CN106018739B - 一种潮滩‑潮沟系统地貌演变物理模型试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潮滩‑潮沟系统地貌演变物理模型试验系统及方法，属于潮滩‑潮沟系统地貌演变试验的技术领域。物理模型包括：潮滩‑潮沟模拟区、水循环系统、水位测控系统、微地貌激光扫描仪，能够真实模拟海岸带潮滩‑潮沟地貌演变过程。试验过程中通过采集各试验阶段的潮滩‑潮沟地形数据、潮滩‑潮沟模拟区的预设水位过程以及实际水位过程、摄像机记录的示踪粒子运动影像，得到潮沟系统发育演变规律、流速随水深的变化规律。

Description

一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统及方法

技术领域

本发明公开了一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统及方法，属于潮滩-潮沟系统地貌演变试验的技术领域。

背景技术

潮滩在中国沿海分布广泛，以江苏沿海的粉砂淤泥质潮滩为例，其潮间带宽度达6-8公里，坡度极缓，仅约为0.1％，滩面沉积物以粉砂、淤泥为主。潮滩上多发育有潮沟系统，潮沟具有变化速度快、摆动幅度大等特点。随着沿海围垦、港口等海岸工程的建设，潮沟系统对于海岸工程建筑物安全的影响引起了越来越广泛的关注，同时，潮滩-潮沟系统是鸟类和海洋生物的重要栖息地，潮滩-潮沟的地貌演变对生态环境保护也尤为重要。

国内外众多学者对于潮滩-潮沟系统地貌演变开展了大量的研究工作，其方法主要包括现场观测、卫星遥感图像分析、数值模拟等，只在近年来出现了一些物理模型试验的成果。由于潮滩-潮沟系统在动力特性和泥沙特性方面的复杂性，其地貌演变机理目前还不很清楚，因此，有必要以物理模型为主要技术手段，从微观层面模拟其动力学结构，揭示其地貌演变机理。由于潮滩-潮沟系统具有“水极浅、流极弱、沙极细、潮网发育”等特征，目前，常规的水沙物理模型试验尚无法真实模拟海岸带潮滩-潮沟地貌演变过程，对精细的潮沟系统地形也缺乏高精度的测量技术，尚缺乏一套适用于潮滩-潮沟系统地貌演变的物理模型试验方法及装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统及方法，能够真实模拟海岸带潮滩-潮沟地貌演变过程，解决了常规水沙物理模型试验尚无法真实模拟海岸带潮滩-潮沟地貌演变过程的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统，包括：潮滩-潮沟模拟区、水循环系统、水位测控系统、微地貌激光扫描仪、表面流速测量系统，其中，

所述潮滩-潮沟模拟区包括：试验挡墙、不透水底层、进水管凹槽、模型沙，砌筑在不透水底层外侧边的试验挡墙使得不透水底层不完全封闭，进水管凹槽设置在不透水底层的未封闭侧，模型沙铺设在潮滩-潮沟模拟区内的不透水底层上，

所述水循环系统包括：蓄水池、水泵、阀门、进水管，蓄水池与进水管凹槽固定连接，进水管布设在进水管凹槽中，进水管的进水端淹没在蓄水池所储蓄的水里，阀门、水泵均安装在进水管上，蓄水池的底部高程低于不透水底层的高程，

所述水位测控系统包括：水位计、定轴尾门、调速电动机、水位测控装置，水位计固定在潮滩-潮沟模拟区域内的试验挡墙上，定轴尾门的两侧固定在位于进水管凹槽和蓄水池之间的试验挡墙上，调速电动机与定轴尾门连接，水位测控装置根据水位计测量的试验区域水位高度输出调速电动机的控制信号，调速电动机控制定轴尾门的转速和转动方向，

所述微地貌激光扫描仪包括：固定在试验挡墙上的平面定位机构、在平面定位机构上滑动的激光传感器、数据采集装置，数据采集装置根据激光传感器测量的位置信息调整激光传感器在平面定位机构上的位置，

所述表面流速测量系统包括：在平面定位机构上滑动的摄像机以及用于测量表面流速的示踪粒子。

做为所述一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统的进一步优化方案，模型沙铺设在潮滩-潮沟模拟区内不透水底层上形成的沙滩模型与进水管凹槽之间铺设有过渡区。

做为所述一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统的进一步优化方案，进水管凹槽外围包裹有细密金属网。

作为所述一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统的进一步优化方案，定轴尾门绕着定轴旋转的角度在30°到45°之间。

一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验方法，包括如下步骤：

S1、建立所述潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统，根据实际潮滩尺度和潮汐特性确定潮滩-潮沟模拟区的滩面尺度及坡度、平均水位、水位变动幅度和周期；

S2、构建潮滩-潮沟模拟区的初始地形并扫描初始地形：按照步骤S1确定的滩面尺度及坡度在潮滩-潮沟模拟区内的不透水底层上均匀铺设模型沙，采用微地貌激光扫描仪获取初始地形的三维数据；

S3、模拟潮滩-潮沟系统的地貌演变过程：

S31、控制和模拟潮汐过程：打开水泵使蓄水池中的水经过进水管输送到潮滩-潮沟模拟区，控制阀门使水流缓慢淹没模型沙，缓慢加大阀门以增加进水量，通过水位测控装置控制调速电动机，定轴尾门的角度在调速电动机带动下得以调整，潮滩-潮沟模拟区的水位缓慢上升并最终保持在最大水位处，水循环系统维持水流的溢流状态，水位测控系统在水位稳定后按照由平均水位、水位变动幅度和周期确定的预设水位过程开始潮汐过程的模拟试验，在当前试验阶段结束后缓慢排干潮滩-潮沟模拟区内的水，扫描当前试验阶段形成的潮滩-潮沟地形数据后开始下一试验阶段，直至潮滩-潮沟形态稳定时结束潮汐过程的模拟；

S32、在进行各试验阶段的同时测量各试验阶段的水流表面流速：调整摄像机在平面定位机构上的位置使得摄像机位于潮滩-潮沟模拟区上方，启动摄像机，在模型沙表面放置标尺作为参照物，获得清晰图像后移除标尺，向摄像机拍摄区域均匀泼洒示踪粒子开始测量实际水流表面流速；

S33、采集各试验阶段的潮滩-潮沟地形数据、潮滩-潮沟模拟区的预设水位过程以及实际水位过程、摄像机记录的示踪粒子运动影像；

S4、根据各试验阶段的潮滩-潮沟地形数据生成各试验阶段形成的潮滩-潮沟地形图，根据潮滩-潮沟地形图得到潮沟系统发育演变规律，根据各阶段潮滩-潮沟模拟区的实际水位过程以及示踪粒子运动影像建立流速随水深的变化规律。

进一步的，所述一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验方法的步骤S1中，根据实际潮滩尺度和潮汐特性确定潮滩-潮沟模拟区的滩面尺度及坡度，具体方法为：根据相似准则确定模型比尺，再根据模型比尺将实际潮滩-潮沟的尺寸和坡度转化为潮滩-潮沟模拟区的滩面尺度及坡度。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)提出的潮滩-潮沟地貌演变过程物理模型可以方便高效地在室内水槽中模拟不同水动力条件下的潮滩-潮沟系统地貌演变过程，实验结果能够真实反映现场潮滩-潮沟系统形态；

(2)自动、精确地控制水位的水位测控系统，能够生成并控制单一分潮简谐振动的潮汐过程和复杂潮汐过程，潮滩-潮沟模拟区内的水流在水位测控系统的控制下较为平稳且与设置的水位过程吻合程度高；

(3)表面流速测量系统可测量薄层水流的表面流速，便于获取潮沟内外复杂的水流流速变化规律，建立水动力条件与泥沙运动、潮沟演变的相关关系；

(4)水循环系统能够收集实验中溢流出的水，以便于循环再利用，达到了环保、可持续的效果；

(5)基于提出的物理模型实现的潮滩-潮沟系统地貌演变试验方法，通过采集各试验阶段的潮滩-潮沟地形数据、潮滩-潮沟模拟区的预设水位过程以及实际水位过程、摄像机记录的示踪粒子运动影像，得到潮沟系统发育演变规律、流速随水深的变化规律。

附图说明

图1为根据本发明进行潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验的流程示意图；

图2为本发明物理模型试验装置的总平面示意图；

图3为本发明物理模型试验装置的断面示意图；

图4为本发明实施例试验过程中预设水位过程与模型实际水位过程对比曲线；

图5为本发明实施例试验结束后经Arcgis软件处理得到的潮滩-潮沟地形图；

图6为本发明实施例中典型潮沟断面形态；

图7为本发明实施例中水流表面流速随水深变化过程曲线。

图中标号说明：1、试验挡墙，2、不透水底层，3、进水管凹槽，4、模型沙，5、蓄水池，6、水泵，7、阀门，8、细密金属网，9、进水管，10、水位计，11、定轴尾门，12、调速电动机，13和20、数据缆线，14、水位测控装置，15、数据采集箱，16、x方向导轨，17、y方向导轨，18、激光传感器，19、数据采集装置，21、摄像机。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。

本发明提供一种自动化控制、模拟准确性高、测量精度高、水流扰动小、数据处理分析方便的潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验装置及试验方法。

潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验装置如图2所示，包括：试验挡墙1、不透水底层2、进水管凹槽3、模型沙4组成的潮滩-潮沟模拟区，蓄水池5、水泵6、阀门7、进水管9组成的水循环系统，水位计10、定轴尾门11、调速电动机12、水位测控装置14组成的水位测控系统，x方向导轨16、y方向导轨17、激光传感器18、数据采集装置19组成的微地貌激光扫描仪，摄像机21以及用于测量表面流速的示踪粒子组成的表面流速测量系统。

不透水底层2为水泥浇筑的平整矩形区域(也可以是其它形状的区域)，并根据模型具体尺寸确定不透水底层2面积。将砖块和水泥沿不透水底层2的三条边砌筑形成试验挡墙1。进水管凹槽3沿不透水底层2未被试验挡墙1封堵的一边设置。模型沙4按照试验要求均匀铺设在不透水底层2上。包裹在进水管凹槽3外围的细密金属网8保证水流稳定均匀。

蓄水池5为矩形区域，设置在不透水底层2一侧并与进水管凹槽3相连接，蓄水池5底高程低于不透水底层2高程。在进水管凹槽3中布设进水管9，在该段进水管9上均匀开设进水孔，将进水管9的进水端淹没在蓄水池5所储蓄的水里，进水管9上安装有水泵6和阀门7。

定轴尾门11的两侧固定在位于进水管凹槽3和蓄水池5之间的试验挡墙1上。定轴尾门11完全打开时呈水平状态，其高程与不透水底层2高程相同；定轴尾门11完全关闭时呈竖直状态，其顶高程高于不透水底层2，并略高于最高水位。水位计10固定在潮滩-潮沟模拟区域内的试验挡墙1上，通过数据缆线13与数据采集箱15相连。数据采集箱15通过数据缆线13与水位测控装置14相连。水位测控装置14通过数据缆线13与调速电动机12相连。调速电动机12经过减速器以及减速机与定轴尾门11的一端连接，调速电动机12控制定轴尾门11的转动速度和转动方向。

两条x方向导轨16和一条y方向导轨17组成平面定位机构，两条x方向导轨16固定在试验挡墙1上，架设在x方向导轨16上的y方向导轨17可以在x方向导轨16上移动，激光传感器18架设在y方向导轨17上且可以在y方向导轨17上移动。平面定位机构通过数据线缆20与数据采集装置19相连，激光传感器18通过数据线缆20与数据采集装置19相连，数据采集装置19用来控制y方向导轨17和激光传感器18移动、收集所测得的三维地形数据。摄像机21架设于y方向导轨17上。

图1示出了根据本发明进行潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验的流程示意图。如图1所示，本发明提供一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验方法，包括如下步骤：

步骤S1，根据实际情况确定模型试验参数：根据物理模型试验相似率将实际潮滩地形、泥沙特性等数据集转化为一套室内潮滩-潮沟系统物理模型，具体为：

根据物理模型实验相似条件确定模型比尺、模型沙种类和级配，并结合实际潮滩尺度和潮汐特性确定模型中滩面尺寸及坡度、平均水位、水位变动幅度和周期等，选择合适的模型沙，据此进行室内潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验。

步骤S2，初始地形构建与扫描：在不透水底层按照计算好的滩面坡度均匀铺设模型沙，在不透水底层与进水管凹槽之间铺设缓冲区，使模型沙厚度平缓过渡，保证水流平稳，构建完初始地形后，用LTS微地貌激光扫描仪对初始地形进行扫描，平面定位机构中两个方向的导轨带动激光传感器逐行对预定区域进行逐点扫描，激光传感器扫描频率是每秒1个点，高程扫描精度为0.5mm，可根据模型地形分辨率的要求设置相邻扫描点间隔。

步骤S3，潮滩-潮沟系统地貌演变模拟：

子步骤S31，潮汐变化过程控制与模拟，其包括：在水位测控程序中设定计算好的潮汐过程参数(平均水位、水位变动幅度和周期等)，打开水泵，使蓄水池中的水经过进水管输送到潮滩-潮沟模拟区，控制阀门使水流缓慢淹没模型沙，该阶段应尽量避免水流对于模型沙的扰动，缓慢加大阀门，增加进水量，通过水位测控程序控制调速电动机，调整定轴尾门角度，使模拟区水位缓慢上升并最终保持在最大水位处，同时使水流维持溢流状态，水位稳定后在水位测控程序中选择自动控制，系统根据预设好的水位过程进行水位过程模拟，在当前试验阶段结束后缓慢排干潮滩-潮沟模拟区内的水，扫描当前试验阶段形成的潮滩-潮沟地形数据后开始下一试验阶段，直至潮滩-潮沟形态稳定时结束潮汐过程的模拟，试验过程中进水量应足够大，并使定轴尾门处水流保持溢流状态，且定轴尾门摆动幅度应维持在30°～45°附近，以保持最佳的水位控制灵敏性；

子步骤S32，在进行各试验阶段的同时测量各试验阶段的水流表面流速：首先将摄像机固定在y方向导轨上，使摄像机镜头竖直向下，调整并记录导轨和摄像机位置，使摄像机位于测量区域之上，启动摄像机后，在模型沙表面放置标尺作为参照物，获得清晰图像后，移除标尺，然后在试验过程中，将塑料泡沫碎屑作为示踪粒子，均匀泼洒在摄像机拍摄区域；

子步骤S33，采集各试验阶段的潮滩-潮沟地形数据、潮滩-潮沟模拟区的预设水位过程以及实际水位过程、摄像机记录的示踪粒子运动影像。

步骤S4，模型试验数据处理与分析：通过LTS微地貌激光扫描仪测得各试验阶段潮滩矩形区域内各测点的高程，利用Arcgis软件对高程数据进行处理，绘制各阶段潮滩-潮沟系统地形；分析、提取潮沟轴线，并对潮沟分级；统计各级潮沟数量并计算平均长度；计算潮沟网络排水密度；提取潮沟断面，并统计各级潮沟断面尺寸；分析示踪粒子运动速率，计算水位变动过程中水流表面流速变化规律，建立表面流速与水深的相关关系，结合泥沙运动分析水动力条件与潮沟演变之间的关系。还可以通过多组试验分析不同水动力条件对潮滩-潮沟系统地貌演变的影响。

模型沙铺设过程，首先在紧靠两侧的试验挡墙放置两根x方向(垂直于模型海岸方向)铝合金方管，铝合金方管上表面高度与模型潮滩预设上表面高度齐平，铝合金方管坡度按照模型滩面预设坡度，将模型沙均匀铺设在不透水底层上，并使其高度高于铝合金方管上表面高度，将另外一根y方向(沿模型海岸方向)铝合金方管的两端搁置在两侧的x方向铝合金方管上，并沿x方向铝合金方管滑动，使模型沙表面平整，最后移除x方向和y方向铝合金方管，并用模型沙填补局部坑洼。模型沙所铺设的潮滩模型与进水管凹槽之间应铺设过渡区，使模型沙厚度平缓过渡，保证水流平稳地流入潮滩模型区。

根据试验需要设定平均水位、水位变动幅度和周期，使得预设水位过程能够模拟单一分潮简谐振动的潮汐过程、潮汐不对称情况、大小潮周期变化情况以及海平面升降等情况。

试验过程中需要进行多个试验阶段，每个试验阶段中包括子步骤S31水位变化过程控制与模拟、子步骤S32表面流速测量和子步骤S33实验阶段地形扫描。子步骤S31水位变化过程控制与模拟需模拟n个潮周期，n为根据具体试验需要确定的整数，所有试验阶段应连续进行，直到潮滩-潮沟系统基本稳定停止试验。子步骤S31水位变化过程控制与模拟和S32表面流速测量应当同时进行，子步骤S33试验阶段地形扫描应当在子步骤S31水位变化过程控制与模拟和子步骤S32表面流速测量结束后进行。

为详细说明本发明的结构、特点及功效，现结合以下实施例并配合附图进一步描述。

实施例：以江苏中部沿海淤泥质潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验为例，江苏中部海岸为典型的粉砂淤泥质潮滩，潮间带宽度约为7～10km，平均坡度为0.1％～1％，沉积物主要为粒径0.001～0.05mm的淤泥和粉砂，滩面沉积物呈明显的分带性，由陆向海中值粒径逐渐增大，分别为28.2μm、40.0μm、87.7μm，经计算研究区域内潮滩粒径如下：d₉₅＝0.1300mm，d₅₀＝0.0295mm，d₅＝0.0014mm，用比重计法得到泥沙颗粒密度0＝2670kg/m³。潮滩-潮沟系统是细颗粒泥沙在以潮流作用为主的水动力条件下形成的潮间带地貌，其剖面形态主要受沉积物供给和水动力条件的控制。本试验主要通过模拟潮汐作用下泥沙与水流相互作用，复演潮沟-潮沟系统在光滩上逐渐发育演变的过程。经对处于大潮低潮位与大潮高潮位之间的潮间带区域进行观测，选择沿岸向长约4km、垂直岸向宽约3km的潮间带区域进行研究，潮滩高程范围为2～-2m，最大潮差约为4m(实施例中考虑潮差为5m的情况)。

应用本发明的潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验方法和装置，具体实施步骤如下：

(1)数据准备工作

考虑水动力及泥沙运动相似条件以及场地因素，将该物理模型设为变态、动床模型；主要水动力为正向潮流；泥沙运动形式包括悬移质运动和推移质运动两种，且以底沙运动为主。模型中选取的水平长度比尺λ_L＝750，模型水深比尺λ_H＝100，即模型变率为7.5。按照比尺计算后，模型试验区长5.3m，宽4m，滩面坡度1％，水位变动幅度5cm。模型试验中主要考虑的相似条件为：重力相似，紊流阻力相似，水流运动相似，悬沙运动相似，动床底沙运动相似。根据模型相似条件确定水位变动周期约为10min，选择模型沙为经防腐处理的木屑，其平均容重为1120kg/m³，中值粒径为1mm。

(2)初始地形构建与扫描

采用室内物理模型试验装置对潮滩-潮沟系统地貌演变进行模拟，如图2所示为该物理模型试验装置总平面示意图，图3为本发明试验装置断面示意图。其中潮滩模拟区包括试验挡墙1、不透水底层2、进水管凹槽3和模型沙4，不透水底层2为5.3m×4m的矩形，其海侧方向与进水管凹槽3相连。试验潮滩由模型沙4铺设而成，表面平整，初始坡度为1％，靠陆侧(远离定轴尾门11一侧)模型沙4厚度为15cm，由陆向海逐渐降低，靠海侧为10cm，并平滑过渡到0cm厚，与进水管凹槽3边缘相接。铺设模型沙4时，首先紧靠两侧的试验挡墙1放置两根x方向铝合金方管，铝合金方管上表面高度与预设模型沙4上表面高度齐平，坡度1％，将模型沙4均匀铺设在不透水底层2上，将另外一根长度4m的y方向铝合金方管的两端搁置在两侧的x方向铝合金方管上，并沿x方向铝合金方管滑动，使模型沙4表面平整，最后移除x方向和y方向铝合金方管并填补局部坑洼。

构建完初始地形后，用LTS微地貌激光扫描仪对初始地形进行扫描，根据物理模型中铺设模型沙4的尺寸，在数据采集装置19上设置扫描参数，扫描仪平面测量范围略小于不透水底层2，为5m×4m，扫描仪平面分辨率设置为1cm×1cm，垂向精度为0.5mm，满足潮滩-潮沟地形的测量要求。设置完成后，点击开始，x方向导轨16、y方向导轨17将带动激光传感器18逐行对预定区域进行逐点扫描，速度为1cm/s。

(3)模拟潮滩-潮沟系统演变过程

本次物理模型试验设定为潮差5cm正弦型潮汐过程，其中潮汐的周期简化约为600s，低潮水位为9cm，高潮水位为14cm，平均海平面水位11.5cm。包含六个试验阶段，每个阶段包含14个潮周期，共计84个潮周期。在水位测控装置14上预设一个阶段的潮汐过程，每个阶段试验从最高潮位开始，每个阶段潮滩-潮沟系统地貌演变试验过程如下：

a、首先将摄像机21固定在y方向导轨17上，使摄像机21镜头竖直向下，调整并记录y方向导轨17和摄像机21位置，使摄像机21位于测量区域之上，启动摄像机21后，在模型沙4表面放置标尺作为参照物，获得清晰图像后，移除标尺。

b、打开水泵6，使蓄水池5中的水经过进水管9输送到潮滩-潮沟系统模拟区，控制阀门7使水流缓慢淹没模型沙4，该阶段应尽量避免水流对模型沙4的扰动。

c、缓慢加大阀门7，增加进水量。通过水位测控装置14控制调速电动机12，调整定轴尾门11角度，使模型水位缓慢上升并最终保持在最大水位处，同时使水流维持溢流状态，溢流出的水直接进入蓄水池5。

d、水位稳定在最高水位并保持溢流状态后，在水位测控装置14中选择自动控制，系统根据预设好的模型水位过程进行潮汐模拟。

e、在潮汐模拟过程中，将塑料泡沫碎屑作为示踪粒子，均匀泼洒在摄像机21拍摄区域。

f、14个潮周期之后，该阶段试验结束，此时模型水位为最高水位。关闭并移除摄像机21，通过水位测控装置14停止定轴尾门11运动，使模型中的水通过定轴尾门11底部和两侧的缝隙缓慢排入蓄水池5，该阶段应避免水流对于模型沙4的扰动。如图4反映了试验过程中预设水位过程与模型实际水位过程对比曲线。

g、潮滩模拟区中的水排干后，使用LTS微地貌激光扫描仪对潮滩-潮沟系统地形进行扫描：通过数据采集装置19启动LTS微地貌激光扫描仪，x方向导轨16、y方向导轨17将带动激光传感器18逐行对预定区域进行逐点扫描，速度为1cm/s。

(4)数据处理与分析

所有阶段试验结束后，得到各阶段潮滩矩形区域各点的高程数据、每个试验阶段模型实际水位过程以及相应的水流表面示踪粒子移动影像。

图5示出了本发明实施例试验结束后经Arcgis软件处理得到的潮滩-潮沟地形图。图6示出了本发明实施例中典型潮沟断面形态。利用Arcgis软件对数据进行处理，利用测得的各点高程数据生成潮滩-潮沟系统地形图，根据模型潮滩-潮沟地形分析水流方向，识别潮沟轴线，采用Strahler分级方法对潮沟分级，统计各级潮沟数量及平均长度，提取并统计各级潮沟截面形态和尺寸。分析不同试验阶段潮沟形态、数量的变化规律。

图7示出了本发明实施例中水流表面流速随水深变化过程曲线。以试验前期放置的标尺为长度标准，统计实验影像中不同时间段内单个示踪粒子移动距离，结合影像时间计算单个示踪粒子移动速度。通过对应试验影像中的时间与模型实际水位过程中的时间，建立水流表面流速随水位变化规律。通过流速测量区域的地形数据计算该区域平均高程，并计算该区域平均水深变化过程，建立水流表面流速随水深变化规律。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)提出的潮滩-潮沟地貌演变过程物理模型可以方便高效地在室内水槽中模拟不同水动力条件下的潮滩-潮沟系统地貌演变过程，实验结果能够真实反映现场潮滩-潮沟系统形态；

(2)自动、精确地控制水位的水位测控系统，能够生成并控制单一分潮简谐振动的潮汐过程和复杂潮汐过程，潮滩-潮沟模拟区内的水流在水位测控系统的控制下较为平稳且与设置的水位过程吻合程度高；

(3)表面流速测量系统可测量薄层水流的表面流速，便于获取潮沟内外复杂的水流流速变化规律，建立水动力条件与泥沙运动、潮沟演变的相关关系；

(4)水循环系统能够收集实验中溢流出的水，以便于循环再利用，达到了环保、可持续的效果；

(5)基于提出的物理模型实现的潮滩-潮沟系统地貌演变试验方法，通过采集各试验阶段的潮滩-潮沟地形数据、潮滩-潮沟模拟区的预设水位过程以及实际水位过程、摄像机记录的示踪粒子运动影像，得到潮沟系统发育演变规律、流速随水深的变化规律。

Claims (6)

1.一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统，其特征在于，包括：潮滩-潮沟模拟区、水循环系统、水位测控系统、微地貌激光扫描仪、表面流速测量系统，其中，

所述潮滩-潮沟模拟区包括：试验挡墙(1)、不透水底层(2)、进水管凹槽(3)、模型沙(4)，砌筑在不透水底层(2)外侧边的试验挡墙(1)使得不透水底层(2)不完全封闭，进水管凹槽(3)设置在不透水底层(2)的未封闭侧，模型沙(4)铺设在潮滩-潮沟模拟区内的不透水底层(2)上，

所述水循环系统包括：蓄水池(5)、水泵(6)、阀门(7)、进水管(9)，蓄水池(5)与进水管凹槽(3)固定连接，进水管(9)布设在进水管凹槽(3)中，进水管(9)的进水端淹没在蓄水池(5)所储蓄的水里，阀门(7)、水泵(6)均安装在进水管(9)上，蓄水池(5)的底部高程低于不透水底层(2)的高程，

所述水位测控系统包括：水位计(10)、定轴尾门(11)、调速电动机(12)、水位测控装置(14)，水位计(10)固定在潮滩-潮沟模拟区域内的试验挡墙(1)上，定轴尾门(11)的两侧固定在位于进水管凹槽(3)和蓄水池(5)之间的试验挡墙(1)上，调速电动机(12)与定轴尾门(11)连接，水位测控装置(14)根据水位计(10)测量的试验区域水位高度输出调速电动机(12)的控制信号，调速电动机(12)控制定轴尾门(11)的转速和转动方向，

所述微地貌激光扫描仪包括：固定在试验挡墙(1)上的平面定位机构、在平面定位机构上滑动的激光传感器(18)、数据采集装置(19)，数据采集装置(19)根据激光传感器(18)测量的位置信息调整激光传感器(18)在平面定位机构上的位置，

所述表面流速测量系统包括：在平面定位机构上滑动的摄像机(21)以及用于测量表面流速的示踪粒子。

2.根据权利要求1所述一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统，其特征在于，模型沙(4)铺设在潮滩-潮沟模拟区内不透水底层(2)上形成的沙滩模型与进水管凹槽(3)之间铺设有过渡区。

3.根据权利要求1所述一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统，其特征在于，所述进水管凹槽(3)外围包裹有细密金属网(8)。

4.根据权利要求1所述一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统，其特征在于，所述定轴尾门(11)绕着定轴旋转的角度在30°到45°之间。

5.一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立权利要求1所述潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验系统，根据实际潮滩尺度和潮汐特性确定潮滩-潮沟模拟区的滩面尺度及坡度、平均水位、水位变动幅度和周期；

S2、构建潮滩-潮沟模拟区的初始地形并扫描初始地形：按照步骤S1确定的滩面尺度及坡度在潮滩-潮沟模拟区内的不透水底层(2)上均匀铺设模型沙(4)，采用微地貌激光扫描仪获取初始地形的三维数据；

S3、模拟潮滩-潮沟系统的地貌演变过程：

S31、控制和模拟潮汐过程：打开水泵(6)使蓄水池(5)中的水经过进水管(9)输送到潮滩-潮沟模拟区，控制阀门(7)使水流缓慢淹没模型沙(4)，缓慢加大阀门(7)以增加进水量，通过水位测控装置(14)控制调速电动机(12)，定轴尾门(11)的角度在调速电动机(12)带动下得以调整，潮滩-潮沟模拟区的水位缓慢上升并最终保持在最大水位处，水循环系统维持水流的溢流状态，水位测控系统在水位稳定后按照由平均水位、水位变动幅度和周期确定的预设水位过程开始潮汐过程的模拟试验，在当前试验阶段结束后缓慢排干潮滩-潮沟模拟区内的水，扫描当前试验阶段形成的潮滩-潮沟地形数据后开始下一试验阶段，直至潮滩-潮沟形态稳定时结束潮汐过程的模拟；

S32、在进行各试验阶段的同时测量各试验阶段的水流表面流速：调整摄像机(21)在平面定位机构上的位置使得摄像机(21)位于潮滩-潮沟模拟区上方，启动摄像机(21)，在模型沙(4)表面放置标尺作为参照物，获得清晰图像后移除标尺，向摄像机(21)拍摄区域均匀泼洒示踪粒子开始测量实际水流表面流速；

S33、采集各试验阶段的潮滩-潮沟地形数据、潮滩-潮沟模拟区的预设水位过程以及实际水位过程、摄像机记录的示踪粒子运动影像；

S4、根据各试验阶段的潮滩-潮沟地形数据生成各试验阶段形成的潮滩-潮沟地形图，根据潮滩-潮沟地形图得到潮沟系统发育演变规律，根据各阶段潮滩-潮沟模拟区的实际水位过程以及示踪粒子运动影像建立流速随水深的变化规律。

6.根据权利要求5所述一种潮滩-潮沟系统地貌演变物理模型试验方法，其特征在于，步骤S1中根据实际潮滩尺度和潮汐特性确定潮滩-潮沟模拟区的滩面尺度及坡度，具体方法为：根据相似准则确定模型比尺，再根据模型比尺将实际潮滩-潮沟的尺寸和坡度转化为潮滩-潮沟模拟区的滩面尺度及坡度。