CN102680204A - 一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的方法和装置，该方法为：在垂直方向结构未受到扰动的柱状底泥表面，施加不同的恒定水流冲刷力，使柱状底泥在不同水动力作用下发生侵蚀，实现不同水动力强度扰动下的底泥侵蚀的模拟；同时分别捕获侵蚀后底泥中的悬移质和推移质，实现底泥侵蚀后传输特征的模拟；装置包括进水箱、扁长形水槽、出水箱、储水箱、柱状泥样管、推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集装置；本发明利用恒定水位差对底泥表面产生恒定的作用力，克服了外力条件不可控和维持底泥原状结构的问题，同时分别采用不同装置有效收集底泥起悬后的推移质和悬移质，实现模拟底泥侵蚀效果。
Description
技术领域
本发明涉及浅水湖泊和河流系统水体生态环境模拟技术领域，特别是利用矩形水槽模拟河流和湖泊在不同水动力强度扰动下的底泥侵蚀和再悬浮特征，推移质和悬移质比例，以及底泥传输特征的方法和装置。
背景技术
水动力作用下湖泊或河道沉积物容易发生侵蚀、再悬浮，该过程会引起表层沉积物营养盐的释放、生物数量的变化等。底泥表面侵蚀率定义为单位面积底床在单位时间内的底泥侵蚀量。河床切应力是粘性泥沙研究中的重要参数，它直接决定了底泥被侵蚀的深度。然而，确定河床切应力、控制外力条件是十分困难的。目前，模拟对底泥侵蚀的室内模拟主要有震荡法、波浪水槽法和环形水槽法。震荡法是在三角瓶中装入一定量沉积物和水样，以震荡频率模拟水动力大小。该方法简单易于控制条件且可多组平行，但是体积过小，不能很好的描述底泥侵蚀随风浪增强而递增的趋势。波浪水槽和环形水槽法是采用机械方法产生上覆水的定向流动使底泥发生悬浮。方法易于控制条件，但是实验底泥的原状性受到一定破坏，较浅的上覆水与湖泊实际情况差异较大。保持沉积物的原状性非常重要，它不仅关系到暴露于上覆水的界面及其结构的变化影响再悬浮的结果，并且对营养物质的释放量也产生至关重要的影响。在底泥侵蚀实验中，装置的选取及设计至关重要，对结果产生重要影响。故实验装置设计应尽量能够反映实际情况。
泥沙在床面(床面层或底层)共有四种状态，即静止、滚动、跳跃和悬浮。其中静止称为床沙，滚动与跳跃称为推移质，悬浮称为悬移质。通常在河流或湖泊上游被侵蚀的底泥会影响到下游水体的水环境特征。故研究侵蚀后底泥的推移质和悬移质的比例、运移特征是了解沉积物在水体或床面传输规律的重要问题。底泥被侵蚀后，会以推移质和悬移质的形式在水体或床面传输。以往研究局限于仅考虑悬移质部分或总侵蚀率。未能将两者分开考虑，从而对底泥起悬后的推移质和悬移质组成缺乏了解。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的方法和装置，该装置克服了现有技术中外力不可控和维持底泥原状结构难、缺乏对底泥起悬后推移质和悬移质组成的了解等问题。
技术方案：本发明所述的一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的方法，在垂直方向结构未受到扰动的柱状底泥表面，施加不同的恒定水流冲刷力，使柱状底泥在不同水动力作用下发生侵蚀，实现不同水动力强度扰动下的底泥侵蚀的模拟；同时分别捕获侵蚀后底泥中的悬移质和推移质，实现底泥侵蚀后传输特征的模拟。
根据上述方法设计的一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，包括进水箱、扁长形水槽、出水箱、储水箱、柱状泥样管、推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集装置，所述进水箱及出水箱内设置进水箱插槽与出水箱插槽，通过插入进水箱插板与出水箱插板，在所述进水箱及出水箱内设置有第一溢流水箱和第二溢流水箱，所述进水箱的底端出水口与所述扁长形水槽的进水口连接，所述扁长形水槽的出水口与所述出水箱的底端进水口连接，所述储水箱通过水管与水泵的进水管连接，所述水泵的出水管通过水管与所述进水箱的进水箱进水口连接，所述储水箱内设置有储水箱插槽，通过插入储水箱插板，在所述储水箱内设置有悬移质泥沙收集箱，所述悬移质泥沙收集箱内设置有悬移质泥沙收集装置，所述扁长形水槽的下表面开有进泥孔和出泥孔，所述进泥孔与柱状泥样管的一端密封连接，所述出泥孔与推移质泥沙捕获装置密封连接，所述第一溢流水箱的第一溢流水箱出水口与所述储水箱的储水箱进水口连接，所述第二溢流水箱的第二溢流水箱出水口与所述悬移质泥沙收集箱的悬移质泥沙收集箱进水口连接。
通过在所述进水箱和出水箱内配置不同高度的进水箱插板和出水箱插板控制扁长形水槽进水口与出水口的水位，同时利用水泵实现水循环流动，用推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集装置分别收集悬移质和推移质。
进一步，所述柱状泥样管内设置有泥柱，所述泥柱的底部通过活塞连接千斤顶，通过所述千斤顶将泥柱样从下向上顶入所述进泥孔。
进一步，所述推移质泥沙捕获装置为斜板沉淀箱，所述斜板沉淀箱的底板通过螺纹旋接在其底部。
进一步，所述悬移质泥沙收集装置为设置在悬移质泥沙收集箱内的细纱网，所述细纱网位于所述悬移质泥沙收集箱进水口的上端。
为方便测量所述扁长形水槽内的水体流速，所述扁长形水槽的上表面开有流速测孔，所述流速测孔内设置有旋桨流速仪。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：（1）利用恒定水位差对底泥表面产生恒定的作用力，实现模拟底泥侵蚀效果，克服了外力条件不可控的问题；（2）利用垂向结构未受到扰动的柱状底泥进行侵蚀实验，维持了底泥原有特性，表征底泥的实际侵蚀特性；（3）分别采用不同装置有效收集底泥起悬后的推移质和悬移质，区分侵蚀后底泥在水体或床面运动的悬移质和推移质的组成和比例，揭示底泥运移特征，同时实现了方便样品的捕获、收集、测量与器具的清洗；（4）可接入旋桨流速仪，精确测量水槽底部流速，实现模拟不同强度水流对底泥的切削作用。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2是本发明所述进水箱示意图。
图3是本发明所述出水箱示意图。
图4是本发明所述斜板沉淀箱示意图。
图5是本发明所述储水箱示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：如图1至5所示，一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，包括进水箱1、扁长形水槽2、出水箱3、储水箱4、柱状泥样管5、斜板沉淀箱6、细纱网7、水泵8，所述进水箱1及出水箱3内设置进水箱插槽9与出水箱插槽10，通过插入进水箱插板11与出水箱插板12，在所述进水箱及出水箱内设置有第一溢流水箱13和第二溢流水箱14，所述进水箱的底端出水口15与所述扁长形水槽2的进水口通过螺丝以及硅胶进行固定密封连接，所述扁长形水槽2的出水口与所述出水箱3的底端进水口16通过螺丝以及硅胶进行固定密封连接，所述储水箱4的储水箱出水口33通过水管与水泵8的进水管连接，所述水泵8的出水管通过水管与所述进水箱1的进水箱进水口17连接，所述储水箱4内设置有储水箱插槽18，通过插入储水箱插板19，在所述储水箱4内设置有悬移质泥沙收集箱20，所述悬移质泥沙收集箱20内设置有一层细纱网7，所述细纱网7位于悬移质泥沙收集箱20的悬移质泥沙收集箱进水口21的上端，所述扁长形水槽2的上表面开有流速测孔22，所述流速测孔22内设置有旋桨流速仪23，所述扁长形水槽2的下表面开有进泥孔24和出泥孔25，所述进泥孔24内用特定橡皮圈和硅胶密合有柱状泥样管5，所述柱状泥样管5内设置有泥柱26，所述泥柱26的底部通过活塞27连接千斤顶28，将泥柱26从下向上顶入扁长形水槽2的进泥孔24，移动速度可以手动控制，其目的是始终保持泥柱26表面与扁长形水槽2底部保持水平或者稍微超出一点，使得泥柱26表面受到水流的水平流动剪切作用，底泥侵蚀速率即为泥柱26的上升高度除以实验持续时间，所述出泥孔25下用特定橡皮圈和硅胶密封连接有斜板沉淀箱6，所述斜板沉淀箱6的底板29通过螺纹旋接在其底部，所述第一溢流水箱13的第一溢流水箱出水口30与所述储水箱4的储水箱进水口32连接，所述第二溢流水箱14的第二溢流水箱出水口31与所述悬移质泥沙收集箱20的悬移质泥沙收集箱进水口21连接。
所述进水箱1、扁长形水槽2、出水箱3、储水箱4、柱状泥样管5和斜板沉淀箱6均采用有机玻璃材质。
其工作过程为：水流从储水箱4通过水泵8提升，进入进水箱1，一部分直接经过第一溢流水箱13回到储水箱4；一部分经过扁长形水槽2和出水箱3，通过溢流到第二溢流水箱14，通过第二溢流水箱出水口31到悬移质泥沙收集箱20，再溢流到储水箱4，如此循环运作。
所述进水箱1及出水箱3内设置进水箱插槽9与出水箱插槽10，通过插入进水箱插板11与出水箱插板12，在所述进水箱及出水箱内设置有第一溢流水箱13和第二溢流水箱14，利用插入的进水箱插板11与出水箱插板12的高度差和溢流作用，控制进水箱1和出水箱3的恒定水位，实现了在整个测试过程中保持一个常数水头差。
通过调节进水箱1和出水箱3的水位差值来改变扁长形水槽2内的流速，扁长形水槽内单向流速的大小根据进水箱1和出水箱3之间的水头差△h产生，其值通过伯努利方程求得，公式略；
式中，g为重力加速度（m/s），h l为水头损失（m2/s2），△h 为水头差（m），P A，C分别为进水箱1和出水箱3的压力（N/m2），因为两个水箱均与大气相连，所以P A，C都等于大气压。故扁长形水槽中流速v c，公式略；
水头损失通过考虑流速，管道直径，管道长度，和弯曲度来估算。尽管流速可以通过该公式估算，但在实验操作中却不是必须的步骤。因为水槽中流量大小可以通过安装在水槽底部的旋桨流速仪23获得。该公式计算的值是为了设置插板高度。
受到侵蚀而运动的底泥主要是泥沙推移质和悬移质。沿扁长形水槽底部运动的推移质泥沙通过斜板沉淀箱6收集。斜板沉淀箱6内置斜板，确保推移质泥沙被斜板沉淀箱6捕获后不再进入水体中。斜板沉淀箱6的底板29通过螺纹连接在其底部，底板29可拆卸，方便清理测量已沉淀的底泥。悬移质泥沙收集箱20中部固定细纱网7，过滤沉淀悬移质泥沙，水流通过储水箱插板19进入储水箱4。
本装置具体操作方法如下：根据需要模拟的流速设计进出水位的高度，在进水箱1和出水箱3的插槽中插入相应高度的进水箱插板11与出水箱插板12，水泵8将储水箱4中的水通过水管提升至进水箱1中，水流流经扁长形水槽2，由旋桨流速仪23测得相应的流速，水流推动由千斤顶28顶起的泥柱26，表面泥样受到水流的水平流动剪切作用，发生侵蚀，推移质泥沙到达一定位置时，滑落至斜板沉淀箱6中得以收集，悬移质泥沙随着水流，经过出水箱3，经过水管，进入悬移质泥沙收集箱20得以收集，保持进水箱1和出水箱3中的水始终溢流，以维持扁长形水槽2中流速稳定的水流，通过第一溢流水箱13和第二溢流水箱14底部的出水口回到储水箱4中，实现水循环流动。实验进行一段时间后，根据要求计算底泥侵蚀率，分析悬移质和推移质泥沙的物理化学性质，以及组成比例。
实施例2：在太湖梅梁湾湖区（120°10′31″E, 31°30′30″N ）采集原状底泥，颗粒物粒径0.3-1000 μm，容重1.16-1.74 g/cm3，实验用水取之太湖原状水。设计进水箱1尺寸为长×宽×高=40cm×30cm×100cm，扁长形水槽2尺寸为长×宽×高=200cm×20cm×10cm，出水箱3尺寸为长×宽×高=40cm×30cm×50cm，储水箱4尺寸为长×宽×高=80cm×60cm×80cm。进水箱1配置的进水箱插板11包括7块厚度为1cm的隔板(每块高度分别为20，30，40，50，60，70，80cm)，出水箱3配置出进水箱插板12包括4块厚度为1cm的隔板（每块高度分别为10，20，30，40cm）。根据需要模拟的流速调整进水箱1和出水箱3的插槽中插入的隔板的高度，通过扁长形水槽2上部5cm×5cm的矩形测孔中插入的旋桨流速仪测得流速为30 cm/s，整个水槽运行2 min。在运行期间不断摇升千斤顶28，通过扁长形水槽2下部10cm的圆形进泥孔，始终保持泥柱26表面与扁长形水槽2底部保持水平或者稍微超出一点，表面泥样在水流的水平流动剪切作用，发生侵蚀，推移质泥沙到达距水槽末端20cm处时，滑落至斜板沉淀箱6（长×宽×高=8cm×8cm×15cm）中得以收集，悬移质泥沙随着水流，经过出水箱3和直径为10cm的水管，进入悬移质泥沙收集箱20（长×宽×高=20cm×60cm×80cm），通过距装置底部25cm的细网纱7过滤，悬移质得以收集，水流则由厚度为1cm，高度为30cm的储水箱插板19回到储水箱4，进水箱1和出水箱3始终溢流。实验完成后，当水体流速为30 cm/s，计算底泥侵蚀率为0.001 mm/s，悬移质和推移质泥沙比例为3.3:1。平行样之间的标准偏差可控制在小10%范围内，完成了设计前的预期要求。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (6)
1.一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的方法，其特征在于，在垂直方向结构未受到扰动的柱状底泥表面，施加不同的恒定水流冲刷力，使柱状底泥在不同水动力作用下发生侵蚀，实现不同水动力强度扰动下的底泥侵蚀的模拟；同时分别捕获侵蚀后底泥中的悬移质和推移质，实现底泥侵蚀后传输特征的模拟。
2.一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，包括进水箱、扁长形水槽、出水箱、储水箱、柱状泥样管、推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集装置，所述进水箱和出水箱内分别设置进水箱插槽与出水箱插槽，分别通过插入进水箱插板和出水箱插板，在所述进水箱和出水箱内设置第一溢流水箱和第二溢流水箱，所述进水箱的底端出水口与所述扁长形水槽的进水口连接，所述扁长形水槽的出水口与所述出水箱的底端进水口连接，所述储水箱通过水管与水泵的进水管连接，所述水泵的出水管通过水管与所述进水箱的进水箱进水口连接，所述储水箱内设置有储水箱插槽，通过插入储水箱插板，在所述储水箱内设置悬移质泥沙收集箱，所述悬移质泥沙收集箱内设置有悬移质泥沙收集装置，所述扁长形水槽的下表面开有进泥孔和出泥孔，所述进泥孔与柱状泥样管的一端密封连接，所述出泥孔与推移质泥沙捕获装置密封连接，所述第一溢流水箱的第一溢流水箱出水口与所述储水箱的储水箱进水口连接，所述第二溢流水箱的第二溢流水箱出水口与所述悬移质泥沙收集箱的悬移质泥沙收集箱进水口连接。
3.根据权利要求2所述的矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，所述柱状泥样管内设置有泥柱，所述泥柱的底部通过活塞连接千斤顶，通过所述千斤顶将该泥柱从下向上顶入所述进泥孔。
4.根据权利要求2所述的矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，所述推移质泥沙捕获装置为斜板沉淀箱，所述斜板沉淀箱的底板通过螺纹旋接在其底部。
5.根据权利要求2所述的矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，所述悬移质泥沙收集装置为设置在悬移质泥沙收集箱内的细纱网，所述细纱网位于所述悬移质泥沙收集箱进水口的上端。
6.根据权利要求2所述的矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，所述扁长形水槽的上表面开有流速测孔，所述流速测孔内设置有旋桨流速仪。
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