專利名稱：確定植被河床底部阻力系統及確定方法
技術領域：
本發明涉及的是一種確定植被河床底部阻力系統及確定方法，屬于環境水力學技術領域。
背景技術：
城市是一個地區經濟、政治、文化發展的中心地帶，在人類發展歷程中占據重要地位。隨著我國社會經濟的持續發展，城市化進程也越來越快，目前我國城市化水平已接近50%。流經城市的天然以及人工河道，是水動力系統中物質循環的重要通道，在城市的規劃、建立、發展過程中發揮著重要作用。而城市現代化建設過程中，人們迫切需要實現與河流的和諧相處，“水安全、水環境、水景觀、水文化、水經濟”五位一體的城市水生態模式愈來愈被倡導，因此對現代城市河道的規劃設計也提出更高的要求。植被為水生生物提供棲息之地，此外也增加行洪阻力，改變泥沙運動規律，影響污染物的擴散輸移，是城市河流動力系統中至關重要的影響因子。為滿足五位一體的城市水生態模式要求，現代城市河道規劃設計越來越重視水生植被的作用，常在河道床面種植各種各樣的植被。城市河道規劃設計主要是根據行洪量來確定河道斷面尺寸和底坡，而在考慮行洪阻力時，目前還沒有專門針對含植被河道的設計手冊，主要依靠對植被疏密程度的定性判斷來進行糙率的修正。此外，目前國內外關于含植被河道阻力問題的研究主要側重于植被產生的阻力，極少關注河床底部的阻力，甚至認為其相對于植被阻力，可忽略不計。這在植被非常密集的河道中是可以接受的，但在大多數城市河道中，植被的種植密度往往不是非常大，此時必須考慮河床底部阻力。可見，城市河道的規劃設計如果不采用專門的植被河床底部阻力確定方法，出現的主要問題有:
1)行洪阻力計算不準確，過高預估行洪能力，增加城市河道行洪風險，易導致發生洪澇災害； 2)河床底部阻力與泥沙運動密切相關，對其估算不準確容易造成泥沙淤積，降低河道過流能力；
3)忽略河床底部阻力，將導致對植被阻力計算產生偏差，從而錯誤預估水流對污染物的擴散輸移能力，增大城市河道污染風險。
發明內容
本發明提出的是一種確定植被河床底部阻力的系統及方法，其目的旨在克服現有城市河道規劃設計中存在出現的上述的主要問題。利用水力學阻力理論知識，科學合理地實現對植被河床底部阻力的計算，填補含植被河道阻力研究領域的空白，同時也為城市河道規劃設計提供技術支撐。本發明的技術解決方案:一種確定植被河床底部阻力的系統，其特征是包括用于模擬城市河道的循環可變坡水槽系統，模擬植被固定系統，物理量測量系統；
所述的用于模擬城市河道的循環可變坡水槽系統，其結構包括水庫、抽水管道、變頻泵、平水格柵、上游支撐、下游支撐、尾門、泄水池、回水廊道以及水槽，其中抽水管道的一端接入水庫，抽水管道的另一端與超聲波流量計的一端相接，超聲波流量計的另一端相接變頻泵的一端，變頻泵的一端接入水槽，水槽通過尾門與泄水池相通，泄水池通過回水廊道與水庫相通，水槽內裝有平水格柵，水槽長12m，寬0.42m，高0.70m,水槽兩側為玻璃邊壁，水槽底部鋪設大理石板，水槽上、下游設有上游支撐、下游支撐，上游支撐7固定不可調，上游支撐距上游進水口 2m ;下游支撐可調，下游支撐距下游出水口 3.5m ;下游支撐上設有齒輪和升降螺桿用以調節底坡；工作時，水流經變頻泵工作后抽入水槽，平水格柵用于矯正水流流向，水流經過尾門進入泄水池，然后由回水廊道返回水庫I實現循環；
所述的模擬植被固定系統，是用以模擬種植于城市河道的植被，為使植被植入實驗水槽，選擇有密集鉆孔的塑料板為載體；設計若干個植被插入塑料板上的鉆孔內；再將塑料板置入水槽，即實現了水槽中植被的植入；
所述的物理量測量系統，其所需測量的基本物理量包括流量、水位以及底坡；
其中流量是設計時必須考慮的參量，為精確起見，選擇使用超聲波流量計進行流量的測量；
所述的水位是根據設計需要，在水槽側壁布置刻度尺，精度為Imm ；
底坡是通過水準儀來確定水槽底坡；具體做法包括I)對水槽進行率定，利用水準儀將水槽設定為平坡；2)分別記錄平坡與設計工況下水槽下游末端間的差Λ A，且水槽上游固定支架與水槽下游末端間的距離為Ζ，則底坡為Λ Α/Ζ。一種植被河床底部阻力的確定方法，包括如下步驟:
1)依據設計的植被排列方式將模擬植被插入塑料板孔內，從而形成植被帶，然后將插有植被的塑料板放置于水槽底部；
2)通過調節變頻泵控制來流流量使其等于設計流量Q，
3)通過反復調節尾門和升降螺桿直至達到設計水深的深度Α，計算出相應底坡i;
4)根據植被的數量以及水體體積計算出植被所占水體體積比η；
5)關閉變頻泵，將插在塑料板上的植被全部移除；重新開啟變頻泵并控制流量A通過調節尾門和升降螺桿直至水深的深度A (1- n )，計算相應底坡iB ；
6)計算河床底部阻力；總底坡為i的含植被明渠均勻流，總底坡i可看作由兩部分疊加而成:僅由植被導致的底坡以及僅由床面導致的底坡厶;所以有:
權利要求
1.一種確定植被河床底部阻力的系統，其特征是包括用于模擬城市河道的循環可變坡水槽系統，模擬植被固定系統，物理量測量系統； 所述的用于模擬城市河道的循環可變坡水槽系統，其結構包括水庫、抽水管道、變頻泵、平水格柵、上游支撐、下游支撐、尾門、泄水池、回水廊道以及水槽，其中抽水管道的一端接入水庫，抽水管道的另一端與超聲波流量計的一端相接，超聲波流量計的另一端相接變頻泵的一端，變頻泵的一端接入水槽，水槽通過尾門與泄水池相通，泄水池通過回水廊道與水庫相通，水槽內裝有平水格柵，水槽長12m，寬0.42m，高0.70m,水槽兩側為玻璃邊壁，水槽底部鋪設大理石板，水槽上、下游設有上游支撐、下游支撐，上游支撐7固定不可調，上游支撐距上游進水口 2m ;下游支撐可調，下游支撐距下游出水口 3.5m ;下游支撐上設有齒輪和升降螺桿用以調節底坡；工作時，水流經變頻泵工作后抽入水槽，平水格柵用于矯正水流流向，水流經過尾門進入泄水池，然后由回水廊道返回水庫I實現循環； 所述的模擬植被固定系統，是用以模擬種植于城市河道的植被，為使植被植入實驗水槽，選擇有密集鉆孔的塑料板為載體；設計若干個植被插入塑料板上的鉆孔內；再將塑料板置入水槽 ，即實現了水槽中植被的植入； 所述的物理量測量系統，其所需測量的基本物理量包括流量、水位以及底坡； 所述的流量是設計時必須考慮的參量，為精確起見，選擇使用超聲波流量計進行流量的測量； 所述的水位是根據設計需要，在水槽側壁布置刻度尺，精度為Imm ； 所述的底坡是通過水準儀來確定水槽底坡；具體做法包括I)對水槽進行率定，利用水準儀將水槽設定為平坡；2)分別記錄平坡與設計工況下水槽下游末端間的差ΛΑ，且水槽上游固定支架與水槽下游末端間的距離為Z，則底坡為Λ h/L。
2.一種植被河床底部阻力的確定方法，其特征是該方法包括如下步驟: 1)依據設計的植被排列方式將模擬植被插入塑料板孔內，從而形成植被帶，然后將插有植被的塑料板放置于水槽底部； 2)通過調節變頻泵控制來流流量使其等于設計流量認 3)通過反復調節尾門和升降螺桿直至達到設計水深的深度A，計算出相應底坡i; 4)根據植被的數量以及水體體積計算出植被所占水體體積比η； 5)關閉變頻泵，將插在塑料板上的植被全部移除；重新開啟變頻泵并控制流量A通過調節尾門和升降螺桿直至水深的深度A (1- n )，計算相應底坡iB ； 6)計算河床底部阻力；總底坡為i的含植被明渠均勻流，總底坡i可看作由兩部分疊加而成:僅由植被導致的底坡以及僅由床面導致的底坡厶;所以有: — γ+ ￡(I) 以控制體積為Λ^XAXA的水體為研究對象,其中A為水槽寬度,該部分水體受到自重沿水流方向的分量G，植被對該部分水體的阻力4，以及床面對該部分水體的阻力由力的平衡可得: Fq — Fw +Fb(2) AxXBXh的水體中植被占有體積，實際水體有效體積為因此表示為: Fg = pgikB Ax (1- Tj)(3) 其中P為水體密度，g為重力加速度:Fv = pgivkBAx(l-η)(4) 在僅有床面作用的情況下，由于沒有了植被所占的體積，假定等效水深為A1，則有 Pb = PgJsA1-SAx(5) 結合式(I) 式(5)，可得 A ' = A(1- )(6) 則在實際實驗中，只需進行水深為A的含植被均勻流水槽實驗以及水深為A1的無植被均勻流水槽實驗，即可得植被河床底部阻力及其占總水流阻力的比重，其中: 單位河床面 積上的植被河床底部阻力為#4(1-幻;其占總水流阻力的比重為4盧。
全文摘要
本發明是確定植被河床底部阻力的系統及方法，系統結構包括用于模擬城市河道的循環可變坡水槽系統、模擬植被固定系統和物理量測量系統；確定方法包括1)形成植被帶、將插有植被的塑料板放置于水槽底部；2)通過調節變頻泵控制來流流量；3)計算出相應底坡；4)計算出植被所占水體體積比；5)關閉變頻泵，移除塑料板上的植被，重新開啟變頻泵并控制來流流量；6)計算出相應底坡。優點1)通過可變坡循環水槽系統，可模擬不同水力條件的城市河道；2)通過植被固定系統，可模擬天然實際存在的不同種類植被，做到植被的不同排列方式、不同植被密度的模擬；3)得出不同水力條件下植被河床底部阻力，為相關城市提供了河道規劃設計規范。
文檔編號E02B1/02GK103243676SQ20131018879
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月21日 優先權日2013年5月21日
發明者唐洪武, 田志軍, 閆靜, 呂升奇 申請人:河海大學