CN102507135B - 一种河岸带试验水槽系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种河岸带试验水槽系统，属于水利工程物理模型试验领域。包括：水槽控制平台、试验复合式水槽、双循环供水系统、双水位流量控制系统和开关系统。本发明独立的地表水循环供水系统与地下水循环供水系统，可有效控制河流地表水以较快速度循环、河岸地下水以缓慢速度循环，为河岸带试验提供了更符合自然条件的河流与河岸水流环境；双水位流量控制系统，可同时调节控制河流地表水与河岸地下水的水位与流量边界条件，解决了传统河流动力学试验中只能单独调节河流水位流量条件及传统地下水试验中只能单独调节地下水水位流量条件的问题；电子智能开关系统，可智能调控试验水槽系统相关电源开关、阀门、尾门等的启闭与开度；自动化程度高，具有简单、易操作的试验控制平台，用户可在同一控制界面内完成河岸带试验水槽系统的相关操作，并具有故障提示功能，便于采取紧急措施与设备检修。

Description

一种河岸带试验水槽系统

技术领域

本发明一种河岸带试验水槽系统，属于水利工程物理模型试验领域，尤其适用于河岸带水力学特性模拟、近岸地表水与地下水交换模拟、河岸带削污效应模拟等研究领域。

背景技术

河岸带是水陆交界的过渡区域，是水域生态系统与陆地生态系统之间的生态交错带，在整个生态系统中起着举足轻重的作用。河岸带的水流特性极其复杂，河流地表水与河岸地下水在各种物理、化学等梯度的作用下相互渗透、相互交换，这种地表水与地下水的相互作用促进了微生物的新陈代谢，可增强沉积物矿物质的硝化与反硝化作用，加速污染物质的降解，改善河流地表水与河岸地下水的水环境。因此，如何有效模拟与室内再现这种河流地表水与河岸地下水的共同作用与相互交换的现象，是系统研究河岸带水力学特性、进一步探索河岸带生物地球化学进程、物质能量循环与削污效应等机理的必要前提和先决条件。

目前，尚无专门的试验水槽或试验设施适用于河流地表水与河岸地下水的水力学特性及交换现象的耦合研究，现有相关的河流地表水研究多应用水力学试验的传统水槽，相关的地下水研究则应用土槽或沙槽，二者之间的研究方法与研究成果相对分离，耦合性差。传统的试验水槽或土槽存在以下缺陷：

1、供水系统单一，无法同时满足河流地表水循环供水与河岸地下水循环供水的基本要求；

2、不具有同时控制河流地表水与河岸地下水水位与流量的双水位流量控制系统，无法有效、兼顾地调控地表水与地下水的水位流量边界条件。

3、不具有电子智能开关系统，试验水槽系统的大量电源开关与阀门需人工完成启闭与开度调节。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供了一种可调可控、使用便捷、自动化程度高的河岸带试验水槽系统。具体而言，包括以下内容：

(1)水槽控制平台。具体而言，包括：用户操作界面与故障监视界面。

(2)试验复合式水槽。具体而言，包括：地表水进口段、地表水流态缓冲器、地表水进口过渡段水槽、地下水进口段、地下水进口孔板、河岸段沙槽、地下水出口孔板、地下水出口段、地表水出口过渡段水槽、地表水出口段、下游水箱、管道离心泵、地表水管道、电磁流量计、地下水蠕动泵、微型电磁流量计、地下水管道、自动旋叶式尾门、轨道仪器架、地下水进水阀门、下游水箱进水阀门、地下水放空阀门、下游水箱放空阀门、地表水管道阀门、地下水管道阀门。

(3)双循环供水系统。具体而言，包括：地表水循环供水系统与地下水循环供水系统。

(4)双水位流量控制系统。具体而言，包括：2支地表水数显水位测针、4支地下水数显水位测针、自动旋叶式尾门、监测河流地表水流量的电磁流量计、监测地下水流量的微型电磁流量计、地表水管道阀门、地下水管道阀门以及相应的数据通信设备。

(5)开关系统。具体而言，包括：地表水管道离心泵和地下水蠕动泵电源开关、地表水管道阀门与地下水管道阀门开关、下游水箱进水阀门与放空阀门开关、地下水进水阀门与放空阀门开关、自动旋叶式尾门启闭开关。每个开关位置均配备电磁开关与手动开关，形成电子智能开关系统与手动紧急开关系统。

所述的水槽控制平台集成了双循环供水系统、双水位流量控制系统与电子智能开关系统。用户进入该平台的控制界面后，即可对本发明的河岸带试验水槽系统进行相关操作。试验过程中，若电子智能开关系统不能正常运行，出错代码、出错电磁开关以及故障部位将显示于故障监视界面，警示用户进入手动紧急开关系统，进行紧急开关启闭。

所述的地表水循环系统包括：地表水进口段、地表水流态缓冲器、地表水进口过渡段水槽、地表水出口过渡段水槽、地表水出口段、下游水箱、地表水管道、地表水管道离心泵、地表水管道阀门；

所述的地下水循环系统包括：地下水进口段、河岸段沙槽、地下水出口段、地下水管道、地下水蠕动泵、地下水管道阀门；

进一步地，所述的地下水进出口段与出口段的断面形式为孔板断面，孔板上均覆盖土工膜，防止河岸带沙土流失。

进一步地，所述的数据通信设备为GPRS无线数据通信设备，包括安装于各监测仪器上的GPRS信号发射芯片与安装于水槽控制平台的信号接收设备。

有益效果

具体地说，本发明的有益效果如下：

1、本发明具有双循环供水系统，可以为河岸带相关试验中的河流地表水与河岸地下水同时进行供水，并能有效控制河流地表水以较快速度循环、河岸地下水以缓慢速度循环，提供更符合自然条件下的河流与河岸水流环境。

2、本发明具有双水位流量控制系统，可以同时调节控制河流地表水与河岸地下水的水位与流量边界条件，解决了传统河流动力学试验中只能单独调节河流水位流量条件及传统地下水试验中只能单独调节地下水水位流量条件的问题。

3、本发明具有电子智能开关系统，可以智能调控试验水槽系统相关电源开关、阀门、尾门等的启闭与开度。

4、本发明的试验复合式水槽集传统的水槽与沙槽为一体，地表水与地下水的进出水口分离，地表水进出水口与河岸段沙槽之间设置的过渡段水槽可有效平顺水流，防止进出口处水流紊乱导致的河岸形态冲毁。

5、本发明自动化程度高，具有简单、易操作的试验控制平台，用户可在同一控制界面内完成河岸带试验水槽系统的相关操作，并具有故障提示功能，便于采取紧急措施与设备检修。

附图说明

图1本发明的试验复合式水槽的侧视图与双循环系统示意图；

图2本发明的试验复合式水槽的俯视图；

图3本发明的试验复合式水槽的立体图；

附图中各代号的含义：

1-地表水进口段；2-地表水进口过渡段水槽；3-地下水进口段；4-河岸段沙槽；5-地下水出口段；6-地表水出口过渡段水槽；7-地表水出口段；8-下游水箱；9-地表水管道离心泵；10-地表水管道；11-电磁流量计；12-地下水蠕动泵；13-微型电磁流量计；14-地下水管道；15-地表水流态缓冲器；16-自动旋叶式尾门；17-轨道仪器架；18-地下水进水阀门；19-下游水箱进水阀门；20-地下水放空阀门；21-下游水箱放空阀门；22-地表水管道阀门；23-地下水管道阀门；24-地下水进口孔板；25-地下水出口孔板；26-1号地表水数显水位测针；27-2号地表水数显水位测针；28-1号地下水数显水位测针；29-2号地下水数显水位测针；30-3号地下水数显水位测针；31-4号地下水数显水位测针；32-用沙铺设的河岸带形态。

具体实施方式

下面结合说明书附图并用实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。

如图1、2、3所示，试验复合式水槽包括：地表水进口段1、地表水流态缓冲器15、地表水进口过渡段水槽2、地下水进口段3、地下水进口孔板24、河岸段沙槽4、地下水出口孔板25、地下水出口段5、地表水出口过渡段水槽6、地表水出口段7、下游水箱8、地表水管道离心泵9、地表水管道10、电磁流量计11、地下水蠕动泵12、微型电磁流量计13、地下水管道14、自动旋叶式尾门16、轨道仪器架17、地下水进水阀门18、下游水箱进水阀门19、地下水放空阀门20、下游水箱放空阀门21、地表水管道阀门22、地下水管道阀门23。

所述的地表水进口段1、地表水流态缓冲器15、地表水进口过渡段水槽2、地表水出口过渡段水槽6、地表水出口段7、下游水箱8、地表水管道10、地表水管道离心泵9、地表水管道阀门22形成地表水循环系统。

所述的地下水进口段3、河岸段沙槽4、地下水出口段5、地下水管道14、地下水蠕动泵12、地下水管道阀门23形成地下水循环系统；

所述的双水位流量控制系统，包括：2支地表水数显水位测针26、27，4支地下水数显水位测针28、29、30、31，自动旋叶式尾门16，监测河流地表水流量的电磁流量计11，监测地下水流量的微型电磁流量计13，地表水管道阀门22，地下水管道阀门23以及相应的数据通信设备。

所述的开关系统包括：地表水管道离心泵9和地下水蠕动泵12电源开关、地表水管道阀门22与地下水管道阀门23开关、下游水箱进水阀门19与放空阀门开关21、地下水进水阀门18与放空阀门20开关、自动旋叶式尾门16启闭开关。每个开关位置均配备电磁开关与手动开关，形成电子智能开关系统与手动紧急开关系统。

实施例1：

如图1、2、3所示，本实施例中所用试验复合式水槽的进口过渡段水槽2与出口过渡段水槽6长为2m，断面形式为直角梯形断面，底宽30cm，高20cm，梯形斜边坡度为1∶3；河岸段沙槽4长10m，宽2m，高80cm。

应用本发明的河岸带试验水槽系统进行河岸带地表水与地下水水流特性试验的过程及操作步骤如下：

(1)试验前准备工作。试验前检查河岸段沙槽4内的地下水进口孔板24与地下水出口孔板25表面覆盖的土工膜是否破损，如有破损，即时更换并确保新的土工膜完全覆盖孔板的所有孔洞，防止河岸带沙土在试验过程中流失。将20t中值粒径为0.48mm的洗净石英砂填入河岸段沙槽4内。

(2)河岸形态塑造。首先，在河岸段沙槽左岸部分挖出一道深约15cm的直角梯形沟渠，断面形式尽量接近地表水进口过渡段水槽2与出口过渡段水槽6。接着，根据试验对河岸带形态的需要，制作相应的断面模板，放样铺设河岸带形态32。

(3)河流地表水与河岸地下水水位流量关系的调控。进入水槽控制平台，激活双水位流量控制系统与电子智能开关系统。首先，点击进水按钮，地下水进水阀门18与下游水箱进水阀门19自动开启，相应的地下水放空阀门20与下游水箱放空阀门21自动关闭，待河岸段沙槽4的水位上升至地表水出口过渡段水槽6的河床高度时，地下水进水阀门18自动关闭。同样，待自来水充满下游水箱8时，下游水箱进水阀门19自动关闭。接着，在水槽控制平台的用户操作界面内输入所需的地表水与地下水水位、流量、水力坡度等参数，并点击启动试验按钮，水槽控制平台将缓慢开启地表水管道阀门22、地下水管道阀门23，并调节自动旋叶式尾门16，同时记录1号地表水数显水位测针26、2号地表水数显水位测针27、1号地下水数显水位测针28、2号地下水数显水位测针29、3号地下水数显水位测针30、4号地下水数显水位测针31的水位读数与电磁流量计11、微型电磁流量计13的流量读数，待各水位测针与流量计读数满足输入的水位流量参数且流态稳定时，停止地表水管道阀门22、地下水管道阀门23与自动旋叶式尾门16的开度调节动作，结束地表水与地下水双水位流量关系的调控。

(4)水流特性试验。完成河流地表水与河岸地下水水位流量关系的调控后，即可进行河流地表水水流特性试验。试验所需的粒子成像流速仪(PIV)、激光测速仪(LDV)、声学多普勒流速仪(ADV)以及数码摄像机等设备均可架设于轨道仪器架17之上。

Claims (2)

1.一种河岸带试验水槽系统包括：水槽控制平台、试验复合式水槽、双循环供水系统、双水位流量控制系统以及开关系统，其特征在于：

所述的水槽控制平台包括：用户操作界面以及故障监视界面；

所述的试验复合式水槽包括：地表水进口段(1)、地表水流态缓冲器(15)、地表水进口过渡段水槽(2)、地下水进口段(3)、地下水进口孔板(24)、河岸段沙槽(4)、地下水出口孔板(25)、地下水出口段(5)、地表水出口过渡段水槽(6)、地表水出口段(7)、下游水箱(8)、地表水管道离心泵(9)、地表水管道(10)、电磁流量计(11)、地下水蠕动泵(12)、微型电磁流量计(13)、地下水管道(14)、自动旋叶式尾门(16)、轨道仪器架(17)、地下水进水阀门(18)、下游水箱进水阀门(19)、地下水放空阀门(20)、下游水箱放空阀门(21)、地表水管道阀门(22)以及地下水管道阀门(23)；其中所述地表水流态缓冲器(15)位于所述地表水进口段(1)进口处，所述地表水进口段(1)、所述地表水进口过渡段水槽(2)、所述河岸段沙槽(4)、所述地表水出口过渡段水槽(6)和所述地表水出口段(7)之间首尾相连，所述地表水出口段(7)、所述下游水箱(8)、所述地表水管道阀门(22)、所述地表水管道离心泵(9)、所述电磁流量计(11)和所述地表水进口段(1)之间通过所述地表水管道(10)相连，所述地下水进口段(3)、所述河岸段沙槽(4)和所述地下水出口段(5)之间首尾相连，所述地下水出口段(5)、所述地下水管道阀门(23)、所述地下水蠕动泵(12)、所述微型电磁流量计(13)和所述地下水进口段(3)之间通过所述地下水管道(14)相连；

所述的双循环供水系统包括：地表水循环供水系统与地下水循环供水系统；其中，地表水循环供水系统是由所述地表水流态缓冲器(15)、所述地表水进口段(1)、所述地表水进口过渡段水槽(2)、所述地表水出口过渡段水槽(6)、所述地表水出口段(7)、所述下游水箱(8)、所述地表水管道(10)、所述地表水管道阀门(22)以及所述地表水管道离心泵(9)所组成，地下水循环供水系统是由所述地下水进口段(3)、所述河岸段沙槽(4)、所述地下水出口段(5)、所述地下水管道(14)、所述地下水蠕动泵(12)以及所述地下水管道阀门(23)所组成；

所述的双水位流量控制系统包括：2支地表水数显水位测针(26)(27)、4支地下水数显水位测针(28)(29)(30)(31)、自动旋叶式尾门(16)，以及相应的数据通信设备，同时配合所述电磁流量计(11)与所述微型电磁流量计(13)用于监测河流地表水流量与地下水流量，配合所述地表水管道阀门(22)与所述地下水管道阀门(23)用于控制地表水流量与地下水流量；

所述的开关系统包括：地表水管道离心泵(9)和地下水蠕动泵(12)电源开关、地表水管道阀门(22)与地下水管道阀门(23)开关、下游水箱进水阀门(19)与放空阀门(21)开关、地下水进水阀门(18)与放空阀门(20)开关以及自动旋叶式尾门(16)启闭开关，每个开关位置均配备电磁开关与手动开关，形成电子智能开关系统与手动紧急开关系统。

2.根据权利要求1所述的一种河岸带试验水槽系统，其特征在于：所述的试验复合式水槽中，地下水进口段(3)与地下水出口段(5)的断面形式为孔板断面，地下水进口孔板(24)、地下水出口孔板(25)上均覆盖土工膜，防止河岸带沙土流失。