一种可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，包括进水箱、扁长形水槽、柱状泥样管、出水箱、水泵、储水箱、推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集箱。本实用新型利用糙率置换板调节和改变水槽底部糙率，实现了不同糙率下底泥侵蚀和传输特征的模拟；利用斜板沉淀箱和滤网装置捕获侵蚀后底泥中的推移质和悬移质，实现底泥侵蚀后传输特征的模拟；利用垂向结构未受到扰动的柱状底泥进行侵蚀实验，维持了底泥的原状结构，表征底泥的实际侵蚀特性；利用恒定水位差对底泥表面产生恒定的作用力，使柱状底泥在不同水动力作用下发生侵蚀，实现不同水动力强度扰动下的底泥侵蚀，克服了外力条件不可控的问题。
【专利说明】一种可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及浅水湖泊和河流系统水体生态环境模拟【技术领域】，特别是利用可变糙率的矩形水槽模拟不同糙率下的河流和湖泊在不同水动力强度扰动下的底泥侵蚀和再悬浮特征，推移质和悬移质比例，以及底泥传输特征的装置。
【背景技术】
[0002]水动力作用下湖泊或河道沉积物容易发生侵蚀、再悬浮，该过程会引起表层沉积物营养盐的释放、生物数量的变化等。底泥表面侵蚀率定义为单位面积底床在单位时间内的底泥侵蚀量。河床切应力是粘性泥沙研究中的重要参数，它直接决定了底泥被侵蚀的深度。然而，确定河床切应力、控制外力条件是十分困难的。目前，模拟对底泥侵蚀的室内模拟主要有震荡法、波浪水槽法和环形水槽法。震荡法是在三角瓶中装入一定量沉积物和水样，以震荡频率模拟水动力大小。该方法简单易于控制条件且可多组平行，但是体积过小，不能很好的描述底泥侵蚀随风浪增强而递增的趋势。波浪水槽和环形水槽法是采用机械方法产生上覆水的定向流动使底泥发生悬浮。方法易于控制条件，但是实验底泥的原状性受到一定破坏，较浅的上覆水与湖泊实际情况差异较大。保持沉积物的原状性非常重要，它不仅关系到暴露于上覆水的界面及其结构的变化影响再悬浮的结果，并且对营养物质的释放量也产生至关重要的影响。在底泥侵蚀实验中，装置的选取及设计至关重要，对结果产生重要影响。故实验装置设计应尽量能够反映实际情况。
[0003]泥沙在床面(床面层或底层)共有四种状态，即静止、滚动、跳跃和悬浮。其中静止称为床沙，滚动与跳跃称为推移质，悬浮称为悬移质。通常在河流或湖泊上游被侵蚀的底泥会影响到下游水体的水环境特征。故研究侵蚀后底泥的推移质和悬移质的比例、运移特征是了解沉积物在水体或床面传输规律的重要问题。底泥被侵蚀后，会以推移质和悬移质的形式在水体或床面传输。以往研究局限于仅考虑悬移质部分或总侵蚀率。未能将两者分开考虑，从而对底泥起悬后的推移质和悬移质组成缺乏了解。
[0004]由于底泥侵蚀的实验不易于在野外进行调查研究，这类实验通常在室内实验室进行模拟研究。各类河流和湖泊的底部地形大多高低起伏不定，具有不同糙率，而目前国内外各种室内实验水槽大体为单一平滑底面，忽略了这部分底部粗糙度模拟的真实性。不同糙率对水流流速运动存在重要影响，因而对底泥侵蚀和传输的结果也起着不可忽视的作用，故实验装置设计应尽可能反映实际情况。而在推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集箱设置不同目数的滤网层，分离收集不同物理性质的推移质和悬移质，便于后期分析底泥性状。
实用新型内容
[0005]发明目的:为了克服现有技术中外力不可控，底部糙率不可调和维持底泥原状结构难、缺乏对底泥起悬后推移质和悬移质组成的了解等问题，本实用新型提供一种可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置。
[0006]技术方案:为解决上述技术问题，本实用新型的可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，包括进水箱、扁长形水槽、柱状泥样管、出水箱、水泵、储水箱、推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集箱，所述进水箱内侧壁设有对称的进水箱插槽和通过进水箱插槽与进水箱滑动连接的进水箱插板，进水箱插板的高度低于进水箱侧板的高度，进水箱侧板与进水箱插板形成第一溢流水箱，第一溢流水箱底部设有第一溢流水箱出水口 ；进水箱底端设有进水箱底端出水口，进水箱底端出水口与扁长形水槽的进水口连接，出水箱底端设有出水箱底端进水口，扁长形水槽的出水口与出水箱底端进水口连接，扁长形水槽底部为糙率置换板，扁长形水槽两侧底部均设有滑槽，糙率置换板通过滑槽与扁长形水槽两侧滑动连接，糙率置换板上设有进泥孔和出泥孔，所述进泥孔与柱状泥样管的一端密封连接，所述出泥孔与推移质泥沙捕获装置密封连接；所述出水箱内侧壁设有对称的出水箱插槽和通过出水箱插槽与出水箱滑动连接的出水箱插板，出水箱插板的高度低于出水箱侧板的高度，出水箱侧板与出水箱插板形成第二溢流水箱，第二溢流水箱底部设有第二溢流水箱出水口 ；所述储水箱储水箱出水口，储水箱出水口通过水管与水泵的进水管连接，所述水泵的出水管通过水管与进水箱的进水箱进水口连接；所述储水箱内侧壁设有对称的储水箱插槽和通过储水箱插槽与储水箱滑动连接的储水箱插板，储水箱插板的高度低于储水箱侧板的高度，储水箱侧板与储水箱插板形成悬移质泥沙收集箱；所述第一溢流水箱的第一溢流水箱出水口与所述储水箱的储水箱进水口连接，所述第二溢流水箱的第二溢流水箱出水口与悬移质泥沙收集箱进水口连接。
[0007]工作原理:通过在进水箱和出水箱内配置不同高度的进水箱插板和出水箱插板控制扁长形水槽进水口与出水口的水位，同时利用水泵实现水循环流动，用推移质泥沙捕获装置收集推移质，用悬移质泥沙收集装置收集悬移质；水流从储水箱通过水泵提升，进入进水箱，一部分直接经过第一溢流水箱回到储水箱；一部分通过扁长形水槽和进入出水箱溢流到第二溢流水箱，再通过第二溢流水箱出水口进入悬移质泥沙收集箱，再从悬移质泥沙收集箱溢流到储水箱，如此循环运作；通过插入进水箱插板与出水箱插板，在进水箱内设置第一溢流水箱，出水箱内设置第二溢流水箱，利用插入的进水箱插板与出水箱插板的高度差和溢流作用，控制进水箱和出水箱的恒定水位，实现了在整个测试过程中保持一个常数水头差，并且可以通过调节进水箱和出水箱的水位差值来改变扁长形水槽内的流速。
[0008]所述糙率置换板为钢板、水泥板、混凝土板、石板、陶土板、水生植物板或玻璃板，能参照实测河床和湖底糙率的计算结果，选择恰当的糙率置换板。
[0009]所述玻璃板为光滑平板或凹槽板，凹槽板可以放置各种糙率模拟物。
[0010]所述悬移质泥沙收集箱内位于悬移质泥沙收集箱进水口的上端设有储水箱滤网，储水箱滤网为不同目数类型的可拆卸多层滤网，能过滤悬移质泥沙收集箱流入储水箱内的水。
[0011]所述扁长形水槽的上表面开有流速测孔，与流速测孔位置对应的糙率置换板上设有旋桨流速仪，能方便测量扁长形水槽内的水体流速。
[0012]所述柱状泥样管内设有泥柱，所述泥柱的底部设有活塞，柱状泥样管下方设有千斤顶，所述活塞与千斤顶连接，能手动控制移动速度将泥柱从下向上顶入扁长形水槽的进泥孔，能始终保持泥柱表面与扁长形水槽底部保持水平或者稍微超出一点，使得泥柱表面受到水流的水平流动剪切作用。
[0013]本实用新型的底泥侵蚀速率即为泥柱的上升高度除以实验持续时间。
[0014]所述推移质泥沙捕获装置包括斜板沉淀箱、沉淀箱滤网和底板，底板为无盖箱体结构，设在斜板沉淀箱底部，且底板与斜板沉淀箱螺纹连接，可拆卸沉淀箱滤网设在底板上部，沿底板内壁连接，可拆卸沉淀箱滤网为不同目数类型多层结构，能方便清洗斜板沉淀箱底板。
[0015]所述斜板沉淀箱内壁对称设有2个以上的斜板，所述斜板一端与斜板沉淀箱内壁连接，另一端设在斜板沉淀箱的箱体内，且不与斜板沉淀箱内壁连接；斜板不与斜板沉淀箱内壁连接的一端低于斜板与斜板沉淀箱的连接端，能确保推移质泥沙被斜板沉淀箱捕获后不再进入水体中。不同目数的多层滤网能分离不同径粒大小的底泥颗粒，便于分析底泥物理性状。
[0016]有益效果-本实用新型可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置与现有技术相比:
[0017](I)参照实际河床和湖底糙率，利用糙率置换板的更换调节水槽底板糙率，实现了不同糙率情况下底泥侵蚀和传输特征的模拟；
[0018](2)分别采用不同装置有效收集底泥起悬后的推移质和悬移质，区分侵蚀后底泥在水体或床面运动的悬移质和推移质的组成和比例，设置不同目数类型的可拆卸多层滤网，可分离收集不同径粒大小的底泥颗粒，便于分析底泥物理性状，揭示底泥运移特征，同时实现了捕获样品的方便收集测量与清洗；
[0019](3)利用恒定水位差对底泥表面产生恒定的作用力，实现模拟底泥侵蚀效果，克服了外力条件不可控的问题；
[0020](4)利用垂向结构未受到扰动的柱状底泥进行侵蚀实验，维持了底泥原有特性，表征底泥的实际侵蚀特性；
[0021](5)可接入旋桨流速仪，精确测量水槽底部流速，实现模拟不同强度水流对底泥的切削作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本实用新型的总体结构示意图；
[0023]图2是本实用新型所述扁长形水槽示意图；
[0024]图3是本实用新型所述进水箱示意图；
[0025]图4是本实用新型所述出水箱示意图；
[0026]图5是本实用新型所述斜板沉淀箱示意图；
[0027]图6是本实用新型所述储水箱示意图；
[0028]图中:1、进水箱；2、扁长形水槽；3、出水箱；4、储水箱；5、柱状泥样管；6、斜板沉淀箱；7、储水箱滤网；8、水泵；9、进水箱插槽；10、出水箱插槽；11、进水箱插板；12、出水箱插板；13、第一溢流水箱；14、第二溢流水箱；15、进水箱底端出水口 ；16、出水箱底端进水口 ；17、进水箱进水口 ；18、储水箱插槽；19、储水箱插板；20、悬移质泥沙收集箱；21、悬移质泥沙收集箱进水口 ；22、流速测孔；23、旋桨流速仪；24、进泥孔；25、出泥孔；26、泥柱；27、活塞；28、千斤顶；29、底板；30、第一溢流水箱出水口 ；31、第二溢流水箱出水口 ；32、储水箱进水口 ；33、储水箱出水口 ；34、滑槽；35、糙率置换板；36、斜板；37、沉淀箱滤网。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0030]如图1至6所示，一种可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，包括进水箱、扁长形水槽2、柱状泥样管5、出水箱3、水泵8、储水箱4、推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集箱20，进水箱内侧壁设有对称的进水箱插槽9和通过进水箱插槽9与进水箱滑动连接的进水箱插板11，进水箱插板11的高度低于进水箱侧板的高度，进水箱侧板与进水箱插板11形成第一溢流水箱13，第一溢流水箱13底部设有第一溢流水箱出水口 30 ;进水箱底端设有进水箱底端出水口 15，进水箱底端出水口 15与扁长形水槽2的进水口连接，出水箱底端设有出水箱底端进水口 16，扁长形水槽2的出水口与出水箱底端进水口 16连接，扁长形水槽2底部为糙率置换板35，扁长形水槽2两侧底部均设有滑槽34，糙率置换板35通过滑槽34与扁长形水槽2两侧滑动连接，糙率置换板35上设有进泥孔24和出泥孔25，进泥孔24与柱状泥样管5的一端密封连接，出泥孔25与推移质泥沙捕获装置密封连接；出水箱3内侧壁设有对称的出水箱插槽10和通过出水箱插槽10与出水箱3滑动连接的出水箱插板12，出水箱插板12的高度低于出水箱3侧板的高度，出水箱3侧板与出水箱插板12形成第二溢流水箱14，第二溢流水箱14底部设有第二溢流水箱出水口 31 ;储水箱4设有储水箱出水口 33，储水箱出水口 33通过水管与水泵8的进水管连接，水泵8的出水管通过水管与进水箱的进水箱进水口 17连接；储水箱4内侧壁设有对称的储水箱插槽18和通过储水箱插槽18与储水箱4滑动连接的储水箱插板19，储水箱插板19的高度低于储水箱4侧板的高度，储水箱4侧板与储水箱插板19形成悬移质泥沙收集箱20 ;第一溢流水箱13的第一溢流水箱出水口 30与储水箱的储水箱进水口 32连接，第二溢流水箱14的第二溢流水箱出水口 31与悬移质泥沙收集箱20的悬移质泥沙收集箱进水口 21连接。糙率置换板35为钢板、水泥板、混凝土板、石板、陶土板、水生植物板或玻璃板，玻璃板为凹槽板，可以放置各种糙率模拟物。扁长形水槽2的上表面开有流速测孔22，与流速测孔22位置对应的糙率置换板35上设有旋桨流速仪23。柱状泥样管5内设有泥柱26，泥柱26的底部设有活塞27，柱状泥样管5下方设有千斤顶28，活塞27与千斤顶28连接。悬移质泥沙收集箱20内位于悬移质泥沙收集箱进水口 21的上端设有储水箱滤网7，储水箱滤网7为不同目数类型的可拆卸多层滤网。推移质泥沙捕获装置包括斜板沉淀箱6、沉淀箱滤网37和底板29，底板29为无盖箱体结构，设在斜板沉淀箱6底部，且底板29与斜板沉淀箱6螺纹连接，可拆卸沉淀箱滤网37设在底板29上部，沿底板29内壁连接，可拆卸沉淀箱滤网37为不同目数类型多层结构。斜板沉淀箱6内壁对称设有4个斜板36，斜板36—端与斜板沉淀箱6内壁连接，另一端设在斜板沉淀箱6的箱体内，且不与斜板36沉淀箱6内壁连接；斜板36不与斜板沉淀箱6内壁连接的一端低于斜板36与斜板沉淀箱6的连接端。
[0031]进水箱、扁长形水槽2、出水箱、储水箱、柱状泥样管5和斜板36沉淀箱6均采用有机玻璃材质。
[0032]其工作过程为:水流从储水箱通过水泵8提升，进入进水箱，一部分直接经过第一溢流水箱13回到储水箱；一部分经过扁长形水槽2和出水箱，通过溢流到第二溢流水箱14，通过第二溢流水箱出水口 31到悬移质泥沙收集箱20，再溢流到储水箱，如此循环运作。
[0033]通过插入进水箱插板11与出水箱插板12，在进水箱内设置第一溢流水箱13，出水箱内设置第二溢流水箱14，利用插入的进水箱插板11与出水箱插板12的高度差和溢流作用，控制进水箱和出水箱的恒定水位，实现了在整个测试过程中保持一个常数水头差，并且通过调节进水箱和出水箱的水位差值来改变扁长形水槽2内的流速。
[0034]扁长形水槽2底部可以置换，扁长形水槽2两侧底部设置有滑轴，调节扁长形水槽2底板29糙率时，设计不同粗糙程度的板面，选取不同材料(玻璃、钢、水泥、混凝土、石头、陶土、水生植物等)的糙率置换板35，根据实际河流和浅水湖泊的流速、断面面积、水深等实测数据代入曼宁公式和谢才公式计算求出实测糙率，参照实测河床和湖底糙率的计算结果选取恰当的糙率置换板35，将符合要求的糙率置换板35插入扁长形水槽2两侧的滑轴。
[0035]受到侵蚀而运动的底泥主要是泥沙推移质和悬移质。沿扁长形水槽2底部运动的推移质泥沙通过斜板沉淀箱6收集。斜板沉淀箱6内置斜板36，确保推移质泥沙被斜板沉淀箱6捕获后不再进入水体中。斜板沉淀箱6的底板29通过螺纹连接在其底部，斜板沉淀箱6的底板29可拆卸，方便清理测量已沉淀的底泥。斜板沉淀箱6和悬移质泥沙收集箱20设置不同目数类型的可拆卸多层滤网，可分离收集不同径粒大小的底泥颗粒，便于分析底泥物理性状，水流通过储水箱插板19进入储水箱。
[0036]本装置具体操作方法如下:根据需要需要模拟的河流或者浅水湖泊计算所得的糙率数值，选取恰当的糙率置换板35，糙率置换板35插入扁长形水槽2底部的滑轴，根据需要模拟的流速设计进出水位的高度，在进水箱和出水箱的插槽中插入相应高度的进水箱插板11与出水箱插板12，水泵8将储水箱中的水通过水管提升至进水箱中，水流流经扁长形水槽2，由旋桨流速仪23测得相应的流速，水流流动，推动由千斤顶28顶起的泥柱26，表面泥样受到水流的水平流动剪切作用，发生侵蚀，推移质泥沙到达一定位置时，滑落至斜板沉淀箱6中得以收集，悬移质泥沙随着水流，经过出水箱，经过水管，进入悬移质泥沙收集箱20得以收集，保持进水箱和出水箱中的水始终溢流，以维持扁长形水槽2中流速稳定的水流，通过第一溢流水箱13和第二溢流水箱14底部的第二溢流水箱出水口 31回到储水箱中，实现水循环流动。实验进行一段时间后，根据要求计算底泥侵蚀率，分析悬移质和推移质泥沙的物理化学性质，以及组成比例。
[0037]以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于，包括进水箱(I)、扁长形水槽(2)、柱状泥样管(5)、出水箱(3)、水泵(8)、储水箱(4)、推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集箱(20)，所述进水箱(I)内侧壁设有对称的进水箱插槽(9)和通过进水箱插槽(9 )与进水箱(I)滑动连接的进水箱插板(11)，进水箱插板(11)的高度低于进水箱(I)侧板的高度，进水箱(I)侧板与进水箱插板(11)形成第一溢流水箱(13)，第一溢流水箱(13)底部设有第一溢流水箱出水口(30);进水箱底端设有进水箱底端出水口(15)，进水箱底端出水口(15)与扁长形水槽(2)的进水口连接，出水箱底端设有出水箱底端进水口(16),扁长形水槽(2)的出水口与出水箱底端进水口(16)连接，扁长形水槽底部为糙率置换板(35 )，扁长形水槽(2 )两侧底部均设有滑槽(34)，糙率置换板(35 )通过滑槽(34)与扁长形水槽(2 )两侧滑动连接，糙率置换板(35 )上设有进泥孔(24 )和出泥孔(25 )，所述进泥孔(24 )与柱状泥样管(5 )的一端密封连接，所述出泥孔(25 )与推移质泥沙捕获装置密封连接；所述出水箱(3)内侧壁设有对称的出水箱插槽(10)和通过出水箱插槽(10)与出水箱(3 )滑动连接的出水箱插板(12 )，出水箱插板(12 )的高度低于出水箱(3 )侧板的高度，出水箱(3)侧板与出水箱插板(12)形成第二溢流水箱(14)，第二溢流水箱(14)底部设有第二溢流水箱出水口(31);所述储水箱(4)设有储水箱出水口(33)，储水箱出水口(33)通过水管与水泵(8)的进水管连接，所述水泵(8)的出水管通过水管与进水箱(I)的进水箱进水口(17)连接；所述储水箱(4)内侧壁设有对称的储水箱插槽(18)和通过储水箱插槽(18)与储水箱(4)滑动连接的储水箱插板(19)，储水箱插板(19)的高度低于储水箱侧板的高度，储水箱(4)侧板与储水箱插板(19)形成悬移质泥沙收集箱(20);所述第一溢流水箱(13)的第一溢流水箱出水口(30)与所述储水箱的储水箱进水口(32)连接，所述第二溢流水箱(14)的第二溢流水箱出水口(31)与悬移质泥沙收集箱进水口(21)连接。
2.如权利要求1所述的可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于:所述糙率置换板(35)为钢板、水泥板、混凝土板、石板、陶土板、水生植物板或玻璃板。
3.如权利要求2所述的可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于:所述玻璃板为光滑平板或凹槽板。
4.如权利要求1所述的可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于:所述悬移质泥沙收集箱(20)内位于悬移质泥沙收集箱进水口(21)的上端设有储水箱滤网(7)，储水箱滤网(7)为不同目数类型的可拆卸多层滤网。
5.如权利要求1所述的可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于:所述扁长形水槽(2)的上表面开有流速测孔(22)，与流速测孔(22)位置对应的糙率置换板(35 )上设有旋桨流速仪(23 )。
6.如权利要求1所述的可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于:所述柱状泥样管(5 )内设有泥柱(26 )，所述泥柱(26 )的底部设有活塞(27 )，柱状泥样管(5 )下方设有千斤顶(28 )，所述活塞(27 )与千斤顶(28 )连接。
7.如权利要求1-6任意一项所述的可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于:所述推移质泥沙捕获装置包括斜板(36)沉淀箱(6)、沉淀箱滤网(37)和底板(29 )，底板(29 )为无盖箱体结构，设在斜板(36 )沉淀箱(6 )底部，且底板(29 )与斜板(36)沉淀箱(6)螺纹连接，可拆卸沉淀箱滤网(37)设在底板(29)上部，沿底板(29)内壁连接，可拆卸沉淀箱滤网(37)为不同目数类型多层结构。
8.如权利要求7所述的可变糙率矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，其特征在于:所述斜板(36)沉淀箱(6)内壁对称设有2个以上的斜板(36),斜板(36)—端与斜板(36)沉淀箱(6)内壁连接，另一端设在斜板(36)沉淀箱(6)的箱体内，且不与斜板(36)沉淀箱(6)内壁连接；斜板(36)不与斜板(36)沉淀箱(6)内壁连接的一端低于斜板(36)与斜板(36 )沉淀箱(6 )的连接端。
【文档编号】G01N17/00GK204142608SQ201420573185
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】黄冬菁, 余钟波, 李一平, 田传冲, 鞠琴, 杜薇, 姜钧耀, 赵丽莉, 顾鹤南 申请人:河海大学