摘要:針對雨(yǔ)水口及其他(tā)跌落水流的(de)流量測量問(wen)題🌈，提✍️出一種(zhǒng)基于動量變(biàn)化率而測定(dìng)來流沖擊力(lì)的計量流量(liàng)的方法。具體(tǐ)步驟是通過(guò)力傳感裝置(zhì)和稱重變送(sòng)器将下落水(shuǐ)流沖擊力轉(zhuan)✔️化爲電壓信(xìn)号，依據率定(ding)實驗過♋程中(zhōng)電壓✍️值的變(biàn)化🧡，最終換算(suàn)成雨水口徑(jìng)流量計 。結果(guo)表明，應用該(gai)計量方法進(jin)行雨水口流(liu)量測量🈚，其獲(huò)🈲得的流量精(jing)度較高，适應(yīng)雨水口的流(liú)量變化🆚,是一(yi)種計量雨水(shui)口流量的有(yǒu)效方法。
0引言(yán)
　　海綿城市建(jian)設爲中國城(chéng)市現代雨水(shuǐ)控制利用與(yǔ)管理系統♻️的(de)❗發展提供了(le)機遇,但同時(shi)也帶來了極(ji)大的挑戰🐉與(yu)困🌐惑”。監測雨(yu)🈲水水質和計(jì)量雨水流量(liang)是研究㊙️雨水(shui)問題的基本(ben)工作之一，是(shi)建設海綿城(cheng)市的初始環(huan)節。雨水口是(shì)雨水排水系(xi)統中收集地(dì)表水流的構(gòu)築物，是地面(mian)⚽徑流轉化爲(wei)管道排水的(de)過渡點口，也(ye)是城市非點(dian)源污染物進(jin)入水環境的(de)主要通道。雨(yǔ)水口🏃🏻‍♂️接納由(yóu)零至徑流峰(feng)值範圍内的(de)雨水流量，對(dui)流量計提出(chū)了較高的要(yao)🏃‍♀️求🎯:首先要求(qiu)測量具備㊙️精(jing)度好，其次要(yào)求流量計具(jù)有較廣的量(liàng)㊙️程比和良好(hao)的洩流能力(lì)。
　　國内現有的(de)針對雨水口(kǒu)的專利已超(chao)過120項，其.主要(yao)涉🐪及雨水口(kǒu)的截污淨化(huà)功能印。然而(er)，涉及雨水口(kou)流量測量方(fang)面♈的專利屈(qu)指可數。由于(yú)雨水口空間(jiān)有限，現有的(de)水☁️力學法的(de)堰槽等流量(liang)計量設備在(zai)雨水口安裝(zhuāng)不便;雨水徑(jing)流小❌時,現有(you)的流速面積(jī)法流量計大(dà)多難以滿足(zu)測量精度高(gao)的要求。國内(nèi)㊙️外常用的示(shi)蹤劑法測量(liàng)亦由🐅于測量(liàng)點位選取困(kùn)🔅難,而對雨水(shui)口流量計量(liàng)束手無策日(rì)。找到一種科(kē)學合理的雨(yu)水口流📱量計(jì)量方法勢在(zai)必行,因此本(ben)研究提出了(le)一種基于動(dong)量變化率測(ce)定來流🙇‍♀️沖擊(jī)⛹🏻‍♀️力的計量方(fang)法以滿足研(yán)究及工程問(wèn)題的要求。本(běn)文主要闡述(shu)中國發明專(zhuān)💯利一一種雨(yu)水口流量測(ce)❤️量裝置傳利(li)号:201610001374.4)的測量基(ji)本原理并對(dui)該方法進行(háng)實際應用。
1雨(yǔ)水口流量計(jì)設計
1.1計量原(yuan)理.
　　水流跌入(ru)雨水口示意(yi)圖如圖1所示(shi)。

　　通常雨水口(kǒu)接收的徑流(liu)通過雨水篦(bi)子跌水流入(ru)市🌈政雨🔞水管(guǎn)道，該過程中(zhōng)水流在垂直(zhí)地面方向上(shang)的分🏃🏻:速度🙇‍♀️爲(wèi)零🙇🏻，水流☔在下(xià)落過程中屬(shu)于自由落體(ti)運動，其任意(yi)位置的垂直(zhi)分速度始終(zhōng)符合公式(1):

　　式(shì)中:Vy爲垂直分(fen)速度,L/s;h爲自由(yóu)落體高度,m;g爲(wèi)重力加速度(dù),9.8m/s'.
　　水體擊落平(ping)面受力分析(xī)如圖2所示。

　　假(jia)定水體在下(xia)落的過程中(zhōng),落在某一個(ge)水平平闆上(shàng)🍓後流走。取水(shuǐ)體撞擊平闆(pan)瞬間，進行受(shòu)力分析。取😘截(jié)面EE與B-B之間的(de)Δh高度的水體(ti)爲控制體，其(qí)中EE面上的速(sù)度垂直于地(dì)面，表示爲Vy;其(qi)中♉B-B面上的⭐速(sù)度與地面♈平(ping)行，表示爲V水(shui)平。平闆對水(shuǐ)的作用力P等(děng)于沖擊力💋F與(yu)對應的△h高🙇‍♀️度(du)的水體重力(li)G之和。
　　對垂直(zhí)于地面方向(xiang)使用恒定總(zǒng)流動量定律(lǜ)進行分👉析:

　　式(shi)中:?F爲控制體(ti)内的合外力(li)，N;P爲平闆對水(shui)的作用力,N;Q爲(wèi)總💚流量,m3/s;ρ爲水(shuǐ)的密度;V,爲垂(chui)直分速度,L/s。
對(duì)式2)進行處理(lǐ),将式(1)代入式(shì)（2），可得:

　　根據牛(niu)頓第三定律(lü)，平闆所受力(li)即爲其對水(shui)體的作用力(lì)🤩P,理論上隻需(xū)測出平闆所(suo)受到的力即(ji)可通過式（4）求(qiu)出流量💚Q。本流(liú)量計通過力(lì)傳感器将水(shui)體下🐕落到平(píng)闆所受到的(de)力🏒傳感給稱(cheng)重變送器，通(tong)過設㊙️置稱重(zhong)變送器濾波(bo),使其排除幹(gàn)擾後将模拟(nǐ)量轉化爲電(dian)壓值，并通過(guo)DC電壓記錄器(qi)記錄并保存(cun)。雨水口流量(liang)計流量與電(diàn)壓轉換關系(xi)如圖3所示。

　　上(shang)述推導過程(chéng)忽略了重力(li)G及水流下落(luò)過程的損失(shī),必🆚然帶☎️來一(yī)定誤差。因此(ci)，實際應用時(shi)應通過已知(zhī)的流量标定(dìng)稱重變送🐆器(qì)電壓U與實際(ji)流量之間的(de)關系。
1.2設計實(shi)例
　　設計實例(lì)中導流闆尺(chi)寸應符合國(guó)家标準圖集(ji)GJBT-907《雨水口》05S518)叮标(biao)準;導流管設(she)計爲上大下(xia)小的垂直圓(yuan)台體使得來(lái)流不受導流(liú)管側壁作用(yong)力的影響;導(dǎo)流🏃🏻‍♂️管管徑及(jí)高度設計符(fu)合一定的比(bǐ)例，保證任意(yì)方向的來流(liu)♈都以抛物線(xiàn)的方式下落(luo)到受🆚力盤上(shàng);受力盤需要(yào)與導流管保(bao)持一定的距(ju)離，保證.來流(liu)可以順利排(pái)走，且受力盤(pan)直徑應⁉️稍大(da)于導流管管(guan)徑，保證來流(liú)速度方向都(dou)轉㊙️換爲水平(ping)方向。.雨水口(kǒu)流量🥵計設計(ji)圖見圖4。圖中(zhong)導流闆尺寸(cun)
　　爲700mm×400mm×3mm;導流管爲(wei)圓台體，上底(di)面直徑爲250mm,下(xia)底面直徑爲(wei)200mm,導流管高度(du)爲200mm，壁厚爲3mm;導(dǎo)流闆與導流(liú)管上底面焊(han)接;導流闆與(yǔ)受⛱️力盤✔️底面(mian)平行，垂直有(yǒu)效距離h爲300mm。

2流量計率(lü)定實驗
2.1率定(dìng)實驗系統
　　儀(yí)表本身的設(shè)計參數和結(jie)構、液體流動(dòng)特性以及工(gong)作狀态均密(mi)切影響流量(liàng)計特性。流量(liàng)計的現場使(shi)用環境複雜(zá),建立完全一(yi)緻的使用條(tiao)件比較困難(nan)。故而需選擇(zé)其共性條件(jian)，建立率定裝(zhuang)置，理論與實(shí)踐相結合來(lai)挖掘其使用(yong)條件下的共(gong)性特征0
　　本次(cì)采用的率定(ding)方法是标準(zhǔn)表法，通過事(shi)先正确🛀标定(ding)的🏃🏻超💛聲波流(liu)量計來标定(dìng)雨水口流量(liàng)計，二者🚩串聯(lian)在管道上，流(liú)體依次通過(guo)2個流量計，通(tōng)過測量标準(zhun)流量率定雨(yu)水口流量計(ji)。
　　率定實驗系(xi)統如圖5所示(shì)，實驗通過渠(qú)道長2000mm的穩流(liu)明渠👈向80mmx80mm的集(jí)水槽供水，水(shui)流以任意方(fāng)向通過導流(liú)管進🌈入流量(liang)計，模拟現實(shí)條件下雨水(shuǐ)進入雨水口(kǒu)🈲場景。爲滿足(zú)GB50014一2006《室外排水(shuǐ)設計規範》中(zhōng)規定雨水口(kou)實際洩水能(néng).力的極限值(zhí)凹,使用不同(tóng)流量的2台水(shui)🏃‍♂️泵供水，小流(liu)量潛水泵的(de)㊙️最大流量爲(wei)4.5L/s，大流量潛水(shuǐ)泵的最大流(liú)量爲10L/s。在較小(xiao)流量時，由1根(gēn)直徑爲63mm的PVC管(guan)供水，使用球(qiú)形閥控制流(liu)量大小;在較(jiao)大流量時，由(you)1根直徑爲110mm的(de)PVC管引水到渠(qú)道前端由水(shuǐ)泵變頻器控(kòng)😘制進水流量(liàng)。整個過程🔱使(shǐ)用.超聲波流(liu)量計計量實(shí)際流量;雨水(shui)口流量計使(shǐ)用DC電壓記錄(lu)器紀錄電壓(yā)值，通過式4)計(jì)算理論流量(liang)。渠道前端放(fàng)置2塊多孔闆(pǎn)穩定來流避(bi)免水面動蕩(dang)。.渠道的出水(shuǐ)通過流量計(ji)🤟之後進入地(dì)下水渠流入(rù)地下水庫，泵(beng)☎️從水庫抽水(shui)到實驗水渠(qu)，循環供水。實(shi)驗現場流量(liang)計實物如圖(tu)6所示。

2.2率定結(jie)果及分析
　　由(you)于采用水泵(bèng)直接供水方(fāng)式，電壓、頻率(lǜ)的波動會直(zhí)🏃接🔅影響實際(jì)供水流量呵(he)，導緻測得的(de)實際流量數(shù)據發生一定(dìng)的離🚩散性🤞。故(gù)采用數據平(ping)均方式消除(chú)随機誤差。
　　實(shi)驗中,DC電壓記(ji)錄器每隔10s記(ji)錄1次電壓值(zhi)，内存足以紀(jì)💞錄大約♊27h;使用(yong)UPSI2V5AH電源，可用時(shi)長約40h。對記錄(lu)的電壓值進(jìn)行整理得到(dao)穩定流量下(xià)的電壓均值(zhí)。使用式4)計算(suàn)得到電壓均(jun1).值對應的力(li)以及理論流(liú)量。
　　實驗過程(cheng)中,采用一大(da)一小2台水泵(beng)供水，在小泵(bèng)流量達🐇到🌈最(zuì)大🤩值與大泵(beng)流量處于極(jí)小值之間時(shi),由🚩于控🙇‍♀️制困(kùn)難，數據缺失(shi)。将㊙️所有數據(jù)綜合分析,拟(nǐ)合⭐得到理論(lun)流量以及實(shí)際流量與電(dian)壓🥰均值的關(guan)系曲線，經分(fen)🔞析線性關🌈系(xì)良好，符合真(zhen)實情況，從而(ér)推導出DC電壓(yā)記錄器記錄(lù)電壓值U與流(liu)量Q的關系式(shì)如式(6)所示:

　　結(jié)合理論流量(liang)與實際流量(liang)對應關系圖(tu)(7)，對電壓均值(zhí)與理論流量(liang)之間的關系(xi)(U理論-V)以及電(dian)壓均值與實(shi)際流量之間(jiān)的關系(U實際(ji)-V)進行簡單回(hui)歸分析，結果(guǒ)如表2所示，相(xiang)關性良好。

将(jiang)式6)結合式4)加(jia)以推廣，在實(shi)際工程測量(liang)中，可将計📱量(liang)公式🙇🏻設定🌈爲(wei)式6):

　　式中:a和b爲(wei)修正系數,根(gēn)據現場實際(jì)情況,不同流(liú)量計配合不(bú)同的修正系(xì)數，修正系數(shu)可通過率定(dìng)得到。
2.3誤差分(fèn)析
　　标準法率(lǜ)定過程中，誤(wù)差溫度和壓(yā)力不是主要(yào)影響因素，可(kě)以不予考慮(lü)，被檢流量計(jì)的精度主要(yào)取決于🔴标準(zhǔn)🧡流量㊙️計的精(jing)度口，假定實(shí)驗過程中使(shi)用的超聲波(bo)流量計精度(du)良好。
　　忽略水(shui)體重力G,使用(yòng)式4)給出的關(guan)系計算得到(dào)的理🐇論流量(liàng)與實際流量(liàng)略有不同，計(jì)量流量值會(huì)略微偏大。
　　誤(wu)差來源主要(yao)有:1)Ah高度的水(shuǐ)體重力G的大(dà)小無法定量(liang)❌測定，爲滿足(zú)條件，已經設(she)定△h足夠小，類(lei)似于水膜‼️，其(qí)産生的誤差(cha)可認🛀🏻爲是系(xi)統誤差;2)其中(zhōng)式4)中V,的計♍算(suan)中，h在測量時(shí)會帶來系統(tǒng)誤❄️差;3)實驗中(zhōng)平闆對水的(de)作用力P的測(cè)量誤差爲随(sui)機誤差。
　　對電(diàn)壓均值與理(li)論流量、實際(jì)流量之間的(de)數據分✨别使(shǐ)用式0)計算流(liu)量相對誤差(chà)，計算結果如(rú)圖8所示。可以(yi)看出:在小流(liu)量💯時,所有數(shu)據相對誤差(chà)絕對值均小(xiǎo)于10%，絕大多數(shù)相對誤差絕(jué)對值均小于(yú)5%;在大流量時(shi)相對誤差絕(jué)對值相對穩(wen)定,均小于3%。

　　不(bú)難發現，在流(liú)量較小時，相(xiàng)對誤差波動(dong)較大。這是由(yóu)于此時使用(yòng)小流量泵時(shi)，由球形閥控(kòng)制流量，在流(liú)量較小時，難(nán)以穩定控制(zhì)。.
　　綜合分析,在(zài)流量大于1.40L/s時(shí)，電壓值-流量(liang)關系曲線的(de)相對誤差💔的(de)絕對值基本(ben)滿足相關規(guī)定中其對于(yu)大多數量水(shuǐ)設備所💰要求(qiú)的精度在5%範(fàn)圍内的要求(qiu)♋口。具體流量(liàng)相對誤差範(fàn)圍見圖8。

3應用(yòng)案例
　　爲驗證(zhèng)雨水口流量(liang)計的實際效(xiao)果，在北京某(mǒu)校園的道路(lù)雨水口上安(an)裝了該流量(liang)計，現場實驗(yàn)裝置如圖9所(suǒ)示。

　　對該地2025年(nián)12月16日的降雨(yu)進行監測。通(tōng)過.安放在校(xiao)園中的雨量(liang)計得到分時(shí)降雨量;通過(guò)該雨水口流(liu)量計現場紀(jì)錄的電壓數(shu)據，使用已經(jīng)率定的換算(suàn)關系式6)繪出(chū)該雨水口徑(jing)流流量㊙️變化(huà)與降雨強度(dù)的關系如圖(tú)10所示。降雨初(chū)期，雨強🤞較大(da),降雨曆時較(jiao)短,路面徑流(liu)小，彙聚到雨(yu)水👈口的流量(liang)也很少，維持(chí)在💔0~0.50L/s;随着降雨(yǔ)的進行，經過(guo)一定曆時,雨(yu)水口徑流量(liang)達到峰值，約(yuē)爲4.25L/s;随後随着(zhe)降雨強度減(jian)小，流量也逐(zhu)漸減小，最終(zhong)趨于0.

　　對數據(jù)記錄器中的(de)數據進行整(zhěng)理分析，可以(yǐ)看出:在降雨(yu)初期以及後(hòu)期，雨水口徑(jìng)流流量變化(hua)範圍很小🙇🏻時(shi)，該🏃流量♻️計可(ke)正确🌂計量雨(yǔ)水口流量;當(dang)地表彙流突(tu)然進入🛀🏻雨水(shui)口時，該流量(liàng)計可以穩定(dìng)而迅速計量(liàng)來流流量，不(bú)會産生數值(zhi)跳躍。整💘個過(guò)程中,計量誤(wu)差小☁️、精度優(yōu)良，其🈲量程适(shi)應雨水口流(liú)量變化，該法(fǎ)可以承擔雨(yǔ)水口流量計(ji)量工作。
4結語(yu)
　　本文首次提(ti)出了一種基(jī)于動量變化(huà)率測定來流(liu)沖擊力的計(ji)🍓量流量的方(fāng)法，并給出了(le)雨水口徑流(liú)流量與降雨(yǔ)強度之間的(de)關系，該計量(liang)方法在水工(gōng)🌂程領城，尤其(qí)是雨水研✊究(jiu)中有⛱️着極爲(wèi)重要的實踐(jiàn)價值,爲開展(zhǎn)雨水水量的(de)相關研究提(ti)供了有力武(wǔ)器。該流量計(jì)可實時在線(xian)正确測量雨(yǔ)水口徑流流(liú)量，誤差小，量(liang)程比高，洪峰(fēng)流量✍️時依舊(jiu)可以保持優(you)良的洩流能(neng)力。作爲一種(zhǒng)🐉新式雨水✍️口(kǒu)流量計量方(fāng)法，其在科研(yan)工作和實際(ji)工程中，具有(you)♈極高的實用(yong)♉和推廣價值(zhí)。另外，由于該(gai)流量計内存(cun)可以存儲一(yī)定的數據，節(jiē)約了人力成(cheng)本，但建議後(hòu)續研究考慮(lü)将這些計量(liang)數據存儲于(yu)✔️雲端，并實現(xian)遠傳。

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