流域水文模型試驗(yàn)

介紹

流域水文模型試驗(yàn)的最大優(yōu)點(diǎn)在于，能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人為地控制水文過程發(fā)生發(fā)展的初始條件和各種邊界條件，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)要素的變化范圍，在短期內(nèi)取得大量有用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，通過調(diào)節(jié)降雨模擬器，可以模擬出各種降雨情況及相應(yīng)的洪水過程；通過改變模型流域的坡度、形狀、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)和流域糙率等，可以研究不同情況下流域的匯流特性；通過改變模型流域土層的組成（如分別以粗砂、細(xì)砂、粘土等不同透水性的材料鋪墊流域）可以研究流域的產(chǎn)流性質(zhì)或下滲特性等。流域水文模型試驗(yàn)主要有比尺模型試驗(yàn)和原型系統(tǒng)試驗(yàn)兩種。比尺模型試驗(yàn)是以水力相似理論為基礎(chǔ)，把原型中的水流現(xiàn)象縮小為模型中的水流現(xiàn)象。原型系統(tǒng)試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小規(guī)模地直接造成某種原型水流現(xiàn)象，用以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1943年，美國C.F.伊澤德進(jìn)行了模擬降雨條件下的坡面匯流實(shí)驗(yàn)，得出有名的坡面流公式。1952年J.P.馬米紹開始進(jìn)行流域比尺模型的實(shí)驗(yàn)，接著匈牙利、中國、蘇聯(lián)、捷克斯洛伐克等國也相繼進(jìn)行了各種比尺模型的實(shí)驗(yàn)研究。60年代，逐步采用原型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)展成為高度自動(dòng)化的綜合系統(tǒng)。1966年美籍華人周文德在伊利諾伊大學(xué)建成的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)面積達(dá) 149平方米，可模擬各種暴雨的時(shí)空分布及其所產(chǎn)生的洪水。1975年中國鐵道科學(xué)院西南鐵道科學(xué)研究所建成的試驗(yàn)系統(tǒng),人工降雨面積為170平方米。1974年日本防災(zāi)研究所建成的大型降雨實(shí)驗(yàn)設(shè)施為一移動(dòng)式人工降雨裝置，降雨面積為3168平方米，并可在 4個(gè)試驗(yàn)區(qū)上移動(dòng)。這些試驗(yàn)系統(tǒng)不僅開展了各種理論問題的研究，而且也在逐步用于解決水利、水資源、水土保持和環(huán)境保護(hù)中的各類實(shí)際問題。

流域水文模型試驗(yàn)的試驗(yàn)系統(tǒng)主要由三部分組成：①模型流域，分為有比尺的和無比尺的。比尺模型流域不僅與原型幾何相似，還需與原型動(dòng)力相似，使原型和模型中水流的相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)所受外力成一定比例，稱這種比例為模型率。常用的模型率是由力學(xué)相似定律及量綱分析法導(dǎo)出,當(dāng)主要考慮重力相似時(shí),按弗勞德相似定律確定模型率。無比尺模型流域用于原型系統(tǒng)試驗(yàn)，必須有足夠大的面積，盡量使水流現(xiàn)象接近真實(shí)水文系統(tǒng)中的水流現(xiàn)象。②降雨模擬器。主要有噴嘴式和毛管式。模擬降雨需盡量接近天然降雨的雨強(qiáng)、雨滴粒徑和降落速度等特征。③量測和自動(dòng)控制系統(tǒng)。由于模型中水流微小，演變迅速，因此要求自動(dòng)化程度和精度均很高的量測和控制系統(tǒng)，用電子計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使試驗(yàn)的過程完全自動(dòng)化。

參考書目

Ven Te Chow， Ben Chie Yen,A Laboratory Watershed Experimentation System，Department of Civil Engineering Univ.of Illinois at Urbana-Champaign，Urbana，Illinois，1974.2100433B

黑箱模型。將降雨作為流域系統(tǒng)的輸入，則徑流就是該系統(tǒng)的輸出，由此建立是降雨-徑流關(guān)系就是最簡單的一種流域水文模型，這類模型通常又稱黑箱模型或經(jīng)驗(yàn)型模型。這類模型采用系統(tǒng)分析方法得到的降雨-徑流關(guān)系僅僅是對(duì)流域系統(tǒng)過去輸入和輸出的一種幅值，缺乏對(duì)水文過程的描述。因此，這類模型不能處理流域系統(tǒng)中的變化因素，也就無法預(yù)測水文條件變化帶來的影響，例如城市化，氣候變化等對(duì)流域徑流的影響。如年徑流經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，小流域洪水?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?

概念性水文模型，在流域水文模型中考慮關(guān)鍵水文過程，采用一系列理想化的水文過來簡化實(shí)際流域系統(tǒng)中的復(fù)雜水文過程，這類模型考慮了流域的產(chǎn)匯流機(jī)制，定量計(jì)算了流域地表徑流、壤中流、地下徑流以及坡面匯流和河網(wǎng)匯流等，模型參數(shù)大多具有明確的物理意義。如水箱模型，新安江模型。

分布式水文模型，這類模型基于對(duì)流域水文過程的機(jī)理，采用水動(dòng)力學(xué)方程來描述主要水文過程，基于地理信息系統(tǒng)，采用分布式的模型結(jié)果來描述流域下墊面條件和降水的空間分布。如SWAT模型，GBHM模型 。

材料強(qiáng)度試驗(yàn)測定材料屈服極限、強(qiáng)度極限或疲勞極限等指標(biāo)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)測定結(jié)構(gòu)的極限承受力，它不僅同材料強(qiáng)度有關(guān)，而且同結(jié)構(gòu)的幾何形狀、機(jī)構(gòu)配件、外力作用形式有關(guān)，按試驗(yàn)加載方式為靜強(qiáng)度試驗(yàn)、動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)等。按環(huán)境溫度可分為常溫強(qiáng)度試驗(yàn)、熱（高溫）強(qiáng)度試驗(yàn)或冷（低溫）強(qiáng)度試驗(yàn)等。試驗(yàn)設(shè)備包括靜強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備、動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備等。

沖擊試驗(yàn)分成三種：1、規(guī)定脈沖試驗(yàn)方法，采用正弦波進(jìn)行試驗(yàn)；2、沖擊譜試驗(yàn)方法；3、規(guī)定試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)方法。

按溫度來分，沖擊試驗(yàn)分為：

常溫沖擊試驗(yàn)，在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)，一般在23±5℃的范圍內(nèi)。

低溫沖擊試驗(yàn)；在低溫介質(zhì)下保存一定時(shí)間，使溫度達(dá)到要求后快速取出完成沖擊試驗(yàn)。

1. 使用介質(zhì)可為冰水混合物（0攝氏度）

2. 其他溫度可用低溫槽，根據(jù)不同的溫度，可選用酒精或液氮進(jìn)行試樣的保溫。