CN108572056B - 一种用于复杂条件下河湖水沙互馈实验监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复杂条件下河湖水沙互馈实验监测系统及方法。系统包括带有入湖河道和出湖河道的湖泊，入湖河道连接有入湖水沙控制系统，出湖河道连接有出湖水沙回收系统，入湖水沙控制系统包括水沙混合搅拌池、水沙储存池、出口闸门，水沙混合搅拌池上部设有进水管道和进沙漏斗；水沙混合搅拌池和水沙储存池之间通过泵送管道相连通；湖泊、入湖河道和出湖河道内设置有传感器，传感器通过数据线连接有数据采集仪；出湖水沙回收系统包括沉沙池、虑沙隔板和回水池，本发明用于探索不同含沙量、不同流量作用下，多条入湖河道及多条出湖河道等复杂条件对湖泊的响应关系，探明复杂条件下河道与湖泊水沙互馈关系。

Description

一种用于复杂条件下河湖水沙互馈实验监测系统及方法

技术领域

本专利涉及河湖水沙互馈实验领域，具体涉及一种用于复杂条件下河湖水沙互馈实验监测系统及方法。

背景技术

我国地域辽阔，水系发达，内陆地区具有众多的河道与湖泊，受自然条件的影响，连通的河湖之间具有复杂的河湖演变关系。通常情况下，河道的径流量及输沙能力的变化，不仅影响着河道的演变过程，还直接影响着河湖水系通道的冲淤变化，对于河湖关系的演变也起到了重要的作用。

河道与湖泊的水沙互馈关系，在很大程度上影响着河湖关系的演变，采取相应的实验方法探明河湖水沙互馈关系，对于了解河湖关系至关重要。目前传统的实验方法是，通过汇总流域内各个测站的实测数据资料，对主要地形进行定期监测绘制，此方法虽然所得数据均为实测数据，但工作量大，需要长系列数据资料才可以阐明流域内河湖水沙互馈关系。近些年来，用于实验室内监测水沙变化的实验装置应运而生，解决了现场实测工作量大的难题，但较少有公开的成果针对河湖水沙监测开展研究，尤其是针对复杂工况条件下的河湖水沙监测系统。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于复杂条件下河湖水沙互馈实验监测系统及方法。用于探索不同含沙量、不同流量作用下，多条入湖河道及多条出湖河道等复杂条件对湖泊的响应关系，进一步阐明复杂条件下河湖水沙互馈关系为探明复杂条件下河道与湖泊水沙互馈关系。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于复杂条件下河湖水沙互馈实验监测系统，包括带有入湖河道和出湖河道的湖泊，所述入湖河道连接有入湖水沙控制系统，所述出湖河道连接有出湖水沙回收系统，所述入湖水沙控制系统包括水沙混合搅拌池、水沙储存池、出口闸门，所述水沙混合搅拌池上部设有进水管道和进沙漏斗，底部安装有搅拌转轮；所述水沙混合搅拌池和水沙储存池之间通过泵送管道相连通；所述湖泊、入湖河道和出湖河道内设置有传感器，所述传感器通过数据线连接有数据采集仪，所述数据采集仪与计算机相连；所述出湖水沙回收系统包括沉沙池、虑沙隔板和回水池，所述回水池与所述水沙混合搅拌池之间通过回水管道相连通，所述回水管道内设有抽水泵。

进一步的，每条入湖河道相对应地连接有一个入湖水沙控制系统。

进一步的，所述水沙混合搅拌池和水沙储存池之间设有隔墙，水沙储存池与入湖河道相连接，水沙储存池与入湖河道连接处设有闸门。

进一步的，所述出湖河道与沉沙池连接；所述沉沙池与回水池之间安装有所述虑沙隔板。

进一步的，所述进水管道为三叉管道，由第一叉管、第二叉管和第三叉管组成，第一叉管作为进水口与供水管道相连接，第二叉管作为进水口与回水管道相连接，第三叉管作为出水口设置于水沙混合搅拌池的上方，每个叉管均设有阀门；所述供水管道与自来水管道相连接。

进一步的，所述进沙漏斗上半部为倒梯形储沙箱，下半部分为长方体管道，长方体管道中部设有阀门。

进一步的，所述传感器的类型包括泥沙传感器、流量传感器和水位传感器，同一监测点同时布置三种传感器，监测点等间距的分布在入湖河道、湖泊及出湖河道上。

一种复杂条件下河湖水沙互馈实验监测方法，包括以下步骤：

(1)测量并绘制入湖河道、出水河道与湖泊模型地形图，在各个河道以及湖泊监测点处布置传感器，梳理连接传感器的数据线并标号，将整理好的数据线与数据采集仪相连接，用计算机连接并控制数据采集仪，调试各传感器；

(2)预先设定不同入湖河道的泥沙含量和流量，通过进水管道和进沙漏斗为水沙混合搅拌池中注入设定的水量和沙量，通过搅拌转轮使水沙充分混合满足初始泥沙含量值，使用泵送管道将水沙混合搅拌池中的水沙泵送至水沙储存池中；

(3)根据设定流量调整不同入湖河道的闸门开度，使来水由入湖河道一端流入，流经整个入湖河道后进入湖泊，再通过出湖河道流入沉沙池，虑沙隔板会过滤水中泥沙，最终水被储存在回水池中；

(4)当水沙混合搅拌池中再次需要注水时，开启抽水泵，使回水池中的水经回水管道流入进水管道中，实现了水的循环利用；沉沙池中的沙颗粒晾干筛分粒径后继续使用以实现沙的循环利用；

(5)水沙在流动过程中，利用数据采集仪实时监测和采集各监测点的数据，并存储于计算机内部；实验结束后，关闭入湖河道的闸门，待水沙全部流入回水池后，再次测量并绘制入湖河道、出水河道与湖泊模型地形图；

(6)整理采集到的不同监测点的数据，绘制数据曲线图形并运用长系列水文泥沙过程趋势研究方法中的Mann-Kendall秩次相关检验法、Spearman秩次相关检验等方法做趋势性检验分析，对比模型水沙冲淤前后的地形数据，得到复杂条件下河湖水沙互馈关系。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明可以在实验室内模拟不同泥沙含量、不同流量的河道水流，针对较为复杂的河湖水系进行实验数据监测，减少了现场数据监测所投入的人力、物力及财力，所得到的实验监测数据可以用于推测河湖水沙运移规律，揭示河湖水沙互馈关系，预防洪涝灾害，为实际工程中河道及湖泊的进一步治理提出相应的指导建议，有利于河湖的可持续发展，实现生态和谐。

附图说明

图1为本发明系统的整体工作示意图。

图2为本发明入湖水沙控制系统和出湖水沙回收系统的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种用于复杂条件下河湖水沙互馈实验监测系统，包括带有多条入湖河道8和多条出湖河道11的湖泊10，入湖河道8连接有入湖水沙控制系统20，出湖河道11连接有出湖水沙回收系统21，入湖河道8和出湖河道11可以有多条，每条入湖河道相对应地连接有一个入湖水沙控制系统，并不限于示意图1中所表示的数量，可以根据实际实验需要设定相应的入湖河道和出湖河道数量。

入湖水沙控制系统20包括水沙混合搅拌池6、水沙储存池7和出口闸门4，水沙混合搅拌池6和水沙储存池7之间设有隔墙并通过泵送管道5相连通，水沙混合搅拌池6包括进水管道1、进沙漏斗2和搅拌转轮3；闸门4安装在水沙储存池7与入湖河道8的连接处，通过调节开度可以控制进入河道的水沙流量。水沙混合搅拌池6的上部设有进水管道1和进沙漏斗2，底部安装有搅拌转轮3，可以充分将水沙混合，进沙漏斗2上半部为倒梯形储沙箱，下半部分为长方体管道，长方体管道中部设有阀门。

湖泊10、入湖河道8和出湖河道11内设置有传感器9，传感器9通过数据线12连接数据采集仪13，数据采集仪13与计算机14相连；通过计算机14可以控制传感器的数据监测，并可以将采集数据存储在计算机内部，本实施例中传感器9的类型包括泥沙传感器、流量传感器和水位传感器，同一监测点同时布置三种传感器9，监测点等间距的分布在入湖河道、湖泊及出湖河道上。

出湖水沙回收系统21包括沉沙池15、虑沙隔板16和回水池17，出湖河道11与沉沙池15连接；虑沙隔板16设置在沉沙池15和回水池17之间，沉沙池15底部具有一定的坡降，有利于利用虑沙隔板16将水沙分离；回水池17与水沙混合搅拌池6之间通过回水管道18相连通，回水管道18内设有抽水泵19，依靠抽水泵19实现回水循环。

具体的，进水管道1为三叉管道，由第一叉管、第二叉管和第三叉管组成，第一叉管作为进水口与供水管道相连接，本实施例中供水管道为实验室自来水管道，设置在便于实验装置取水处，负责为整套实验系统供水。第二叉管作为进水口与回水管道18相连接，第三叉管作为出水口设置于水沙混合搅拌池6的上方，每个叉管均设有阀门；

本发明河湖水沙互馈实验监测系统用于监测河道与湖泊的泥沙含量、流量以及水位高程等数据，进而结合地形冲淤变化，阐明河道与湖泊的水沙互馈关系，最终推测河湖关系的演变历程。实验监测系统在运行中包括以下实验流程：

(1)实验前期，首先测量并绘制初始各个河道与湖泊模型的地形图，在各个河道以及湖泊的监测点处布置传感器9，梳理连接传感器9的数据线12并标号，将整理好的数据线12与数据采集仪13相连接，用计算机14连接并控制数据采集仪13，预先调试各传感器9，待实验开始后采集各传感器9监测数据；

(2)预先设定不同入湖河道的泥沙含量和流量，通过进水管道1和进沙漏斗2为水沙混合搅拌池6中注入设定水量和沙量，依靠搅拌转轮3使水沙充分混合满足初始泥沙含量值，使用泵送管道5将水沙混合搅拌池6中的水沙泵送至水沙储存池7中；

(3)根据设定流量调整不同入湖河道8的闸门4开度，使来水按照设定水沙含量、设定流量由入湖河道8一端流入，流经整个河道后进入湖泊10，再通过出湖河道11流入沉沙池15，虑沙隔板16会将水中的大部分泥沙滤掉，最终水被储存在回水池17中；

(4)当水沙混合搅拌池6中再次需要注水时，开启抽水泵19，使回水池17中的水经回水管道18流入进水管道1中，实现了水的循环利用；沉沙池中的沙颗粒晾干筛分粒径后可以继续使用，实现了沙的循环利用；

(5)水沙在流动过程中，利用数据采集仪13实时监测并采集各监测点的数据，并存储在计算机14内部，后期对数据进行批量处理分析；河湖水沙冲淤实验结束后，关闭入湖河道的闸门4，待水沙全部流入回水池后，再次测量并绘制河道与湖泊模型的地形图；

(6)整理采集到的不同监测点的数据，绘制数据曲线图形并运用长系列水文泥沙过程趋势研究方法中的Mann-Kendall秩次相关检验法、Spearman秩次相关检验等方法做趋势性检验分析，对比模型水沙冲淤前后的地形数据，得到复杂条件下河湖水沙互馈关系。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于复杂条件下河湖水沙互馈实验监测系统，包括带有入湖河道和出湖河道的湖泊，其特征在于，所述入湖河道连接有入湖水沙控制系统，所述出湖河道连接有出湖水沙回收系统，所述入湖水沙控制系统包括水沙混合搅拌池、水沙储存池、出口闸门，所述水沙混合搅拌池上部设有进水管道和进沙漏斗，底部安装有搅拌转轮；所述水沙混合搅拌池和水沙储存池之间通过泵送管道相连通；

所述湖泊、入湖河道和出湖河道内设置有传感器，所述传感器通过数据线连接有数据采集仪，所述数据采集仪与计算机相连；

所述出湖水沙回收系统包括沉沙池、虑沙隔板和回水池，所述回水池与所述水沙混合搅拌池之间通过回水管道相连通，所述回水管道内设有抽水泵，每条入湖河道相对应地连接有一个入湖水沙控制系统，所述水沙混合搅拌池和水沙储存池之间设有隔墙，水沙储存池与入湖河道相连接，水沙储存池与入湖河道连接处设有闸门；所述出湖河道与沉沙池连接；所述沉沙池与回水池之间安装有所述虑沙隔板；所述进水管道为三叉管道，由第一叉管、第二叉管和第三叉管组成，第一叉管作为进水口与供水管道相连接，第二叉管作为进水口与回水管道相连接，第三叉管作为出水口设置于水沙混合搅拌池的上方，每个叉管均设有阀门；所述供水管道与自来水管道相连接。

2.根据权利要求1所述一种用于复杂条件下河湖水沙互馈实验监测系统，其特征在于，所述进沙漏斗上半部为倒梯形储沙箱，下半部分为长方体管道，长方体管道中部设有阀门。

3.根据权利要求1所述一种用于复杂条件下河湖水沙互馈实验监测系统，其特征在于，所述传感器的类型包括泥沙传感器、流量传感器和水位传感器，同一监测点同时布置三种传感器，监测点等间距的分布在入湖河道、湖泊及出湖河道上。

4.一种复杂条件下河湖水沙互馈实验监测方法，基于权利要求1所述河湖水沙互馈实验监测系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量并绘制入湖河道、出水河道与湖泊模型地形图，在各个河道以及湖泊监测点处布置传感器，梳理连接传感器的数据线并标号，将整理好的数据线与数据采集仪相连接，用计算机连接并控制数据采集仪，调试各传感器；

(2)预先设定不同入湖河道的泥沙含量和流量，通过进水管道和进沙漏斗为水沙混合搅拌池中注入设定的水量和沙量，通过搅拌转轮使水沙充分混合满足初始泥沙含量值，使用泵送管道将水沙混合搅拌池中的水沙泵送至水沙储存池中；

(3)根据设定流量调整不同入湖河道的闸门开度，使来水由入湖河道一端流入，流经整个入湖河道后进入湖泊，再通过出湖河道流入沉沙池，虑沙隔板会过滤水中泥沙，最终水被储存在回水池中；

(4)当水沙混合搅拌池中再次需要注水时，开启抽水泵，使回水池中的水经回水管道流入进水管道中，实现了水的循环利用；沉沙池中的沙颗粒晾干筛分粒径后继续使用以实现沙的循环利用；

(5)水沙在流动过程中，利用数据采集仪实时监测和采集各监测点的数据，并存储于计算机内部；实验结束后，关闭入湖河道的闸门，待水沙全部流入回水池后，再次测量并绘制入湖河道、出水河道与湖泊模型地形图；

(6)整理采集到的不同监测点的数据，绘制数据曲线图形并运用长系列水文泥沙过程趋势研究方法做趋势性检验分析，对比模型水沙冲淤前后的地形数据，得到复杂条件下河湖水沙互馈关系。

5.根据权利要求4所述一种复杂条件下河湖水沙互馈实验监测方法，其特征在于，步骤(6)中长系列水文泥沙过程趋势研究方法为Mann-Kendall秩次相关检验法或Spearman秩次相关检验方法。