CN109556823A - 一种三维含植物河道水动力及水质模型装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，包括依次连接的入水箱(5)、模型河道(2)和出水箱(9)，所述的模型河道(2)上设有可沿河道移动污染物投放装置(11)，河道移动污染物投放装置(11)用于将预先配置的污染物投放到模型河道(2)中，所述的模型河道(2)由两侧的侧板和底板(7)构成，所述的底板(7)的中部设有用于排布安放植物的植物区域安装槽(71)。与现有技术相比，本发明具有结构较简单，设计合理，系统误差小，观测取样方便且重复利用率高等优点。

Description

一种三维含植物河道水动力及水质模型装置

技术领域

本发明涉及一种河流水动力模拟、泥沙及污染物运移试验模拟装置，尤其是涉及一种三维含植物河道水动力及水质模型装置。

背景技术

近年来，随着经济的迅猛发展和人类活动的密集，大量污染物进入河道，威胁河流生态系统和水资源安全。河滩植物的存在，使得河道水动力条件较为复杂。含植物河道的平均流速、紊动特征均发生变化，进而影响泥沙起动和污染物运移。由于受到多重因子的耦合作用，含植物水流及水质研究过程中，存在植物拖曳力系数、底床有效应力、污染物扩散系数等关键参数难以定量确定的问题。

室内物理模型试验是国内外研究含植物水流、泥沙及污染物运移的重要手段。通过物理模型试验可以直接得到含植物水流结构、泥沙及污染物浓度场的基础数据、直观得获得植物对泥沙和污染物运移的影响规律。同时，通过理论分析，可以得出含植物水流及水质研究中所必须的关键参数，进而揭示泥沙及污染物在含植物河道中的运移机理。然而，目前的实验室所用的模型装置多为基于传统的大型固定水槽装置，具有一定的局限性，具体为：1、传统大型水槽具有局限性，大型水槽耗费资金多，占地面积大不易于拆卸和运输，同时耗电量耗水量都巨大；2、耗时较长，传统大型固定水槽，由于空间尺度较大，得到稳定流场耗时较长。在泥沙起动模拟中，每组试验之间需较长时间间隔才能使得泥沙沉降至底床，恢复泥沙场的初始条件，在污染物迁移模拟中，每组试验之间需要大量的时间来清洗水槽，将污染物浓度降低至初始条件；3、功能模块没有后续升级空间，随着研究的深入，模型功能和参数需要不断调整，然而现有模型一般没有考虑后续改进，重复利用率低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种三维含植物河道水动力及水质模型装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，包括依次连接的入水箱、模型河道和出水箱，所述的模型河道上设有可沿河道移动污染物投放装置，河道移动污染物投放装置用于将预先配置的污染物投放到模型河道中，所述的模型河道由两侧的侧板和底板构成，所述的底板的中部设有用于排布安放植物的植物区域安装槽。

进一步地，所述的两侧的侧板包括相同大尺寸的前面板和后面板，前面板和后面板均垂直连接于底板上，所述的前面板和后面板间垂直设有支撑杆。

进一步地，所述的植物区域安装槽中设有植物插孔板，所述的植物插孔板上开设有多个用于插接植物根部的孔，所述的植物插孔板上铺设有沙土层。

进一步地，所述的污染物投放装置包括投放管、水平顶板和限位板，所述的投放管垂直穿插固定于水平顶板上，每个投放管的高度均可以上下调节，以此将污染物注入不同的深度，投放管的上端与蠕动泵连接，所述的限位板垂直连接于水平顶板两端的下方，所述的水平顶板用于将投放管搭设在前面板和后面板的上沿上，所述的限位板活动的卡于前面板和后面板的外壁，对水平顶板的垂直河道方向进行限位。

进一步地，所述的入水箱与模型河道的一端相通，入水箱与模型河道间设有多孔板，所述的入水箱上设有用于与外接水源对接的入水孔。入水箱与模型河道间可以为法兰连接或卡合连接，如此便可实现快速的组装、拆卸。

进一步地，所述的出水箱与模型河道的另一端相通，出水箱与模型河道间设有尾闸，所述的尾闸通过调控开度来调节模型河道的水位，所述的出水箱上设有出水孔。

进一步地，所述的尾闸包括条形孔板和挡水板，所述的条形孔板上开设条形孔，所述的挡水板活动的盖设于条形孔上，通过提高或降低挡水板的高度来调整条形出水孔的开合大小，以此对水位进行调整。

所述的前面板和后面板均为有机玻璃板，前面板和后面板外侧设有摄像机，所述的前面板和后面板间设有可移动的水质自动采样器。

所述的前面板长度为800-2000mm，高度为500-1000mm，所述的底板的宽度为300-400mm，侧板所用到的有机玻璃的厚度为10-20mm，在此尺寸范围内可以降低模型有限空间带来的边界条件影响，控制空间尺度效应。

一种利用三维含植物河道水动力及水质模型装置进行水动力和水质模拟的方法，包括以下步骤：在河道中水流动的同时通过污染物投放装置向河道中投放污染物及泥沙，依次改变水的注入流量、植物的排布方式及数量、污染物的投放量及投放位置和沙土的铺设量及参数，最后利用水质自动采样器来定点监测模型河道不同位置的污染物的浓度，依次获得污染物在不同变量状况下的迁移情况，并利用高清摄像机来记录沙土的流动情况以及污染物浓度场。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用组装式结构，易于拆装，易于装填，便于人工控制实验介质的物理特性；

2、可实现对复杂水流条件的模拟，通过尾门的开度，可有效模拟不同水深条件；通过植物插入区植物排布方式的改变，可以模拟不同密度刚性植物对水流的影响；

3、在观测和取样上具有极大的灵活性和可操作性，模型材料为透光性较好的有机玻璃，便于录像及实时观测模型内部泥沙及污染物在复杂水流条件下的迁移状况；

4、可缩短实验耗时，在较短的时间内获得稳定流场，大大缩短泥沙实验和污染物实验的实验间隔；

5、改造空间巨大，具有良好的升级适配特性，如对于模型边界条件的设定，可外接水头控制装置，以实现对潮汐、季节性河流等复杂动水头条件的模拟；通过自动控制配件的加入，可进行长系列观测和取样；通过更换前后面板及底板，可调整模型长度，满足不同实验的需要。

附图说明

图1为本发明中三维含植物河道水动力及水质模型装置的结构示意图；

图2为本发明中前面板的结构示意图；

图3为本发明中入水箱的结构示意图；

图4为本发明中出水箱的结构示意图；

图5为本发明中底板的结构示意图；

图6为本发明中污染物投放装置的结构示意图；

图中：2、模型河道，3、支撑杆，4、前面板，5、入水箱，6、多孔板，7、底板，8、后面板，9、出水箱，10、尾闸，11、污染物投放装置，41、支撑杆插孔，53、入水孔，71、植物区域安装槽，72、植物插孔板，101、条形孔板，102、挡水板，111、投放管，112、水平顶板，113、限位板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

三维含植物河道水动力及水质模型装置包括依次连接的入水箱5、模型河道2和出水箱9，参见图1，所述的模型河道2上设有可沿河道移动污染物投放装置11，河道移动污染物投放装置11用于将预先配置的污染物投放到模型河道2中，所述的模型河道2由两侧的侧板和底板7构成，参见图2，所述的底板7的中部设有用于排布安放植物的植物区域安装槽71。所述的两侧的侧板包括相同大尺寸的前面板4和后面板8，前面板4和后面板8均垂直连接于底板7上，所述的前面板4和后面板8间垂直设有支撑杆3，支撑杆3插接于侧板上的支撑杆插孔41中，以此对两块侧板进行稳固。所述的前面板4长度为800-2000mm，高度为500-1000mm，所述的底板7的宽度为300-400mm，侧板所用到的有机玻璃的厚度为10-20mm。所述的入水箱5与模型河道2的一端相通，参见图3，入水箱5与模型河道2间设有多孔板6，所述的入水箱5上设有用于与外接水源对接的入水孔53。所述的出水箱9与模型河道2的另一端相通，参见图4，出水箱9与模型河道2间设有尾闸10，所述的尾闸10通过调控开度来调节模型河道2的水位，所述的出水箱9上设有出水孔93。所述的尾闸10包括条形孔板101和挡水板102，所述的条形孔板101上开设条形孔，所述的挡水板102活动的盖设于条形孔上，通过提高或降低挡水板102的高度来调整条形出水孔的开合大小，以此对水位进行调整。所述的前面板4和后面板8均为有机玻璃板，前面板4和后面板8外侧设有摄像机，所述的前面板4和后面板8间设有可移动的水质自动采样器。

所述的植物区域安装槽71中设有植物插孔板72，所述的植物插孔板72上开设有多个用于插接植物根部的孔，参见图5，所述的植物插孔板72上铺设有沙土层。

所述的污染物投放装置11包括投放管111、水平顶板112和限位板113，所述的投放管111垂直穿插固定于水平顶板112上，所述的限位板113垂直连接于水平顶板112两端的下方，所述的水平顶板112用于将投放管111搭设在前面板4和后面板8的上沿上，所述的限位板113活动的卡于前面板4和后面板8的外壁，对水平顶板112的垂直河道方向进行限位，参见图6。

利用三维含植物河道水动力及水质模型装置进行水动力和水质模拟时包括以下步骤：

备土：筛分砂土并对实验用土进行参数计算，包括不均匀系数、曲率系数、比重、孔隙度、干密度、渗透系数，根据模拟河床情况，制备不同渗透系数的土体；

填土：组装模型，插接植物，沙土填装；

装水：将外界水源接至入水孔53处，水流从入水箱5进入河道，将液面调整至所需高度；

模拟稳态流：调节尾门开度形成稳定水流；

泥沙及污染物输入：依实验方案配置一定浓度的污染物标记物溶液，通过蠕动泵送入不同水深处，蠕动泵流速1-100mL/min。

采样：依实验方案在不同时刻、不同位置进行采样，同时拍摄实验录像；

变量调变：依次改变水的注入流量、植物的排布方式及数量、污染物的投放量及投放位置和沙土的铺设量及参数，利用水质自动采样器来定点监测模型河道2不同位置的污染物的浓度，依次获得污染物在不同变量状况下的迁移情况，并利用高清摄像机来记录沙土的流动情况以及污染物浓度场。

Claims (10)

1.一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，其特征在于，包括依次连接的入水箱(5)、模型河道(2)和出水箱(9)，所述的模型河道(2)上设有可沿河道移动污染物投放装置(11)，河道移动污染物投放装置(11)用于将预先配置的污染物投放到模型河道(2)中，所述的模型河道(2)由两侧的侧板和底板(7)构成，所述的底板(7)的中部设有用于排布安放植物的植物区域安装槽(71)。

2.根据权利要求1所述的一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，其特征在于，所述的两侧的侧板包括相同大尺寸的前面板(4)和后面板(8)，前面板(4)和后面板(8)均垂直连接于底板(7)上，所述的前面板(4)和后面板(8)间垂直设有支撑杆(3)。

3.根据权利要求2所述的一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，其特征在于，所述的植物区域安装槽(71)中设有植物插孔板(72)，所述的植物插孔板(72)上开设有多个用于插接植物根部的孔，所述的植物插孔板(72)上铺设有沙土层。

4.根据权利要求2所述的一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，其特征在于，所述的污染物投放装置(11)包括投放管(111)、水平顶板(112)和限位板(113)，所述的投放管(111)垂直穿插固定于水平顶板(112)上，所述的限位板(113)垂直连接于水平顶板(112)两端的下方，所述的水平顶板(112)用于将投放管(111)搭设在前面板(4)和后面板(8)的上沿上，所述的限位板(113)活动的卡于前面板(4)和后面板(8)的外壁，对水平顶板(112)的垂直河道方向进行限位。

5.根据权利要求2所述的一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，其特征在于，所述的入水箱(5)与模型河道(2)的一端相通，入水箱(5)与模型河道(2)间设有多孔板(6)，所述的入水箱(5)上设有用于与外接水源对接的入水孔(53)。

6.根据权利要求5所述的一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，其特征在于，所述的出水箱(9)与模型河道(2)的另一端相通，出水箱(9)与模型河道(2)间设有尾闸(10)，所述的尾闸(10)通过调控开度来调节模型河道(2)的水位，所述的出水箱(9)上设有出水孔(93)。

7.根据权利要求6所述的一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，其特征在于，所述的尾闸(10)包括条形孔板(101)和挡水板(102)，所述的条形孔板(101)上开设条形孔，所述的挡水板(102)活动的盖设于条形孔上，通过提高或降低挡水板(102)的高度来调整条形出水孔的开合大小，以此对水位进行调整。

8.根据权利要求2所述的一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，其特征在于，所述的前面板(4)和后面板(8)均为有机玻璃板，前面板(4)和后面板(8)外侧设有摄像机，所述的前面板(4)和后面板(8)间设有可移动的水质自动采样器。

9.根据权利要求2所述的一种三维含植物河道水动力及水质模型装置，其特征在于，所述的前面板(4)长度为800-2000mm，高度为500-1000mm，所述的底板(7)的宽度为300-400mm。

10.一种利用权利要求1所述的三维含植物河道水动力及水质模型装置进行水动力和水质模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤：在河道(2)中水流动的同时通过污染物投放装置(11)向河道中投放污染物，依次改变水的注入流量、植物的排布方式及数量、污染物的投放量及投放位置和沙土的铺设量及参数，最后利用水质自动采样器来定点监测模型河道(2)不同位置的污染物的浓度，依次获得污染物在不同变量状况下的迁移情况，并利用高清摄像机来记录沙土的流动情况以及污染物浓度场。