CN103243676A - 确定植被河床底部阻力系统及确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是确定植被河床底部阻力的系统及方法，系统结构包括用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统、模拟植被固定系统和物理量测量系统；确定方法包括1）形成植被带、将插有植被的塑料板放置于水槽底部；2）通过调节变频泵控制来流流量；3）计算出相应底坡；4）计算出植被所占水体体积比；5）关闭变频泵，移除塑料板上的植被，重新开启变频泵并控制来流流量；6）计算出相应底坡。优点：1）通过可变坡循环水槽系统，可模拟不同水力条件的城市河道；2）通过植被固定系统，可模拟天然实际存在的不同种类植被，做到植被的不同排列方式、不同植被密度的模拟；3）得出不同水力条件下植被河床底部阻力，为相关城市提供了河道规划设计规范。

Description

确定植被河床底部阻力系统及确定方法

技术领域

本发明涉及的是一种确定植被河床底部阻力系统及确定方法，属于环境水力学技术领域。

背景技术

城市是一个地区经济、政治、文化发展的中心地带，在人类发展历程中占据重要地位。随着我国社会经济的持续发展，城市化进程也越来越快，目前我国城市化水平已接近50%。流经城市的天然以及人工河道，是水动力系统中物质循环的重要通道，在城市的规划、建立、发展过程中发挥着重要作用。而城市现代化建设过程中，人们迫切需要实现与河流的和谐相处，“水安全、水环境、水景观、水文化、水经济”五位一体的城市水生态模式愈来愈被倡导，因此对现代城市河道的规划设计也提出更高的要求。

植被为水生生物提供栖息之地，此外也增加行洪阻力，改变泥沙运动规律，影响污染物的扩散输移，是城市河流动力系统中至关重要的影响因子。为满足五位一体的城市水生态模式要求，现代城市河道规划设计越来越重视水生植被的作用，常在河道床面种植各种各样的植被。城市河道规划设计主要是根据行洪量来确定河道断面尺寸和底坡，而在考虑行洪阻力时，目前还没有专门针对含植被河道的设计手册，主要依靠对植被疏密程度的定性判断来进行糙率的修正。此外，目前国内外关于含植被河道阻力问题的研究主要侧重于植被产生的阻力，极少关注河床底部的阻力，甚至认为其相对于植被阻力，可忽略不计。这在植被非常密集的河道中是可以接受的，但在大多数城市河道中，植被的种植密度往往不是非常大，此时必须考虑河床底部阻力。可见，城市河道的规划设计如果不采用专门的植被河床底部阻力确定方法，出现的主要问题有：

1）行洪阻力计算不准确，过高预估行洪能力，增加城市河道行洪风险，易导致发生洪涝灾害；

2）河床底部阻力与泥沙运动密切相关，对其估算不准确容易造成泥沙淤积，降低河道过流能力；

3）忽略河床底部阻力，将导致对植被阻力计算产生偏差，从而错误预估水流对污染物的扩散输移能力，增大城市河道污染风险。

发明内容

本发明提出的是一种确定植被河床底部阻力的系统及方法，其目的旨在克服现有城市河道规划设计中存在出现的上述的主要问题。利用水力学阻力理论知识，科学合理地实现对植被河床底部阻力的计算，填补含植被河道阻力研究领域的空白，同时也为城市河道规划设计提供技术支撑。

本发明的技术解决方案：一种确定植被河床底部阻力的系统，其特征是包括用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统，模拟植被固定系统，物理量测量系统；

所述的用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统，其结构包括水库、抽水管道、变频泵、平水格栅、上游支撑、下游支撑、尾门、泄水池、回水廊道以及水槽，其中抽水管道的一端接入水库，抽水管道的另一端与超声波流量计的一端相接，超声波流量计的另一端相接变频泵的一端，变频泵的一端接入水槽，水槽通过尾门与泄水池相通，泄水池通过回水廊道与水库相通，水槽内装有平水格栅，水槽长12m，宽0.42m，高0.70m，水槽两侧为玻璃边壁，水槽底部铺设大理石板，水槽上、下游设有上游支撑、下游支撑，上游支撑7固定不可调，上游支撑距上游进水口2m；下游支撑可调，下游支撑距下游出水口3.5m；下游支撑上设有齿轮和升降螺杆用以调节底坡；工作时，水流经变频泵工作后抽入水槽，平水格栅用于矫正水流流向，水流经过尾门进入泄水池，然后由回水廊道返回水库1实现循环；

所述的模拟植被固定系统，是用以模拟种植于城市河道的植被，为使植被植入实验水槽，选择有密集钻孔的塑料板为载体；设计若干个植被插入塑料板上的钻孔内；再将塑料板置入水槽，即实现了水槽中植被的植入；

所述的物理量测量系统，其所需测量的基本物理量包括流量、水位以及底坡；

其中流量是设计时必须考虑的参量，为精确起见，选择使用超声波流量计进行流量的测量；

所述的水位是根据设计需要，在水槽侧壁布置刻度尺，精度为1mm；

底坡是通过水准仪来确定水槽底坡；具体做法包括1）对水槽进行率定，利用水准仪将水槽设定为平坡；2）分别记录平坡与设计工况下水槽下游末端间的差△h，且水槽上游固定支架与水槽下游末端间的距离为L，则底坡为△h/L。

一种植被河床底部阻力的确定方法，包括如下步骤：

1）依据设计的植被排列方式将模拟植被插入塑料板孔内，从而形成植被带，然后将插有植被的塑料板放置于水槽底部；

2）通过调节变频泵控制来流流量使其等于设计流量Q，

3）通过反复调节尾门和升降螺杆直至达到设计水深的深度h，计算出相应底坡i；

4）根据植被的数量以及水体体积计算出植被所占水体体积比η；

5）关闭变频泵，将插在塑料板上的植被全部移除；重新开启变频泵并控制流量Q，通过调节尾门和升降螺杆直至水深的深度h（1-η），计算相应底坡i _B ；

6）计算河床底部阻力；总底坡为i的含植被明渠均匀流，总底坡i可看作由两部分叠加而成：仅由植被导致的底坡i _V 以及仅由床面导致的底坡i _B ；所以有：

                               (1)

以控制体积为△x×B×h的水体为研究对象，其中B为水槽宽度，该部分水体受到自重沿水流方向的分量F _G ，植被对该部分水体的阻力F _V ，以及床面对该部分水体的阻力F _B ；由力的平衡可得：

                               (2)

△x×B×h的水体中植被占有体积，实际水体有效体积为

，因此F _G 表示为：

                        (3)

其中

为水体密度，

为重力加速度：

                       (4)

在仅有床面作用的情况下，由于没有了植被所占的体积，假定等效水深为

，则有

                           (5)

结合式（1）～式（5），可得

                              (6)

则在实际实验中，只需进行水深为h的含植被均匀流水槽实验以及水深为

的无植被均匀流水槽实验，即可得植被河床底部阻力及其占总水流阻力的比重，其中：                             

单位河床面积上的植被河床底部阻力为

；其占总水流阻力的比重为

。

本发明的有益效果：1）通过可变坡循环水槽系统，可模拟不同水力条件的城市河道；2）通过植被固定系统，可模拟天然实际存在的不同种类植被，且可做到植被的不同排列方式、不同植被密度的模拟；3）巧妙利用水力学阻力理论知识，得出不同水力条件下植被河床底部阻力，可填补含植被河道床面阻力研究空白，补充相关城市河道规划设计规范。

附图说明

图1-1是循环水槽系统俯视图。

图1-2是循环水槽系统侧视图。

图2-1是模拟植被固定系统俯视图。

图2-2是模拟植被固定系统侧视图。

图3a是含植被水流阻力等效分解中控制体积为△x×B×h水体中植被占有体积的示意图。

图3a1是含植被水流阻力等效分解中仅由植被导致的底坡的示意图。

图3a2是含植被水流阻力等效分解中仅由床面导致的底坡的示意图。

图中的1是水库、2是抽水管道、3是超声波流量计、4是变频泵、5是平水格栅、6是刻度尺、7是上游支撑、8是下游支撑、9是尾门、10是泄水池、11是回水廊道、12是水槽。

具体实施方式

植被河床底部阻力的确定系统，其结构包括用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统，模拟植被固定系统，物理量测量系统；

如图1所示，用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统，其结构包括水库1、抽水管道2、变频泵4、平水格栅5、上游支撑7、下游支撑8、尾门9、泄水池10、回水廊道11以及水槽12，其中抽水管道2的一端接入水库1，抽水管道2的另一端与超声波流量计3的一端相接，超声波流量计3的另一端相接变频泵4的一端，变频泵4的一端接入水槽12，水槽12通过尾门9与泄水池10相通，泄水池10通过回水廊道11与水库1相通，水槽12内装有平水格栅5，水槽12长12m，宽0.42m，高0.70m，水槽12两侧为玻璃边壁，水槽12底部铺设大理石板，水槽12上、下游设有上游支撑7、下游支撑8，上游支撑7固定不可调，上游支撑7距上游进水口2m；下游支撑8可调，下游支撑8距下游出水口3.5m。

下游支撑8上设有齿轮和升降螺杆用以调节底坡；工作时，水流经变频泵4工作后抽入水槽，平水格栅5用于矫正水流流向，水流经过尾门9进入泄水池10，然后由回水廊道11返回水库1实现循环；

模拟植被固定系统，用以模拟种植于城市河道的植被，为使植被植入实验水槽，选择有密集钻孔的塑料板为载体；然后设计若干个植被插入塑料板上的钻孔内；再将塑料板置入水槽，即实现了水槽中植被的植入；如图2-1、图2-2；

物理量测量系统，所需测量的基本物理量包括流量、水位以及底坡；

所述的流量是设计时必须考虑的参量，为精确起见，选择使用超声波流量计3进行流量的测量；

所述的水位是根据设计需要，在水槽侧壁布置刻度尺6，精度为1mm；该方法与在上下游设定水位测针来测量水位的方法有所不同，可免去调节测针的麻烦，在满足精度的同时能节省耗时，有一定优越性；

所述的底坡是通过靠近下游出水口的可升降螺杆调节，对其测量的精度直接关系阻力计算的准确性，本发明通过水准仪来确定水槽底坡；具体包括1）对水槽进行率定，利用水准仪将水槽设定为平坡；2）分别记录平坡与设计工况下水槽下游末端的高差△h，且水槽上游固定支架与水槽下游末端的距离为L，则底坡为△h/L。

植被河床底部阻力的确定方法，包括

依据设计的植被排列方式将模拟植被插入塑料板孔内，从而形成植被带，然后将插有植被的塑料板放置于如图1-1、图1-2所示的水槽底部。

通过调节变频泵4控制来流流量使其等于设计流量Q，再通过反复调节尾门9和下游支撑8直至达到设计水深的深度h，具体做法为：当上游水位高于下游水位时，通过调节下游支撑8使底坡加大；反之则是底坡减小。当整体水深大于设计水深时，增大尾门9的开度；反之则减小尾门9的开度。达到设计水深后，计算出相应底坡i。此外，根据植被的数量以及水体体积计算出植被所占水体体积比η。

关闭变频泵，将插在塑料板上的植被全部移除；重新开启变频泵并控制流量Q，继续通过调节尾门和升降螺杆直至水深的深度h（1-η），计算相应底坡i _B 。

水槽的床面以及床面上的植被并不光滑，均存在一定的粗糙度，从而阻滞水流的流动，因而水槽需形成一定的底坡方能保证形成均匀流动。考虑总底坡为i的含植被明渠均匀流，如图3a所示，根据阻力叠加理论，可将含植被水流虚拟分为两部分：仅有植被作用和仅有床面作用，则总底坡i可看作由两部分叠加而成：仅由植被导致的底坡i _V （图3a₁）以及仅由床面导致的底坡i _B （图3a₂）。所以有：

                               (1) 

以图3a所示控制体积为△x×B×h的水体为研究对象，其中B为水槽宽，该部分水体受到自重沿水流方向的分量F _G ，植被对该部分水体的阻力F _V ，以及床面对该部分水体的阻力F _B 。由力的平衡可得：

                               (2)

△x×B×h的水体中植被占有一定的体积，实际水体有效体积为

，因此F _G 可表示为：

                        (3)

其中为水体密度，

为重力加速度。类似地，由图3a₁可得：

                       (4)

如图3a₂所示，在仅有床面作用的情况下，由于没有了植被所占的体积，假定等效水深为

，则有

                           (5)

结合式（1）～式（5），可得

                              (6)

则在实际实验中，只需进行水深为h的含植被均匀流水槽实验以及水深为

的无植被均匀流水槽实验，即可得植被河床底部阻力及其占总水流阻力的比重，其中：                             

单位河床面积上的植被河床底部阻力为

；其占总水流阻力的比重为

。

实施例

含植被水槽设计流量10.1L/s，设计水深为12cm，水槽长12m，宽0.42m，模拟植被选取刚性圆柱棒，高度为6cm，直径为0.6cm，塑料板上植被排列方式为平行排列，相邻两株植被纵向距离5cm，横向距离2cm，测得有植被时底坡为3.68/1000，植被被移除时底坡为2/10000。

根据资料所提供的模拟植被几何参数以及水深，容易计算出植被所占水体体积比，所以单位河床面积上的底部阻力为42.71cm²/s²，其占总水流阻力的比重为5.43%。

本发明的适用范围不局限于所述实施例。

Claims (2)

1.一种确定植被河床底部阻力的系统，其特征是包括用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统，模拟植被固定系统，物理量测量系统；

所述的用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统，其结构包括水库、抽水管道、变频泵、平水格栅、上游支撑、下游支撑、尾门、泄水池、回水廊道以及水槽，其中抽水管道的一端接入水库，抽水管道的另一端与超声波流量计的一端相接，超声波流量计的另一端相接变频泵的一端，变频泵的一端接入水槽，水槽通过尾门与泄水池相通，泄水池通过回水廊道与水库相通，水槽内装有平水格栅，水槽长12m，宽0.42m，高0.70m，水槽两侧为玻璃边壁，水槽底部铺设大理石板，水槽上、下游设有上游支撑、下游支撑，上游支撑7固定不可调，上游支撑距上游进水口2m；下游支撑可调，下游支撑距下游出水口3.5m；下游支撑上设有齿轮和升降螺杆用以调节底坡；工作时，水流经变频泵工作后抽入水槽，平水格栅用于矫正水流流向，水流经过尾门进入泄水池，然后由回水廊道返回水库1实现循环；

所述的模拟植被固定系统，是用以模拟种植于城市河道的植被，为使植被植入实验水槽，选择有密集钻孔的塑料板为载体；设计若干个植被插入塑料板上的钻孔内；再将塑料板置入水槽，即实现了水槽中植被的植入；

所述的物理量测量系统，其所需测量的基本物理量包括流量、水位以及底坡；

所述的流量是设计时必须考虑的参量，为精确起见，选择使用超声波流量计进行流量的测量；

所述的水位是根据设计需要，在水槽侧壁布置刻度尺，精度为1mm；

所述的底坡是通过水准仪来确定水槽底坡；具体做法包括1）对水槽进行率定，利用水准仪将水槽设定为平坡；2）分别记录平坡与设计工况下水槽下游末端间的差△h，且水槽上游固定支架与水槽下游末端间的距离为L，则底坡为△h/L。

2.一种植被河床底部阻力的确定方法，其特征是该方法包括如下步骤：

1）依据设计的植被排列方式将模拟植被插入塑料板孔内，从而形成植被带，然后将插有植被的塑料板放置于水槽底部；

2）通过调节变频泵控制来流流量使其等于设计流量Q，

3）通过反复调节尾门和升降螺杆直至达到设计水深的深度h，计算出相应底坡i；

4）根据植被的数量以及水体体积计算出植被所占水体体积比η；

5）关闭变频泵，将插在塑料板上的植被全部移除；重新开启变频泵并控制流量Q，通过调节尾门和升降螺杆直至水深的深度h（1-η），计算相应底坡i _B ；

6）计算河床底部阻力；总底坡为i的含植被明渠均匀流，总底坡i可看作由两部分叠加而成：仅由植被导致的底坡i _V 以及仅由床面导致的底坡i _B ；所以有：

                               (1)

以控制体积为△x×B×h的水体为研究对象，其中B为水槽宽度，该部分水体受到自重沿水流方向的分量F _G ，植被对该部分水体的阻力F _V ，以及床面对该部分水体的阻力F _B ；由力的平衡可得：

                               (2)

△x×B×h的水体中植被占有体积，实际水体有效体积为

，因此F _G 表示为：

                        (3)

其中

为水体密度，

为重力加速度：

                       (4)

在仅有床面作用的情况下，由于没有了植被所占的体积，假定等效水深为，则有

                           (5)

结合式（1）～式（5），可得

                              (6)

则在实际实验中，只需进行水深为h的含植被均匀流水槽实验以及水深为

的无植被均匀流水槽实验，即可得植被河床底部阻力及其占总水流阻力的比重，其中：                             

单位河床面积上的植被河床底部阻力为

；其占总水流阻力的比重为

。

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