一种海绵城市生物滞留设施模型试验装置及方法与流程

本发明属于试验装置领域，具体涉及一种海绵城市生物滞留设施模型试验装置及方法。

背景技术

海绵城市，是新一代城市雨洪管理概念，是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，也可称之为“水弹性城市”。国际通用术语为“低影响开发雨水系统构建”。下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。

“海绵城市”材料实质性应用，表现出优秀的渗水、抗压、耐磨、防滑以及环保美观多彩、舒适易维护和吸音减噪等特点，成了“会呼吸”的城镇景观路面，也有效缓解了城市热岛效应，让城市路面不再发热。

生物滞留设施指在地势较低的区域，通过植物、土壤和微生物系统蓄渗、净化径流雨水的设施。生物滞留设施分为简易型生物滞留设施和复杂型生物滞留设施，按应用位置不同又称作雨水花园、生物滞留带、高位花坛、生态树池等。

在进行西咸新区湿陷性黄土场地典型应用场景下近海绵雨水设施的防渗评价及优化课题时，需要对黄土地区海绵雨水设施的防渗效果做出评价及优化，因此设计了该模型试验装置。通过该试验装置，可以模拟不同径流条件、不同防渗材料下海绵设施的雨水入渗过程及其对周围道路和建筑物等设施的影响，再结合数值模拟结果，可以得到海绵设施的防渗评价及优化方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种海绵城市生物滞留设施模型试验装置及方法，本发明成本低廉，操作简便，并且可以换填不同土层及不同尺寸的生物滞留设施，达到重复利用的目的，同时可以有效模拟实际情况，并且能准确的获得相关的试验数据。

为了达到上述目的，一种海绵城市生物滞留设施模型试验装置包括模型箱，模型箱内放置有土层，土层表面覆盖有生物滞留设施，模型箱的两侧分别设置有量水堰和回流水通道，量水堰内设置有溢流堰，回流水通道内设置有量水板，量水堰和回流水通道的底面低于模型箱的上表面，模型箱的上表面低于有溢流堰和量水板的上表面，量水堰连接水管，水管上设置有流量计，模型箱的侧面上设置有若干位移传感器，土层内埋设有若干体积含水量传感器，位移传感器和体积含水量传感器均通过数据采集器连接计算机。

回流水通道侧面的内表面对应设置有两个滑槽，量水板置于滑槽内。

模型箱的底部开设有若干排水孔。

回流水通道的出水口连接水箱，水箱通过水管接入量水堰中。

量水堰和回流水通道通过三角支架固定在模型箱的两个侧面上。

模型箱采用方管组成框架，固定有量水堰和回流水通道的侧面上设置有钢化玻璃，其他两个侧面设置有侧面钢板，模型箱的底面为底面钢板。

模型箱的侧面设置有设置出水口。

一种海绵城市生物滞留设施模型试验装置的工作方法包括以下步骤：

步骤一，向模型箱内填充需要测试的土层，并在土层顶部覆盖一层生物滞留设施

步骤二，水管持续向量水堰内供水，并通过流量计记录水流量，水流量信息可直接读取；

步骤三，水流通过量水堰中的溢流堰后流入模型箱中的生物滞留设施，并渗入土层中，多余的水流入回流水通道内；

步骤四，位移传感器采集土层的位移数据，体积含水量传感器采集土层中含水量的变化数据，并将位移数据和含水量的变化数据通过数据采集器发送至计算机中；

步骤五，计算机结合水流量信息、位移数据和含水量的变化数据，最后得出分析结果。

步骤三中，多余的水通过回流水通道内的量水板后流入水箱中，水箱中的水通过水泵循环至量水堰中。

与现有技术相比，本发明在量水堰中加一溢流堰起到聚水和溢水的目的，使的水流平铺通过溢流口，更加接近实际降雨水流；本发明的设置有流量计、位移传感器、体积含水量传感器和计算机，位移传感器将布置在模型箱上部，水平和竖直方向自由且可固定，体积含水量传感器将会埋入土中，流量计可以记录到累计水量和瞬时水量，通过水管对模型箱中持续供水模拟下雨情形，径流量可以根据所模拟的暴雨强度进行计算，最终所获试验数据将会输入电脑中，根据所需结果，使用相对应软件进行分析。

进一步的，本发明同时将在模型箱两侧上开出若干出水孔，加装水龙头，当模型箱内土体饱和，还需继续模拟雨水入渗情况时，则可以打开水龙头排出部分水，这一情况类似于实际中的不连续降雨，可以模拟不连续降雨土体饱和和不饱和两种情况。

进一步的，本发明的回流水通道中设置有滑槽，用以放入不同高度的量水板，可以将流入生物滞留设施中的水聚集起来，达到模拟不同水头高度下生物滞留设施雨水入渗的情况。

进一步的，本发明属于一个循环供水系统，流入模型箱内多余水分可以通过回流水通道再次流回水箱内，达到节约用水的目的，同时水管将水箱、水泵、流量计、模型箱依次连接成为一个整体。

本发明的方法通过向模型箱内持续供水，使水从生物滞留设施渗透后进入土层中，通过位移传感器采集土层的位移数据，体积含水量传感器采集土层中含水量的变化数据，并将位移数据和含水量的变化数据通过数据采集器发送至计算机中，计算机结合水流量信息、位移数据和含水量的变化数据，最后得出分析结果。本方法操作简便，并且可以换填不同土层及不同尺寸的生物滞留设施，达到重复利用的目的，同时可以有效模拟实际情况，并且能准确的获得相关的试验数据。

附图说明

图1是本发明模型箱的俯视结构示意图；

图2是本发明模型箱的正视结构示意图；

图3是本发明模型箱的左视结构示意图；

图4是本发明模型箱的右视结构示意图；

图5是本发明模型箱底部构造结构示意图；

图6是本发明的结构示意图；

图7是本发明的剖视结构示意图。

图中，1.方管，2.溢流口，3.量水堰，4.溢流堰，5.回流水通道，6.量水板，7.排水孔，8.侧面钢板，9.三角支架，10.钢化玻璃，11.底面钢板，12.模型箱，13.水管，14.水箱，15.水泵，16.流量计，17.土层，18.生物滞留设施，19.水。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1至图7，一种海绵城市生物滞留设施模型试验装置包括模型箱12，模型箱12内放置有土层17，土层17表面覆盖有生物滞留设施18，模型箱12的两侧分别设置有量水堰3和回流水通道5，量水堰3和回流水通道5通过三角支架9固定在模型箱12的两个侧面上，量水堰3内设置有溢流堰4，回流水通道5侧面的内表面对应设置有两个滑槽，量水板6置于滑槽内，量水堰3和回流水通道5的底面低于模型箱12的上表面，模型箱12的上表面低于有溢流堰4和量水板6的上表面，量水堰3连接水管13，水管13上设置有流量计16，模型箱12的侧面上设置有若干位移传感器，土层17内埋设有若干体积含水量传感器，流量计16、位移传感器和体积含水量传感器均通过数据采集器连接计算机。

参见图1、图2、图3、图4和图5，模型箱12采用方管1组成框架，固定有量水堰3和回流水通道5的侧面上设置有钢化玻璃10，其他两个侧面设置有侧面钢板8，模型箱12的底面为底面钢板11，模型箱12的底部开设有若干排水孔7，回流水通道5的出水口连接水箱14，水箱14通过水管13接入量水堰3中，模型箱12的侧面设置有设置出水口。

一种海绵城市生物滞留设施模型试验装置的工作方法包括以下步骤：

步骤一，向模型箱12内填充需要测试的土层17，并在土层17顶部覆盖一层生物滞留设施18

步骤二，水管13持续向量水堰3内供水，并通过流量计16记录水流量，水流量信息发送至计算机；

步骤三，水流通过量水堰3中的溢流堰4后流入模型箱12中的生物滞留设施18，并渗入土层17中，多余的水流入回流水通道5内，通过量水板6后流入水箱14中，水箱14中的水通过水泵15循环至量水堰3中；

步骤四，位移传感器采集土层17的位移数据，体积含水量传感器采集土层17中含水量的变化数据，并将位移数据和含水量的变化数据通过数据采集器发送至计算机中；

步骤五，计算机结合水流量信息、位移数据和含水量的变化数据，最后得出分析结果。

以西咸新区海绵设施项目为例，本装置运行时，先在模型箱12内铺设土层及生物滞留设施18，同时给水箱14蓄满水19，之后根据西安市的暴雨强度公式，选择相应的暴雨重现期及降雨历时，确定模拟的降雨强度及降雨总量，开始模拟降雨，通过流量计16读取瞬时降雨及累计降雨量，同时通过钢化玻璃10可以观测到雨水在生物滞留设施18中的渗流情况，以及在两侧构筑物下部土层17中的渗流情况，位移传感器可以测得下渗水流对构筑物的变形影响数据，体积含水量传感器可以测得土层17中含水量的变化数据，两种传感器的测量数据相互结合可以为后续的结果分析提供可靠的理论依据。最终根据试验数据的分析结果可以对生物滞留设施18的防渗效果及优化给出可靠的评价和方案。