一种用于模拟植被倒伏程度对明渠水流特性影响的实验装置及实验方法

1.本发明属于流体力学、河流动力学研究技术领域，具体涉及一种用于模拟植被倒伏程度对明渠水流特性影响的实验装置及实验方法。


背景技术：

2.目前我国大力推行生态型河道建设，植被在河漫滩甚至主槽的覆盖率大幅度提升，植被不仅是河流生态系统的重要组成部分，更是建设生态型河道的重要标志，植被能抑制泥沙再悬浮，净化水环境，防止水流侵蚀河岸，维持河流系统生态功能稳定，同时植被的存在改变了河道的水流阻力特性，影响水流流速、流量及流态等水力学特性，改变了河槽蓄泄关系，从而使河道汇流过程发生改变，这对河道水流尤其汛期洪水径流的推进具有不容忽视的影响作用。因此研究河道植被对水流的阻力作用，对生态型河流建设、精确预测河道流量过程及水位壅高都具有重要意义。
3.植被与水流相互作用时，植物会在水流的动水压力作用下，向下游倒伏，而且会根据水力特性值的变化而调整倒伏幅度，并伴随着不断的振动。目前对植被倒伏与水流动力学要素之间的联系，以及植被不同倒伏状态下的水流阻力研究较少，且存在争议。不多的研究集中在定性分析，定量研究较少。因此有必要进行实验模拟研究植被在不同倒伏程度下的水流阻力变化状况，分析植被倒伏程度与水流阻力作用之间的变化规律，并给出定量关系。
4.研究明渠植物在不同倒伏幅度下水流的减阻效应，探索植被倒伏幅度与径流水深、流速、紊动状态之间的作用关系。有助于明渠流过程的精准预报，从而为洪水防治提供价值参考。有助于为植被形态阻力的研究及应用提供理论依据，从而有效缓解坡面水力侵蚀和治理水土流失。
5.所以，对于植被倒伏程度对明渠水流特性机理影响研究，要辅以实验模型进行相关的模拟实验。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于模拟植被倒伏程度对明渠水流特性影响的实验装置。采用的技术方案如下：
7.一种用于模拟植被倒伏程度对明渠水流特性影响的实验装置，包括水箱、进水装置、调坡装置、实验水槽、植被倒伏角度调节装置和支撑架；
8.所述进水装置包括扬水泵、流量控制阀、静水箱、蜂窝状平水板，所述扬水泵安装于水箱内底部一侧，扬水泵与净水箱通过l型输水管连接，所述净水箱一侧壁为上端开口、下端封闭的结构，其开口处与实验水槽接通，中间通过蜂窝状平水板隔开，所述净水箱与实验水槽固定连接；
9.所述植被倒伏角度调节装置安装于实验水槽的一外侧壁，所述调坡装置横置于水
箱一侧的顶端，支撑架安装于水箱顶端另一侧，所述净水箱、实验水槽通过调坡装置和支撑架安装于水箱的上方位置。
10.优选的，所述水箱、静水箱、实验水槽均为矩形结构，所述实验水槽左右两侧壁为开口结构，所述净水箱与实验水槽接通的侧壁的前后宽度相等，所述蜂窝状平水板的大小与实验水槽左右侧壁的大小相适配。
11.优选的，所述水箱前后的宽度大于净水箱、实验水槽的宽度，所述水箱左右的长度大于净水箱、实验水槽的长度。
12.优选的，所述调坡装置的中央设置一根可调节高度的支撑柱，所述支撑柱与实验水槽的底板固定连接，所述支撑柱与所述底板连接的点位于底部前后的中心线上。
13.优选的，所述l型输水管为可伸缩形变的输水管，所述l型输水管竖直部的顶端连接净水箱底部的进水口并密闭连接，其水平部的末端连接扬水泵；所述l型输水管竖直部的上侧设置流量控制阀。
14.优选的，所述实验水槽的顶部设有可滑动的顶板，所述顶板上端面设有均匀分布的圆形透孔，所述顶板两侧设有顶板镶嵌槽，所述实验水槽前后两侧壁的顶端设有水槽镶嵌槽，所述顶板镶嵌槽与水槽镶嵌槽配合使用，实现连接。
15.优选的，所述实验水槽的底部铺设有矩形的橡胶垫层，所述橡胶垫层位于实验水槽底部的中间段，其四个角通过固定钉固定在实验水槽的两侧；所述顶板左右两端的长度小于实验水槽的长度，所述橡胶垫层左右两端的长度与所述顶板的长度相等。
16.优选的，所述圆形透孔中可插入圆柱棒，所述圆柱棒的底部为针尖状，其穿过所述圆形透孔插入实验水槽底部的橡胶垫层。
17.优选的，所述植被倒伏角度调节装置安装于实验水槽的前侧壁，包括手摇式的锯齿转轮、锯齿链、转轮固定部件、测角器、可伸缩的测角针和可旋转的固定扣；
18.所述锯齿转轮包括锯齿圆盘、手摇把、转轮固定轴，锯齿转轮通过转轮固定轴安装于实验水槽前侧壁的中间部位、且在顶板的正下方；锯齿圆盘28周边一圈的锯齿可以设置20～30个。
19.所述转轮固定部件安装于实验水槽前侧壁的中间部位、锯齿转轮的正下方，其包括转轮固定杆、固定杆连接轴和固定杆镶嵌体，所述固定杆镶嵌体设有与转轮固定杆相适配的凹槽，在凹槽底部设有固定杆连接轴，所述转轮固定杆可以绕着固定杆连接轴向靠近固定杆镶嵌体的方向和/或背离固定杆镶嵌体的方向转动，且转轮固定杆长于固定杆镶嵌体，所述转轮固定杆嵌于固定杆镶嵌体时正好卡于锯齿转轮两个锯齿中间部位；
20.所述锯齿链安装于顶板下端面的边缘，与锯齿转轮连接并相扣合；
21.所述测角器固定于所述实验水槽前侧壁的一侧底部、且顶板边缘正下方，所述可伸缩的测角针的一端通过可旋转的固定扣固定于测角器的圆心处，另一端通过可旋转的固定扣固定于顶板的侧壁边缘处。
22.上述一种用于模拟植被倒伏程度对明渠水流特性影响的实验装置的实验方法，其具体实验步骤为：
23.所述圆柱棒垂直穿过圆形透孔插入橡胶垫层，顶板位于橡胶垫层的正上方，测角针垂直于实验水槽的底边，并与圆柱棒平行，所述净水箱、实验水槽水平位于水箱的上方；
24.扬水泵将水箱内的水通过流量控制阀输送到静水箱中，静水箱内溢流出来的水通
过蜂窝状平水板进入实验水槽，最后又次汇入水箱，实现整个装置的水循环，通过控制扬水泵的流量控制阀控制水流大小；
25.通过调节调坡装置支撑柱的高度，使净水箱、实验水槽呈现不同坡度；
26.将转轮固定杆向背离固定杆镶嵌体的方向转动，通过转动手摇式的锯齿转轮带动锯齿链运动实现顶板向左或右侧滑动，使圆柱棒实现模拟植被呈一定角度的均匀倒伏，所述测角针也随着顶板滑动而偏向一定角度，保持与圆柱棒的平行，再将转轮固定杆嵌于固定杆镶嵌体使其固定锯齿转轮，通过测角器读出角度进行观察、记录；
27.重复以上操作，改变圆柱棒模拟植被倒伏的角度，进行观察、记录。
28.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
29.本发明结构简单，操作方便，利用圆柱棒模拟植物进行实验模拟，所得的实验结果用于研究植被形态变化对河道洪水径流的阻力作用，服务于洪水径流过程的精确预报，因此项目研究在预防洪水灾害，保障人民生命财产安全方面具有重大经济和社会效益。
附图说明
30.图1为本发明实施例1的一种用于模拟植被倒伏程度对明渠水流特性影响的实验装置的结构示意图；
31.图2为本发明实施例1顶板的圆形透孔插入圆柱棒模拟实验的结构图；
32.图3为本发明的锯齿转轮及转轮固定部件的结构图；
33.图4为本发明实施例1的实验水槽的侧切图；
34.图5为本发明实施例1的测角器及可伸缩测角针的结构图。
35.图中，1-水箱；2-扬水泵；3-调坡装置；4-l型输水管；5-流量控制阀；6-静水箱；7-蜂窝状平水板；8-实验水槽；9-顶板；10-圆形透孔；11-顶板镶嵌槽；12-水槽镶嵌槽；13-固定钉；14-橡胶垫层；15-锯齿转轮；16-转轮固定部件；17-支撑架；18-锯齿链；19-测角针；20-测角器；21-圆柱棒；22-转轮固定轴；23-手摇把；24-转轮固定杆；25-固定杆连接轴；26-固定杆镶嵌体；27-固定扣；28-锯齿圆盘。
具体实施方式
36.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域的技术人员来说，附图中的某些公知结构及其说明可能省略，以避免不必要地混淆本发明的概念；术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“侧”、“端”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.也应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。下面结合附图进行详细描述。
38.如图1所示，一种用于模拟植被倒伏程度对明渠水流特性影响的实验装置，包括水箱1、进水装置、调坡装置3、实验水槽8、植被倒伏角度调节装置7和支撑架17；
39.所述进水装置包括扬水泵2、流量控制阀5、静水箱6、蜂窝状平水板7，所述扬水泵2安装于水箱1内底部一侧，扬水泵2与净水箱6通过l型输水管4连接，所述净水箱6一侧壁为
上端开口、下端封闭的结构，其开口处与实验水槽8接通，中间通过蜂窝状平水板7隔开，所述净水箱6与实验水槽8固定连接。所述水箱1、静水箱6、实验水槽8均为矩形结构，所述实验水槽8左右两侧壁为开口结构，所述净水箱6与实验水槽8接通的侧壁的前后宽度相等，所述蜂窝状平水板7的大小与实验水槽8左右侧壁的大小相适配。净水箱6一侧壁上端开口处约占整个侧壁的1/2，实验水槽8与净水箱6的开口处接通，实验水槽8顶端的高度低于净水箱6顶端的高度。
40.所述l型输水管4为可伸缩形变的输水管，所述l型输水管4竖直部的顶端连接净水箱6底部的进水口并密闭连接，其水平部的末端连接扬水泵2；所述l型输水管4竖直部的上侧设置流量控制阀5，可根据需要调节流量大小，进行不同流量组次的倒伏植被明渠水流实验，有利于研究流量、植被倒伏角度与水力参数间的变化关系及规律。
41.如图2、图4所示，所述实验水槽8的顶部设有可滑动的顶板9，所述顶板9上端面设有均匀分布的圆形透孔10，所述顶板9两侧设有顶板镶嵌槽11，所述实验水槽8前后两侧壁的顶端设有水槽镶嵌槽12，所述顶板镶嵌槽11与水槽镶嵌槽12正好配合使用，实现连接，且连接面光滑，顶板11可实现滑动，顶板镶嵌槽11的两端可以设置限位部件，可防止顶板滑出实验水槽8。限位部件采用现有技术。
42.所述实验水槽8的底部铺设有矩形的橡胶垫层14，所述橡胶垫层14位于实验水槽8底部的中间段，其四个角通过固定钉13固定在实验水槽的两侧；所述顶板9左右两端的长度小于实验水槽8的长度，所述橡胶垫层14左右两端的长度与所述顶板9的长度相等。橡胶垫层14有利于模拟植被固定在矩形实验水槽底部且操作简单快捷。
43.调坡装置3的中央设置一根可调节高度的支撑柱，所述支撑柱与实验水槽8的底板固定连接，所述支撑柱与所述底板连接的点位于底部前后的中心线上，这样支撑实验水槽不会出现前后倾斜，支撑柱可太高或降低，用来调节净水箱6和实验水槽8一端的高度，使其出现不同的坡度。通过调节坡度研究不同坡度条件下倒伏植被对明渠水流的影响，可以更加精确的复制河道底坡坡度。
44.所述水箱1前后的宽度大于净水箱6、实验水槽8的宽度，所述水箱1左右的长度大于净水箱6、实验水槽8的长度。净水箱6、实验水槽8完全在水箱1正上方的范围内。
45.如图2所示，所述圆形透孔10中可插入圆柱棒21，用来模拟植被，所述圆柱棒21的底部为针尖状，其穿过所述圆形透孔10插入实验水槽8底部的橡胶垫层14。便于实验植被分布密度及格局的研究。
46.如图3、图4、图5所示，所述植被倒伏角度调节装置安装于实验水槽的前侧壁，包括手摇式的锯齿转轮15、锯齿链18、转轮固定部件16、测角器20、可伸缩的测角针19和可旋转的固定扣27；所述锯齿转轮15包括锯齿圆盘28、手摇把23、转轮固定轴22，通过转轮固定轴22安装于实验水槽8前侧壁的中间部位、且在顶板9的正下方。
47.所述转轮固定部件16安装于实验水槽8前侧壁的中间部位、锯齿转轮15的正下方，其包括转轮固定杆24、固定杆连接轴25和固定杆镶嵌体26。也就是锯齿转轮15、转轮固定部件16位于实验水槽8前侧壁左右方向的中心线上。
48.所述固定杆镶嵌体26设有与转轮固定杆24相适配的凹槽，在凹槽底部设有固定杆连接轴25，所述转轮固定杆24可以绕着固定杆连接轴25向靠近固定杆镶嵌体26的方向或背离固定杆镶嵌体26的方向转动，转轮固定杆24可以固定嵌于固定杆镶嵌体26的凹槽内。转
轮固定杆24长于固定杆镶嵌体26，当所述转轮固定杆24嵌于固定杆镶嵌体26上时，正好卡于锯齿转轮15的两个锯齿的中间部位，用于固定锯齿转轮15不再转动。转轮固定杆24可以绕着固定杆连接轴25旋转至水平位置，水平位置时为完全打开，可以不用外力保持水平状态。图3中本实施例的锯齿圆盘28上设置20个锯齿，相邻两个锯齿之间的间距与转轮固定杆24的宽度相适配。
49.如图5所示，所述锯齿链18安装于顶板9下端面的边缘，与锯齿转轮15连接并相扣合，顶板9可在锯齿转轮15与锯齿链的配合带动下实现左右滑动。
50.所述测角器20固定于实验水槽8前侧壁的左侧底部、且顶板9左侧边缘下方，所述可伸缩的测角针19的一端通过可旋转的固定扣27固定于测角器20的圆心处，另一端通过可旋转的固定扣27固定于顶板的侧壁左边缘处。
51.净水箱6、实验水槽8除了开口部位流水，其他通过固定钉13、固定扣27、转轮固定轴22等连接处均不漏水。
52.一种用于模拟植被倒伏程度对明渠水流特性影响的实验装置的使用实验方法，其具体实验步骤为：
53.所述圆柱棒21垂直穿过圆形透孔10插入橡胶垫层14，顶板9位于橡胶垫层14的正上方，测角针19垂直于实验水槽8的底边，并与圆柱棒21平行，所述净水箱6、实验水槽8水平位于水箱1的上方；
54.扬水泵2将水箱1内的水通过流量控制阀5输送到静水箱6中，静水箱6内溢流出来的水通过蜂窝状平水板7进入实验水槽8，最后又次汇入水箱1，实现整个装置的水循环，通过控制扬水泵2的流量控制阀控制水流大小；
55.通过调节调坡装置3支撑柱的高度，使净水箱6、实验水槽8呈现不同坡度，研究不同坡度条件下倒伏植被对明渠水流的影响，可以更加精确的复制河道底坡坡度；
56.将转轮固定杆24向背离固定杆镶嵌体26的方向转动，通过转动手摇式的锯齿转轮15带动锯齿链18运动实现顶板9向左或右侧滑动，使圆柱棒21实现模拟植被呈一定角度的均匀倒伏，所述测角针19也随着顶板9滑动而偏向一定角度，保持与圆柱棒的平行，再将转轮固定杆24嵌于固定杆镶嵌体26使其固定锯齿转轮15，通过测角器20读出角度进行观察、记录；
57.重复以上操作，改变圆柱棒模拟植被倒伏的角度或倒伏的方向，进行观察、记录。
58.实施例2
59.所述锯齿圆盘28上设置28个锯齿，相邻两个锯齿之间的间距与转轮固定杆24的宽度相适配。(实际生产中，在不改变锯齿圆盘28大小的情况下，锯齿越密集，可实现的调节越精细可以适当调整转轮固定杆24的宽度使之与间距适配，或适当调整其长度)。
60.所述测角器20固定于实验水槽8前侧壁的右侧底部、且顶板9右侧边缘下方，所述可伸缩的测角针19的一端通过可旋转的固定扣27固定于测角器20的圆心处，另一端通过可旋转的固定扣27固定于顶板的侧壁右边缘处(附图省略)。可以根据需要或习惯调整测角器20上的数值。其他同实施例1。
61.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
62.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。