CN102507136B - 一种河岸带模拟与监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种河岸带模拟与监测系统,属于水利工程物理模型试验领域。包括:系统控制平台、河岸形态模拟系统、压力监测系统、浓度监测系统。本发明的河岸形态模拟系统可方便快捷地塑造不同形态的河岸地貌,便于研究不同形态河岸的地表水与地下水水流特性与交换进程,省时省力;其特殊的压力监测系统,具有不同形状规格的压力传感器固定底座和可自由伸缩的抽屉式横板,可准确将压力传感器布置于河岸形态表面,解决了压力传感器难以准确固定于河岸沙体表面以及布置位置容易偏移等问题;具有较为完善的试验监测系统,可自动采集与监测河岸带物理试验的压力场数据与浓度场数据。

Description

一种河岸带模拟与监测系统
技术领域
本发明一种河岸带模拟与监测系统,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地带,是河流生态系统与陆地生态系统之间物质和能量相互传递与转化的重要纽带。当地表水流经弯曲河岸时,会在河岸迎水面与背水面间产生压力梯度,促使地表水与地下水发生对流交换;当地表水流经粗糙河岸表面时,会在河岸表面附近产生剧烈的紊动区,促使地表水与地下水发生紊流交换;当地表水的有机质含量高于地下水时,会在河岸区形成浓度梯度,促使地表水与地下水发生扩散交换。在这些复杂的物理、化学梯度作用下,河流地表水与河岸地下水相互渗透、相互转换,促进了微生物的新陈代谢、有机质的自然降解、矿物质的硝化与反硝化作用,进而改善了河流与地下水的水环境。因此,如何模拟不同的河岸形态、再现复杂的河岸带水流条件、动态监测河流地表水与河岸地下水的交换行为,是系统研究河岸带水力学特性、河岸带削污效应等问题的重要前提。
目前,河岸带的相关研究多集中于野外调查,室内的模型试验研究仍只停留在河岸边界作用下的河流地表水流态的研究,尚无一套适用于河流地表水与河岸地下水相互作用研究的模拟系统与监测装置。现有的河岸带相关物理试验是通过制作断面模板、模型放样,并用水泥砂浆抹面,以塑造河床与河岸带形态进行研究,其存在以下缺陷:
1、只能进行河岸边界作用下的河流地表水流态研究,不能进行河流地表水与河岸地下水相互作用研究。
2、河岸形态的改变需要拆除原来的模型,重新制作断面模板,并塑造新的河床与河岸形态,模型制作工期较长,模型成本高昂。
3、河流地表水与地下水发生交换的河床与河岸边界被水泥砂浆抹面阻断,无法模拟各种物理、化学梯度作用下的河流地表水与河岸地下水交换现象。
4、不具有地表水与地下水浓度监测系统,无法定量研究河流地表水与河岸地下水的净交换量与交换范围。
发明内容
针对上述的不足,本发明提供了一种使用便捷、自动化程度高的河岸带模拟与监测系统。具体而言,包括以下内容:
(1)系统控制平台。具体而言,包括:用户操作界面、数据监视窗口、故障提示窗口。
(2)河岸形态模拟系统。具体而言,包括:河岸形态模拟器、河岸形态模板架和河岸形态模板。
(3)压力监测系统。具体而言,包括:9个压力传感器、压力传感器固定底座、抽屉式伸缩横板、止水板、压力传感器缆线、压力变送器与相应的数据通信设备,用于监测一个河岸波形不同位置河岸表面的压力分布情况。
(4)浓度监测系统。具体而言,包括:1支固定于地表水进口段的地表水电导率探棒、12支埋设于河岸带地下区域的地下水电导率探棒、地下水电导率探棒固定支架与相应的数据通信设备,用于监测河流地表水与河岸地下水的交换进程。
所述的系统控制平台集成了河岸形态模拟系统、压力监测系统、浓度监测系统。用户进入该平台的操作界面后,即可对本发明的河岸带模拟与监测系统进行相关操作。试验过程中,实时监测的数据显示在数据监视窗口。如在试验过程中,压力传感器、电导率传感器等监测仪器发生故障时,出错代码、出错仪器以及故障部位将显示于故障提示窗口。
所述的河岸形态模拟器包括:L型钢臂、滑动横梁、河岸坡面刮板、河床扫平刮板、河岸上表面扫平刮板、短轴传动杆、长轴传动杆、球轮、滑动横梁固定螺杆、河岸坡面刮板固定螺杆、传动杆控制电缆、激光定位探头、河岸形态模拟器控制电缆。
进一步地,所述的河岸形态模拟器中的滑动横梁、球轮、河岸坡面刮板、河床扫平刮板、河床上表面扫平刮板均为活动结构,可自由拆卸。滑动横梁、河岸坡面刮板与L型钢臂通过滑动横梁固定螺杆、河岸坡面刮板固定螺杆连接,滑动横梁与河岸坡面刮板的悬空高度亦可通过螺杆调节。河岸形态模拟器配套有不同坡度规格与长度规格的河岸坡面刮板,同时配套不同长度规格的滑动横梁、河床扫平刮板与河岸上表面扫平刮板。实际应用时,可视塑造的河岸形态选择适当规格的配件进行组装。
进一步地,所述的河岸形态模拟器、河岸形态模板架均采用轻型钢架结构,重量较轻,易于拆卸、组装、搬运。
进一步地,所述的压力传感器固定底座为可更换部件,配套的压力传感器固定底座为正弦形状,具有不同波长与振幅规格,也可根据用户需要,订制特殊形状的压力传感器固定底座,以便能准确固定压力传感器于不同河岸形态的表面。
进一步地,所述的压力传感器固定底座的前缘部分设有用于固定压力传感器的卡槽,卡槽间隔可根据用户需要定制。
进一步地,所述的压力传感器固定底座与抽屉式伸缩横板均采用防腐木材料,之间设有卡扣便于榫接。
进一步地,所述的止水板与河岸带试验沙槽接触的外边缘和与抽屉式伸缩横板接触的内边缘均设有止水橡胶垫。
进一步地,所述的抽屉式伸缩横板可以在止水板内自由滑动,用于调整抽屉式伸缩横板在河岸带试验沙槽内的伸缩长度,以便压力传感器探头能准确布置于河岸形态的表面位置。
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系统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、本发明具有河岸形态模拟系统,可以方便快捷地在河岸带试验沙槽内塑造不同形态的河岸地貌,便于研究不同形态河岸的地表水与地下水水流特性与交换进程,省时省力。
2、本发明特殊的压力监测系统,具有不同形状规格的压力传感器固定底座和可自由伸缩的抽屉式横板,可准确将压力传感器布置于河岸形态表面,解决了压力传感器难以准确固定于河岸沙体表面以及布置位置容易偏移等问题。
3、本发明具有较为完善的试验监测系统,包括:压力监测系统与浓度监测系统,可自动采集与监测河岸带物理试验的压力场数据与浓度场数据,便于研究不同物理梯度与化学梯度作用下的河流地表水与河岸地下水的交换进程。
4、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模拟与监测系统的相关操作,并具有故障提示功能,便于设备维护与检修。
附图说明
图1本发明的河岸形态模拟器结构图;
图2本发明的河岸形态模拟系统工作示意图;
图3本发明的压力监测系统结构图;
图4本发明的压力监测系统布置示意图
图5本发明的浓度监测系统布置示意图。
附图中各标号的含义:
1-L型钢臂;2-滑动横梁;3-河岸坡面刮板;4-河床扫平刮板;5-河岸上表面扫平刮板;6-短轴传动杆;7-长轴传动杆;8-球轮;9-滑动横梁固定螺杆;10-河岸坡面刮板固定螺杆;11-传动杆控制电缆;12-激光定位探头;13-河岸形态模拟器控制电缆;14-河岸形态模板架;15-河岸形态模板;16-河岸带试验沙槽;17-压力传感器;18-压力传感器固定底座;19-抽屉式伸缩横板;20-止水板;21-止水板与河岸带试验沙槽接触的外边缘;22-止水板与抽屉式伸缩横板接触的外边缘;23-压力传感器缆线;24-压力变送器;25-地表水电导率探棒;26-地下水电导率探棒;27-地下水电导率探棒固定支架.
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、4、5所示,河岸形态模拟系统包括:河岸形态模拟器、河岸形态模板架14和河岸形态模板15。
压力监测系统包括:9个压力传感器17、压力传感器固定底座18、抽屉式伸缩横板19、止水板20、压力传感器缆线23、压力变送器24与相应的数据通信设备,用于监测一个河岸波形不同位置河岸表面的压力分布情况。
浓度监测系统包括:1支固定于地表水进口段的地表水电导率探棒25、12支埋设于河岸带地下区域的地下水电导率探棒26、地下水电导率探棒固定支架27与相应的数据通信设备,用于监测河流地表水与河岸地下水的交换进程。
所述的河岸形态模拟器包括:L型钢臂1、滑动横梁2、河岸坡面刮板3、河床扫平刮板4、河岸上表面扫平刮板5、短轴传动杆6、长轴传动杆7、球轮8、滑动横梁固定螺杆9、河岸坡面刮板固定螺杆10、传动杆控制电缆11、激光定位探头12、河岸形态模拟器控制电缆13。
实施例1:
如图1、2、3、4、5所示,本实施例应用于长10m,宽2m,高80cm的河岸带试验沙槽之上,应用本发明的河岸带模拟与监测系统进行河岸带地表水与地下水水流特性与交换进程试验的过程及操作步骤如下:
(1)试验前准备工作。将20t中值粒径为0.68mm的洗净石英砂填入河岸带试验沙槽16内,在河岸带试验沙槽左岸部分挖出一道深约15cm的直角梯形沟渠,断面形式尽量接近进口过渡段水槽与出口过渡段水槽。
(2)埋设布置压力监测设备。首先,将9个压力传感器17的探头头部包裹一层土工膜,防止沙土堵塞传感器探头导致失效;再将压力传感器17固定于压力传感器固定底座18前缘上的固定卡槽内;将压力传感器固定底座18榫接于抽屉式伸缩横板19之上;随即将压力传感器17连同压力传感器固定底座18与抽屉式伸缩横板19一并穿过河岸带试验沙槽16右侧预先开好的抽屉口,调整抽屉式伸缩横板19的深入距离,使压力传感器17的探头头部位于预铺设河岸形态的表面位置;将止水板20沿抽屉式伸缩横板19推至河岸试验沙槽16右侧的抽屉口位置,防止试验时水体侧漏;最后将9个压力传感器的缆线23接入压力变送器24上,监测数据通过安装在压力变送器24上的GPRS无限通信设备发送至系统控制平台。本实施例监测的是正弦型河岸(波长200cm,振幅6cm)一个波长范围内的沿岸压力变化情况,因此,选择的压力传感器固定底座18的形状规格为:波长200cm,振幅6cm。压力传感器固定底座18的前缘设有9个传感器固定卡槽,卡槽间距25cm。本实施例的传感器固定底座纵向长度为2m,横向宽度为0.5m,抽屉式伸缩横板纵向长度为2.4m,横向宽度为1m,河岸带试验沙槽16右侧预先开好的抽屉口长2.4m,高10cm,抽屉口下缘距河岸带试验沙槽底部65cm,压力传感器探头预埋设位置距离河床面5cm。
(3)河岸形态塑造。首先,将河岸形态模板架14放置于河岸带试验沙槽16右岸边缘位置(如图2所示),并用螺丝固定于河岸带试验沙槽16的钢结构边缘上;再将振幅为6cm、波长为200cm的正弦型河岸形态模板15(本实施例的河岸形态模板为5mm厚PVC板雕刻而成,也可采用其他材料雕刻)放置于河岸形态模板架14之上;选择规格为长100cm的滑动横梁2、长120cm的河岸上表面扫平刮板5、长30cm的河床扫平刮板4与长100cm、坡度1∶3的河岸坡面刮板3等配件进行河岸形态模拟器的组装,组装过程中通过滑动横梁固定螺杆9与河岸坡面刮板固定螺杆10调节好滑动横梁2与河岸坡面刮板3的悬空高度;河岸形态模拟器组装完毕,进入系统控制平台,激活河岸形态模拟系统,启动河岸形态模拟器;河岸形态模拟器启动后,河岸上表面扫平刮板5自动旋转摆动以刮平河岸上表面,河床扫平刮板4自动来回摆动以刮平河床底面,河床扫平刮板4的末端安装有激光定位探头12,当河床扫平刮板4摆动至河岸带试验沙槽16的壁面或已经塑造完毕的河岸断面时,河床扫平刮板4会自动往相反方向摆动;进行河岸形态塑造时,将河岸形态模拟器放置于河岸形态模板15之上,将长轴传动杆7与滑动横梁2形成的直角卡在正弦型河岸形态模板15的曲线边缘上,由河岸带试验沙槽16的上游缓慢推进到下游(如图2所示),推进过程中保持长轴传动杆7紧贴河岸形态模板15的曲线边缘;往返推进河岸形态模拟器1次,即可将需要模拟的河岸形态塑造完成,操作简便;本实施例塑造的河岸形态参数为:河岸高度15cm,河岸振幅6cm,河岸波长100cm,河岸坡度1∶3。
(4)布置浓度监测系统。浓度监测系统主要监测河流地表水与河岸地下水的浓度变化情况。监测河流地表水浓度变化情况的地表水电导率探棒25(如图5所示)架设于河岸带试验沙槽16进口过渡段水槽的中段。监测河岸地下水浓度变化情况的12支地下水电导率探棒26架设于地下水电导率探棒固定支架27上。本实施例研究的是一个河岸波长范围内,最凸岸与最凹岸的河流地表水向河岸方向的迁移情况,因此,两个地下水电导率探棒固定支架27分别架设于河岸形态最凸与最凹的位置,固定支架上预留有等间距孔洞(间距为10cm),12支地下水电导率探棒55穿过预留的孔洞,垂直插入河岸地下区域,插入深度为10cm。
(5)调节河流地表水与河岸地下水的水位流量关系。本实施例的河流地表水流量为50m3/h,地表水水深为10cm,地下水流量为35L/h,地下水水位与河流地表水水位齐平。
(6)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节后,即可进行河流地表水水流特性试验。进入系统控制平台,激活压力监测系统,系统控制平台将自动采集所需数据。同时,可配合ADV、PIV等测速仪器,测量河流地表水的流速场。
(7)地表水与地下水交换进程试验。进入系统控制平台,激活浓度监测系统,将调配好的示踪剂溶液倒入河岸带试验沙槽16的下游水箱之中,人工搅拌5分钟使之充分混掺,河岸带控制平台将自动采集河流地表水与河岸地下水的示踪剂浓度变化数据,可对河流地表水与河岸地下水的交换路径、交换范围、净交换量、交换强度等进行相关监测。

Claims (3)

1.一种河岸带模拟与监测系统,包括:系统控制平台、河岸形态模拟系统、压力监测系统以及浓度监测系统,其特征在于:
所述的系统控制平台包括:用户操作界面、数据监视窗口以及故障提示窗口;
所述的河岸形态模拟系统包括:河岸形态模拟器、河岸形态模板架和河岸形态模板;
所述的压力监测系统包括:9个压力传感器(17)、压力传感器固定底座(18)、抽屉式伸缩横板(19)、止水板(20)、压力传感器缆线(23)、压力变送器(24)与相应的数据通信设备,用于监测一个河岸波形不同位置河岸表面的压力分布情况;
所述的浓度监测系统,具体而言,包括:1支固定于地表水进口段的地表水电导率探棒(25)、12支埋设于河岸带地下区域的地下水电导率探棒(26)、地下水电导率探棒固定支架(27)与相应的数据通信设备,用于监测河流地表水与河岸地下水的交换进程;
所述的河岸形态模拟器包括:L型钢臂(1)、滑动横梁(2)、河岸坡面刮板(3)、河床扫平刮板(4)、河岸上表面扫平刮板(5)、短轴传动杆(6)、长轴传动杆(7)、球轮(8)、滑动横梁固定螺杆(9)、河岸坡面刮板固定螺杆(10)、传动杆控制电缆(11)、激光定位探头(12)以及河岸形态模拟器控制电缆(13)。
2.根据权利要求1所述的一种河岸带模拟与监测系统,其特征在于:所述的滑动横梁(2)、河岸坡面刮板(3)与L型钢臂(1)通过滑动横梁固定螺杆(9)、河岸坡面刮板固定螺杆(10)连接,滑动横梁(2)与河岸坡面刮板(3)的悬空高度通过螺杆(9)(10)调节;
所述的河岸形态模拟系统配套有不同坡度规格与长度规格的河岸坡面刮板(3),同时配套不同长度规格的滑动横梁(2)、河床扫平刮板(4)与河岸上表面扫平刮板(5)。
3.根据权利要求1所述的一种河岸带模拟与监测系统,其特征在于:所述的压力传感器固定底座(18)为可更换部件,配套的压力传感器固定底座(18)为正弦形状,具有不同波长与振幅规格;
所述的压力传感器固定底座(18)的前缘部分设有用于固定压力传感器的卡槽;
所述的压力传感器固定底座(18)与抽屉式伸缩横板(19)均采用防腐木材料,之间设有卡扣便于榫接;
所述的止水板(20)与河岸带试验沙槽接触的外边缘和与抽屉式伸缩横板(19)接触的内边缘均设有止水橡胶垫。
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