專利名稱：河流時空自塑模型的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種水工模型，其IPC國際專利分類號為E02B 1/02，特別涉及一種模 擬沖積河流下游沖積平原，包括河道的自然形成、演變過程的河流時空自塑模型。
背景技術：
實體模型是河流動力學研究中的一個重要手段，在科學研究和生產(chǎn)實踐中得到了 廣泛應用。河流自然模型即自然河工模型，是指在模型中河流自由發(fā)展、河道由水流塑造的 一種實體模型，其在探索河流的演變規(guī)律中發(fā)揮了重要作用。自1942年Fridekin進行了 著名的水槽試驗以來，眾多學者以水槽試驗為手段研究河流自然模型，取得了豐碩的研究 成果。這些河流自然模型的共有特征為在均勻可動沙床上，塑造規(guī)則初始河道；試驗開始 以一定的流量注入水流，由水流自由造床；通過改變河床組成、水流條件(來水來沙)、比降 (河谷比降)、河槽邊界條件等，研究河流的發(fā)育過程及演變的最終結果。
微尺度模型是美國陸軍工程兵團近年研制開發(fā)的模型試驗技術，該模型采用小比 尺(可達l : 20000)，模型尺寸非常小，節(jié)約投資、節(jié)約場地，并且使模型試驗更加直觀，能 夠用來向公眾展示等眾多優(yōu)點。微尺度模型最重要的就是真實地再現(xiàn)水沙的輸移過程，通 過調整模型的比降、水流流量、含沙量和邊界條件等一系列參數(shù)，以求模型能夠真實再現(xiàn)河 流的水沙運動狀態(tài)。微尺度模型最早由美國陸軍工程兵團應用于密西西比河的治理中，特 別用來進行航道工程的方案比較與評估。它的出現(xiàn)解決了很多大型實體模型試驗難以解決 的問題，因此，在美國被廣泛的應用于工程和研究中。如利用微尺度模型開展了新馬德里彎 河道疏浚、河流對比格克里克大橋橋墩的侵蝕影響、圣菲支流環(huán)境改善等方面的研究。
目前，我國關于微尺度模型的研究與應用相對較少，毛野曾以長江鎮(zhèn)江段為研究 對象，采用微尺度模型試驗研究了在順直、彎道與分汊等典型河道不同部位進行大規(guī)模采 砂對河床局部變形及對河道演變的極限影響。 上述兩種模型中，河流自然模型一般缺乏明確的比尺概念，不滿足模型相似論的 基本要求，在理論上存在缺陷，造成模型試驗方面具有極大的隨意性和不確定性。相反，微 尺度模型具有比尺概念，但它的應用目前主要集中在對某一個具體工程問題的研究，模型 邊界條件采用的是現(xiàn)有地貌，模擬范圍也僅局限在某一個河段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的不足而提供一種模擬沖積河流下游沖 積平原包括河道的自然形成、演變過程，研究人類活動、氣候變化、工程措施等不同干預方 式及干預程度對沖積河流自然演變影響的河流時空自塑模型。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種河流時空自塑模型，包括模型水槽、大攪拌池、 通過泵與大攪拌池相接通的小攪拌池，大攪拌池與孔口箱相接通，孔口箱與模型水槽相接 通，模型水槽依次包括模型進口段、沖積性河流自塑沉積區(qū)、測量及流場監(jiān)測系統(tǒng)、水位測 針、溢流堰、通過溢流堰水流流入的退水池，退水池經(jīng)退水渠道與小攪拌池相接通；所述模型進口段的邊界為山口形態(tài)，所述模型進口段以下的沖積性河流自塑沉積區(qū)事先不鋪設床 沙，完全充滿清水。
本發(fā)明具有如下積極效果綜合河流自然模型與微尺度模型的優(yōu)點，建立河流時
空自塑模型，河流時空自塑模型采用較小的比尺(可達i : 20000)，進口邊界設計成山口形
態(tài)；進口以下建一足夠大的沉積區(qū)，沉積區(qū)內(nèi)事先不鋪設床沙，完全充滿清水；沉積區(qū)的尾 水堰設溢流口，固定水面高程模擬海平面，以反映河口的反饋影響。在進口渾水以模擬出沖 積河流進入沖積平原前的水沙條件。持續(xù)足夠長的時間，以模擬沖積性河流河道的形成、自 然演變過程及沖積平原的自然沉積過程，進而研究各種干預措施與干預程度對它的影響。
本發(fā)明具有如下特點 (1)、可自動模擬河流的時空自然演化過程；
(2)、可反演河口反饋影響； (3)、可研究水沙過程對河流形態(tài)、河勢變化的影響機理； (4)、可研究人為干涉對河流的影響； (5)、可研究河道綜合治理措施與技術的可行性等。


圖1河流時空自塑模型平面示意圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，本發(fā)明包括模型水槽1、大攪拌池3、通過泵與大攪拌池3相接通的 小攪拌池2，其特征在于大攪拌池3與孔口箱4相接通，孔口箱4與模型水槽1相接通，模 型水槽1依次包括模型進口段5、沖積性河流自塑沉積區(qū)6、測量及流場監(jiān)測系統(tǒng)7、水位測 針8、溢流堰9、通過溢流堰9水流流入的退水池IO，退水池10經(jīng)退水渠道11與小攪拌池2 相接通。模型進口段5的邊界為山口形態(tài)，進口段以下為沖積性河流自塑沉積區(qū)6，沖積性 河流自塑沉積區(qū)6事先不鋪設床沙、完全充滿清水，在沖積性河流自塑沉積區(qū)6后面設置的 溢流堰9、退水池10、退水渠道11模擬相對穩(wěn)定海平面。 試驗具體實施方式
如下模型進口段5按模擬河流峽谷段末端的實際地形塑造， 模型沉積區(qū)一般比所要模擬的沖積平原范圍大1. 5 2. 0倍；在攪拌池中準備好一定含沙 量的渾水，然后由進口控制系統(tǒng)將設定流量的含沙水流送入模型進口 ；含沙水流通過進口 段進入沉積區(qū)后，泥沙自然沉積在沉積區(qū)內(nèi)，自然塑造河流；清水水流通過尾門控制系統(tǒng)進 入退水循環(huán)系統(tǒng)，并最終退入清水水庫。 在研究河流自然演變、沉積時，沉積區(qū)除清水外，沒有其它邊界控制條件；在研究 各種干預方式對沖積平原及河道的影響時，可根據(jù)需要對進口控制水沙過程、沉積區(qū)邊界 條件等進行改變。 (1)、模型進口邊界為山口段，進口段以下為一個足夠大的河流自塑區(qū)，沉積區(qū)內(nèi) 事先不鋪設床沙，完全充滿清水；沉積區(qū)尾部設置自動溢流堰，以模擬相對穩(wěn)定的海平面。
(2)、進口控制系統(tǒng)，包括自動控制平臺、自動調節(jié)閥及流量計、渾水攪拌池及攪拌 系統(tǒng)、管道系統(tǒng)等。
(3)、測量及流場監(jiān)測系統(tǒng)7，包括水位計、自動測橋、流場監(jiān)測設備等。
(4)、回水系統(tǒng)包括退水池、退水量水堰、退水渠等(
權利要求
一種河流時空自塑模型，包括模型水槽(1)、大攪拌池(3)、通過泵與大攪拌池(3)相接通的小攪拌池(2)，其特征在于大攪拌池(3)與孔口箱(4)相接通，孔口箱(4)與模型水槽(1)相接通，模型水槽(1)依次包括模型進口段(5)、沖積性河流自塑沉積區(qū)(6)、測量及流場監(jiān)測系統(tǒng)(7)、水位測針(8)、溢流堰(9)、通過溢流堰(9)水流流入的退水池(10)，退水池(10)經(jīng)退水渠道(11)與小攪拌池(2)相接通；所述模型進口段(5)的邊界為山口形態(tài)，所述模型進口段(5)以下的沖積性河流自塑沉積區(qū)事先不鋪設床沙，完全充滿清水。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水工模型，其IPC國際專利分類號為E02B 1/02，特別涉及一種模擬沖積河流下游沖積平原，包括河道的自然形成、演變過程的河流時空自塑模型，包括模型水槽、大攪拌池、通過泵與大攪拌池相接通的小攪拌池，大攪拌池與孔口箱相接通，孔口箱與模型水槽相接通，模型水槽依次包括模型進口段、沖積性河流自塑沉積區(qū)、流場監(jiān)測系統(tǒng)、水位測針、溢流堰、通過溢流堰水流流入的退水池，退水池經(jīng)退水渠道與小攪拌池相接通。本發(fā)明綜合河流自然模型與微尺度模型的優(yōu)點，建立河流時空自塑模型，可自動模擬河流的時空自然演化過程，可研究水沙過程對河流形態(tài)、河勢變化的影響機理，研究河道綜合治理措施與技術的可行性。
文檔編號E02B1/02GK101713176SQ200910177289
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權日2009年9月29日
發(fā)明者萬強, 劉杰, 劉燕, 盧冬梅, 夏修杰, 常華, 應一梅, 張林忠, 張清, 曹永濤, 李軍華, 江恩慧, 王婷, 范建強, 荊凱, 董其華, 趙新建, 趙連軍, 顧霜妹, 黃鴻海 申請人:黃河水利委員會黃河水利科學研究院