CN104535295A - 一种用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置及其实验方法，其通过采用可拆卸连接形式的多孔板，按通透孔排列走向与多孔板纵边所形成夹角不同进行分类，供选择使用；依据所需模拟的流域坡面的实际，对底部带有若干连接柱的建筑物或构筑物模型，进行选择性单独或相互组合使用和对塑料棒进行不同数量、选择性地进行不同布局形式的组合使用；使用时，将仿真模型的连接柱、塑料棒分别插入所述通透孔中形成紧配合，以仿真模拟不同坡面地表状况时，地表径流的流速、流量、水深及流速场分布情况，其结构简单、实验过程操作简便、实验结果真实准确，适用于现代流域坡面流的水力要素数值测定及其分布特征的分析研究。

Description

一种用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及一种坡面流水力要素模拟实验装置及其实验方法，尤其涉及一种用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置及其实验方法，属于流域水文过程模拟技术领域。

背景技术

由于城市化发展、农业耕作、草被种植等人类活动的影响，对流域坡面造成了人为干扰，从而对坡面流形成及汇流过程产生剧烈影响，降雨与坡面径流的响应关系变得异常，灾害性暴雨、洪水频繁出现，并往往引发水文地质灾害，这就是现代流域的主要特征。

目前每年发生的暴雨洪水灾害以及水文地质灾害，造成的直接经济损失数以万亿元计，并危及生命安全。

因此，有必要对人类影响下的坡面流特征及其运动规律进行模拟研究，从而为区域灾害性洪水预测防治、流域水土治理及水利工程建设提供科学依据。

现有技术中，对坡面流的研究主要通过室内模拟实验，实验一般设置不同坡度水槽，在水槽内铺设用以模拟流域坡面状况，通过放水或是人工降雨来模拟坡面水流，观察坡面水流在不同坡面状况及坡度下的流动情况。

但是，由于人类活动的影响，使得流域坡面具有不同的坡面状况，植被覆盖、农田耕作、城市化建设等都将改变流域坡面，因此如何准确的在室内水槽实验中模拟出现实流域坡面状况，就显得尤为重要。

而已有的各种类型的室内水槽实验，对于坡面状况的模拟大多是在水槽底部铺设沙石、植被等，这种实验手段虽然能一定程度上证明不同坡面状况对地表水流有着影响作用，但是不能模拟人类影响下，坡面有规律排列的农田、草皮、道路等分布对坡面水力要素的影响作用，因为径流从有规律排列的现代流域上从不同方向流动时，其水力要素将发生变化，而目前没有实验装置对此进行研究模拟，并且在现有实验水槽中进行实验时，由于水流的冲刷挟带能力，水槽底部所铺设的沙石等一部分随着水流的冲刷而被挟带出水槽，因此导致了模拟结果的失真与误差。

所以，在目前的室内模拟实验中，对于现代流域坡面流的水力要素变化机理很难通过计算或者采用文字进行全面、准确的描述，需要辅以实验模型进行相关的模拟实验。

发明内容

本发明的目的之一是，提供一种结构简单、操作简便，可以准确模拟因人类活动的影响而导致的流域具有不同的坡面状况，并且对于水流在不同坡面状况上的变化机理模拟分析的用于模拟坡面水流水力要素的多功能实验装置。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置，包括水箱、进水装置和水槽，其特征在于，还包括多孔板、塑料棒和仿真模型；

所述水箱、进水装置和水槽从左至右顺序连接；

所述水箱的底壁上设置有一出水口，所述出水口的标高大于所述进水装置和水槽的顶部标高；

所述出水口通过管路与所述进水装置的侧壁上靠近底部位置的进水口连接，所述管路上设置有阀门；

所述进水装置为无上盖的箱型结构，所述进水装置的右侧壁分为两段，下段封闭，上段为一敞开的缺口部；

所述水槽整体呈槽钢形状，所述水槽的左端端面与所述缺口部对接，并焊接成一体；

所述水槽的内部从左至右依次分为上游平水段、实验段和下游量水段三段，其中，上游平水段和实验段的长度相等，并且大于下游量水段的长度；所述上游平水段和下游量水段位于同一平面，所述实验段向下凹陷，形成一矩形下沉部；

所述多孔板的尺寸与所述下沉部相匹配，使用时，所述多孔板整体放置在所述下沉部形成紧配合，其上表面与所述上游平水段和下游量水段位于同一平面；

所述多孔板上均匀开设有若干排通透孔，各排与排之间相互平行，且各相邻的排与排之间的间距均与每相邻两个通透孔之间的间距相等，各排通透孔所在的直线与所述多孔板的纵边成一定夹角；

按所述夹角的不同，将所述多孔板划分为3种，分别为第一多孔板、第二多孔板和第三多孔板，所述第一多孔板、第二多孔板和第三多孔板的夹角分别为15度、45度和90度；

所述第一多孔板、第二多孔板和第三多孔板依据所需模拟的流域坡面的实际，进行选择性使用；

所述仿真模型为底部带有若干连接柱的建筑物或构筑物模型，依据所需模拟的流域坡面实际的植被情况，进行选择性单独或相互组合使用；

所述塑料棒依据所需模拟的流域坡面的实际，选择性地进行不同数量、不同布局形式的组合使用；

使用时，所述仿真模型的连接柱和所述塑料棒分别插入所述通透孔中形成紧配合。

上述技术方案直接带来的技术效果是，用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置具有结构简单、实验操作与调节简便等特点，且由于对所需模拟的地表类型及流域坡面情况的仿真度高，使得模拟实验结果更真实可靠；

上述技术方案的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置，克服了现有实验水槽模拟坡面水流时，地表类型简单、流向单一，且实验过程中无法进行水流稳定控制，进而导致无法真实准确地反映对水流在复杂的现代流域地表流动变化机理等技术问题；

上述技术方案的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置，可以准确的模拟坡面流在现代流域地表流动时，其水深、流量、流速、流速场分布等水力要素的变化情况，进而模拟研究水力要素变化情况下坡面流流态、流速场的变化情况，为农田灌溉、城市区域防洪等提供技术支持。

优选为，上述上游平水段和实验段的长度为所述下游量水段的长度的1.5-2倍。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，由于的上游平水段主要用以平稳水流，使水流在经过上游平水段后，均匀平顺地流动进入实验段，下游量水段为水流流经实验段后一直到水槽出口断面的部分，该部分用来测量水流流量，中间实验段用以模拟现代流域地表状况；

因而，上游平水段和实验段的长度为下游量水段的长度的1.5-2倍，可以改善实验段水流状况，获得实验所需的、相对稳定的、高质量的坡面水流。

进一步优选，上述的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置，每相邻两个通透孔之间的间距等于60mm。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，采用均匀布孔的结构形式，一方面，便于孔的加工；另一方面，便于不同数量塑料棒和/或仿真模型的组合使用时的安装。

进一步优选，上述水槽、多孔板和进水装置的材质均为有机玻璃。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，水槽、多孔板和进水装置的材质均采用有机玻璃，便于从各个角度和方位进行水流情况的观测。

进一步优选，上述多孔板的周边开设有若干螺孔，所述底板上与所述螺孔对应的位置处分别设置有若干内螺纹孔；

所述多孔板通过沉头螺栓紧固在所述底板上。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，通过沉头螺栓将多孔板紧固在底板上，一方面，在坡面水流模拟时，可以有效避免多孔板可能被水流扰动而出现颤动、抖动甚至掀起，进而带来系统误差，影响实验结果的准确性；另一方面，采用沉头螺栓，主要是为了防止螺栓位置处因凸出，进而造成对水流的干扰。

本发明的目的之二是，提供一种上述的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置的实验方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，依据所需模拟的流域坡面的实际，选择第一多孔板、第二多孔板或第三多孔板，并将其安装在所述水槽的实验段；

依据所需模拟的流域坡面实际的植被情况，对建筑物或构筑物模型进行数量或组合方式的选择，并将其安装在多孔板的相应位置；

依据所需模拟的流域坡面的实际，选择性地进行不同数量的塑料棒，并采用不同布局形式，将其安装在多孔板的相应位置；

第二步，向水箱中注水至一定刻度位置后，开启连接管路上的阀门向进水装置内加水；

在开启连接管路上阀门的同时，连续向水箱中注水，以保持水箱中水位的恒定；

第三步，阀门调节到一定开度，然后保持不变，待进水装置内液位上升至溢流，并在水槽内部形成稳定的水流后，配合使用相应的测流设备观察水流在水槽实验段的流动状况，测量并记录水流的深度、流速、流量及不同位置点的流速场分布，以及其他水力要素数据；

第四步，采用曼宁糙率公式计算坡面糙率：

$n=\frac{1}{v}{R}^{\frac{2}{3}}{J}^{\frac{1}{2}}$

上式中：

v为水流平均速度，单位：m/s；

R为水力半径，单位：m；

J为水力坡度；

n为曼宁糙率系数。

上述技术方案直接带来的技术效果是，通过变换孔板上模拟材料不同排列组合的安装形式，对植被覆盖密度、农田耕作方式、城市化地面等现代流域地表状况进行模拟，可以模拟不同地表情况下坡面水流；

通过三种类型多孔板的选择使用，可以实现在同一水槽内进行不同地表状况、不同水流方向下坡面流运动变化机理模拟研究；

模拟实验装置的仿真度高，实验结果真实准确；

通过相应的测流设备对水流进行测量并计算得出各水力学参数，如水深、流量、流速、糙率、雷诺数等，进而可以分析植被覆盖、农田耕作、林地及城市化地面对水流阻力的影响作用、不用水流方向下坡面阻力分布状况、坡面流流态、流速场分布以及植被淹没时坡面流演进过程以及灌溉水流在田面的推进过程等，适用范围广。

即，上述技术方案的实验方法，其实验过程操作简单、调节简便，实验结果真实准确。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有结构简单、制造成本低，实验过程操作简单、调节简便，实验结果真实准确等有益效果。

附图说明

图1为本发明的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置的结构示意图；

图2为多孔板的结构示意图；

图3为第二多孔板的结构示意图(主要示出各排通透孔所在的直线与多孔板的纵边成45度夹角时的位置关系)；

图4为多孔板的放大结构示意图(主要示出了多孔板上各邻接的通透孔之间的位置关系)。

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所示，本发明的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置，包括水箱8、进水装置9和水槽1，其特征在于，还包括多孔板5、塑料棒和仿真模型(图中未示出)；

上述水箱8、进水装置9和水槽1从左至右顺序连接；

上述水箱的底壁上设置有一出水口，该出水口的标高大于进水装置和水槽的顶部标高；

上述出水口通过管路与进水装置的侧壁上靠近底部位置的进水口连接，上述管路上设置有阀门10；

上述进水装置9为无上盖的箱型结构，该进水装置的右侧壁分为两段，下段封闭，上段为一敞开的缺口部；

上述水槽1整体呈槽钢形状，水槽的左端端面与上述缺口部对接，并焊接成一体；

上述水槽的内部从左至右依次分为上游平水段2、实验段3和下游量水段4三段，其中，上游平水段2和实验段3的长度相等，并且大于下游量水段4的长度；上述上游平水段2和下游量水段4位于同一平面，实验段3向下凹陷，形成一矩形下沉部；

上述多孔板5的尺寸与上述下沉部相匹配，使用时，多孔板5整体放置在下沉部形成紧密配合，其上表面与上述上游平水段2和下游量水段4位于同一平面；

如图2至4所示，上述多孔板5上均匀开设有若干排通透孔7，各排与排之间相互平行，且各相邻的排与排之间的间距均与每相邻两个通透孔7之间的间距相等，各排通透孔7所在的直线与多孔板的纵边成一定夹角；

按所述夹角的不同，将所述多孔板划分为3种，分别为第一多孔板、第二多孔板和第三多孔板，上述第一多孔板、第二多孔板和第三多孔板各自的夹角分别为15度、45度和90度；

所述第一多孔板、第二多孔板和第三多孔板依据所需模拟的流域坡面的实际，进行选择性使用；

所述仿真模型为底部带有若干连接柱的建筑物或构筑物模型，依据所需模拟的流域坡面实际的植被情况，进行选择性单独或相互组合使用；

所述塑料棒依据所需模拟的流域坡面的实际，选择性地进行不同数量、不同布局形式的组合使用；

使用时，所述仿真模型的连接柱和所述塑料棒分别插入所述通透孔中形成紧配合。

优选为，上述上游平水段2和实验段3的长度为所述下游量水段4的长度的1.5-2倍。

上述每相邻两个通透孔7之间的间距优选为等于60mm。

上述水槽、多孔板和进水装置的材质均优选为有机玻璃。

如图1、图2所示，上述多孔板的周边开设有若干螺孔6，上述底板上与上述螺孔对应的位置处分别设置有若干内螺纹孔；

上述多孔板5通过沉头螺栓紧固在底板上。

为更好地理解本发明，现详细说明本发明的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置的实验方法。

上述的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，依据所需模拟的流域坡面的实际，选择第一多孔板、第二多孔板或第三多孔板，并将其安装在所述水槽的实验段；

依据所需模拟的流域坡面实际的植被情况，对建筑物或构筑物模型进行数量或组合方式的选择，并将其安装在多孔板的相应位置；

依据所需模拟的流域坡面的实际，选择性地进行不同数量的塑料棒，并采用不同布局形式，将其安装在多孔板的相应位置；

第二步，向水箱中注水至一定刻度位置后，开启连接管路上的阀门向进水装置内加水；

在开启连接管路上阀门的同时，连续向水箱中注水，以保持水箱中水位的恒定；

第三步，阀门调节到一定开度，然后保持不变，待进水装置内液位上升至溢流，并在水槽内部形成稳定的水流后，配合使用相应的测流设备观察水流在水槽实验段的流动状况，测量并记录水流的深度、流速、流量及不同位置点的流速场分布，以及其他水力要素数据；

第四步，采用曼宁糙率公式计算坡面糙率：

$n=\frac{1}{v}{R}^{\frac{2}{3}}{J}^{\frac{1}{2}}$

上式中：v为水流平均速度，单位：m/s；

R为水力半径，单位：m；

J为水力坡度；

n为曼宁糙率系数。

Claims (6)

1.一种用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置，包括水箱、进水装置和水槽，其特征在于，还包括多孔板、塑料棒和仿真模型；

所述水箱、进水装置和水槽从左至右顺序连接；

所述水箱的底壁上设置有一出水口，所述出水口的标高大于所述进水装置和水槽的顶部标高；

所述出水口通过管路与所述进水装置的侧壁上靠近底部位置的进水口连接，所述管路上设置有阀门；

所述进水装置为无上盖的箱型结构，所述进水装置的右侧壁分为两段，下段封闭，上段为一敞开的缺口部；

所述水槽整体呈槽钢形状，所述水槽的左端端面与所述缺口部对接，并焊接成一体；

所述水槽的内部从左至右依次分为上游平水段、实验段和下游量水段三段，其中，上游平水段和实验段的长度相等，并且大于下游量水段的长度；所述上游平水段和下游量水段位于同一平面，所述实验段向下凹陷，形成一矩形下沉部；

所述多孔板的尺寸与所述下沉部相匹配，使用时，所述多孔板整体放置在所述下沉部形成紧配合，其上表面与所述上游平水段和下游量水段位于同一平面；

所述多孔板上均匀开设有若干排通透孔，各排与排之间相互平行，且各相邻的排与排之间的间距均与每相邻两个通透孔之间的间距相等，各排通透孔所在的直线与所述多孔板的纵边成一定夹角；

按所述夹角的不同，将所述多孔板划分为3种，分别为第一多孔板、第二多孔板和第三多孔板，所述第一多孔板、第二多孔板和第三多孔板的夹角分别为15度、45度和90度；

所述第一多孔板、第二多孔板和第三多孔板依据所需模拟的流域坡面的实际，进行选择性使用；

所述仿真模型为底部带有若干连接柱的建筑物或构筑物模型，依据所需模拟的流域坡面实际的植被情况，进行选择性单独或相互组合使用；

所述塑料棒依据所需模拟的流域坡面的实际，选择性地进行不同数量、不同布局形式的组合使用；

使用时，所述仿真模型的连接柱和所述塑料棒分别插入所述通透孔中形成紧配合。

2.根据权利要求1所述的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置，其特征在于，所述上游平水段和实验段的长度为所述下游量水段的长度的1.5-2倍。

3.根据权利要求1所述的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置，其特征在于，每相邻两个通透孔之间的间距等于60mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置，其特征在于，所述水槽、多孔板和进水装置的材质均为有机玻璃。

5.根据权利要求1所述的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置，其特征在于，所述多孔板的周边开设有若干螺孔，所述底板上与所述螺孔对应的位置处分别设置有若干内螺纹孔；

所述多孔板通过沉头螺栓紧固在所述底板上。

6.如权利要求1所述的用于模拟坡面流水力要素的多功能实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，依据所需模拟的流域坡面的实际，选择第一多孔板、第二多孔板或第三多孔板，并将其安装在所述水槽的实验段；

依据所需模拟的流域坡面实际的植被情况，对建筑物或构筑物模型进行数量或组合方式的选择，并将其安装在多孔板的相应位置；

依据所需模拟的流域坡面的实际，选择性地进行不同数量的塑料棒，并采用不同布局形式，将其安装在多孔板的相应位置；

第二步，向水箱中注水至一定刻度位置后，开启连接管路上的阀门向进水装置内加水；

在开启连接管路上阀门的同时，连续向水箱中注水，以保持水箱中水位的恒定；

第三步，将阀门调节到一定开度，然后保持不变，待进水装置内液位上升至溢流，并在水槽内部形成稳定的水流后，配合使用相应的测流设备观察水流在水槽实验段的流动状况，测量并记录水流的深度、流速、流量及不同位置点的流速场分布，以及其他水力要素数据；

第四步，采用曼宁糙率公式计算坡面糙率：

$n=\frac{1}{v}{R}^{\frac{2}{3}}{J}^{\frac{1}{2}}$

上式中：

v为水流平均速度，单位：m/s；

R为水力半径，单位：m；

J为水力坡度；

n为曼宁糙率系数。