摘要:針(zhen)對雨水(shuǐ)口及其(qi)他跌落(luò)水流的(de)流量測(cè)量問題(tí)，提出☎️一(yī)種㊙️基于(yu)動量變(bian)化率而(er)測定來(lai)流沖擊(jī)力🈲的計(ji)量流量(liang)的方法(fa)。具體步(bù)驟是通(tōng)過力傳(chuan)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(diàn)壓信号(hào)，依據率(lü)定實驗(yan)過程中(zhong)電壓值(zhí)的變化(hua)🚩，最終換(huàn)算成雨(yu)水口徑(jìng)流量計(ji) 。結果表(biao)明，應用(yòng)該計量(liang)方法進(jìn)行雨水(shuǐ)口流量(liàng)測量，其(qí)獲得的(de)流🏃量精(jīng)度較高(gao)，适應雨(yu)水口的(de)流量變(bian)化,是一(yī)種計👈量(liang)雨👅水口(kǒu)流量的(de)有效方(fāng)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(tong)🐪的發展(zhǎn)提供了(le)機遇,但(dàn)同時也(ye)帶來了(le)極大的(de)♻️挑戰🥵與(yǔ)困惑”。監(jian)測雨水(shui)水質和(hé)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(shì)建設海(hǎi)綿城市(shi)的初始(shi)環節。雨(yu)水口是(shi)雨水排(pái)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(hua)爲管道(dào)排水的(de)👌過渡點(diǎn)口，也是(shì)城市非(fei)點源污(wū)染物進(jìn)入水環(huan)境的‼️主(zhǔ)要通道(dao)。雨水口(kǒu)💋接納由(yóu)零至徑(jing)流峰值(zhí)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(liú)量計具(jù)有較廣(guang)的量☎️程(chéng)比和良(liáng)好的洩(xiè)流能力(lì)。
　　國内現(xian)有的針(zhen)對雨水(shui)口的專(zhuān)利已超(chao)過120項，其(qi).主要涉(shè)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(liàng)測量方(fāng)面🐇的專(zhuan)利屈指(zhi)可數。由(yóu)于雨水(shuǐ)口空間(jian)💔有限，現(xian)有的水(shuǐ)力學法(fa)的堰槽(cáo)等流量(liàng)計量設(shè)備在雨(yǔ)水口安(ān)裝不便(biàn);雨📞水徑(jing)流小時(shí),現有的(de)流速面(mian)積法流(liú)量計大(da)多難以(yi)滿足測(cè)量精度(dù)高的要(yao)求。國内(nei)外常用(yong)的示蹤(zōng)劑法測(cè)量亦由(yóu)于測量(liang)點位選(xuan)取困難(nán),而對雨(yǔ)水口流(liú)量計量(liàng)束手無(wú)策日。找(zhao)到一種(zhǒng)科學合(hé)理的雨(yu)水口流(liu)🈲量計量(liàng)方法勢(shì)在必行(hang),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(liang)方法以(yǐ)🛀🏻滿足研(yan)究及工(gong)程問題(ti)的要求(qiú)。本文主(zhǔ)要闡述(shu)中國發(fa)明專利(lì)一一種(zhǒng)雨水口(kǒu)流量測(cè)🐕量裝置(zhì)傳利号(hào):201610001374.4)的測量(liang)基本原(yuán)理并對(duì)該方法(fa)進行實(shí)際應用(yong)🛀。
1雨水口(kǒu)流量計(jì)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(tú)1所示。

　　通(tong)常雨水(shui)口接收(shōu)的徑流(liú)通過雨(yǔ)水篦子(zi)跌水流(liú)入市政(zheng)雨水🔞管(guǎn)道，該過(guo)程中水(shui)流在垂(chuí)直地面(miàn)方向上(shang)的分:速(su)度爲零(ling)🌐，水流⛷️在(zai)下落過(guo)程中屬(shǔ)于自由(you)落體運(yùn)動，其任(ren)意位☂️置(zhì)的垂㊙️直(zhí)分速度(dù)始終符(fu)合公式(shì)(1):

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

　　假(jia)定水體(ti)在下落(luò)的過程(chéng)中,落在(zài)某一個(ge)水平平(ping)闆上後(hòu)流走。取(qǔ)水體撞(zhuàng)擊平闆(pǎn)瞬間，進(jin)行受力(lì)分析。取(qu)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(su)度垂直(zhi)于地面(mian)，表示爲(wèi)Vy;其中♋B-B面(miàn)上的速(su)度與地(dì)面平行(háng)，表示爲(wèi)V水平。平(ping)闆對水(shuǐ)的作用(yong)力P等⭕于(yu)沖擊力(li)❓F與對應(yīng)的△h高度(dù)的水體(ti)重力G之(zhi)和。
　　對垂(chuí)直于地(di)面方向(xiang)使用恒(héng)定總流(liu)動量定(ding)律進行(hang)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(su)度,L/s。
對式(shì)2)進行處(chu)理,将式(shì)(1)代入式(shì)（2），可得:

　　根(gēn)據牛頓(dun)第三定(dìng)律，平闆(pan)所受力(lì)即爲其(qi)對水體(ti)的作用(yong)力P,理論(lùn)🥵上隻需(xū)測出平(ping)闆所受(shòu)到的力(lì)即可通(tōng)過式（4）求(qiú)出流量(liang)Q。本流量(liàng)計通過(guò)力傳感(gǎn)器将水(shuǐ)體下落(luò)到平闆(pan)所受到(dao)的力✂️傳(chuán)感給稱(cheng)重變♌送(song)器，通過(guo)設置稱(chēng)重變🎯送(song)器濾波(bo),使其排(pai)除幹擾(rao)後将💯模(mo)拟量轉(zhuǎn)化爲電(dian)壓值☂️，并(bìng)通過DC電(diàn)壓記錄(lu)器記錄(lu)❓并保存(cún)。雨水口(kǒu)流量計(ji)流量與(yǔ)電壓轉(zhuan)換關系(xì)如圖3所(suǒ)示。

　　上述(shù)推導過(guò)程忽略(luè)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(chà)。因此，實(shí)際應用(yong)時應通(tōng)過已知(zhi)的流量(liàng)标定稱(cheng)重變送(song)器電壓(yā)U與實際(ji)流量之(zhī)間的關(guan)系。
1.2設計(ji)實例
　　設(she)計實例(lì)中導流(liu)闆尺寸(cun)應符合(he)國家标(biāo)準圖集(jí)GJBT-907《雨水口(kou)》05S518)叮标準(zhun);導流管(guan)設計爲(wèi)上大下(xia)小的垂(chuí)直圓台(tai)體使得(dé)來流不(bu)受導流(liú)管🔱側壁(bi)作用力(li)的影響(xiǎng);導流⛱️管(guan)管徑及(ji)高度🚶‍♀️設(she)計符合(hé)一定的(de)比例，保(bǎo)證任意(yi)方向的(de)來流都(dōu)以抛物(wù)線的方(fāng)式📱下落(luò)到受力(lì)盤上;受(shou)力盤需(xu)要與導(dǎo)流管保(bǎo)持一定(dìng)的距離(li)，保證.來(lai)流可以(yǐ)順利排(pái)走，且受(shòu)力盤直(zhi)徑應稍(shao)大于導(dao)流管管(guǎn)徑，保證(zhèng)來流速(sù)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(jian)圖4。圖中(zhong)導流闆(pan)尺寸
　　爲(wei)700mm×400mm×3mm;導流管(guǎn)爲圓台(tái)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(dù)爲200mm，壁厚(hòu)爲3mm;導流(liú)闆與導(dao)流管上(shàng)底面焊(hàn)接;導流(liu)闆與受(shou)力盤底(dǐ)面平行(háng)，垂直有(you)效距離(li)h爲300mm。

2流量(liàng)計率定(dìng)實驗
2.1率(lü)定實驗(yan)系統
　　儀(yí)表本身(shēn)的設計(ji)參數和(hé)結構、液(ye)體流動(dong)特性以(yǐ)及工作(zuò)狀👨‍❤️‍👨态均(jun1)密切影(ying)響流量(liang)計特性(xìng)。流量計(ji)的現場(chǎng)使用環(huan)境複雜(za),建立完(wan)全一緻(zhì)的使用(yòng)條件比(bǐ)較困難(nan)。故而需(xū)選擇❗其(qi)共性條(tiáo)件，建立(li)率定裝(zhuang)置，理論(lun)與實踐(jiàn)相結合(he)來挖掘(jué)其使用(yong)條件下(xià)的共性(xing)特征0
　　本(ben)次采用(yòng)的率定(ding)方法是(shi)标準表(biao)法，通過(guò)事先正(zheng)确标定(dìng)的超聲(shēng)波流量(liàng)計來标(biāo)定雨水(shuǐ)口流量(liàng)計，二者(zhe)🤞串聯在(zai)管道上(shang)，流體依(yī)次通過(guo)2個流量(liàng)計，通過(guò)測量标(biao)準流量(liang)率定🏃🏻‍♂️雨(yu)水口🚶流(liu)量計♉。
　　率(lǜ)定實驗(yan)系統如(ru)圖5所示(shì)，實驗通(tōng)過渠道(dao)長2000mm的穩(wen)流✍️明🥰渠(qú)向80mmx80mm的集(ji)水槽供(gong)水，水流(liu)以任意(yì)方向通(tong)過導流(liu)管進入(rù)流量計(jì)，模拟現(xian)實☎️條件(jiàn)下雨水(shuǐ)進入雨(yu)水口場(chǎng)景。爲滿(mǎn)足GB50014一2006《室(shi)外排水(shui)設計規(guī)範》中規(guī)定雨水(shui)口實際(ji)洩水能(néng).力的極(jí)☔限值凹(ao),使🏃‍♂️用不(bú)同流🆚量(liàng)的2台水(shui)泵供水(shuǐ)，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(wèi)10L/s。在較小(xiǎo)流量時(shi)，由1根直(zhí)徑爲63mm的(de)PVC管供水(shui)，使用球(qiú)形閥🚶‍♀️控(kong)制流量(liàng)大小;在(zài)較大流(liu)量時，由(yóu)1根🔅直徑(jìng)爲110mm的PVC管(guǎn)引水到(dào)渠道前(qián)端由水(shui)🏃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(liàng)實際流(liú)量;雨水(shui)口流量(liàng)計使用(yong)DC電壓記(jì)錄器紀(ji)錄電壓(yā)❓值，通過(guo)式4)計算(suàn)理論流(liú)量。渠道(dao)前端放(fang)置2塊多(duo)孔闆穩(wen)定來流(liú)避免水(shuǐ)面動蕩(dang)。.渠道的(de)出水通(tong)過流量(liàng)計之後(hou)進入地(dì)下水渠(qú)流入地(dì)下水庫(ku)，泵從水(shui)庫抽水(shui)到實驗(yan)水渠，循(xún)環供水(shuǐ)。實驗現(xiàn)場流量(liang)計實物(wù)如圖☀️6所(suǒ)示。

2.2率定(ding)結果及(ji)分析
　　由(you)于采用(yong)水泵直(zhí)接供水(shuǐ)方式，電(diàn)壓、頻率(lü)的波動(dòng)會🌏直接(jiē)✨影響實(shí)際供水(shui)流量呵(he)，導緻測(ce)得的實(shi)際流量(liang)數據發(fā)生一定(ding)的離散(sàn)性。故采(cǎi)用數據(jù)平均方(fāng)式消除(chú)随機誤(wù)差。
　　實驗(yàn)中,DC電壓(ya)記錄器(qi)每隔10s記(ji)錄1次電(diàn)壓值，内(nei)存足以(yi)紀錄👨‍❤️‍👨大(da)🙇🏻約27h;使用(yòng)UPSI2V5AH電源，可(ke)用時長(zhǎng)約40h。對記(jì)錄的電(dian)壓值進(jin)行整理(lǐ)😄得到穩(wen)定🆚流量(liàng)下的電(dian)壓均值(zhí)。使用式(shi)4)計算得(dé)到電壓(ya)均💋.值對(duì)應的力(lì)以及理(li)論流量(liang)。
　　實驗過(guo)程中,采(cǎi)用一大(da)一小2台(tai)水泵供(gong)水，在小(xiao)泵流量(liang)達到最(zuì)❄️大值與(yǔ)大泵流(liu)量處于(yú)極小值(zhí)之間時(shi),由于控(kong)制困難(nan)，數據缺(quē)失。将所(suo)有數據(jù)綜合分(fèn)析,拟合(he)得到理(lǐ)論流量(liàng)以及實(shi)際流量(liang)與電壓(yā)均值的(de)關系曲(qǔ)線，經分(fèn)析線性(xìng)關系良(liáng)好，符合(hé)真實情(qing)🐉況，從而(er)推導出(chu)DC電壓記(ji)❌錄器記(jì)錄電壓(ya)值U與流(liu)量Q的關(guan)系式如(rú)式(6)所示(shi):

　　結合理(li)論流量(liàng)與實際(jì)流量對(duì)應關系(xi)圖(7)，對電(dian)壓均值(zhi)與理論(lùn)流量之(zhī)間的關(guan)系(U理論(lùn)-V)以及電(dian)壓均值(zhí)與🈲實際(jì)流量之(zhi)間的關(guan)😘系(U實際(jì)-V)進行簡(jian)單回歸(gui)分析，結(jie)果如表(biǎo)2所示，相(xiang)關性良(liáng)好。

将式(shi)6)結合式(shi)4)加以推(tui)廣，在實(shí)際工程(chéng)測量中(zhōng)，可将計(ji)量公式(shi)設定爲(wei)式6):

　　式中(zhōng):a和b爲修(xiu)正系數(shu),根據現(xian)場實際(ji)情況,不(bú)同流量(liàng)計配合(he)不同的(de)修正系(xi)數，修正(zheng)系數可(ke)通過率(lǜ)定得到(dào)。
2.3誤差分(fèn)析
　　标準(zhǔn)法率定(dìng)過程中(zhong)，誤差溫(wēn)度和壓(ya)力不是(shì)主要影(ying)響🔴因素(sù)，可♍以不(bú)予考慮(lǜ)，被檢流(liu)量計的(de)精度主(zhu)要取♍決(jue)于标準(zhǔn)☂️流量計(ji)的精度(du)口，假定(ding)實驗過(guo)程中使(shi)用的超(chāo)聲波流(liu)量計精(jīng)度良好(hǎo)。
　　忽略水(shui)體重力(lì)G,使用式(shì)4)給出的(de)關系計(ji)算得到(dào)的理論(lun)⭐流量與(yu)🔞實際流(liu)量略有(yǒu)不同，計(ji)量流量(liàng)值會略(luè)微🌍偏大(da)。
　　誤差來(lái)源主要(yao)有:1)Ah高度(du)的水體(ti)重力G的(de)大小無(wú)法定量(liang)測定，爲(wei)滿足條(tiao)件，已經(jīng)設定△h足(zu)夠小，類(lèi)似于水(shui)膜，其産(chan)生的誤(wu)差可認(rèn)爲是系(xì)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(lái)系統誤(wu)👣差;3)實驗(yàn)中平闆(pan)對水的(de)作用力(li)P的測量(liàng)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(yòng)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(kě)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(xiǎo)于10%，絕大(dà)多數相(xiang)對誤差(chà)絕對值(zhi)均🐇小于(yú)5%;在大流(liu)量時相(xiàng)對誤差(chà)絕對值(zhí)相對穩(wěn)🈲定,均小(xiǎo)于3%。

　　不難(nan)發現，在(zài)流量較(jiào)小時，相(xiàng)對誤差(chà)波動較(jiao)大。這是(shì)☁️由于此(ci)🔴時使用(yòng)小流量(liàng)泵時，由(yóu)球形閥(fá)控制流(liú)量，在流(liú)量💚較小(xiao)時，難以(yǐ)穩🈚定控(kong)☎️制。.
　　綜合(he)分析,在(zài)流量大(da)于1.40L/s時，電(diàn)壓值-流(liú)量關系(xì)曲線的(de)相對誤(wù)差的絕(jue)對值基(jī)本滿足(zú)相關規(guī)定中其(qí)對于❤️大(da)多數量(liàng)水設備(bèi)所要求(qiu)的精度(du)在5%範圍(wei)内的要(yào)求口。具(jù)體流量(liàng)相對誤(wu)差範圍(wéi)見圖8。

3應(ying)用案例(lì)
　　爲驗證(zhèng)雨水口(kǒu)流量計(ji)的實際(ji)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(chang)實驗裝(zhuang)置如圖(tu)9所示。

　　對(duì)該地2025年(nian)12月16日的(de)降雨進(jin)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(liang)計現場(chang)紀錄的(de)電壓數(shù)據，使用(yòng)已經率(lǜ)定的換(huan)算關系(xi)式6)繪出(chū)該雨水(shui)口徑流(liú)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(yǔ)強較大(dà),降雨曆(lì)時較短(duǎn),路面徑(jìng)流小，彙(hui)聚到雨(yu)水口的(de)流量也(yě)很少，維(wéi)持在♊0~0.50L/s;随(sui)着降雨(yu)的進行(hang)，經過一(yī)定曆時(shi),雨水口(kǒu)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(liàng)也逐漸(jiàn)✍️減小，最(zui)終趨于(yu)0.

　　對數據(ju)記錄器(qì)中的數(shù)據進行(háng)整理分(fèn)析，可以(yǐ)看出:在(zai)降✌️雨初(chu)期🔴以及(jí)後期，雨(yu)水口徑(jing)流流量(liang)變化範(fàn)圍很小(xiǎo)時，該流(liu)量🆚計可(kě)正确計(jì)量雨水(shui)口流量(liang);當地表(biǎo)彙流突(tu)然進入(ru)雨水口(kou)時，該流(liú)🔞量計可(ke)☔以穩定(ding)而迅速(su)計量來(lai)流流量(liàng)，不會産(chan)生數值(zhi)跳躍。整(zheng)個過程(chéng)中,計量(liàng)誤差小(xiǎo)、精度優(you)良，其💋量(liang)程适應(ying)雨水口(kǒu)流量變(biàn)化，該法(fǎ)可以承(cheng)擔雨水(shuǐ)口流量(liàng)計量工(gong)作。
4結語(yǔ)
　　本文首(shou)次提出(chu)了一種(zhǒng)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(gěi)出了雨(yǔ)水口徑(jing)流🥵流量(liàng)與降雨(yǔ)強度之(zhi)間的關(guan)系，該計(jì)量方法(fa)在水工(gōng)👉程領城(cheng)👨‍❤️‍👨，尤其是(shi)雨水研(yán)究中有(you)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(yán)究提供(gòng)了有力(lì)武㊙️器。該(gāi)流量計(ji)可實時(shí)在線正(zheng)确測量(liàng)雨水口(kou)徑流流(liú)🔴量，誤差(chà)小，量🐆程(chéng)📱比高，洪(hong)峰流量(liang)時依舊(jiù)可以保(bao)持優良(liang)的洩流(liu)能力。作(zuo)爲一種(zhǒng)新式雨(yǔ)水口流(liu)量計量(liang)方法🍓，其(qi)在科研(yan)工作和(hé)實際工(gōng)程中，具(jù)有極高(gao)的實用(yòng)和推廣(guǎng)價值。另(lìng)外，由于(yu)🏃🏻該流量(liàng)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(xù)研究考(kǎo)慮将這(zhe)些計量(liàng)數據存(cún)儲于雲(yún)端，并實(shí)現遠傳(chuán)。

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