CN108018824B - 一种辫状河流物理仿真试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辫状河流物理仿真试验系统，包括由水槽窄段和水槽宽段构成的水槽，水槽左侧自右向左依次设置平水池，导管，闸阀和流量计；水槽右侧自左向右依次设置沉砂池，输水导管和出水池；水槽底部设固定支架，水槽窄段和水槽宽段相接处设突扩角调节板，水槽窄段上方设加沙器，水槽上面两侧设纵向轨道，横向轨道上设测试仪，沉沙池后设出水口高程调节装置，试验系统上方安装摄像头。本发明物理仿真试验系统结构简单，操作方便：通过该试验系统成功模拟了不同形态、不同因素导致的辫状河流的形成过程；对探究、分析与研究山区河流发育过程中辫状河流形成机理以及辫状河流中生源物质随泥沙滞留与启动的规律提供了可靠性和准确性。

Description

一种辫状河流物理仿真试验系统

技术领域

本发明涉及一种水利水电工程试验系统，特别涉及水环境保护技术中一种适用于山区河道的辫状河流物理仿真试验系统，属于水利水电工程设施领域。

背景技术

在山区河道中，常常出现峡谷段河道与宽谷段河道交替出现的现象，例如雅鲁藏布江妥峡峡谷段与下游宽谷段相接处即拉萨河汇口处，当河道中的携沙水流从峡谷段进入宽谷段时，河道变宽，横向约束变小，水流开始向平面两侧展开，导致水流的速度减小，泥沙大量淤积，在不同大小水流量洪水交替作用下，宽谷段河床不断发生冲刷与淤积，使得辫状河流发育及吸附在泥沙上的生源物质如氮、磷等也随之迁移输运或者滞留。

研究辫状河流的形成机理对国民经济建设、人民生活和环境保护等方面有着十分重要的作用。首先，国内外对于河型划分问题一直存在争议，对辫状河流机理的研究有助于对其形成因素进行进一步的分析与研究，以解决河型归属问题；其次，辫状河流的发育伴随着大量泥沙的淤积及冲刷，这意味着附着在泥沙颗粒上的生源物质也随之滞留和启动，而生源物质对水环境和水生生物有着至关重要的作用，因此对其在辫状河流中的迁移转化显得尤为重要；另外，辫状河流可阻碍航运，其特征表现为弯曲和水深浅，在进行航道整治时由于缺乏对这类复杂河流的水流、泥沙特性的认识与了解，而给碍航问题的解决带来了巨大的困难，这些都是辫状河流研究的热点和难点问题。

针对上述这些问题，国内外对于河床演变已经给出多种研究方法和研究模型，但大多数用于研究弯曲型、游荡型和分汊型河流，而对于辫状河流研究较少，且大多是针对辫状三角洲；在生源物质与泥沙关系的研究中，大量的实验均针对泥沙对氮磷等物质的吸附解吸，例如一种动态模拟泥沙对污染物的迁移扩散过程的水工模型（赵连军等，2015，申请公布号CN105178243A），而该水工模型却忽略了水沙条件的变化对生源物质与泥沙关系的宏观影响，特别是在辫状河流这种特殊且复杂的河流中，泥沙的滞留与启动反复出现，特别在时间和空间上变化非常强烈。因此，为探究山区河流发育过程中形成的辫状河流的形成机理以及辫状河流中生源物质随泥沙滞留与启动的规律，经课题组探索研究设计一种适用于山区河道辫状河流物理仿真试验系统，这也正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的正是针对目前河流模拟研究技术中对辫状河流研究较少的情况，以及已有的水工模型却忽略了水沙条件的变化对生源物质与泥沙关系的影响，提出一种辫状河流物理仿真试验系统。该物理仿真试验系统结构简单，操作方便；且水流从峡谷段进入宽谷段的河道设计符合天然山区河流中辫状河流发育的河道。

为实现本发明的目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明所述一种辫状河流物理仿真试验系统，包括水槽，所述水槽主体由水槽窄段和水槽宽段两部分构成；水槽窄段左侧设置平水池，平水池位于水槽窄段起始端；在插入平水池内的导管上自左向右依次安装流量计，第一闸阀和第二闸阀；水槽宽段右侧自左向右依次设置沉沙池，出水口高程调节装置和出水池；所述沉沙池后连接出水口高程调节装置，出水口高程调节装置后连接出水池；所述水槽窄段上方安装有加沙器，所述水槽上方两侧沿着水槽水流方向铺设有纵向轨道，纵向轨道上架设横向轨道，横向轨道上安装测试仪，所述水槽主体底部由固定支架支撑固定；在试验系统上方安装摄像头，水槽窄段左侧地面上安装摄像头监视器与摄像头通过虚拟信号连接，所述测试仪通过连接线与计算机连接；在摄像头监视器中可观测实验中河床的发育变化过程并将实验摄像存入摄像头监视器；实验时水流从导管流入平水池，然后进入水槽，从水槽流出后进入沉沙池；所述水槽和沉沙池水位通过出水口高程调节装置进行设定，最后水流经出水池从出水管排走。

上述技术方案中，所述水槽主体即水槽窄段和水槽宽段均由钢结构和钢化玻璃构成，即水槽的框架是钢结构，其壁面和底面为钢化玻璃，钢化玻璃用玻璃胶粘结在钢结构上，水槽底部用固定支架支撑并固定于地面上。

上述技术方案中，为从侧面全方位观测并记录实验现象以减少对于流场的影响，所述平水池、沉沙池和出水池均由钢结构和钢化玻璃构成。

上述技术方案中，所述水槽窄段与水槽宽段相接处，形成90°的扩展角，也可在水槽窄段与水槽宽段相接处通过添加突扩角调节板形成渐变段，以形成不同约束力的水流扩散环境。

上述技术方案中，所述水槽窄段前设置的平水池置于地面上，其上面与水槽齐平，下面在水槽之下，且比水槽深，可平稳水流，以减少波浪形成的水流紊动对流场造成的影响。

上述技术方案中，所述水槽宽段后设置的沉沙池置于地面上，其上面与水槽齐平，下面在水槽之下，且比水槽深，流经水槽之后的携沙水流可将泥沙滞留在沉沙池中，以防堵塞排水管道且可将泥沙回收。

上述技术方案中，所述沉沙池后的出水口高程调节装置由一块固定在地面上的固定挡板和四块可上下移动的移动挡板组成，在固定挡板上游侧紧挨着固定挡板位置设置有五个预留槽，即沉沙池两侧壁面上各有一个单向槽，水槽两侧中间有三个双向槽；所述移动挡板置于预留槽内，以便控制水槽水位。

上述技术方案中，所述五个预留槽将水槽分为四段，相应地所述四块移动挡板分别置于预留槽内，移动挡板可同时上下移动，统一改变水槽出水口高程；也可使其中某一块或几块移动挡板挡着水不出流，另外的几块出流，使其形成不同的出流方式。

上述技术方案中，所述沉沙池底部侧面设置有排水管和排水管闸阀，出水池底部侧面设置有出水管，实验过程中，排水管闸阀关闭，水流通过出水池底部的出水管流走，实验结束后排水管闸阀打开，用于排净水槽和沉沙池中的水。

上述技术方案中，所述横向轨道上安装的测试仪可以为地形测定仪或流速仪，其电源可使用电池，也可用交流电源，通电后可通过横向轨道和纵向轨道的配合使它们自行移动，其测定范围覆盖整个水槽宽段，将测得的数据传输到计算机并存储。

本发明所述的辫状河流物理仿真试验系统中，所述水槽中的水槽窄段与水槽宽段相接处，其基础衔接方式是两段直接相接，形成90°扩展角；在此基础上，在水槽窄段与水槽宽段相接处下游水槽宽段最左端两翼添加不同长度的突扩角调节板可形成30°、或45°、或60°等不同角度的扩展角，以形成可变换的扩展角，从而使水流从水槽窄段运动到水槽宽段时，水流在扩散过程中受到不同程度的约束力。所述出水口高程调节装置中有一块固定挡板固定在地面上，在固定挡板上游侧紧挨着固定挡板的位置设置有5个预留槽，即沉沙池两侧壁面上各有1个单向槽，水槽两侧中间设有3个双向槽，将水槽分为4段，相应地设置有4块可上下移动的移动挡板置于槽内，4块活动挡板可同时上下移动，统一改变水槽出水口高程，也可使其中某一块或几块移动挡板挡着水不出流，另外的几块移动挡板让水出流，使出水口形成不同的出流方式。所述水槽宽段在实验前可预铺一定厚度的床沙，以模拟天然河流中宽谷段的淤积情况。

本发明所述的辫状河流物理仿真试验系统中，所述水槽宽段两侧铺设的纵向轨道，是供横向轨道沿水槽纵向方向移动用的，而地形测定仪或测速仪安置在横向轨道上，并可在上面沿横向轨道移动，完成对水槽横断面的地形的测量，配合横向轨道沿着纵向轨道的移动，可获得水槽纵向上每个横断面的地形数据，从而完成对整个试验水槽地形的测量。此外，横向轨道上除了可安装地形测定仪外，还可安装流速仪，测量其流场。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益的技术效果：

1、本发明所述的辫状河流物理仿真试验系统，其水槽主体采用钢结构和钢化玻璃构成，结构稳定，水槽内水流平稳，从玻璃壁面便于观测记录实验数据，并可减少对于流场的影响。

2、本发明所述的辫状河流物理仿真试验系统，能够模拟山区河流从峡谷段进入宽谷段的水流流态，模拟宽谷段河床在携沙水流进入后的泥沙冲淤变化条件下形成辫状河流的过程；实验效果显著，适合推广使用。

3、本发明所述的辫状河流物理仿真试验系统中，所述水槽宽段在实验前预铺一定厚度的床沙，以模拟天然河流中宽谷段的淤积情况。

4、本发明所述的辫状河流物理仿真试验系统，由于采用天然沙粒来调配浑水，铺设床沙，采用发生辫状河流的雅鲁藏布江土样粒径级配曲线，使室内模拟试验优选能够更加接近辫状河流发生的天然条件。

5、本发明通过所述辫状河流物理仿真试验系统，有效弥补了以往试验中对辫状河流模拟研究的匮乏以及对泥沙与生源物质的关系更接近实际情况的探究，成功地实现了对辫状河流的仿真模拟；对探究、分析与研究山区河流发育过程中辫状河流形成的机理以及辫状河流中生源物质随泥沙滞留与启动的规律提供了可靠性和准确性。

6、本发明所述的辫状河流物理仿真试验系统，还能更加深入地研究辫状河流的其一些问题，比如，研究辫状河流中泥沙或者氮磷的运动输移以及辫状河流消失的条件等，具有重要的科学应用价值和现实的研究意义。

附图说明

图1本发明所述辫状河流物理仿真试验系统前视整体结构示意图；

图2为图1中的水槽俯视平面结构示意图；

图3为图2中所述的出水口高程调节装置结构示意图；

图4为图2中1-1截面示意图。

图中，1流量计，2第一闸阀，3导管，4加沙器，5平水池，6固定支架，7水槽，8钢结构，9测试仪，10钢化玻璃，11沉沙池，12出水池，13横向轨道，14纵向轨道，15突扩角调节板，16出水口高程调节装置，17预留槽，18移动挡板，19固定挡板，20出水管,21排水管，22排水管闸阀，23摄像头，24第二闸阀，25水槽窄段，26水槽宽段,27摄像头监视器，28计算机，29连接线，30输水导管。

具体实施方式

下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不意味着是对本发明保护内容的任何限定，即本发明的内容不仅限于实施例中的所述内容。

本发明所述辫状河流物理仿真试验系统，其主要结构如图1-图2所示，包括水槽7，所述水槽主体由水槽窄段25和水槽宽段26两部分构成；所述水槽窄段25左侧设置平水池5，平水池5位于水槽窄段25起始端；在插入平水池5内的导管3上自左向右依次设置流量计1，第一闸阀2和第二闸阀24；所述水槽宽段26右侧自左向右依次设置沉沙池11，输水导管30和出水池12；所述沉沙池11后连接出水口高程调节装置16，出水口高程调节装置16后连接出水池12；所述水槽窄段25上方安装有加沙器4，所述水槽7上方两侧沿着水槽水流方向铺设有纵向轨道14，纵向轨道14上架设横向轨道13，横向轨道13上安装测试仪9，所述水槽主体底部由固定支架6支撑固定；在试验系统上方安装摄像头23，水槽7左侧地面上安装摄像头监视器27与摄像头23通过虚拟信号连接，所述测试仪9通过连接线29与计算机28连接；在摄像头监视器27中可观测实验中河床的发育变化过程并将实验摄像存入摄像头监视器27；实验时水流从导管3流入平水池5，然后进入水槽7，从水槽7流出后进入沉沙池11；所述水槽7和沉沙池11水位通过出水口高程调节装置16进行设定，最后水流经出水池12从出水管20排走；所述水槽主体即水槽窄段25和水槽宽段26均由钢结构8和钢化玻璃10构成，即水槽7的框架是钢结构，其壁面和底面为钢化玻璃，钢化玻璃用玻璃胶粘结在钢结构上，其底部用固定支架6支撑固定于地面上。

为从侧面全方位观测并记录水槽内实验现象以减少对于流场的影响，所述平水池5、沉沙池11和出水池12主体仍是钢结构8和钢化玻璃10构成，但没有支撑架，均直接安装于地面上；所述水槽窄段25与水槽宽段26相接处，形成90°的扩展角，也可在水槽窄段25与水槽宽段26相接处通过添加突扩角调节板15形成渐变段，以形成不同约束力的水流扩散环境；所述水槽窄段25左侧设置的平水池5置于地面上，上面与水槽7齐平，下面在水槽之下，且比水槽深，可平稳水流，减少波浪形成的水流紊动对流场造成的影响；所述水槽宽段26右侧设置的沉沙池11置于地面上，上面与水槽齐平，下面在水槽之下，比水槽深；流经水槽7之后的携沙水流可将泥沙滞留在沉沙池11中，以防堵塞排水管且可将泥沙回收。

所述沉沙池11底部侧面设置有排水管21和排水管闸阀22，实验过程中，排水管闸阀关闭，实验结束后排水管闸阀打开，用于排净水槽和沉沙池中的水；

所述横向轨道13上安装的测试仪9可以用地形测定仪、测速仪或流速仪，其电源可使用电池，也可用交流电源，通电后可通过横向轨道13和纵向轨道14的配合使它们自行移动，其测定范围覆盖整个水槽宽段26，将测得的数据传输到计算机28并存储。实验时，水流从导管3流入平水池5，然后进入水槽7，从水槽7流出后进入沉沙池11；所述水槽7和沉沙池11水位通过出水口高程调节装置16进行设定，最后水流经出水池12从出水管20排走；图中水流方向为自左向右。

图2中，所述纵向轨道14安装在水槽7上方两侧，其作用是承载横向轨道13并使其沿着水槽7纵向移动，横向轨道13安装在纵向轨道14上，则是用来承载测试仪9并使其沿着水槽某个横断面移动，这样测试仪9的测量范围将覆盖整个水槽宽段；所述突扩角调节板15安装在水槽7的水槽宽段入口处，是若干块不同长度的有机玻璃板；当水流从水槽窄段25进入水槽宽段26时，不同长度的有机玻璃板可形成不同的水流扩散角；所述出水口高程调节装置16设置在沉沙池11和出水池12中间，将沉沙池和出水池两者隔开了；所述水槽宽段可铺设床沙，便能模拟天然河床。

图3中，所述出水口高程调节装置16的详细结构示意图，它在辫状河流物理仿真试验系统中的位置如图2中所示；所述出水口高程调节装置16由一块固定在地面上的固定挡板19和四块可上下移动的移动挡板18组成，在固定挡板19上游侧紧挨着固定挡板位置设置有五个预留槽17，即沉沙池11两侧壁面上各有一个单向槽，水槽7两侧中间有三个双向槽；所述移动挡板18置于沉沙池11侧壁上的预留槽内，以便控制水槽水位。所述五个预留槽将水槽分为四段，相应地所述四块移动挡板分别置于预留槽内，移动挡板可同时上下移动，统一改变水槽出水口高程；也可使其中某一块或几块移动挡板挡着水不出流，另外的几块移动挡板让水出流，使其形成出水口不均匀的出流方式。

图4中，所述纵向轨道14铺设在水槽7两侧的钢结构8顶端，横向轨道13架设在纵向轨道14上，可在纵向轨道14上沿着水流方向移动，测试仪9安装在横向轨道13上，可沿着横向轨道13滑动便于测量。

实施例：

本实施例中，所用水槽7深为0.5m，水槽窄段宽0.3m，长2m，水槽宽段宽3m，长15m；平水池5、沉沙池11深均为0.5m，平水池宽0.3m，长0.6m，沉沙池宽3m，长0.5m，出水池12宽3m，长0.5m；

所用横向轨道13，纵向轨道14均接通交流电源；

所用出水口高程调节装置16可调节的出水口高度范围为0-0.45m，本次实验中，将出水口高程调节装置16的四块移动挡板18的高度调为一致，均为0.2m，保证水流均匀出流，实验进行一段时间之后将四块移动挡板的高度均调到0.1cm；

所用突扩角调节板15为60°；

所述流量计可调流量范围为0-35L/s；

所用测试仪9为测速仪；

所述的辫状河流物理仿真试验系统中，采用浑水入流通过位于水槽窄段25的加沙器4持续加沙，加沙率为10kg/h；在整个水槽宽段铺沙，铺设长度为16m，铺设河床的坡降为0.5%，水槽宽段铺沙起始端铺设厚度为0.2m，水槽宽段铺沙末端为0.12cm，铺沙的中值粒径为0.1mm；做清水冲刷的实验。

采用本发明所述的辫状河流物理仿真试验系统进行辫状河流模拟试验的过程及操作步骤如下：

按照图1所示的辫状河流物理仿真试验系统的结构连接好各仪器及部件，铺好床沙，将出水口高程调节装置16调节到0.2m，关闭导管3上的第二闸阀24开关，根据流量计1所显示的流量值，将第一闸阀2开关调到所需开度，并且关闭排水管闸阀22。通过输水导管30将水导入沉沙池11，沉沙池中水位慢慢升高，水进入水槽7，待到沉沙池中水流开始通过出水口高程调节装置16溢流时，停止输水。

首先打开第二闸阀24开关，向平水池5中注入清水，清水通过平水池5进入水槽7，流经加沙器4后由于加入沙子，水流变成含沙浑水，含沙浑水流过所铺床沙，然后流入沉沙池11，一部分较大颗粒的推移质泥沙在沉沙池11中淤积，另一部分较细颗粒的悬移质泥沙随水流一起通过出水口高程调节装置16溢流到出水池12，最后通过出水管20排走。清水从导管3进入平水池5时紊动强烈，流经平水池5之后水流平稳地进入水槽窄段25，由于水槽窄段25过水断面面积小，故含沙浑水流速很大，所有泥沙均随水流流动，即所有泥沙在水槽窄段25都是悬移质；而水槽宽段26的宽度是水槽窄段25宽度的10倍，过水断面面积显著增大，流速成倍的减小，水流携沙力也相应的变小，水流所携带泥沙在水槽宽段26中下游大量沉积。另外，当水流突然从水槽窄段25流到水槽宽段26，由于过水断面面积突然变大，水流失去了约束，迅速向两边扩散，水槽7形成大旋涡，流态非常不稳定，而在水槽窄段25与水槽宽段26相接处通过安装了60°突扩角调节板15之后，水流形成渐变段，因而形成不同约束力的水流扩散环境，因此水流不能再无约束地扩散，旋涡明显减小，水流较平稳地向前流动。含沙浑水在流过水槽宽段26时会对预先铺好的床沙产生冲刷，冲刷一段时间之后，水槽宽段26河床中间出现主流冲刷沟渠。此时，通过第一闸阀2开关将流量调小，并将出水口高程调节装置16的四块移动挡板的高度均调为0.1m，河床水位将降到低于河床铺沙厚度，水槽宽段26河床继续被侵蚀产生冲刷，河床主流之外出现分汊，持续冲刷使河流分汊变多，形成辫状河流；河床被冲刷变形至形成辫状河流的整个过程均被摄像头23记录下来，并存储在摄像头监视器27中，以便后期研究分析使用。河床形态较稳定之后，首先将测速仪安装在横向轨道13上，将横向轨道滑到水槽宽段26最上游的位置固定好，使测速仪在横向轨道上滑动，每隔0.1m测一个点的流速，测完一个断面之后滑动横向轨道到下一个断面，断面与断面之间相距0.5m，自上游到下游，直到测完所有的断面，所有的流速测量数据均保存在与测试仪9连接的计算机28中。然后将测试仪9安装在横向轨道13上用同样的方法移动横向轨道13和测试仪9，测量整个水槽宽段26的地形，地形的测量点相对于流速测量点更密，沿着水流方向和与水流方向垂直的方向均是每隔0.01m测量一个点。同样，地形测量数据均保存在与测试仪9连接的计算机28中，由计算机28进行数据处理。

最后打开排水管闸阀22，排净沉沙池11和水槽7中的水并清理掉沉沙池中的泥沙；至此，完成一次完整的辫状河流模拟实验。

Claims (2)

1.一种辫状河流物理仿真试验系统，包括水槽（7），导管（3），流量计（1），第一闸阀（2）和第二闸阀（24），沉沙池（11），出水池（12），加沙器（4）以及摄像头（23）；其特征在于所述水槽主体由水槽窄段（25）和水槽宽段（26）两部分构成，所述水槽窄段（25）与水槽宽段（26）相接处形成90°的扩展角，在水槽窄段与水槽宽段相接处通过添加突扩角调节板（15）形成渐变段，以形成不同约束力的水流扩散环境；水槽窄段左侧设置平水池（5），平水池位于水槽窄段起始端；导管（3）插入平水池内，导管上自左向右依次连接流量计（1），第一闸阀（2）和第二闸阀（24）；水槽宽段右侧自左向右依次连接沉沙池（11），出水口高程调节装置（16）和出水池（12），所述沉沙池（11）后连接的出水口高程调节装置（16）由一块固定在地面上的固定挡板（19）和四块可上下移动的移动挡板（18）组成，在固定挡板上游侧紧挨着固定挡板位置设置有五个预留槽（17）,其中的两个单向槽在沉沙池（11）侧壁上，三个双向槽在水槽中间；所述移动挡板（18）置于预留槽内，以便控制水槽水位；而所述加沙器（4）安装在水槽窄段上方；所述水槽上方两侧沿着水流方向铺设有纵向轨道（14），纵向轨道上架设横向轨道（13），横向轨道上安装测试仪（9）；所述水槽主体底部由固定支架（6）支撑固定；所述摄像头（23）安装在试验系统上方，水槽窄段左侧地面上安装有摄像头监视器（27）与摄像头通过虚拟信号连接；所述测试仪通过连接线（29）与计算机（28）连接；实验时水流从导管流入平水池，然后进入水槽，从水槽流出后进入沉沙池；所述水槽和沉沙池水位通过出水口高程调节装置进行设定，最后水流经出水池从出水管（20）排走；

所述水槽窄段（25）左侧设置的平水池（5）和水槽宽段（26）右侧连接的沉沙池（11）均置于地面上，其上面与水槽（7）齐平，下面在水槽之下，且比水槽深。

2.根据权利要求1所述辫状河流物理仿真试验系统，其特征在于所述五个预留槽（17）将水槽（7）分为四段，相应地所述四块可上下移动的移动挡板（18）分别置于预留槽内，移动挡板可同时上下移动，统一改变水槽出水口高程；或者使其中某一块或几块移动挡板挡着水不出流，另外的几块移动挡板让水出流，使出水口形成不同的出流方式。

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