一種適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于水利工程模擬試驗(yàn)領(lǐng)域,具體涉及一種適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置及方法。本發(fā)明的適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置,包括微尺度的河湖模型模塊、模型調(diào)節(jié)模塊和江湖關(guān)系測(cè)量模塊,具體由水沙輸入口、河道微尺度模型、湖泊微尺度模型、湖口閘門、電磁水沙分離器、升降電機(jī)、微型氣泵、變糙率底墊、通氣孔、螺旋攪拌泵、水位計(jì)、數(shù)字磁通計(jì)、數(shù)字高斯計(jì)和表磁分布測(cè)量?jī)x等設(shè)備單元組成。針對(duì)上述模型試驗(yàn)裝置,本發(fā)明還提供了一種適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究方法,可在微尺度三維空間條件下,對(duì)超大尺度江湖交匯水系原型,定量物理相似模擬和測(cè)定江湖關(guān)系的時(shí)空變化。
【專利說(shuō)明】—種適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水利工程模擬試驗(yàn)領(lǐng)域,具體涉及一種測(cè)定江湖交匯水系江湖關(guān)系動(dòng)態(tài)變化的室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)江河與湖泊水體發(fā)生交匯聯(lián)通時(shí),形成江湖交匯水系。在水利工程及地理科學(xué)領(lǐng)域,江湖關(guān)系用來(lái)特指河流和與之相連湖泊之間的物質(zhì)、能量和信息交換關(guān)系及其引起的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化。在河流上游來(lái)水、湖泊流域支流入湖流量等影響下,江湖關(guān)系會(huì)發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化。交匯的江與湖共生共榮,只有維系正常的江湖關(guān)系,使得河流與湖泊均能自然健康演變,方能避免出現(xiàn)河道劇烈變化或湖泊水體衰減等不利情形。但隨著水利水電工程開發(fā)力度的不斷加強(qiáng),流域內(nèi)江湖關(guān)系也受到明顯影響,江湖連通性、水沙交換量、通江湖泊換水率、濕地生態(tài)需水量滿足率等甚至出現(xiàn)衰減趨勢(shì)。保護(hù)健康的江湖關(guān)系,需要實(shí)時(shí)測(cè)定江湖關(guān)系動(dòng)態(tài)變化,為采取人工干預(yù)或壓力釋放措施提供第一手資料信息。
[0003]超大尺度的江湖交匯水系往往涵蓋范圍很廣,通過(guò)原型觀測(cè)不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,也很難保證數(shù)據(jù)的可靠性與密集性。借助室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)手段,通過(guò)對(duì)原型進(jìn)行比尺縮放,在有限場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行小尺度的流場(chǎng)、泥沙、水質(zhì)等模擬,是開展江湖關(guān)系動(dòng)態(tài)變化模擬測(cè)量的合理途徑。然而,開展相應(yīng)模型試驗(yàn)存在兩個(gè)難題:第一,江湖交匯水系非常復(fù)雜,既有一維河流的狹長(zhǎng)河流,也有寬廣扁平的湖泊水域,常規(guī)的河工模型試驗(yàn)技術(shù)一般僅適用于河流水動(dòng)力及泥沙模擬,對(duì)于河、湖模擬的不同比尺需要,以及復(fù)雜交匯處的縮放模擬,存著在建模上的諸多技術(shù)難點(diǎn);第二,開展常規(guī)室內(nèi)河流水庫(kù)等物理模擬,存在著比尺模型精度與成本之間的矛盾,往往為了滿足一定的精度需求,被迫選擇較大的室內(nèi)模型,不但占用大量場(chǎng)地,也耗費(fèi)了大量的人力物力。
[0004]微尺度模型是一種比尺相對(duì)較大物理試驗(yàn)?zāi)P?,具有效率高、易操作、成本較低等優(yōu)點(diǎn),是一種較有潛力的水動(dòng)力、泥沙、水環(huán)境物理模型研究方法。然而,微尺度模型方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在著精確測(cè)量的障礙,一般僅能借助攝影攝像等圖形技術(shù),對(duì)局部水體(如順直、彎道與分汊局部河段)進(jìn)行定性相似模擬研究,很難對(duì)類似江湖交匯水系的復(fù)雜水體進(jìn)行全程定量測(cè)定。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,消除微尺度模型中邊壁及底床對(duì)水流的邊界層粘滯作用,本發(fā)明針對(duì)超大尺度的江湖交匯水系原型,提出一種基于微尺度模型的適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置及方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)超大尺度江湖交匯水系原型的江湖關(guān)系動(dòng)態(tài)變化定量相似模擬和測(cè)量。
[0006]技術(shù)方案:一種適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置,包括河湖模型模塊、模型調(diào)節(jié)模塊和江湖關(guān)系測(cè)量模塊。
[0007]所述河湖模型模塊包括水沙輸入口、河道微尺度模型、湖泊微尺度模型、湖口閘門和電磁水沙分離器;河道微尺度模型與湖泊微尺度模型是根據(jù)實(shí)際地形資料按照大比尺縮小后,使用復(fù)合材料制作的微尺度三維河道物理模型和微尺度三維湖泊物理模型;河道微尺度模型用于對(duì)流域的干流河道物理建模,湖泊微尺度模型用于對(duì)與干流連接的通江湖泊湖區(qū)物理建模,湖泊子流域內(nèi)有支流流入;河道微尺度模型與湖泊微尺度模型通過(guò)可調(diào)節(jié)開敞度的湖口閘門連接,當(dāng)湖口閘門完全開敞時(shí),江湖水系之間無(wú)障礙連通,當(dāng)湖口閘門調(diào)節(jié)不同開敞高度時(shí)候可模擬出江湖水系之間的水利工程調(diào)度工況;河道微尺度模型上游以及湖泊微尺度模型的流域內(nèi)支流上游均安置有可調(diào)節(jié)水量和泥沙量大小的水沙輸入口 ;河道微尺度模型下游末端安置有電磁水沙分離器,用于將流出的磁性水體去磁化,實(shí)現(xiàn)清水和不蹤劑的循環(huán)使用。
[0008]所述模型調(diào)節(jié)模塊包括升降電機(jī)、微型氣泵、變糙率底墊、通氣孔和螺旋攪拌泵;升降電機(jī)與河道微尺度模型底板連接,用于調(diào)整模型河道比降,控制河流流態(tài);變糙率底墊由多層薄膜組成,底墊上均勻分布微型氣囊,可充氣調(diào)整氣囊大小和高度,達(dá)到調(diào)整床底糙率空間不均勻分布的目的;河道微尺度模型邊壁上密布通氣孔,在邊壁附近產(chǎn)生氣泡墊層,降低微尺度模型過(guò)度縮放造成的邊界層粘滯作用;螺旋攪拌泵安裝在河道微尺度模型上游靠近水沙輸入口處,用于增強(qiáng)河流水體紊動(dòng),提高模型水流輸沙效率;變糙率底墊與通氣孔均與微型氣泵相連,由微型氣泵提供充氣動(dòng)力。
[0009]所述江湖關(guān)系測(cè)量模塊包括水位計(jì)、數(shù)字磁通計(jì)、數(shù)字高斯計(jì)和表磁分布測(cè)量?jī)x;水位計(jì)和數(shù)字磁通計(jì)安裝于河道微尺度模型中的各控制斷面,數(shù)字高斯計(jì)通過(guò)懸掛裝置非接觸式安裝于湖泊微尺度模型中的湖泊控制測(cè)點(diǎn),表磁分布測(cè)量?jī)x通過(guò)懸掛裝置非接觸式安裝于湖泊濕地區(qū)域的上方。水位計(jì)用于測(cè)量各時(shí)刻的水位,數(shù)字磁通計(jì)用于記錄各時(shí)刻磁通量,數(shù)字高斯計(jì)用于測(cè)量湖區(qū)單位體積水體磁感應(yīng)強(qiáng)度;表磁分布測(cè)量?jī)x用于記錄湖泊濕地區(qū)域水體磁感應(yīng)強(qiáng)度;數(shù)字磁通計(jì)、數(shù)字高斯計(jì)和表磁分布測(cè)量?jī)x均為非接觸式測(cè)量,對(duì)流態(tài)不產(chǎn)生影響。
[0010]作為優(yōu)選,所述河道微尺度模型和湖泊微尺度模型是對(duì)大尺度江湖交匯水系原型三維尺寸進(jìn)行微尺度縮小,即根據(jù)實(shí)際地形資料按照大比尺縮小后,使用復(fù)合材料制作的微尺度三維河道物理模型和微尺度三維湖泊物理模型;在實(shí)際建模時(shí),水平比尺范圍為15000?20000,垂直比尺范圍為1000?1500,變率為10?20。
[0011]作為優(yōu)選,所述電磁水沙分離器針對(duì)試驗(yàn)中示蹤劑具有磁性的特點(diǎn),使用通電線圈產(chǎn)生磁場(chǎng),對(duì)水流中的示蹤粒子進(jìn)行吸附和分離,實(shí)現(xiàn)示蹤劑和清水的循環(huán)使用。
[0012]作為優(yōu)選,所述升降電機(jī)安置在河道微尺度模型底板下,控制兩級(jí)構(gòu)造的鋁合金空心圓柱體桿上下伸縮,實(shí)現(xiàn)模型河道上游的高程在2cm?12cm范圍內(nèi)變化,達(dá)到通過(guò)改變模型河道比降來(lái)控制河道水流流態(tài)的目的。
[0013]作為優(yōu)選,所述變糙率底墊由多層薄膜組成,變糙率底墊表面上均勻分布梅花形排列的微型氣囊,微型氣囊為乳膠材料,體積由通氣量控制,每個(gè)微型氣囊的體積可在
0.1cm3?2.0cm3范圍內(nèi)變化,每間隔IOcm?15cm設(shè)置通氣閥門實(shí)現(xiàn)分段通氣控制,通過(guò)改變不同區(qū)域的微型氣囊的體積變化,可以調(diào)整模型河床及湖床糙率空間分布在0.002?
0.02的區(qū)間內(nèi)變化,達(dá)到調(diào)整床底糙率空間不均勻分布的目的,使得江湖交匯水系的床底糙率空間分布變化符合實(shí)際情況。
[0014]作為優(yōu)選,所述通氣孔和螺旋攪拌泵配合使用,用于增強(qiáng)河流水體紊動(dòng)性,提高模型水流輸沙效率,消除微尺度模型方法在尺寸過(guò)小后引發(fā)的邊界層粘滯效應(yīng)及水體紊動(dòng)性下降問(wèn)題,避免水流過(guò)緩難以定量相似模擬大尺度水體水沙運(yùn)動(dòng)的障礙;通氣孔為直徑為Icm的圓形單向氣孔,分三層交錯(cuò)布置在河道微尺度模型邊壁,自上而下通氣管外伸距離分別為0.5cm、Icm和1.5cm,在邊壁附近產(chǎn)生均勻氣泡墊層,降低微尺度模型過(guò)度縮放造成的邊界層粘滯效應(yīng);螺旋攪拌泵的槳葉長(zhǎng)度為1/4模型河道寬度,轉(zhuǎn)速可在60r/mm?240r/min的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),用于增強(qiáng)微尺度河道中間水體紊動(dòng)。
[0015]作為優(yōu)選,所述的數(shù)字磁通計(jì)不少于5個(gè),布置于模型河道上下游及湖泊出口處,配合圓形感應(yīng)線圈使用,線圈直徑為1.5倍模型河道寬度,用于測(cè)量記錄斷面各時(shí)刻磁通量;數(shù)字高斯計(jì)探頭不少于10個(gè),布置于模型湖泊底板上方20cm處,用于測(cè)量記錄該點(diǎn)的水體或泥沙的磁感應(yīng)強(qiáng)度;表磁分布測(cè)量?jī)x探頭位于模型湖泊濕地區(qū)域上方20cm處,用測(cè)量記錄該區(qū)域的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度。
[0016]使用上述裝置進(jìn)行適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究方法,包括如下步驟:
[0017](一 )微尺度模型設(shè)定:基于大尺度江湖交匯水系原型尺寸和實(shí)際室內(nèi)場(chǎng)地限制的現(xiàn)實(shí)條件,確定微尺度物理模型的比尺,在實(shí)際建模時(shí),水平比尺范圍為15000?20000,垂直比尺為1000?1500,變率為10?20 ;根據(jù)實(shí)際地形資料按照比尺縮放得到室內(nèi)模型尺寸、地形數(shù)據(jù)和糙率空間分布數(shù)據(jù)集,使用復(fù)合材料制作微尺度河道微尺度模型和湖泊微尺度模型物理形狀,模型一般設(shè)置在距離地面1.5m高處的平臺(tái)上;安置好水沙輸入口、湖口閘門、電磁水沙分離器,其中的湖口閘門初始時(shí)刻完全開敞;
[0018]( 二)模型調(diào)節(jié)模塊設(shè)定:在河道微尺度模型和湖泊微尺度模型床底鋪設(shè)變糙率底墊,底墊內(nèi)布設(shè)的細(xì)管與微型氣泵連接;上述河道微尺度模型在制作時(shí)候,邊壁分層交錯(cuò)布置通氣孔,通氣孔由內(nèi)置細(xì)管與微型氣泵連接;在河道微尺度模型上游靠近水沙輸入口處安裝有一個(gè)螺旋攪拌泵;
[0019](三)江湖關(guān)系測(cè)量模塊設(shè)定:在河道微尺度模型中的各控制斷面安置好水位計(jì)、數(shù)字磁通計(jì),以及在湖泊微尺度模型中的各控制測(cè)點(diǎn)上方安置好不少于10個(gè)數(shù)字高斯計(jì),在湖泊濕地區(qū)域的上方懸掛安裝表磁分布測(cè)量?jī)x;
[0020](四)模型標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)校準(zhǔn):開啟上述步驟中設(shè)定好的模型調(diào)節(jié)模塊和江湖關(guān)系測(cè)量模塊,根據(jù)實(shí)際典型流量過(guò)程,按照流量比尺轉(zhuǎn)換后的河流上游來(lái)水量和湖泊支流來(lái)水量,在水沙輸入口送入相應(yīng)水量,并在對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)測(cè)量水位,得到模型的流量-水位過(guò)程;同時(shí),不斷通過(guò)升降電機(jī)調(diào)整河道模型比降、螺旋攪拌泵調(diào)整旋轉(zhuǎn)速率、通氣孔調(diào)整送氣量,同時(shí)根據(jù)糙率空間分布數(shù)據(jù)集對(duì)不同區(qū)域的微型氣囊充氣,使得河床及湖床糙率空間分布與糙率空間分布變化一致;當(dāng)模型流量-水位過(guò)程與實(shí)際流量-水位過(guò)程相符時(shí),此時(shí)的模型狀態(tài)達(dá)到試驗(yàn)要求;
[0021](五)試驗(yàn)水沙磁化制備:選擇磁性Fe3O4微粒子作為磁性示蹤劑;采用膠溶法制備納米級(jí)水基磁流體示蹤劑,作為添加磁性水的備用;采用碾磨法制備微米級(jí)Fe3O4示蹤劑粒子,標(biāo)準(zhǔn)磁化后與有機(jī)玻璃輕質(zhì)沙膠結(jié),作為添加實(shí)驗(yàn)磁性沙的備用;
[0022](六)江湖關(guān)系實(shí)時(shí)測(cè)定:在步驟(四)的基礎(chǔ)上,采用實(shí)際流量過(guò)程,針對(duì)不同目標(biāo)參數(shù)選擇實(shí)施不同上游、初始磁性水沙工況條件,分別實(shí)現(xiàn)對(duì)表征江湖關(guān)系實(shí)時(shí)狀態(tài)的湖泊換水強(qiáng)度、濕地生態(tài)需水量滿足率、分流比、分沙比進(jìn)行測(cè)量,具體包括如下三類工況:
[0023]工況1:湖泊換水強(qiáng)度和濕地生態(tài)需水量滿足率的實(shí)時(shí)測(cè)定,湖泊換水強(qiáng)度表征一個(gè)工作周期內(nèi)通江湖泊水體整體交換強(qiáng)度,濕地生態(tài)需水量滿足率表征湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)水量滿足程度:①關(guān)閉湖口閘門,將水基磁流體示蹤劑與清水按照一定比例混合,注入湖泊模型達(dá)到設(shè)定水位,記錄湖泊初始水量\ ;從河道微尺度模型干流的水沙輸入口送入清水;調(diào)節(jié)閘門開敞度為實(shí)際情況,水體流動(dòng)穩(wěn)定后開始正式測(cè)量,持續(xù)一個(gè)工作周期,分為η個(gè)時(shí)段,T= 1,2,3,……,η;
[0024]②在T時(shí)段,按照實(shí)際流量從干流河道微尺度模型的水沙輸入口送入清水流量,從湖泊微尺度模型支流的水沙輸入口送入磁性示蹤水;
[0025]③在T時(shí)段,選定一標(biāo)準(zhǔn)體積湖區(qū)單位體積水體,用數(shù)字高斯計(jì)測(cè)定該標(biāo)準(zhǔn)體積湖區(qū)此時(shí)段單位體積水體磁感應(yīng)強(qiáng)度Bu,作為此時(shí)段湖泊水體磁感應(yīng)強(qiáng)度參照值;同時(shí),在T時(shí)段,在江湖交匯湖口處用數(shù)字磁通計(jì)記錄出湖水流磁通量,用表磁分布測(cè)量?jī)x記錄濕地區(qū)域水體磁感應(yīng)強(qiáng)度Bwt ;
[0026]④重復(fù)上述步驟得到不同時(shí)段相關(guān)測(cè)量結(jié)果,持續(xù)一個(gè)工作周期,在每個(gè)時(shí)段得出濕地生態(tài)需水量滿足率:F = VWT/Vmin,其中Vmin為維持洲灘濕地正常功能所需的最小生態(tài)水量,通過(guò)長(zhǎng)序列歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)得出;VWT為T時(shí)段濕地區(qū)域的水量,計(jì)算方法為Vwt = Bwt/Blt ;
[0027]⑤重復(fù)上述步驟得到不同時(shí)段相關(guān)測(cè)量結(jié)果,持續(xù)一個(gè)工作周期,采用下述方法得出整體湖泊換水強(qiáng)度,
【權(quán)利要求】
1.一種適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置,其特征在于:包括河湖模型模塊、模型調(diào)節(jié)模塊和江湖關(guān)系測(cè)量模塊; 所述河湖模型模塊包括水沙輸入口(I)、河道微尺度模型(2)、湖泊微尺度模型(3)、湖口閘門(4)和電磁水沙分離器(5);河道微尺度模型(2)用于對(duì)流域的干流河道物理建模,湖泊微尺度模型(3)用于對(duì)與干流連接的通江湖泊湖區(qū)物理建模,湖泊子流域內(nèi)有支流流入,河道微尺度模型(2)與湖泊微尺度模型(3)通過(guò)可調(diào)節(jié)開敞度的湖口閘門(4)連接,當(dāng)湖口閘門(4)完全開敞時(shí),江湖水系之間無(wú)障礙連通;河道微尺度模型(2)上游與湖泊微尺度模型(3)支流上游均安置有可調(diào)節(jié)水量和泥沙量大小的水沙輸入口(I);河道微尺度模型(2)下游末端安置有電磁水沙分離器(5),用于將流出的磁性水體去磁化,實(shí)現(xiàn)清水和示蹤劑的循環(huán)使用; 所述模型調(diào)節(jié)模塊包括升降電機(jī)出)、微型氣泵(7)、變糙率底墊(8)、通氣孔(9)和螺旋攪拌泵(10);升降電機(jī)(6)與河道微尺度模型(2)底板連接,用于調(diào)整模型河道比降,控制河流流態(tài);變糙率底墊(8)安放在河道微尺度模型(2)與湖泊微尺度模型(3)的床面上,用于調(diào)整模型河床和湖床糙率空間分布;通氣孔(9)布置在河道微尺度模型(2)邊壁,用于降低微尺度模型過(guò)度縮放造成的邊界層粘滯作用;螺旋攪拌泵(10)安裝在河道微尺度模型(2)上游靠近水沙輸入口(I)處,用于增強(qiáng)河流水體紊動(dòng),提高模型水流輸沙效率;變糙率底墊(8)與通氣孔(9)均與微型氣泵(7)相連; 所述江湖關(guān)系測(cè)量模塊包括水位計(jì)(11)、數(shù)字磁通計(jì)(12)、數(shù)字高斯計(jì)(13)和表磁分布測(cè)量?jī)x(14);水位計(jì)(11)和數(shù)字磁通計(jì)(12)安裝于河道微尺度模型(2)中的各控制斷面,數(shù)字高斯計(jì)(13)通過(guò)懸掛裝置非接觸式安裝于湖泊微尺度模型(3)中的湖泊控制測(cè)點(diǎn)上方,表磁分布測(cè)量?jī)x(14)通過(guò)懸掛裝置非接觸式安裝于湖泊濕地區(qū)域的上方;水位計(jì)(11)用于測(cè)量各時(shí)刻的水位,數(shù)字磁通計(jì)(12)用于記錄各時(shí)刻磁通量,數(shù)字高斯計(jì)(13)用于測(cè)量湖區(qū)單位體積水體磁感應(yīng)強(qiáng)度,表磁分布測(cè)量?jī)x(14)用于記錄濕地區(qū)域水體磁感應(yīng)強(qiáng)度;數(shù)字磁通計(jì)(12)、數(shù)字高斯計(jì)(13)和表磁分布測(cè)量?jī)x(14)均為非接觸式測(cè)量,對(duì)流態(tài)不產(chǎn)生影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置,其特征在于:所述河道微尺度模型(2)和湖泊微尺度模型(3)是對(duì)大尺度江湖交匯水系原型三維尺寸進(jìn)行微尺度縮小,即根據(jù)實(shí)際地形資料按照大比尺縮小后,使用復(fù)合材料制作的微尺度三維河道物理模型和微尺度三維湖泊物理模型;在實(shí)際建模時(shí),水平比尺范圍為15000~20000,垂直比尺范圍為1000~1500,變率為10~20。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置,其特征在于:所述電磁水沙分離器(5)針對(duì)試驗(yàn)中示蹤劑具有磁性的特點(diǎn),使用通電線圈產(chǎn)生磁場(chǎng),對(duì)水流中的示蹤粒子進(jìn)行吸附和分離,實(shí)現(xiàn)示蹤劑和清水的循環(huán)使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置,其特征在于:所述升降電機(jī)(6)控制兩級(jí)構(gòu)造的鋁合金空心圓柱體桿上下伸縮,實(shí)現(xiàn)模型河道上游的高程在2cm~12cm范圍內(nèi)變化,通過(guò)改變模型河道比降來(lái)控制河道水流流態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置,其特征在于:所述變糙率底墊(8)由多層薄膜組成,變糙率底墊(8)表面上均勻分布梅花形排列的微型氣囊;微型氣囊為乳膠材料,體積由通氣量控制,每個(gè)微型氣囊的體積可在0.1cm3~. 2.0cm3范圍內(nèi)變化,每間隔IOcm~15cm設(shè)置通氣閥門實(shí)現(xiàn)分段通氣控制,通過(guò)改變不同區(qū)域的微型氣囊的體積變化,可以調(diào)整模型河床及湖床糙率空間分布在0.002~0.02的區(qū)間內(nèi)變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置,其特征在于:所述通氣孔(9)和螺旋攪拌泵(10)配合工作,用于增強(qiáng)河流水體紊動(dòng)性,提高模型水流輸沙效率;通氣孔(9)為直徑為Icm的圓形單向氣孔,分三層交錯(cuò)布置在河道微尺度模型(2)邊壁,自上而下通氣管外伸距離分別為0.5cm、Icm和1.5cm,在邊壁附近產(chǎn)生均勻氣泡墊層,降低微尺度模型過(guò)度縮放造成的邊界層粘滯效應(yīng);螺旋攪拌泵(10)的槳葉長(zhǎng)度為1/4模型河道寬度,轉(zhuǎn)速可在60r/min~240r/min的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),用于增強(qiáng)微尺度河道中間水體紊動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究裝置,其特征在于:所述的數(shù)字磁通計(jì)(12)不少于5個(gè),布置于模型河道上下游及湖泊出口處,配合圓形感應(yīng)線圈使用,線圈直徑為1.5倍模型河道寬度,用于測(cè)量記錄斷面各時(shí)刻磁通量;數(shù)字高斯計(jì)(13)探頭不少于10個(gè),布置于模型湖泊底板上方20cm處,用于測(cè)量記錄該點(diǎn)的水體或泥沙的磁感應(yīng)強(qiáng)度;表磁分布測(cè)量?jī)x(14)探頭位于模型湖泊濕地區(qū)域上方20cm處,用測(cè)量記錄該區(qū)域的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度。
8.利用權(quán)利要求1-7所述裝置進(jìn)行適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究方法,其特征在于:包括以下步驟: (一)微尺度模型設(shè)定:基于大尺度江湖交匯水系原型尺寸和實(shí)際室內(nèi)場(chǎng)地限制的現(xiàn)實(shí)條件,確定微尺度物理模型的比尺,在實(shí)際建模時(shí),水平比尺范圍為15000~20000,垂直比尺為1000~1500,變率為10~20 ;根據(jù)實(shí)際地形資料按照比尺縮放得到模型尺寸、地形數(shù)據(jù)和糙率空間分布 數(shù)據(jù)集,使用復(fù)合材料制作微尺度河道微尺度模型(2)和湖泊微尺度模型(3)物理形狀,模型一般設(shè)置在距離地面1.5m高處的平臺(tái)上;安置好水沙輸入口(I)、湖口閘門(4)、電磁水沙分離器(5),湖口閘門(4)初始時(shí)刻完全開敞; (二)模型調(diào)節(jié)模塊設(shè)定:在河道微尺度模型(2)和湖泊微尺度模型(3)床底鋪設(shè)變糙率底墊(8),變糙率底墊(8)內(nèi)布設(shè)的細(xì)管與微型氣泵(7)連接;河道微尺度模型(2)在制作時(shí)候,邊壁分層交錯(cuò)布置通氣孔(9),通氣孔(9)由內(nèi)置細(xì)管與微型氣泵(7)連接;在河道微尺度模型(2)上游靠近水沙輸入口(I)處安裝有一個(gè)螺旋攪拌泵(10); (三)江湖關(guān)系測(cè)量模塊設(shè)定:在河道微尺度模型(2)中的各控制斷面安置好水位計(jì)(11)、數(shù)字磁通計(jì)(12),以及在湖泊微尺度模型(3)中的各控制測(cè)點(diǎn)上方安置好不少于10個(gè)數(shù)字高斯計(jì)(13),在湖泊濕地區(qū)域的上方懸掛安裝表磁分布測(cè)量?jī)x(14); (四)模型標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)校準(zhǔn):開啟上述步驟中設(shè)定好的模型調(diào)節(jié)模塊和江湖關(guān)系測(cè)量模塊,根據(jù)實(shí)際典型流量過(guò)程,按照流量比尺計(jì)算河流來(lái)水量和湖泊來(lái)水量,在水沙輸入口(I)送入相應(yīng)水量,并在對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)測(cè)量水位,得到模型流量-水位過(guò)程;同時(shí),不斷通過(guò)升降電機(jī)(6)調(diào)整模型河道比降、螺旋攪拌泵(10)調(diào)整旋轉(zhuǎn)速率、通氣孔(9)調(diào)整送氣量,同時(shí)根據(jù)糙率空間分布數(shù)據(jù)集對(duì)不同區(qū)域的微型氣囊充氣,使得河床及湖床糙率空間分布與糙率空間分布變化一致;當(dāng)模型流量-水位過(guò)程與實(shí)際流量-水位過(guò)程相符時(shí),此時(shí)的模型狀態(tài)達(dá)到試驗(yàn)要求; (五)試驗(yàn) 水沙磁化制備:選擇磁性Fe3O4微粒子作為磁性示蹤劑;采用膠溶法制備納米級(jí)水基磁流體示蹤劑,作為添加磁性水的備用;采用碾磨法制備微米級(jí)Fe3O4示蹤劑粒子,標(biāo)準(zhǔn)磁化后與有機(jī)玻璃輕質(zhì)沙膠結(jié),作為添加實(shí)驗(yàn)磁性沙的備用; (六)江湖關(guān)系實(shí)時(shí)測(cè)定:在步驟(四)的基礎(chǔ)上,采用實(shí)際流量過(guò)程,針對(duì)不同目標(biāo)參數(shù)選擇實(shí)施不同上游、初始磁性水沙工況條件,分別對(duì)表征江湖關(guān)系實(shí)時(shí)狀態(tài)的湖泊換水強(qiáng)度、濕地生態(tài)需水量滿足率、分流比、分沙比進(jìn)行測(cè)量,具體包括如下三類工況: 工況1:湖泊換水強(qiáng)度和濕地生態(tài)需水量滿足率的實(shí)時(shí)測(cè)定,湖泊換水強(qiáng)度表征一個(gè)工作周期內(nèi)通江湖泊水體整體交換強(qiáng)度,濕地生態(tài)需水量滿足率表征湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)水量滿足程度: ①關(guān)閉湖口閘門(4),將水基磁流體示蹤劑與清水按照一定比例混合,注入湖泊模型達(dá)到設(shè)定水位,記錄湖泊初始水量從河道微尺度模型(2)干流的水沙輸入口(I)送入清水;調(diào)節(jié)湖口閘門(4)開敞度為實(shí)際情況,水體流動(dòng)穩(wěn)定后開始正式測(cè)量,持續(xù)一個(gè)工作周期,分為n個(gè)時(shí)段,T = 1,2,3,……,η; ②在T時(shí)段,按照實(shí)際流量從河道微尺度模型(2)干流的水沙輸入口(I)送入清水流量,從湖泊微尺度模型(3)支流的水沙輸入口(I)送入磁性示蹤水; ③在T時(shí)段,選定一標(biāo)準(zhǔn)體積湖區(qū)單位體積水體,用數(shù)字高斯計(jì)(13)測(cè)定該標(biāo)準(zhǔn)體積湖區(qū)此時(shí)段單位體積水體磁感應(yīng)強(qiáng)度Bu,作為此時(shí)段湖泊水體磁感應(yīng)強(qiáng)度參照值;同時(shí),在T時(shí)段,在江湖交匯湖口處用數(shù)字磁通計(jì)(12)記錄出湖水流磁通量,用表磁分布測(cè)量?jī)x(14)記錄濕地區(qū)域水體磁感應(yīng)強(qiáng)度Bwt ; ④重復(fù)上述步驟得到不同時(shí)段相關(guān)測(cè)量結(jié)果,持續(xù)一個(gè)工作周期,在每個(gè)時(shí)段得出濕地生態(tài)需水量滿足率:F = VWT/Vmin,其中Vmin為維持洲灘濕地正常功能所需的最小生態(tài)水量,通過(guò)長(zhǎng)序列歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)得出;VWT為T時(shí)段濕地區(qū)域的水量,計(jì)算方法為Vwt = BffT/BLT ; ⑤重復(fù)上述步驟得到不同時(shí)段相關(guān)測(cè)量結(jié)果,持續(xù)一個(gè)工作周期,采用下述方法得出整體湖泊換水強(qiáng)度
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的適用于江湖交匯水系的江湖關(guān)系試驗(yàn)研究方法,其特征在于:所述步驟(五)中試驗(yàn) 水沙的制備過(guò)程為,選擇磁性Fe3O4微粒子作為磁性示蹤劑;采用膠溶法制備納米級(jí)Fe3O4水基磁流體示蹤劑,添加適量表面活性劑,使磁粒子均勻分散,用于對(duì)水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行示蹤;采用碾磨法制備微米級(jí)Fe3O4示蹤劑粒子,標(biāo)準(zhǔn)磁化后與有機(jī)玻璃制成的輕質(zhì)沙膠結(jié)成磁性沙,用于對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行示蹤。
【文檔編號(hào)】E02B1/02GK103741641SQ201310710683
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】戴會(huì)超, 龔軼青, 毛勁喬, 戴凌全, 張培培 申請(qǐng)人:河海大學(xué), 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司