专利名称：确定植被河床底部阻力系统及确定方法
技术领域：
本发明涉及的是一种确定植被河床底部阻力系统及确定方法，属于环境水力学技术领域。
背景技术：
城市是一个地区经济、政治、文化发展的中心地带，在人类发展历程中占据重要地位。随着我国社会经济的持续发展，城市化进程也越来越快，目前我国城市化水平已接近50%。流经城市的天然以及人工河道，是水动力系统中物质循环的重要通道，在城市的规划、建立、发展过程中发挥着重要作用。而城市现代化建设过程中，人们迫切需要实现与河流的和谐相处，“水安全、水环境、水景观、水文化、水经济”五位一体的城市水生态模式愈来愈被倡导，因此对现代城市河道的规划设计也提出更高的要求。植被为水生生物提供栖息之地，此外也增加行洪阻力，改变泥沙运动规律，影响污染物的扩散输移，是城市河流动力系统中至关重要的影响因子。为满足五位一体的城市水生态模式要求，现代城市河道规划设计越来越重视水生植被的作用，常在河道床面种植各种各样的植被。城市河道规划设计主要是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含植被河道的设计手册，主要依靠对植被疏密程度的定性判断来进行糙率的修正。此外，目前国内外关于含植被河道阻力问题的研究主要侧重于植被产生的阻力，极少关注河床底部的阻力，甚至认为其相对于植被阻力，可忽略不计。这在植被非常密集的河道中是可以接受的，但在大多数城市河道中，植被的种植密度往往不是非常大，此时必须考虑河床底部阻力。可见，城市河道的规划设计如果不采用专门的植被河床底部阻力确定方法，出现的主要问题有:
1)行洪阻力计算不准确，过高预估行洪能力，增加城市河道行洪风险，易导致发生洪涝灾害； 2)河床底部阻力与泥沙运动密切相关，对其估算不准确容易造成泥沙淤积，降低河道过流能力；
3)忽略河床底部阻力，将导致对植被阻力计算产生偏差，从而错误预估水流对污染物的扩散输移能力，增大城市河道污染风险。
发明内容
本发明提出的是一种确定植被河床底部阻力的系统及方法，其目的旨在克服现有城市河道规划设计中存在出现的上述的主要问题。利用水力学阻力理论知识，科学合理地实现对植被河床底部阻力的计算，填补含植被河道阻力研究领域的空白，同时也为城市河道规划设计提供技术支撑。本发明的技术解决方案:一种确定植被河床底部阻力的系统，其特征是包括用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统，模拟植被固定系统，物理量测量系统；
所述的用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统，其结构包括水库、抽水管道、变频泵、平水格栅、上游支撑、下游支撑、尾门、泄水池、回水廊道以及水槽，其中抽水管道的一端接入水库，抽水管道的另一端与超声波流量计的一端相接，超声波流量计的另一端相接变频泵的一端，变频泵的一端接入水槽，水槽通过尾门与泄水池相通，泄水池通过回水廊道与水库相通，水槽内装有平水格栅，水槽长12m，宽0.42m，高0.70m,水槽两侧为玻璃边壁，水槽底部铺设大理石板，水槽上、下游设有上游支撑、下游支撑，上游支撑7固定不可调，上游支撑距上游进水口 2m ;下游支撑可调，下游支撑距下游出水口 3.5m ;下游支撑上设有齿轮和升降螺杆用以调节底坡；工作时，水流经变频泵工作后抽入水槽，平水格栅用于矫正水流流向，水流经过尾门进入泄水池，然后由回水廊道返回水库I实现循环；
所述的模拟植被固定系统，是用以模拟种植于城市河道的植被，为使植被植入实验水槽，选择有密集钻孔的塑料板为载体；设计若干个植被插入塑料板上的钻孔内；再将塑料板置入水槽，即实现了水槽中植被的植入；
所述的物理量测量系统，其所需测量的基本物理量包括流量、水位以及底坡；
其中流量是设计时必须考虑的参量，为精确起见，选择使用超声波流量计进行流量的测量；
所述的水位是根据设计需要，在水槽侧壁布置刻度尺，精度为Imm ；
底坡是通过水准仪来确定水槽底坡；具体做法包括I)对水槽进行率定，利用水准仪将水槽设定为平坡；2)分别记录平坡与设计工况下水槽下游末端间的差Λ A，且水槽上游固定支架与水槽下游末端间的距离为Ζ，则底坡为Λ Α/Ζ。一种植被河床底部阻力的确定方法，包括如下步骤:
1)依据设计的植被排列方式将模拟植被插入塑料板孔内，从而形成植被带，然后将插有植被的塑料板放置于水槽底部；
2)通过调节变频泵控制来流流量使其等于设计流量Q，
3)通过反复调节尾门和升降螺杆直至达到设计水深的深度Α，计算出相应底坡i;
4)根据植被的数量以及水体体积计算出植被所占水体体积比η；
5)关闭变频泵，将插在塑料板上的植被全部移除；重新开启变频泵并控制流量A通过调节尾门和升降螺杆直至水深的深度A (1- n )，计算相应底坡iB ；
6)计算河床底部阻力；总底坡为i的含植被明渠均匀流，总底坡i可看作由两部分叠加而成:仅由植被导致的底坡以及仅由床面导致的底坡厶;所以有:
权利要求
1.一种确定植被河床底部阻力的系统，其特征是包括用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统，模拟植被固定系统，物理量测量系统； 所述的用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统，其结构包括水库、抽水管道、变频泵、平水格栅、上游支撑、下游支撑、尾门、泄水池、回水廊道以及水槽，其中抽水管道的一端接入水库，抽水管道的另一端与超声波流量计的一端相接，超声波流量计的另一端相接变频泵的一端，变频泵的一端接入水槽，水槽通过尾门与泄水池相通，泄水池通过回水廊道与水库相通，水槽内装有平水格栅，水槽长12m，宽0.42m，高0.70m,水槽两侧为玻璃边壁，水槽底部铺设大理石板，水槽上、下游设有上游支撑、下游支撑，上游支撑7固定不可调，上游支撑距上游进水口 2m ;下游支撑可调，下游支撑距下游出水口 3.5m ;下游支撑上设有齿轮和升降螺杆用以调节底坡；工作时，水流经变频泵工作后抽入水槽，平水格栅用于矫正水流流向，水流经过尾门进入泄水池，然后由回水廊道返回水库I实现循环； 所述的模拟植被固定系统，是用以模拟种植于城市河道的植被，为使植被植入实验水槽，选择有密集钻孔的塑料板为载体；设计若干个植被插入塑料板上的钻孔内；再将塑料板置入水槽 ，即实现了水槽中植被的植入； 所述的物理量测量系统，其所需测量的基本物理量包括流量、水位以及底坡； 所述的流量是设计时必须考虑的参量，为精确起见，选择使用超声波流量计进行流量的测量； 所述的水位是根据设计需要，在水槽侧壁布置刻度尺，精度为Imm ； 所述的底坡是通过水准仪来确定水槽底坡；具体做法包括I)对水槽进行率定，利用水准仪将水槽设定为平坡；2)分别记录平坡与设计工况下水槽下游末端间的差ΛΑ，且水槽上游固定支架与水槽下游末端间的距离为Z，则底坡为Λ h/L。
2.一种植被河床底部阻力的确定方法，其特征是该方法包括如下步骤: 1)依据设计的植被排列方式将模拟植被插入塑料板孔内，从而形成植被带，然后将插有植被的塑料板放置于水槽底部； 2)通过调节变频泵控制来流流量使其等于设计流量认 3)通过反复调节尾门和升降螺杆直至达到设计水深的深度A，计算出相应底坡i; 4)根据植被的数量以及水体体积计算出植被所占水体体积比η； 5)关闭变频泵，将插在塑料板上的植被全部移除；重新开启变频泵并控制流量A通过调节尾门和升降螺杆直至水深的深度A (1- n )，计算相应底坡iB ； 6)计算河床底部阻力；总底坡为i的含植被明渠均匀流，总底坡i可看作由两部分叠加而成:仅由植被导致的底坡以及仅由床面导致的底坡厶;所以有: — γ+ ￡(I) 以控制体积为Λ^XAXA的水体为研究对象,其中A为水槽宽度,该部分水体受到自重沿水流方向的分量G，植被对该部分水体的阻力4，以及床面对该部分水体的阻力由力的平衡可得: Fq — Fw +Fb(2) AxXBXh的水体中植被占有体积，实际水体有效体积为因此表示为: Fg = pgikB Ax (1- Tj)(3) 其中P为水体密度，g为重力加速度:Fv = pgivkBAx(l-η)(4) 在仅有床面作用的情况下，由于没有了植被所占的体积，假定等效水深为A1，则有 Pb = PgJsA1-SAx(5) 结合式(I) 式(5)，可得 A ' = A(1- )(6) 则在实际实验中，只需进行水深为A的含植被均匀流水槽实验以及水深为A1的无植被均匀流水槽实验，即可得植被河床底部阻力及其占总水流阻力的比重，其中: 单位河床面 积上的植被河床底部阻力为#4(1-幻;其占总水流阻力的比重为4卢。
全文摘要
本发明是确定植被河床底部阻力的系统及方法，系统结构包括用于模拟城市河道的循环可变坡水槽系统、模拟植被固定系统和物理量测量系统；确定方法包括1)形成植被带、将插有植被的塑料板放置于水槽底部；2)通过调节变频泵控制来流流量；3)计算出相应底坡；4)计算出植被所占水体体积比；5)关闭变频泵，移除塑料板上的植被，重新开启变频泵并控制来流流量；6)计算出相应底坡。优点1)通过可变坡循环水槽系统，可模拟不同水力条件的城市河道；2)通过植被固定系统，可模拟天然实际存在的不同种类植被，做到植被的不同排列方式、不同植被密度的模拟；3)得出不同水力条件下植被河床底部阻力，为相关城市提供了河道规划设计规范。
文档编号E02B1/02GK103243676SQ20131018879
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月21日 优先权日2013年5月21日
发明者唐洪武, 田志军, 闫静, 吕升奇 申请人:河海大学