CN107063632A - 一种脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于研究脉动压力驱动下河床垂向潜流交换的模拟试验装置及其制作方法，其特征是模拟地表水位呈周期性正弦波动，造成河床界面产生脉动压力。该装置通过自动升降水位控制系统、水位简谐振动控制室及河床水槽模型，使河床地表水位产生近似三角函数的周期性波动，水体波动产生的脉动压力驱使河床垂向方向发生潜流交换作用，该装置实现了由水位波动产生的脉动压力为河床潜流交换试验唯一驱动力的功能，突破了传统水槽试验只能通过改变河床地形、地表水流速等方法的局限性。该装置技术论证可行，整体结构协调性强，模型制作和试验操作较为简便。

Description

一种脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置及其制作 方法

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别涉及一种脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置。

背景技术

潜流交换是潜流带中地表水与地下水相互交换时所引起的物质(水、保守性溶质、反应性溶质)、颗粒和胶体在河道和河道附近饱和沉积层之间的相互交换。潜流交换过程对流域水资源的准确评价、潜流带的生态系统及河流生态系统的健康均具有重要意义。通过试验来研究潜流交换过程和机理是最直接有效的手段。

目前，潜流交换试验主要有室内水槽试验和野外监测试验两种形式。野外监测试验通常采用设置观测井并埋设传感器的形式，来获得测点处温度、压力等实测数据，其主要优点是测量数据真实、数据时间序列长，但成本较高、野外干扰因素多、试验周期较长等缺点也会给潜流交换试验的进程造成不利影响。相对而言，室内试验具有测试方便、测量方法较多、测量成本低等优点。因此，利用室内水槽试验方法研究潜流交换相关问题成为目前国内外学者采用较多的手段。

过去多数研究者通过建立室内水槽模型、填充砂石的方式来模拟河道，通过塑造特定的河床形态改变河床的局部压力梯度，促进潜流交换的发生；或者通过水槽及流量阀控制地表水和地下水的水流条件，在相关测点布置传感器和数据采集装置，研究不同水位、流速条件下河床垂向潜流交换的情况；也有研究者通过自动升降活塞控制水槽水位形成动态的洪水脉冲效应，用于研究一种周期性洪水脉冲驱动下的河漫滩潜流交换过程。这些模型主要通过改变河床形态、水流条件或者利用水槽水位整体升降达到洪水的脉冲效应，无法实现脉动压力为唯一驱动力作用下的河床垂向潜流交换过程的研究。发生洪水、大坝泄水、阶梯坎等均会使下游水流产生较大的脉动压力，对河道的潜流交换过程具有重要影响，因此，开发一种周期性脉动压力驱动下的河床垂向潜流交换试验模型及其制作方法已成潜流交换试验函待解决的关键问题。

发明内容

本发明针对目前水槽试验的局限，开发一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置；打破了传统水槽模型通过改变河床地形产生局部压力梯度的局限性，突破了地表水位整体升降产生动态脉冲效应的单一模式，通过控制水位自动升降形成振动源，引起水槽水位发生近似三角函数的周期性波动，对河床界面形成动态脉动压力，驱动河床发生垂向潜流交换作用。

本发明的技术方案是：一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，主要包括自动升降水位控制系统、水位简谐振动控制室及河床水槽模型三部分，所述自动升降水位控制系统通过出水管连接水位简谐振动控制室；水位简谐振动控制室位于河床水槽模型左侧，之间用有机玻璃板作为挡板；所述自动升降水位控制系统由铁支架、大齿轮、短连杆、小齿轮、长连杆、电机及铁架台、细钢丝、储水桶、木平台、出水管、导轨组成；所述水位简谐振动控制室由消能仓和水箱组成，河床水槽模型由河床模型、角钢支架、水槽组成；其特征在于：铁支架、铁架台分别固定大齿轮和小齿轮，小齿轮轴心处与电机连接，大齿轮和小齿轮正确啮合；大齿轮轴心处连接短连杆，短连杆下端连接长连杆，长连杆端部通过细钢丝与储水桶相连，储水桶固定在木平台上，木平台水平置于四根导轨间，可上下滑动；储水桶桶口处通过出水管连接水箱进水口，出水管管身设一止水夹；水箱进水口与消能仓位于水箱底部，水箱右侧填石英砂构成河床模型，水箱与河床模型均置于水槽中，水槽用角钢支架支撑，水槽侧壁上布置4个测孔。

进一步的，所述水槽结构尺寸为2m×0.15×1m。

进一步的，所述测孔位于水槽一侧侧壁上，在水平方向上等距布置4个侧孔，测孔，测孔距河床模型上表面5cm，左侧测孔距挡板30cm，4个测孔间距10cm。

进一步的，所述水箱为水槽壁面与挡板连接构成的半封闭结构，上端开口与水槽水体连通，下端设置消能仓与进水口。

进一步的，所述木平台方形木板制作而成，木板中心处开一个直径8cm的孔洞，用于放置储水桶桶口，木板两边各开2个矩形缺口，缺口中间设置橡胶滚轮，以木板中心为圆心、以14cm长为半径画圆并沿圆轮廓等间距钻6个孔，孔径为1cm，孔内放入长40cm、直径1cm铁棒，铁棒下端带有螺纹，用螺母固定在木板上；将左右两侧的三根铁棒分别用铁片焊接成为铁箍，用于将储水桶固定在木平台上。

进一步的，所述储水桶由饮用水桶改装而成，将饮水桶桶口倒置放入木平台洞口处，用橡胶塞封闭，橡胶塞中间插入一根出水管和一根导气管，导气管一端插入桶内，其端口低于桶内液面但高于出水管端口，另一端暴露在空气中，高度大于桶内液面，用固定夹固定在铁棒上。

进一步的，所述进水口处的出水管端设滤网防止堵塞。

进一步的，所述导轨用2m长角钢焊接而成，中间形成凹槽，用于木平台滚轮滚动，导轨底部高度30cm和50cm之间布置一排桁架，用于维持导轨的稳定性。

进一步的，所述消能仓长宽高为0.1m×0.15m×0.1m，通过填充砂砾构成。

本发明所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置的制作方法，其特征在于方法步骤如下：

第一步，关闭止水夹19，向储水桶8内注入2/3体积水，转动小齿轮4和大齿轮2使短连杆3与长连杆5位于同一直线上且竖向连杆长度之和达到最大。

第二步，向水槽17内注水至水深达到10cm时停止注水，打开止水夹19，待储水桶与水槽内水位持平且处于稳定状态时，打开电机使系统开始运行，并记下转速。

第三步，系统运行时，小齿轮4带动大齿轮2转动，大齿轮上的连杆带动储水桶升降，利用储水桶与水位简谐振动控制室内水量的流通达到使水槽水体产生脉动压力的效果。

第四步，待水槽内水体形成稳定的脉动压力时，用注射器依次、迅速地通过4个测孔向河床注射浓度为0.25g/L的高锰酸钾溶液作为示踪剂，并开始计时。此时刻计为0时刻。这里注射器不宜插入河床太深，防止观察不到所注入示踪剂的示踪轨迹。

第五步，分别在第5min、10min、15min、20min、30min、60min、90min、120min……记录4个测孔注入的示踪剂轨迹。当示踪剂轨迹基本不再发生变化时，关闭电机，停止试验。

第六步，得到4组示踪剂垂向距离变化与试验时间之间的关系曲线。

第七步，改变转机转速，重复第一步至第六步的步骤。

通过以上步骤，可以获得不同强度的脉动压力对河床垂向潜流交换深度及潜流交换速度的影响。

本发明的工作原理是：水槽设置沙床模型模拟河床；通过电机使小齿轮带动大齿轮转动，大齿轮再通过连杆带动储水桶缓慢升降，使储水桶水位发生周期性升降，利用连通器原理，使水位简谐振动室内水位产生简谐振动；电机转速与连杆长度的设计依托于特定水位波动的波峰与周期。水箱进水口与自动升降水位控制系统相连，并通过消能仓减小涌水造成的紊流影响，水箱上端开口与水槽水体相通，整体形成上游地表水简谐振动控制系统，它使水槽地表水左端形成稳定的振动源，引起水槽地表水位产生近似三角函数变化的周期性波动。

本发明的创新点：1)改变了传统水槽模型通过塑造不同河床地形或者通过活塞使水槽水位整体升降的制作模式，实现了脉动压力作为河床垂向潜流交换唯一驱动因子的试验效果；2)通过自制的自动升降水位控制系统，使水槽水体形成稳定、连续、呈周期性变化的动态脉动压力，实现室内研究脉动压力驱动下的河床垂向潜流交换过程；3)自制的消能仓能够消减进水口的涌水造成的紊流影响，保证水位简谐振动控制室内的水体形成稳定的振动源，减少对试验的干扰。4)调节电机的转速，利用自制的齿轮组和连杆的机械运动可对比研究不同强度的脉动压力对河床垂向潜流交换的影响，试验操作灵活、简便。5)本试验装置通过注射示踪剂并获得不同脉动压力作用下示踪距离的时间曲线，可以直接获得潜流交换深度，并间接获得脉动压力强度对潜流交换速率的影响，为脉动压力驱动下的河床垂向潜流交换机理研究提供了重要依据。

附图说明

图1为本发明的潜流交换实验装置的结构示意图；

图2为本发明的自动升降水位控制系统示意图；

图3为本发明的木平台结构示意图；

图4为本发明的自动升降水位控制系统初始时刻连杆位置图；

图5为本发明的自动升降水位控制系统某时刻连杆位置图；

图6为本发明的自动升降水位控制系统在控制室水位达到振幅时连杆位置图；

图7为本发明的自动升降水位控制系统末时刻连杆位置图。

在图中，1、铁支架，2、大齿轮，3、短连杆，4、小齿轮，5、长连杆，6、电机，7、铁架台，8、细钢丝，9、储水桶，10、木平台，11、出水管，12、导轨，13、消能仓，14、水箱，15、挡板，16、河床模型，17、角钢支架，18、水槽，19、测孔，20、螺栓，21、止水夹，22、滚轮，23、固定夹，24、铁箍，25、通气管，26、铁棒，27、铁轴。

具体实施方式

1、水槽制作与技术。水槽结构尺寸为2m×0.15m×1m。水槽左部为水位简谐振动控制室，其下端通过出水管与自动升降水位控制系统相连；水槽右部设置沙床模型模拟河床。水槽用角钢支架支撑。随着电机转动，储水桶中的水位随之升降，带动水位简谐振动控制室中水位自动升降形成振动源，引起水槽水位发生近似三角函数的波动。

水槽设计较窄，有利于增强水槽水位对水位简谐振动控制室水位振动的响应，提高其波动特性。

2、水位简谐振动控制室制作与技术。控制室由水箱、消能仓、进水口组成。其中，水箱为水槽壁面与挡板连接构成的半封闭结构，上端开口与水槽水体连通，下端设置消能仓与进水口，利用连通器原理，控制室内水位随储水桶升降产生简谐振动，形成振动源。其中，挡板结构尺寸为0.15m×0.6m，挡板距水槽左壁尺寸为0.1m。进水口设置消能仓，长宽高为0.1m×0.15m×0.1m，进水时填充砾石可缓冲水流，消减涌水造成的紊流影响。由于存在一定的水头损失，控制室内实际水位与理论值略有偏差。

3、自动升降水位控制系统制作与技术。系统由木平台、导轨、储水桶、齿轮组、电机、连杆、出水管组成。系统运行时，电机使小齿轮带动大齿轮转动，大齿轮上的连杆带动储水桶升降，使储水桶水位发生周期性升降，利用连通器原理，水位简谐振动控制室内水位也会随之响应，在较为狭窄的空间内快速升降，达到简谐振动的目的，并形成振动源带动水槽水位发生近似三角函数的周期性波动。大齿轮转动一周，对应水位简谐振动控制室水位的一个升降过程，定义为一个周期。当储水桶上升时，储水桶内部分水体流入水位简谐振动控制室内，使控制室水位上升；当储水桶下降时，控制室内有部分水体又会回流到储水桶内，对应的控制室内水位下降。

现将自动升降水位控制系统各部分的具体设计技术方案分述如下：

1)木平台与导轨设计

木平台由厚5cm、边长40cm的方形木板制作而成，木板中心处开一个直径8cm的孔洞，用于放置储水桶桶口，木板两边各开2个矩形缺口，缺口尺寸为7.5cm×4cm，缺口中间设置外径8cm、厚3cm的橡胶滚轮。以木板中心为圆心、以14cm长为半径画圆并沿圆轮廓等间距钻6个孔，孔径为1cm，孔内放入长40cm、直径1cm铁棒，铁棒下端带有螺纹，用螺母固定在木板上；将左右两侧的三根铁棒分别用铁片焊接成为铁箍，用于将储水桶固定在木平台上。木平台水平置于4根导轨中间，导轨用2m长角钢焊接而成，中间形成凹槽，用于木平台滚轮滚动，导轨底部高度30cm和50cm之间布置一排桁架，用于维持导轨的稳定性。

2)储水桶设计

储水桶由饮用水桶(18L，直径27cm)改装而成，取材方便，制作简单，水容量大，具体改装过程为：将饮水桶桶口倒置放入木平台洞口处，用橡胶塞封闭，橡胶塞中间插入一根出水管(桶内Φ202.5亚克力管，桶外接26 19PVC加筋软管)和一根导气管(桶内Φ5 1亚克力管，桶外接85PU管)；导气管一端插入桶内，其端口低于桶内液面但高于出水管端口，另一端暴露在空气中，高度大于桶内液面，用固定夹固定在铁棒上；出水管与水位简谐振动控制室的消能仓相连，中间设置止水夹控制流量。

3)连杆长度设计

初始时刻(t₀)储水桶内水位与水位简谐振动控制室内水位齐平，以水槽底部为基准面，则储水桶内水位()即为控制室内初始水位，此时短连杆(长度a)与长连杆(长度b)处于一条直线上且两连杆竖向长度之和达到最大(a+b)，储水桶底部高度为h₀；当大齿轮转动半周时，短连杆与长连杆处于一条直线上且两连杆竖向长度之和达到最小(b-a)，则储水桶内水位达到最大值()；大齿轮继续转动半周后，储水桶达到初始位置，因此，大齿轮转动一周，对应储水桶内水位一个振动周期。设某时刻(t₁)短连杆与竖向夹角为α，则储水桶底部高度为h‘₀，储水桶内水位为h‘₁，这里，

利用连通器原理，水位简谐振动控制室内水位与储水桶内水位近似持平，即h‘₁，储水桶内水量变化与控制室内水量变化近似相等，则有，

A₁[(h₁-h₀)-(h'₁-h'₀)]＝A₂(h'₁-h₁) (2)

简化式(2)得，

式中，A₁、A₂分别表示储水桶和控制室的截面面积。因此，水位简谐振动控制室内的水位变化量也可表述为一个三角函数波动，且受储水桶和控制室的截面面积、长(短)连杆长度、电机转速三个因子控制。所以，控制室内水位变化区间为

因此，长(短)连杆长度的设计依托于控制室内水位振幅的弹性调整。

4)电机转速设计

大齿轮转动一周对应水位简谐振动控制室内水位的一个振动周期。设大、小齿轮半径为，水位振动周期为T，则大齿轮角速度为由于大、小齿轮角速度之间存在如下关系：w₁R＝w₂r,则小齿轮角速度转化为电机转速为

因此，电机转速的设置依托于控制室内水位振动周期与大、小齿轮的半径。

具体实施例

1、水槽18结构尺寸为2m×0.15m 1m，由有机玻璃材质制作而成。水槽18由左侧水位简谐振动控制室与右侧河床模型16组成，中间用有机玻璃材质的挡板15隔开，挡板尺寸为0.15m×0.6m，挡板距水槽左壁尺寸为0.1m。挡板右侧河床模型16结构尺寸为1.9m×0.15m×0.6m，用石英砂料(d₁₀＝0.6mm，d₆₀＝1.1mm，d₉₀＝1.4)填充，孔隙率为0.25，干密度为1.6g。当系统运行时，水位简谐振动控制室内水位发生简谐振动形成振动源，引起河床模型上部水体发生近似三角函数的周期性波动，对河床界面形成动态脉动压力，驱动河床部分的地表—地下水发生垂向潜流交换作用。

2、水位简谐振动控制室有效尺寸为0.1m×0.15m×0.6m，位于挡板15左侧，由水箱14、消能仓13、进水口组成。其中，水箱14为水槽壁面与挡板连接构成的半封闭结构，上端开口与水槽水体连通，下端设置消能仓与进水口。消能仓结构尺寸为0.1m×0.15m×0.1m，用砾石(d≈20mm)填充，进水口处的出水管11端口附有滤网(200目304钢)防止堵塞。进水时消能仓可缓冲水流，消减涌水造成的紊流影响。

3、自动升降水位控制系统控制储水桶内水位发生变化，引起水位简谐振动控制室内水位产生简谐振动。系统由铁支架1、电机6、铁架台7、小齿轮4、大齿轮2、短连杆3、长连杆5、细钢丝8、储水桶9、木平台10、出水管11、导轨12组成。系统运行前，关闭止水夹21，向储水桶9内注入2/3体积水，转动小齿轮4和大齿轮2使短连杆3与长连杆5位于同一直线上且竖向连杆长度之和达到最大；向水槽18内注水至水深达到10cm时停止注水，打开止水夹21，待储水桶与水槽内水位持平且处于稳定状态时，打开电机使系统开始运行。系统运行时，小齿轮4带动大齿轮2转动，大齿轮上的连杆带动储水桶升降，利用储水桶与水位简谐振动控制室内水量的流通达到使水槽水体产生脉动压力的效果。

Claims (10)

1.一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，主要包括自动升降水位控制系统、水位简谐振动控制室及河床水槽模型三部分，所述自动升降水位控制系统通过出水管连接水位简谐振动控制室；水位简谐振动控制室位于河床水槽模型左侧，之间用有机玻璃板作为挡板；所述自动升降水位控制系统由铁支架、大齿轮、短连杆、小齿轮、长连杆、电机、铁架台、细钢丝、储水桶、木平台、出水管、导轨组成；所述水位简谐振动控制室由消能仓和水箱组成，河床水槽模型由河床模型、角钢支架、水槽组成；其特征在于：铁支架、铁架台分别固定大齿轮和小齿轮，小齿轮轴心处与电机连接，大齿轮和小齿轮正确啮合；大齿轮轴心处连接短连杆，短连杆下端连接长连杆，长连杆端部通过细钢丝与储水桶相连，储水桶固定在木平台上，木平台水平置于四根导轨间，可上下滑动；储水桶桶口处通过出水管连接水箱进水口，出水管管身设一止水夹；水箱进水口与消能仓位于水箱底部，水箱右侧填石英砂构成河床模型，水箱与河床模型均置于水槽中，水槽用角钢支架支撑，水槽侧壁上布置4个测孔。

2.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：所述水槽结构尺寸为。

3.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：所述测孔位于水槽一侧侧壁上，在水平方向上等距布置4个测孔，测孔距河床模型上表面5cm，左侧测孔距挡板30cm，4个测孔间距10cm。

4.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：所述水箱为水槽壁面与挡板连接构成的半封闭结构，上端开口与水槽水体连通，下端设置消能仓与进水口。

5.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：所述木平台方形木板制作而成，木板中心处开一个直径8cm的孔洞，用于放置储水桶桶口，木板两边各开2个矩形缺口，缺口中间设置橡胶滚轮，以木板中心为圆心、以14cm长为半径画圆并沿圆轮廓等间距钻6个孔，孔径为1cm，孔内放入长40cm、直径1cm铁棒，铁棒下端带有螺纹，用螺母固定在木板上；将左右两侧的三根铁棒分别用铁片焊接成为铁箍，用于将储水桶固定在木平台上。

6.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：所述储水桶由饮用水桶改装而成，将饮水桶桶口倒置放入木平台洞口处，用橡胶塞封闭，橡胶塞中间插入一根出水管和一根导气管，导气管一端插入桶内，其端口低于桶内液面但高于出水管端口，另一端暴露在空气中，高度大于桶内液面，用固定夹固定在铁棒上。

7.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：所述进水口处的出水管端设滤网防止堵塞。

8.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：所述导轨用2m长角钢焊接而成，中间形成凹槽，用于木平台滚轮滚动，导轨底部高度30cm和50cm之间布置一排桁架，用于维持导轨的稳定性。

9.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：，所述消能仓长宽高为0.1m×0.15m×0.1m，通过填充砂砾构成。

10.一种根据权利要求1所述的周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置的制作方法，其特征在于方法步骤如下：

第一步，关闭止水夹，向储水桶内注入2/3体积水，转动小齿轮和大齿轮使短连杆与长连杆位于同一直线上且竖向连杆长度之和达到最大；

第二步，向水槽内注水至水深达到10cm时停止注水，打开止水夹，待储水桶与水槽内水位持平且处于稳定状态时，打开电机使系统开始运行，并记下转速；

第三步，系统运行时，小齿轮带动大齿轮转动，大齿轮上的连杆带动储水桶升降，利用储水桶与水位简谐振动控制室内水量的流通达到使水槽水体产生脉动压力的效果；

第四步，待水槽内水体形成稳定的脉动压力时，用注射器依次、迅速地通过4个测孔向河床注射浓度为0.25g/L的高锰酸钾溶液作为示踪剂，并开始计时；此时刻计为0时刻；

第五步，分别在第5min、10min、15min、20min、30min、60min、90min、120min……记录4个测孔注入的示踪剂轨迹；当示踪剂轨迹基本不再发生变化时，关闭电机，停止试验；

第六步，得到4组示踪剂垂向距离变化与试验时间之间的关系曲线；

第七步，改变转机转速，重复第一步至第六步的步骤。