摘要：為了降低量水成本、改進(jìn)量水設(shè)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(dǎo)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(yīng)用結(jié)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(fèi)的基本依據(jù)．灌區(qū)量水可及時準(zhǔn)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(qiáng)田間水分管理，減少水量浪費(fèi)；還可以準(zhǔn)確評價各種措施的節(jié)水效果，促進(jìn)節(jié)水措施的推廣．量水伴隨著水力學(xué)的發(fā)展已有100多年的歷史，經(jīng)典的量水設(shè)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(shè)施．隨著灌溉用水管理的需要，不僅將實驗室的量水設(shè)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(shè)施可以分為利用水工建筑物量水、特設(shè)的量水設(shè)施量水和非接觸式量水．前兩類量水設(shè)施雖然種類繁多，但都是以能量守恒原理為理論基礎(chǔ)進(jìn)行量水的；后一類量水設(shè)施則是基于聲學(xué)、光學(xué)原理研制的
雖然目前量水設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備——污水流量計，其無論是結(jié)構(gòu)形式還是測流原理都與現(xiàn)有的量水設(shè)施不同，是量水設(shè)施家族的新成員．　　
1、污水流量計系統(tǒng)組成及攔水柵結(jié)構(gòu)形式設(shè)計
污水流zui計主要由攔水柵、壓力傳感器和二次儀表構(gòu)成，如圖1所示.關(guān)鍵部件為一可置于渠道內(nèi)的攔水柵，攔水柵上設(shè)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(shè)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(yuǎn)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(jìn)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(fèi)，并將上述信息和計算處理結(jié)果儲存起來.根據(jù)需要輸出或遠(yuǎn)傳.二次儀表可與打印輸出設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)的攔水柵進(jìn)行對比試驗，特別是對攔水柵格的寬度、間距進(jìn)行試驗比選，確定攔水柵的*結(jié)構(gòu)形式．壓力傳感器是研制量水設(shè)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(zhǔn)備的幾種傳感器進(jìn)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(yuǎn)傳接口進(jìn)行試驗研究．現(xiàn)場安裝過程中，首先將對應(yīng)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(shè)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(dǎo)
以矩形攔水柵為例，對污水流量計的量水原理進(jìn)行簡單闡述．由動量守恒定律推導(dǎo)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?dāng)嗝婷娣e；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(shè)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(dǎo)公式可以看出，渠道中的流速和水位zui終只與F1及F2有關(guān)，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(yīng)用前需要對不同規(guī)格的攔水柵進(jìn)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(jìn)行，采用同樣的方法、在同樣的條件下進(jìn)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(dǎo)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(fù)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(jìn)行了現(xiàn)場試驗．主要進(jìn)行了量水設(shè)施的制作、安裝工藝、相關(guān)過濾技術(shù)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(yīng)用，初步形成了一套制作、安裝等工藝程序．結(jié)果表明，采用污水流量計進(jìn)行灌區(qū)量水是行之有效的．
4結(jié)語
在量水費(fèi)用居高不下的背景下，研制了以動量守恒原理進(jìn)行量水的量水設(shè)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(xué)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(jié)構(gòu)形式方面，都是現(xiàn)有量水設(shè)備從未涉及的．該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，適應(yīng)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(yīng)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(jìn)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．