摘要:針(zhen)對雨水(shui)口及其(qi)他跌落(luo)水流的(de)流量測(ce)量問題(ti)，提出一(yi)種基于(yu)動量變(bian)化率而(er)測定來(lai)流沖擊(ji)力的計(ji)🤟量流量(liang)的方法(fa)。具體步(bu)驟是通(tong)過力傳(chuan)感裝置(zhi)和稱重(zhong)變送器(qi)将下落(luo)水流沖(chong)擊力轉(zhuan)化爲電(dian)壓信号(hao)，依據率(lü)定實驗(yan)過程中(zhong)電壓值(zhi)的變化(hua)，最終換(huan)算成雨(yu)水口徑(jing)流量計(ji) 。結果表(biao)明，應用(yong)該計量(liang)方法進(jin)行雨水(shui)口流量(liang)測量，其(qi)獲得🏃🏻‍♂️的(de)流量精(jing)度較高(gao)，适應雨(yu)水口的(de)流量變(bian)化,是一(yi)種計量(liang)雨水口(kou)流量的(de)有效方(fang)法。
0引言(yan)
　　海綿城(cheng)市建設(she)爲中國(guo)城市現(xian)代雨水(shui)控制利(li)用與管(guan)🔆理系統(tong)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(yu)水流量(liang)☂️是研究(jiu)雨水問(wen)🥰題的基(ji)本工作(zuo)㊙️之一，是(shi)建設海(hai)綿城市(shi)的初始(shi)環節。雨(yu)水口是(shi)雨水排(pai)水系統(tong)中收集(ji)地🔞表水(shui)流的構(gou)築物，是(shi)地面徑(jing)流轉化(hua)爲🈲管道(dao)排水的(de)過渡點(dian)口，也是(shi)城市非(fei)點源污(wu)染物進(jin)入水環(huan)境的主(zhu)要通道(dao)。雨水口(kou)接納由(you)零至徑(jing)流峰值(zhi)範圍内(nei)的♈雨水(shui)流量，對(dui)流量計(ji)提出了(le)較高的(de)要求:首(shou)先要求(qiu)測量具(ju)備精度(du)好，其次(ci)要求流(liu)量計具(ju)有較廣(guang)的量程(cheng)比和良(liang)好的洩(xie)流能力(li)。
　　國内現(xian)有的針(zhen)對雨水(shui)口的專(zhuan)利已超(chao)過120項，其(qi).主要涉(she)及雨水(shui)口的截(jie)污淨化(hua)功能印(yin)。然而，涉(she)及雨水(shui)口流量(liang)測量方(fang)面的專(zhuan)利屈指(zhi)可數。由(you)于雨水(shui)口空間(jian)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(yu)水口安(an)裝不便(bian);雨水徑(jing)流小時(shi),現有的(de)流速面(mian)積♍法流(liu)量計大(da)多難以(yi)滿足測(ce)量精度(du)高的要(yao)求。國内(nei)外常用(yong)的示🔴蹤(zong)劑法測(ce)量亦由(you)于測量(liang)點位選(xuan)⛱️取困難(nan),而對雨(yu)水口流(liu)量計量(liang)束手無(wu)策🔱日。找(zhao)到一種(zhong)科學合(he)理的雨(yu)水口流(liu)量計量(liang)方法勢(shi)在必行(hang),因此本(ben)🔆研究提(ti)出了一(yi)種基于(yu)動量變(bian)化率測(ce)定來流(liu)沖擊力(li)的計量(liang)方法以(yi)滿足研(yan)究及工(gong)程問題(ti)🔞的要求(qiu)。本文主(zhu)要闡述(shu)中國發(fa)明專利(li)一一種(zhong)雨水口(kou)流量測(ce)✍️量裝置(zhi)傳利号(hao):201610001374.4)的測量(liang)基本原(yuan)理并對(dui)該方法(fa)進行實(shi)際應用(yong)。
1雨水口(kou)流量計(ji)設計
1.1計(ji)量原理(li).
　　水流跌(die)入雨水(shui)口示意(yi)圖如圖(tu)1所示。

　　通(tong)常雨水(shui)口接收(shou)的徑流(liu)通過雨(yu)水篦子(zi)跌水流(liu)入🏒市政(zheng)雨水管(guan)道，該過(guo)程中水(shui)流在垂(chui)直地面(mian)方向上(shang)的分:速(su)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(ren)意位置(zhi)的垂直(zhi)分速度(du)始終符(fu)合公式(shi)(1):

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

　　假(jia)定水體(ti)在下落(luo)的過程(cheng)中,落在(zai)某一個(ge)水平平(ping)闆上後(hou)流走。取(qu)水體撞(zhuang)擊平闆(pan)瞬間，進(jin)行受力(li)分析。取(qu)🏃🏻‍♂️截面EE與(yu)B-B之間的(de)Δh高度的(de)水體爲(wei)控制體(ti)，其中EE面(mian)上的速(su)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(yu)沖擊力(li)F與對應(ying)的△h高🚩度(du)的水體(ti)重力G之(zhi)和。
　　對垂(chui)直于地(di)面方向(xiang)使用恒(heng)定總流(liu)動量定(ding)律進行(hang)分析:

　　式(shi)中:?F爲控(kong)制體内(nei)的合外(wai)力，N;P爲平(ping)闆對水(shui)的作用(yong)力,N;Q爲總(zong)流量,m3/s;ρ爲(wei)⛱️水的密(mi)度;V,爲垂(chui)直分速(su)度,L/s。
對式(shi)2)進行處(chu)理,将式(shi)(1)代入式(shi)（2），可得:

　　根(gen)據牛頓(dun)第三定(ding)律，平闆(pan)所受力(li)即爲其(qi)對水體(ti)的作用(yong)力P,理論(lun)上隻需(xu)測出平(ping)闆所受(shou)到的力(li)即可通(tong)過式（4）求(qiu)出流量(liang)Q。本流量(liang)計通過(guo)力傳感(gan)器将水(shui)體下落(luo)到平闆(pan)所受到(dao)的力傳(chuan)感給‼️稱(cheng)重變送(song)器，通過(guo)設⁉️置稱(cheng)重變送(song)器濾波(bo),使其排(pai)除幹擾(rao)後将模(mo)拟量轉(zhuan)㊙️化爲電(dian)壓值，并(bing)通過DC電(dian)壓記錄(lu)器記錄(lu)并保存(cun)。雨水口(kou)流量計(ji)流量與(yu)電壓轉(zhuan)換關系(xi)如圖3所(suo)示。

　　上述(shu)推導過(guo)程忽略(lue)了重力(li)G及水流(liu)下落過(guo)程的損(sun)失😍,必然(ran)帶❗來一(yi)定誤差(cha)。因此，實(shi)際應用(yong)時應通(tong)過已知(zhi)的💁流量(liang)标定稱(cheng)重變送(song)器電壓(ya)U與實際(ji)流量之(zhi)間的關(guan)系。
1.2設計(ji)實例
　　設(she)計實例(li)中導流(liu)闆尺寸(cun)應符合(he)國家标(biao)準圖集(ji)GJBT-907《雨水口(kou)💃》05S518)叮标☁️準(zhun);導流管(guan)設計爲(wei)上大下(xia)小的垂(chui)直圓台(tai)體使得(de)來流不(bu)受導流(liu)管側壁(bi)作用力(li)的影響(xiang);導流管(guan)管徑✊及(ji)高度設(she)計符合(he)一定的(de)比例，保(bao)證任意(yi)方❄️向的(de)來流🏃‍♂️都(dou)以抛物(wu)線的方(fang)式🔞下落(luo)到受力(li)盤上;受(shou)💞力盤需(xu)要與導(dao)流管保(bao)持🏃‍♀️一定(ding)的距離(li)，保證.來(lai)流可以(yi)順利排(pai)走😍，且💯受(shou)力盤直(zhi)徑應稍(shao)大于導(dao)流管管(guan)徑，保證(zheng)來流❗速(su)度方向(xiang)都轉換(huan)爲水平(ping)方向。.雨(yu)水口流(liu)㊙️量🛀🏻計設(she)計圖見(jian)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(di)面直徑(jing)爲250mm,下底(di)面直徑(jing)爲200mm,導流(liu)管高🈲度(du)爲200mm，壁厚(hou)爲3mm;導流(liu)闆與導(dao)流管上(shang)底面焊(han)接;導流(liu)闆與受(shou)力盤底(di)面平行(hang)，垂直有(you)效距離(li)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(he)結構、液(ye)體流動(dong)特性以(yi)及工作(zuo)狀态均(jun)🙇🏻密切影(ying)響流量(liang)計特性(xing)。流量計(ji)的現場(chang)使用環(huan)境🈚複雜(za)👌,建立完(wan)全一緻(zhi)的使用(yong)條件比(bi)較困難(nan)。故而需(xu)選擇其(qi)共性條(tiao)件，建🌏立(li)率定🤞裝(zhuang)置，理論(lun)與實踐(jian)相結合(he)來挖掘(jue)其使用(yong)條件下(xia)的共性(xing)特征0
　　本(ben)次采用(yong)的率定(ding)方法是(shi)标準表(biao)法，通過(guo)事先正(zheng)确标定(ding)的超聲(sheng)波流量(liang)計來标(biao)定雨水(shui)口流量(liang)計，二者(zhe)串聯🐕在(zai)管道上(shang)☂️，流體依(yi)次通過(guo)2個流量(liang)計，通過(guo)測量标(biao)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(shi)，實驗通(tong)過渠道(dao)長2000mm的穩(wen)流明渠(qu)向💛80mmx80mm的集(ji)✌️水槽供(gong)水，水流(liu)以任意(yi)方向通(tong)過導流(liu)管進入(ru)流量計(ji)，模拟現(xian)實條件(jian)下雨水(shui)進入雨(yu)水口㊙️場(chang)景。爲♋滿(man)足GB50014一2006《室(shi)外排水(shui)設計規(gui)範》中規(gui)定雨水(shui)口實際(ji)洩水能(neng).力的極(ji)限值凹(ao),使用不(bu)同流量(liang)的2台水(shui)泵供水(shui)，小流量(liang)潛水泵(beng)的✊最大(da)流量爲(wei)4.5L/s，大流量(liang)潛水🌏泵(beng)的最大(da)流量♊爲(wei)10L/s。在較小(xiao)流量時(shi)，由1根直(zhi)徑爲㊙️63mm的(de)PVC管供水(shui)，使用球(qiu)形閥控(kong)制流🌈量(liang)大小;在(zai)較大流(liu)量時，由(you)1根🈲直徑(jing)爲110mm的PVC管(guan)引水到(dao)渠道前(qian)端由水(shui)泵變頻(pin)器控制(zhi)進水流(liu)量。整個(ge)過程使(shi)用.超聲(sheng)波流量(liang)計計量(liang)實際流(liu)量;雨水(shui)口流量(liang)計使用(yong)DC電壓記(ji)錄器紀(ji)錄電壓(ya)值，通過(guo)式4)計算(suan)理論流(liu)量。渠道(dao)前端放(fang)置2塊多(duo)孔闆穩(wen)定來流(liu)避免水(shui)面動蕩(dang)。.渠道的(de)出水通(tong)過流量(liang)計之後(hou)進入㊙️地(di)下水渠(qu)流入地(di)下水庫(ku)，泵從水(shui)庫抽水(shui)❤️到實驗(yan)水渠，循(xun)環供水(shui)。實驗現(xian)場流🐇量(liang)計實物(wu)如圖6所(suo)示。

2.2率定(ding)結果及(ji)分析
　　由(you)于采用(yong)水泵直(zhi)接供水(shui)方式，電(dian)壓、頻率(lü)的波動(dong)會🤟直接(jie)影響實(shi)際供水(shui)流量呵(he)，導緻測(ce)得的實(shi)際流量(liang)數據發(fa)生一定(ding)的離散(san)性。故采(cai)用數據(ju)平均方(fang)式消除(chu)随機誤(wu)差。
　　實驗(yan)中,DC電壓(ya)記錄器(qi)每隔10s記(ji)錄1次電(dian)壓值，内(nei)存足以(yi)紀錄大(da)約27h;使用(yong)UPSI2V5AH電源，可(ke)用時長(zhang)約40h。對記(ji)錄的電(dian)壓值進(jin)行整理(li)得到穩(wen)定流量(liang)下的電(dian)壓均值(zhi)。使用式(shi)4)計算得(de)到電壓(ya)均.值對(dui)應的力(li)以及理(li)論流量(liang)。
　　實驗過(guo)程中,采(cai)用一大(da)一小2台(tai)水泵供(gong)水，在小(xiao)泵流量(liang)達到最(zui)大值與(yu)大泵流(liu)量處于(yu)極小值(zhi)之間時(shi),由于控(kong)制困🌈難(nan)，數✂️據缺(que)🈲失。将所(suo)有數據(ju)綜合分(fen)析,拟合(he)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(qu)線，經分(fen)析線性(xing)關系良(liang)好，符合(he)真實情(qing)況，從而(er)推導出(chu)DC電壓記(ji)👄錄器記(ji)錄電壓(ya)值U與流(liu)量Q的關(guan)系式如(ru)❤️式(6)所示(shi):

　　結合理(li)論流量(liang)與實際(ji)流量對(dui)應關系(xi)圖(7)，對電(dian)壓均值(zhi)與理論(lun)流量之(zhi)間的關(guan)系(U理論(lun)-V)以及電(dian)壓均值(zhi)與實際(ji)流量🙇🏻之(zhi)間的關(guan)系(U實際(ji)-V)進行簡(jian)單回歸(gui)分析，結(jie)🤩果如表(biao)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(shi)設定爲(wei)式6):

　　式中(zhong):a和b爲修(xiu)正系數(shu),根據現(xian)場實際(ji)情況,不(bu)同流量(liang)計配合(he)不👈同的(de)修正系(xi)數，修正(zheng)系數可(ke)通過率(lü)定得到(dao)。
2.3誤差分(fen)析
　　标準(zhun)法率定(ding)過程中(zhong)，誤差溫(wen)度和壓(ya)力不是(shi)主要影(ying)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(shi)用的超(chao)聲🌍波流(liu)量計精(jing)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(ji)算得到(dao)的理論(lun)流量💋與(yu)實際流(liu)量略有(you)不同，計(ji)量流量(liang)值會略(lue)微偏大(da)。
　　誤差來(lai)源主要(yao)有:1)Ah高度(du)的水體(ti)重力G的(de)大小無(wu)法定量(liang)測定，爲(wei)滿足條(tiao)件，已經(jing)設定△h足(zu)夠小，類(lei)似于水(shui)膜，其産(chan)生的誤(wu)差💃可認(ren)🆚爲是系(xi)統誤差(cha);2)其中式(shi)4)中V,的計(ji)算中，h在(zai)⭐測量時(shi)會帶來(lai)系統誤(wu)🔅差;3)實驗(yan)中平闆(pan)對水的(de)作用力(li)🔴P的測量(liang)誤差爲(wei)随機誤(wu)差。
　　對電(dian)壓均值(zhi)與理論(lun)流量、實(shi)際流量(liang)之間的(de)數據分(fen)🏒别使用(yong)🔅式0)計算(suan)流量相(xiang)對誤差(cha)，計算結(jie)果如圖(tu)8所示。可(ke)以看出(chu):在小流(liu)量時,所(suo)有數據(ju)相對誤(wu)差絕對(dui)值均小(xiao)于10%，絕大(da)多數相(xiang)對誤差(cha)絕對值(zhi)均小于(yu)5%;在大流(liu)量時相(xiang)對誤差(cha)絕對值(zhi)相對穩(wen)定,均小(xiao)于3%。

　　不難(nan)發現，在(zai)流量較(jiao)小時，相(xiang)對誤差(cha)波動較(jiao)大。這是(shi)由于此(ci)時使🔞用(yong)小流量(liang)泵時，由(you)球形閥(fa)控制流(liu)量，在流(liu)量♌較小(xiao)時，難以(yi)穩定控(kong)制。.
　　綜合(he)分析,在(zai)流量大(da)于1.40L/s時，電(dian)壓值-流(liu)量關系(xi)曲線的(de)相對誤(wu)🐉差的絕(jue)對值基(ji)本滿足(zu)相關規(gui)定中其(qi)對于大(da)多數量(liang)🎯水設備(bei)所要求(qiu)的精度(du)在5%範圍(wei)内的要(yao)求口。具(ju)體流量(liang)相對誤(wu)差範圍(wei)見圖8。

3應(ying)用案例(li)
　　爲驗證(zheng)雨水口(kou)流量計(ji)的實際(ji)效果，在(zai)北京某(mou)校園的(de)道🏃‍♀️路雨(yu)水口上(shang)安裝了(le)該流量(liang)計，現場(chang)實驗裝(zhuang)置👣如圖(tu)9所示。

　　對(dui)該地2025年(nian)11月26日的(de)降雨進(jin)行監測(ce)。通過.安(an)放在校(xiao)園中的(de)雨🥵量計(ji)得到分(fen)時降雨(yu)量;通過(guo)該雨水(shui)口流量(liang)⛷️計現場(chang)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(shui)口徑流(liu)流量變(bian)化與降(jiang)雨強度(du)的🌂關系(xi)如圖10所(suo)示。降雨(yu)初期，雨(yu)強較大(da),降雨🌈曆(li)時較短(duan),路面徑(jing)流小，彙(hui)聚到雨(yu)水口的(de)流量也(ye)很少，維(wei)持在0~0.50L/s;随(sui)着降雨(yu)的進行(hang)，經過一(yi)定曆時(shi),雨水口(kou)徑流量(liang)達到峰(feng)值，約爲(wei)4.25L/s;随後随(sui)着降雨(yu)強度減(jian)🙇‍♀️小，流量(liang)也逐漸(jian)減小，最(zui)終趨于(yu)0.

　　對數據(ju)記錄器(qi)中的數(shu)據進行(hang)整理分(fen)析，可以(yi)看出:在(zai)降雨✂️初(chu)期以及(ji)後期，雨(yu)水口徑(jing)流流量(liang)變化範(fan)圍很小(xiao)時，該流(liu)量計可(ke)正确✨計(ji)量雨水(shui)口流量(liang);當地表(biao)彙流突(tu)然進入(ru)雨水口(kou)👌時，該流(liu)量計可(ke)以穩定(ding)而迅速(su)計量來(lai)流流量(liang)，不會産(chan)生數值(zhi)跳躍。整(zheng)個過程(cheng)中💘,計量(liang)誤差小(xiao)、精度優(you)良，其量(liang)程适應(ying)雨水口(kou)流量變(bian)化，該法(fa)可以承(cheng)擔雨水(shui)口流量(liang)計量工(gong)作。
4結語(yu)
　　本文首(shou)次提出(chu)了一種(zhong)基于動(dong)量變化(hua)率測定(ding)來流沖(chong)擊力的(de)計🧡量流(liu)量的方(fang)法，并給(gei)出了雨(yu)水口徑(jing)流流量(liang)與降雨(yu)強⛹🏻‍♀️度之(zhi)間的關(guan)系，該計(ji)量方法(fa)在水工(gong)程領城(cheng)，尤其是(shi)雨水研(yan)究中有(you)着極爲(wei)重要的(de)實踐價(jia)值,爲開(kai)展雨水(shui)水量的(de)相關🏃‍♀️研(yan)究提供(gong)了有力(li)武👨‍❤️‍👨器。該(gai)流量計(ji)可實時(shi)在線正(zheng)确測量(liang)雨水口(kou)徑流流(liu)量，誤差(cha)小，量程(cheng)比高，洪(hong)峰流量(liang)🚩時依舊(jiu)可以保(bao)♍持優良(liang)的洩流(liu)能力。作(zuo)爲一種(zhong)新式雨(yu)水口流(liu)量計量(liang)方法🛀，其(qi)在科研(yan)工作和(he)實際工(gong)程中，具(ju)有極高(gao)的實用(yong)和推廣(guang)價值。另(ling)外，由于(yu)該流量(liang)計内存(cun)可以存(cun)♍儲一👈定(ding)的數據(ju)，節約了(le)人力成(cheng)本，但建(jian)議後續(xu)研究考(kao)慮将這(zhe)些計量(liang)數據存(cun)儲于雲(yun)端，并實(shi)現遠傳(chuan)。

以上内(nei)容源于(yu)網絡，如(ru)有侵權(quan)聯系即(ji)删除!