摘要:針(zhēn)對雨水(shui)口及其(qi)他跌落(luò)水流的(de)流量測(ce)量問題(ti)，提出♉一(yi)種基于(yu)動量變(biàn)化率而(er)測定來(lai)流沖擊(ji)力的計(ji)量流量(liàng)的方法(fǎ)。具體步(bù)驟是通(tong)過力傳(chuán)感裝置(zhi)和稱重(zhong)變送器(qì)👄将下落(luo)水流沖(chòng)擊力轉(zhuan)化爲電(diàn)壓信号(hào)，依據率(lǜ)👄定實驗(yàn)過程中(zhōng)電壓值(zhi)的變化(hua)，最終換(huan)算成雨(yu)水口徑(jìng)流量計(jì) 。結果表(biao)明，應用(yòng)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(jīng)度較高(gāo)，适應雨(yǔ)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(yan)
　　海綿城(chéng)市建設(she)爲中國(guo)城市現(xiàn)代雨水(shuǐ)控制利(lì)用與管(guan)理系統(tong)的💁發展(zhǎn)提供了(le)機遇,但(dan)同時也(yě)帶來了(le)極大的(de)挑戰與(yu)困惑”。監(jian)測雨水(shuǐ)水質和(hé)計量雨(yu)水流量(liang)💃🏻是研究(jiū)雨水問(wen)💘題的基(ji)本工作(zuo)之一，是(shi)建設海(hai)綿城市(shì)的初始(shǐ)環節。雨(yu)水口是(shi)雨水排(pái)水系統(tǒng)💔中收集(jí)地😄表水(shui)流的構(gòu)築物，是(shì)地面徑(jing)流轉化(huà)爲管道(dao)排水的(de)👄過渡點(diǎn)口，也是(shi)城市非(fēi)點源污(wu)🏃‍♀️染物進(jìn)入水環(huán)境的主(zhu)要通道(dào)。雨水口(kǒu)接納由(yóu)零至徑(jing)流峰值(zhi)範圍内(nei)的🏃🏻‍♂️雨水(shui)流量，對(duì)流量計(ji)提出了(le)較高的(de)要求:首(shou)先要求(qiu)測量具(jù)備精度(du)好，其次(ci)🈲要求流(liú)㊙️量計具(ju)有較廣(guang)的量🚶程(chéng)比和良(liang)好的洩(xie)💘流能力(li)🔱。
　　國内現(xiàn)有的針(zhēn)對雨水(shui)口的專(zhuan)利已超(chao)過120項，其(qí).主要♍涉(she)及雨♍水(shui)口的截(jie)污淨化(huà)功能印(yìn)。然而，涉(shè)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(xiàn)有的水(shui)力學法(fǎ)的堰槽(cao)等流量(liang)計量設(she)備在雨(yu)水口安(ān)🈲裝不便(bian);雨💔水徑(jìng)流小時(shi),現有的(de)流速面(miàn)積🌍法流(liú)量計大(da)多難以(yi)滿足測(ce)量精度(du)高的要(yào)求。國内(nèi)外常用(yong)的示蹤(zong)劑法測(cè)量亦由(yóu)于測量(liàng)點位選(xuǎn)取困難(nan),而對雨(yu)💔水口流(liu)量計量(liang)束手無(wú)策日。找(zhao)到一種(zhong)科學合(he)理的雨(yǔ)水口流(liú)量計量(liang)方法勢(shi)在必行(hang),因此本(běn)研究提(ti)出🛀了一(yi)種基于(yú)動量變(biàn)🔞化率測(ce)定來流(liu)沖擊🌈力(lì)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(zhu)要闡述(shu)⁉️中國發(fa)明專利(li)🔞一一種(zhǒng)雨水口(kǒu)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(duì)該方法(fǎ)進行實(shi)際應用(yòng)✍️。
1雨水口(kou)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(tu)1所示。

　　通(tong)常雨水(shuǐ)口接收(shōu)的徑流(liú)通過雨(yu)水篦子(zi)跌水流(liu)入市政(zheng)雨水管(guǎn)✔️道，該過(guo)程中水(shuǐ)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(guò)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(du)始終符(fú)合公式(shì)(1):

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

　　假(jiǎ)定水體(tǐ)在下落(luo)的過程(cheng)中,落在(zài)某一個(gè)水平平(píng)闆☂️上👣後(hou)流走。取(qu)水體撞(zhuang)擊平闆(pǎn)瞬間，進(jìn)行受力(li)分析。取(qu)截面EE與(yǔ)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(sù)度垂直(zhí)于地面(mian)，表示爲(wèi)Vy;其中B-B面(miàn)上的🔞速(su)度與地(di)面平行(hang)，表示爲(wèi)V水平。平(píng)闆對水(shuǐ)的🌍作用(yòng)力P等于(yú)沖擊力(li)❌F與對應(ying)的△h高度(du)的水體(tǐ)重力G之(zhi)和。
　　對垂(chui)直于地(di)面方向(xiàng)使用恒(héng)定總流(liú)動量定(dìng)律進行(háng)分析🐕:

　　式(shi)中:?F爲控(kòng)制體内(nèi)的合外(wai)力，N;P爲平(ping)闆對水(shuǐ)的作用(yòng)力,N;Q爲總(zong)流👅量,m3/s;ρ爲(wei)水的密(mì)度;V,爲垂(chuí)直分速(su)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(dun)第三定(ding)律，平闆(pǎn)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(píng)闆所受(shou)到的力(lì)即可通(tōng)過式（4）求(qiu)出🔆流量(liang)Q。本流量(liàng)計通過(guo)力傳感(gǎn)器将水(shuǐ)體下落(luo)到平闆(pan)所受💋到(dào)的力傳(chuán)感給稱(chēng)重變☁️送(song)器，通過(guo)設置稱(cheng)重變送(sòng)器濾波(bō),使其排(pái)除幹擾(rao)後将🏃‍♂️模(mo)拟量轉(zhuan)化爲電(diàn)壓值，并(bìng)通過DC電(diàn)壓記錄(lù)器記錄(lù)并保存(cún)。雨水口(kǒu)流量計(jì)流量✌️與(yu)電壓轉(zhuǎn)換關系(xì)如圖3所(suǒ)示。

　　上述(shù)推導過(guo)程忽略(lue)了重力(li)G及水流(liu)下落過(guo)程的損(sǔn)失,必然(rán)帶來一(yī)定誤差(chà)。因此，實(shí)際應用(yòng)時應通(tōng)過已知(zhi)的流量(liang)标定📱稱(chēng)重變送(sòng)器電壓(yā)U與實際(ji)流量之(zhī)間的關(guan)系。
1.2設計(jì)實例
　　設(shè)計實例(li)中導流(liú)闆尺寸(cùn)應符合(hé)國家标(biao)準圖集(ji)GJBT-907《雨水口(kou)》05S518)叮标準(zhǔn);導流管(guan)設計爲(wèi)上大下(xia)小的垂(chuí)直圓台(tái)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(guan)管徑及(jí)高度設(shè)計符合(hé)一定的(de)比例，保(bao)證任意(yì)方向的(de)來流都(dōu)以抛物(wu)線的方(fāng)式👈下落(luò)到受力(li)盤上;受(shou)🐆力盤需(xu)要與導(dao)流管保(bǎo)持一定(dìng)的距離(li)，保證.來(lái)流可以(yi)順利排(pai)走，且受(shou)力盤直(zhi)徑應💋稍(shāo)大于導(dao)流管管(guǎn)徑，保證(zhèng)來流速(sù)度方向(xiàng)都轉換(huàn)爲水平(ping)方向。.雨(yǔ)水口流(liú)量👈計設(she)計圖見(jian)圖4。圖中(zhong)導流闆(pan)尺寸
　　爲(wèi)700mm×400mm×3mm;導流管(guǎn)爲圓台(tai)體，上底(dǐ)面直徑(jìng)爲250mm,下底(di)面直徑(jìng)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(shàng)底面焊(hàn)接;導流(liú)闆與受(shòu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼力盤底(di)面平行(háng)，垂直有(you)效距離(lí)h爲300mm。

2流量(liang)計率定(dìng)實驗
2.1率(lǜ)定實驗(yan)系統
　　儀(yi)表本身(shen)的設計(jì)參數和(hé)結構、液(ye)體流動(dòng)特性以(yi)及工作(zuò)狀态均(jun1)密切影(ying)響流量(liàng)計特性(xìng)。流量計(jì)的現場(chǎng)🈲使用🌐環(huan)境複雜(zá),建立完(wan)全⁉️一緻(zhi)的使用(yòng)條件比(bi)較困難(nan)。故而📐需(xu)選擇👅其(qi)共性條(tiáo)件，建立(lì)率定裝(zhuang)置，理論(lùn)與實踐(jian)相結合(he)來挖掘(jue)其使用(yòng)條件下(xià)的共✉️性(xing)特征0
　　本(běn)次采用(yong)的率定(dìng)方法是(shi)标準表(biǎo)法，通過(guò)事先正(zheng)确标🤞定(dìng)的超聲(shēng)🔅波流量(liang)計來标(biāo)定雨水(shui)口流量(liang)計，二者(zhě)串聯在(zài)管道上(shàng)，流體依(yī)次通過(guo)2個流量(liang)計，通過(guò)測量标(biao)準流量(liang)率定雨(yu)水口流(liú)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(ji)水槽供(gòng)水，水流(liu)以任意(yi)方向通(tōng)過導流(liu)管進入(rù)流量計(ji)，模拟現(xiàn)實條件(jiàn)下雨水(shui)進入雨(yǔ)水口場(chang)景。爲滿(mǎn)足GB50014一2006《室(shi)外排水(shui)設計規(gui)範》中規(gui)定雨水(shuǐ)口🚶實際(ji)洩水能(neng).力的極(ji)限值凹(āo),使用不(bu)同流🤟量(liàng)的2台水(shui)泵供水(shuǐ)，小流量(liàng)潛水泵(beng)的最大(da)流量爲(wei)4.5L/s，大流量(liàng)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(kong)制流量(liàng)大小;在(zài)💯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(pín)器控制(zhì)進水流(liu)量。整個(ge)過程🆚使(shǐ)用.超聲(shēng)波流量(liàng)計計量(liang)實🏒際流(liu)量;雨水(shuǐ)口流量(liang)計使用(yòng)DC電壓記(ji)錄器紀(jì)錄電壓(yā)⛱️值，通過(guò)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(wěn)定來流(liu)避免水(shuǐ)面動蕩(dàng)。.渠道的(de)出水通(tong)過流量(liang)計之後(hòu)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(yàn)水渠，循(xún)環供🌈水(shui)。實驗現(xian)場流量(liàng)計實物(wu)如圖6所(suǒ)示。

2.2率定(ding)結果及(jí)分析
　　由(you)于采用(yong)水泵直(zhi)接供水(shuǐ)方式，電(dian)壓、頻率(lǜ)的波動(dòng)會直📱接(jie)影響實(shi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻際供水(shuǐ)流量呵(he)，導緻測(ce)得的實(shí)際流量(liàng)數據發(fā)生🈲一定(dìng)的離📧散(sàn)性。故采(cǎi)用數據(jù)平均方(fang)式消除(chu)随機誤(wù)差。
　　實驗(yan)中,DC電壓(yā)記錄器(qi)每隔10s記(ji)錄1次電(diàn)壓值，内(nèi)存足以(yi)紀錄大(dà)💞約27h;使用(yòng)UPSI2V5AH電源，可(kě)用時長(zhang)約40h。對記(jì)錄的電(diàn)壓值🔞進(jìn)行整理(lǐ)得到☎️穩(wěn)定流量(liàng)下的電(diàn)壓均值(zhi)。使用式(shi)4)計算得(de)到電壓(yā)均.值對(duì)應📧的力(li)以及理(lǐ)論流量(liang)。
　　實驗過(guo)程中,采(cai)用一大(dà)一小2台(tai)水泵供(gòng)水，在小(xiao)泵流量(liang)達到最(zuì)大值與(yu)大泵流(liú)量處于(yú)極小值(zhí)之間時(shí),由于控(kòng)制困難(nan)，數🏃‍♂️據缺(que)失。将所(suǒ)有數據(ju)綜合分(fèn)析,拟合(he)♈得到理(li)💞論流量(liang)以及實(shi)際流量(liang)與電壓(yā)‼️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(jì)錄器記(jì)錄電壓(yā)值U與流(liu)量Q的關(guan)系式如(rú)式(6)所示(shi):

　　結合理(lǐ)論流量(liang)與實際(jì)流量對(duì)應關系(xì)圖(7)，對電(diàn)壓均值(zhí)與理論(lun)流量之(zhi)間的關(guan)系(U理論(lùn)-V)以及電(dian)壓均值(zhi)與實際(jì)流量之(zhi)間的關(guān)💋系(U實😄際(jì)-V)進行簡(jiǎn)單回歸(gui)分析，結(jié)果如表(biao)2所示，相(xiàng)關性良(liang)好。

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

　　式中(zhong):a和b爲修(xiu)正系數(shu),根據現(xiàn)場實際(ji)情況,不(bu)同流量(liang)🏒計配😄合(hé)不同的(de)修正系(xì)數，修正(zheng)系數可(kě)通過率(lǜ)定得到(dao)。
2.3誤差分(fèn)析
　　标準(zhun)法率定(dìng)過程中(zhōng)，誤差溫(wen)度和壓(yā)力不是(shì)主要影(yǐng)響🌈因🔱素(sù)，可以不(bu)予考慮(lǜ)，被檢流(liu)量計的(de)精度主(zhu)要取決(jué)于标準(zhǔn)流量計(jì)的👉精度(du)🥰口，假定(dìng)實驗過(guò)程中使(shǐ)用💯的超(chao)聲波流(liu)量計精(jing)度良好(hao)。
　　忽略水(shuǐ)體重力(lì)G,使用式(shi)4)給出的(de)關系計(ji)算得到(dao)的理論(lùn)流量與(yu)🔴實🈲際流(liú)量略有(yǒu)不同，計(jì)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(wú)法定量(liang)測定，爲(wei)滿足條(tiao)件，已經(jīng)設定△h足(zú)夠小，類(lèi)似于水(shuǐ)膜，其産(chǎn)生的誤(wu)差可認(ren)爲是🔅系(xi)統誤差(chà);2)其中式(shi)4)中V,的計(ji)算中，h在(zài)測量時(shí)會帶來(lai)系統誤(wù)🌈差;3)實驗(yan)中平闆(pan)對水的(de)作用力(lì)P的測量(liang)誤差爲(wei)随機誤(wu)差。
　　對電(dian)壓均值(zhí)與理論(lùn)流量、實(shí)際流量(liàng)之間的(de)數據分(fèn)🌐别使🧑🏽‍🤝‍🧑🏻用(yong)📱式0)計算(suan)流量相(xiang)對誤差(chà)，計算結(jie)果如圖(tu)8所示🐉。可(kě)以看出(chū):在小🌂流(liu)量時,所(suǒ)有數據(ju)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(yú)5%;在大流(liú)量時相(xiang)對誤差(cha)絕對🔞值(zhi)相對穩(wěn)🈲定,均小(xiǎo)于🚶3%。

　　不難(nan)發現，在(zai)流量較(jiào)小時，相(xiang)對誤差(cha)波動較(jiào)大。這是(shì)由于此(cǐ)時使用(yòng)小流量(liang)泵時，由(yóu)球形閥(fa)控制流(liú)量，在流(liu)量較小(xiǎo)時，難🏃🏻以(yi)穩🤞定控(kong)⛱️制。.
　　綜合(hé)分析,在(zài)流量大(dà)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(jué)對值基(ji)本滿足(zú)相關規(gui)定中其(qi)對于大(dà)多數量(liang)水設備(bei)所🧑🏾‍🤝‍🧑🏼要求(qiú)的精度(dù)在5%範圍(wéi)内的要(yao)求💚口。具(jù)體流量(liàng)相對誤(wù)差範圍(wei)見圖8。

3應(yīng)用案例(lì)
　　爲驗證(zhèng)雨水口(kou)流量計(jì)的實際(ji)效果，在(zài)北京某(mou)校園的(de)道路雨(yǔ)水口上(shàng)安裝了(le)該流量(liang)計，現場(chang)實驗裝(zhuāng)置如圖(tú)‼️9所示。

　　對(dui)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(fèn)時降雨(yu)量;通過(guò)該雨水(shuǐ)口流量(liàng)計現場(chang)紀錄的(de)電壓數(shu)據，使用(yòng)已經率(lü)定的換(huan)算關系(xi)式6)繪出(chu)該雨水(shuǐ)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(yu)強較大(da),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(wei)持在💘0~0.50L/s;随(suí)着降雨(yu)的進行(hang)，經過一(yī)定曆時(shí),雨水口(kǒu)徑流量(liang)達到峰(fēng)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(jiàn)🏃🏻‍♂️減小，最(zui)終趨于(yu)0.

　　對數據(ju)記錄器(qi)中的數(shu)據進行(háng)整理分(fèn)析，可以(yǐ)看出:在(zài)降雨初(chu)期以及(jí)後期，雨(yǔ)水口徑(jing)流流量(liàng)變化範(fan)圍很小(xiǎo)時，該流(liu)量計可(kě)正确計(ji)量雨水(shuǐ)口流量(liang);當地表(biǎo)彙流突(tu)然進入(rù)㊙️雨水口(kou)時，該流(liú)👉量計可(kě)以穩定(ding)而迅速(su)計量來(lai)流流量(liang)，不會産(chǎn)生數💔值(zhi)跳躍。整(zheng)個過程(cheng)中💁,計量(liàng)誤差小(xiǎo)、精度優(yōu)良，其量(liàng)程适應(yīng)雨水口(kǒu)流量變(bian)化，該法(fa)可以承(chéng)擔雨水(shuǐ)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(dòng)量變化(hua)率測定(dìng)來流沖(chòng)擊力的(de)計量流(liu)量的方(fāng)法，并給(gěi)出了雨(yǔ)水口徑(jing)流🐇流量(liang)與降雨(yǔ)強度之(zhi)間的關(guān)系，該計(jì)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(wèi)重要的(de)實踐價(jià)值,爲開(kāi)⛷️展雨水(shui)水量的(de)相關研(yán)究提供(gong)了有力(lì)武器。該(gai)流量計(ji)可實時(shí)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(liàng)時依舊(jiu)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(qí)在科研(yan)工作和(hé)實際工(gong)程中，具(ju)有極❗高(gao)的實用(yòng)和推廣(guang)價🏃‍♂️值。另(ling)外，由于(yú)該流量(liang)計内存(cún)可以存(cún)♈儲一定(ding)的數據(jù)，節約了(le)💯人力成(cheng)本，但建(jiàn)議後續(xù)研究考(kǎo)慮☁️将這(zhè)些計量(liàng)☁️數據存(cun)儲于📱雲(yun)端，并實(shi)現遠傳(chuán)。

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