CN101713176A - 河流时空自塑模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水工模型，其IPC国际专利分类号为E02B 1/02，特别涉及一种模拟冲积河流下游冲积平原，包括河道的自然形成、演变过程的河流时空自塑模型，包括模型水槽、大搅拌池、通过泵与大搅拌池相接通的小搅拌池，大搅拌池与孔口箱相接通，孔口箱与模型水槽相接通，模型水槽依次包括模型进口段、冲积性河流自塑沉积区、流场监测系统、水位测针、溢流堰、通过溢流堰水流流入的退水池，退水池经退水渠道与小搅拌池相接通。本发明综合河流自然模型与微尺度模型的优点，建立河流时空自塑模型，可自动模拟河流的时空自然演化过程，可研究水沙过程对河流形态、河势变化的影响机理，研究河道综合治理措施与技术的可行性。

Description

河流时空自塑模型

技术领域：

本发明涉及一种水工模型，其IPC国际专利分类号为E02B 1/02，特别涉及一种模拟冲积河流下游冲积平原，包括河道的自然形成、演变过程的河流时空自塑模型。

背景技术：

实体模型是河流动力学研究中的一个重要手段，在科学研究和生产实践中得到了广泛应用。河流自然模型即自然河工模型，是指在模型中河流自由发展、河道由水流塑造的一种实体模型，其在探索河流的演变规律中发挥了重要作用。自1942年Fridekin进行了著名的水槽试验以来，众多学者以水槽试验为手段研究河流自然模型，取得了丰硕的研究成果。这些河流自然模型的共有特征为：在均匀可动沙床上，塑造规则初始河道；试验开始以一定的流量注入水流，由水流自由造床；通过改变河床组成、水流条件(来水来沙)、比降(河谷比降)、河槽边界条件等，研究河流的发育过程及演变的最终结果。

微尺度模型是美国陆军工程兵团近年研制开发的模型试验技术，该模型采用小比尺(可达1∶20000)，模型尺寸非常小，节约投资、节约场地，并且使模型试验更加直观，能够用来向公众展示等众多优点。微尺度模型最重要的就是真实地再现水沙的输移过程，通过调整模型的比降、水流流量、含沙量和边界条件等一系列参数，以求模型能够真实再现河流的水沙运动状态。微尺度模型最早由美国陆军工程兵团应用于密西西比河的治理中，特别用来进行航道工程的方案比较与评估。它的出现解决了很多大型实体模型试验难以解决的问题，因此，在美国被广泛的应用于工程和研究中。如利用微尺度模型开展了新马德里弯河道疏浚、河流对比格克里克大桥桥墩的侵蚀影响、圣菲支流环境改善等方面的研究。

目前，我国关于微尺度模型的研究与应用相对较少，毛野曾以长江镇江段为研究对象，采用微尺度模型试验研究了在顺直、弯道与分汊等典型河道不同部位进行大规模采砂对河床局部变形及对河道演变的极限影响。

上述两种模型中，河流自然模型一般缺乏明确的比尺概念，不满足模型相似论的基本要求，在理论上存在缺陷，造成模型试验方面具有极大的随意性和不确定性。相反，微尺度模型具有比尺概念，但它的应用目前主要集中在对某一个具体工程问题的研究，模型边界条件采用的是现有地貌，模拟范围也仅局限在某一个河段。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种模拟冲积河流下游冲积平原包括河道的自然形成、演变过程，研究人类活动、气候变化、工程措施等不同干预方式及干预程度对冲积河流自然演变影响的河流时空自塑模型。

本发明的目的是这样实现的：一种河流时空自塑模型，包括模型水槽、大搅拌池、通过泵与大搅拌池相接通的小搅拌池，大搅拌池与孔口箱相接通，孔口箱与模型水槽相接通，模型水槽依次包括模型进口段、冲积性河流自塑沉积区、测量及流场监测系统、水位测针、溢流堰、通过溢流堰水流流入的退水池，退水池经退水渠道与小搅拌池相接通；所述模型进口段的边界为山口形态，所述模型进口段以下的冲积性河流自塑沉积区事先不铺设床沙，完全充满清水。

本发明具有如下积极效果：综合河流自然模型与微尺度模型的优点，建立河流时空自塑模型，河流时空自塑模型采用较小的比尺(可达1∶20000)，进口边界设计成山口形态；进口以下建一足够大的沉积区，沉积区内事先不铺设床沙，完全充满清水；沉积区的尾水堰设溢流口，固定水面高程模拟海平面，以反映河口的反馈影响。在进口浑水以模拟出冲积河流进入冲积平原前的水沙条件。持续足够长的时间，以模拟冲积性河流河道的形成、自然演变过程及冲积平原的自然沉积过程，进而研究各种干预措施与干预程度对它的影响。

本发明具有如下特点：

(1)、可自动模拟河流的时空自然演化过程；

(2)、可反演河口反馈影响；

(3)、可研究水沙过程对河流形态、河势变化的影响机理；

(4)、可研究人为干涉对河流的影响；

(5)、可研究河道综合治理措施与技术的可行性等。

附图说明：

图1河流时空自塑模型平面示意图。

具体实施方式：

如图1、2所示，本发明包括模型水槽1、大搅拌池3、通过泵与大搅拌池3相接通的小搅拌池2，其特征在于：大搅拌池3与孔口箱4相接通，孔口箱4与模型水槽1相接通，模型水槽1依次包括模型进口段5、冲积性河流自塑沉积区6、测量及流场监测系统7、水位测针8、溢流堰9、通过溢流堰9水流流入的退水池10，退水池10经退水渠道11与小搅拌池2相接通。模型进口段5的边界为山口形态，进口段以下为冲积性河流自塑沉积区6，冲积性河流自塑沉积区6事先不铺设床沙、完全充满清水，在冲积性河流自塑沉积区6后面设置的溢流堰9、退水池10、退水渠道11模拟相对稳定海平面。

试验具体实施方式如下：模型进口段5按模拟河流峡谷段末端的实际地形塑造，模型沉积区一般比所要模拟的冲积平原范围大1.5～2.0倍；在搅拌池中准备好一定含沙量的浑水，然后由进口控制系统将设定流量的含沙水流送入模型进口；含沙水流通过进口段进入沉积区后，泥沙自然沉积在沉积区内，自然塑造河流；清水水流通过尾门控制系统进入退水循环系统，并最终退入清水水库。

在研究河流自然演变、沉积时，沉积区除清水外，没有其它边界控制条件；在研究各种干预方式对冲积平原及河道的影响时，可根据需要对进口控制水沙过程、沉积区边界条件等进行改变。

(1)、模型进口边界为山口段，进口段以下为一个足够大的河流自塑区，沉积区内事先不铺设床沙，完全充满清水；沉积区尾部设置自动溢流堰，以模拟相对稳定的海平面。

(2)、进口控制系统，包括自动控制平台、自动调节阀及流量计、浑水搅拌池及搅拌系统、管道系统等。

(3)、测量及流场监测系统7，包括水位计、自动测桥、流场监测设备等。

(4)、回水系统包括退水池、退水量水堰、退水渠等。

Claims (1)

1.一种河流时空自塑模型，包括模型水槽(1)、大搅拌池(3)、通过泵与大搅拌池(3)相接通的小搅拌池(2)，其特征在于：大搅拌池(3)与孔口箱(4)相接通，孔口箱(4)与模型水槽(1)相接通，模型水槽(1)依次包括模型进口段(5)、冲积性河流自塑沉积区(6)、测量及流场监测系统(7)、水位测针(8)、溢流堰(9)、通过溢流堰(9)水流流入的退水池(10)，退水池(10)经退水渠道(11)与小搅拌池(2)相接通；所述模型进口段(5)的边界为山口形态，所述模型进口段(5)以下的冲积性河流自塑沉积区事先不铺设床沙，完全充满清水。

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