一种降雨径流模拟平台及控制方法

技术领域

本发明属于城市雨洪综合治理技术领域，涉及一种降雨径流模拟平台及控制方法。

背景技术

近年来，城市内涝灾害频发，随着“海绵城市”这新一代城市雨洪管理概念的提出，雨洪综合治理已成为地学、水力学、工程水文学等学科领域研究的热点问题。由于自然条件下降雨的不确定性及外界信息干扰大等因素，采用人工模拟降雨进行降雨径流模拟试验成为城市雨洪综合治理研究的重要手段。径流平台可根据实验目的和具体要求进行布设，通过控制降雨强度、降雨历时、降雨高度等重要参数重现不同的天然降雨环境，既能缩小经济成本，节约大量的人力和物力，又能缩短实验周期。

目前存在的降雨径流模拟装置及控制方法虽形式各异，但大多存在降雨装置与径流平台两方面不足因而无法满足城市降雨径流模拟试验的需求。降雨供水设施采用恒压水泵进行供水模拟降雨，该方法仅能进行恒定雨强试验，而并不能模拟出实验所需的非恒定降雨过程；径流平台多为固定结构，不可灵活的改变径流平台斜坡角度，平台下垫面布设复杂，更换困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种降雨径流模拟平台及控制方法，解决了上述现有技术中存在的人工降雨系统中降雨强度不可自动调节、径流平台坡度无法灵活改变以及下垫面布设复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种降雨径流模拟平台，包括降雨装置和径流平台两部分；所述降雨装置用于在径流平台上方进行人工模拟降雨；所述降雨装置包括供水模块和控制模块，控制模块通过电动执行器对供水模块的整体调控实现对降雨过程的人工模拟。

供水模块包括水箱，水箱内设置有水泵用于向给水管供水，给水管上依次安装有安全阀门、控制球阀和电磁流量计，控制球阀连接有电动执行器，给水管输出端与分流管输入端通过法兰连接，分流管的底部设有管道支撑座对管道进行固定支撑；分流管输出端与降雨管输入端通过法兰连接，降雨管下方均匀设有降雨喷头。

分流管采用支撑杆进行支撑，支撑杆下设有支撑基座进行固定。

水泵最大流量0.16m

控制模块包括PLC控制器，PLC控制器连接有电动执行器。

电动执行器输入端通过两线制与PLC控制器连接，用于接收0-10V电压信号，输出端与控制球阀通过法兰配套连接，向控制球阀输出转角力矩控制开度。

径流平台包括箱体，箱体一端采用底座支撑，另一端采用转动支座支撑；箱体表面安装有下渗基板，下渗基板上方设有滑移孔板；箱体内部安装有下渗导流板；箱体下方放置有下渗收集箱，箱体远离给水管的一侧设置有径流收集箱。

箱体底部安装有转动连接套，与转动支座采用销轴方式转动连接；所述箱体下方设有液压杆，通过提升液压杆改变径流平台坡度；所述下渗基板等距设有下渗基孔；所述滑移孔板等距设有滑移下渗孔，滑移下渗孔与下渗基孔对应，下渗基板底部设有软磁铁用于固定在下渗基板上；所述下渗收集箱和径流收集箱均放置在导流器下方，用于收集下渗流量和径流流量。

一种降雨径流模拟平台的控制方法，采用一种降雨径流模拟平台，步骤具体如下：

S1、进行率定预试验，率定雨强R与控制球阀阀门开度L的关系；

S2、根据降雨径流模拟试验需求进行径流平台布设；

S3、给定所需雨强-时间关系曲线，根据调节精度和阀门开度L设定PLC控制器程序；

S4、通过PLC控制器设定程序驱动电动执行器，进而控制球阀阀门开度进行降雨径流试验；

所述步骤S1包括以下分步骤：

S1.1、调节控制球阀的阀门开度，通过电磁流量计确定当前阀门开度下流量大小；

S1.2、计算水泵流量Q与雨强R的关系：

Q＝RA (1)

其中Q为流量，R为率定的雨强，A为对应降雨试验下垫面的面积；

S1.3、给出降雨径流试验所需雨强-时间关系曲线；

所述步骤S2包括以下分步骤：

S2.1、确定径流平台坡度，通过提升液压杆调节径流平台坡度；

S2.2、调节不同滑移孔板，通过改变滑移下渗孔与下渗基孔的相对孔径大小来表示不同下垫面下渗率大小；

S2.3、在滑移孔板上通过布置人工草皮、房屋模型，改变滑移孔板表面糙率及截留能力来表示不同种类下垫面；

所述步骤S3包括以下分步骤：

S3.1、确定控制球阀阀门开度与电动执行器控制输出转换关系为：

其中，L为阀门实际开度，L

S3.2、根据S1设计的雨强-时间关系曲线，以及S3.1得到控制球阀阀门开度与电动执行器控制输出转换关系，设定PLC控制器的控制程序。

所述步骤S4包括以下分步骤：

S4.1、将PLC控制程序通过网线2传输至PLC控制器4；

S4.2、通过PLC控制器4编写好的PLC控制程序控制电动执行器3，驱动控制球阀8调节阀门开度；

本发明的有益效果是：一种降雨径流模拟平台及控制方法，降雨装置采用PLC控制器和电动阀门控制流量，操作方便并减小了人工调节带来的误差，保证了试验所需的非恒定降雨过程；降雨管之间和降雨口之间的间距相等，保证了降雨均匀度，同时降雨孔可根据试验需求更换不同喷头来模拟不同雨滴大小；径流平台采用箱体式，底部设有液压杆，通过调节液压杆的高低驱动平台箱体转动，保证平台倾坡度可灵活改变；通过调节滑移孔板等效表示下垫面布设，保证了下垫面的下渗率方便可调。本发明实现了降雨径流试验非恒定降雨过程，径流平台倾斜角灵活改变，以及平台下垫面下渗率方便可调。

附图说明

图1是本发明提出的一种降雨径流模拟平台结构示意图。

图2是本发明的一种降雨径流模拟平台拆分结构示意图。

图3是本发明的径流平台滑移孔板剖切结构示意图。

图4是本发明的一种降雨径流模拟平台的控制方法流程图。

图5是本发明实施例中不同频率下降雨径流试验设计雨强过程线。

图中，1.计算机，2.网线，3.电动执行器，4.PLC控制器，5.安全阀门，6.水箱，7.水泵，8.控制球阀，9.电磁流量计，10.给水管，11.管道支撑座，12.底座，13.液压杆，14.转动支座，15.支撑基座，16.翻斗式箱体，17.下渗导流板，18.下渗收集箱，19.导流器，20.转动连接套，21.径流收集箱，22.下渗基板，23.滑移孔板，24.滑移下渗孔，25.软磁铁，26.下渗基孔，27.降雨喷头，28.降雨管，29.法兰，30.分流管，31.支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种降雨径流模拟平台，包括降雨装置和径流平台两部分；所述降雨装置用于在径流平台上方进行人工模拟降雨；所述降雨装置包括供水模块和控制模块，控制模块通过电动执行器3对供水模块的整体调控实现对降雨过程的人工模拟。

供水模块包括水箱6，水箱6内设置有水泵7用于向给水管10供水，给水管10上依次安装有安全阀门5、控制球阀8和电磁流量计9，控制球阀8连接有电动执行器3，给水管10输出端与分流管30输入端通过法兰29连接，分流管30的底部设有管道支撑座11对管道进行固定支撑；分流管30输出端与降雨管28输入端通过法兰29连接，降雨管28下方均匀设有降雨喷头27。

分流管采用支撑杆31进行支撑，支撑杆31下设有支撑基座进行固定。

水泵7，最大流量0.16m

控制模块包括PLC控制器4，PLC控制器4连接有电动执行器3。

电动执行器3输入端通过两线制与PLC控制器4连接，用于接收0-10V电压信号，输出端与控制球阀8通过法兰配套连接，向控制球阀8输出转角力矩控制开度。

径流平台包括箱体16，箱体16一端采用底座12支撑，另一端采用转动支座14支撑；箱体16表面安装有下渗基板22，下渗基板22上方设有滑移孔板23；箱体16内部安装有下渗导流板17；箱体16下方放置有下渗收集箱18，箱体16远离给水管10的一侧设置有径流收集箱21。

箱体16底部安装有转动连接套20，与转动支座14采用销轴方式转动连接；所述箱体16下方设有液压杆13，通过提升液压杆13改变径流平台坡度；所述下渗基板22等距设有下渗基孔26；所述滑移孔板23等距设有滑移下渗孔24，滑移下渗孔24与下渗基孔26对应，下渗基板22底部设有软磁铁25用于固定在下渗基板22上；所述下渗收集箱18和径流收集箱21均放置在导流器19下方，用于收集下渗流量和径流流量。

一种降雨径流模拟平台的控制方法，采用一种降雨径流模拟平台，步骤具体如下：

S1、进行率定预试验，率定雨强R与控制球阀阀门开度L的关系；

S2、根据降雨径流模拟试验需求进行径流平台布设；

S3、给定所需雨强-时间关系曲线，根据调节精度和阀门开度L设定PLC控制器程序；

S4、通过PLC控制器4设定程序驱动电动执行器3，进而控制球阀8阀门开度进行降雨径流试验；

所述步骤S1包括以下分步骤：

S1.1、调节控制球阀8的阀门开度，通过电磁流量计9确定当前阀门开度下流量大小；

S1.2、计算水泵7流量Q与雨强R的关系：

Q＝RA (1)

其中Q为流量，R为率定的雨强，A为对应降雨试验下垫面的面积；

S1.3、给出降雨径流试验所需雨强-时间关系曲线；

所述步骤S2包括以下分步骤：

S2.1、确定径流平台坡度，通过提升液压杆13调节径流平台坡度；

S2.2、调节不同滑移孔板23，通过改变滑移下渗孔24与下渗基孔26的相对孔径大小来表示不同下垫面下渗率大小；

S2.3、在滑移孔板23上通过布置人工草皮、房屋模型，改变滑移孔板23表面糙率及截留能力来表示不同种类下垫面；

所述步骤S3包括以下分步骤：

S3.1、确定控制球阀8阀门开度与电动执行器3控制输出转换关系为：

其中，L为阀门实际开度，L

S3.2、根据S1设计的雨强-时间关系曲线，以及S3.1得到控制球阀8阀门开度与电动执行器3控制输出转换关系，设定PLC控制器的控制程序。

所述步骤S4包括以下分步骤：

S4.1、将PLC控制程序通过网线2传输至PLC控制器4；

S4.2、通过PLC控制器4编写好的PLC控制程序控制电动执行器3，驱动控制球阀8调节阀门开度；

下面将结合附图给出本发明的一种实施例：

如图1所示，一种降雨径流模拟平台，包括降雨装置和径流平台两部分。

所述降雨装置用于在径流平台上方进行人工模拟降雨；

降雨装置包括1.计算机，2.网线，3.电动执行器，4.PLC控制器，5.安全阀门，6.水箱，7.水泵，8.控制球阀，9.电磁流量计，10.给水管，11.管道支撑座，27.降雨喷头，28.降雨管，29.法兰，30.分流管，31.支撑杆。

水泵7放置在水箱6内用于向给水管10供水，给水管10上依次安装有安全阀门5，控制球阀8和电磁流量计9，给水管10输出端与分流管30输入端通过法兰连接，底部设有管道支撑座11对管道进行固定支撑；分流管30输出端与降雨管28输入端通过法兰连接，降雨管28向下等距设有降雨喷头27。

所述水泵7，最大流量0.16m

所述安全阀门5安装在给水管10前端，保证供水安全；

所述控制球阀8通过电动执行器3驱动，用于调节流量大小，电动执行器3通过控制模块控制；

所述电动执行器3输入端通过两线制与PLC控制器4连接，用于接收0-10V电压信号，输出端与控制球阀8通过法兰配套连接，向控制球阀8输出转角力矩控制开度；

所述控制模块包含计算机1，网线2，PLC控制器4，计算机1编写PLC逻辑程序，通过网线2传输给PLC控制器4；

所述电磁流量计9安装在给水管10上，量程0.008～0.25m

所述分流管采用支撑杆31进行支撑，支撑杆31下设有支撑基座进行固定。

如图2图3所示，径流平台包括12.底座，13.液压杆，14.转动支座，15.支撑基座，16.箱体，17.下渗导流板，18.下渗收集箱，19.导流器，20.转动连接套，21.径流收集箱，22.下渗基板，23.滑移孔板，24.滑移下渗孔，25.软磁铁，26.下渗基孔。

箱体16一端采用底座12支撑，另一端采用转动支座14支撑；箱体16表面安装有下渗基板22，上方设有滑移孔板23；箱体16内部安装有下渗导流板17；两侧放置有下渗收集箱18和径流收集箱21。

所述箱体16底部安装有转动连接套20，与转动支座14采用销轴方式转动连接；

所述箱体16设有液压杆13，通过提升液压杆13改变径流平台坡度；

所述下渗基板22等距设有下渗基孔26，采用铁板材质；

所述滑移孔板23采用亚克力板材质，等距设有滑移下渗孔24与下渗基孔26对应，底部设有软磁铁25，用于固定在下渗基板22上；

所述下渗收集箱18和径流收集箱21均放置在导流器19下方，用于收集下渗流量和径流流量。

一种降雨径流模拟平台的控制方法，步骤具体如下：

S1、进行率定预试验，率定雨强R与控制球阀阀门开度L的关系；

S2、根据降雨径流模拟试验需求进行径流平台布设；

S3、给定所需雨强-时间关系曲线，根据调节精度和阀门开度L设定PLC控制器程序；

S4、通过PLC控制器4设定程序驱动电动执行器3，自动控制球阀8阀门开度进行降雨径流试验；

所述步骤S1包括以下分步骤：

S1.1、调节控制球阀8的阀门开度，通过电磁流量计9确定当前阀门开度下流量大小；在本实施例中，控制球阀8最小开度为5度，最大开度为90度，调节精度每5度调节一次。

S1.2、计算水泵7流量Q与雨强R的关系：

Q＝RA (1)

其中Q为流量，R为率定的雨强，A为对应降雨试验下垫面的面积；

S1.3、给出降雨径流试验所需雨强-时间关系曲线，图5；

所述步骤S2包括以下分步骤：

S2.1、确定径流平台坡度，通过提升液压杆13调节径流平台坡度；本实施例中，径流平台坡度分别选取为0度，2度，5度，10度；

S2.2、调节不同滑移孔板23，通过改变滑移下渗孔24与下渗基孔26的相对孔径大小来表示不同下垫面下渗率大小；

S2.3、在滑移孔板23上通过布置人工草皮、房屋模型等，改变滑移孔板23表面糙率及截留能力来表示不同种类下垫面；

所述步骤S3包括以下分步骤：

S3.1、确定控制球阀8阀门开度与电动执行器3控制输出转换关系为：

其中，L为阀门实际开度，L

本实例中，电动执行器3通过两线制0-10V电压信号控制控制球阀8转动，控制球阀8开度为5～90度；L

S3.2、根据S1设计的雨强-时间关系曲线，以及S3.1得到控制球阀8阀门开度与电动执行器3控制输出转换关系，通过计算机1设定好PLC控制程序；

所述步骤S4包括以下分步骤：

S4.1、将PLC控制程序通过网线2传输至PLC控制器4；

S4.2、通过PLC控制器4编写好的PLC控制程序控制电动执行器3，驱动控制球阀8调节阀门开度；

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。