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雨水口徑流流量計(jì)量方法

摘要:針對(duì)雨水口及其他跌落水流的流量測(cè)量問(wèn)題,提出一種基于動(dòng)量變化率而測(cè)定來(lái)流沖擊力的計(jì)量流量的方法。具體步驟是通過(guò)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(guò)程中電壓值的變化,***終換算成雨水口徑流流量。結(jié)果表明,應(yīng)用該計(jì)量方法進(jìn)行雨水口流量測(cè)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(guó)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(lái)了極大的挑戰(zhàn)與困惑[1] 。監(jiān)測(cè)雨水水質(zhì)和計(jì)量雨水流量是研究雨水問(wèn)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(guò)渡點(diǎn)[2] ,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(duì)流量計(jì)提出了較高的要求:首先要求測(cè)量具備高精度,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(guó)內(nèi)現(xiàn)有的針對(duì)雨水口的專利已超過(guò)120項(xiàng),其主要涉及雨水口的截污凈化功能[3] 。然而,涉及雨水口流量測(cè)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(cè)量高精度的要求。國(guó)內(nèi)外常用的示蹤劑法測(cè)量亦由于測(cè)量點(diǎn)位選取困難,而對(duì)雨水口流量計(jì)量束手無(wú)策[4-6] 。找到一種科學(xué)合理的雨水口流量計(jì)量方法勢(shì)在必行,因此本研究提出了一種基于動(dòng)量變化率測(cè)定來(lái)流沖擊力的計(jì)量方法以滿足研究及工程問(wèn)題的要求。本文主要闡述中國(guó)發(fā)明專利———一種雨水口流量測(cè)量裝置(專利號(hào):201610001374.4)的測(cè)量基本原理并對(duì)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。

圖1 水流跌入雨水口Fig.1 Diagram of flow falling into inlet

圖1 水流跌入雨水口Fig.1 Diagram of flow falling into inlet 

 

通常雨水口接收的徑流通過(guò)雨水篦子跌水流入市政雨水管道,該過(guò)程中水流在垂直地面方向上的分速度為零,水流在下落過(guò)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):

計(jì)算公式

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/s2。

水體擊落平面受力分析如圖2所示。

圖2 水體擊落平面受力分析Fig.2 Forces analysis of flow dashed on panel

圖2 水體擊落平面受力分析Fig.2 Forces analysis of flow dashed on panel

 

假定水體在下落的過(guò)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E-E與B-B之間的Δh高度的水體為控制體,其中E-E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(duì)水的作用力P等于沖擊力F與對(duì)應(yīng)的Δh高度的水體重力G之和。

對(duì)垂直于地面方向使用恒定總流動(dòng)量定律進(jìn)行分析:

計(jì)算公式

式中:∑F為控制體內(nèi)的合外力,N;P為平板對(duì)水的作用力,N;Q為總流量,m3/s;ρ為水的密度;Vy為垂直分速度,L/s。

對(duì)式(2)進(jìn)行處理,將式(1)代入式(2),可得:

計(jì)算公式

設(shè)定流速轉(zhuǎn)向在很小的空間內(nèi)完成,忽略重力影響,對(duì)式(3)進(jìn)一步處理得到:

計(jì)算公式

根據(jù)牛頓第三定律,平板所受力即為其對(duì)水體的作用力P,理論上只需測(cè)出平板所受到的力即可通過(guò)式(4)求出流量Q。本流量計(jì)通過(guò)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(guò)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(guò)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。

圖3 雨水口流量-電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.3 Convert relationship of flow of runoff in inlet for storm water and voltage signal

圖3 雨水口流量-電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.3 Convert relationship of flow of runoff in inlet for storm water and voltage signal 

上述推導(dǎo)過(guò)程忽略了重力G及水流下落過(guò)程的損失,必然帶來(lái)一定誤差。因此,實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)通過(guò)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)符合標(biāo)準(zhǔn)圖集GJBT—907《雨水口》(05S518)[7] 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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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700 mm×400 mm×3 mm;導(dǎo)流管為圓臺(tái)體,上底面直徑為250 mm,下底面直徑為200 mm,導(dǎo)流管高度為200 mm,壁厚為3 mm;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300 mm。

圖4 雨水口流量計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)例Fig.4 Design drawing of flowmeter of runoff in inlet for storm water

圖4 雨水口流量計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)例Fig.4 Design drawing of flowmeter of runoff in inlet for storm water   下載原圖

 

1—導(dǎo)流蓋板;2—導(dǎo)流管;3—緩錐體受力盤;4—稱重變送器;5—電源;6—支架;7—格柵;h為導(dǎo)流蓋板與緩錐體受力盤垂直有效距離。

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(chǎng)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(lái)挖掘其使用條件下的共性特征[8] 。

本次采用的率定方法是標(biāo)準(zhǔn)表法,通過(guò)事先精密標(biāo)定的超聲波流量計(jì)來(lái)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(guò)2個(gè)流量計(jì),通過(guò)測(cè)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(guò)渠道長(zhǎng)2 000 mm的穩(wěn)流明渠向80 mm×80 mm的集水槽供水,水流以任意方向通過(guò)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(chǎng)景。為滿足GB 50014—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[9] ,使用不同流量的2臺(tái)水泵供水,小流量潛水泵的***大流量為4.5 L/s,大流量潛水泵的***大流量為10 L/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110 mm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(guò)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(guò)式(4)計(jì)算理論流量。渠道前端放置2塊多孔板穩(wěn)定來(lái)流避免水面動(dòng)蕩。渠道的出水通過(guò)流量計(jì)之后進(jìn)入地下水渠流入地下水庫(kù),泵從水庫(kù)抽水到實(shí)驗(yàn)水渠,循環(huán)供水。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)實(shí)物如圖6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.5 Diagram of the experiment system

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.5 Diagram of the experiment system

 

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)實(shí)物Fig.6 Test flowmeter of runoff in inlet for storm water in laboratory

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)實(shí)物Fig.6 Test flowmeter of runoff in inlet for storm water in laboratory   下載原圖

 

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[10] ,導(dǎo)致測(cè)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10 s記錄1次電壓值,內(nèi)存足以紀(jì)錄大約27 h;使用UPS12V 5AH電源,可用時(shí)長(zhǎng)約40 h。對(duì)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(duì)應(yīng)的力以及理論流量。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,采用一大一小2臺(tái)水泵供水,在小泵流量達(dá)到***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(5)所示:

計(jì)算公式

結(jié)合理論流量與實(shí)際流量對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖7),對(duì)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(jiǎn)單回歸分析,結(jié)果如表2所示,相關(guān)性良好。

表1 率定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表Table 1 Experimental data of calibration test 

表1 率定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表Table 1 Experimental data of calibration test

圖7 電壓均值與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 The correspondence between the average voltage and flux

圖7 電壓均值與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 The correspondence between the average voltage and flux 

 

表2 式(U理論-V)和(U實(shí)際-V)的簡(jiǎn)單回歸分析表Table 2 Simple regression analysis for the formula of(U理論-V)and(U實(shí)際-V)   

表2 式(U理論-V)和(U實(shí)際-V)的簡(jiǎn)單回歸分析表Table 2 Simple regression analysis for the formula of(U理論-V)and(U實(shí)際-V)

將式(5)結(jié)合式(4)加以推廣,在實(shí)際工程測(cè)量中,可將計(jì)量公式設(shè)定為式(6):

計(jì)算公式

式中:a和b為修正系數(shù),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)率定得到。

2.3 誤差分析

標(biāo)準(zhǔn)法率定過(guò)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[11] ,假定實(shí)驗(yàn)過(guò)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(lái)源主要有:1)Δh高度的水體重力G的大小無(wú)法定量測(cè)定,為滿足條件,已經(jīng)設(shè)定Δh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Vy的計(jì)算中,h在測(cè)量時(shí)會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)誤差;3)實(shí)驗(yàn)中平板對(duì)水的作用力P的測(cè)量誤差為隨機(jī)誤差。

對(duì)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(7)計(jì)算流量相對(duì)誤差,計(jì)算結(jié)果如圖8所示??梢钥闯?在小流量時(shí),所有數(shù)據(jù)相對(duì)誤差值均小于10%,絕大多數(shù)相對(duì)誤差值均小于5%;在大流量時(shí)相對(duì)誤差值相對(duì)穩(wěn)定,均小于3%。

計(jì)算公式

不難發(fā)現(xiàn),在流量較小時(shí),相對(duì)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1.40 L/s時(shí),電壓值-流量關(guān)系曲線的相對(duì)誤差的值基本滿足相關(guān)規(guī)定中其對(duì)于大多數(shù)量水設(shè)備所要求的度在5%范圍內(nèi)的要求[12] 。具體流量相對(duì)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。

對(duì)該地2015年9月4日的降雨進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)安放在校園中的雨量計(jì)得到分時(shí)降雨量;通過(guò)該雨水口流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)紀(jì)錄的電壓數(shù)據(jù),使用已經(jīng)率定的換算關(guān)系式(5)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0~0.50 L/s;隨著降雨的進(jìn)行,經(jīng)過(guò)一定歷時(shí),雨水口徑流量達(dá)到峰值,約為4.25 L/s;隨后隨著降雨強(qiáng)度減小,流量也逐漸減小,***終趨于0。

圖8 流量相對(duì)誤差范圍Fig.8 The relative tolerance of flow

圖8 流量相對(duì)誤差范圍Fig.8 The relative tolerance of flow 

 

圖9 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)Fig.9 Field experiment

圖9 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)Fig.9 Field experiment 

 

圖1 0 降雨量對(duì)應(yīng)的某雨水口徑流流量過(guò)程線Fig.10 A surface runoff hydrograph corresponding to rainfall

圖1 0 降雨量對(duì)應(yīng)的某雨水口徑流流量過(guò)程線Fig.10 A surface runoff hydrograph corresponding to rainfall

 

對(duì)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(lái)流流量,不會(huì)產(chǎn)生數(shù)值跳躍。整個(gè)過(guò)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(yǔ)

本文首次提出了一種基于動(dòng)量變化率測(cè)定來(lái)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)域,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)在線測(cè)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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