NL2013993B1 - Inrichting voor het bewaken van landschapsveranderende werking van vloeistoffen op een modelbasis. - Google Patents

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bewaken van de landschapsveranderende werking van vloeistoffen op een modelbasis, omvattend een rond ten minste twee dwars ten opzichte van elkaar verlopende assen verdraaibare zandbak, die, door middel van eindplaten, een plat vlak en langszijden begrensd, geschikt is voor de opname van bodemmonsters en beschikt over een vloeistofbron en een aftapstomp.

Description

INRICHTING VOOR HET BEWAKEN VAN LANDSCHAPS VERANDERENDE WERKING VAN VLOEISTOFFEN OP EEN MODELBASIS

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bewaken van de landschapsveranderende werking van vloeistoffen op een modelbasis, omvattend een rond ten minste twee dwars ten opzichte van elkaar verlopende assen verdraaibare zandbak, die, door middel van eindplaten, een plat vlak en langszij den begrensd, geschikt is voor de opname van bodemmonsters en beschikt over een vloeistofbron en een aftap stomp.

In de loop van ruimte-informatische-hydrologische modellering van hoge waterstanden in berg- en heuvellandschappen wordt in het algemeen een bewakingsnetwerk in een uitermate beperkt stroomgebied of bijvoorbeeld in het watersysteem van een of andere agglomeratie ingericht. Tegelijkertijd kan een dergelijk waarschuwingssysteem worden opgebouwd dat geschikt is voor de bepaling van overstromingen die plotseling optreden wanneer aan vooraf bepaalde randvoorwaarden wordt voldaan.

Soortgelijke onderzoeken hebben echter vanuit het aspect van de modellering op een reeks problemen gewezen. Het is bijna onmogelijk om een aldus gedetailleerd bewakingsnetwerk op te bouwen, dat de op een modelleringsperspectief betrekking hebbende karakteristieke grootheden van het betrokken stroomgebied foutloos voorstelt. De constanten en empirische verbanden die worden gebruikt in watersystemen van grote oppervlakteafmeting kunnen niet correleren met modellen die in watersystemen van kleine oppervlakteafmeting worden gebruikt. In de vooraankondigingen kan geen stochastisch gedrag worden geprogrammeerd.

Daarom heeft men een dergelijk fysisch klein-monster-modelsysteem ontwikkeld, waarin hoogwaterprocessen, bodemvochtigheidsprocessen, dekkingsprocessen, langdurige processen van de rivierbeddingverandering en tektonische processen onder gecontroleerde omstandigheden, door computers ondersteund, gemodelleerd kunnen worden. US 5.653.592 stelt bijvoorbeeld een inrichting voor het modelleren van de bewegingen van het afvoerwater van een rivier of soortgelijke waterstroming voor, waarbij op een verhoogde en gehelde bodem van een monster een op schaal zijnde kopie van het te bestuderen riviersegment en een waterbron zijn aangebracht, en uit deze waterbron water dat monsterafzettingen omvat aan het model toegevoerd kan worden. De inrichting omvat verder een functiegenerator, die het mogelijk maakt om het water aan het model toe te voeren, en omvat een digitaal micrometrisch glijmeetsysteem, dat nauwkeurige metingen met een gekozen monsterwegnamefrequentie langs het model mogelijk maakt.

De firma Little River Forschung & Design, LLC. (514 East Main Street Carbondale, Illinois 62901 - emriver.com) verkoopt een geomorfologische modelleringsinrichting, die geschikt is voor de simulatie van processen van grote omvang, bijvoorbeeld in overstromingsgebieden, kustgebieden, bodemwaters. Op een rechtop staande modelleringstafel, die rond drie van elkaar onafhankelijke assen verdraaid kan worden, zijn een per fractie gekleurde bodem simulatie met bepaalde deeltjesverdeling alsmede een bron voor het invoeren van water aangebracht.

Een nadeel van de vermelde oplossingen bestaat eruit dat ze noch voor de continue modellering van de verlopen noch voor de volledige gecomputeriseerde verwerking hiervan geschikt zijn, vooral omdat de - meestal door middel van een kostbare vlakbedscanner uitgevoerde - opname van het oppervlakteprofiel, dat werd gevormd door de in het model ingevoerde vloeistof, slechts na de afvoer van de vloeistof, gewoonlijk water, uitgevoerd kan worden, dat wil zeggen de observatie en documentatie van de landschapsveranderende werking van de vloeistof op een modelbasis slechts periodiek mogelijk is.

Het is de doelstelling van de uitvinding om een dergelijke fysische modelinrichting (zandbak, modelleringstafel, geomodel, schaalkanaal enzovoorts) te verschaffen, die in staat is tot de continue observatie en documentatie van de landschapsveranderende werking van de vloeistof op een modelbasis, en verder niet alleen geschikt is voor de modellering, maar ook voor de computerondersteunde bewerking van de verlopen.

De doelstelling werd verwezenlijkt door de vervaardiging van een inrichting voor het bewaken van de landschapsveranderende werking van vloeistoffen op een modelbasis, omvattend een rond ten minste twee dwars ten opzichte van elkaar verlopende assen verdraaibare zandbak, die, door middel van eindplaten, een plat vlak en langszij den begrensd, geschikt is voor de opname van bodemmonsters en beschikt over een vloeistofbron en een aftapstomp, en waarbij verder het platte vlak van de zandbak is uitgevoerd met gebieden die loodrecht ten opzichte van het platte vlak bewogen kunnen worden, de langszij den van de zandbak zijn voorzien van schuifplaten die loodrecht bewogen kunnen worden ten opzichte van de langszij den, en verder een consolesysteem boven de zandbak is aangebracht, waaraan ten minste één, op een computer aangesloten camera alsmede een warmtebeeldcamera is bevestigd, en de zandbak is voorzien van een vloeistofbron, die een vloeistof met een van de temperatuur van het bodemmonster afwijkende temperatuur naar het bodemmonster leidt.

De inrichting is bij voorkeur voorzien van laser-afstandsmeters, die op de computer zijn aangesloten en de mate van de bewegingen van de zandbak controleren.

Aan het consolesysteem zijn talrijke camera’s op van elkaar varieerbare afstanden aangebracht.

De vloeistofbron is aangesloten op een vloeistofverwarmingsapparaat.

De vloeistofbron is aangesloten op een vloeistofkoelapparaat.

De vloeistofbron wordt bij voorkeur gevormd door een met de zandbak meebewegende statische waterkolom.

De uitvinding wordt hieronder beschreven aan de hand van een doelmatige uitvoeringsvorm, met verwijzing naar de bijgevoegde tekening. In de tekening tonen

Figuur 1 een zandbak volgens de uitvinding in perspectivisch aanzicht;

Figuur 2 een zandbak volgens de uitvinding in zijaanzicht;

Figuur 3 de begintoestand en de eindtoestand van een grondbed, dat zich tijdens de uitvoering van een test van de zandbak volgens de uitvinding heeft uitgevormd;

Figuur 4 een warmtebeeldopname voor het bepalen van daadwerkelijke grondbedvorm en watersnelheden;

Figuur 5 een 3D-weergave van de eindtoestand van de test;

Figuur 6 een begin- en eindstroomdoorsnede; en

Figuur 7 de volging van de patronen van gevlochten grondbedden.

Figuur 1 toont een voorkeursuitvoeringsvorm van een inrichting voor het bewaken, tegelijkertijd documenteren, van de landschapsveranderende werking van vloeistoffen op een modelbasis in een schematische en perspectivische weergave. De inrichting beschikt in deze uitvoeringsvorm over een zandbak 1 met een oppervlak van 4,2 m x 2,5 m en een overeenkomstig draagvermogen voor het dragen van een bodemmonster 5 van waterige consistentie en een dikte van 150 mm, tot een totale massagrens van 2,5 t. De zandbak 1 kan ±7,5 graden rond zijn langsas Tl en ±10 graden rond zijn dwarsas T2 op geprogrammeerde wijze gekanteld, geheld worden. In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm kan de zandbak 1 ook rond een verdere as T3 worden verdraaid. Bepaalde gebieden van het platte vlak 2 van de zandbak 1, bij voorkeur de zes gebieden 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f hiervan kunnen loodrecht ten opzichte van het platte vlak 2 van de zandbak 1, bij voorkeur met een geprogrammeerde snelheid van 10 tot 200 mm/dag met ±120 mm worden bewogen. Het bodemmonster 5 kan uit zijdelingse richting, loodrecht ten opzichte van de langszijde 4 door middel van vier schuifplaten 4a, 4b, 4c, 4d worden vervormd en ten minste twee schuifplaten 4a, 4b, 4c, 4d kunnen met een geprogrammeerde snelheid en een minimum weglengte van 100 mm per schuilplaat worden bewogen. De schuifplaten 4a, 4b, 4c, 4d worden door middel van stappenmotoren M10 - Ml3 bewogen, en de schuifplaten 4e, 4f, 4g, 4h die zijn aangebracht aan de tegenover de langszijde 4 van de zandbak 1 liggende langszijde 8 worden door middel van stappenmotoren M14 - M17 bewogen. De zandbak 1 is met betrekking tot water en bodemmonster 5 ondoorlatend, deze kunnen slechts via een aftapstomp 6 uit de installatie worden verwijderd.

Alle bewegingen van de zandbak 1, dus zijn beweging rond de assen Tl, T2, T3, zijn programmagestuurd en zijn door middel van een computer en elektrische stappenmotoren Ml, M2, M3 uitgevoerd. Dat maakt de modellering van zeer langzame alsmede zeer snelle veranderingen mogelijk. De beweegbare elementen kunnen verhogingen, verlagingen of werkingen van schuifkrachten tot stand brengen. De controle van de mate van de beweging wordt in een doelmatige uitvoeringsvorm door middel van laser-afstandsmeters 7 (bijvoorbeeld Leica Disto D3aBT) met automatische terugkoppeling en bij voorkeur via een Bluetooth-verbinding uitgevoerd.

De zandbak 1 volgens de uitvinding kan in figuur 2 in zijaanzicht worden waargenomen, en er is te zien dat het bewegen van de gebieden 3a, 3d, 3e door middel van stappenmotoren M4, M5, M6 gerealiseerd kan worden. De gebieden 3b, 3c, 3f kunnen op soortgelijke wijze worden bewogen. Voor het detecteren van de zich tijdens de modellering afspelende verlopen worden twee benaderingen gebruikt. Enerzijds worden alle beeldinformaties alsmede de fysische karakteristieke grootheden van de zich in de modelruimte, over het platte vlak 2 afspelende verlopen opgenomen. Het verloop van het experiment is gedocumenteerd door middel van fotocamera’s, in deze uitvoeringsvorm door middel van acht fotocamera’s Fl - F8 (bijvoorbeeld CANON 1110 D). De camera’s zijn aan een consolesysteem K, op afstanden tl -17 van elkaar aangebracht, waarbij in een basisinstelling deze afstanden tl - tl 30 cm bedragen, en de camera’s zijn op een hoogte van 1,2 m boven het platte vlak 2 aangebracht. De overlapping van de beelden bedraagt 80% bij een brandpuntsafstand van 18, waardoor een 3D-beeldgeving mogelijk wordt gemaakt. De fotocamera’s Fl - F8 zijn via hun USB-verbinding gestuurd door middel van een computer Cl.

De daadwerkelijke positie van de in het experiment gebruikte vloeistof, op doelmatige wijze water, de positie van het/de betreffende actieve grondbed/grondbedden in het bodemmonster 5, de watersnelheden alsmede de horizontale trend van de bodemvochtigheid worden zodanig bepaald door middel van een aan het consolesysteem K bevestigde warmtebeeldcamera H (bijvoorbeeld Yarioscan 3021 ST), dat een vloeistof F, bij voorkeur water met een van de temperatuur van het bodemmonster 5 afwijkende temperatuur, uit een vloeistofbron op het bodemmonster 5 wordt aangebracht, waarbij de vloeistofbron F in dit geval is aangesloten op een in de tekening niet weergegeven vloeistofverwarmingsapparaat. Het experiment kan ook worden uitgevoerd met een vloeistof die een lagere temperatuur dan de temperatuur van het bodemmonster 5 heeft, doordat de vloeistofbron F is aangesloten op een in de tekening niet weergegeven vloeistofkoelapparaat. Het detectiegebied van de warmtebeeldcamera H valt op doelmatige wijze tussen 8 en 12 pm en de temperatuurresolutie van de warmtebeeldcamera H bedraagt ±0.003 K.

Door de toepassing van een vloeistof met een van de temperatuur van het bodemmonster 5 afwijkende temperatuur wordt het mogelijk dat de vloeistof na de wezenlijke verplaatsing van het bodemmonster 5 niet eerst via de aftapstomp 6 uit de zandbak 1 verwijderd, dan weer ingevoerd, dan weer verwijderd hoeft te worden, om de verdere wezenlijke verplaatsingen van het bodemmonster 5 te observeren en de data bijvoorbeeld met een vlakbedscanner te registreren, aangezien de verplaatsing van het bodemmonster 5 door middel van de warmtebeeldcamera H doorlopend geobserveerd en over de tijd opgenomen kan worden.

De verandering van de bodemvochtigheid langs de diepte wordt gemeten door middel van aan het consolesysteem K aangebrachte en van daar in het bodemmonster 5 geleide sensoren (bijvoorbeeld fabrikaat Decagon, Decagon Devices Inc., Pullman, WA, USA), en de data worden in elektronische datageheugens (bijvoorbeeld Decagon EM50) opgeslagen.

Het bijvoorbeeld individueel gefabriceerde, naar kleur en dichtheid alsmede deeltjesgrootte gesorteerde bodemmonster 5 voor de modelexperimenten wordt op het platte vlak 2 verzameld. Bijvoorbeeld grijze en zwarte deeltjes 1, of basalt- en andesietschroot met een deeltjesgrootte van 0,8 mm. In de 0,6 mm-klasse wordt rode marmersteen en in de 0,2 mm-klasse bijgekleurde kalksteen gebruikt.

De besturing van de zandbak 1 alsmede de beeldvorming en de dataregistratie worden uitgevoerd in twee computers Cl, C2, die met elkaar alsmede met de stappenmotoren Ml - M7, de fotocamera’s F1 - F6, de warmtebeeldcamera H, de laser-afstandsmeters 7 alsmede de stromingsmeter (niet weergegeven) van de vloeistofbron F in elektronische verbinding staan. De vloeistofbron F is op doelmatige wijze bijvoorbeeld een statische waterkolom met een hoogte van 1 m, die met de zandbak meebeweegt, en de toevoer van het water wordt uitgevoerd met water, dat wordt ingebracht via een in de tekening niet weergegeven vloeistofverwarmingsapparaat of vloeistofkoelapparaat.

De zandbak 1 volgens de uitvinding werd in de loop van een fundamenteel experiment in een bedrijfsgang met eenvoudig gekozen karakteristieke grootheden getest. De door vlakke eindplaten 9a, 9b en langszij den 4, 8 van het platte vlak 2 begrensde modelruimte was onder 4 graden rond de as Tl geheld. Als uitgangsinstallatie werd een bodemmonster 5 van 8 cm gebruikt. De foto-opnamen alsmede warmtebeddopnamen werden elke 30 seconden vervaardigd.

Het gehele bodemmonster 5 werd met fijn waterstof tot aan een vochtigheidsniveau van 40% uniform voorbevochtigd. Om een sneller procesverloop te bereiken, werd een grondbed met een diepte van 2 cm en een driehoekdoorsnede langs de as T2 uitgevormd, aangezien er volgens onze voorgaande ervaringen wegens gebrek aan een voorgevormd dal geen ophoping in het grondbed en de grondbeduitvorming optreedt, die in figuur 3 zichtbaar is.

Voor de bepaling van de watersnelheden alsmede de actieve grondbedden werden warmtebeeldopnamen gebruikt, die met een warmtebeeldcamera H werden opgenomen, aangezien in de warmtebeeldopnamen de bewegingsfronten van het ingevoerde hete water goed waarneembaar zijn en de snelheid van de beweging goed afgeleid kan worden. Voor een nauwkeurigere detectie wordt kokend water periodiek in het systeem ingevoerd (zie figuur 4).

Uit de opnamen die elke halve minuut werden gemaakt werden 3D-modellen vervaardigd (zie figuur 5). De verandering van de doorsneden (zie figuur 6) alsmede de snelheid van de materiaalverplaatsingen werden aan de hand van deze opnamen bestudeerd.

Na de analyse van het patroon, dat als resultaat van het experiment tot stand is gekomen, kan de conclusie worden getrokken, dat dit patroon de eigenaardigheden van gevlochten rivierbeddingen (zie figuur 7) op een typische wijze voorstelt. In het niet cohesieve sediment worden met stijgende rivierwaterhoeveelheid geleidelijk breder wordende rivierbeddingen uitgevormd. Dat maakt de rivierbeddingbifurcaties en het ontstaan van de meest uiteenlopende ondiepten mogelijk, die voorwaarden van de gevlochten rivierbeddingontwikkeling voorstellen.

De experimenten die zijn gestart met randvoorwaarden die de werkelijkheid direct beschrijven, alsmede hun gekwantificeerde resultaten, bieden de mogelijkheden voor: - precisering van de ruimtelijke (niet op op discrete punten uitgevoerde metingen berustende) parametrisering; - langdurige, eventueel door tektonische gebeurtenissen beïnvloede modellering van in rivierbeddingen en overstromingsgebieden plaatsvindende verlopen; - door metingen ondersteunde volging van massa- en volumeveranderingen; - modellering en planning van de rehabilitatie van overstromingsgebieden; - volledige en met hoge resolutie plaatsvindende kwantificering van de verlopen.

Het voordeel van de zandbak 1 volgens de uitvinding vergeleken met de fysische klein-monster-systemen bestaat er dus uit, dat deze voor doorlopende modellering van de verlopen en voor de volledige computerondersteunde verwerking hiervan volledig geschikt is.

Claims (6)

1. Inrichting voor het bewaken van de landschapsveranderende werking van vloeistoffen op een modelbasis, omvattend een rond ten minste twee dwars ten opzichte van elkaar verlopende assen (Tl, T2) verdraaibare zandbak (1), die, door middel van eindplaten (9a, 9b), een plat vlak (2) en langszij den (4, 8) begrensd, geschikt is voor de opname van bodemmonsters (5) en beschikt over een vloeistofbron (F) en een aftapstomp (6), met het kenmerk, dat het platte vlak (2) van de zandbak (1) is uitgevoerd met gebieden (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f), die loodrecht ten opzichte van het platte vlak (2) bewogen kunnen worden, de langszij den (4, 8) van de zandbak (1) zijn voorzien van schuifplaten (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h) die loodrecht bewogen kunnen worden ten opzichte van de langszij den (4, 8), een consolesysteem (K) boven de zandbak (1) is aangebracht, waaraan ten minste één, op een computer (Cl, C2) aangesloten camera (Fl, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8) alsmede een warmtebeddcamera (H) is bevestigd, en de zandbak (1) is voorzien van een vloeistofbron (F), die een vloeistof met een van de temperatuur van het bodemmonster (5) afwijkende temperatuur op het bodemmonster (5) leidt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de inrichting is voorzien van laser-afstandsmeters (7), die zijn aangesloten op de computer (Cl, C2) en de mate van de bewegingen van de zandbak (1) controleren.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat talrijke camera’s (Fl, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8) op varieerbare afstanden (tl -17) van elkaar aan het consolesysteem (K) zijn aangebracht.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de vloeistofbron (F) is aangesloten op een vloeistofverwarmingsapparaat.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de vloeistofbron (F) is aangesloten op een vloeistofkoelapparaat.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat een met de zandbak (1) meebewegende statische waterkolom de vloeistofbron (F) vormt.