CN110424323A - 一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统属于特设渠道量水建筑物、渠系灌溉调度优化、生态渠道设计、衬砌渠道糙率系数、渠道流速分布规律、管渠联合工作等技术领域，包括水泵机组、固定钢架、稳水供水箱、干渠、回流池、次渠道、储水箱、支渠、测压管排、回流管、供水管、稳水板、渠系水工建筑物、测压孔、比降板、矩形堰、支渠集水池、流速仪、水位测筒装置和数据采集终端。本发明具有集成工作、多维调控、多项研究同时进行等诸多优点，可以开展的科学研究内容有：1、特设渠道量水建筑物，2、渠系灌溉调度优化，3、生态渠道设计，4、衬砌渠道糙率系数，5、渠道流速分布规律，6、管渠联合工作。
Description
技术领域
本发明属于特设渠道量水建筑物、渠系灌溉调度优化、生态渠道设计、衬砌渠道糙率系数、渠道流速分布规律、管渠联合工作等技术领域，特别是涉及到一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统。
背景技术
目前，开展特设渠道量水建筑物、渠系灌溉调度优化、生态渠道设计、衬砌渠道糙率系数、渠道流速分布规律、管渠联合工作等方面的研究主要采用灌区渠系原型观测、科研机构模型试验、数值模拟等方式方法，但因研究成本、研究条件、外界气候等因素导致以上研究中的两项或两项以上内容不能同时开展，试验受限；同时，也导致更多的经费投入和场地占用。尤其是分别开展各项研究内容导致研究工况不一致，研究结果可能存在较大误差，且不利于分析比较，不易在同一尺度下开展研究。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，该系统能够用于特设渠道量水建筑物、渠系灌溉调度优化、生态渠道设计、衬砌渠道糙率系数、渠道流速分布规律、管渠联合工作等方面科学研究，用来解决现有技术中研究成本、研究条件、外界气候等因素导致以上研究中的两项或两项以上内容不能同时开展，研究工况不一致，不易在同一尺度下开展研究的技术问题。
一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，包括水泵机组、固定钢架、稳水供水箱、干渠、回流池、次渠道、储水箱、支渠、测压管排、回流管、供水管、稳水板、渠系水工建筑物、测压孔、比降板、矩形堰、支渠集水池、流速仪、水位测筒装置和数据采集终端，
所述固定钢架的一侧固定安装稳水供水箱，固定钢架的另一侧由上至下依次固定安装干渠、回流池和储水箱；所述水泵机组置于储水箱中，水泵机组的供电线与单孔分控电源连接，水泵机组的出水管通过供水管与稳水供水箱的下部固定连接；所述供水管的一端与储水箱固定连接，供水管的另一端延伸至稳水供水箱的内底部；所述稳水供水箱的上部与干渠的进水端连通，稳水供水箱的中部设置有稳水板；
所述干渠的侧壁连接有复数个支渠，干渠与支渠的连接口处设置有分水闸板，干渠和支渠的内部均设置有渠道量水建筑物或渠系水工建筑物，干渠和支渠的内底部均设置有测压孔，干渠的尾部底面设置有干渠出水口；所述测压孔通过胶管与测压管排连接；所述支渠的尾部底面设置有支渠出水口；所述干渠出水口和支渠出水口的上部均设置有比降板，干渠出水口与回流池连接；所述支渠出水口连接支渠集水池；所述支渠集水池通过回流管与储水箱连接；所述矩形堰安装于回流池的尾部，水流经矩形堰后通过回流池出水口流回储水箱；所述回流池的内部设置有稳水板；
所述流速仪设置在干渠和/或支渠的内部；
所述水位测筒装置架设在干渠和/或支渠的边壁一侧；
所述数据采集终端通过数据线与流速仪连接。
所述比降板包括调节杆和带孔的有机玻璃板；所述调节杆的两端分别与干渠的两侧壁固定连接；所述有机玻璃板的一端通过销轴与干渠的内底部连接，有机玻璃板的另一端通过绞线与调节杆连接。
所述渠道量水建筑物包括量水槽和量水堰。
所述渠系水工建筑物包括闸门、涵洞和渡槽。
所述干渠和支渠边壁均粘贴衬砌材料或绿色植被。
所述回流管上设置有阀门。
所述供水管上安装有流量调节阀门。
所述支渠的内部设置有拆卸式管道。
所述管道通过固定管道板固定在支渠的内部，管道的底部设置有管道底孔并且管道底孔与支渠底部的一列测压孔一一对应布置。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统能够有效降低研究成本、操作简单，具有集成工作、多维调控、多项研究同时进行等诸多优点，可以开展的科学研究内容有：1、特设渠道量水建筑物，2、渠系灌溉调度优化，3、生态渠道设计，4、衬砌渠道糙率系数，5、渠道流速分布规律，6、管渠联合工作。
本发明既有利于提高水资源的利用率，也有利于节约水资源，可开展的糙率研究有利于降低工程造价，生态渠道也符合环境保护的需求，有助于农业可持续发展，有助于灌区现代化进程，有助于和谐社会建设。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统的结构示意图。
图2为本发明一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统的横断面图。
图3为本发明一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统的3个支渠图。
图4本发明一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统的固定钢架结构示意图。
图5为本发明一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统的比降板结构示意图。
图6为本发明一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统的回流池结构示意图。
图7为本发明一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统中安装管道的支渠结构示意图。
图8为本发明一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统中支渠集水池的结构示意图。
图中1-水泵机组、2-固定钢架、3-稳水供水箱、4-干渠、5-回流池、6-储水箱、7-支渠、8-测压管排、9-回流管，10-供水管、11-稳水板、12-水工建筑物、13-测压孔、14-比降板、15-矩形堰、16-支渠集水池、17-分水闸板、18-干渠出水口、19-支渠出水口、20-回流池出水口、21-调节杆、22-有机玻璃板、23-管道、24-固定管道板、25-管道底孔、26-支渠Ⅰ、27-支渠Ⅱ、28-支渠Ⅲ、29-流速仪、30-阀门。
具体实施方式
如图所示，一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，包括水泵机组1、固定钢架2、稳水供水箱3、干渠4、回流池5、次渠道5、储水箱6、支渠7、测压管排8、回流管9、供水管10、稳水板11、渠系水工建筑物12、测压孔13、比降板14、矩形堰15、支渠集水池16、流速仪29、水位测筒装置和数据采集终端，
所述固定钢架2的一侧固定安装稳水供水箱3，固定钢架2的另一侧由上至下依次固定安装干渠4、回流池5和储水箱6；所述水泵机组1置于储水箱6中，水泵机组1的供电线与单孔分控电源连接，水泵机组1的出水管通过供水管10与稳水供水箱3的下部固定连接；所述供水管10的一端与储水箱6固定连接，供水管10的另一端延伸至稳水供水箱3的内底部；所述稳水供水箱3的上部与干渠4的进水端连通，稳水供水箱3的中部设置有稳水板11；所述供水管10上安装有流量调节阀门。
所述干渠4的侧壁连接有复数个支渠7，干渠4与支渠7的连接口处设置有分水闸板17，干渠4和支渠7的内部均设置有渠道量水建筑物或渠系水工建筑物12，干渠4和支渠7的内底部均设置有测压孔13，所述干渠4和支渠7边壁均可粘贴不同的衬砌材料或绿色植被。干渠4的尾部底面设置有干渠出水口18；所述测压孔13通过胶管与测压管排8连接；所述支渠7的尾部底面设置有支渠出水口19；所述干渠出水口18和支渠出水口19的上部均设置有比降板14，干渠出水口18与回流池5连接；所述比降板14包括调节杆21和带孔的有机玻璃板22；所述调节杆21的两端分别与干渠4的两侧壁固定连接；所述有机玻璃板22的一端通过销轴与干渠4的内底部连接，有机玻璃板22的另一端通过绞线与调节杆21连接；所述支渠出水口19连接支渠集水池16；所述支渠集水池16通过回流管9与储水箱6连接；所述回流管9上设置有阀门30。阀门30用于调节支渠集水池16的流量。所述矩形堰15安装于回流池5的尾部，水流经矩形堰15后通过回流池出水口20流回储水箱6；所述回流池5的内部设置有稳水板11；所述支渠7的内部设置有拆卸式管道23；所述管道23通过固定管道板24固定在支渠7的内部，管道23的底部设置有管道底孔25并且管道底孔25与支渠7底部的一列测压孔13一一对应布置。
所述流速仪29根据需求设置在干渠4和/或支渠7的内部；
所述水位测筒装置根据需求架设在干渠4和/或支渠7的边壁一侧；
所述数据采集终端通过数据线与流速仪29连接。
所述渠道量水建筑物包括量水槽和量水堰。
所述渠系水工建筑物12包括闸门、涵洞和渡槽。
本发明所揭示了集测量压力水头分布、流速变化规律、管渠结合，联合工作、渠道糙率系数研究、水工建筑物测流研究，特设量水槽研究、生态渠道规划设计。既可以提高灌区水资源的利用率，又节约了珍贵的水资源，为灌区的水资源持续发展起到了关键作用，有助于现代化程度的提高。
操作过程：首先按照图4焊接好固定钢架2，接下来是将由有机玻璃制作的稳水供水箱3、干渠4、回流池5、储水箱6、支渠7等如图1所示安装在固定钢架2上。支渠7设置三个，分别为支渠Ⅰ26、支渠Ⅱ27和支渠Ⅲ28。渠道的形成过程中渠道由水泵机组1抽水，通过供水管10进入稳水供水箱3，水在稳水供水箱3通过稳水板11稳水后进入干渠4，干渠4通过特设渠道量水建筑物或水工建筑物12如：量水槽、农门、闸门等的替换，用于进行水工建筑物12量水槽、农门、闸门上下游水位、断面流速分布测定，用贝叶斯网络大数据分析其分布规律寻找其水头损失影响因素。再由干渠4分别进入支渠Ⅰ26、支渠Ⅱ27和支渠Ⅲ28，支渠Ⅰ26、支渠Ⅱ27和支渠Ⅲ28的末端均连接支渠集水池16，并通过与支渠集水池16连接的回流管9流入储水箱6。
所述的支渠Ⅰ26完成压力水头分布规律、流速变化规律，即可加入管渠结合实验，其中管道23以及固定管道板24是可拆卸结构，我们需要做管渠结合实验时我们安装，不需要了可拆卸掉管道23以及固定管道板24。
所述的管道底孔25和支渠Ⅰ26底部中间一列的测压孔13对应布置。
所述的支渠集水池16通过单位时间测量支渠7的单位流量。
Q＝ΔV/T
其中，Q为流量，单位为m3/s；T为秒表记录的时间，单位为s；ΔV为单位体积差，单位为m3。
干渠4尾部的水通过干渠出水口18流入到回流池5，在回流池5内的稳水板11稳水后通过矩形堰15进行流量测量，堰上水头H与通过流量存在关系，即具有稳定的水位流量关系，其水位流量Q的计算公式为：
其中，m0为流量系数；b为堰宽，单位为m；g表示重力加速度，取值为9.8m/s2；H为堰上水头，单位为m。
流量系数m0的计算公式：
式中H为堰上水头，单位为m；P为堰高，单位为m；B为堰宽，单位为m；b为堰宽，单位为m。
其中，还可以通过查找矩形堰15的水位流量对应表查找堰上水头H对应的流量。在回流池5的尾部再通过回流池出水口20流入储水箱6，达到一整个试验的循环。
本发明功能如下：特设渠道量水建筑物、渠系灌溉调度优化、生态渠道设计、衬砌渠道糙率系数、渠道流速分布规律、管渠联合工作。
功能一、特设渠道量水建筑物研究
特设渠道量水建筑物主要指用来测量渠道流量的特设建筑物，通常包括量水槽、量水堰等。将树脂材料通过3D打印技术制作成试验需要的特设渠道量水建筑物，固定建筑物于干渠4，并将分水闸板17关闭，开启水泵机组1，利用单孔分控电源和供水管10上的流量调节阀门改变试验流量，在每一个流量稳定的情况下，利用水位测筒装置测量特设渠道量水建筑物上下游水位，利用测压孔13、测压管排8以及胶管测量渠道水面线，利用流速仪29和数据采集终端测量特设渠道量水建筑物上下游流速数据，利用比降板14改变渠道水面线，水泵供水经干渠出水口18至回流池5，再经矩形堰15后流回储水箱6，矩形堰15上游经水位测筒装置确定水位，从而计算试验供水流量，采集不同流量条件下的数据即可完成一组试验，更换多组不同参数的特设渠道量水建筑物采集试验数据，直至满足研究需要。
功能二、渠系灌溉调度优化研究
渠系灌溉调度优化是通过试验和数据分析等方法给出渠道系统内各渠道在作物不同生育期的灌溉流量，做到灌溉时间最短，从而蒸发和渗漏损失最小化。首先根据灌溉分区需要设置不同的支渠7，支渠的断面尺寸根据控制灌溉面积确定，根据支渠7的数量和作物生育阶段做正交试验设计，关闭各支渠的分水闸板17，启动水泵机组1向干渠4供水，矩形堰15和供水管10上的流量调节阀门配合改变供水流量为试验设计流量，而后依据试验设计方案调节各支渠7的分水闸板17至设计开度，同时分别开启秒表记录干渠4和各支渠7供水时间，各渠道供水稳定后分别量测供水流量,采集各渠道灌溉流量数据即可完成一组试验，更换多组不同正交设计的供水方案试验数据，直至满足研究需要。
功能三、生态渠道设计研究
由于大量防渗衬砌材料的使用，我国灌区的灌溉水利用系数得以提高，但同时，衬砌渠道的建设导致大面积的灌区植被破坏，这引发了水土流失、土壤盐碱化、温室效应等诸多的环境问题。在开展功能一和功能二时均可开展功能三研究，采用多种不同水生植被绿化干渠4的渠壁，并结合不同渠壁衬砌结构形式开展正交试验设计，测量渠道尺寸不变的情况下不同植被和衬砌结构对渠道流量的影响，指导生态渠道设计。
功能四、渠道糙率系数研究
现阶段，我国渠道工程设计糙率系数通常选用经验值，然而，随着建筑材料制造工艺和水利工程施工水平的不断提高，以往的经验值显然偏大，而且糙率系数是随着工程运行时间不断变化的，糙率系数的大小直接影响工程造价，其重要性不言而喻。在开展功能一、功能二、功能三时均可开展功能四研究，
在开展功能一、功能二研究时可改变干渠4、支渠Ⅰ26、支渠Ⅱ27以及支渠Ⅲ28渠壁的粗糙程度，即在侧壁及有机玻璃板上贴不同粗糙的材料进行渠道糙率系数研究，这些渠壁材料可以通过冻融试验机模拟过冬条件，从而实现对糙率系数随时间变化的规律研究。另外，在开展功能三研究时，可以测定不同植被、不同衬砌结构条件下渠道的糙率系数。
糙率系数计算公式如下：
A＝(b+mh)h
V＝Q/A
其中：Q为渠道设计流量，单位m3/s；V为渠道平均流速，单位m/s；A为渠道过水断面面积，单位m2；C为谢才系数，单位m0.5/s；R为水利半径，单位m；i为渠道比降；n为渠道糙率系数；b为底宽，单位m；m为边坡系数；h为水深，单位m；P为湿周，单位m。
功能五、渠道流速分布规律
在开展功能一、功能二、功能三、功能四时均可开展功能五研究，等待渠道水流稳定后，应用光电流速仪29采用六点法测量点流速，即在供水渠道断面每条垂线H上,分别测量0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、1.0H位置的流速，根据每个点位置测得次数计算点平均流速，如： 垂线平均流速开展功能一、功能二、功能三、功能四研究时改变渠道流量、温度、含沙量、量水槽的收缩比、渠道比降、障碍物沉降等参数进行控制变量，并记录流速值，采取贝叶斯网络等方法分析流速变化规律。
功能六、管渠结合，联合工作方式
在开展功能一、功能二、功能三、功能四、功能五时均可开展功能六研究，在干渠4进行支渠7供水时，将支渠7变为管道23，以减小蒸发量、渗漏量，管渠结合充分利用这一特性，使其更有效的利用水资源。
Claims (9)
1.一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，其特征是：包括水泵机组(1)、固定钢架(2)、稳水供水箱(3)、干渠(4)、回流池(5)、次渠道(5)、储水箱(6)、支渠(7)、测压管排(8)、回流管(9)、供水管(10)、稳水板(11)、渠系水工建筑物(12)、测压孔(13)、比降板(14)、矩形堰(15)、支渠集水池(16)、流速仪、水位测筒装置和数据采集终端，
所述固定钢架(2)的一侧固定安装稳水供水箱(3)，固定钢架(2)的另一侧由上至下依次固定安装干渠(4)、回流池(5)和储水箱(6)；所述水泵机组(1)置于储水箱(6)中，水泵机组(1)的供电线与单孔分控电源连接，水泵机组(1)的出水管通过供水管(10)与稳水供水箱(3)的下部固定连接；所述供水管(10)的一端与储水箱(6)固定连接，供水管(10)的另一端延伸至稳水供水箱(3)的内底部；所述稳水供水箱(3)的上部与干渠(4)的进水端连通，稳水供水箱(3)的中部设置有稳水板(11)；
所述干渠(4)的侧壁连接有复数个支渠(7)，干渠(4)与支渠(7)的连接口处设置有分水闸板(17)，干渠(4)和支渠(7)的内部均设置有渠道量水建筑物或渠系水工建筑物(12)，干渠(4)和支渠(7)的内底部均设置有测压孔(13)，干渠(4)的尾部底面设置有干渠出水口(18)；所述测压孔(13)通过胶管与测压管排(8)连接；所述支渠(7)的尾部底面设置有支渠出水口(19)；所述干渠出水口(18)和支渠出水口(19)的上部均设置有比降板(14)，干渠出水口(18)与回流池(5)连接；所述支渠出水口(19)连接支渠集水池(16)；所述支渠集水池(16)通过回流管(9)与储水箱(6)连接；所述矩形堰(15)安装于回流池(5)的尾部，水流经矩形堰(15)后通过回流池出水口(20)流回储水箱(6)；所述回流池(5)的内部设置有稳水板(11)；
所述流速仪设置在干渠(4)和/或支渠(7)的内部；
所述水位测筒装置架设在干渠(4)和/或支渠(7)的边壁一侧；
所述数据采集终端通过数据线与流速仪连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，其特征是：所述比降板(14)包括调节杆(21)和带孔的有机玻璃板(22)；所述调节杆(21)的两端分别与干渠(4)的两侧壁固定连接；所述有机玻璃板(22)的一端通过销轴与干渠(4)的内底部连接，有机玻璃板(22)的另一端通过绞线与调节杆(21)连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，其特征是：所述渠道量水建筑物包括量水槽和量水堰。
4.根据权利要求1所述的一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，其特征是：所述渠系水工建筑物(12)包括闸门、涵洞和渡槽。
5.根据权利要求1所述的一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，其特征是：所述干渠(4)和支渠(7)边壁均粘贴衬砌材料或绿色植被。
6.根据权利要求1所述的一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，其特征是：所述回流管(9)上设置有阀门。
7.根据权利要求1所述的一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，其特征是：所述供水管(10)上安装有流量调节阀门。
8.根据权利要求1所述的一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，其特征是：所述支渠(7)的内部设置有拆卸式管道(23)。
9.根据权利要求8所述的一种用于实验室的多功能、多维度渠系科研试验系统，其特征是：所述管道(23)通过固定管道板(24)固定在支渠(7)的内部，管道(22)的底部设置有管道底孔(25)并且管道底孔(25)与支渠(7)底部的一列测压孔(13)一一对应布置。
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