摘要:針(zhēn)對雨水(shui)口及其(qí)他跌落(luo)水流的(de)流量測(cè)量問題(tí)，提出一(yi)種基于(yú)動量變(bian)化率而(ér)測定來(lái)流沖擊(ji)力✊的計(ji)量流量(liàng)的方法(fa)。具體步(bu)驟是通(tōng)過力傳(chuán)感裝置(zhi)和稱重(zhòng)變送器(qi)将下落(luo)水流沖(chòng)擊力轉(zhuan)化爲電(dian)壓信号(hào)，依據率(lü)定實驗(yan)過🌈程中(zhong)電壓值(zhí)的變化(huà)👌，最終換(huàn)算成雨(yǔ)水口徑(jìng)流量計(jì) 。結果表(biao)明，應用(yong)該計量(liàng)方法進(jìn)行雨水(shui)口流量(liàng)測量，其(qí)獲得的(de)流量精(jīng)度較高(gāo)，适應雨(yu)水口的(de)流量變(biàn)化,是一(yi)種計量(liàng)雨水口(kǒu)流量的(de)有效方(fang)法。
0引言(yán)
　　海綿城(cheng)市建設(she)爲中國(guo)城市現(xiàn)代雨水(shui)控制利(li)用與管(guǎn)理系統(tǒng)的發展(zhan)提供了(le)機遇,但(dan)同時也(ye)帶來了(le)極大的(de)挑戰與(yu)困惑”。監(jian)測雨水(shui)水質和(he)計量雨(yǔ)水流量(liang)是研究(jiu)♌雨水問(wèn)題的基(ji)本工作(zuo)之一，是(shì)建設海(hai)綿城市(shì)的初始(shǐ)環節。雨(yǔ)水口是(shì)雨水排(pai)水系統(tong)中收集(jí)地🔞表水(shui)流的構(gòu)築物，是(shì)地面徑(jìng)流轉化(huà)爲管道(dao)排水的(de)過渡點(dian)口，也是(shì)城市非(fēi)點源污(wū)染物進(jìn)入水環(huán)境的主(zhǔ)要通道(dao)。雨水口(kou)接納由(yóu)零至徑(jing)流峰值(zhí)範圍内(nei)的雨水(shuǐ)流量，對(dui)流量計(jì)👉提出了(le)較高的(de)要求:首(shǒu)先要求(qiu)測量具(ju)備🧡精度(du)好，其次(ci)要求流(liú)量計具(jù)有較廣(guǎng)的量🧡程(chéng)比和良(liáng)好的洩(xie)流能力(lì)。
　　國内現(xiàn)有的針(zhen)對雨水(shuǐ)口的專(zhuān)利已超(chao)過120項，其(qi).主要涉(she)及雨水(shui)🧡口的截(jie)污淨化(huà)功能印(yin)。然而，涉(shè)及雨水(shuǐ)口流量(liang)測量方(fāng)面的專(zhuān)利屈指(zhǐ)可數。由(yóu)于雨水(shui)口空間(jiān)有限，現(xian)有的水(shui)力學法(fa)🙇‍♀️的堰槽(cao)等流量(liang)計量設(she)備在雨(yǔ)水口安(an)💛裝不便(bian);雨🍓水徑(jìng)流小時(shí),現有的(de)流速面(miàn)積🌍法流(liú)量計大(dà)💋多難以(yi)滿足測(cè)量精度(du)高的要(yao)求。國内(nei)外常用(yòng)的示蹤(zong)♋劑法測(ce)量亦由(you)于測量(liang)點位選(xuǎn)取困難(nán),而對雨(yu)水口流(liú)量計量(liàng)束手無(wú)策日。找(zhǎo)到一種(zhǒng)科學合(hé)理的雨(yu)水口流(liú)量計量(liang)方法勢(shi)在必行(háng),因此本(běn)研究提(tí)出了一(yi)種基于(yú)動量變(bian)化率測(ce)定來流(liú)沖擊力(li)的計量(liàng)方法以(yi)💚滿足研(yan)究及工(gōng)程問題(ti)的要求(qiu)。本文主(zhǔ)要闡述(shù)中國發(fā)明專利(li)一一種(zhong)雨水口(kǒu)流量測(ce)量裝置(zhì)傳利号(hao):201610001374.4)的測量(liang)基❗本原(yuán)理并對(dui)該方法(fǎ)進行實(shi)際應用(yong)。
1雨水口(kǒu)流量計(ji)設計
1.1計(jì)量原理(li).
　　水流跌(diē)入雨水(shuǐ)口示意(yi)圖如圖(tú)1所示。

　　通(tōng)常雨水(shuǐ)口接收(shōu)的徑流(liú)通過雨(yǔ)水篦子(zǐ)跌水流(liu)入市🔱政(zhèng)雨水管(guan)道，該過(guò)程中水(shuǐ)流在垂(chuí)直地面(mian)方向上(shàng)的分:速(sù)度爲零(ling)，水流在(zai)下落過(guo)程中屬(shu)于自由(you)落體運(yun)動，其任(rèn)意位置(zhi)的垂直(zhi)分速度(dù)始終符(fu)合公式(shì)(1):

　　式中:Vy爲(wei)垂直分(fèn)速度,L/s;h爲(wèi)自由落(luò)體高度(dù),m;g爲重力(li)加速✌️度(du),9.8m/s'.
　　水體擊(ji)落平面(mian)受力分(fèn)析如圖(tú)2所示。

　　假(jia)定水體(tǐ)在下落(luò)的過程(chéng)中,落在(zai)某一個(gè)水平平(ping)闆上後(hòu)流走。取(qu)水體撞(zhuang)擊平闆(pan)瞬間，進(jìn)行受力(lì)分析。取(qǔ)🏒截面㊙️EE與(yǔ)B-B之間的(de)Δh高度的(de)水體爲(wèi)控制體(ti)，其中EE面(mian)上的🥵速(sù)度垂直(zhi)于地面(mian)，表示爲(wei)Vy;其中B-B面(mian)上的速(su)度與地(di)面平行(hang)，表示爲(wei)V水平。平(ping)闆對水(shui)的作用(yong)力P等于(yú)沖擊力(lì)㊙️F與對應(ying)的△h高度(du)的水體(tǐ)重力G之(zhī)和。
　　對垂(chui)直于地(di)面方向(xiang)使用恒(héng)定總流(liu)動量定(ding)律進行(háng)分析:

　　式(shi)中:?F爲控(kong)制體内(nèi)的合外(wài)力，N;P爲平(píng)闆對水(shui)的作用(yòng)力👅,N;Q爲總(zong)流量,m3/s;ρ爲(wei)🐅水的密(mi)度;V,爲垂(chuí)直分速(sù)度,L/s。
對式(shi)2)進行處(chù)理,将式(shì)(1)代入式(shi)（2），可得:

　　根(gēn)據牛頓(dùn)第三定(ding)律，平闆(pǎn)所受力(li)即爲其(qi)對水體(tǐ)的作用(yòng)力P,理論(lun)上隻需(xū)測出平(píng)闆所受(shòu)到的力(li)即可通(tōng)✂️過式（4）求(qiú)出流量(liàng)Q。本流㊙️量(liàng)計通過(guo)力傳感(gan)器将水(shuǐ)體下落(luo)到平闆(pan)所受到(dao)的力💃傳(chuán)感給稱(chēng)重變🐇送(sòng)器，通過(guo)設👄置稱(chēng)重變送(sòng)器濾波(bō),使其排(pái)除幹擾(rǎo)後将⭕模(mó)拟量轉(zhuǎn)化爲電(diàn)壓值，并(bing)通過DC電(diàn)壓記錄(lù)器記錄(lù)并保存(cun)。雨水口(kou)流量計(jì)流量與(yǔ)電壓轉(zhuǎn)換關系(xì)如圖3所(suǒ)示。

　　上述(shù)推導過(guò)程忽略(lue)了重力(li)G及水流(liu)下落過(guò)程的損(sun)失,必然(rán)帶😍來一(yi)定誤差(cha)。因此，實(shí)際應用(yòng)時應通(tōng)過已知(zhī)的流量(liang)标定稱(cheng)重變送(song)器電壓(ya)U與實際(jì)流量之(zhi)間💛的關(guan)系。
1.2設計(jì)實例
　　設(shè)計實例(lì)中導流(liu)闆尺寸(cùn)應符合(he)國家标(biao)準圖集(ji)GJBT-907《雨水口(kǒu)》05S518)叮标🌈準(zhǔn);導流管(guan)設計爲(wèi)上大下(xia)小的垂(chuí)直圓台(tai)體使得(de)來流不(bú)🌂受導流(liu)管側壁(bì)作用力(li)的影響(xiang);導流😄管(guǎn)管徑⛹🏻‍♀️及(ji)高度設(shè)計符✔️合(hé)一定的(de)比例，保(bǎo)證任意(yì)方向的(de)來流都(dōu)以抛物(wu)線的方(fāng)式下落(luo)到受㊙️力(li)盤上;受(shòu)力盤需(xū)要與🏃🏻‍♂️導(dao)流管保(bǎo)持一定(dìng)的距離(lí)，保證.來(lái)流可🙇🏻以(yǐ)順利排(pái)走，且受(shòu)力盤直(zhí)徑應⭐稍(shāo)大于導(dǎo)流管管(guǎn)徑，保證(zheng)來流速(su)度方向(xiàng)都轉換(huan)爲水平(ping)方向。.雨(yu)水口流(liú)量計設(she)計圖見(jiàn)圖4。圖中(zhong)導流闆(pan)尺寸
　　爲(wei)700mm×400mm×3mm;導流管(guan)爲圓台(tai)體，上底(dǐ)面直徑(jing)爲250mm,下底(dǐ)面直徑(jing)爲200mm,導流(liú)管高度(du)爲200mm，壁厚(hòu)爲3mm;導流(liu)闆與導(dao)流管上(shang)底面焊(hàn)♈接;導流(liu)闆與受(shou)力盤底(dǐ)面📱平行(háng)，垂直有(yǒu)效距離(lí)h爲300mm。

2流量(liang)計率定(ding)實驗
2.1率(lü)定實驗(yan)系統
　　儀(yi)表本身(shen)的設計(ji)參數和(hé)結構、液(ye)體流動(dòng)特性以(yǐ)及工🈲作(zuo)狀态均(jun)密切影(yǐng)響流量(liang)計特性(xìng)。流量計(ji)的現場(chǎng)使用環(huán)境🌂複雜(zá),建立完(wán)全🌈一緻(zhì)的使用(yòng)條件比(bi)較困難(nán)。故而需(xu)選擇㊙️其(qi)共性條(tiáo)件，建立(lì)率定裝(zhuāng)置，理論(lun)與實踐(jian)相結⭐合(he)來挖掘(jué)其使用(yong)條件下(xià)的共性(xìng)特征0
　　本(běn)次采用(yong)的率定(ding)方法是(shì)标準表(biǎo)法，通過(guò)事先正(zhèng)确标定(dìng)的🐪超聲(shēng)🔆波流量(liang)計來标(biāo)定雨水(shuǐ)口流量(liang)計，二者(zhe)串聯在(zai)管道上(shang)，流體依(yī)次💯通過(guò)2個流量(liang)計，通過(guò)測量标(biāo)準流量(liang)率定雨(yu)水口流(liu)量計👈。
　　率(lü)定實驗(yan)系統如(ru)圖5所示(shì)，實驗通(tōng)過渠道(dào)長2000mm的穩(wen)流明渠(qú)向80mmx80mm的集(jí)水槽供(gòng)水，水流(liú)以任意(yì)方向通(tōng)過導流(liú)管進🆚入(rù)流🥰量計(jì)❤️，模拟現(xian)實條件(jiàn)下雨水(shui)進入雨(yu)水口場(chǎng)景。爲滿(man)足GB50014一2006《室(shì)外排水(shui)設計📧規(guī)範》中規(guī)定雨水(shui)口實際(ji)洩水能(neng).力的極(jí)限值凹(āo),使用不(bu)同流量(liàng)的2台水(shuǐ)🚶泵供水(shui)，小流量(liàng)潛水泵(beng)的最大(dà)流量爲(wei)4.5L/s，大流量(liang)潛水泵(bèng)的最大(da)流量爲(wei)10L/s。在較小(xiao)流量時(shi)，由1根直(zhí)徑爲🐇63mm的(de)PVC管供水(shuǐ)，使用球(qiu)形閥控(kòng)制流量(liàng)大小;在(zài)較大流(liú)量時，由(you)1根直徑(jing)爲110mm的PVC管(guan)引水到(dao)渠道前(qián)端由水(shuǐ)泵變頻(pín)器控🌍制(zhì)進水流(liú)🛀量。整個(ge)過程使(shi)用.超聲(shēng)波流量(liang)計計量(liang)實際流(liú)量;雨水(shui)口流🙇‍♀️量(liàng)計使✊用(yong)DC電壓記(jì)錄器❌紀(jì)錄電壓(yā)💘值，通過(guò)式4)計算(suan)理論流(liu)量。渠道(dào)前端放(fang)置2塊多(duō)孔闆📧穩(wen)定🔅來流(liu)避免水(shui)面動蕩(dang)🌐。.渠道的(de)出水通(tōng)過流量(liang)計之後(hou)進入地(dì)下水渠(qú)流入地(dì)下水庫(ku)，泵從💔水(shuǐ)庫抽水(shui)到實驗(yan)水渠，循(xún)環供水(shuǐ)。實驗現(xian)場流量(liàng)計實物(wu)如圖6所(suǒ)示。

2.2率定(dìng)結果及(jí)分析
　　由(yóu)于采用(yòng)水泵直(zhi)接供水(shui)方式，電(dian)壓、頻率(lǜ)的波動(dong)會🔞直✂️接(jiē)影響實(shi)際供水(shui)流量呵(hē)，導緻測(cè)得的實(shi)際流量(liàng)數據🎯發(fa)生🈲一定(ding)的離散(sàn)性。故采(cai)用數據(ju)平均方(fāng)式消除(chú)随機誤(wù)差。
　　實驗(yan)中,DC電壓(yā)記錄器(qi)每隔10s記(jì)錄1次電(diàn)壓值，内(nei)存足以(yǐ)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼紀錄♋大(da)約27h;使🐕用(yong)UPSI2V5AH電源，可(kě)用時長(zhǎng)約40h。對記(jì)錄的電(dian)壓值進(jin)行整理(li)得到穩(wěn)定流量(liang)下的電(diàn)壓均值(zhi)。使用式(shi)4)計算得(dé)到電壓(yā)均.值對(duì)應的力(lì)以及理(lǐ)論流量(liàng)。
　　實驗過(guo)程中,采(cai)用一大(dà)一小2台(tái)水泵供(gòng)水，在小(xiao)泵流量(liàng)達到✊最(zui)大值與(yǔ)大泵流(liu)量處于(yu)極小值(zhi)之間時(shi),由于控(kòng)🈲制困難(nán)，數據缺(que)失。将所(suǒ)有數據(ju)綜合分(fen)析,拟合(hé)得到理(li)論流量(liang)🆚以及實(shi)際流量(liang)😘與電壓(ya)🐇均值的(de)關系曲(qǔ)線，經分(fen)🥰析線性(xìng)關🌈系良(liang)好，符合(hé)真實情(qing)🧡況，從而(er)推🆚導出(chu)DC電壓記(ji)錄器記(ji)錄電壓(yā)值U與流(liú)量Q的關(guān)系式如(rú)❄️式(6)所示(shì):

　　結合理(lǐ)論流量(liang)與實際(ji)流量對(dui)應關系(xi)圖(7)，對電(dian)壓均值(zhí)🈲與理論(lun)流量之(zhi)間的關(guān)系(U理論(lun)-V)以及電(diàn)壓均值(zhi)與實際(ji)流量之(zhī)間的關(guan)系(U實際(jì)-V)進行簡(jiǎn)單回歸(guī)分析，結(jie)果如表(biǎo)2所示，相(xiang)關性良(liang)💞好。

将式(shi)6)結合式(shi)4)加以推(tui)廣，在實(shi)際工程(cheng)測量中(zhong)，可将計(ji)量🚶‍♀️公式(shì)設☔定爲(wei)式6):

　　式中(zhong):a和b爲修(xiū)正系數(shu),根據現(xiàn)場實際(jì)情況,不(bú)同流量(liang)計配合(he)不同的(de)修正系(xì)數，修正(zhèng)系數可(kě)通過率(lü)定得到(dào)。
2.3誤差分(fèn)析
　　标準(zhun)法率定(dìng)過程中(zhong)，誤差溫(wēn)度和壓(yā)力不是(shì)主要影(yǐng)🚩響因素(su)，可以不(bu)予考慮(lü)，被檢流(liu)量計的(de)精度主(zhu)要取🈲決(jue)于标準(zhun)💘流量計(ji)的精度(du)口，假定(ding)實驗過(guo)程中使(shǐ)用✉️的超(chao)聲波流(liú)量☀️計精(jīng)度良好(hao)。
　　忽略水(shui)體重力(li)G,使用式(shi)4)給出的(de)關系計(jì)算得到(dao)的理論(lùn)⭕流量與(yu)實際流(liú)量略有(you)不同，計(ji)量流量(liàng)值會略(lue)微偏大(dà)。
　　誤差來(lái)源主要(yao)有:1)Ah高度(dù)的水體(ti)重力G的(de)大小無(wu)法定量(liang)測🌏定📞，爲(wei)🔞滿足條(tiáo)件，已經(jing)設定△h足(zú)夠小，類(lèi)似于水(shuǐ)膜，其産(chǎn)生的誤(wu)差💋可認(rèn)爲是系(xì)統誤差(cha);2)其中式(shì)4)中V,的計(ji)算中，h在(zai)測量時(shi)會帶來(lai)系統誤(wù)🈚差;3)實驗(yàn)中平闆(pǎn)對水🛀的(de)作用力(lì)P的測量(liàng)誤差爲(wèi)随機誤(wu)差。
　　對電(diàn)壓均值(zhi)與理論(lun)流量、實(shí)際流量(liàng)之間的(de)數據分(fen)别🔞使用(yong)式0)計算(suàn)流量相(xiang)對誤差(cha)，計算結(jie)果如圖(tu)8所示♋。可(ke)以看出(chū):在小流(liú)量🌍時,所(suǒ)❤️有數據(jù)相對誤(wù)差絕對(duì)值💜均小(xiǎo)于10%，絕大(da)多數相(xiang)對誤差(chà)絕對值(zhí)均小于(yu)5%;在大流(liu)量時相(xiàng)對誤差(chà)絕對值(zhi)相對穩(wen)定,均小(xiǎo)于3%。

　　不難(nan)發現，在(zài)流量較(jiào)小時，相(xiàng)對誤差(cha)波動較(jiao)大。這是(shì)由于🧑🏾‍🤝‍🧑🏼此(cǐ)🔅時📞使用(yong)小流量(liàng)泵時，由(yóu)球形閥(fa)控制流(liu)量，在流(liú)量較小(xiǎo)🌈時，難以(yi)穩定控(kong)制。.
　　綜合(he)分析,在(zai)流量大(dà)于1.40L/s時，電(diàn)壓值-流(liú)量關系(xi)曲線的(de)相🔴對誤(wù)差的絕(jué)對值基(jī)本滿足(zú)相關規(gui)定中其(qi)對于大(da)多❄️數量(liàng)水設備(bei)所要求(qiú)的精度(du)在5%範圍(wéi)内的要(yao)求口。具(jù)體流量(liang)相對誤(wù)差範圍(wei)見圖8。

3應(ying)用案例(lì)
　　爲驗證(zhèng)雨水口(kou)流量計(ji)的實際(jì)效果，在(zài)北京某(mǒu)校園的(de)道路雨(yu)🍓水⭐口上(shàng)安裝了(le)該流量(liàng)計，現場(chǎng)實驗裝(zhuāng)置💯如圖(tú)9所示😄。

　　對(dui)該地2025年(nian)12月15日的(de)降雨進(jìn)行監測(ce)。通過.安(ān)放在校(xiao)園中的(de)🛀雨量計(jì)得到分(fen)時降雨(yǔ)量;通過(guo)該雨水(shuǐ)口流量(liàng)計現場(chǎng)紀錄的(de)電壓數(shu)據，使用(yong)已經率(lü)定的換(huan)算關系(xi)式6)繪🧡出(chu)該雨水(shuǐ)口徑流(liu)流量🔞變(bian)化與降(jiàng)雨強度(du)的關系(xi)如圖👅10所(suǒ)示。降雨(yu)初期，雨(yu)強較大(da),降雨曆(li)時較短(duan),路面徑(jìng)流小，彙(hui)聚到雨(yǔ)水口的(de)流量也(ye)很少，維(wéi)持在0~0.50L/s;随(sui)着降雨(yǔ)的進行(hang)，經過一(yi)定曆時(shí),雨水口(kǒu)徑流量(liàng)達到峰(fēng)值，約爲(wèi)4.25L/s;随後随(suí)着降雨(yu)強度減(jiǎn)小，流量(liang)也逐漸(jiàn)減小，最(zuì)終趨于(yú)0.

　　對數據(ju)記錄器(qì)中的數(shù)據進行(hang)整理分(fen)析，可以(yǐ)看出:在(zài)降💃雨初(chū)期以及(ji)後期，雨(yǔ)水口徑(jing)流流量(liang)變化範(fan)圍很小(xiao)時，該流(liu)量計可(kě)正确計(jì)量雨水(shuǐ)口流量(liàng);當地表(biǎo)彙流突(tū)然進入(rù)雨水口(kou)時，該流(liú)量計可(ke)以穩定(dìng)而迅速(sù)計量來(lai)流流量(liàng)，不⛹🏻‍♀️會産(chǎn)生數🐇值(zhí)跳躍。整(zheng)個過程(chéng)中🍉,計量(liang)誤差小(xiao)、精度優(you)良，其量(liang)程适應(yīng)雨水口(kou)流量變(biàn)化，該法(fa)可以承(chéng)擔雨水(shui)口流量(liang)計量工(gōng)作。
4結語(yǔ)
　　本文首(shou)次提出(chu)了一種(zhǒng)基于動(dong)量變化(huà)率測定(ding)來流📧沖(chòng)擊力的(de)計量流(liú)量的方(fāng)法，并給(gěi)出了雨(yu)水口徑(jìng)流流量(liàng)與降☔雨(yǔ)強度之(zhī)間的關(guan)系，該計(ji)量方法(fǎ)在水工(gong)程領城(chéng)，尤其是(shì)👨‍❤️‍👨雨水研(yan)究中有(yǒu)着極爲(wei)重要的(de)實踐價(jia)值,爲開(kai)👉展雨水(shuǐ)水量的(de)相關研(yan)究提供(gong)了有力(lì)武器。該(gai)流量計(jì)可實時(shi)在線正(zheng)确測量(liàng)雨😄水口(kou)徑流流(liu)㊙️量，誤差(cha)小，量程(cheng)比高，洪(hóng)峰流量(liàng)時依舊(jiu)可以保(bǎo)持優良(liáng)的洩流(liú)能力。作(zuo)爲一種(zhong)新式雨(yu)水口流(liu)量計量(liàng)方法，其(qi)在科研(yan)工作和(hé)🛀🏻實際工(gong)程中，具(jù)有極高(gāo)的實用(yong)⁉️和推廣(guǎng)價值。另(lìng)外，由于(yú)該流量(liàng)計内存(cún)可以存(cun)儲一定(ding)的數據(ju)，節約了(le)人力成(chéng)本，但建(jiàn)議後續(xu)研究考(kǎo)慮将這(zhè)些計量(liang)數據存(cún)儲于雲(yun)端，并實(shi)現遠傳(chuan)。

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