CN107703045B - 海绵城市绿地雨水收集能力分析系统及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海绵城市绿地雨水收集能力分析系统，包括降雨模拟装置、雨水收集模型箱、土方、排水收集装置、模拟草坪及水分测试装置，其结构简单，方便装卸，便于在室内进行测试使用，减少模拟实验工作量。本发明还提供一种分析方法，包括配置试验用土方并将土方填入雨水收集模型箱内；在土方上布设水分测试装置和模拟草坪；在降雨过程中通过水分测试装置监测各个监测点的土方含水率变化，直至全部饱和，计算渗水速率并判定土方的渗水能力；停止降雨，实时监测在自然蒸发状态下各个监测点的土方含水率变化，计算蒸发速率并判定土方的储水能力。该方法能够较为准确的分析出模拟绿地的渗水和储水能力，有利于更加科学的拟定海绵城市建设方案。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程室内模型技术领域，更具体地说，是涉及一种海绵城市绿地雨水收集能力分析系统及应用该系统进行分析的分析方法。
背景技术
近年来，“海绵城市”的概念逐渐在现代城市建设和改造中推广应用，它是新一代城市雨洪管理概念，旨在使城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，也可称之为“水弹性城市”。
海绵城市建设中降雨时绿地的吸渗、储蓄和净水能力是重要研究课题，传统方法一般采用现场试验的方式进行测试，具有较大工作量，费时费力，还有不可重复性。室内模型试验成为了一个新的试验方向，但目前尚未有一种有效的关于绿地雨水收集能力的测试装置和分析方法，能够对城市绿地在降雨情况下渗水、储存水能力进行精准量化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海绵城市绿地雨水收集能力分析系统及分析方法，以解决现有技术中存在的缺少能够对城市绿地在降雨情况下渗水、储存水能力进行精准量化的室内试验模型的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种海绵城市绿地雨水收集能力分析系统，包括：用于模拟降雨的降雨模拟装置、设于所述降雨模拟装置下方的雨水收集模型箱、设于所述雨水收集模型箱内的土方、设于所述雨水收集模型箱侧面且用于收集从所述土方上表面流出的水的排水收集装置、覆盖于所述土方上表面的模拟草坪及位于所述土方内且用于在多个监测点监测所述土方的含水率的水分测试装置。
进一步地，所述排水收集装置包括设于所述雨水收集模型箱上且与所述模拟草坪的边缘高度一致的排水孔及用于承接所述排水孔排出的水的收集筒。
进一步地，所述降雨模拟装置包括储水结构、与所述储水结构连接的降雨管道以及沿所述降雨管道轴向依次设于所述降雨管道上的流量调节阀、流量计和喷头，所述喷头位于所述雨水收集模型箱的正上方。
进一步地，所述模拟草坪包括至少一层覆盖所述土方上表面的无纺布层。
进一步地，所述水分测试装置包括多个沿平行于所述土方上表面的方向分布的水分传感器探头组及数据处理结构，每个所述水分传感器探头组均包括多个沿垂直于所述雨水收集模型箱底面的方向分布的传感器探头，所述监测点与所述传感器探头一一对应。
本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明海绵城市绿地雨水收集能力分析系统，结构简单，方便装卸，便于在室内内进行测试使用，减少了模拟实验的工作量，节省人力物力；同时，其能够有效模拟待测的地形环境，通过在模拟的土方内设置水分测试装置，测试不同监测点的含水率，就能够计算得到渗水速率及蒸发速率等参数，进而能够分析得到模拟绿地的渗水、储水能力，使用简便。
本发明还提供一种分析方法，基于上述的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统实现，包括如下步骤：
根据实际待模拟区域的地形及土壤情况配置试验用的所述土方，并将所述土方填入所述雨水收集模型箱内；
在所述土方内布设所述水分测试装置；
在所述土方上表面铺设所述模拟草坪；
通过所述降雨模拟装置进行模拟降雨，并通过所述水分测试装置监测各个所述监测点的土方含水率的变化，直至所述土方全部饱和，根据土方含水率变化计算渗水速率，并判定所述土方的渗水能力；
停止模拟降雨，实时监测在自然蒸发状态下各个所述监测点的土方含水率变化，根据土方含水率变化计算蒸发速率，并判定所述土方的储水能力。
进一步地，所述根据含水率变化计算渗水速率包括：
根据达到饱和状态后的降水总量、达到饱和状态后的排水总量及达到饱和状态所用的时间计算土方总体渗水速率，关系式为：
其中，Q降为达到饱和状态后的降水总量；Q排为达到饱和状态后的排水总量，即达到饱和状态后从所述土方上表面流出的水的总量；ρ水为降水用水的密度；T为降雨达到饱和状态所用的时间；v总渗为降雨达到饱和状态所用时间T内土方总体渗水速率。
进一步地，所述根据含水率变化计算渗水速率包括：
根据单个监测点降雨达到饱和过程中的两个时刻的含水率计算该监测点对应的土方区域在所述两个时刻之间的局部渗水速率，关系式为：
其中，V为单个监测点所对应的土方的体积；ω1为单个监测点在t1时刻的含水率；ω2为单个监测点在t2时刻的含水率；ρd为所述土方的干密度；v局渗为该监测点对应的土方区域的局部渗水速率。
进一步地，所述根据含水率变化计算蒸发速率包括：
根据降雨停止时土方的总质量、蒸发时间及蒸发后土方总质量计算在所述蒸发时间的时间段内土方总体蒸发速率，关系式为：
其中，m1为降雨停止时的土方总质量，m2为经过一段时间的蒸发后土方的总质量，T1为土方总质量由m1蒸发变为m2所用的时间；v总蒸为T1时间内土方总体蒸发速率。
进一步地，所述根据含水率变化计算蒸发速率包括：
根据单个监测点在蒸发的过程中的两个蒸发时刻的含水率计算该监测点对应的土方区域在所述两个蒸发时刻之间的局部蒸发速率，关系式为：
其中V1为单个监测点所对应的土方的体积；ω3为单个监测点在t3时刻的含水率；ω4为单个监测点在t4时刻的含水率；ρd为所述土方的干密度；v局蒸为该监测点对应的土方区域的局部渗水速率。
本发明提供的分析方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明分析方法，通过测试土方的总体渗水速率、局部渗水速率，能够较为准确的分析出模拟绿地的渗水能力，通过测试土方的总体蒸发速率及局部蒸发速率，能够较为准确的分析出模拟绿地的储水能力，测试分析结果准确性高，对海绵城市建设中绿地雨水收集能力进行科学有效的分析，有利于从科学试验角度对海绵城市建设方案的拟定及改进提供合理建议。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的结构示意图；
图2为本发明实施例采用的井管的结构示意图；
图3为本发明实施例采用的传感器探头的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的分析方法的流程图。
其中，图中各附图标记：
1-降雨模拟装置；101-降雨管道；102-流量调节阀；103-流量计；104-喷头；2-雨水收集模型箱；3-土方；4-排水收集装置；401-收集筒；402-排水管；5-模拟草坪；6-水分测试装置；601-传感器探头；602-电压采集仪；603-计算机；604-恒流源；7-吸渗井；701-井管；702-渗水孔
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1，现对本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统进行说明。所述海绵城市绿地雨水收集能力分析系统，包括用于模拟降雨的降雨模拟装置1、设于降雨模拟装置1下方的雨水收集模型箱2、设于雨水收集模型箱2内的土方3、设于雨水收集模型箱2侧面且用于收集从土方3上表面流出的水的排水收集装置4、覆盖于土方4上表面的模拟草坪5及位于土方3内且用于在多个监测点监测土方3的含水率的水分测试装置6。
本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统，与现有技术相比，结构简单，方便装卸，使用成本低，便于在室内进行测试使用，减少了模拟实验的工作量，节省人力物力；同时，其能够有效模拟待测的地形环境，通过在模拟的土方3内设置水分测试装置6，测试不同监测点的含水率，就能够计算得到渗水速率及蒸发速率等参数，进而能够分析得到模拟绿地的渗水、储水能力，使用简便。
需要注意的是，模拟草坪5的上端面不突出于雨水收集模型箱2的上部开口端面。优选地，模拟草坪5的上端面与雨水收集模型箱2的上部开口端面基本平齐。
可选地，水分测试装置6为基于范德堡法进行土体含水量测试的水分测试装置，即VDP水分测试装置。
进一步地，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，雨水收集模型箱2由有机玻璃拼接成长方体，有机玻璃密封性好，且透明度高，方便观察土方内部情况。根据一般测试情况，雨水收集模型箱2具体尺寸为：高度为35cm，长度为35cm，宽度为20cm。
进一步地，请一并参阅图1，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，排水收集装置4包括设于雨水收集模型箱2上且与模拟草坪5的边缘高度一致的排水孔及用于承接排水孔排出的水的收集筒401。海绵绿地在下雨的过程中会对雨水进行部分吸收，为了方便获得土体在饱和状态下的吸水总量，需要将未能吸收的水分(地表排出水)进行收集，并进行测量，这部分水分通过排水孔排出，最终被收集筒401收集，收集筒401外壁可设置刻度，方便读取水量信息。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，排水收集装置4还包括与排水孔连接且用于将从排水孔中流出的水导入收集筒401的排水管402。排水管402将排水孔中的水进行汇集和导向，方便进行收集。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，为了方便收集地表排出水，土方3的上表面的一侧为倾斜平面，排水孔的位置与倾斜平面的低端边缘对应。土方的具体尺寸为：总长度为35厘米，总高度为35cm，宽度为20cm；倾斜平面的高度为15cm，长度为25cm的斜坡。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，降雨模拟装置1包括储水结构、与储水结构连接的降雨管道101以及沿降雨管道101轴向依次设于降雨管道101上的流量调节阀102、流量计103和喷头104，喷头104位于雨水收集模型箱2的正上方。流量调节阀102用于调节降雨量大小，并能通过流量计103对降雨量进行精确的量化。
进一步地，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，模拟草坪5主要用于提升土体表层稳定性，包括至少一层覆盖所述土方上表面的无纺布层。无纺布材质本身具有一定吸水性和渗水性，在模拟实验时比较接近草坪的模拟需求。
进一步地，请参阅图1及图3，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，水分测试装置6包括多个沿平行于土方3上表面的方向分布的水分传感器探头组及数据处理结构，每个水分传感器探头组均包括多个沿垂直于雨水收集模型箱2底面的方向分布的传感器探头601，监测点与传感器探头601一一对应。传感器探头601分层埋设在土方3中间，能够较为准确的感测土体含水率的变化和水分的迁移，有利于提供更加准确的测试参数。数据处理结构接收传感器探头601的感测信息，并进行处理，生成含水率的数值，方便进行计算处理。
为了保证测试的准确性，传感器探头601的体积要尽量小，可采用直径为1.5cm且总长度为2cm的探头。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，数据处理结构包括与传感器探头601连接的电压采集仪602、与电压采集仪602连接的计算机603及分别与电压采集仪602和计算机603连接的恒流源604。电压采集仪602用于接收来自传感器探头601的信号，随后信号传送到计算机603中根于预设程序进行处理和计算，恒流源604用于对电压采集仪602和计算机603提供恒定的电流，保证电压采集仪602和计算机603能够进行正常工作。
进一步地，参阅图1，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，为了更好的模拟城市海绵绿地，海绵城市绿地雨水收集能力分析系统还包括设于土方3内的吸渗井7，吸渗井7沿平行于土方3上表面的方向分布。吸渗井7同时也有利于提升土方3的吸渗水能力及净化水能力。
进一步地，请参阅图2，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，吸渗井7包括井管701、设于井管701侧壁上的渗水孔702、设于井管701内的过滤填充物及包覆于渗水孔702外侧的过滤层。井管701为PVC构件，管壁上设有围绕井管701的中轴分布的多圈渗水孔702，水从过滤层进入渗水孔702，再经过过滤填充物的过滤，能够对入渗雨水进行净化。
可选地，五个渗水孔702在通已经向面内围绕井管701的中轴呈圈分布。
可选地，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，过滤填充物为滤水砂石。
进一步地，作为本发明提供的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统的一种具体实施方式，为了方便制作，过滤层为套设于井管701外周的无纺布套层。
请参阅图4，本发明还提供一种分析方法，基于上述的海绵城市绿地雨水收集能力分析系统实现，所述分析方法包括如下步骤：
根据实际待模拟区域的地形及土壤情况配置试验用的土方3，并将土方3填入雨水收集模型箱2内；
在土方3内布设水分测试装置6；
在土方3上表面铺设模拟草坪5；
通过降雨模拟装置1进行模拟降雨，并通过水分测试装置6监测各个监测点的土方含水率的变化及土方总体渗水率的变化，直至土方3全部饱和，根据土方3含水率变化计算渗水速率，并判定土方的渗水能力；
停止模拟降雨，实时监测在自然蒸发状态下各个监测点的土方含水率变化以及土方总体含水率的变化，根据土方含水率变化计算蒸发速率，并判定土方的储水能力。
本发明提供的分析方法，通过测试土方的总体渗水速率、局部渗水速率，能够较为准确的分析出模拟绿地的渗水能力，通过测试土方的总体蒸发速率及局部蒸发速率，能够较为准确的分析出模拟绿地的储水能力，测试分析结果准确性高，引入渗水速率和蒸发速率的概念来定量描述土方的渗透和储蓄能力，对分析海绵城市建设中绿地雨水收集能力的量化具有参考意义，有利于对海绵城市建设中绿地雨水收集能力进行科学有效的分析，有利于从科学试验角度对海绵城市建设方案的拟定及改进提供合理建议。
需要注意的是，试验用的土方3的配置主要根据实际地形情况结合相似理论进行。
在土方3内布设水分测试装置6具体包括，在土方3内及吸渗井7旁边和底部布设是个传感器探头601
进一步地，作为本发明提供的分析方法的一种具体实施方式，根据含水率变化计算渗水速率包括：
根据达到饱和状态后的降水总量、达到饱和状态后的排水总量及达到饱和状态所用的时间计算土方总体渗水速率，关系式为：
其中，Q降为达到饱和状态后的降水总量；Q排为达到饱和状态后的排水总量，即达到饱和状态后从所述土方上表面流出的水的总量，可通过收集筒401上的刻度读数获得；ρ水为降水用水的密度；T为降雨达到饱和状态所用的时间；v总渗为降雨达到饱和状态所用时间T内土方总体渗水速率。
进一步地，作为本发明提供的分析方法的一种具体实施方式，根据含水率变化计算渗水速率包括：
根据单个监测点降雨达到饱和过程中的两个时刻的含水率计算该监测点对应的土方区域在所述两个时刻之间的局部渗水速率，土方饱和后，传感器探头601感测到的含水率不再变化，关系式为：
其中，V为单个监测点所对应的土方的体积，即V为某一监测点处的传感器探头601周边某一固定体积V的土方；ω1为单个监测点在t1时刻的含水率；ω2为单个监测点在t2时刻的含水率；ρd为所述土方的干密度；v局渗为该监测点对应的土方区域的局部渗水速率。
综合整体渗水速率和局部渗水速率可知，渗水速率越快，土方吸渗能力越强。
进一步地，作为本发明提供的分析方法的一种具体实施方式，根据含水率变化计算蒸发速率包括：
根据降雨停止时土方的总质量、蒸发时间及蒸发后土方总质量计算在所述蒸发时间的时间段内土方总体蒸发速率，关系式为：
其中，m1为降雨停止时的土方总质量，m2为经过一段时间的蒸发后土方的总质量，T1为土方总质量由m1蒸发变为m2所用的时间；v总蒸为T1时间内土方总体蒸发速率。
进一步地，作为本发明提供的分析方法的一种具体实施方式，根据含水率变化计算蒸发速率包括：
根据单个监测点在蒸发的过程中的两个蒸发时刻的含水率计算该监测点对应的土方区域在所述两个蒸发时刻之间的局部蒸发速率，关系式为：
其中V1为单个监测点所对应的土方的体积，即V为某一监测点处的传感器探头601周边某一固定体积V的土方；ω3为单个监测点在t3时刻的含水率；ω4为单个监测点在t4时刻的含水率；ρd为所述土方的干密度；v局蒸为该监测点对应的土方区域的局部渗水速率。
综合整体蒸发速率和局部蒸发速率可知，蒸发速率越快，土方储水能力越弱。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.分析方法，基于海绵城市绿地雨水收集能力分析系统实现，所述海绵城市绿地雨水收集能力分析系统包括用于模拟降雨的降雨模拟装置、设于所述降雨模拟装置下方的雨水收集模型箱、设于所述雨水收集模型箱内的土方、设于所述雨水收集模型箱侧面且用于收集从土方上表面流出的水的排水收集装置、覆盖于所述土方上表面的模拟草坪及位于所述土方内且用于在多个监测点监测所述土方的含水率的水分测试装置；所述排水收集装置包括设于所述雨水收集模型箱上且与所述模拟草坪的边缘高度一致的排水孔及用于承接所述排水孔排出的水的收集筒；所述模拟草坪包括至少一层覆盖所述土方上表面的无纺布层；所述降雨模拟装置包括储水结构、与所述储水结构连接的降雨管道以及沿所述降雨管道轴向依次设于所述降雨管道上的流量调节阀、流量计和喷头，所述喷头位于所述雨水收集模型箱的正上方，所述水分测试装置包括多个沿平行于所述土方上表面的方向分布的水分传感器探头组及数据处理结构，每个所述水分传感器探头组均包括多个沿垂直于所述雨水收集模型箱底面的方向分布的传感器探头，所述监测点与所述传感器探头一一对应，其特征在于：包括如下步骤：
根据实际待模拟区域的地形及土壤情况配置试验用的所述土方，并将所述土方填入所述雨水收集模型箱内；
在所述土方内布设所述水分测试装置；
在所述土方上表面铺设所述模拟草坪；
通过所述降雨模拟装置进行模拟降雨，并通过所述水分测试装置监测各个所述监测点的土方含水率的变化及土方总体渗水率的变化，直至所述土方全部饱和，根据土方含水率变化计算渗水速率，并判定所述土方的渗水能力；
停止模拟降雨，实时监测在自然蒸发状态下各个所述监测点的土方含水率变化及土方总体含水率的变化，根据土方含水率变化计算蒸发速率，并判定所述土方的储水能力；
根据含水率变化计算渗水速率包括：
根据达到饱和状态后的降水总量、达到饱和状态后的排水总量及达到饱和状态所用的时间计算土方总体渗水速率，关系式为：
（1）
其中，为达到饱和状态后的降水总量；/>为达到饱和状态后的排水总量，即达到饱和状态后从所述土方上表面流出的水的总量；/>为降水用水的密度；/>为降雨达到饱和状态所用的时间；/>为降雨达到饱和状态所用时间/>内土方总体渗水速率；
所述根据含水率变化计算渗水速率包括：
根据单个监测点降雨达到饱和过程中的两个时刻的含水率计算该监测点对应的土方区域在所述两个时刻之间的局部渗水速率，关系式为：
（2）
其中，为单个监测点所对应的土方的体积；/>为单个监测点在/>时刻的含水率；/>为单个监测点在/>时刻的含水率；/>为所述土方的干密度；/>为该监测点对应的土方区域的局部渗水速率；
所述根据含水率变化计算蒸发速率包括：
根据降雨停止时土方的总质量、蒸发时间及蒸发后土方总质量计算在所述蒸发时间的时间段内土方总体蒸发速率，关系式为：
（3）
其中，为降雨停止时的土方总质量，/>为经过一段时间的蒸发后土方的总质量，/>为土方总质量由/>蒸发变为/>所用的时间；/>为/>时间内土方总体蒸发速率；
所述根据含水率变化计算蒸发速率包括：
根据单个监测点在蒸发的过程中的两个蒸发时刻的含水率计算该监测点对应的土方区域在所述两个蒸发时刻之间的局部蒸发速率，关系式为：
（4）
其中为单个监测点所对应的土方的体积；/>为单个监测点在/>时刻的含水率；/>为单个监测点在/>时刻的含水率；/>为所述土方的干密度；/>为该监测点对应的土方区域的局部渗水速率。
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