摘要:針對雨水(shui)口及其他跌落(luò)水流的流量測(ce)量問⁉️題，提出一(yī)種基于動量變(biàn)化率而測定來(lái)流沖擊力的計(ji)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(chòng)擊力轉化爲電(diàn)壓信号，依據率(lü)定實驗過程中(zhōng)電壓值的變化(huà)，最終換算成雨(yǔ)水口徑流量計(jì) 。結果表明，應用(yòng)該計量方法進(jin)行雨水口流量(liang)測量，其獲得的(de)流量精度較高(gao)，适應雨水口的(de)流量變化,是一(yi)種計量雨水口(kǒu)流量的有效方(fāng)法。
0引言
　　海綿城(cheng)市建設爲中國(guo)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(yǔ)困惑”。監測雨水(shuǐ)水質和計量雨(yǔ)水流量是研究(jiu)雨水問題的基(jī)㊙️本工作之一，是(shì)建設海綿城市(shì)的初始環節。雨(yǔ)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(jìng)流轉化爲管道(dao)排水的㊙️過渡點(dian)口，也是城市非(fei)點源污💞染物進(jin)入水環境的主(zhu)要通道。雨水口(kǒu)接納由零至徑(jìng)流🙇‍♀️峰值範圍内(nei)的雨🐪水流量，對(dui)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(jù)有較廣的量程(cheng)比和良好的洩(xiè)流能力。
　　國内現(xian)有的針對雨水(shui)口的專利已超(chao)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(shuǐ)口流量🎯測量㊙️方(fāng)面的專利屈指(zhǐ)可數。由于雨水(shuǐ)口空間有限，現(xiàn)有的水力學法(fǎ)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(shi),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(yòng)的示💯蹤劑法測(cè)量亦由于測量(liàng)點位選取困難(nan),而對雨水口流(liu)量計量💘束手無(wu)策日。找到一種(zhong)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(yu)動量變化率測(cè)定來流沖擊力(lì)的計量方法以(yi)滿足研究及工(gōng)程問題的要求(qiu)。本文主要闡述(shu)中國發明專❓利(li)一一種雨水口(kǒu)流量測量裝🚶‍♀️置(zhì)傳利号:201610001374.4)的測量(liàng)基本原理并對(dui)該方法進行實(shi)際應用。
1雨水口(kǒu)流量計設計
1.1計(ji)量原理.
　　水流跌(diē)入雨水口示意(yì)圖如圖1所示。

　　通(tōng)常雨水口接收(shōu)的徑流通過雨(yǔ)水篦子跌水流(liu)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(zài)下落過程中屬(shu)于自由落體運(yun)動，其任意位🏃🏻‍♂️置(zhì)的垂直分速度(du)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(fèn)析如圖2所示。

　　假(jiǎ)定水體在下落(luo)的過程中,落在(zài)某一個水平平(píng)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(miàn)上的速度與地(di)面平行，表示爲(wèi)V水平。平闆對水(shuǐ)的作用力P等于(yú)沖擊力🏃🏻F與對應(yīng)的△h高度的水體(tǐ)重💃🏻力G之和。
　　對垂(chui)直于地面方向(xiàng)使用恒定總流(liú)動量定律進行(hang)💜分析:

　　式中:?F爲控(kong)制體内的合外(wai)力，N;P爲平闆對水(shuǐ)的作用力,N;Q爲總(zong)流量,m3/s;ρ爲水的密(mì)度;V,爲垂直分速(sù)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(pan)所受力即爲其(qí)對水體的作用(yòng)力P,理論上隻需(xu)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(guo)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(sòng)器，通過設置稱(cheng)重變送器濾波(bō),使其排除幹擾(rǎo)後将🏃模拟量轉(zhuǎn)化爲電壓值，并(bìng)通過DC電壓記錄(lu)器記錄并保存(cún)。雨水口流量計(jì)流✔️量與電壓轉(zhuǎn)換關系如圖3所(suǒ)示。

　　上述推導過(guò)程忽略了重力(li)G及水流下落過(guo)程的損失,必然(ran)📧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(yā)U與實際流量之(zhī)間的關系。
1.2設計(jì)實例
　　設計實例(li)中導流闆尺寸(cun)應符合國家标(biāo)準圖集GJBT-907《雨🌈水口(kǒu)》05S518)叮标準😘;導流管(guǎn)設計爲上大下(xià)小的垂直圓台(tai)體使得來🙇🏻流不(bú)受導👉流管🔞側壁(bi)作用力的影響(xiǎng);導流管管徑及(jí)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(wù)線的方式下落(luo)到受力盤上;受(shòu)力盤需要與👌導(dǎo)流管保持一定(ding)的距離🍉，保證.來(lai)流可以順利排(pái)走，且受力盤直(zhi)徑應稍大于導(dao)流管管徑，保證(zheng)來流速度方❗向(xiang)都轉換爲水平(ping)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(guǎn)爲圓台體，上底(di)面直徑爲250mm,下底(di)面直徑爲200mm,導流(liu)管高度爲200mm，壁厚(hòu)爲3mm;導流闆與導(dǎo)流管上底面焊(han)㊙️接;導流闆與受(shou)力盤底面平行(háng)，垂直有效距離(lí)h爲300mm。

2流量計率定(ding)實驗
2.1率定實驗(yàn)系統
　　儀表本身(shen)的設計參數和(hé)結構、液體流動(dong)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(chang)使用♋環境複雜(za),建立完全一緻(zhi)的使用條件比(bǐ)較困難。故而需(xu)選擇其共性條(tiáo)件，建立率定裝(zhuang)置，理論與實踐(jiàn)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(ding)方法是标準表(biao)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(liang)計，二者串聯⛱️在(zài)管💯道上，流體依(yī)次通過2個流量(liàng)計，通過測量标(biao)準流量率定雨(yǔ)水口流量計。
　　率(lü)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(ji)水槽供水，水流(liú)以任意方向通(tōng)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(chang)景。爲😘滿足GB50014一2006《室(shi)外排水設計規(guī)範》中規定雨水(shui)口實際洩水能(neng).力的極限值凹(āo),使用不同流量(liàng)的2台水🐆泵供水(shuǐ)，小流量潛水泵(beng)的最大流量爲(wèi)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(jing)爲110mm的PVC管引水到(dào)渠道前端由水(shuǐ)✔️泵變頻器控制(zhi)進水流量。整個(gè)過程使用.超聲(shēng)波流量計計量(liang)實際流量;雨水(shui)口流🎯量計使🈲用(yòng)DC電壓記錄器紀(jì)錄電壓值，通過(guo)式4)計算理論流(liú)量。渠道前端放(fàng)置2塊多孔闆穩(wen)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(dì)下水渠流入地(dì)下水庫，泵從🙇‍♀️水(shuǐ)庫抽水到實驗(yan)水渠，循環供水(shuǐ)。實驗現場流量(liang)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(lǜ)的波動會直🌈接(jiē)影👨‍❤️‍👨響實際供水(shuǐ)流量呵，導緻測(ce)得的實際流量(liang)數據♊發生一定(dìng)的離散性。故采(cǎi)用數據平均方(fāng)式消除随機誤(wu)差。
　　實驗中,DC電壓(ya)記錄器每隔10s記(jì)錄1次電壓值，内(nèi)存足以紀錄大(da)約27h;使用UPSI2V5AH電源，可(kě)用時長約40h。對記(ji)錄的電壓值進(jin)行整理得到穩(wěn)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(cai)用一大一小2台(tai)水泵供水，在小(xiao)泵流量達到最(zui)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(qíng)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(ru)式(6)所示:

　　結合理(li)論流量與實際(ji)流量對應關系(xi)圖(7)，對電壓均值(zhí)與理論流量之(zhī)間的關系(U理論(lun)-V)以及電壓均值(zhí)與實際流量之(zhi)間的關系(U實際(jì)-V)進行簡單回歸(guī)分析，結果如表(biao)🤩2所示，相關性良(liáng)好。

将式6)結合式(shì)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(zhong):a和b爲修正系數(shù),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(fen)析
　　标準法率定(ding)過程中，誤差溫(wēn)度和壓力不是(shì)主要影❤️響因素(su)，可以不予考慮(lü)，被檢流量計的(de)精度主要取決(jue)于标準🈲流量計(jì)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(lì)G,使用式4)給出的(de)關系計算得到(dao)的理論流量與(yu)🛀🏻實際流量略有(yǒu)不同，計量流量(liang)值會略微偏大(dà)。
　　誤差來源主要(yào)有:1)Ah高度的水體(ti)重力G的大小無(wú)法定量測🐪定，爲(wei)💋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(rèn)爲是系統誤差(chà);2)其中式4)中V,的計(ji)算中，h在測量時(shi)會帶來系統誤(wù)差;3)實驗中平闆(pan)對水的作用力(li)P的測量誤差爲(wèi)随機誤差。
　　對電(diàn)壓均值與理論(lun)流量、實際流量(liang)之間的數據分(fèn)别使👨‍❤️‍👨用式0)計🔞算(suàn)流量相對誤差(chà)，計算結果如圖(tu)8所示。可以看出(chu):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(zhí)均小于5%;在大流(liú)量時相對誤差(cha)絕對值相對穩(wěn)定,均小于3%。

　　不難(nan)發現，在流量較(jiào)小時，相對誤差(cha)波動較大。這是(shì)由于此時⭐使♻️用(yong)小流量泵時，由(you)球形閥控制流(liú)量，在🐇流量較小(xiǎo)時，難🌈以穩定控(kòng)📐制。.
　　綜合分析,在(zài)流量大于1.40L/s時，電(diàn)壓值-流量關系(xì)曲線的相對🏒誤(wu)🌂差的絕對值基(jī)本滿足相關規(guī)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(wei)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(mou)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(nian)12月17日的降雨進(jin)行監測。通過.安(ān)放在校園中✊的(de)雨量計得到分(fèn)時降雨量;通過(guo)該雨水口流量(liang)計現場紀錄的(de)電壓數據，使用(yòng)已經率定的換(huan)算關系式6)繪出(chu)該雨水口徑流(liú)流量變化與🌍降(jiang)雨強度的關系(xì)如圖10所示。降雨(yǔ)初期，雨強☀️較大(dà),降雨曆時較短(duan)👣,路面徑流小，彙(huì)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(yi)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(jian)小，流量也逐漸(jiàn)減小，最終趨于(yu)0.

　　對數據記錄器(qì)中的數據進行(háng)整理分析，可以(yi)看出👣:在降雨初(chu)💃🏻期以及後期，雨(yu)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(biǎo)彙流突然進入(rù)雨水口時，該流(liú)量計可以穩定(dìng)而迅速計量來(lái)流流量，不會産(chan)生數值跳躍。整(zheng)個過程中,計量(liang)誤差小、精度優(yōu)良，其量程适應(yīng)雨水口流量變(bian)💛化，該法可以承(chéng)擔雨水口流量(liàng)⭐計量工作。
4結語(yu)
　　本文首次提出(chu)了一種基于動(dong)量變化率測定(ding)來流👌沖擊力的(de)計量流量的方(fang)法，并給出了雨(yu)水口徑流流量(liang)📞與降雨強度之(zhī)間的關系，該計(ji)量方法在水工(gōng)程領城，尤其是(shi)㊙️雨水研究中有(yǒu)着極爲重要的(de)實踐價值,爲開(kāi)展雨水水🌈量的(de)相關研究提供(gòng)了有力武✏️器。該(gai)流量計可實時(shi)在線正确測量(liàng)雨水口徑流流(liú)量，誤差小，量程(chéng)比高，洪峰流量(liang)時依舊可以保(bǎo)持優良的洩流(liu)能力。作爲一種(zhong)新式雨水口流(liú)量計量方法，其(qi)在科研工作和(he)🛀🏻實際工程中，具(ju)有極高的實用(yòng)♊和推廣價✨值。另(ling)外，由于該流量(liàng)計内存可以存(cun)儲一定的數據(jù)，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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