本發(fā)明涉及一種河網(wǎng)交匯區(qū)復(fù)雜河床下水沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其模擬方法，屬于河流動(dòng)力學(xué)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國(guó)東部平原地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口眾多，但河湖污染嚴(yán)重，加上河流交錯(cuò)、水動(dòng)力不足，自凈能力差，水安全形勢(shì)嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅人民的用水安全；這使我國(guó)東部平原河流尤其是河網(wǎng)的水安全問題備受關(guān)注；平原區(qū)河網(wǎng)交匯處是河網(wǎng)水體污染物匯合摻混和輸移富集的重要控制節(jié)點(diǎn)，揭示河網(wǎng)交匯處污染物輸移規(guī)律對(duì)明確河網(wǎng)污染物輸移軌跡和歸宿、保障我國(guó)東部河網(wǎng)水安全具有十分重要的意義。

污染物輸移的主要驅(qū)動(dòng)力包括對(duì)流和紊動(dòng)擴(kuò)散；但是，交匯處“深坑-沙壟”床面形態(tài)特殊，水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜、紊動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)流特性未明；同時(shí)，平原地區(qū)泥沙較細(xì)且富含黏沙，對(duì)污染物具有較強(qiáng)的吸附和解吸附作用，因此泥沙運(yùn)動(dòng)在污染物富集和水體二次污染方面同樣扮演著重要角色；因此，研究河網(wǎng)交匯處復(fù)雜床面下水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律是揭示河網(wǎng)交匯處污染物輸移規(guī)律的前提；因床面形態(tài)生成、穩(wěn)定和固化等的困難，目前現(xiàn)有的研究河網(wǎng)交匯處水沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和模擬方法主要是不考慮床面形態(tài)下的水沙運(yùn)動(dòng)，所得的研究成果也與實(shí)際情況有所背離，故亟需河網(wǎng)交匯區(qū)復(fù)雜河床下水沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)及其模擬方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的是河網(wǎng)交匯區(qū)復(fù)雜河床下水沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其模擬方法，其目的旨在提供一種進(jìn)行河網(wǎng)交匯區(qū)水沙輸移規(guī)律研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)及其模擬方法，實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)交匯區(qū)深坑-沙壟等復(fù)雜河床下水流、泥沙運(yùn)動(dòng)和床面形態(tài)變化的模擬和觀測(cè)，為河網(wǎng)交匯處水沙污染物等物質(zhì)輸移研究提供技術(shù)支撐。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：河網(wǎng)交匯區(qū)復(fù)雜河床下水沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括干流水槽1-1、支流水槽1-2、水槽下游區(qū)1-3、上游a水箱2、上游b水箱3、下游水箱4、a抽水管道9、加沙器11、b抽水管道12；其中，干流水槽1-1的上游與上游a水箱2連通，支流水槽1-2的上游與上游b水箱3連通，上游a水箱2與下游水箱4之間通過a抽水管道9連通實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)，上游b水箱3與下游水箱4之間通過b抽水管道12連通實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)，a抽水管道9上設(shè)有a電磁流量計(jì)5、a閥門6、a變頻泵7，b抽水管道12上設(shè)有b電磁流量計(jì)5'、b閥門6'、b變頻泵7'，干流水槽1-1上有a加沙器11，支流水槽1-2上有b加沙器11'。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出的一種河網(wǎng)交匯區(qū)水沙輸移規(guī)律研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)及其模擬方法，根據(jù)交匯口特殊的水流結(jié)構(gòu)，合理選擇粗細(xì)兩種沙進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)交匯口粗化床面的模擬；待河床形態(tài)不再變化后緩慢排清水流，隨后均勻撒上充足的水泥粉以實(shí)現(xiàn)河床的固化；利用超聲波多普勒測(cè)速儀adv對(duì)交匯口紊流結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量；通過在支流或干流加入不同粒徑組染色沙，觀測(cè)泥沙運(yùn)動(dòng)軌跡以及床面淤積過程，模擬匯流區(qū)復(fù)雜床面下泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)交匯區(qū)深坑-沙壟等復(fù)雜河床下水流、泥沙運(yùn)動(dòng)和床面形態(tài)變化的模擬和觀測(cè)，為河網(wǎng)交匯處水沙污染物等物質(zhì)輸移研究提供技術(shù)支撐。

附圖說明

附圖1為匯流角為90°的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)俯視圖。

附圖2為附圖1中a斷面示意圖。

附圖3為附圖1中b斷面示意圖。

附圖4為附圖1中c斷面示意圖。

附圖5為附圖1中d斷面示意圖。

附圖6為測(cè)量區(qū)對(duì)應(yīng)的流速測(cè)量區(qū)橫斷面示意圖。

附圖中1-1是干流水槽，1-2是支流水槽，1-3是水槽下游區(qū)，1-4是交匯區(qū)，1-5是測(cè)量區(qū)，2是上游a水箱，3是上游b水箱，4是下游水箱，5是a電磁流量計(jì)，6是a閥門，7是a變頻泵，5'是電磁流量計(jì)，6'是閥門，7'是變頻泵，8是a整流格柵，8'是b整流格柵，9是a抽水管道，10是尾部閥門，11是a加沙器，11'是b加沙器，12是b抽水管道。

具體實(shí)施方式

河網(wǎng)交匯區(qū)復(fù)雜河床下水沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括干流水槽1-1、支流水槽1-2、水槽下游區(qū)1-3、上游a水箱2、上游b水箱3、下游水箱4、a抽水管道9、加沙器11、b抽水管道12；其中，干流水槽1-1的上游與上游a水箱2連通，支流水槽1-2的上游與上游b水箱3連通，上游a水箱2與下游水箱4之間通過a抽水管道9連通實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)，上游b水箱3與下游水箱4之間通過b抽水管道12連通實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)，a抽水管道9上設(shè)有a電磁流量計(jì)5、a閥門6、a變頻泵7，b抽水管道12上設(shè)有b電磁流量計(jì)5'、b閥門6'、b變頻泵7'，干流水槽1-1上有a加沙器11，支流水槽1-2上有b加沙器11'。

所述干流水槽1-1的上游與上游a水箱2的連通處設(shè)有a整流格柵8，支流水槽1-2的上游與上游b水箱3的連通處設(shè)有b整流格柵8'，a整流格柵8和b整流格柵8'確保水槽內(nèi)水流平穩(wěn)。

作為優(yōu)選，所述干流水槽1-1、支流水槽1-2、水槽下游區(qū)1-3的寬度設(shè)置應(yīng)遵循水力幾何關(guān)系：wpc=wm[1+(wt/wm)^1/b]^b，wpc是指水槽下游區(qū)1-3的水槽寬度，wm為干流水槽1-1的寬度，wt為支流水槽1-2的寬度，參數(shù)b設(shè)置為0.5；如果干流水槽1-1和支流水槽1-2的寬度一樣，交匯區(qū)1-4下游處水槽下游區(qū)1-3的水槽寬度為交匯之前水槽寬度的1.4倍。

所述干流水槽1-1和支流水槽1-2的匯流角可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)河道交匯的真實(shí)情況設(shè)定，也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究人員的研究目的而設(shè)定特定匯流角進(jìn)行研究。

所述干流水槽1-1與支流水槽1-2連接處為交匯口，交匯口的周圍是交匯區(qū)1-4，選取位于干流水槽1-1上交匯口下游的部分交匯區(qū)1-4為測(cè)量區(qū)1-5。

所述測(cè)量區(qū)1-5的水槽壁上可架設(shè)超聲波多普勒測(cè)速儀，用以測(cè)量實(shí)時(shí)三維流速，確定匯流區(qū)內(nèi)復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)的對(duì)流和紊動(dòng)擴(kuò)散特性；利用超聲波多普勒測(cè)速儀測(cè)取測(cè)量區(qū)的三維水流流度，用來確定交匯區(qū)1-4內(nèi)復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)的對(duì)流和紊動(dòng)擴(kuò)散特性，測(cè)量時(shí)添加中性浮力空心玻璃球增強(qiáng)超聲波多普勒測(cè)速儀的超聲波散射信號(hào)。

所述交匯區(qū)1-4中鋪有由兩種中值粒徑不同的沙混合而成的泥沙，且應(yīng)滿足：（1）在上游和下游恢復(fù)區(qū)無大量泥沙起動(dòng)，即泥沙中值粒徑大于起動(dòng)粒徑；（2）在表面細(xì)顆粒泥沙被沖蝕之后，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的床面粗化，保護(hù)底下的細(xì)顆粒泥沙不再被沖蝕，并形成沖坑和沙壟等典型的床面形態(tài)。

所述干流水槽1-1的邊緣和外壁上貼有坐標(biāo)貼紙，用以快速確定水位和確定超聲波多普勒測(cè)速儀的測(cè)量位置。

所述下游水箱4與干流水槽1-1連通處設(shè)置有尾部閥門10，通過調(diào)節(jié)尾部閥門10高度控制水槽內(nèi)水位高度。

一種河網(wǎng)交匯區(qū)復(fù)雜河床下水沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬方法，該方法包括以下步驟：

1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的流速，查詢shields曲線，確定下游恢復(fù)區(qū)泥沙起動(dòng)粒徑，因?yàn)榛謴?fù)區(qū)流速大于上游流速，所以只要恢復(fù)區(qū)無大量泥沙起動(dòng)，則上游也無大量泥沙起動(dòng)；

2）交匯區(qū)1-4處覆蓋一層由兩種不同中值粒徑的沙混合而成的泥沙混合物作為河床，其中一種粒徑遠(yuǎn)大于下游水流恢復(fù)區(qū)粒徑，一種小于水流恢復(fù)區(qū)泥沙粒徑；交匯區(qū)1-4河床其厚度根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置確定，其中值粒徑大于下游恢復(fù)區(qū)泥沙起動(dòng)粒徑，并能在交匯區(qū)1-4處產(chǎn)生床面粗化，形成沖坑和沙壟等典型的床面形態(tài)，鋪沙過程緩慢均勻，并在實(shí)驗(yàn)開始前將河床面整平，鋪沙區(qū)域端部以坡比為1:5的不起動(dòng)泥沙過渡到水槽底面；

（3）在干流水槽1-1的上游與上游a水箱2連通處及支流水槽1-2的上游與上游b水箱3的連通處設(shè)置整流格柵8；

4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的水位高度，調(diào)節(jié)尾部閥門10高度，然后向下游水箱4內(nèi)加適量的水，確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；

5）調(diào)節(jié)變頻泵7和閥門6，觀察兩個(gè)電磁流量計(jì)5的示數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的干支流匯流比、雷諾數(shù)和弗洛德數(shù)，按實(shí)驗(yàn)需要確定變頻泵頻率和閥門大小，直至示數(shù)穩(wěn)定后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)；

6）水槽內(nèi)通入穩(wěn)定水流直至河床形態(tài)不再改變，使用激光測(cè)距儀測(cè)量沖淤平衡后的河床地形高程，然后，均勻撒上充足的水泥粉，以達(dá)到固化床面的效果；

7）在床面固化后，重新通入水流，隨后向水槽內(nèi)添加中性浮力空心玻璃球，增強(qiáng)超聲波多普勒測(cè)速儀的超聲散射信號(hào)，等待至中性浮力空心玻璃球與水流充分混合并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；

8）根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定，在測(cè)量區(qū)1-5處選取一定數(shù)目的垂直于水槽下游區(qū)1-3槽壁的橫斷面，使用超聲波多普勒測(cè)速儀進(jìn)行實(shí)時(shí)三維流速測(cè)量；

9）通過在干流水槽1-1的a加沙器11和/或支流水槽1-2的b加沙器11'中加入不同粒徑組的染色沙子向水中加沙，通過觀測(cè)染色沙子的運(yùn)動(dòng)軌跡和淤積分布規(guī)律，即可模擬匯流區(qū)復(fù)雜床面下泥沙的輸移情況。

實(shí)施例

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步說明。

如圖1至圖3所示，河網(wǎng)交匯區(qū)復(fù)雜河床下水沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括干流水槽1-1、支流水槽1-2、水槽下游區(qū)1-3、上游a水箱2、上游b水箱3、下游水箱4、抽水管道9、尾部閥門10、加沙器11、超聲波多普勒測(cè)速儀（adv）、激光測(cè)距儀；其中，干流水槽1-1的上游與上游a水箱2連通，支流水槽1-2的上游與上游b水箱3連通，上游a水箱2與下游水箱4之間通過a抽水管道9連通實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)，上游b水箱3與下游水箱4之間通過b抽水管道12連通實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)，a抽水管道9上設(shè)有a電磁流量計(jì)5、a閥門6、a變頻泵7，b抽水管道12上設(shè)有b電磁流量計(jì)5'、b閥門6'、b變頻泵7'，干流水槽1-1上有a加沙器11，支流水槽1-2上有b加沙器11'。

所述干流水槽1-1、支流水槽1-2、水槽下游區(qū)1-3利用有機(jī)玻璃做壁面，使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程獲得良好的可視效果；干流水槽1-1、支流水槽1-2利用鋼架托舉，鋼架下設(shè)有滾輪，這樣既能保證防銹，又能增強(qiáng)裝置的整體穩(wěn)定性，更重要的是鋼架下設(shè)有滾輪，便于移動(dòng)裝置和設(shè)定匯流角度。

所述測(cè)量區(qū)1-5的水槽壁上可架設(shè)adv，用以測(cè)量實(shí)時(shí)三維流速，確定匯流區(qū)內(nèi)復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)的對(duì)流和紊動(dòng)擴(kuò)散特性。

所述干流水槽1-1沿長(zhǎng)度方向依次設(shè)為上游區(qū)、交匯區(qū)1-4和水槽下游區(qū)1-3；支流水槽1-2沿長(zhǎng)度方向依次設(shè)為上游區(qū)和1-4交匯區(qū)；支流水槽1-2與干流水槽1-1在交匯區(qū)1-4處連通。

所述干流水槽1-1和支流水槽1-2高度為40cm，交匯前上游段的干流水槽1-1和支流水槽1-2寬度為30cm，則交匯后下游水槽寬度根據(jù)水力幾何可設(shè)為40cm，約為上游水槽寬度的1.4倍；交匯前干流水槽1-1和支流水槽1-2的長(zhǎng)度均為4m，交匯后干流水槽1-1和支流水槽1-2的水槽長(zhǎng)度為7m；水槽底面為平坡式，比降i為0，匯流角為90°。

所述交匯區(qū)1-4鋪沙厚度為5.5cm，泥沙由兩種中值粒徑的沙混合而成，一種泥沙的中值粒徑為0.1mm，另一種泥沙的中值粒徑為2mm，混合后總泥沙的中值粒徑為0.9mm，使得交匯區(qū)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈的床面粗化并形成典型交匯區(qū)沙壟—深坑床面。

所述水槽下游區(qū)1-3的水流恢復(fù)區(qū)流速為0.27m/s，根據(jù)shields曲線確定水流恢復(fù)區(qū)泥沙起動(dòng)粒徑為0.3mm，小于混合泥沙中值粒徑0.9mm，所以水流恢復(fù)區(qū)無大量泥沙起動(dòng)。

所述鋪沙長(zhǎng)度為：從交匯區(qū)1-4處向上游兩汊水槽延伸300cm，向下游水槽延伸330cm，鋪沙區(qū)域端部以坡比為1:5泥沙過渡；所述a抽水管道9和b抽水管道12為110mmpvc管道。

所述a抽水管道9上設(shè)有a電磁流量計(jì)5、a閥門6、a變頻泵7，b抽水管道12上設(shè)有b電磁流量計(jì)5'、b閥門6'、b變頻泵7'，分別用以控制干流水槽1-1和支流水槽1-2內(nèi)的流量；調(diào)節(jié)a閥門6、a變頻泵7、b閥門6'、b變頻泵7'，使干支流匯流比為0.4，即干流流量q1為9l/s，支流流量q2為6l/s；干流、支流和交匯區(qū)的的弗洛德常數(shù)分別為0.14、0.10、0.18；干流、支流和交匯區(qū)的雷諾數(shù)分別為14141、9430、20344。

所述下游水箱4與水槽下游區(qū)1-3連通處設(shè)置有尾部閥門10，通過調(diào)節(jié)尾部閥門10高度控制水槽內(nèi)水位高度為16.5cm。

所述干流水槽1-1的上游與上游a水箱2的連通處設(shè)有a整流格柵8，支流水槽1-2的上游與上游b水箱3的連通處設(shè)有b整流格柵8'，整流格柵8和整流格柵8'確保水槽內(nèi)水流平穩(wěn)。

一種利用河網(wǎng)交匯區(qū)復(fù)雜河床下水沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行的模擬方法，包括以下步驟：

1）根據(jù)下游恢復(fù)區(qū)流速，查詢shields曲線，確定恢復(fù)區(qū)泥沙起動(dòng)粒徑為0.3mm，因?yàn)榛謴?fù)區(qū)流速大于上游流速，所以只要恢復(fù)區(qū)無大量泥沙起動(dòng)，則上游也無大量泥沙起動(dòng)；

2）在交匯區(qū)處覆蓋一層由兩種不同中值粒徑的沙混合而成的泥沙混合物作為河床，一種泥沙的中值粒徑為0.1mm，另一種泥沙的中值粒徑為2mm，混合后中值粒徑為0.9mm，大于恢復(fù)區(qū)起動(dòng)粒徑，沙層厚度為5.5cm，鋪沙過程緩慢均勻，并在實(shí)驗(yàn)開始前將河床面整平，鋪沙區(qū)域端部以坡比為1:5不起動(dòng)泥沙過渡，如圖2所示；

3）在干流水槽上游1-1與上游a水箱2連通處及支流水槽上游1-2與上游b水箱3連通處設(shè)置整流格柵；

4）調(diào)節(jié)尾部閥門高度使水位為16.5cm，然后向下游水箱內(nèi)加適量的水，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；

5）調(diào)節(jié)a閥門6、a變頻泵7、b閥門6'、b變頻泵7'，觀察兩個(gè)電磁流量計(jì)的示數(shù)，控制干流流量q1為9l/s，水深為16.5cm，支流流量q2為6l/s，水深也為16.5cm，使得匯流比為0.4，；控制干流、支流和交匯區(qū)的的弗洛德數(shù)分別為0.14、0.10、0.18；控制干流、支流和交匯區(qū)的雷諾數(shù)分別為14141、9430、20344；調(diào)節(jié)至流量計(jì)示數(shù)穩(wěn)定后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)；

6）水槽內(nèi)通入穩(wěn)定水流三小時(shí)后，河床形態(tài)不再改變，使用激光測(cè)距儀測(cè)量沖淤平衡后的河床地形高程，然后，均勻撒上充足的水泥粉，以達(dá)到固化床面的效果；

7）床面固化后，重新通入水流，隨后向水槽內(nèi)添加中性浮力空心玻璃球，增強(qiáng)超聲波多普勒測(cè)速儀的超聲波散射信號(hào)，等待至中性浮力空心玻璃球與水流充分混合并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；

8）根據(jù)實(shí)驗(yàn)總共設(shè)定5個(gè)垂直于水槽下游區(qū)1-3槽壁的橫斷面進(jìn)行流速測(cè)量，即t1到t5斷面（見圖3）；實(shí)測(cè)斷面的橫向間距為2cm，靠近河床的兩個(gè)相鄰的垂直測(cè)量點(diǎn)之間的間隔為0.5cm，且靠近水面的間距為1cm，使用adv進(jìn)行三維流速測(cè)量；

9）在干流水槽1-1上游的a加沙器11緩慢加入不同粒徑組的白色沙子，在支流水槽1-2上游的b加沙器11'緩慢加入不同粒徑組的黑色沙子；觀察干流和支流染色沙于匯流區(qū)特殊水利條件作用下在復(fù)雜床面上的運(yùn)動(dòng)軌跡和淤積分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)模擬匯流區(qū)復(fù)雜床面下泥沙輸移情況。

上訴實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的一種優(yōu)選表現(xiàn)形式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。