(nèi)的要求口。具體(tǐ)流量(liàng)相對誤差(chà)範圍(wéi)見圖8。

3應用(yòng)案例
　　爲驗證雨(yǔ)水口流量計的(de)實際(jì)效果(guǒ)，在北(běi)京某校園的道(dào)路雨水口上安裝了該流量計，現場(chǎng)實驗裝置如圖9所(suǒ)示。

　　對該地2015年(nián)9月4日(rì)的降(jiàng)雨進(jìn)行監測。通(tōng)過.安(ān)放在校園(yuán)中的雨量計得到分時降雨量(liàng);通過該雨水口(kǒu)流量計現場紀(jì)錄的電壓數據(jù)，使用已經率(lǜ)定(dìng)的換算關系式(shì)6)繪出(chū)該雨水口(kǒu)徑流(liú)流量變化(huà)與(yǔ)降雨強度的(de)關系如圖10所示。降雨初期，雨強(qiáng)較大,降(jiàng)雨(yǔ)曆時較短,路面徑流(liú)小(xiǎo)，彙聚到雨水(shuǐ)口的流量(liàng)也(yě)很(hěn)少，維持(chí)在0~0.50l/s;随着降雨的進行，經過一(yī)定曆時,雨(yǔ)水口(kǒu)徑流量達(dá)到峰值，約爲(wèi)4.25l/s;随(suí)後随(suí)着降(jiàng)雨強度減小，流量也逐漸減(jiǎn)小，最終趨(qū)于0.

　　對數(shù)據記(jì)錄器(qì)中的數據進行(háng)整理分析(xī)，可以(yǐ)看(kàn)出:在降(jiàng)雨初(chū)期以及後期(qī)，雨(yǔ)水口徑流(liú)流量變化範(fàn)圍(wéi)很小(xiǎo)時，該流量(liàng)計可正(zhèng)确計量(liàng)雨水(shuǐ)口流量;當(dāng)地表(biǎo)彙(huì)流突然(rán)進入(rù)雨水(shuǐ)口時(shí)，該流量計可以穩定而(ér)迅速計(jì)量來流流量，不(bú)會産生數值跳(tiào)躍。整個過(guò)程(chéng)中(zhōng),計量誤差小、精(jīng)度優良，其(qí)量程(chéng)适應(yīng)雨(yǔ)水口流(liú)量變化，該(gāi)法可(kě)以承(chéng)擔雨水口(kǒu)流量計(jì)量(liàng)工作(zuò)。
4結語(yǔ)
　　本文(wén)首次(cì)提出了一種基(jī)于動(dòng)量變化率(lǜ)測定來流沖擊(jī)力的(de)計量(liàng)流量(liàng)的方法，并給出(chū)了雨水口(kǒu)徑流流量與降雨強(qiáng)度之(zhī)間的(de)關系(xì)，該計(jì)量(liàng)方(fāng)法在(zài)水工(gōng)程(chéng)領(lǐng)城，尤(yóu)其是(shì)雨水研究(jiū)中有(yǒu)着極爲重(zhòng)要的實踐價值(zhí),爲開展雨水水(shuǐ)量的相關(guān)研究(jiū)提供(gòng)了有力武(wǔ)器(qì)。該流量(liàng)計可實時在線正确(què)測量(liàng)雨水(shuǐ)口徑(jìng)流流(liú)量(liàng)，誤差小，量程比(bǐ)高(gāo)，洪峰(fēng)流量(liàng)時依舊可(kě)以保持優良的(de)洩流能(néng)力(lì)。作爲一種新(xīn)式雨水(shuǐ)口流(liú)量(liàng)計量方(fāng)法，其在科研工(gōng)作和實際工程(chéng)中，具(jù)有極(jí)高的(de)實用和(hé)推廣價(jià)值。另(lìng)外，由于該流量計内存可(kě)以存(cún)儲一定的數據(jù)，節約了人(rén)力成本，但建議(yì)後續(xù)研究(jiū)考慮(lǜ)将(jiāng)這些計(jì)量數(shù)據存(cún)儲于雲端，并實現(xiàn)遠(yuǎn)傳。

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