基于DPIV技术的雨水口过流能力测试装置及其校核方法与流程

本发明公开了一种基于DPIV技术的雨水口过流能力测试装置及其校核方法，属于市政给排水公用设施领域。

背景技术：

城市道路雨水口作为重要的雨水排放基础设施，将雨水地表径流状态转换成地下管网流动，因此雨水口布置方式、收水能力直接关系到雨水排放是否顺畅。

通过国内文献检索，目前对于雨水口的过流能力设计计算主要采用《室外排水设计规范》(GB50014-2006,2011版)泄水指标，而雨水口泄水能力与道路坡度、雨水口型式、篦前水深等因素有关，由于雨水口泄水能力因素较为复杂，规范规定值偏大，因此很多工程技术人员采取技术措施进行校准。文献“姚飞骏.雨水口的流量计算方法探讨.中国给水排水.2013.29(4):45-48”中提出采用堰流、孔口流水力计算公式对雨水口的过流能力进行校准。文献“安智敏，岑国平，吴彰春.雨水口泄水量的试验研究.中国给水排水.2015.11(1):21-23.”和“刘雷斌,黄鸥,郭磊,赵志军,李萍.城市道路雨水口收水量研究.给水排水.2016,42:12-16”中采用室内水工模型的水力实验进行对雨水口过流能力进行测试，模型和实际道路尺寸比例为1：1，道路纵坡比降0.3％-3.5％，横坡比降1.5％。配水方式采用渠道进行，通过水工模型四周的渠道对路面进行配水实验，模拟地表径流过程。

以上对雨水口过流能力校核方法存在以下不足之处：(1)计算参数难以确定。采用计算公式进行雨水口过流能力计算过程中，存在不同流态(堰流和孔口入流)的系数难以准确确定的问题，因为雨水口的形式不同、地表材料不同，导致雨水口篦前水深有变化，计算公式中相关系数难以准确确定，计算结果和实际流动状态存在误差；(2)采用渠道的配水方式不科学。因为真实的地表径流过程水平方向流速比较平缓，天上降雨落到地表形成径流，沿地表流动的速度较为平缓，而采用渠道配水方式之后，实验过程中加大了沿着地表切线方向的流动速度，实验过程和实际地表径流过程存在较大误差；(3)下垫面影响因素考虑不够。随着海绵城市建设的开展，地表采用各种透水铺装材料，对于地表径流的流动扰动更为明显，直接影响雨水口收水过程，因此需要对各种海绵城市透水铺装材料、工程改造措施进行模拟，使雨水口的收水能力校准更准确；(4)地表径流过程测试困难。从降雨到形成径流，再到雨水口汇流过程的水力状态难以测定，雨水在地表的流动状态和流场分布特征难以实验测试，从而难以指导工程实践中优化配置雨水口和地表材料。

技术实现要素：

本发明旨在解决城市道路上雨水口的过流能力准确校核问题，获取地表径流和雨水口汇流的流场分布特征，从而达到优化配置道路雨水口的目的。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种基于DPIV技术的雨水口过流能力测试装置，包括水力实验模型部分和流场测量部分，所述水力实验模型部分包括降雨模拟子系统、地表汇流子系统和雨水排放子系统，所述流场测量部分包括高速图像采集子系统和图像实时处理分析子系统；其中，

所述降雨模拟子系统包括配水水箱、循环水泵、降雨配水管网，所述配水水箱通过循环水泵将水送入降雨配水管网，降雨配水管网上设置有用于保持喷淋管路布水均匀的调节阀门，在调节阀门的下游段设置有用于检测喷淋管路进水流量和压力的流量压力监测仪表；

所述地表汇流子系统设置于降雨模拟子系统的下部，包括地表下垫面组件和建筑小区模型组件，所述地表下垫面组件包括地表层、设置于地表层下方的排水下渗层和垂直设置于地表层和排水下渗层之间的调节竖板，地表下垫面组件通过调节竖板调节地表层的横向纵向坡度，同时，地表层通过涂刷不同材质和厚度的材料图层模拟不同类型的地面，建筑小区模型组件采用不同形状的建筑模型代表实体建筑，所述实体建筑包括矩形建筑、圆弧型建筑、圆柱形建筑；

所述雨水排放子系统包括雨水口组件、雨水管道沟渠组件、河网组件，所述雨水口组件按照雨水口的实际尺寸进行等比缩放，安装于地表汇流子系统的排水下渗层；雨水管道沟渠组件设置于雨水口组件下方，采用PVC管道和矩形槽代表实体的管道和渠道，矩形槽底部和边壁涂刷不同材质的涂层模拟实际不同底面的渠道；河网组件包括进水口、出水口和若干挡板，三者组成网络状的沟渠，沟渠互连成为网络状河网结构，通过改变挡板的位置改变过流通道宽度，从而模拟自然界河道变化情况；

所述图像采集子系统采用工业摄像机对地表各个部分定点采集图像，每秒采集数据帧1000幅以上，采集的图像通过数据接口实时送到上位机图形采集卡上；

所述图像实时处理分析子系统采用图像处理算法实时解析工业摄像机传送的图像，从而实现对流场中各点流速实时计算分析。

进一步，所述降雨配水管网由主管和支管组成，支管上等间距开设喷淋孔。

进一步，所述支管间距横向和纵向相等。

进一步，图像实时处理分析子系统采用美国AMBERLITE CG-50树脂粒子作为测量示踪粒子，直径在100-200um之间，粒子在降雨模拟子系统的配水水箱混合均匀，经循环水泵和喷淋管路均匀布洒在整个地表表面，粒子跟随水流流动，通过高速工业摄像机拍摄分辨出粒子运动特征，从而获取水流的流场分布特征。

本发明还提供一种基于DPIV技术的雨水口过流能力校核方法，具体包括如下步骤：

步骤1：按照配水水箱水的体积比10:1的比例倒入AMBERLITE CG-50树脂粒子并充分混合均匀；

步骤2：调节CCD工业摄像机到指定待测点位置，使流场测量系统处于就绪状态；

步骤3：调节地表汇流系统的地表层坡度到设定坡度并固定；

步骤4：安装建筑小区模型到地表层，安装地表下垫面层并固定，安装雨水口到地表层指定位置；

步骤5：打开循环水泵，并调节上水阀门，使各个流量压力监测仪表数值相等；

步骤6：启动流场测量系统开始测量，根据DPIV数字粒子图像测速系统算法实时解析流场待测点流速分布特征；

步骤7：计算雨水口过水流量及流态特征。

本发明的有益效果如下：

采用本发明的装置和方法对雨水口的过流能力进行校核，能比较准确的反映真实城市地表径流过程，构造的地表特征比较符合实际城市地表构造特征，采用DPIV数字粒子图像测速技术可以准确测量雨水口进水周围的流速分布特征，从而准确确定雨水口不同安装形式(平篦式、立篦式和混合式)、不同地表材质、不同的过流状态(堰流和孔口流)的过流特征，为工程设计和实际运行管理提供技术参考。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构图。

图2是本发明中降雨模拟子系统的结构示意图。

图3是本发明中地表汇流子系统的结构示意图。

图4是本发明中河网组件的结构示意图。

图5是本发明中流场测量部分的结构示意图。

图中：1、回水水泵；2、河网组件；3、雨水管道沟渠组件；4、地表汇流子系统；5、降雨模拟子系统；6、图像实时处理分析子系统；7、CCD工业相机；8、数据连接线；9、配水水箱；10、循环水泵；11、调节阀门；12、流量压力监测仪表；13、排水管道接口；14、雨水口；15、调节竖板；16、排水下渗层；17、地表层；18、建筑小区模型组件；19、地表下垫面组件；20、进水口；21、挡板；22、出水口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于DPIV(数字粒子图像测速)技术对城市道路雨水口过流能力进行校核的方法和装置。

本发明一种基于DPIV技术的雨水口过流能力测试装置分为两部分：(1)水力实验模型部分；(2)流场测量部分。装置整体结构如图1所示。

水力实验模型部分分为三个子系统：(1)降雨模拟子系统5；(2)地表汇流子系统4；(3)雨水排放子系统。

降雨模拟子系统5由经过配水水箱9、循环水泵10、喷淋配水管路及附属的调节阀门11、流量压力监测仪表12组成，为保持喷淋管路布水均匀，调节阀门11使喷淋管路进水压力保持相等。附图2是降雨模拟子系统的结构示意图。其中，主干配水管管径50mm，竖管管径30mm，配水支管管径15mm。配水支管上每隔5cm开直径3mm的喷淋孔，配水支管间距横向和纵向均为30cm。竖管上配置调节阀门和压力表。

地表汇流子系统由地表下垫面组件、建筑小区模型组件两部分组成，地表下垫面使用不同材质的材料模拟沥青地面、混凝土地面、绿地等，建筑小区模型组件采用不同形状的建筑模型代表实体建筑(包括矩形建筑、圆弧型建筑、圆柱形建筑等)；如附图3所示。整体外框由亚克力板制作。主要分为地表部分和排水下渗层，地表部分通过调节竖板15调节地表层17的横向纵向坡度，地表层17表面涂刷不同厚度的材料涂层，代表不同地下垫面组件19，同时在不同位置布置建筑小区模型组件18代表小区建筑。

雨水排放子系统由雨水口组件、雨水管道沟渠组件3、河流模型组件组成，雨水口组件按照雨水口14的实际尺寸进行等比缩放，安装于地表汇流子系统的排水下渗层16，安装形式有平篦式、立篦式和混合式三种；雨水管道沟渠组件3采用PVC管道和矩形槽代表实体的管道和渠道，矩形槽底部和边壁涂刷不同材质的涂层模拟实际不同底面的渠道。雨水口组件与雨水管道沟渠组件3通过排水管道接口13相连。河网组件2采用网络状的沟渠表示，沟渠互连成为网络状代表河网结构，如图4所示。图4中的河网组件包括进水口20、挡板21和出水口22。通过改变挡板21在箱体中位置改变过流通道宽度，模拟自然界河道变化情况。河网组件2的出水口通过回水水泵1与配水水箱9连接。

流场测量子系统主要由两部分组成：(1)高速图像采集子系统；(2)图像实时处理分析子系统6。

流速测量子系统如图5所示。高速图像采集子系统采用工业摄像机对地表各个部分定点采集图像，每秒采集数据帧1000幅以上，采集的图像通过数据接口实时送到上位机图形采集卡上。附图5中的流场测量部分，前端采用CCD工业相机7对需要监测部分进行拍摄，采集的图像经过数据连接线8送到图形工作站，经过图像实时处理分析子系统分析处理，获取待测点的流速分布特征。

图像实时处理分析子系统6采用图像处理算法实时解析工业摄像机传送的图像，从而实现对流场中各点流速实时计算分析。实验采用的测量示踪粒子为美国AMBERLITE CG-50树脂粒子，直径在100-200um之间，粒子在降雨模拟子系统的配水水箱混合均匀，经循环水泵和喷淋管路均匀布洒在整个地表表面，粒子跟随水流流动，通过高速工业摄像机拍摄分辨出粒子运动特征，从而可以获取水流的流场分布特征。

本发明一种基于DPIV技术的雨水口过流能力校核方法包括如下步骤：

1、按照配水箱水的体积比10:1的比例倒入AMBERLITE CG-50树脂粒子并充分混合均匀；

2、调节CCD工业摄像机到指定待测点位置，使流场测量系统处于就绪状态；

3、调节地表汇流系统的地表层坡度到设定坡度并固定；

4、安装建筑小区模型到地表层，安装地表下垫面层并固定，安装雨水口到地表层指定位置；

5、打开循环水泵，并调节上水阀门，使各个竖管压力表数值相等；

6、启动流场测量系统开始测量，根据DPIV数字粒子图像测速系统算法实时解析流场待测点流速分布特征；

7、计算雨水口过水流量及流态特征。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。