CN102141503B - 雨水花园填料渗透系数的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雨水花园填料渗透系数的测试装置，包括容器，容器的上盖上联通有进水阀和排气阀，容器的下盖为透水板，透水板上安置有填料，填料的上表面设置有透水活塞，透水活塞与上盖之间为储水腔，透水活塞通过连杆伸出上盖后与配重连接；透水板的下端与收集器连接，收集器设置有排水管和出水阀；在容器的侧壁设置有多个测压管，在收集器的侧壁设置有另外的测压管。本发明还公开了利用上述雨水花园填料渗透系数的测试装置进行测试的方法。本发明的装置及方法能够很好的测试不同级配、不同质地、不同埋深的填料的渗透参数，效果好，简便易行。

Description

雨水花园填料渗透系数的测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于水文检测技术领域，涉及一种雨水花园填料渗透系数的测试装置，本发明还涉及一种雨水花园填料渗透系数的测试方法。

背景技术

随着城市化进程的不断发展，合理、有效的城市雨洪管理越来越受到人们的重视。在城市雨洪资源管理的措施中，雨水花园不但可以拦蓄雨水、消减洪峰，还可以通过土壤过滤与吸附、植物吸收、微生物反应等作用净化水质并直接将雨水补充地下水，因此雨水花园成为城市雨洪资源管理中的最佳管理措施(BMPs)之一，应用日益广泛。

雨水花园最重要的组成部分就是填料。首先，填料是雨水花园植物的载体，为植物提供水分和养分；其次，填料对雨水存在过滤和吸附作用，雨洪拦蓄和水质处理与填料的水力特性有密切的关系；再次，土壤中的微生物对雨水的处理与雨水流过填料的时间关系密切。故填料选择至关重要，尤其是填料的水力特性，更是直接影响雨水花园的处理效果。如果填料的水力传导度过高，即填料的粗颗粒含量较多，不利于植物生长和土壤养分的涵养；如果过低，雨水入渗速度较慢，降雨较大时雨水直接流走，既消减了雨水花园的拦蓄作用，又影响了雨水的处理效果，所以要综合考虑来确定填料的水力特性。

目前的填料厚度配比选择主要依靠经验确定，选择不同种类、不同比例的填料后，通过实验来检验其效果，并没有从理论上给予定量研究；同时，构建物理模型或进行田间试验花费巨大，耗时较长，一旦失败损失较大。因此，如何在室内条件下对填料的水力特性进行定量测试，如何对某种组合搭配的填料进行评估并对雨水花园的设计提供技术支持，成为必须要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是，提供一种雨水花园填料渗透系数的测试装置，通过室内实验测试不同级配、不同比例、分层堆放的填料的整体水力特性中的渗透系数，为雨水花园填料的选择提供定量化的技术支持。

本发明的另一目的是，提供一种雨水花园填料渗透系数的测试方法。

本发明采用的技术方案是，一种雨水花园填料渗透系数的测试装置，包括容器，容器的上盖上联通有进水阀和排气阀，容器的下盖为透水板，透水板上安置有填料，填料的上表面设置有透水活塞，透水活塞与上盖之间为储水腔，透水活塞通过连杆伸出上盖后与配重连接；透水板的下端与收集器连接，收集器设置有排水管和出水阀；在容器的侧壁设置有多个测压管，在收集器的侧壁设置有另外的测压管。

本发明采用的另一技术方案是，一种雨水花园填料渗透系数的测试方法，该方法依赖一装置，该装置结构是，包括容器，容器的上盖上联通有进水阀和排气阀，容器的下盖为透水板，透水板上安置有填料，填料的上表面设置有透水活塞，透水活塞与上盖之间为储水腔，透水活塞通过连杆伸出上盖后与配重连接；透水板的下端与收集器连接，收集器设置有排水管和出水阀；在容器的侧壁设置有多个测压管，在收集器的侧壁设置有另外的测压管，

本方法利用上述装置，先按照预定的填料方案厚度比例将填料装入容器中，将容器的进水阀与高处位置的马氏瓶连接起来，将收集器的出水阀与低处位置的马氏瓶连接起来，并确保两者距离在实验过程中保持不变，密封好容器，再按照以下步骤实施，

步骤1、测量通过填料的水流流量Q：先从出水阀向上给容器供水，水位增高透过透水板并溢过透水活塞，直到充满储水腔，排气阀排走容器内的所有空气出水为止；然后从上端的进水阀往容器内储水腔中注水，向下依次流经透水活塞、填料、透水板后再从出水阀流出，待出水阀流出的水流稳定后，测定出水阀在一段时间内流入低位置的马氏瓶总水量，即为流经填料的水流流量Q；同时，通过多个测压管K1、K2、K3、K4、K5，分别得到装置内部各个高度的水头数据，得出流经填料的水力梯度J，填料的横截面积是A；

步骤2、采集模拟不同埋深的水流流量数据：分别改变透水活塞上配重的重力值，用来改变施加在填料上的压力，模拟得到不同埋深下填料的水流流量Q，此时保持水力梯度J和填料的横截面积A不变；

步骤3、应用达西定律，选用上步模拟不同埋深时得到的各组数值，利用公式

分别计算得到填料不同埋深的渗透系数Ks。

本发明的有益效果是，采用室内实验的方式，相对于构建物理模型和进行田间试验，简单易行、花费较低、耗时较少；能够根据雨水花园的设计需求随时改变实验条件，测试不同级配、不同质地的填料的渗透系数；还能够模拟不同埋深时，即重压作用下填料的渗透系数变化情况，模拟较大埋深对填料的影响，更加贴近实际情况。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图中，1.容器，2.上盖，3.连杆，4.收集器，5.排水管，6.出水阀，7.透水板，8.填料，9.透水活塞，10.储水腔，11.进水阀，12.配重，13.排气阀，另外，K1、K2、K3、K4、K5依次为不同高度的测压管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1，本发明装置的结构是，包括一个圆柱形的容器1，容器1的上盖2上联通有进水阀11和排气阀13，容器1的下盖为透水板7，透水板7上安置有填料8，填料8的上表面设置有透水活塞9，透水活塞9与上盖2之间为储水腔10，透水活塞9通过连杆3伸出上盖2后与配重12连接；透水板7的下端与收集器4连接，收集器4设置有排水管5和出水阀6；在容器1的侧壁设置有四个测压管(K1、K2、K3、K4)，其中测压管(K1、K2)设置在透水活塞9之上储水腔10的不同高度位置；测压管(K3、K4)设置在透水活塞9之下的填料8的不同高度位置，在收集器4的侧壁设置有一个测压管K5。

透水活塞9上开有密布的通孔，以便水能够从储水腔10自然进入填料8中。容器1的材料选用透明材料(有机玻璃)，便于观察。

本发明的方法是，利用上述装置，按照以下步骤实施：

准备工作，按照预定的填料方案厚度比例将填料装入容器1中，例如填料8的各层厚度从下到上依次为砾石10cm、粗砂10cm、细沙10cm、壤土10cm，将容器1的进水阀11与高处位置的马氏瓶连接起来，将收集器4的出水阀6与低处位置的马氏瓶连接起来，(两个马氏瓶之间的垂直距离大于填料最大埋深)，并确保两者距离在实验过程中保持不变，两个马氏瓶的位置不需要与进出水阀的位置相等，只要保证两个马氏瓶之间的垂直距离即可，密封好容器1；

步骤1、测量通过填料的水流流量Q

先从下端的出水阀6向上给容器1供水，水位增高透过透水板7并溢过透水活塞9，直到充满储水腔10，排气阀13排走容器1内的所有空气出水为止；然后从上端的进水阀11往容器1内储水腔10中注水，向下依次流经透水活塞9、填料8、透水板7后再从出水阀6流出，待出水阀6流出的水流稳定后，测定出水阀6的水流流量，即测量一段时间内流入低位置的马氏瓶总水量，即为流经填料8的水流流量Q；应持续运行一定时间至渗透系数Ks保持相对稳定时，此时渗透系数Ks即为所测的稳定测量数值；同时，通过多个测压管K1、K2、K3、K4、K5，分别得到装置内部各个高度的水头数据，得出流经填料8的水力梯度J，填料8的横截面积是A。

步骤2、采集模拟不同埋深的水流流量数据

分别改变透水活塞9上的配重12的重力值，用来改变施加在填料8上的压力，模拟得到不同埋深下填料8的水流流量Q，此时保持水力梯度J和填料的横截面积A不变；

步骤3、应用达西定律(Darcy-Law)，分别选用上步模拟不同埋深时得到的各组数值，计算得到填料8的不同埋深的渗透系数Ks，

达西定律为：Q＝Ks*A*J            (1)

变形为： $\mathrm{Ks}=\frac{Q}{A*J}---\left(2\right)$

其中，Ks是填料的渗透系数，Q是流经填料的水流流量，A是填料的横截面积，J是流经填料的水力梯度，保持A、J不变，根据式(2)计算即得到填料整体的渗透系数Ks。

将实验实测的渗透系数与雨水花园要求的渗透系数进行比较，如果满足要求即可按照该填料方案安装雨水花园；否则更改填料比例，直到满足要求为止。

Claims (6)

1.一种雨水花园填料渗透系数的测试装置，其特征在于，包括容器（1），所述容器（1）的上盖（2）上联通有进水阀（11）和排气阀（13），所述容器（1）的下盖为透水板（7），所述透水板（7）上安置有填料（8），所述填料（8）的上表面设置有透水活塞（9），所述透水活塞（9）与所述上盖（2）之间为储水腔（10），所述透水活塞（9）通过连杆（3）伸出上盖（2）后与配重（12）连接；所述透水板（7）的下端与收集器（4）连接，所述收集器（4）设置有排水管（5）和出水阀（6）；在所述容器（1）的侧壁设置有四个测压管：测压管K1、测压管K2、测压管K3、测压管K4，在所述收集器（4）的侧壁上设置有一个测压管K5。 

2.根据权利要求1所述的雨水花园填料渗透系数的测试装置，其特征在于，所述测压管K1、测压管K2设置在透水活塞（9）之上储水腔（10）的侧壁不同高度位置；所述测压管K3、测压管K4设置在透水活塞（9）之下的填料（8）的侧壁不同高度位置。 

3.根据权利要求1所述的雨水花园填料渗透系数的测试装置，其特征在于，所述透水活塞（9）上开有密布的通孔。 

4.一种雨水花园填料渗透系数的测试方法，其特征在于，该方法依赖一装置，该装置结构是，包括容器（1），所述容器（1）的上盖（2）上联通有进水阀（11）和排气阀（13），所述容器（1）的下盖为透水板（7），所述透水板（7）上安置有填料（8），所述填料（8）的上表面设置有透水活塞（9），所述透水活塞（9）与所述上盖（2）之间为储水腔（10），所述透水活塞（9）通过连杆（3）伸出上盖（2）后与配重（12）连接；所述透水板（7）的下端与收集器（4）连接，所述收集器（4）设置有排水管（5）和出水阀（6）； 在容器（1）的侧壁设置有多个测压管，在收集器（4）的侧壁设置有另外的测压管， 

本方法利用上述装置，先按照预定的填料方案厚度比例将填料装入容器（1）中，将容器（1）的进水阀（11）与高处位置的马氏瓶连接起来，将收集器（4）的出水阀（6）与低处位置的马氏瓶连接起来，并确保两者距离在实验过程中保持不变，密封好容器（1），再按照以下步骤实施， 

步骤1、测量通过填料的水流流量Q 

先从下端的出水阀（6）向上给容器（1）供水，水位增高透过透水板（7）并溢过透水活塞（9），直到充满储水腔（10），排气阀（13）排走容器（1）内的所有空气出水为止；然后从上端的进水阀（11）往容器（1）内储水腔（10）中注水，向下依次流经透水活塞（9）、填料（8）、透水板（7）后再从出水阀（6）流出，待出水阀（6）流出的水流稳定后，测定出水阀（6）的水流流量，即测量一段时间内流入低位置的马氏瓶总水量，即为流经填料（8）的水流流量Q；应持续运行一定时间至渗透系数Ks保持相对稳定时，此时渗透系数Ks即为所测的稳定测量数值；同时，通过多个测压管K1、K2、K3、K4、K5，分别得到装置内部各个高度的水头数据，得出流经填料（8）的水力梯度J，填料（8）的横截面积是A;

步骤2、采集模拟不同埋深的水流流量数据 

分别改变透水活塞（9）上的配重（12）的重力值，用来改变施加在填料（8）上的压力，模拟得到不同埋深下填料（8）的水流流量Q，此时保持水力梯度J和填料的横截面积A不变； 

步骤3、应用达西定律（Darcy-Law），分别选用上步模拟不同埋深时得到的各组数值，计算得到填料（8）的不同埋深的渗透系数Ks。 

5.根据权利要求4所述的雨水花园填料渗透系数的测试方法，其特征在于，所述测压管K1、测压管K2设置在透水活塞（9）之上储水腔（10）的侧壁不同高度位置；所述测压管K3、测压管K4设置在透水活塞（9）之下的填料（8）的侧壁不同高度位置。 

6.根据权利要求4所述的雨水花园填料渗透系数的测试方法，其特征在于，所述透水活塞（9）上开有密布的通孔。 

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