本发明涉及冲洪积扇概念化模拟领域，特别涉及一种冲洪积扇水槽试验系统及洪水冲淤参数测定方法。
背景技术：
山区洪水普遍历时短、流量大、作用流域小、发育范围广，还可能诱发崩滑、泥石流等次生过程，是造成山地灾害的重要过程。由于山洪瞬时爆发能量大，携带沙石多，对下垫面改变剧烈，洪水过程中往往造成河道及滩地严重的冲刷或淤积，这在大江大河一般影响有限，但对流域面积通常只有数十km2的山洪作用区域，则足以改变下游的冲击淹没态势。因此对山区洪水多发河段进行概念化模型试验，了解特定规模洪水作用下河道及滩地的冲淤特性，可为开展灾害预评估工作提供重要依据。传统水工模型主要针对恒定流试验，未考虑制造洪峰过程和模拟山区沙石补给情景，而特制的泥石流水槽虽然强化了变坡功能，但它只是为搅拌好的泥浆提供的行洪过道，并不能很好的模拟自然携沙洪水对不同物质组成的冲洪积扇沟道及滩地冲淤的情景。而在河道及滩地冲淤的测量方面，传统方法一般是采用针测法，即使用统一水平面的测针接触被测地表完成冲刷前后的面积变化测量，该方法耗时较长、对被测地表有破坏，且下垫面被破坏后无法重复。随着山洪灾害研究和防治实践的不断深入，人们愈发意识到山洪致灾与洪水传播的不确定性关系密切，而作为其中基础环节的山洪水沙条件与下垫面组成的相互作用关系也愈发受到重视。所以，设计一种适于模拟不同水沙条件洪水对不同物质组成冲洪积扇沟道及滩地冲淤过程的概念化实体模型，以及相应冲淤参数的测量方法，就显得尤为必要。
技术实现要素：
本发明提供一种冲洪积扇水槽试验系统及洪水冲淤参数测定方法，用以提供一种可拆卸更换、可变坡，适宜室内或室外、不同规模人造洪水或水石流等试验要求的大比尺概念化模型平台，即冲洪积扇水槽试验系统，以及基于该系统的非接触、高自由度、高可靠性的洪水冲淤参数测定方法。
一种冲洪积扇水槽试验系统，包括水箱、沙石料堆放池、倾斜水槽和冲洪积扇塑造平台，所述水箱为一顶部开口的空腔结构，所述水箱与所述沙石料堆放池通过连接通道相连接，所述连接通道的顶部设有插槽，用于插入提拉式闸门，所述沙石料堆放池与倾斜水槽的一端通过软连接管贯通连接，所述倾斜水槽的另一端贯通连接至所述冲洪积扇塑造平台。
更优地，所述沙石料堆放池为一顶部开口的长方体空腔。
更优地，还包括升降支架，所述水箱与沙石料堆放池均置于升降支架上。
更优地，所述冲洪积扇塑造平台为一正方形台面，所述冲洪积扇塑造平台的下方设有固定支架；所述冲洪积扇塑造平台平行于水流方向的一侧壁中部设有一根可伸缩式的l型立杆，所述l型立杆的顶端位于所述冲洪积扇塑造平台的几何中心正上方，所述l型立杆的顶部设有卡扣，所述卡扣上连接有遥控相机。
更优地，还包括沉沙槽，所述沉沙槽置于所述冲洪积扇塑造平台的水流出口下方；所述沉沙槽为一顶部开口的长方体空腔，所述沉沙槽的长度与所述冲洪积扇塑造平台垂直于水流方向的边长等长；所述沉沙槽的侧壁开设有用于泄流的小孔；所述沉沙槽内铺满整块透水细孔纱布用于承沙。
更优地，所述水箱的侧壁标有用于记录水位信息的刻度。
更优地，水箱与沙石料堆放池连接面的底部设有小段整流方管。
更优地，所述整流方管在水箱一侧的开口面设有挡板槽，用于插入控制开口面积的挡板。
一种洪水冲淤参数测定方法，包括如下步骤:
步骤一：采集堆积物样品，根据实验设计，对样品过筛；在所述冲洪积扇塑造平台自然堆铺堆积物样品；在所述沙石料堆放池中以两侧堆置的方式堆放堆积物样品，形成自然的v型谷；
步骤二:在所述水箱中灌注持续性基流或蓄制洪水，让基流或小规模洪水不断冲刷所述冲洪积扇堆放平台和沙石料堆放池中的堆积物，模拟河道与漫滩自然发育，其间可根据实验需求，对河道及滩地形态进行干预，获得适宜的河道及滩地形态；根据实验需求，选择将下垫面硬化固定或维持动床状态；
步骤三:在放水冲刷前，对动床条件下的所述冲洪积扇塑造平台上堆积物的物质组成级配进行取样测量；使用摄影测量法测得所述冲洪积扇塑造平台上模型河道及滩地的形态特征；
步骤四:根据实验设计，调整倾斜水槽坡度，在水箱中注水并使用挡板设置好开口面积，在沙石料堆放池中堆放预定质量的堆积物样品；待所述水箱水位达到预定值后，开闸泄水；使用摄像机记录所述水箱水位下降过程，可测得洪水过程线；使用所述l型立杆顶部水平放置的遥控相机记录人工洪水在模型河道及滩地上的传播过程；
步骤五:洪水过程结束后，对所述冲洪积扇塑造平台上堆积物的物质组成级配进行取样测量；使用摄影测量法测得所述冲洪积扇塑造平台上模型河道及滩地的形态特征；
步骤六：对所述沙石料堆放池和沉沙槽中的沙石分别烘干称重，使用如下公式计算场次洪水的净冲刷淤积量：
s＝o沉–(i前–i后)
式中，s为场次洪水的净冲刷淤积量实测值，正值表示冲刷，负值表示淤积；o沉为沉沙槽中沉积沙石的干重；i前为沙石料堆放池中洪水冲刷前堆放的沙石干重；i后为沙石料堆放池中洪水冲刷后剩余的沙石干重；
同时，通过所述步骤三和步骤五中摄影测量法生成的模拟河道及漫滩的数字高程模型dem，使用如下公式计算场次洪水的净冲刷量淤积量：
s’＝v前–v后
式中，s’为场次洪水的净冲刷淤积量模拟值，正值表示冲刷，负值表示淤积；v前为洪水冲刷前dem所计算得到的总体积；v后为洪水冲刷后dem所计算得到的总体积；
步骤七：设置所述沙石料堆放池中不同的堆积质量，重复以上步骤一至步骤六三至五次，得到三至五个不同的s和s’值，点绘s-s’散点图，得到拟合公式；
步骤八：依据所述s-s’拟合公式换算关系，对所述模拟河道及漫滩上任一断面的dem冲前冲后值进行差值计算和修正，得到场次洪水下研究区任意位置的准确冲淤参数。
本发明提供一种冲洪积扇水槽试验系统及洪水冲淤参数测定方法，使用该系统可在概念化模型试验中，人工模拟不同规模洪峰过程及冲洪积滩地情景，通过对洪水冲击河滩过程的沉沙量、冲刷前后下垫面颗粒级配和地表形态变化的监测记录，可实现对模拟河道及滩地任意位置洪水冲淤参数的准确测定。本发明设施方便拆卸和更换，适应室内或室外、不同模拟沟道坡度、不同规模人造洪水或水石流要求等应用环境，并可通过地表形态变化量与沉沙量的对比和率定，准确测量模拟河段及滩地任意位置的冲淤变化，应用范围广。
附图说明
图1为本发明提供的一种冲洪积扇水槽试验系统的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为不同堆土方量工况下的摄影测量模拟淤积分布与实际淤积示意图；
图4为s-s’散点图。
附图标记说明：
1-水箱，2-沙石料堆放池，3-倾斜水槽，4-冲洪积扇塑造平台，5-沉沙槽，6-升降支架，7-连接通道，8-闸门，9-软连接管，10-链接绞盘，11-l型立杆，12-固定支架。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1至图2所示，本发明实施例提供的如附图所示，本例中的冲洪积扇水槽试验系统为适应室内较小的空间，对模型尺寸和材质进行了约束，包括由玻璃钢制作的水箱1、沙石料堆放池2、倾斜水槽3、冲洪积扇塑造平台4、沉沙槽5，以及钢制的升降支架6。水箱1长宽高尺寸分别为1.2m×0.6m×1.0m(均指内壁，下同)，设计最大持水量0.65m3，水箱1侧壁标有刻度反映水位信息；在水箱1与沙石料堆放池2连接面的底部设有小段连接通道7，连接通道7由玻璃钢制成，长宽高尺寸分别0.05m×0.2m×0.2m，为连接通道7的顶部设有插槽，插槽长宽尺寸分别为0.2m×0.01m，用于插入提拉式闸门8；连接通道7在水箱一侧的开口面设有挡板槽，开口面的尺寸为0.15m×0.1m，用于插入控制开口面积的挡板，通过设置不同的开口面积控制出口洪峰流量。本例中依据孔流计算公式
连接通道7的下游接沙石料堆放池2，沙石料堆放池2的长宽高尺寸分别为1.0m×0.8m×0.5m。
沙石料堆放池2的下游面通过软连接管9与倾斜水槽3活动连接，倾斜水槽3本体长宽高尺寸分别为1.0m×0.2m×0.2m，下游通过铝合金制链接绞盘10与冲洪积扇塑造平台4转动连接。依试验设计，待倾斜水槽3的倾角固定后，倾斜水槽3的上、下游活动连接段的底面和侧壁使用薄橡胶面铺设。
冲洪积扇塑造平台4为一边长2.0m的正方形平台，台面平行于水流方向的一侧边线中点设有1根总长3.0m、垂直于地面方向可伸缩式的l型立杆11，l型立杆11的顶端位于台面的几何中心正上方，l型立杆11的顶部设有卡扣用于水平固定遥控相机。
沉沙槽5置于冲洪积扇塑造平台4的水流出口下方，承接上游来水来沙；沉沙槽5为一顶部开口的长方体空腔，长方体空腔长度与冲洪积扇塑造平台4的边长等长，宽度为冲洪积扇塑造平台4边长的15；沉沙槽5的四侧壁面布满小孔用于泄流；沉沙槽5内铺满整块透水细孔纱布用于承沙。
水箱1、连接通道7和沙石料堆放池2为一体化设计，置于可移动升降支架6之上；冲洪积扇塑造平台4置于固定支架12之上；升降支架6使用液压杆带动倾斜水槽3变坡，使倾斜水槽3的变坡范围在5％至35％之间，当进行人造溪河洪水试验时，倾斜水槽3的比降不超过15％；当进行人造水石流试验时，倾斜水槽3的比降不低于30％。
应用上述冲洪积扇水槽试验系统的人造洪水冲淤参数测定方法，结合具体案例，包括如下步骤:
案例背景：
以采集的山区某小流域河床和滩地上的河沙为堆积物样品，进行定床条件下的人造溪河洪水冲击、淹没冲洪积扇模拟试验，模拟极端流量(38.2ls)和0.08m3，0.11m3，0.16m3，0.18m3，0.21m3五种堆土方量工况下，弯曲沟道及河滩的冲淤变化。试验几何比尺1:40，相似准则为几何相似、重力相似、启动相似和河床变形相似。
步骤一：
将野外采集的堆积物样品，依弗莱施曼法则对粒径进行过筛调整，以满足试验相似要求；在冲洪积扇塑造平台自然堆铺基础堆积物；在沙石料堆放池中以两侧堆置的方式堆放堆积物样品，形成自然的v型谷；
步骤二:
在水箱中灌注持续性小流量基流或蓄制洪水，让基流和小规模洪水不断冲蚀冲洪积扇堆放平台和沙石料堆放池中的堆积物，在冲洪积扇堆放平台上模拟河道与漫滩的自然发育，其间可根据实验需求，对河道及滩地形态进行干预，获得适宜的河道及滩地形态；
步骤三:
使用摄影测量法测得冲洪积扇塑造平台上模型河道及滩地的形态特征；
步骤四:
根据实验设计，调整倾斜水槽坡度，在水箱中注水并使用挡板设置好开口面积(0.15m×0.1m＝0.015m2)，在沙石料堆放池中堆放预定方量的堆积物样品；待水箱水位达到预定值(0.9m)后，开闸泄水；使用摄像机记录水箱水位下降过程，可测得洪水过程线；使用l型立杆顶部水平放置的遥控相机记录人工洪水在模型河道及滩地上的传播过程；
步骤五:
洪水过程结束后，对冲洪积扇塑造平台上堆积物的物质组成级配进行取样测量；使用摄影测量法测得冲洪积扇塑造平台上模型河道及滩地的形态特征(图2)；
步骤六：
对沙石料堆放池和沉沙槽中的沙石分别烘干称重，使用如下公式计算场次洪水的净冲刷淤积量：
s＝o沉–(i前–i后)
式中，s为场次洪水的净冲刷淤积量实测值(质量)，正值表示冲刷，负值表示淤积；o沉为沉沙槽中沉积沙石的干重；i前为沙石料堆放池中洪水冲刷前堆放的沙石干重；i后为沙石料堆放池中洪水冲刷后剩余的沙石干重。
同时，通过步骤三和步骤五中摄影测量法生成的模拟河道及漫滩的数字高程模型(dem)，使用如下公式计算场次洪水的净冲刷量淤积量：
s’＝v前–v后
式中，s’为场次洪水的净冲刷淤积量模拟值(体积)，正值表示冲刷，负值表示淤积；v前为洪水冲刷前dem所计算得到的总体积；v后为洪水冲刷后dem所计算得到的总体积。
步骤七：
设置沙石料堆放池中不同的堆积质量，重复以上步骤一至步骤六三至五次，得到三至五个不同的s和s’值，点绘s-s’散点图，得到拟合公式，本例中的s-s’散点图如图3所示。
步骤八：
依据s-s’拟合公式换算关系，可通过gis软件，对模拟河道及漫滩上任一断面的dem冲前冲后值进行差值计算和修正，得到场次洪水下研究区任意位置的准确冲淤参数。
以上未作说明均为现有技术。
以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。