CN104008689B - 用于坡面水流多流向及流量分配算法的模拟实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于坡面水流多流向及流量分配算法的模拟实验台，包括正方形实验台面、调节装置和集流槽，其中调节装置固定在实验台面下方，包括用以支撑实验台面的三条可伸缩支架；实验台面与调节装置通过球形铰接连接在一块，实验台面周边环绕分布有集流槽，并与集流槽形成一整体结构，上述三条支架长短可伸缩，用以调节实验台面呈所需方向角，在实验台的表面上铺设有一层厚10～15cm土层，土层上方为模拟植被分布、条带走向。在集流槽边角还各设置有两个排水孔。本发明结构简单、制作成本低廉、操作简便、实验结果准确、效率高，可用于准确模拟流域坡面水流的多流向性及各流向实际流量分配情况。

Description

用于坡面水流多流向及流量分配算法的模拟实验台

技术领域

本发明涉及一种用于坡面水流流向及流量分配算法模拟实验台，属于流域水文过程模拟技术领域。

背景技术

坡面水流通常是由降雨或融雪水流形成，在重力作用下沿坡面表层流动的一种薄层多流向水流，它是在降雨或融雪超过土壤入渗和地面洼蓄能力时产生的，在流域坡面漫流，其流向一般不单一，由于实际流域坡面地表复杂多变，因而坡面水流流向确定以及不同流向上的径流量分配是流域水文过程模拟的关键技术环节。

目前分布式水文模型在模拟坡面汇流时，常用算法有单流向最陡坡度算法、TOPMODEL模型地形指数Ln(α/tanβ)算法、多流向方向坡度算法，数学模型分别如下：

(一)、单流向最陡坡度算法

D8算法作为单流向法的典型代表算法，其采用如下：式(1)和式(2)计算水流方向：

${\mathrm{\θ}}_j=\arctan \left(\frac{Z_i-Z_j}{D_{\mathrm{ij}}}\right)---\left(1\right);$

θ＝maxθ_j(j＝1,2,3…8)(2)

上式(1)和式(2)中：

θ_j表示当前栅格指向相邻栅格单元j的坡度；

Z_i表示当前栅格单元高程；

Z_j表示相邻栅格单元高程；

D_ij表示两个栅格单元中心之间的距离；

θ表示径流所取流向上的坡度(径流方向是地表坡度最陡的方向)。

(二)、TOPMODEL模型地形指数Ln(α/tanβ)算法

在TOPMODEL模型中利用地形指数Ln(α/tanβ)反映径流在任一位置上的累积趋势和重力使径流顺坡移动的趋势，其中α，tanβ常见计算式如下：

α＝A/L(3)；

$\tan \mathrm{\β}=\frac{Z_i-Z_j}{D_{\mathrm{ij}}}---\left(4\right)$

上式(3)和式(4)中：

A为进入栅格单元径流的总上游坡面积，反映径流在栅格单元的累积趋势；

L为与流向垂直的有效等高线长度；

α为径流坡面任一点单位等高线长度的汇流面积；

tanβ为单元栅格的坡角，反映在重力作用下径流顺坡向下流动的趋势；

Z_i表示当前栅格单元高程；

Z_j表示相邻栅格单元高程；

D_ij表示两个栅格单元中心之间的距离。

(三)、多流向方向坡度算法

多流向法按照坡度比例分配从较高栅格单元到相邻较低栅格单元的径流流量：

$f_{\mathrm{ij}}=\frac{S_{\mathrm{ij}}^P}{\mathrm{\Σ}{S}_{\mathrm{ij}}^P}---\left(5\right)$

$S_{\mathrm{ij}}=\frac{Z_i-Z_j}{D_{\mathrm{ij}}}---\left(6\right)$

上式(5)和式(6)中：

f_ij表示从栅格单元i分配给相邻较低栅格单元j的流量份额；

S_ij表示从栅格单元i到栅格单元j的方向坡度；

p为无量纲常数，p的选取直接影响水流流量分配模型；

Z_i表示当前栅格单元高程；

Z_j表示相邻栅格单元高程；

D_ij表示两个栅格单元中心之间的距离。

研究表明，多流向法计算结果比单流向法更加精确，目前基于DEM栅格数据的多流向算法已成为计算流域坡面栅格单元径流流向及流量分配的主要算法，但是到目前为止仍未见有学者通过实验验证这一算法。

这是因为现有的模拟实验一般是在水槽内进行，无论在水槽内如何铺设用于模拟不同的地表，但都无法克服水槽模拟坡面流的缺陷，即水槽内水流流向单一，无法模拟多流向的坡面流，因而水槽实验存在流向模拟失真，其获得的实验结果到底能在多大程度上描述多流向的坡面流尚未知。

发明内容

本发明的目的是，提供一种可以准确模拟流域坡面水流的多流向性及各流向上流量分配情况，从而验证分布式水文模型模拟坡面水流的多流向流量分配算法的实验台，即用于坡面水流流向及流量分配算法的模拟实验台，填补目前室内模拟实验无法模拟和验证坡面水流多流向及流量分配算法的空白。

本发明为实现上述目的需要解决的技术问题是，对于不同自然条件下的流域坡面水流，如何提供一种可进行与其实际流向及各方向上实际流量相吻合的实验室用模拟实验台的技术问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种用于坡面水流多流向及流量分配算法的模拟实验台，其特征在于，包括实验台面、调节装置和集流槽；

所述实验台面为正方形，所述调节装置位于所述实验台面的下方，所述调节装置通过球形铰链与所述实验台面固定连接；

所述调节装置包括三根可伸缩支架，用于调节所述实验台面的水平或倾斜度，模拟现实流域坡面的方向坡度及方位角；

所述实验台面的四周环绕布置有一圈集流槽，所述集流槽与所述实验台面为一个正方形整体；

所述实验台面上铺设土层，所述土层被夯实至与原始野外土层的松紧度、密度一致；所述土层上方为模拟植被分布，条带走向；

所述集流槽的四个边角处各设置两个排水孔；

所述排水孔通过橡胶软管与放置在地面上的集流桶相连接；

所述集流槽的每个边角处的每两个排水孔均分别通过隔水板彼此分隔开；

所述实验台面上方还设置有人工降雨装置，以模拟现实自然降水情况。

上述技术方案直接带来的技术效果是，一方面，在有限高度、体积等参数制约下的土层和植被铺设，以进行自然环境模拟的情况下，通过调节装置进行实验台面倾斜角度和倾斜方向的任意调节，从而满足了最大程度的仿真模拟实验条件；

另一方面，由于预先铺设的土层和植被可根据所需模拟的不同的地理条件进行更换，本发明的模拟实验台在待模拟的自然地理条件的模拟方面，具有较宽的适用范围，森林地表、草被地表、混凝土地表等各种不同地表都可以用于模拟，可以“一台多用”；

即，采用上述技术方案的模拟实验台，突破了实验室内空间上的制约，可以在实验台上模拟坡面流的多流向及各流向上的分配情况，其实验结果更加真实、准确，其较好地解决了现有技术中的各种实验室内实验器具无法进行有效的仿真模拟，仅仅只能进行单一流向模拟等方面的不足，进而影响最终实验结果真实性、准确性的技术问题。

此外，上述技术方案还具有结构简单、制造成本低廉、操作简便等技术特点。

作为优选，上述土层的厚度为10～15cm。该优选技术方案直接带来的技术效果是，在实验台面倾斜角度和倾斜方面可以根据需要任意调节的问题被解决的基础上，在实验台面上按需要铺设10～15cm厚度的土层，即可充分满足自然地理仿真模拟，从而进一步简化模拟实验的操作难度。

进一步优选，上述实验台面的边长为120cm；所述集流槽的尺寸为长130cm，宽5cm，深10cm。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，上述实验台面的大小尺寸，比较适合实验人员独立进行实验操作。即，模拟实验时，即可多人配合进行，也可由一人独立进行操作。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、利用本发明，可以在实验台面上方铺设土层更加准确的模拟出现实流域地表；而且，实验台面上铺设的土层和植被可以依据所需模拟的具体自然环境的不同，进行对应的不同实际情况的缩微仿真模拟铺设。使得本发明的模拟实验台具有实验室内的通用性。

2、利用本发明，可以通过调节实验台面呈所需方向角，用以模拟现实流域坡面方向坡度。

3、利用本发明与人工降雨设备结合起来进行实验，可以更好的模拟观察坡面水流的多流向性及流量分配情况，完善了目前水槽模拟实验时水流单一流向的不足之处。

4、利用本发明进行实验，验证了分布式水文模型模拟坡面水流的多流向流量分配算法，并提高了坡面水流实验模拟的准确性，使得实验效率大幅度提高。

5、利用本发明进行实验，资源消耗小，大大节约了成本，操作简单、易于操作、拆装简便。

附图说明

图1为本发明用于模拟坡面水流多流向及流量分配算法实验台的整体结构示意图；

图2为本发明用于模拟坡面水流多流向及流量分配算法实验台的俯视结构示意图；

图3为本发明用于模拟坡面水流多流向及流量分配算法实验台的侧视结构示意图；

图4为本发明用于模拟坡面水流多流向及流量分配算法实验台的调节装置与实验台之间的球形铰链的放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图4所示，一种用于坡面水流多流向及流量分配算法模拟实验台，包括正方形实验台面1、调节装置2和集流槽3。其中，实验台面1为正方形，调节装置2位于所述实验台面1的下方，调节装置2通过球形铰链与所述实验台面1固定连接；

上述调节装置2包括三根可伸缩支架，用于调节所述实验台面1的水平或倾斜度，模拟现实流域坡面的方向坡度及方位角。上述集流槽3四周边角分别有两个排水孔5，集流槽3的四周边角设有隔水板6，用以隔开所述集流槽3边角处的两个排水孔5。上述球形铰链4与实验台面1通过两个螺栓7、17链接起来。在上述两个排水孔5处分别有橡皮管8连接，实验时水流通过排水口5进入橡皮管8，最后流入实验台面1下方的集流桶9中。

上述实验台面上方还设置有人工降雨装置(图中省略未画出)，以模拟现实自然降水情况。

利用本发明进行模拟坡面水流实验时，在实验台面1上模拟野外土壤性状，在实验台面1表面铺设一层厚度为10-15cm土层，土层上模拟植被分布，铺装走向等，夯实使其与原始野外密度一致，为防止四周土壤与边壁接触处由于边壁作用导致下陷，四周边界土壤填充时用水泥与土壤混合后铺垫，夯实并保持平整，同时略高于四周边壁，以保证模拟坡面上的水流能不受边壁阻力作用而流入集流槽3中，由于实验目的在于分析地表径流在坡面不同方向上的流量分配与其方向上糙率之间的关系，因此对于实验台模拟坡面在实验过程中的下渗水流则设置渗漏孔予以排出，以避免实验土层可能饱和后从表层溢出对整个实验产生影响。

通过调节调节装置2的不同方向角以及其长度，用以控制实验台面1的坡度，进行不同强度的人工降雨，待水流稳定后，在同一时间间隔段内收集实验台面1下方的各集流桶9内的水流量，测定实验台不同侧边的径流量，为简化研究分析可将四周集流桶9中的水流量按占总径流量的比例表示，即坡面汇流中四个方向上流量分配份额。

本发明的具体使用方法，包括以下几个步骤：

1、通过球形铰接4分别将调节装置2与实验台面1连接起来，球形铰接4通过多个螺栓7固定于实验台面1相应的位置。

2、在实验台面1上铺设土层并在土层上模拟植被分布、铺装走向等，夯实使其与原始野外土层松紧度、密度一致。

3、通过调整调节装置2的三条可伸缩支架不同的长度，调节实验台面1呈所需方向角，模拟现实流域面坡面地表方向坡度。

4、通过人工降雨设备模拟现实自然降雨，使实验台面1上敷设的土层和植被所形成的坡面上形成坡面水流。其中，实验台面1上铺设的土层和植被可以依据所需模拟的具体自然环境的不同，进行对应的不同实际情况的缩微仿真模拟铺设。

5、坡面水流在实验台面1上流动，最终流入集流槽3中，并通过集流槽3内的排水孔5进入橡皮管8，最后流入集流桶9中。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

南窑沟流域为无定河二级子流域，地处陕西无定河中游，径流测站控制面积为0.732km²，主沟道长1.74km，沟道底部比降6.0％，流域相对高差为155m，沟壑密度7.78km/km²，表层土壤干容重1.35g/cm³。流域内设有雨量站，土壤分水站，具有连续降雨量、流域洪水要素、土壤分布、微地形、坡度分布、植被分布等同步观测数据资料。

南窑沟流域在历时1.37h的一次降雨过程中流域面平均降雨25mm，在流域出口断面形成明显径流过程，利用分布式水文模型的研究方法，将流域空间离散成正方形栅格单元，利用超渗产流模式计算各栅格单元内的地表径流，在模拟坡面栅格单元间地表径流向出口断面汇流部分时，采用多流向法进行计算。

在实验台面1上模拟小流域土壤性状，在实验台面1表面铺设一层厚度为10-15cm土层，土层上模拟南窑沟流域植被分布，铺装走向等，分层夯实使其与原始野外密度一致，为防止四周土壤与边壁接触处由于边壁作用导致下陷，四周边界土壤填充时用水泥与土壤混合后铺垫，夯实并保持平整，同时略高于四周边壁，以保证模拟坡面上的水流能不受边壁阻力作用而流入集流槽3中。

通过调节调节装置2的不同方向角以及其长度，用以控制实验台面1的坡度，使其尽可能接近所模拟南窑沟流域地表坡度。通过布置在实验台面1上方的人工降雨装置，模拟流域降雨过程，观测降雨在实验台面1上形成径流后的流动状况，测量通过集流槽3流入集流桶9中的流量。

通过不同侧边集流桶流量率定多流向及流量分配算法各参数，并应用于坡面各栅格单元。发现通过本发明实验台验证并率定参数的多流向及流量分配算法，可以准确模拟坡面水流的流向及流量分配情况，并且可以使模拟径流过程的洪峰值、径流消退过程、径流历时等都比传统模拟结果更接近实测径流过程，使模拟精度明显提高。

因此，通过本发明实验台进行坡面水流模拟实验，实验结果更加准确，大幅度提高了实验效率，可以更好地观察、确定坡面水流的多流向，并确定各方向流量分配比率，有效验证基于DEM栅格数据的多流向算法数学模型，并精确率定模型参数。

Claims (3)

1.一种用于坡面水流多流向及流量分配算法的模拟实验台，其特征在于，包括实验台面、调节装置和集流槽；

所述实验台面为正方形，所述调节装置位于所述实验台面的下方，所述调节装置通过球形铰链与所述实验台面固定连接；

所述调节装置包括三根可伸缩支架，用于调节所述实验台面的倾斜度，模拟现实流域坡面的方向坡度及方位角；

所述实验台面的四周环绕布置有一圈集流槽，所述集流槽与所述实验台面为一个正方形整体；

所述实验台面上铺设土层，所述土层被夯实至与原始野外土层的松紧度、密度一致；所述土层上方为模拟植被分布，条带走向；

所述集流槽的四个边角处各设置两个排水孔；

所述排水孔通过橡胶软管与放置在地面上的集流桶相连接；

所述集流槽的每个边角处的每两个排水孔均分别通过隔水板彼此分隔开；

所述实验台面上方还设置有人工降雨装置，以模拟现实自然降水情况。

2.根据权利要求1所述的用于坡面水流多流向及流量分配算法的模拟实验台，其特征在于，所述土层的厚度为10～15cm。

3.根据权利要求1所述的用于坡面水流多流向及流量分配算法的模拟实验台，其特征在于，所述实验台面的边长为120cm；所述集流槽的尺寸为长130cm，宽5cm，深10cm。