摘要(yao):針對雨水(shui)口及其他(ta)跌落水流(liu)的流量測(ce)量問‼️題，提(ti)💰出一種基(ji)于動量變(bian)化率而測(ce)定來流沖(chong)擊力的計(ji)量流量的(de)方法。具體(ti)步驟是通(tong)過力傳感(gan)裝置和稱(cheng)重變送器(qi)将下落水(shui)流沖🥵擊力(li)轉化爲電(dian)壓信号，依(yi)據率定實(shi)驗過程中(zhong)電壓值的(de)變化🐕，最終(zhong)換算成雨(yu)水口徑流(liu)量計 。結果(guo)表明，應用(yong)該計量方(fang)法進行雨(yu)水口流量(liang)測量，其🈲獲(huo)得的流量(liang)精度較高(gao)，适應雨水(shui)口的流量(liang)變化,是一(yi)✨種計量雨(yu)✉️水口流量(liang)的有效方(fang)法。
0引言
　　海(hai)綿城市建(jian)設爲中國(guo)城市現代(dai)雨水控制(zhi)利用與管(guan)理系🌈統的(de)發展提供(gong)了機遇,但(dan)同時也帶(dai)來了極大(da)的挑戰👉與(yu)困惑”。監測(ce)雨水水質(zhi)和計量雨(yu)水流量是(shi)研究🤩雨水(shui)問題的基(ji)本工作之(zhi)一，是建設(she)海綿城市(shi)的初始環(huan)節。雨水💃🏻口(kou)是雨水排(pai)水系統中(zhong)收集地表(biao)水流的構(gou)築物，是地(di)面徑流轉(zhuan)化爲管道(dao)排水的過(guo)渡點口，也(ye)是城市非(fei)點源污染(ran)物進入水(shui)環💃境的主(zhu)要通道🙇‍♀️。雨(yu)水口接納(na)由零至徑(jing)流峰值範(fan)圍内的雨(yu)水流量，對(dui)流量計提(ti)出了較高(gao)的要求:首(shou)先要求測(ce)量具備🚩精(jing)度好，其次(ci)🤩要求流量(liang)計具有較(jiao)廣的量程(cheng)比和良好(hao)的洩流能(neng)力。
　　國内現(xian)有的針對(dui)雨水口的(de)專利已超(chao)過120項，其.主(zhu)要涉及雨(yu)水口的截(jie)污淨化功(gong)能印。然而(er)，涉及雨水(shui)口🔅流量測(ce)量方面📱的(de)專利屈✨指(zhi)可數。由于(yu)雨水口空(kong)間有限，現(xian)有的水💰力(li)學法的堰(yan)槽等流量(liang)📐計量設備(bei)在雨水口(kou)安❄️裝不便(bian);雨水徑流(liu)小時,現有(you)的👨‍❤️‍👨流速面(mian)積法流量(liang)計大多難(nan)以滿足🏃🏻測(ce)量精度高(gao)的要求。國(guo)内外常用(yong)的示蹤劑(ji)法測量亦(yi)由💔于測量(liang)點位選取(qu)困難,而對(dui)雨水口流(liu)量計量束(shu)手無策日(ri)。找到一種(zhong)科學合理(li)的雨水口(kou)流量計量(liang)方法勢在(zai)必行,因此(ci)本研究提(ti)出了一種(zhong)基于動量(liang)變🈚化率測(ce)定來流沖(chong)擊力的計(ji)量方法以(yi)滿足研究(jiu)及工程問(wen)題的要求(qiu)。本文主要(yao)闡述中國(guo)發明專🈚利(li)一一種雨(yu)水口流量(liang)測🔞量裝‼️置(zhi)傳利号:201610001374.4)的(de)測量基本(ben)原理并對(dui)該方法進(jin)行實際應(ying)用。
1雨水口(kou)流量計設(she)計
1.1計量原(yuan)理.
　　水流跌(die)入雨水口(kou)示意圖如(ru)圖1所示。

　　通(tong)常雨水口(kou)接收的徑(jing)流通過雨(yu)水篦子跌(die)水流入市(shi)政雨🐉水管(guan)道，該過程(cheng)中水流在(zai)垂直地面(mian)方向上的(de)分:速度☔爲(wei)零，水流在(zai)下落過程(cheng)中屬于自(zi)由落體運(yun)動，其任意(yi)位置的垂(chui)✉️直分速🈲度(du)始終符合(he)公式(1):

　　式中(zhong):Vy爲垂直分(fen)速度,L/s;h爲自(zi)由落體高(gao)度,m;g爲重力(li)加速度,9.8m/s'.
　　水(shui)體擊落平(ping)面受力分(fen)析如圖2所(suo)示。

　　假定水(shui)體在下落(luo)的過程中(zhong),落在某一(yi)個水平平(ping)闆上後流(liu)走。取水體(ti)撞擊平闆(pan)瞬間，進行(hang)受力分析(xi)。取截面EE與(yu)B-B之間的Δh高(gao)度的水✉️體(ti)爲控制體(ti)，其中EE面上(shang)的🌐速度垂(chui)💋直于地面(mian)，表示👉爲Vy;其(qi)中B-B面上的(de)速度與地(di)面平行，表(biao)示爲V水平(ping)。平㊙️闆對水(shui)的作用力(li)P等🔞于沖擊(ji)力F與對應(ying)的△h高🐪度的(de)水體重力(li)G之和。
　　對垂(chui)直于地面(mian)方向使用(yong)恒定總流(liu)動量定律(lü)進行分析(xi)❓:

　　式中:?F爲控(kong)制體内的(de)合外力，N;P爲(wei)平闆對水(shui)的作用力(li),N;Q爲總✂️流量(liang),m3/s;ρ爲水的密(mi)度;V,爲垂直(zhi)分速度,L/s。
對(dui)式2)進行處(chu)理,将式(1)代(dai)入式（2），可得(de):

　　根據牛頓(dun)第三定律(lü)，平闆所受(shou)力即爲其(qi)對水體的(de)作📱用力P,理(li)論上隻需(xu)測出平闆(pan)所受到的(de)力即可通(tong)過式（4）求出(chu)流量Q。本流(liu)量計通過(guo)力傳感器(qi)将水體下(xia)落到平👉闆(pan)所受🔞到的(de)力傳感給(gei)稱重變送(song)器，通過設(she)置稱重變(bian)送器濾波(bo),使其排除(chu)幹擾後将(jiang)模拟量轉(zhuan)化爲電壓(ya)值，并通過(guo)DC電壓記錄(lu)器記錄㊙️并(bing)保存。雨水(shui)口流量計(ji)流量與電(dian)壓轉換關(guan)㊙️系如圖3所(suo)示。

　　上述推(tui)導過程忽(hu)略了重力(li)G及水流下(xia)落過程的(de)損失,必🌈然(ran)帶來一定(ding)誤差。因此(ci)，實際應用(yong)時應通過(guo)已知的流(liu)量标定♻️稱(cheng)重變送器(qi)電壓U與實(shi)際流量之(zhi)間的關系(xi)。
1.2設計實例(li)
　　設計實例(li)中導流闆(pan)尺寸應符(fu)合國家标(biao)準圖集GJBT-907《雨(yu)水✍️口》05S518)叮标(biao)㊙️準;導流管(guan)設計爲上(shang)大下小的(de)垂直圓台(tai)體使得來(lai)🙇🏻流不受導(dao)流管側壁(bi)作用力的(de)影響;導流(liu)✌️管管徑及(ji)高度設計(ji)符🌈合一定(ding)的比例✨，保(bao)證任意方(fang)向的來流(liu)都以抛物(wu)線的方式(shi)㊙️下落到受(shou)力盤上;受(shou)力盤需要(yao)與導流管(guan)保持🐅一定(ding)的距離，保(bao)證.來流可(ke)以順利排(pai)走，且受力(li)盤直徑應(ying)稍大于導(dao)流管管徑(jing)，保證來流(liu)速度方向(xiang)都轉換爲(wei)水平方向(xiang)。.雨水口流(liu)量計設計(ji)圖見圖4。圖(tu)中導流闆(pan)尺寸
　　爲700mm×400mm×3mm;導(dao)流管爲圓(yuan)台體，上底(di)面直徑爲(wei)250mm,下底面直(zhi)徑爲200mm,導流(liu)管高度💜爲(wei)200mm，壁厚爲3mm;導(dao)流闆與導(dao)流管上底(di)面焊接;導(dao)流闆與受(shou)力盤底面(mian)平行，垂直(zhi)有效距離(li)h爲300mm。

2流量計(ji)率定實驗(yan)
2.1率定實驗(yan)系統
　　儀表(biao)本身的設(she)計參數和(he)結構、液體(ti)流動特性(xing)以及工作(zuo)狀态均密(mi)切影響流(liu)量計特性(xing)。流量計的(de)現場使用(yong)環境🐆複雜(za),建立完全(quan)一緻的使(shi)用條件比(bi)較困難。故(gu)而需選擇(ze)其共性條(tiao)件，建立率(lü)定🌐裝置，理(li)論與實踐(jian)相結合來(lai)挖掘其使(shi)用條件下(xia)的共性特(te)征0
　　本次采(cai)用的率定(ding)方法是标(biao)準表法，通(tong)過事先正(zheng)确标定的(de)🔞超聲波流(liu)量計來标(biao)定雨水口(kou)流量計，二(er)者串聯在(zai)管✏️道上，流(liu)體依次✍️通(tong)過2個流量(liang)計，通過測(ce)量😍标準流(liu)量率定雨(yu)水口流量(liang)計。
　　率定實(shi)驗系統如(ru)圖5所示，實(shi)驗通過渠(qu)道長2000mm的穩(wen)流明渠向(xiang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼80mmx80mm的集水槽(cao)供水，水流(liu)以任意方(fang)向通過導(dao)流管進💋入(ru)流❄️量計，模(mo)拟現實條(tiao)件下雨水(shui)進入雨水(shui)口場景。爲(wei)滿足GB50014一2006《室(shi)外排水設(she)計規範》中(zhong)規定雨水(shui)口實際洩(xie)水✍️能.力的(de)極限值凹(ao),使用不同(tong)流量的2台(tai)水泵供水(shui)，小流量潛(qian)水泵的最(zui)大流量爲(wei)4.5L/s，大流量潛(qian)水泵的最(zui)大流量爲(wei)10L/s。在較小流(liu)量時，由1根(gen)直徑爲63mm的(de)PVC管供水，使(shi)用球形閥(fa)控制流🚩量(liang)大小;在較(jiao)大流量時(shi)，由1根🐆直徑(jing)爲110mm的PVC管引(yin)水到渠道(dao)前端由水(shui)泵變頻器(qi)控制進水(shui)流‼️量。整個(ge)過程使用(yong).超聲波流(liu)量計計量(liang)實🏃‍♀️際流量(liang);雨水口流(liu)量計使🏃用(yong)DC電壓記錄(lu)器🛀🏻紀錄電(dian)壓🌐值，通過(guo)式4)計算理(li)論流量。渠(qu)道前端放(fang)置2塊多孔(kong)闆👨‍❤️‍👨穩定來(lai)流避免水(shui)面動蕩。.渠(qu)道的出水(shui)通過流量(liang)計之後進(jin)入☂️地下水(shui)渠流入地(di)下水庫，泵(beng)🍓從水庫抽(chou)水到實驗(yan)水渠，循環(huan)供水。實驗(yan)現場流量(liang)計實物如(ru)圖✌️6所示。

2.2率(lü)定結果及(ji)分析
　　由于(yu)采用水泵(beng)直接供水(shui)方式，電壓(ya)、頻率的波(bo)動會直接(jie)影響實🔆際(ji)供水流量(liang)呵，導緻測(ce)得的實際(ji)流量數據(ju)發生🐇一定(ding)的離散性(xing)。故采用數(shu)據平均方(fang)式消除随(sui)機誤差。
　　實(shi)驗中,DC電壓(ya)記錄器每(mei)隔10s記錄1次(ci)電壓值，内(nei)存足以紀(ji)錄大約27h;使(shi)🈚用UPSI2V5AH電源，可(ke)用時長約(yue)40h。對記錄的(de)電壓值進(jin)行整理得(de)到😄穩定流(liu)量下的電(dian)壓均值。使(shi)用式4)計算(suan)得到電壓(ya)均.值對應(ying)☀️的力以及(ji)理論流量(liang)。
　　實驗過程(cheng)中,采用一(yi)大一小2台(tai)水泵供水(shui)，在小泵流(liu)量💋達到最(zui)大值與大(da)泵流量處(chu)于極小值(zhi)之間時,由(you)于控🐆制困(kun)難，數據缺(que)失。将所有(you)數據綜合(he)分析,拟合(he)得到理論(lun)流量💋以及(ji)實際流量(liang)與電壓均(jun)值的關系(xi)曲線，經分(fen)析線性關(guan)系良好，符(fu)合真實情(qing)況，從而推(tui)導出DC電壓(ya)記錄器記(ji)錄電壓值(zhi)U與流量Q的(de)關系式如(ru)式(6)所示:

　　結(jie)合理論流(liu)量與實際(ji)流量對應(ying)關系圖(7)，對(dui)電壓均值(zhi)與🔞理論💔流(liu)量之間的(de)關系(U理論(lun)-V)以及電壓(ya)均值與實(shi)際流量🔴之(zhi)間的關系(xi)(U實際-V)進行(hang)簡單回歸(gui)分析，結果(guo)如表2所示(shi)，相關性良(liang)好。

将式6)結(jie)合式4)加以(yi)推廣，在實(shi)際工程測(ce)量中，可将(jiang)計量公🔆式(shi)設定爲式(shi)6):

　　式中:a和b爲(wei)修正系數(shu),根據現場(chang)實際情況(kuang),不同流量(liang)計配合不(bu)同的修正(zheng)系數，修正(zheng)系數可通(tong)過率定得(de)到。
2.3誤差分(fen)析
　　标準法(fa)率定過程(cheng)中，誤差溫(wen)度和壓力(li)不是主要(yao)影響因😘素(su)，可以不予(yu)考慮，被檢(jian)流量計的(de)精度主要(yao)取決于标(biao)準流量計(ji)的精度口(kou)，假定實驗(yan)過程中使(shi)用的超聲(sheng)波流量✨計(ji)精度良好(hao)。
　　忽略水體(ti)重力G,使用(yong)式4)給出的(de)關系計算(suan)得到的理(li)論流量與(yu)實際流量(liang)略有不同(tong)，計量流量(liang)值會略微(wei)偏大。
　　誤差(cha)來源主要(yao)有:1)Ah高度的(de)水體重力(li)G的大小無(wu)法定量測(ce)定，爲滿足(zu)條件，已經(jing)設定△h足夠(gou)小，類似于(yu)水膜，其産(chan)生的🐆誤差(cha)可認爲是(shi)🔅系統誤差(cha);2)其中式4)中(zhong)V,的計算中(zhong)，h在測量時(shi)🈲會帶來系(xi)統誤差;3)實(shi)驗中平闆(pan)對水的作(zuo)用力P的測(ce)量誤🏒差爲(wei)随機⛷️誤差(cha)。
　　對電壓均(jun)值與理論(lun)流量、實際(ji)流量之間(jian)的數據分(fen)别使用式(shi)0)計算流量(liang)相對誤差(cha)，計算結果(guo)如圖8所示(shi)。可以看出(chu):在小流量(liang)㊙️時,所有數(shu)據相對誤(wu)差絕對值(zhi)🔴均小于10%，絕(jue)大多數相(xiang)對誤差絕(jue)對值均小(xiao)于5%;在大流(liu)量時相對(dui)誤差絕對(dui)🐅值相對穩(wen)定,均小于(yu)3%。

　　不難發現(xian)，在流量較(jiao)小時，相對(dui)誤差波動(dong)較大。這是(shi)⭐由🌐于此時(shi)使用小流(liu)量泵時，由(you)球形閥控(kong)制流量，在(zai)流量較小(xiao)🙇‍♀️時，難以穩(wen)定控制。.
　　綜(zong)合分析,在(zai)流量大于(yu)1.40L/s時，電壓值(zhi)-流量關系(xi)曲線的相(xiang)對誤差的(de)絕對值基(ji)本滿足相(xiang)關規定中(zhong)其對于大(da)多數量水(shui)設備所要(yao)求的精度(du)在5%範圍内(nei)的要求口(kou)。具體流量(liang)相🚶‍♀️對誤差(cha)範圍見圖(tu)8。

3應用案例(li)
　　爲驗證雨(yu)水口流量(liang)計的實際(ji)效果，在北(bei)京某校園(yuan)的道路雨(yu)水口上安(an)裝了該流(liu)量計，現場(chang)實驗裝置(zhi)如圖9所示(shi)。

　　對該地2025年(nian)11月26日的降(jiang)雨進行監(jian)測。通過.安(an)放在校園(yuan)中的雨量(liang)計得到分(fen)時降雨量(liang);通過該雨(yu)水口流量(liang)計現場紀(ji)錄的電壓(ya)數據❓，使用(yong)已經率定(ding)的換算關(guan)系式6)繪出(chu)該雨🚶水口(kou)徑🍉流流量(liang)變化與降(jiang)雨強度的(de)關系如圖(tu)10所示。降雨(yu)初期，雨強(qiang)較大,降雨(yu)曆時較短(duan),路面徑流(liu)小，彙聚到(dao)雨水口的(de)流量也很(hen)少，維持在(zai)0~0.50L/s;随着降雨(yu)的進行，經(jing)過一定曆(li)時,雨水口(kou)徑流量達(da)🙇🏻到峰值，約(yue)爲4.25L/s;随後随(sui)着降雨強(qiang)度減小，流(liu)量也逐漸(jian)減小，最終(zhong)趨于0.

　　對數(shu)據記錄器(qi)中的數據(ju)進行整理(li)分析，可以(yi)看出:在降(jiang)雨初期以(yi)及後期，雨(yu)水口徑流(liu)流量變化(hua)範圍很小(xiao)時，該流量(liang)計可正确(que)🐆計量雨水(shui)口流量;當(dang)地表彙流(liu)突然進入(ru)💃雨水口時(shi)，該流量計(ji)可以穩定(ding)而迅速計(ji)量來流流(liu)量，不會産(chan)生數🙇‍♀️值跳(tiao)躍。整個過(guo)程中,計量(liang)誤差小、精(jing)度優良，其(qi)量程适應(ying)雨水口流(liu)量變化，該(gai)法可以承(cheng)擔雨水口(kou)流量計量(liang)工作。
4結語(yu)
　　本文首次(ci)提出了一(yi)種基于動(dong)量變化率(lü)測定來流(liu)沖♉擊力的(de)計量流量(liang)的方法，并(bing)給出了雨(yu)水口徑流(liu)流量與降(jiang)雨強度之(zhi)間的關系(xi)，該計量方(fang)法在水工(gong)程領城，尤(you)其是雨水(shui)研究中有(you)着極爲重(zhong)要的實踐(jian)價值,爲開(kai)展雨水水(shui)量的相關(guan)⭐研究提供(gong)了有力武(wu)器。該流量(liang)計可實時(shi)在線正确(que)測量雨🌍水(shui)口徑流流(liu)量，誤差小(xiao)，量程比高(gao)，洪峰流量(liang)🏃🏻時依舊可(ke)以保持優(you)良的洩流(liu)能力。作爲(wei)一種新式(shi)雨水口流(liu)量計量方(fang)🥵法，其在科(ke)研工作和(he)🙇🏻實際工程(cheng)中，具有⭐極(ji)👅高的實用(yong)✍️和推廣價(jia)值。另外，由(you)于♊該流量(liang)📧計内存可(ke)以存儲一(yi)定的數據(ju)，節約了人(ren)力成本，但(dan)建議後續(xu)研究考慮(lü)♍将這些計(ji)量數據存(cun)儲于㊙️雲端(duan)，并實現遠(yuan)傳。

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