CN211292887U - 一种坡面径流模拟装置 - Google Patents

Abstract

本新型涉及一种坡面径流模拟装置，包括供水系统、水槽和记录系统。其中水槽包括稳流段、消能段、闸门A、闸门B,其采用颗粒均匀的河砂有规律地排列在有机玻璃板上制造糙率板或3D打印技术自行设计糙率板，可以模拟多种坡面情况；用可升降的支架支撑整个水槽，水槽可以在支架上随意调节高度进而达到模拟不同坡度的目的；同时通过水槽前端设置稳流前池和消能区，缓解供水流量过大时带来的动能干扰。

Description

一种坡面径流模拟装置

技术领域

本新型涉及一种水流模拟装置，特别是一种坡面径流模拟装置及其使用方法。

背景技术

当前由于人类活动的影响，对流域坡面造成了人为干扰，从而对坡面流的形成及汇流过程产生较大影响，降雨与坡面径流的响应关系变得异常，加剧了暴雨、洪水的发生，并容易引发水文地质灾害，造成巨大的经济损失，因此对坡面径流的研究显得尤为重要。

现有技术中，对于坡面径流的研究主要是利用室内模拟装置，实验一般设置不同坡度的水槽，并在水槽内铺设用以模拟流域坡面状况的装置，通过人工放水或人工的降雨来模拟坡面水流，观察坡面水流的不同状况。而由于铺设材料的单一，无法模拟多种坡面状况。同时现有技术中在改变坡面坡度时，底部铺设的砂石或植被容易被水流冲刷，导致模拟结果产生较大的误差。专利CN C104535295B中采用坡度不可调的水平多段水槽进行模拟实验，并在实验段铺设多孔板，在多孔板上插设有仿真模型和塑料棒，并通过设置在高位的水箱送水。虽然其可以模拟多种状况的坡面环境，但其采用控制供水箱水位稳定的方式来控制供水流量，在出水口并未设置供水流量的检验装置，难以保证供水的准确性；同时其水槽内被分为三部分：平水段、下沉段和量水段，供水时进水装置水满后直接溢流进入平水段，当供水流量较大时，会产生较大的动能，给进入水槽的水流带来较强的干扰；并且水槽坡度唯一，难以模拟多种坡度下的坡面流；而其使用在多孔板上插入塑料棒或构筑物模型的方式进行坡面状况的模拟，虽然构筑物可以完全按照实物模型进行缩小，但是构筑物模型的糙率和实物的糙率之间的关系难以确定。

因此，亟需一种能模拟多种坡度及不同坡面环境的坡面径流模拟装置。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本新型提供一种坡面径流模拟装置，包括供水系统、水槽和记录系统，其中供水系统、水槽和记录系统组从右至左依次安装在支架上。

所述的供水系统包括水泵、变频器、电子流量计，电子流量计放置于水泵与水槽之间的输水管中，变频器控制水泵的驱动机构。

所述水槽包括稳流段、消能段、闸门A、闸门B,其中闸门A、闸门B之间形成实验段，且稳流段、消能段、闸门A、闸门B从供水系统侧依次从右向左布置，且所述的消能段与稳流段通过隔板隔开。

所述记录系统由流量观测装置和数据记录装置组成，流量观测装置由三角堰和水位自记装置组成，其中流量观测装置和数据记录装置通讯连接。

进一步地，所述消能段包括两块挡板和粗孔海绵，粗孔海绵放置于两块档板之间。

进一步地，所述消能段的两块挡板、隔板均设有小孔，且隔板的小孔、沿水流方向消能段的两块挡板的小孔依次减小。

进一步地，所述支架包括前支撑架和后支撑架，后支撑架上间隔设有通孔，可通过在不同高度固定螺丝来控制水槽使其呈现出不同的坡度。

进一步地，所述实验段内铺设糙率板以模拟自然的坡面状况，其中糙率板可拆卸的设置在水槽中。

进一步地，所述糙率板优选为布设沾有不同尺寸河砂的糙率板或3D打印有不同排列组合形状的糙率板。

进一步地，所述水槽为中空无盖矩形，且稳流段的前壁上设置有进水口，靠近闸门B的一端为敞口出水口。

进一步地，所述水位自记装置为三角堰外侧与堰连通的管道内置位移传感器。

进一步地，闸门A与消能段之间的水槽底部留有泄水口，实验段近闸门B 的设有排水口，泄水口、排水口均用橡胶塞堵住，且下方均放置接水桶，闸门 A、闸门B边缘有橡胶包裹。

进一步地，前支撑架通过电动升降螺杆控制升降，后支撑架固定在安装平面上。

进一步地，前支撑架通过气缸控制升降，后支撑架固定在安装平面上。

使用时：

1、选择目标糙率板放置在水槽中，通过调节支架将水槽调整到设计的坡度值；

2、打开水泵，向水槽供水，调节变频器，使供水流量达到设计流量值，并稳定5分钟；

3、若流量较小，则通过称重法对水流水深进行推算。具体步骤如下：实验水槽内水流稳定后同时落下实验水槽的两个闸门，同时打开闸门A外的泄水口，待闸门A外部水流流尽后，将闸门B附近的排水口打开，此时流入接水桶的全部水量即为实验区水量；对实验区的水量进行称重，根据公式W＝ρBLh即可求得h(上式中，W为水体重量，ρ为水的密度，L、B分别为水槽的长、宽， h为平均水深)；若流量很大，则通过水位测量仪对水槽内水位进行读取。

4、联立v＝ah^m-1、q＝vhB、

即可求得下垫面的曼宁糙率系数n(上式中，q为断面流量，v为断面平均流速，θ为坡度角，m为经验系数)。

5、根据多组实验数据，用指数方程推算地表糙度和曼宁糙率系数即水力糙率系数的关系。

本新型用颗粒均匀的河砂有规律地排列在有机玻璃板上制造糙率板，保证下垫面的均一性，且更容易计算地表粗糙度；用3D打印技术自行设计糙率板，可以更准确的获得坡面情况；用支架支撑整个水槽，水槽可以在支架上随意调节高度进而达到模拟不同坡度的目的。水槽前端设置稳流前池和消能区，缓解供水流量过大时带来的动能干扰。其能够实现模拟多种坡度及不同坡面环境的坡面径流。

附图说明

图1是本新型一种坡面径流模拟装置结构示意图；

图2是一种坡面径流模拟装置水槽结构示意图；

1-供水系统，2-支架A，3-水槽，4-三角堰，5-稳流段，6-消能段，7-闸门A，8-闸门B，9-出水口，10-进水口。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本新型的坡面径流模拟装置作进一步的详细描述。

如图1、2所示，一种坡面径流模拟装置，包括供水系统1、水槽3和记录系统组成，其中供水系统、水槽和记录系统组从右至左依次按照在支架2 上。

供水系统包括水泵、变频器、电子流量计。变频器和电子流量计前后放置于水泵与水槽之间的PVC管中，调节变频器数据，同时读取电子流量计数据即可知水泵当下的抽水流量。

实验水槽为中空无盖矩形，尺寸为3m×0.5m×0.3m(长×宽×高)，边壁光滑，从进水口到出水口，可以分为稳流段5(距离进水口约20cm)、消能段 6、闸门A7、闸门B8四部分，其中，闸门A7和闸门B8之间的区域为实验段。进水口10为一直径为63mm的圆形入口，为消除部分水流动能，在进水口10 与稳流前池间加入隔板，隔板尺寸为0.2m*0.2m，隔板上布设有均匀的孔径为 10mm的出水孔一，水流经出水孔一分散后，消除部分动能，进入消能段。消能段由两块挡板和粗孔海绵组成，粗孔海绵放置于两块档板之间，用以进一步消除水流动能，使其平稳的进入实验段。其中，近进水口挡板尺寸为0.5m*0.3m，均匀布设有直径为0.3m的孔A，近闸门A端的挡板尺寸也为0.5m*0.3m，均匀布设有直径为0.1m的孔B。消能段的作用是对水流完全消能，使水流平稳的进入实验段。闸门A、闸门B边缘有橡胶包裹。闸门A与消能段之间的水槽底部留有一个直径为30mm的泄水口。实验段近闸门B的地方留有一个直径为30mm的排水口。泄水口与排水口都用橡胶塞堵住，且下方放置接水桶。

整个水槽被支架2控制高度，支架包括前支撑架和后支撑架，前支架上每隔5cm设有小孔，可通过在不同高度固定螺丝来控制水槽使其呈现出不同的坡度。可替代的前支撑架通过电动升降螺杆控制升降，后支撑架固定在安装平面上。可替代的前支撑架通过气缸控制升降，后支撑架固定在安装平面上。

实验观测记录系统由流量观测装置和数据记录装置组成。流量观测装置由三角堰4和水位自记装置组成。水流经过水槽经出水口9最终流入三角堰，三角堰外侧留有与堰连通的管道，管道内置有位移传感器，实时监测三角堰的水位数据，传感器接有串口线，实时将位移传感器的水位数据传输至数据记录装置的存储卡中。

水槽内可以铺设糙率板以模拟自然的坡面状况。糙率板为可更换的活动薄板，与实验水槽并非一体。其尺寸与实验水槽内部完全吻合，可以完全嵌入实验水槽，为避免糙率板和实验水槽的接缝之间漏水，将糙率板放置进水槽后一般使用玻璃胶对接缝进行进一步的密封。出水口设有卡扣，更换糙率板时，掀开卡扣，用壁纸刀划开接缝处的玻璃胶即可轻松取下糙率板进行更换。

地表糙度指的是地表在比降梯度最大的方向上的起伏状况，与水力糙率是两个不同的概念，但是现有的研究表明二者之间存在指数关系。地表糙度的设计有两种，一种是布设沾有不同尺寸河砂的糙率板，选择的河砂粒径分别为 d＝1-2mm,2-4mm,4-6mm,8-10mm,12-15mm。一种是用3D打印方式打印出有不同排列组合形状的糙率板来进行坡面状况设置。这种设计方式与用塑料棒和构筑物模型相比，可控性更强，且由于形状简单，3D打印图形在设计时能完全获得表面起伏程度，因此能更容易确定地表粗糙率。

由于有机玻璃板不会产生下渗，因此当供水稳定时，流入实验水槽的水流流量与出水口流出水流流量一致。选择某一固定的供水流量，使流量计数值稳定在设计流量至少5分钟，通过稳定时的三角堰水位，根据三角堰水位流量公式计算出流流量，若由三角堰水位数据计算出的流量与设计的供水流量一致，则认为供水准确，若三角堰水位数据能保持与水位计相同的稳定时间，则认为供水稳定。

使用时：

1、选择目标糙率板放置在水槽中，通过调节支架将水槽调整到设计的坡度值；

2、打开水泵，向水槽供水，调节变频器，使供水流量达到设计流量值，并稳定5分钟；

3、若流量较小，则通过称重法对水流水深进行推算。具体步骤如下：实验水槽内水流稳定后同时落下实验水槽的两个闸门，同时打开闸门A外的泄水口，待闸门A外部水流流尽后，将闸门B附近的排水口打开，此时流入接水桶的全部水量即为实验区水量；对实验区的水量进行称重，根据公式W＝ρBLh即可求得h(上式中，W为水体重量，ρ为水的密度，L、B分别为水槽的长、宽， h为平均水深)；若流量很大，则通过水位测量仪对水槽内水位进行读取。

4、联立v＝ah^m-1、q＝vhB、

即可求得下垫面的曼宁糙率系数n(上式中，q为断面流量，v为断面平均流速，θ为坡度角，m为经验系数)。

5、根据多组实验数据，用指数方程推算地表糙度和曼宁糙率系数即水力糙率系数的关系。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本本新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种坡面径流模拟装置，包括供水系统、水槽和记录系统，其特征在于：供水系统、水槽和记录系统从右至左依次安装在支架上，所述的供水系统包括水泵、变频器、电子流量计，电子流量计放置于水泵与水槽之间的输水管中，变频器控制水泵的驱动机构，所述水槽包括稳流段、消能段、闸门A、闸门B,其中闸门A、闸门B之间形成实验段，且稳流段、消能段、闸门A、闸门B从供水系统侧依次从右向左布置，且所述的消能段与稳流段通过隔板隔开，所述记录系统由流量观测装置和数据记录装置组成，流量观测装置由三角堰和水位自记装置组成，其中流量观测装置和数据记录装置通讯连接，所述消能段包括两块挡板和粗孔海绵，粗孔海绵放置于两块档板之间,所述实验段内铺设糙率板，其中糙率板可拆卸的设置在试验段，所述糙率板为布设沾有不同尺寸河砂的糙率板或3D打印有不同排列组合形状的糙率板。

2.根据权利要求1所述的一种坡面径流模拟装置，其特征在于：所述隔板、消能段的两块挡板均设有小孔，且隔板的小孔、沿水流方向消能段的两块挡板的小孔依次减小。

3.根据权利要求1所述的一种坡面径流模拟装置，其特征在于：所述支架包括前支撑架和后支撑架，后支撑架上间隔设有通孔，可通过在不同高度固定螺丝来控制水槽使其呈现出不同的坡度。

4.根据权利要求1所述的一种坡面径流模拟装置，其特征在于：所述水槽为中空无盖矩形，且稳流段的前壁上设置有进水口，靠近闸门B的一端为敞口出水口。

5.根据权利要求4所述的一种坡面径流模拟装置，其特征在于：所述水位自记装置为三角堰外侧与堰连通的管道内置位移传感器。

6.根据权利要求5所述的一种坡面径流模拟装置，其特征在于：闸门A与消能段之间的水槽底部留有泄水口，实验段近闸门B端底部设有排水口，泄水口、排水口均用橡胶塞堵住，且下方均放置接水桶，闸门A、闸门B边缘有橡胶包裹。

7.根据权利要求2所述的一种坡面径流模拟装置，其特征在于：所述支架包括前支撑架和后支撑架，前支撑架通过电动升降螺杆控制升降，后支撑架固定在安装平面上。

8.根据权利要求2所述的一种坡面径流模拟装置，其特征在于：所述支架包括前支撑架和后支撑架，前支撑架通过气缸控制升降，后支撑架固定在安装平面上。

Images