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(yī)種基于(yú)動量變(biàn)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(bu)驟是通(tong)過力傳(chuán)感裝置(zhì)🔞和稱重(zhong)變送器(qi)将下落(luo)水流沖(chòng)💰擊力轉(zhuǎn)化爲電(diàn)壓信号(hào)，依據率(lǜ)🚶定實驗(yan)過💚程中(zhōng)電壓🙇‍♀️值(zhi)的變化(huà)，最終換(huàn)算成雨(yǔ)水口徑(jing)流量計(jì) 。結果表(biao)明，應用(yòng)該計量(liàng)方法進(jin)行雨水(shuǐ)口流量(liàng)測量，其(qi)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(liàng)雨水口(kou)流量的(de)有效方(fang)法。
0引言(yan)
　　海綿城(chéng)市建設(shè)爲中國(guó)城市現(xiàn)代雨水(shui)控制利(lì)用與管(guan)理系‼️統(tǒng)的發展(zhan)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(jiān)測雨水(shuǐ)水質和(he)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(shi)的初始(shǐ)😄環節。雨(yǔ)水👄口是(shì)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(jìng)流轉化(hua)爲管道(dao)排水的(de)⭐過渡點(dian)口，也是(shi)城市非(fēi)點源污(wū)染物進(jin)入水環(huán)💜境的主(zhǔ)要通道(dào)。雨水口(kǒu)接納由(yóu)零至徑(jìng)流峰值(zhi)範圍内(nèi)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(jù)備精度(du)好，其次(cì)要求流(liú)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(zhēn)對雨水(shuǐ)口的專(zhuan)利已超(chao)過120項，其(qí).主要涉(shè)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(liàng)測量方(fang)面的專(zhuān)♊利屈指(zhi)可數。由(yóu)于雨水(shui)口空間(jiān)有限，現(xian)有的水(shuǐ)力學法(fǎ)的堰槽(cáo)等流量(liang)計量設(she)備在雨(yu)水口安(an)裝不便(biàn);雨水徑(jìng)流小時(shi),現有的(de)流速面(mian)積法流(liu)量計大(da)多難以(yǐ)滿足測(ce)量精度(du)高☀️的要(yào)求。國内(nei)外常用(yong)的示蹤(zong)🥵劑法測(cè)量亦由(you)于測量(liang)點位選(xuan)取困難(nan),而對雨(yǔ)水口流(liú)量計量(liang)束手無(wu)策日。找(zhǎo)到一種(zhong)科學合(he)理的雨(yu)水口流(liu)💔量計量(liang)方法勢(shì)在必🈲行(hang),因此本(ben)🍓研究提(tí)出🏃🏻了一(yi)種基于(yu)☎️動量變(bian)化率測(cè)定來流(liu)沖擊力(lì)的計量(liàng)方法以(yi)滿足研(yán)究及工(gōng)程問題(ti)的要求(qiú)。本文主(zhu)要闡述(shù)🌈中國發(fa)明專利(li)一一種(zhǒng)雨水口(kǒu)流量測(cè)量裝置(zhì)傳利号(hao):201610001374.4)的測量(liàng)基本原(yuan)理并對(dui)該方法(fa)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(die)入雨水(shuǐ)口示意(yì)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(zǐ)跌水流(liú)入♻️市政(zheng)雨水管(guǎn)道，該過(guò)程中水(shuǐ)流在垂(chuí)直地面(miàn)方向上(shàng)的分:速(su)度🐪爲零(ling)，水流在(zài)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(du)始終符(fu)合公式(shi)(1):

　　式中:Vy爲(wèi)垂直分(fèn)速度,L/s;h爲(wei)自由落(luo)體高度(du),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(jiǎ)定水體(ti)在下落(luò)的過程(chéng)中,落在(zai)某一個(ge)水平平(píng)闆上後(hou)流走。取(qu)水體撞(zhuàng)擊平闆(pan)瞬間，進(jìn)行受力(li)分析。取(qǔ)截面EE與(yǔ)B-B之間的(de)㊙️Δh高度的(de)水體爲(wei)控制體(tǐ)，其中EE面(mian)上的💜速(su)度垂直(zhí)于地🙇‍♀️面(miàn)，表示爲(wei)Vy;其中B-B面(miàn)上的👄速(sù)度與地(di)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(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(dì)面方向(xiang)使用恒(héng)定總流(liu)動量定(ding)律進行(háng)分析:

　　式(shì)中:?F爲控(kòng)制體内(nei)的合外(wai)力，N;P爲平(píng)闆對水(shui)的作用(yong)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(chu)理,将式(shì)(1)代入式(shì)（2），可得:

　　根(gen)據牛頓(dun)第三定(ding)律，平闆(pǎn)所受力(lì)即爲其(qí)對水體(ti)的🌈作用(yong)力✂️P,理論(lùn)上隻需(xū)測出平(píng)闆所受(shòu)到的力(lì)即可通(tōng)❄️過式（4）求(qiú)出流量(liàng)Q。本流量(liang)計通過(guo)力傳感(gan)器将水(shuǐ)體下✨落(luò)到平闆(pǎn)所受到(dao)的力傳(chuán)感給稱(chēng)重變送(sòng)器，通過(guò)設置稱(chēng)重變送(song)器濾波(bō),使其排(pai)除幹擾(rao)後将模(mó)拟量轉(zhuan)化爲電(diàn)壓值🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，并(bing)通過DC電(diàn)壓記錄(lu)器記錄(lù)并保存(cún)。雨水口(kou)流量計(jì)流量與(yǔ)電壓轉(zhuǎn)換關系(xì)如圖3所(suo)示。

　　上述(shu)推導過(guò)程忽略(luè)了重力(li)G及水流(liú)下落過(guò)程的損(sǔn)🏒失,必然(rán)帶來一(yi)定誤差(cha)。因此，實(shi)際應用(yong)時應通(tōng)過已知(zhi)的流量(liang)标定📐稱(cheng)重變送(sòng)器電壓(yā)U與實際(jì)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(cùn)應符合(he)國家标(biao)準圖集(jí)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(tái)體使得(de)來流不(bu)⭐受導流(liú)管📐側壁(bì)作用力(li)的影響(xiǎng);導流管(guǎn)管徑及(ji)高度🔴設(she)計符合(he)一定的(de)比例，保(bǎo)證任意(yì)方向的(de)來流都(dou)以抛物(wù)線的方(fāng)式♌下落(luo)到受力(li)盤上;受(shou)👄力盤需(xu)要與導(dao)流管保(bǎo)持一定(ding)的距離(li)，保證.來(lái)流可🐉以(yǐ)順利排(pái)走，且受(shòu)力盤直(zhí)徑應稍(shao)大于導(dao)流管管(guan)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(liu)量計設(shè)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(di)面直徑(jing)爲200mm,導流(liú)管高🔞度(du)爲200mm，壁厚(hòu)爲3mm;導流(liú)闆與導(dǎo)流管上(shang)底面焊(han)接;導流(liú)闆與受(shòu)力盤底(dǐ)面平行(hang)，垂直有(yǒu)效距離(lí)h爲300mm。

2流量(liàng)計率定(ding)實驗
2.1率(lǜ)定實驗(yan)系統
　　儀(yi)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(jun)密切影(yǐng)響流量(liang)計特性(xìng)。流量計(jì)的現場(chang)使用環(huán)境複雜(za)🐕,建立完(wán)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(lì)率定裝(zhuāng)置，理論(lùn)與實踐(jian)相結合(he)來挖掘(jue)其使用(yong)條🧡件下(xià)的共性(xìng)特征0
　　本(běn)次采用(yòng)的率定(ding)方法是(shì)标準表(biao)法，通過(guò)事先正(zheng)确标定(ding)的🌈超聲(sheng)波流量(liang)計來标(biāo)定雨水(shui)口流量(liàng)計，二者(zhě)串聯在(zai)管道上(shang)，流體🌂依(yī)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(yàn)系統如(ru)圖5所示(shì)，實驗通(tōng)過渠道(dao)長2000mm的穩(wěn)流㊙️明渠(qu)向👌80mmx80mm的🥰集(ji)水槽供(gòng)水，水流(liú)以任意(yì)方向通(tong)過導流(liu)😍管進入(ru)流量計(jì)，模拟現(xian)實🍓條件(jian)下雨水(shui)進入雨(yu)水口場(chǎng)景。爲🥵滿(man)足GB50014一2006《室(shi)外排水(shuǐ)設計規(guī)範》中規(gui)定雨水(shui)口實際(ji)洩水能(néng).力的極(ji)限值凹(āo),使用不(bu)同流量(liang)的2台水(shuǐ)泵供水(shuǐ)，小流✏️量(liang)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(dà)流量🍓爲(wèi)10L/s。在較小(xiǎo)流量時(shí)，由1根直(zhí)徑爲63mm的(de)PVC管💚供水(shui)，使用球(qiú)形閥控(kòng)制流量(liang)大小;在(zài)較大流(liu)量時，由(you)1根直徑(jing)爲110mm的PVC管(guǎn)引水⛱️到(dào)渠道前(qian)端由水(shuǐ)泵變頻(pín)器控制(zhì)進水流(liú)量。整個(gè)過程使(shǐ)用.超聲(sheng)波流量(liàng)計計量(liàng)實⁉️際流(liu)量;雨水(shui)口流量(liàng)計使用(yòng)DC電壓記(jì)錄器紀(ji)錄電壓(ya)值，通過(guo)式4)計算(suan)理論流(liú)量。渠道(dào)前端放(fang)置2塊多(duō)孔闆✂️穩(wěn)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(dì)下水🈲庫(kù)，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(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(yòng)水泵直(zhí)接供水(shuǐ)方式，電(diàn)壓、頻率(lǜ)的波動(dòng)會直接(jie)影響實(shí)🌈際供水(shui)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(fāng)式消😄除(chu)随機誤(wu)差。
　　實驗(yàn)中,DC電壓(yā)記錄器(qì)每隔10s記(ji)錄1次電(diàn)壓值，内(nei)存足以(yi)紀錄大(dà)約27h;使用(yong)UPSI2V5AH電源，可(ke)用時長(zhang)約40h。對記(jì)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(yā)均🈲.值對(dui)應的力(lì)以及理(li)論🍓流量(liang)。
　　實驗過(guò)程中,采(cai)用一大(da)一小2台(tai)水泵供(gong)水，在小(xiao)泵流量(liàng)✊達到最(zuì)大值與(yu)大泵流(liu)量處于(yu)極小值(zhí)之間時(shí),由于控(kòng)制困難(nan)，數🈲據缺(quē)失。将所(suǒ)有數據(jù)綜合分(fen)析,拟合(hé)得到理(lǐ)🌈論流量(liang)以及實(shí)‼️際流量(liàng)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(chū)DC電壓記(jì)錄器記(jì)錄電壓(yā)值U與流(liú)量Q的關(guān)系式如(ru)㊙️式(6)所示(shì):

　　結合理(li)論流量(liang)與實際(ji)流量對(duì)應關系(xi)圖(7)，對電(diàn)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(zhí)與實際(ji)流量之(zhi)間的關(guān)系(U實際(ji)-V)進行簡(jian)單回歸(guī)分析，結(jié)🤟果如表(biǎo)2所示，相(xiàng)關性良(liáng)好。

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

　　式中(zhōng):a和b爲修(xiū)正系數(shu),根據現(xiàn)場實際(jì)情況,不(bu)同流量(liàng)計🐇配💯合(hé)💃🏻不同的(de)修正系(xì)數，修正(zhèng)系數可(kě)通過率(lǜ)定得到(dào)。
2.3誤差分(fèn)析
　　标準(zhun)法率定(ding)過程中(zhong)，誤差溫(wēn)度和壓(ya)力不是(shì)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(zhǔ)要取❓決(jue)于标準(zhun)🌍流量計(jì)的精度(dù)🚶口，假定(dìng)實驗過(guò)程中使(shi)用的超(chāo)聲波流(liú)量計精(jīng)度良好(hǎo)。
　　忽略水(shuǐ)體重力(li)G,使用式(shì)4)給出的(de)關系計(ji)算得到(dao)的理♻️論(lùn)🏃‍♀️流量與(yu)實際流(liu)量略有(you)不同，計(ji)量流量(liàng)值會略(lue)微偏大(dà)。
　　誤差來(lai)源主要(yào)有:1)Ah高度(dù)的水體(ti)重力G的(de)大小無(wú)法定量(liàng)🧡測定，爲(wei)滿足條(tiao)件，已經(jing)設定△h足(zu)夠小，類(lei)似于水(shuǐ)膜，其産(chǎn)生的誤(wù)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(zài)測量時(shí)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(lùn)流量、實(shi)際流量(liàng)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(chū):在小㊙️流(liu)量時,所(suǒ)🔞有數據(ju)相對誤(wù)差絕對(dui)值♍均小(xiǎo)于10%，絕大(da)多數相(xiàng)對誤差(cha)絕對值(zhí)均小于(yú)5%;在大流(liú)🐕量時相(xiang)對誤差(chà)絕對值(zhí)相對穩(wen)定,均小(xiao)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(you)球形閥(fá)控制流(liu)量，在流(liu)量較小(xiao)時，難以(yǐ)穩定控(kòng)制。.
　　綜合(hé)分析,在(zai)流量大(da)于1.40L/s時，電(diàn)壓值-流(liu)量關系(xì)曲線的(de)相對誤(wù)📐差的絕(jue)對值基(jī)本滿足(zu)相關規(gui)定中其(qi)對于大(dà)多數量(liàng)水設備(bei)所要求(qiu)的精度(dù)在5%範圍(wei)内的要(yao)求口。具(jù)體🙇🏻流量(liàng)相對誤(wù)差範圍(wéi)見圖8。

3應(yīng)用案例(lì)
　　爲驗證(zhèng)雨水口(kǒu)流量計(ji)的實際(jì)效果，在(zai)北京某(mou)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(zhuāng)置如圖(tú)9所示。

　　對(duì)該地2025年(nian)12月15日的(de)降雨進(jìn)行監測(ce)。通過.安(an)放在校(xiào)園中的(de)雨量📞計(jì)得到分(fen)時降雨(yǔ)量;通過(guò)該雨水(shui)口流量(liàng)計現場(chǎng)紀錄的(de)電壓數(shù)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(liu)流量變(bian)化與降(jiang)雨強度(dù)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(duan),路面徑(jing)流小，彙(huì)聚到雨(yǔ)水口的(de)流量也(yě)很少，維(wéi)持在🌈0~0.50L/s;随(suí)着降雨(yǔ)的進行(háng)，經過一(yī)定曆時(shí),雨水口(kǒu)徑流量(liàng)達到峰(feng)值，約爲(wei)4.25L/s;随後随(suí)着降雨(yǔ)強度減(jian)💋小，流量(liang)也逐漸(jiàn)減小，最(zui)終趨于(yú)0.

　　對數據(jù)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(yu)水口徑(jing)流流量(liàng)變化範(fàn)圍💃🏻很小(xiǎo)時，該流(liú)量計可(kě)💛正确計(ji)量雨水(shui)口流量(liàng);當地表(biao)彙流突(tū)然進入(rù)雨水口(kǒu)🈲時，該流(liu)量計可(kě)以穩定(ding)而迅速(su)計量來(lái)流流量(liàng)，不會産(chǎn)生數值(zhí)跳躍。整(zhěng)個過程(chéng)中,計量(liang)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(fǎ)可以承(cheng)擔雨水(shuǐ)口流量(liàng)計量工(gōng)作。
4結語(yǔ)
　　本文首(shǒu)次提出(chū)了一種(zhǒng)基于動(dòng)量變化(huà)率測定(dìng)來流沖(chòng)擊力的(de)計量流(liu)量的方(fāng)法，并給(gei)出了雨(yu)水口徑(jing)流流量(liàng)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(chéng)，尤其是(shi)雨水研(yan)究中有(yǒu)🈚着極爲(wèi)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(gòng)了有力(lì)武器。該(gai)流量計(ji)可實時(shí)在線正(zhèng)确測量(liang)雨水口(kou)徑流流(liu)量，誤差(chà)小，量程(cheng)比高，洪(hóng)峰流量(liàng)時依舊(jiù)可以保(bǎo)持優良(liang)的洩流(liu)✊能力。作(zuo)爲一種(zhong)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(gōng)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(cun)可以存(cún)儲一定(dìng)的數據(jù)，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(liàng)數據存(cún)儲于雲(yún)端，并實(shi)現遠傳(chuan)。

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