本方案描述了使用（1）实验室校准程序和（2）作者开发的在线工具“堰流方程系数计算器”，获取排水控制结构中V型堰堰流方程系数的方法。这些方法适用于V型槽内的水流以及漫顶水流。
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本文内容
摘要
摘要
准确估算排水量（单位时间内的流量或水体积）对于计算输送至地表水体的营养物质负荷以及评估田间边缘保护措施的效果至关重要。确定排水流量需要监测排水控制结构中的水头，并应用适用于该结构中安装的堰的相应计算公式。以往针对控制结构中堰开发校准方程的研究，即使针对相同类型和尺寸的堰及控制结构，也得出了不同的方程（即不同的堰流方程系数）。本研究描述了在排水控制结构内设置实验性水流速率与水头测量的步骤，并建立了适用于V形缺口堰内部水流的堰流方程。此外，还概述了获取越顶水流（即水位超过V形缺口堰顶部时）堰流方程的步骤。该过程包括使用实验室中为V形缺口堰开发的堰流方程以及一个在线工具， "堰流方程系数计算器"由作者开发。该在线工具还可为各种尺寸的 Agri Drain 水位控制结构生成 V 形槽内流和漫顶流的堰流方程系数，即使用户缺乏特定地点的流量数据 与头部关系。
引言
在评估减少地下排水水中养分流失的田间边缘保护措施（如饱和缓冲带、生物反应器和排水管理）的性能时，准确测定排水量和养分浓度至关重要。目前已有标准方法可用于准确测定养分浓度（例如硝酸盐），如通过水样进行的实验室分析1，或利用传感器对养分进行连续监测2,3。然而，田间边缘保护措施中排水流量的测定并不像硝酸盐浓度测定那样直接，通常需要使用排水水位控制结构4,5。排水水位控制结构在田间边缘保护措施中具有双重作用：一是调控上游水头，二是通过使用堰来监测排水流量。在测定排水流量时需考虑的关键因素包括：排水控制结构的尺寸、结构中所用堰的类型、结构内的流态、水头的准确测量，以及采用合适的堰流公式将水头转换为排水流量。尽管这类结构通常仅限于人工“暗管”排水土地，但美国经排水处理的农业用地已超过2100万公顷6，并对溪流和河流的养分负荷产生显著影响7。
利用堰测定流量是一种常见做法，对于明渠中的流量测量，已有标准操作程序和校准方程可供参考8。然而，针对排水控制结构中堰的校准方程....
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方案
本研究中所用耗材和设备的详细信息列在材料表中。
1. 通过排水控制结构中的实验室校准，获取V形堰槽内水流的堰流方程系数
- 设置排水控制结构以进行校准实验
- 将控制结构的进水端连接至泵组（包括泵、流量计及必要的管道、管件和阀门），出水端连接至排水管（参见 图1）。如有必要，确保密封控制结构上的其他出口。
- 测量顶部宽度（Wv， 图2A）和深度（D， 图2BV型缺口堰的
- 测量轨道之间的距离（宽度，W）图3A）其中止水板（用于在控制结构中维持水位深度的挡板， 图3B）以及排水控制结构中的V型堰。
- 一次将一块止水闸板插入轨道之间。确保底部的止水闸板紧密贴合在控制结构的底部，以防闸板下方发生渗漏。
- 在控制结构中将止水板逐层叠放在已有的止水板上方，直至达到所需高度。确保止水板安装紧密，止水板与导轨之间无渗漏。
注意：挡水板的总高度应大于进水管的开口高度，并与饱和缓冲带、....
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结果
在15 cm（6 in）、20 cm（8 in）和30 cm（12 in）的Agri Drain控制结构中，对不锈钢45° V形缺口堰进行了校准，适用于V形缺口范围内的流量11。根据协议中所述，通过将幂函数（公式1）拟合到V形缺口范围内流量的实测数据，得到了流量与水头的实测值以及相应的堰流方程，结果如图9A-C所示。这些适用于V形缺口范围内流量的堰流方程系数已包含在“堰流方程系数计算器”工具中。图9A-C中所示的溢流堰流方程则来源于“堰流方程系数计算器”工具。流量估算误差通过将计算流量与实测流量进行比较，采用均方根误差（RMSE，公式3）和百分比偏差（PBIAS，公式4）进行计算，如下所示19
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讨论
该方案（步骤1）描述了一种用于在Agri Drain排水控制结构中建立45° V形缺口堰校准方程的方法。然而，该方法可进行调整，适用于其他类型堰的校准方程建立，例如矩形堰、梯形堰，或在任意排水控制结构中具有不同角度的V形缺口堰。在校准过程中，尤其重要的是获取准确的水头值，特别是在较大流量条件下，控制结构内部水位往往更加湍急。水位应在静水井或测压管中进行测量。在测压管或静水井附近安装刻度尺，可便于检查水位并同步测量水位高度，从而减少水头测量误差。如果排水控制结构中尚未配备此类装置，则可能需要对控制结构进行改造，加装测压管或静水井，并将其置于距离堰顶最远的位置。若使用水位测量装置或传感器来测量水位高度，则应通过人工测量对装置所得数据进行验证。
使用流量计进行精确流量测量时，必须满足美国国家标准协会/水力学会（ANSI/HI）或所用流量计制造商推荐的流量计上下游直管段要求。
尽管步骤1中描述的方案也可用于通过测量水头和流量（4-6次溢流测量，步骤1.2.3-1.2.6）并拟合幂函数（步骤1.3.1-1.3.3）来建立实验室中越顶流的.......
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披露
本文中表达的所有观点均为作者个人观点，不一定反映美国农业部（USDA）、美国能源部（DOE）或橡树岭大学协会（ORAU）/橡树岭研究所（ORISE）的政策和看法。本文中提及的任何贸易、公司或产品名称仅用于描述性目的，并不意味着美国农业部的认可或推荐。美国农业部是一个提供平等机会的供应商和雇主。
致谢
作者感谢Shane Svoboda为本文所用照片拍摄提供的协助。本工作部分由农业研究服务局（ARS）研究参与项目资助，该项目由橡树岭科学与教育研究所（ORISE）管理，通过美国能源部（DOE）与美国农业部（USDA）之间的跨机构协议实施。ORISE由ORAU根据能源部合同编号DE-SC0014664进行管理。本研究是长期农业生态系统研究（LTAR）网络的成果之一。LTAR由美国农业部农业研究服务局支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 流量计 | Banjo Corp | MFM300 | 电磁流量计，精度在 ± 0.88 至 42.3 L/s 流速范围内的误差为 2-3%-1 （14 至 670 加仑/分钟），工作温度范围为 -12 至 54 °C |
| 管道与管件 | N/A | N/A | 管道长度和管件应满足流量计上下游所需的最小直管段要求，具体应符合制造商的建议。 |
| 泵 | 美国电机 | 15706017-100 | Model 15411 60 马力 三相变频驱动器驱动 |
| 止水板 | 农业排水管 | 700320（5英寸止水板）、700321（7英寸止水板）、700333（带底部垫圈的7英寸底部止水板） | 三种PVC挡板，高度分别为5英寸、7英寸，以及带底部垫片的7英寸底部挡板 |
| 卷尺 | Stanley PowerLock | 33-158 | 5米/16英尺卷尺 |
| V形缺口堰 | 农业排水管 | 701132 | 不锈钢 45° （3 mm 厚度，V 形缺口深度为 17.145 cm）带 PVC 支架（13 mm 厚度）的缺口堰 |
| 水位排水控制结构 | 农业排水管 | 3CINLINE06X08PVC | 一个三室式在线水位控制结构，标称尺寸为20.32 cm（8英寸），第一道闸门内设有V型缺口堰（采购包含止水板） |
参考文献
- American Public Health Association. Standard methods for the examination of water and wastewater. , 24th edition, APHA Press. (2023).
- Alahi, M. E. E., Mukhopadhyay, S. C. Detection methods of nitrate in water: A review. Sens Actuators A Phys. 280, 210-221 (2018).
- Arenas Amado, A., Schilling, K. E., Jones, C. S....
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