摘要：為了降低量水成本,、改進量水設施,，研發(fā)了一種以攔水柵為測流裝置,、以動量守恒為原理的量水裝置——污水流量計．采用理論分析、室內(nèi)試驗和現(xiàn)

場測試的研究方法,，推導出以攔水柵所受作用力為參數(shù),、以渠道水深和流速為變量的基本測流公式,，并研制了污水流量計產(chǎn)品．現(xiàn)場應用結果表明,，污水流量計具有測流簡單、精度高,、成本低等優(yōu)點．
用水計量是灌區(qū)用水管理的基本要求,，是實現(xiàn)計量用水、計劃用水的基本手段,，也是收取水費的基本依據(jù)．灌區(qū)量水可及時準確地測算出水源引入渠系和分配給各級渠道及各用水單位的水量,，檢查灌區(qū)用水戶的灌水效率，加強田間水分管理,，減少水量浪費,；還可以準確評價各種措施的節(jié)水效果，促進節(jié)水措施的推廣．量水伴隨著水力學的發(fā)展已有100多年的歷史,，經(jīng)典的量水設施如文丘里管,、巴歇爾量水槽至今仍是實驗室的主要量水設施．隨著灌溉用水管理的需要，不僅將實驗室的量水設施用于渠道量水,，而且發(fā)展了很多新的量水方法,。J．概括來說，灌區(qū)量水設施可以分為利用水工建筑物量水,、特設的量水設施量水和非接觸式量水．前兩類量水設施雖然種類繁多,，但都是以能量守恒原理為理論基礎進行量水的；后一類量水設施則是基于聲學,、光學原理研制的
雖然目前量水設施日趨多樣化,，但大都存在2個問題：（a）儀器儀表價格昂貴，一般的中小型農(nóng)業(yè)灌溉渠道難以承受,；（b）現(xiàn)有的量水設施（如各種堰槽,、分流式量水計等）精度低,、性能不穩(wěn)定l_l。．中小型灌溉渠道是農(nóng)業(yè)灌溉主體,，面廣量大,，因此，需要研制新型的價格低廉,、性能穩(wěn)定的量水設施,，以滿足中小型渠道量水的需要．本文介紹一種以攔水柵為測流裝置、以動量守恒為原理的量水設備——污水流量計,，其無論是結構形式還是測流原理都與現(xiàn)有的量水設施不同,，是量水設施家族的新成員．　　
1、污水流量計系統(tǒng)組成及攔水柵結構形式設計
污水流zui計主要由攔水柵,、壓力傳感器和二次儀表構成,，如圖1所示.關鍵部件為一可置于渠道內(nèi)的攔水柵，攔水柵上設有一組柵條,，柵條的數(shù)量和每根柵條的寬度可根據(jù)水流的具體情況來確定.在攔水柵的上部和下部分別設有壓力傳感器,，在水流作用下柵條可對壓力傳感器產(chǎn)生壓力，壓力傳感器帶有遠傳接口,，可以接受并傳送柵條在水流作用下產(chǎn)生的壓力,，并與可進行數(shù)據(jù)接收、處理,、儲存和輸出的二次儀表連接.二次儀表為數(shù)據(jù)接收,、處理、儲存和輸出裝置,，它接收壓力傳感器的信息,，根據(jù)信息推算渠道中水流的速度和深度，利用流zui公式計算渠中流量,，根據(jù)流量和時間計算各個時段的用水量.根據(jù)水精和水價計算水費,，并將上述信息和計算處理結果儲存起來.根據(jù)需要輸出或遠傳.二次儀表可與打印輸出設備連接，將所需數(shù)據(jù)打印出來.

根據(jù)不同類型的渠道,，攔水柵可以設計成矩形（圖1）,、梯形或者U形，材質(zhì)為金屬,、混凝土,、木材、塑料或玻璃鋼等．針對特定渠道,，通過對不同幾何尺寸,、不同斷面結構、不同材質(zhì)的攔水柵進行對比試驗，特別是對攔水柵格的寬度,、間距進行試驗比選,，確定攔水柵的*結構形式．壓力傳感器是研制量水設備的重要部件，其質(zhì)量直接決定量水精度．通過對比試驗,，對事先準備的幾種傳感器進行篩選,，zui終遴選出精度高、穩(wěn)定性好的壓力傳感器．同時對壓力傳感器的安裝位置,、支撐形式及遠傳接口進行試驗研究．現(xiàn)場安裝過程中,，首先將對應渠道形狀和尺寸的攔水柵固定嵌入到渠道中，通過螺栓,、鉸鏈等將壓力傳感器安裝在攔水柵的4個角（根據(jù)對稱原理,，實際使用中只需在上下各設1只壓力傳感器即可）；然后通過信號電纜將壓力傳感器與二次儀表相連,，二次儀表放置在渠道兩邊平坦干燥的地帶,；zui后，通過二次儀表讀取的壓力數(shù)值可以推算出渠道中流過的水量及水深值．圖2為攔水柵在渠道中的安裝形式

2基本公式推導
以矩形攔水柵為例,，對污水流量計的量水原理進行簡單闡述．由動量守恒定律推導出適用于流動恒定水流的動量方程為

式中：∑F——作用于控制體積內(nèi)水體所受外力之和,；ρ——水的密度；Q——水流流量,；β——動量校正系數(shù),，一般取值為1；Vl——水流人流速度,，即渠道內(nèi)水流速度；V2——水流出流速度,，即撞擊到攔水柵后的水流速度．
根據(jù)式（1）得到水流作用在攔水柵上的動水壓力為

式中：A1——渠道過水斷面面積,；Ao——淹沒水中的柵條面積；A——淹沒水中的攔水柵總面積,；al,，a2——系數(shù)，通過試驗率定得到,；h——水深,；B——攔水柵寬度；B1——每根柵條的寬度,；n——攔水柵數(shù)量．
由于迎水面,、背水面都有靜水壓力，兩者大小不同,，假設迎水面靜水壓力為Fy,，背水面靜水壓力為Fb,其計算公式如下：

式中H為攔水柵高度．
將式（3）～（5）代人式（6），得

3儀器率定及選型
通過理論推導公式可以看出,，渠道中的流速和水位zui終只與F1及F2有關,，而F1及F2是通過壓力傳感器測量讀出的數(shù)值,，對于不同的攔水柵、不同的渠道斷面讀出的是不同的數(shù)值,，在實際應用前需要對不同規(guī)格的攔水柵進行率定．現(xiàn)場率定試驗分別在矩形渠道,、梯形渠道及u形渠道中進行，采用同樣的方法,、在同樣的條件下進行3次試驗,，便于分析比較．率定后可以直接從二次儀表中讀出實際水深及流量值．針對目前渠道斷面多為矩形、梯形或者u形的狀況,，分別研制了3種渠道斷面形式的攔水柵．各種形式的攔水柵均采用不同的材料制作以便優(yōu)選．通過對比試驗發(fā)現(xiàn),，玻璃鋼材質(zhì)的攔水柵較之其他材質(zhì)的攔水柵性能更為*．木質(zhì)攔水柵具有用料方便、節(jié)省投資等優(yōu)點,，但久置水中容易腐爛,，zui終會影響測量精度；金屬質(zhì)地的攔水柵容易發(fā)生銹蝕,，柵條表面容易變形,，導致測量誤差增大；塑料質(zhì)地的攔水柵剛度不夠,，在水流沖擊下容易發(fā)生變形,，影響測量精度；混凝土質(zhì)地的攔水柵具有變形小,、不易變質(zhì)等優(yōu)點,，但模具制作較為繁瑣，且成品質(zhì)量不高,；玻璃鋼質(zhì)地的攔水柵雖然造價稍高,，但測量精度較高，經(jīng)久耐用．通過不同斷面形式的攔水柵對比試驗發(fā)現(xiàn),，矩形斷面的攔水柵較之其他2種斷面的攔水柵具有更為方便實用的特性．梯形及U形斷面的攔水柵制作比較復雜,，柵條數(shù)量不容易確定，而矩形斷面的制作,、安裝都比較簡便,，且適用于各種斷面形式的渠道．通過實驗室制作出試驗樣品后，在江蘇省防滲渠道比較普及的如皋市進行了現(xiàn)場試驗．主要進行了量水設施的制作,、安裝工藝,、相關過濾技術問題以及量測效果校核工作，其中在傳感器的選型及二次儀表的研制方面做了大量的工作．通過示范應用,，初步形成了一套制作,、安裝等工藝程序．結果表明，采用污水流量計進行灌區(qū)量水是行之有效的．
4結語
在量水費用居高不下的背景下，研制了以動量守恒原理進行量水的量水設施——污水流量計．該流量計以攔水柵作為測流裝置,，通過壓力傳感器測定攔水柵的固定支撐力,，根據(jù)水力學中的動量守恒定律和外力平衡原理，反推出渠道中的水流速度及水深．無論是在原理方面,，還是在結構形式方面,，都是現(xiàn)有量水設備從未涉及的．該設備結構簡單，造價低廉,，適應性廣,，量測精度較高，在中小型農(nóng)田渠道量水中有著廣闊的應用前景．污水流量計的出現(xiàn),，開辟了一條新的量水途徑,，豐富了量水手段，對于促進量水手段和方法向多樣性,、簡便化發(fā)展起到了很好的推動作用．