雨水明渠流量測量常用設(shè)備及其選型
2016-04-22 06:55:01王文海李芃抒
環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展 2016年2期
田 歡 王文?！±睢∈| 李芃抒
(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；
2.北京應(yīng)對氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地/北京電子廢物資源化國際科技合作基地，北京 100044)
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雨水明渠流量測量常用設(shè)備及其選型
田歡1王文海1李蕓2李芃抒1
(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；
2.北京應(yīng)對氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地/北京電子廢物資源化國際科技合作基地，北京100044)
【摘要】雨水明渠流量測量是雨水監(jiān)測中不可忽視的一項(xiàng)基本工作。為準(zhǔn)確評估城市地表徑流負(fù)荷、研究場地雨水特性，可在雨水明渠中設(shè)置量水裝置對流量進(jìn)行有效計(jì)量，其測量方法以量水堰槽最為有效。文章對幾種較為常用堰槽的流量計(jì)算方法、設(shè)備特征及其適用范圍進(jìn)行了對比分析，并剖析雨水明渠流量測量存在的問題和要點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，對雨水明渠流量測量設(shè)備選型進(jìn)行了探討。
【關(guān)鍵詞】雨水明渠；流量測量；設(shè)備選型
引言
2015年10月國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》，要求建設(shè)海綿城市，有效控制雨水徑流，增強(qiáng)城市防澇能力，提高新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量，最大限度地減少城市開發(fā)建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響，將70%的降雨就地消納和利用[1]。但是，現(xiàn)有已建城市更多的雨水通過道路邊溝、植草溝以及明渠集中并最終排入市政雨污管道，這個(gè)過程中，污染物被徑流挾帶經(jīng)由城市雨水管渠或合流制管渠進(jìn)入受納水體，對城市水環(huán)境造成威脅，因此，有效計(jì)量雨水徑流流量是研究和建設(shè)“海綿城市”的一項(xiàng)重要任務(wù)[2]。面向“十三五”規(guī)劃，我國對雨水徑流監(jiān)測數(shù)據(jù)相對不足[3]，很多海綿城市試點(diǎn)區(qū)缺乏有效的雨水徑流數(shù)據(jù)，其主要原因就是雨水徑流監(jiān)測的手段、方法以及設(shè)備選型仍然存在一定的問題，有效計(jì)量并提取數(shù)據(jù)和評估雨水徑流污染方興未艾。
降雨事件的隨機(jī)性導(dǎo)致對雨水徑流的監(jiān)測帶來了諸多困難，城市雨水明渠是城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其通過連接雨水口、邊溝、植草溝、暗管以及其他管渠系統(tǒng)，將匯水范圍內(nèi)相應(yīng)地塊內(nèi)匯集的雨水集中排放。而城市中邊溝、植草溝、小型明渠排水溝不勝枚舉；大型明渠也是棋布星羅[3，4]，其在城市雨水排水中發(fā)揮著極為重要的作用。因此，通過明渠計(jì)量雨水徑流流量將是一項(xiàng)行之有效的計(jì)量方法。
1雨水明渠流量測量
1.1明渠流量測量方法概況
由于污染負(fù)荷計(jì)算需要較為精確的流量監(jiān)測，在監(jiān)測雨水徑流流量時(shí)通常要求量水設(shè)備有更寬裕的量程比，并且精度上需要達(dá)到雨水流量測量要求，現(xiàn)有的精確成熟的水力學(xué)流量測量設(shè)備多用于水量變動(dòng)相對穩(wěn)定的市政給水及排水中，由于流量不穩(wěn)定、現(xiàn)場條件變化多樣導(dǎo)致傳統(tǒng)的流速儀法、電磁感應(yīng)法、電磁流量計(jì)法、超聲波多普勒法等流速面積法并非完全適合于雨水徑流流量測量。流速儀法通常使用旋漿流速儀和旋杯流速儀測定過流斷面上某幾個(gè)點(diǎn)的流速，再根據(jù)斷面流速分布公式計(jì)算其斷面平均流速及流量，在測量流速時(shí)，要使流速儀在水中保持水平狀態(tài)，并且使它的長軸線平行水流方向，在局部渦流時(shí)，如流速儀扭轉(zhuǎn)不大都可使用該方法，該方法安裝要求高、現(xiàn)場條件好，用于測量雨水徑流流量有一定的限制；電磁感應(yīng)法需先將一個(gè)線圈橫埋在渠道底部，構(gòu)成一個(gè)過水的磁場通過平均流速和過水?dāng)嗝婷娣e的乘積得到流量，該法安裝極為不便；電磁流量計(jì)法，一般由流量傳感器和流量轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，其工作時(shí)需要配備電源并需要淹沒安裝方可正常工作，這大大限制了其在雨水明渠中的使用；超聲波多普勒法是根據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)的原理設(shè)計(jì)，入射頻率的聲波與反射頻率聲波存在多普勒頻移，其與流體流速成正比，通過測出頻率差與過流的面積就可求得流量，由于雨水徑流中雜物較多、過流面積變化大，對測量結(jié)果有非常大的影響[5-10]。
水力學(xué)法主要是以臨界流理論為基礎(chǔ)，利用修建在明渠上的標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽、水工建筑物(閘門、涵洞等)或人工控制斷面測量流量的方法。它被廣泛應(yīng)用于工業(yè)污水排放、農(nóng)業(yè)灌溉、公路排水系統(tǒng)中。其中量水堰槽主要有：薄壁堰、寬頂堰、三角形剖面堰、平坦 V 形堰、巴歇爾槽和無喉道槽[6]，量水堰槽特殊的幾何尺寸使水流經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生臨界水深，通過堰槽的水形成穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，測定量水堰槽前的水頭便可通過理論公式計(jì)算得到相應(yīng)流量。量水堰槽國內(nèi)外理論體系較為成熟，有明確的分類和流量計(jì)算公式。
1.2明渠流常用的幾種堰槽測量計(jì)算公式
雨水明渠多為具有自由表面的自然敞開渠道，可以采用的流量計(jì)量方法中較為理想的主要有堰式和槽式兩大類，通常是設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)化量水堰槽，在規(guī)定位置測量數(shù)位，再依據(jù)流量與水位的關(guān)系計(jì)算出流量。
量水堰槽在自由出流時(shí)精度較高。堰槽流量基本公式的實(shí)質(zhì)都是流量與堰槽寬度與水頭的某次方成正比。其通用形式為：
Q=CBHn
式中：Q為通過堰槽的流量，m/s3；C為各種影響因素的綜合系數(shù)；B為堰槽過流斷面寬度，m；H為水頭，m。
表1 幾種常用量水堰槽[6-12]
利用改進(jìn)的明渠流流量測量方式，設(shè)計(jì)出方便、準(zhǔn)確的城市雨水流量實(shí)時(shí)測量裝置于城市水資源污染治理大有益處。
1.3雨水明渠徑流流量測量常用設(shè)備
雨水明渠要求設(shè)備的建設(shè)投資少，使用便利，實(shí)時(shí)計(jì)量性好，精度高，并且對泄洪無阻礙作用。薄壁堰是測量精度比較高的，能達(dá)到3%誤差范圍內(nèi)，量程比為(10～20)：測量范圍達(dá)到0～40000m3/h，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，測量精確度高，其缺點(diǎn)是水頭損失大，多不適用于平坦渠道，且堰上游易堆積堵塞，需定期清理。槽式流量計(jì)有多種形式，水中固態(tài)物質(zhì)幾乎不沉淀，隨水流排出，水位抬高比堰小，適用于落差不大的渠道，有P槽(Parshall flume)和PB槽(Palrner-Bowlus flume)等[9-19]。
對一些常用的明渠流量測量設(shè)備做一些簡單介紹。
(1)三角形薄壁堰。作為薄壁堰的一種，多用于順直、縱比降較大或者有跌坡的矩形渠道中，安裝方向垂直與水流流向，銳緣堰板上的“V”形缺口角度通常在25°～100°之間。在雨水徑流流量較小時(shí)，堰處于自由出流狀態(tài)時(shí)，測量精度較高。
(2)矩形薄壁堰適用于較大流量的測量。當(dāng)流量較小時(shí)，可能會出現(xiàn)水舌緊貼下游堰壁的情況，此時(shí)，矩形薄壁堰測量誤差增大，對初期雨水測量尤為不利。
(3)復(fù)合堰是實(shí)際工程出現(xiàn)的一種新堰型，可以分為在順?biāo)鞣较蛏虾驮诖怪彼魃喜煌咝偷膹?fù)合[11]。其流量系數(shù)計(jì)算公式、流態(tài)及壓力的研究成果都是基于標(biāo)準(zhǔn)堰型得到的，現(xiàn)有的復(fù)合堰基本都是垂直水流方向上不同堰型的復(fù)合，可以采用流量系數(shù)加權(quán)平均法或者分段計(jì)算法求解流量。由于受到地形、場地等條件的限制以及綜合考慮施工、經(jīng)濟(jì)等多方面因素，復(fù)合堰用于雨水明渠通常需要提前率定。
(4)梯形薄壁堰。作為銳緣薄壁堰的一種，其適用于安裝在坡降比較大或者有跌檻而且含泥沙較少的明渠中。
(5)巴歇爾槽(Parshall flume)簡稱P槽或者巴氏槽，是一種矩形橫斷面短吼道槽，由上游收縮段、吼道段和下游擴(kuò)散段組成。吼道尺寸寬度一般在0.025～15.24m之間，其水位抬高比堰小，水中顆粒物不易沉積[12]，一般其測量誤差在3%～5%左右[18]。
2雨水明渠徑流流量測量存在的問題
國內(nèi)對雨水的研究起步比較晚，對雨水明渠測量方法的研究亦在不斷的探索之中。筆者對某試驗(yàn)基地使用的浸沒式面積速度傳感器流量計(jì)進(jìn)行了長達(dá)三年的追蹤研究，對其流量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)該流量計(jì)在測量污水等流態(tài)相對穩(wěn)定的渠道時(shí)，極少出現(xiàn)錯(cuò)誤；而在測量雨水徑流時(shí)，由于雨水徑流變化相對較大，其發(fā)生測量錯(cuò)誤的概率經(jīng)統(tǒng)計(jì)達(dá)68.2%，使用三年基本達(dá)到了該流量儀器的壽命期，統(tǒng)計(jì)其在全壽命周期中維護(hù)保養(yǎng)、更換零部件及人工安裝運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用之后，初步估算設(shè)備折舊率[21]高達(dá)23.1%，殘值率9.48%，明顯高于國家相關(guān)法規(guī)5%以內(nèi)殘值率[22，23]的規(guī)定。
量水堰槽作為一種比較經(jīng)濟(jì)有效的方法，準(zhǔn)確度較高，誤差主要來源取決于堰槽的建造尺寸和水頭測量的準(zhǔn)確度及流量系數(shù)。其中流量系數(shù)與水流的運(yùn)動(dòng)粘度和量水堰槽的表面粗糙度有關(guān)，這兩者的穩(wěn)定性會影響測量的精度。由于修建的量水堰槽提高水位、改變流速，會導(dǎo)致水流中污染物或泥沙的淤積，影響穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，使測量精度降低，所以需要進(jìn)行定期的維護(hù)和清理，由此加大了成本的投入。
量水堰通常存在的一個(gè)問題就是在初期徑流小、水量不足以通過堰板最低出流口時(shí)，這部分流量無法計(jì)量；在流量較大時(shí)，堰板有阻水的作用，不利于泄洪。某公園使用的三角堰計(jì)量植草溝雨水徑流流量在降雨時(shí)就存在這種問題，如圖1所示。
圖1 某公園植草溝三角堰實(shí)時(shí)計(jì)量狀態(tài)
雨水徑流流量測量實(shí)時(shí)性要求較高，小流量下不憋水、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞而不滯后是初期雨水流量測量的重中之重。
若使明渠的一部分收縮，液流經(jīng)過收縮節(jié)流處時(shí)，流速就會增大，同時(shí)液流液位下降，節(jié)流使液位能變成了流速能，測量這個(gè)液位的下降量就可求得流量。在此考慮使用巴歇爾槽進(jìn)行計(jì)量是一個(gè)可行方向。
3雨水明渠徑流流量測量設(shè)備選型
設(shè)備選型是一個(gè)較為復(fù)雜的問題，需要綜合多因素考慮，量水設(shè)備選型之前需收集眾多必要資料，包括現(xiàn)場場地以及渠道狀況、水力條件、施工安裝作業(yè)等。
首先，針對雨水明渠而言，量水設(shè)備的選型至少應(yīng)遵循以下兩個(gè)條件：①以場地狀況為前提，盡可能地保證計(jì)量精度，選取的設(shè)備應(yīng)適應(yīng)雨水明渠流量變化；②在洪峰流量時(shí)，保證渠道上游及場地的安全水位，必須要確保量水設(shè)備不會造成其上游水位過分壅高，滯水嚴(yán)重而影響渠道自身的泄洪能力。
其次，還需要從不同角度結(jié)合設(shè)備特性全方位的考慮，盡力選取“因地適宜”的優(yōu)化方案。
從量水精度以及施工方面考慮，復(fù)合堰具備在小流量時(shí)精度高、大流量不阻水的特性，是較為優(yōu)異的量水設(shè)備[24]。
在挾沙明渠或有漂浮物的明渠中，巴歇爾槽可以很好的排出泥沙及漂浮物，抗干擾能力強(qiáng)；在洪峰來臨時(shí)，完全不會影響洪水的排放，不會對上游產(chǎn)生滯水現(xiàn)象，可以用來測量雨水明渠流量。
考慮施工方面，薄壁堰需要精密工具制作，并提前對堰板進(jìn)行率定標(biāo)定，由于易于損壞，保存運(yùn)輸需要仔細(xì)小心；巴歇爾槽可以考慮現(xiàn)場修筑或者現(xiàn)場安裝。
考慮后期維護(hù)問題，復(fù)合堰需要定期清理，尤其是雨水明渠中不可避免的會滯留一些樹枝樹葉、泥沙以及人工垃圾等物品；巴歇爾槽在高水頭條件下，使明渠的一部分收縮，液流經(jīng)過收縮節(jié)流處時(shí)，流速就會增大，同時(shí)液流液位下降，節(jié)流使液位能變成了流速能，比較容易清理維護(hù)。
4結(jié)語
有效測量明渠雨水徑流流量是監(jiān)測城市雨水徑流的必要工作之一，在測量時(shí)應(yīng)把握以下幾點(diǎn)：①校核場地匯水面積內(nèi)明渠的排水能力，確保明渠排水滿足要求；①依據(jù)場地條件合理選擇明渠堰槽測量方案，安裝前后必須校核排水能力是否依舊滿足要求；③道路邊溝以及植草溝等排水系統(tǒng)在不影響其泄洪的前提下，盡可能地選擇安裝堰板來測量明渠流量，保證流量較小時(shí)測量的精確性，同時(shí)，在徑流流量較小時(shí)，堰板的阻水功能可以滯留雨水用以削峰錯(cuò)峰，并符合雨水源頭處理消納的需求。此外，針對雨水明渠要注重量水裝置的維護(hù)管理，定期清理堰板上游沉積的雜物，以保障測量有效性和準(zhǔn)確性。
參考文獻(xiàn)：
[1]國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見[J].中華人民共和國國務(wù)院公報(bào)，2015，30：41-43.
[2]王文亮，李俊奇，王二松，章林偉，曹燕進(jìn)，徐慧緯.海綿城市建設(shè)要點(diǎn)簡析[J].建設(shè)科技，2015，01：19-21.
[3]李俊奇，王文亮，車伍，劉超，趙楊.海綿城市建設(shè)指南解讀之降雨徑流總量控制目標(biāo)區(qū)域劃分[J].中國給水排水，2015，08：6-12.
[4]齊同湘.莫讓“優(yōu)于水”的武漢為水憂——武漢市明渠水環(huán)境的治理與保護(hù)研究[J].中華建設(shè)，2006，08：65-66.
[5]周仕進(jìn).雨水明渠在余江縣城東新區(qū)的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2014，07：200.
[6]王成李.明渠流量測量方法及裝置研究[D].中國計(jì)量學(xué)院，2014.
[7]曹湧.明渠流量測量系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2002.
[8]薛敏.明渠流量計(jì)的智能化研究與開發(fā)[D].太原理工大學(xué)，2010.
[9]李善征，張春義，吳敬東.明渠堰槽測流技術(shù)綜述[J].北京水利，2003，01：23-25.
[10]王曉杰.明渠自動(dòng)量水系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].太原理工大學(xué)，2011.
[11]商艾華，郭維東，孟繁星，任歡慶.復(fù)合堰流量計(jì)算[J].人民長江，2007，04：136-137，146.
[12]黃曉冬.巴歇爾槽流量計(jì)自由出流流量測量值的不確定度評定[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2014，04：72，74.
[13]馬瑞忠.無喉道量水槽在灌區(qū)渠道流量智能監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015，11：97-98.
[14]Lewis A Rossman.Stormwater management model user′s manual.Version5.0[Z].Cincinnati：USEPA，2010.
[15]Shahid Ahmad，Muhammad Yasin，M.Munir Ahmad.Flow measurements with portable cut-throat flume and broad crested weir in flat gradient channels[J].Irrigation and Drainage Systems .1991 (2).
[16]Zohrab Samani，Henry Magallanez.Simple Flume for Flow Measurement in Open Channel[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering .2000 (2).
[17]R.C.Weber，G.P.Merkley，G.V.Skogerboe，A.F.Torres.Improved calibration of Cutthroat flumes[J].Irrigation Science .2007 (4).
[18]美國內(nèi)政部墾務(wù)局著，量水手冊[M].夏富洲，劉國強(qiáng)，劉孟凱等譯.北京：中國水利水電出版社，2011.
[19]J.Le Coz，B.Camenen，X.Peyrard，G.Dramais.Uncertainty in open-channel discharges measured with the velocity-area method[J].Flow Measurement and Instrumentation .2012.
[20]R.W.Herschy.The uncertainty in a current meter measurement[J].Flow Measurement and Instrumentation .2002 (5).
[21]王方.設(shè)備折舊率與投資收益率淺析[J].中國設(shè)備管理，1989，04：30-31.
[22]中華人民共和國企業(yè)所得稅暫行條例實(shí)施細(xì)則[J].稅收與企業(yè)，1994，04：58-61.
[23]祁立彬.提高設(shè)備折舊率使設(shè)備役齡合理化(Ⅱ)[J].汽車工業(yè)研究，1994，01：35-36.
[24]王亞婧，王文海，秦祎，李博涵.新型雨水徑流計(jì)量用復(fù)合堰的設(shè)計(jì)及率定[J].給水排水，2015，04：30-33.
Research on Usual Equipments and the Selection of Rainwater Flow Measurement on Open Channel
TIAN Huan1WANG Wenhai1LI Yun2LI Pengshu1
(1.Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment
Abstract：The measurement of rainwater open channel flow is a basic work of rainwater monitoring. To accurately assess the urban surface runoff load and research the rainwater featuresof site，we can set up the flow measurement device to measure the flow in the rainwater open channel，measuring weir trough being the most effective method. In this paper the flow calculation methods，equipment characteristics and their scope of several commonly used weir troughs have been analyzed and compared. And this paper analyzes the problems and the main points of rainwater open channel flow measurement. Finally，this paper discusses the equipment selection of rainwater open channel flow measurement.
Keywords：Rainwater Open Channel；Flow Measurement；Equipment Selection
中圖分類號：TU992.0
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1673-288X(2016)02-0060-04
通訊作者：王文海，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻o水排水相關(guān)科學(xué)研究
作者簡介：田歡，碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘兴到y(tǒng)與水力學(xué)研究
項(xiàng)目資助：(1)國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2010ZX07320-002；2010ZX07320-003)；(2)北京建筑大學(xué)“城鄉(xiāng)建設(shè)與管理”產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研究生培養(yǎng)基地項(xiàng)目
引用文獻(xiàn)格式：田歡等.雨水明渠流量測量常用設(shè)備及其選型[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(2)：60-63.
