确定城市生态河道水流阻力的模拟系统及水流阻力计算方法与流程

本发明涉及环境水力学技术领域，具体涉及一种确定城市生态河道水流阻力的模拟系统及水流阻力计算方法。

背景技术：

生态化是现代城市河道规划设计的趋势。在河道人工种植水生植物从而形成滨岸植被带，是构建城市生态河道的重要措施之一。

城市生态河道的规划设计主要根据行洪量来确定河道断面尺寸和底坡，而在考虑行洪阻力时，目前还没有专门针对城市生态河道水流阻力的设计手册，主要根据植被疏密程度对河道糙率进行定性调整。

城市生态河道水流阻力计算不准确，容易错误估计河道行洪能力，增加河道行洪风险，导致城市发生洪涝灾害。

技术实现要素：

本发明提供了一种确定城市生态河道水流阻力的模拟系统及水流阻力计算方法，利用环境水利学理论知识以及力矩平衡原理，科学合理地实现对城市生态河道水流阻力的精确计算确定，为城市生态河道的规划设计提供技术支持。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供了一种确定城市生态河道水流阻力的模拟系统，包括城市生态河道模拟系统和河道水流阻力测量系统，所述城市生态河道模拟系统包括模拟城市生态河道和模拟植被带，所述模拟植被带置于所述模拟城市生态河道中；

所述模拟城市生态河道包括水库、抽水管道、变频泵、超声波流量计和水槽，所述抽水管道的一端插入水库，抽水管道的另一端通过超声波流量计与所述变频泵的一端连接，所述变频泵的另一端接入水槽，所述水槽通过回水廊道与水库相通；

所述模拟植被带包括塑料板、模拟植被、铆钉和螺纹连接件，其中，其中，铆钉插入带有密集钻孔的塑料板，模拟植被与铆钉末端绑扎连接形成植被带，塑料板中心位置设有螺纹连接件，塑料板通过螺纹连接件与所述河道水流阻力测量系统固定连接；

所述河道水流阻力测量系统包括杠杆、定滑轮和盛水容器，所述杠杆底端设有螺纹，所述螺纹与所述塑料板中心位置处的螺纹连接件匹配，实现所述植被带与杠杆的固定，杠杆的顶端设有圆孔，所述定滑轮的一端通过杠杆顶端的圆孔与杠杆固定连接，所述定滑轮的另一端与盛水容器连接，整个杠杆的高度方向上每隔一段距离均设有钻孔，将直径略小于钻孔直径的铁棒插入钻孔作为杠杆支点，将铁棒置于带有固定装置的水槽顶端，以调节植被带进入水中的深度。

本发明的有益效果为：通过建立城市生态河道模拟系统以及基于力矩平衡原理建立河道水流阻力测量系统，结合水力学阻力理论知识得出不同水力条件下的水流阻力，并利用力矩平衡原理计算水流阻力，方便精确，填补了城市生态河道水流阻力研究的空白，为城市生态河道规划设计提供技术支持。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，所述模拟植被以塑料板中心线对称排列。

所述进一步的有益效果为：模拟植被以塑料板中心线对称排列，能够最大限度的消除植被自重对水力阻力测量系统的影响。

进一步的，所述盛水容器为铝制容器。

为解决本发明的技术问题，还提供了一种确定城市生态河道水流阻力的模拟系统的水流阻力计算方法，包括：

S1，建立城市生态河道模拟系统和河道水流阻力测量系统；

S2，通过调节变频泵控制来流流量，使来流流量等于设计流量Q水深等于对应设计水深h；

S3，根据设计要求确定杠杆支点位置，使得植被带浸入水中的深度为h_v；

S4，当杠杆处于竖直位置时，测量盛水容器自重与注入盛水容器的水体的重力之和Fg；

S5、根据力矩平衡原理，计算得到城市生态河道的水流阻力。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，所述步骤S5具体包括：

根据力矩平衡原理可知：

F_v*L_V＝F_g*L_g； (1)

相对于杠杆支点来说，其力臂L_V为：

将公式(2)代入公式(1)中，可得城市生态河道的水流阻力为：

其中，F_v为城市生态河道的水流阻力，F_g为盛水容器自重及其注入水体的重力之和，L_V为水流阻力相对于杠杆支点的力臂，L_g为F_g相对于杠杆支点的力臂，为杠杆支点到杠杆顶端的距离长度，h_c为水槽高度，h为水槽中的水深，h_v为植被带浸入水中的深度。

所述进一步的有益效果为：利用力矩平衡原理来计算水流阻力，计算方案简单，很容易得到水流阻力的力臂，测量精确性高。

附图说明

图1为实施例1的一种确定城市生态河道水流阻力的模拟系统结构连接示意图；

图2为实施例2的一种确定城市生态河道水流阻力的模拟系统的水流阻力计算方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件名称如下：

1、水库，2、抽水管道，3、超声波流量计，4、变频泵，5、水槽，6、塑料板，7、铆钉，8、模拟植被，9、螺纹连接，10、杠杆，11、定滑轮，12、铝制容器，13、回水廊道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

参见图1，本实施例提供的一种确定城市生态河道水流阻力的模拟系统包括城市生态河道模拟系统和河道水流阻力测量系统，所述城市生态河道模拟系统包括模拟城市生态河道和模拟植被带，所述模拟植被带置于所述模拟城市生态河道中；

所述模拟城市生态河道包括水库1、抽水管道2、变频泵4、超声波流量计3和水槽5，所述抽水管道2的一端插入水库1，抽水管道2的另一端通过超声波流量计3与所述变频泵4的一端连接，所述变频泵4的另一端接入水槽5，所述水槽5通过回水廊道13与水库1相通；

所述模拟植被带包括塑料板6、模拟植被8、铆钉7和螺纹连接件9，其中，铆钉7插入带有密集钻孔的塑料板6，模拟植被8与铆钉7末端绑扎连接形成植被带，塑料板6中心位置设有螺纹连接件9，塑料板6通过螺纹连接件9与所述河道水流阻力测量系统固定连接；

所述河道水流阻力测量系统包括杠杆10、定滑轮11和盛水容器12，所述杠杆10底端设有螺纹，所述螺纹与所述塑料板6中心位置处的螺纹连接件9匹配，实现所述植被带与杠杆10的固定，杠杆10的顶端设有圆孔，所述定滑轮11的一端通过杠杆10顶端的圆孔与杠杆10固定连接，所述定滑轮11的另一端与盛水容器12连接，整个杠杆10的高度方向上每隔一段距离均设有钻孔，将直径略小于钻孔直径的铁棒插入钻孔作为杠杆支点，将铁棒置于带有固定装置的水槽顶端，以调节植被带进入水中的深度。

其中，为最大限度的消除植被自重对水流阻力测量系统的影响，模拟植被8应尽可能以塑料板6中心线对称排列；其中的盛水容器12选取铝制容器。

实施例2、一种确定城市生态河道水流阻力的模拟系统的水流阻力计算方法。

参见图2，本实施例提供的水流阻力计算方法包括：

S1，建立城市生态河道模拟系统和河道水流阻力测量系统；

S2，通过调节变频泵控制来流流量，使来流流量等于设计流量Q水深等于对应设计水深h；

S3，根据设计要求确定杠杆支点位置，使得植被带浸入水中的深度为h_v；

S4，当杠杆处于竖直位置时，测量盛水容器自重与注入盛水容器的水体的重力之和Fg；

S5、根据力矩平衡原理，计算得到城市生态河道的水流阻力。

下面对上述的步骤进行具体说明。

首先通过调节城市生态河道模拟系统中的变频泵控制来流流量使其等于设计流量Q以及水槽中的水深等于设计水深h，本实施例在试验的过程中，可以设计不同流量Q和水深h，设计不同的水力条件，对于不同的水力条件，该测量方法均适用。

在设计模拟植被带时，应尽可能将模拟植被沿塑料板中心线对称排列，以最大限度消除植被自重对水流阻力测量系统的影响。依据设计要求的植被排列方式确定需要安置植被的位置，然后在相应位置插上铆钉，接着将植被与铆钉末端绑扎固定。

随后通过螺纹连接件将杠杆与模拟植被带固定，然后根据设计要求调节进入水中的植被长度hv。确定支点对应的杠杆钻孔位置，将直径略小于杠杆钻孔的铁棒插入相应钻孔，接着将铁棒置于带有固定作用的水槽顶端。水流对浸入水中的植被产生水流阻力，杠杆会发生一定程度的倾斜，此时往铝制容器里缓缓注入水体，直至杠杆不再倾斜重新回归至竖直位置，也即达到力矩平衡。根据力学知识，水流阻力F_v，与铝制容器自重及其注入水体的重力之和F_g达到力矩平衡，可知：

F_V·L_V＝F_g·L_g； (1)

其中F_v为城市生态河道的水流阻力，F_g为铝制容器自重及其注入水体的重力之和，L_v为水流阻力相对于杠杆支点的力臂，L_g为杠杆支点到杠杆顶端的距离长度。

由于本发明所模拟的植被与水流的相对位置关系有两种：悬浮工况(植被离床面有一定距离，即h＞h_v)以及非淹没工况(植被几乎接近床面，涵盖整个水深即h≈h_v)，根据含植被河道水动力学理论可知，这两种工况下，接近植被位置处的纵向流速沿垂向几乎保持不变，则可将植被阻力沿水深方向看作固定不变，所以水流对植被反作用力的等效作用点位置在浸入水流植被的几何中心。则相对于杠杆支点来说，其力臂L_v为：

所以城市生态河道水流阻力可确定为：

其中，h_c为水槽高度，h为水槽中的水深，h_v为植被带浸入水中的深度。

本发明提供的一种确定城市生态河道水流阻力的模拟系统及水流计算方法，通过建立城市生态河道模拟系统以及基于力矩平衡原理建立河道水流阻力测量系统，结合水力学阻力理论知识得出不同水力条件下的水流阻力，并利用力矩平衡原理计算水流阻力，方便精确，填补了城市生态河道水流阻力研究的空白，为城市生态河道规划设计提供技术支持；其中，在设计模拟植被带时，模拟植被以塑料板中心线对称排列，能够最大限度的消除植被自重对水力阻力测量系统的影响，使得测量结果更精确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。