摘要:針對雨水口及其他跌落水流的流量測量問題，提出一種基于動(dòng)量變化率而測定來流沖擊力的計(jì)量流量的方法。具體步驟是通過力傳感裝置和稱重變送器將下落水流沖擊力轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，依據(jù)率定實(shí)驗(yàn)過程中電壓值的變化，最終換算成雨水口徑流量計(jì)。結(jié)果表明，應(yīng)用該計(jì)量方法進(jìn)行雨水口流量測量，其獲得的流量精度較高，適應(yīng)雨水口的流量變化,是一種計(jì)量雨水口流量的有效方法。
0引言
海綿城市建設(shè)為中國城市現(xiàn)代雨水控制利用與管理系統(tǒng)的發(fā)展提供了機(jī)遇,但同時(shí)也帶來了極大的挑戰(zhàn)與困惑”。監(jiān)測雨水水質(zhì)和計(jì)量雨水流量是研究雨水問題的基本工作之一，是建設(shè)海綿城市的初始環(huán)節(jié)。雨水口是雨水排水系統(tǒng)中收集地表水流的構(gòu)筑物，是地面徑流轉(zhuǎn)化為管道排水的過渡點(diǎn)口，也是城市非點(diǎn)源污染物進(jìn)入水環(huán)境的主要通道。雨水口接納由零至徑流峰值范圍內(nèi)的雨水流量，對流量計(jì)提出了較高的要求:首先要求測量具備精度好，其次要求流量計(jì)具有較廣的量程比和良好的泄流能力。
國內(nèi)現(xiàn)有的針對雨水口的專利已超過120項(xiàng)，其.主要涉及雨水口的截污凈化功能印。然而，涉及雨水口流量測量方面的專利屈指可數(shù)。由于雨水口空間有限，現(xiàn)有的水力學(xué)法的堰槽等流量計(jì)量設(shè)備在雨水口安裝不便;雨水徑流小時(shí),現(xiàn)有的流速面積法流量計(jì)大多難以滿足測量精度高的要求。國內(nèi)外常用的示蹤劑法測量亦由于測量點(diǎn)位選取困難,而對雨水口流量計(jì)量束手無策日。找到一種科學(xué)合理的雨水口流量計(jì)量方法勢在必行,因此本研究提出了一種基于動(dòng)量變化率測定來流沖擊力的計(jì)量方法以滿足研究及工程問題的要求。本文主要闡述中國發(fā)明專利一一種雨水口流量測量裝置傳利號(hào):201610001374.4)的測量基本原理并對該方法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
1雨水口流量計(jì)設(shè)計(jì)
1.1計(jì)量原理.
水流跌入雨水口示意圖如圖1所示。
通常雨水口接收的徑流通過雨水篦子跌水流入市政雨水管道，該過程中水流在垂直地面方向上的分:速度為零，水流在下落過程中屬于自由落體運(yùn)動(dòng)，其任意位置的垂直分速度始終符合公式(1):
式中:Vy為垂直分速度,L/s;h為自由落體高度,m;g為重力加速度,9.8m/s'.
水體擊落平面受力分析如圖2所示。
假定水體在下落的過程中,落在某一個(gè)水平平板上后流走。取水體撞擊平板瞬間，進(jìn)行受力分析。取截面EE與B-B之間的Δh高度的水體為控制體，其中EE面上的速度垂直于地面，表示為Vy;其中B-B面上的速度與地面平行，表示為V水平。平板對水的作用力P等于沖擊力F與對應(yīng)的△h高度的水體重力G之和。
對垂直于地面方向使用恒定總流動(dòng)量定律進(jìn)行分析:
式中:?F為控制體內(nèi)的合外力，N;P為平板對水的作用力,N;Q為總流量,m3/s;ρ為水的密度;V,為垂直分速度,L/s。
對式2)進(jìn)行處理,將式(1)代入式（2），可得:
根據(jù)牛頓第三定律，平板所受力即為其對水體的作用力P,理論上只需測出平板所受到的力即可通過式（4）求出流量Q。本流量計(jì)通過力傳感器將水體下落到平板所受到的力傳感給稱重變送器，通過設(shè)置稱重變送器濾波,使其排除干擾后將模擬量轉(zhuǎn)化為電壓值，并通過DC電壓記錄器記錄并保存。雨水口流量計(jì)流量與電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。
上述推導(dǎo)過程忽略了重力G及水流下落過程的損失,必然帶來一定誤差。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)通過已知的流量標(biāo)定稱重變送器電壓U與實(shí)際流量之間的關(guān)系。
1.2設(shè)計(jì)實(shí)例
設(shè)計(jì)實(shí)例中導(dǎo)流板尺寸應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)圖集GJBT-907《雨水口》05S518)叮標(biāo)準(zhǔn);導(dǎo)流管設(shè)計(jì)為上大下小的垂直圓臺(tái)體使得來流不受導(dǎo)流管側(cè)壁作用力的影響;導(dǎo)流管管徑及高度設(shè)計(jì)符合一定的比例，保證任意方向的來流都以拋物線的方式下落到受力盤上;受力盤需要與導(dǎo)流管保持一定的距離，保證.來流可以順利排走，且受力盤直徑應(yīng)稍大于導(dǎo)流管管徑，保證來流速度方向都轉(zhuǎn)換為水平方向。.雨水口流量計(jì)設(shè)計(jì)圖見圖4。圖中導(dǎo)流板尺寸
為700mm×400mm×3mm;導(dǎo)流管為圓臺(tái)體，上底面直徑為250mm,下底面直徑為200mm,導(dǎo)流管高度為200mm，壁厚為3mm;導(dǎo)流板與導(dǎo)流管上底面焊接;導(dǎo)流板與受力盤底面平行，垂直有效距離h為300mm。
2流量計(jì)率定實(shí)驗(yàn)
2.1率定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
儀表本身的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)、液體流動(dòng)特性以及工作狀態(tài)均密切影響流量計(jì)特性。流量計(jì)的現(xiàn)場使用環(huán)境復(fù)雜,建立完全一致的使用條件比較困難。故而需選擇其共性條件，建立率定裝置，理論與實(shí)踐相結(jié)合來挖掘其使用條件下的共性特征0
本次采用的率定方法是標(biāo)準(zhǔn)表法，通過事先正確標(biāo)定的超聲波流量計(jì)來標(biāo)定雨水口流量計(jì)，二者串聯(lián)在管道上，流體依次通過2個(gè)流量計(jì)，通過測量標(biāo)準(zhǔn)流量率定雨水口流量計(jì)。
率定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，實(shí)驗(yàn)通過渠道長2000mm的穩(wěn)流明渠向80mmx80mm的集水槽供水，水流以任意方向通過導(dǎo)流管進(jìn)入流量計(jì)，模擬現(xiàn)實(shí)條件下雨水進(jìn)入雨水口場景。為滿足GB50014一2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定雨水口實(shí)際泄水能.力的極限值凹,使用不同流量的2臺(tái)水泵供水，小流量潛水泵的最大流量為4.5L/s，大流量潛水泵的最大流量為10L/s。在較小流量時(shí)，由1根直徑為63mm的PVC管供水，使用球形閥控制流量大小;在較大流量時(shí)，由1根直徑為110mm的PVC管引水到渠道前端由水泵變頻器控制進(jìn)水流量。整個(gè)過程使用.超聲波流量計(jì)計(jì)量實(shí)際流量;雨水口流量計(jì)使用DC電壓記錄器紀(jì)錄電壓值，通過式4)計(jì)算理論流量。渠道前端放置2塊多孔板穩(wěn)定來流避免水面動(dòng)蕩。.渠道的出水通過流量計(jì)之后進(jìn)入地下水渠流入地下水庫，泵從水庫抽水到實(shí)驗(yàn)水渠，循環(huán)供水。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場流量計(jì)實(shí)物如圖6所示。
2.2率定結(jié)果及分析
由于采用水泵直接供水方式，電壓、頻率的波動(dòng)會(huì)直接影響實(shí)際供水流量呵，導(dǎo)致測得的實(shí)際流量數(shù)據(jù)發(fā)生一定的離散性。故采用數(shù)據(jù)平均方式消除隨機(jī)誤差。
實(shí)驗(yàn)中,DC電壓記錄器每隔10s記錄1次電壓值，內(nèi)存足以紀(jì)錄大約27h;使用UPSI2V5AH電源，可用時(shí)長約40h。對記錄的電壓值進(jìn)行整理得到穩(wěn)定流量下的電壓均值。使用式4)計(jì)算得到電壓均.值對應(yīng)的力以及理論流量。
實(shí)驗(yàn)過程中,采用一大一小2臺(tái)水泵供水，在小泵流量達(dá)到最大值與大泵流量處于極小值之間時(shí),由于控制困難，數(shù)據(jù)缺失。將所有數(shù)據(jù)綜合分析,擬合得到理論流量以及實(shí)際流量與電壓均值的關(guān)系曲線，經(jīng)分析線性關(guān)系良好，符合真實(shí)情況，從而推導(dǎo)出DC電壓記錄器記錄電壓值U與流量Q的關(guān)系式如式(6)所示:
結(jié)合理論流量與實(shí)際流量對應(yīng)關(guān)系圖(7)，對電壓均值與理論流量之間的關(guān)系(U理論-V)以及電壓均值與實(shí)際流量之間的關(guān)系(U實(shí)際-V)進(jìn)行簡單回歸分析，結(jié)果如表2所示，相關(guān)性良好。
將式6)結(jié)合式4)加以推廣，在實(shí)際工程測量中，可將計(jì)量公式設(shè)定為式6):
式中:a和b為修正系數(shù),根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,不同流量計(jì)配合不同的修正系數(shù)，修正系數(shù)可通過率定得到。
2.3誤差分析
標(biāo)準(zhǔn)法率定過程中，誤差溫度和壓力不是主要影響因素，可以不予考慮，被檢流量計(jì)的精度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的精度口，假定實(shí)驗(yàn)過程中使用的超聲波流量計(jì)精度良好。
忽略水體重力G,使用式4)給出的關(guān)系計(jì)算得到的理論流量與實(shí)際流量略有不同，計(jì)量流量值會(huì)略微偏大。
誤差來源主要有:1)Ah高度的水體重力G的大小無法定量測定，為滿足條件，已經(jīng)設(shè)定△h足夠小，類似于水膜，其產(chǎn)生的誤差可認(rèn)為是系統(tǒng)誤差;2)其中式4)中V,的計(jì)算中，h在測量時(shí)會(huì)帶來系統(tǒng)誤差;3)實(shí)驗(yàn)中平板對水的作用力P的測量誤差為隨機(jī)誤差。
對電壓均值與理論流量、實(shí)際流量之間的數(shù)據(jù)分別使用式0)計(jì)算流量相對誤差，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。可以看出:在小流量時(shí),所有數(shù)據(jù)相對誤差絕對值均小于10%，絕大多數(shù)相對誤差絕對值均小于5%;在大流量時(shí)相對誤差絕對值相對穩(wěn)定,均小于3%。
不難發(fā)現(xiàn)，在流量較小時(shí)，相對誤差波動(dòng)較大。這是由于此時(shí)使用小流量泵時(shí)，由球形閥控制流量，在流量較小時(shí)，難以穩(wěn)定控制。.
綜合分析,在流量大于1.40L/s時(shí)，電壓值-流量關(guān)系曲線的相對誤差的絕對值基本滿足相關(guān)規(guī)定中其對于大多數(shù)量水設(shè)備所要求的精度在5%范圍內(nèi)的要求口。具體流量相對誤差范圍見圖8。
3應(yīng)用案例
為驗(yàn)證雨水口流量計(jì)的實(shí)際效果，在北京某校園的道路雨水口上安裝了該流量計(jì)，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。
對該地2015年9月4日的降雨進(jìn)行監(jiān)測。通過.安放在校園中的雨量計(jì)得到分時(shí)降雨量;通過該雨水口流量計(jì)現(xiàn)場紀(jì)錄的電壓數(shù)據(jù)，使用已經(jīng)率定的換算關(guān)系式6)繪出該雨水口徑流流量變化與降雨強(qiáng)度的關(guān)系如圖10所示。降雨初期，雨強(qiáng)較大,降雨歷時(shí)較短,路面徑流小，匯聚到雨水口的流量也很少，維持在0~0.50L/s;隨著降雨的進(jìn)行，經(jīng)過一定歷時(shí),雨水口徑流量達(dá)到峰值，約為4.25L/s;隨后隨著降雨強(qiáng)度減小，流量也逐漸減小，最終趨于0.
對數(shù)據(jù)記錄器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，可以看出:在降雨初期以及后期，雨水口徑流流量變化范圍很小時(shí)，該流量計(jì)可正確計(jì)量雨水口流量;當(dāng)?shù)乇韰R流突然進(jìn)入雨水口時(shí)，該流量計(jì)可以穩(wěn)定而迅速計(jì)量來流流量，不會(huì)產(chǎn)生數(shù)值跳躍。整個(gè)過程中,計(jì)量誤差小、精度優(yōu)良，其量程適應(yīng)雨水口流量變化，該法可以承擔(dān)雨水口流量計(jì)量工作。
4結(jié)語
本文首次提出了一種基于動(dòng)量變化率測定來流沖擊力的計(jì)量流量的方法，并給出了雨水口徑流流量與降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系，該計(jì)量方法在水工程領(lǐng)城，尤其是雨水研究中有著極為重要的實(shí)踐價(jià)值,為開展雨水水量的相關(guān)研究提供了有力武器。該流量計(jì)可實(shí)時(shí)在線正確測量雨水口徑流流量，誤差小，量程比高，洪峰流量時(shí)依舊可以保持優(yōu)良的泄流能力。作為一種新式雨水口流量計(jì)量方法，其在科研工作和實(shí)際工程中，具有極高的實(shí)用和推廣價(jià)值。另外，由于該流量計(jì)內(nèi)存可以存儲(chǔ)一定的數(shù)據(jù)，節(jié)約了人力成本，但建議后續(xù)研究考慮將這些計(jì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云端，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳。
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