CN202614752U - 一种可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，包括进水箱、扁长形水槽、出水箱、储水箱、柱状泥样管、升降架、推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集装置，本实用新型（1）利用升降架调节水槽坡度，实现了不同坡降底泥侵蚀和传输特征的模拟；（2）利用恒定水位差对底泥表面产生恒定的作用力，实现模拟底泥侵蚀效果，克服了外力条件不可控的问题；（3）利用垂向结构未受到扰动的柱状底泥进行侵蚀实验，维持了底泥原有特性，表征底泥的实际侵蚀特性；（4）分别采用不同装置有效收集底泥起悬后的推移质和悬移质，揭示底泥运移特征；（5）可接入旋桨流速仪，精确测量水槽底部流速，实现模拟不同强度水流对底泥的切削作用。

Description

一种可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置

技术领域

本实用新型涉及浅水湖泊和河流系统水体生态环境模拟技术领域，特别是利用可变坡度的矩形水槽模拟各种坡度的河流和湖泊在不同水动力强度扰动下的底泥侵蚀和再悬浮特征，推移质和悬移质比例，以及底泥传输特征的装置。 

背景技术

水动力作用下湖泊或河道沉积物容易发生侵蚀、再悬浮，该过程会引起表层沉积物营养盐的释放、生物数量的变化等。底泥表面侵蚀率定义为单位面积底床在单位时间内的底泥侵蚀量。河床切应力是粘性泥沙研究中的重要参数，它直接决定了底泥被侵蚀的深度。然而，确定河床切应力、控制外力条件是十分困难的。目前，模拟对底泥侵蚀的室内模拟主要有震荡法、波浪水槽法和环形水槽法。震荡法是在三角瓶中装入一定量沉积物和水样，以震荡频率模拟水动力大小。该方法简单易于控制条件且可多组平行，但是体积过小，不能很好的描述底泥侵蚀随风浪增强而递增的趋势。波浪水槽和环形水槽法是采用机械方法产生上覆水的定向流动使底泥发生悬浮。方法易于控制条件，但是实验底泥的原状性受到一定破坏，较浅的上覆水与湖泊实际情况差异较大。保持沉积物的原状性非常重要，它不仅关系到暴露于上覆水的界面及其结构的变化影响再悬浮的结果，并且对营养物质的释放量也产生至关重要的影响。在底泥侵蚀实验中，装置的选取及设计至关重要，对结果产生重要影响。故实验装置设计应尽量能够反映实际情况。 

泥沙在床面（床面层或底层）共有四种状态，即静止、滚动、跳跃和悬浮。其中静止称为床沙，滚动与跳跃称为推移质，悬浮称为悬移质。通常在河流或湖泊上游被侵蚀的底泥会影响到下游水体的水环境特征。故研究侵蚀后底泥的推移质和悬移质的比例、运移特征是了解沉积物在水体或床面传输规律的重要问题。底泥被侵蚀后，会以推移质和悬移质的形式在水体或床面传输。以往研究局限于仅考虑悬移质部分或总侵蚀率。未能将两者分开考虑，从而对底泥起悬后的推移质和悬移质组成缺乏了解。 

由于底泥侵蚀的实验不易于在野外进行调查研究，这类实验通常在室内实验室进行模拟研究。各类河流和湖泊的底部地形大多高低起伏不定，具有一定坡度，而目前国内外各种室内实验水槽大体为水平布置，缺乏了这部分地形坡度模拟的真实性。不同坡度对底泥侵蚀的结果也存在重要影响，故实验装置设计应尽可能反映实际情况。 

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，该装置克服了现有技术中外力不可控，底坡不可调和维持底泥原状结构难、缺乏对底泥起悬后推移质和悬移质组成的了解等问题。 

技术方案：本实用新型所述的一种可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，包括进水箱、扁长形水槽、出水箱、储水箱、柱状泥样管、升降架、推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集装置，所述进水箱及出水箱内设置进水箱插槽与出水箱插槽，通过插入进水箱插板与出水箱插板，在所述进水箱及出水箱内设置有第一溢流水箱和第二溢流水箱，所述进水箱的底端出水口与所述扁长形水槽的进水口通过可伸缩橡胶管密封连接，所述扁长形水槽的出水口与所述出水箱的底端进水口通过可伸缩橡胶管密封连接，所述储水箱通过水管与水泵的进水管连接，所述水泵的出水管通过水管与所述进水箱的进水箱进水口连接，所述储水箱内设置有储水箱插槽，通过插入储水箱插板，在所述储水箱内设置有悬移质泥沙收集箱，所述悬移质泥沙收集箱内设置有悬移质泥沙收集装置，所述扁长形水槽的下表面开有进泥孔和出泥孔，所述进泥孔与柱状泥样管的一端密封连接，所述出泥孔与推移质泥沙捕获装置密封连接，所述第一溢流水箱的第一溢流水箱出水口与所述储水箱的储水箱进水口连接，所述第二溢流水箱的第二溢流水箱出水口与所述悬移质泥沙收集箱的悬移质泥沙收集箱进水口连接，所述进水箱及扁长形水槽的两端分别设置在所述升降架上。 

通过在所述进水箱和出水箱内配置不同高度的进水箱插板和出水箱插板控制扁长形水槽进水口与出水口的水位，同时利用水泵实现水循环流动，用推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集装置分别收集悬移质和推移质。 

进一步，所述升降架包括支承面板、螺旋杆、三角架和旋转扳手，所述三角架的顶部和内部分别设置有第一螺纹管和第二螺纹管，所述第二螺纹管通过三根助筋固定在所述三角架的内部，所述第一螺纹管和第二螺纹管位于所述三角架正投影的中心垂直轴线上，所述螺旋杆设置在所述第一螺纹管和第二螺纹管内，所述螺旋杆的顶端设置有所述支承面板，所述螺旋杆下端设置有用于控制该螺旋杆升降的所述旋转扳手，所述旋转扳手位于所述第二螺纹管的底端。 

进一步，所述柱状泥样管内设置有泥柱，所述泥柱的底部通过活塞连接千斤顶，通过所述千斤顶将该泥柱从下向上顶入所述进泥孔。 

进一步所述推移质泥沙捕获装置为斜板沉淀箱，所述斜板沉淀箱的底板通过螺纹旋接在其底部。 

进一步，所述悬移质泥沙收集装置为设置在悬移质泥沙收集箱内的细纱网，所述细纱网位于所述悬移质泥沙收集箱进水口的上端。 

为方便测量所述扁长形水槽内的水体流速，所述扁长形水槽的上表面开有流速测孔，所述流速测孔内设置有旋桨流速仪。 

本实用新型与现有技术相比，其有益效果是：（1）利用升降架调节水槽坡度，实现了不同坡降底泥侵蚀和传输特征的模拟；（2）利用恒定水位差对底泥表面产生恒定的作用力，实现模拟底泥侵蚀效果，克服了外力条件不可控的问题；（3）利用垂向结构未受到扰动的柱状底泥进行侵蚀实验，维持了底泥原有特性，表征底泥的实际侵蚀特性；（4）分别采用不同装置有效收集底泥起悬后的推移质和悬移质，区分侵蚀后底泥在水体或床面运动的悬移质和推移质的组成和比例，揭示底泥运移特征，同时实现了捕获样品的方便收集测量与清洗；（5）可接入旋桨流速仪，精确测量水槽底部流速，实现模拟不同强度水流对底泥的切削作用。 

附图说明

图1为本实用新型的总体结构示意图。 

图2是本实用新型所述升降架示意图。 

图3是本实用新型所述进水箱示意图。 

图4是本实用新型所述出水箱示意图。 

图5是本实用新型所述斜板沉淀箱示意图。 

图6是本实用新型所述储水箱示意图。 

具体实施方式

下面对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。 

如图1至6所示，一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，包括进水箱1、扁长形水槽2、出水箱3、储水箱4、柱状泥样管5、斜板沉淀箱6、细纱网7、升降架33、水泵8，所述进水箱1及出水箱3内设置进水箱插槽9与出水箱插槽10，通过插入进水箱插板11与出水箱插板12，在所述进水箱及出水箱内设置有第一溢流水箱13和第二溢流水箱14，所述进水箱的底端出水口15与所述扁长形水槽2的进水口通过可伸缩橡胶管密封连接，所述扁长形水槽2的出水口与所述出水箱3的底端进水口16通过可伸缩橡胶管密封连接，所述储水箱4的储水箱出水口40通过水管与水泵8的进水管连接，所述水泵8的出水管通过水管与所述进水箱1的进水箱进水口17连接，所述储水箱4内设置有储水箱插槽18，通过插入储水箱插板19，在所述储水箱4内设置有悬移质泥沙收集箱20，所述悬移质泥沙收集箱20内设置有一层细纱网7，所述细纱网7位于悬移质泥沙收集箱20的悬移质泥沙收集箱进水口21的上端，所述扁长形水槽2的上表面开有流速测孔22，所述流速测孔22内设置有旋桨流速仪23，所述扁长形水槽2的下表面开有进泥孔24和出泥孔25，所述进泥孔24内用特定橡皮圈和硅胶密合有柱状泥样管5，所述柱状泥样管25内设置有泥柱26，所述泥柱26的底部通过活塞27连接千斤顶28，将泥柱26从下向上顶入扁长形水槽2的进泥孔24，移动速度可以手动控制，其目的是始终保持泥柱26表面与扁长形水槽2底部保持水平或者稍微超出一点，使得泥柱26表面受到水流的水平流动剪切作用，底泥侵蚀速率即为泥柱26的上升高度除以实验持续时间，所述出泥孔24下用特定橡皮圈和硅胶密封连接有斜板沉淀箱6，所述斜板沉淀箱6的底板29通过螺纹旋接在其底部，所述第一溢流水箱13的第一溢流水箱出水口30与所述储水箱4的储水箱进水口32连接，所述第二溢流水箱14的第二溢流水箱出水口31与所述悬移质泥沙收集箱20的悬移质泥沙收集箱进水口21连接，所述进水箱1及扁长形水槽2的两端分别设置在三个所述升降架33上，所述升降架33包括支承面板34、螺旋杆35、三角架36和旋转扳手37，所述三角架36的顶部和内部分别设置有第一螺纹管38和第二螺纹管39，所述第二螺纹管39通过三根助筋40固定在所述三角架的内部，所述第一螺纹管38和第二螺纹管39位于所述三角架36正投影的中心垂直轴线上，所述螺旋杆35设置在所述第一螺纹管38和第二螺纹管39内，所述螺旋杆35的顶端设置有所述支承面板34，所述螺旋杆35下端设置有用于控制该螺旋杆升降的所述旋转扳手37，所述旋转扳手37位于所述第二螺纹管39的底端。 

所述进水箱1、扁长形水槽2、出水箱3、储水箱4、柱状泥样管5和斜板沉淀箱6均采用有机玻璃材质。 

其工作过程为：水流从储水箱4通过水泵8提升，进入进水箱1，一部分直接经过第一溢流水箱13回到储水箱4；一部分经过扁长形水槽2和出水箱3，通过溢流到第二溢流水箱14，通过第二溢流水箱出水口31到悬移质泥沙收集箱20，再溢流到储水箱4，如此循环运作。 

所述进水箱1及出水箱3内设置进水箱插槽9与出水箱插槽10，通过插入进水箱插板11与出水箱插板12，在所述进水箱及出水箱内设置有第一溢流水箱13和第二溢流水箱14，利用插入的进水箱插板11与出水箱插板12的高度差和溢流作用，控制进水箱1和出水箱3的恒定水位，实现了在整个测试过程中保持一个常数水头差，并且可以通过调节进水箱1和出水箱3的水位差值来改变扁长形水槽2内的流速。 

所述进水箱1、扁长形水槽2和出水箱3之间通过可伸缩橡胶管进行固定密封，同时调节进水箱1和扁长形水槽2底部靠近进水箱端的升降架33的高度，微调扁长形水槽2底部靠近出水箱端的升降架33，可伸缩橡胶管呈现不同的伸缩状，使得扁长形水槽2的进水口和出水口分别与进水箱1的底端出水口15和出水箱3的底端进水口16在同一高度，支承起扁长形水槽2，并呈现一定的坡度。整个升降架33通过支承面板34支承进水箱1和扁长形水槽2的两端，三角架36用来固定整个升降架33。当调节进水箱1和扁长形水槽2底部靠近进水箱端的两个升降架33的旋转扳手37逆时针旋转时，螺旋杆35向上移动，使得进水箱1和扁长形水槽2靠近进水箱端随之向上移动。旋转扳手37每逆时针旋转两圈，螺旋杆35上升1cm，进水箱1和扁长形水槽2每上升1cm即可形成1/L的坡度(L为扁长形水槽的长度)。 

受到侵蚀而运动的底泥主要是泥沙推移质和悬移质。沿扁长形水槽底部运动的推移质泥沙通过斜板沉淀箱6收集。斜板沉淀箱6内置斜板，确保推移质泥沙被斜板沉淀箱6捕获后不再进入水体中。斜板沉淀箱6的底板29通过螺纹连接在其底部，底板29可拆卸，方便清理测量已沉淀的底泥。悬移质泥沙收集箱20中部固定细纱网7，过滤沉淀悬移质泥沙，水流通过储水箱插板19进入储水箱4。 

本装置具体操作方法如下：根据需要模拟的流速设计进出水位的高度，在进水箱1和出水箱3的插槽中插入相应高度的进水箱插板11与出水箱插板12，根据需要模拟的坡度设计出支承进水箱1的升降架33升降的高度，其旋转扳手37令螺旋杆35抬高相应的高度，与此同时调节支承扁长形水槽2底部靠近进水箱端的升降架33，微调支承扁长形水槽2靠近出水箱端的升降架33，水泵8将储水箱4中的水通过水管提升至进水箱1中，水流流经扁长形水槽2，由旋桨流速仪23测得相应的流速，水流推动由千斤顶28顶起的泥柱26，表面泥样受到水流的水平流动剪切作用，发生侵蚀，推移质泥沙到达一定位置时，滑落至斜板沉淀箱6中得以收集，悬移质泥沙随着水流，经过出水箱3，经过水管，进入悬移质泥沙收集箱20得以收集，保持进水箱1和出水箱3中的水始终溢流，以维持扁长形水槽2中流速稳定的水流，通过第一溢流水箱13和第二溢流水箱14底部的出水口回到储水箱4中，实现水循环流动。实验进行一段时间后，根据要求计算底泥侵蚀率，分析悬移质和推移质泥沙的物理化学性质，以及组成比例。 

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。 

Claims (6)

1.一种可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，包括进水箱、扁长形水槽、出水箱、储水箱、柱状泥样管、升降架、推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集装置，所述进水箱及出水箱内设置进水箱插槽与出水箱插槽，通过插入进水箱插板与出水箱插板，在所述进水箱及出水箱内设置有第一溢流水箱和第二溢流水箱，所述进水箱的底端出水口与所述扁长形水槽的进水口通过可伸缩橡胶管密封连接，所述扁长形水槽的出水口与所述出水箱的底端进水口通过可伸缩橡胶管密封连接，所述储水箱通过水管与水泵的进水管连接，所述水泵的出水管通过水管与所述进水箱的进水箱进水口连接，所述储水箱内设置有储水箱插槽，通过插入储水箱插板，在所述储水箱内设置有悬移质泥沙收集箱，所述悬移质泥沙收集箱内设置有悬移质泥沙收集装置，所述扁长形水槽的下表面开有进泥孔和出泥孔，所述进泥孔与柱状泥样管的一端密封连接，所述出泥孔与推移质泥沙捕获装置密封连接，所述第一溢流水箱的第一溢流水箱出水口与所述储水箱的储水箱进水口连接，所述第二溢流水箱的第二溢流水箱出水口与所述悬移质泥沙收集箱的悬移质泥沙收集箱进水口连接，所述进水箱及扁长形水槽的两端分别设置在所述升降架上。

2.根据权利要求1所述的可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，所述升降架包括支承面板、螺旋杆、三角架和旋转扳手，所述三角架的顶部和内部分别设置有第一螺纹管和第二螺纹管，所述第二螺纹管通过三根助筋固定在所述三角架的内部，所述第一螺纹管和第二螺纹管位于所述三角架正投影的中心垂直轴线上，所述螺旋杆设置在所述第一螺纹管和第二螺纹管内，所述螺旋杆的顶端设置有所述支承面板，所述螺旋杆下端设置有用于控制该螺旋杆升降的所述旋转扳手，所述旋转扳手位于所述第二螺纹管的底端。

3.根据权利要求1所述的可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，所述柱状泥样管内设置有泥柱，所述泥柱的底部通过活塞连接千斤顶，通过所述千斤顶将该泥柱从下向上顶入所述进泥孔。

4.根据权利要求1所述的可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，所述推移质泥沙捕获装置为斜板沉淀箱，所述斜板沉淀箱的底板通过螺纹旋接在其底部。

5.根据权利要求1所述的可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，所述悬移质泥沙收集装置为设置在悬移质泥沙收集箱内的细纱网，所述细纱网位于所述悬移质泥沙收集箱进水口的上端。

6.根据权利要求1所述的可变坡度矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，所述扁长形水槽的上表面开有流速测孔，所述流速测孔内设置有旋桨流速仪。

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