一种用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置及其使用方法，包括水槽本体、上游地表水补给系统、地下水控制箱和洪水脉冲驱动装置。水槽本体内设有能将水槽本体分割为水位控制室和泄水室的隔板，水位控制室内设置有河浸滩模型。地下水控制箱与河浸滩模型之间能进行潜流交换。洪水脉冲驱动装置包括能在隔板内升降的升降活塞和周期性波形驱动装置。升降活塞能在周期性波形驱动装置的驱动下进行周期性地升降，使水位控制室内的洪峰过程线呈现周期性地变化。采用上述结构及方法后，使上游地表水位在周期性洪水脉冲驱动下按照特定洪峰过程线成比例地周期性变化，而下游地下水位保持恒定，接近自然洪泛滩地潜流交换情况。

【技术实现步骤摘要】
一种用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置及其使用方法
本专利技术涉及一种试验装置及其使用方法，特别是一种用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置及其使用方法。
技术介绍
潜流交换是河流及其临岸带地表水和地下水交换混合的动力学过程，对河流生态及其景观异质性起着十分重要的调控作用。一般而言，季节性的洪水过程将会改变河流区的水文格局，进而影响河流主槽与其洪泛滩地系统内的潜流交换过程。由于潜流交换区内具有复杂的水流结构，并且地表水和地下水运动过程中所涉及的两种相异的时间尺度使得这一问题更加复杂。目前，采用室内水槽试验方法研究潜流交换的相关问题是国内外学者常用的手段。文献调查表明，过去多数研究者通过建立室内水槽物理模型模拟河道，通过往水槽中填充不同粒径的沙和卵石，并构筑所需形状结构形成河床结构，通过水循环设备给水槽提供试验所需的循环用水，通过水槽及流量阀控制试验所需的地表水和地下水流条件，并布置相关采集仪器和各类传感器测得各水流参数、温度、河床界面压力强度等所需数据。然而，上述室内水槽模型通常着眼于因床面地形、河流平面形态或障碍物等结构(如沙波、阶梯、深潭、浅滩、碎石、木头、弯道等)影响下的潜流交换过程，其最直观的水流特征在于河床质完全被水流覆盖，潜流交换的主要驱动力来源于近床面的不均衡压力，所关注的重点为床面结构对垂向潜流交换的影响，其局限是无法用来研究河流主槽-滩地系统内，因水位快速变化导致的边滩干湿交替过程对系统内的侧向潜流交换的影响规律。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置及其使用方法，该模拟试验模型及其使用方法，能打破传统上下游水槽循环水的一体化模式，使上游地表水位在周期性洪水脉冲驱动下按照特定洪峰过程线成比例地周期性变化，而下游地下水位保持恒定。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置，包括水槽本体、上游地表水补给系统和下游地下水控制系统，还包括洪水脉冲驱动装置，其中：所述水槽本体内设置有一块隔板，该隔板将水槽本体分割成为水位控制室和泄水室，水位控制室内设置有河浸滩模型。所述隔板内设置有一个竖直的竖向滑槽，该竖向滑槽包括位于下部的第一竖向槽和位于上部的第二竖向槽；位于第二竖向槽两侧的隔板上各设置有一个贯通槽，两个贯通槽能将第二竖向槽与水位控制室和泄水室相连通。所述上游地表水补给系统包括一个补给水箱，其中，补给水箱进水口与水位控制室底部相连接，补给水箱出水口与泄水室相连接。所述下游地下水控制系统包括一个设置于水槽本体一侧的地下水控制箱，该地下水控制箱内的水位能够保持恒定，且地下水控制箱与河浸滩模型之间能进行潜流交换。所述洪水脉冲驱动装置包括设置在竖向滑槽内的升降活塞和一个周期性波形驱动装置。所述升降活塞的外表面能与竖向滑槽的内表面密封配合，升降活塞的高度与第一竖向槽的高度相等，升降活塞的顶部从水位控制室伸向泄水室的泄水导向槽。升降活塞的顶部与周期性波形驱动装置相连接，升降活塞能在周期性波形驱动装置的驱动下进行周期性地升降，使水位控制室内的洪峰过程线呈现周期性地变化。所述周期性波形驱动装置为正弦波形驱动装置，升降活塞能在正弦波形驱动装置的驱动下进行周期性地升降，使水位控制室内的洪峰过程线为正弦波形。所述正弦波形驱动装置包括均固定设置于水槽本体上方且相互啮合的大齿轮和小齿轮，小齿轮与电机相连接，大齿轮的中心点上固定连接有一根沿大齿轮径向设置的短连杆，该短连杆的另一端铰接有一个长连杆，长连杆的另一端设置有一根与升降活塞顶部相连接的连接件。所述地下水控制箱内设置有手动活塞，通过控制手动活塞的高度，能够调整地下水控制箱内的恒定水位。所述河浸滩模型的顶部倾斜设置，朝向隔板一侧的河浸滩模型的高度最低。一种用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置的使用方法，包括以下步骤：第一步，地下水水位控制：通过调整地下水控制箱的补给水源，使地下水控制箱内的地下水水位保持恒定；第二步，水位控制室内地表水补给：通过上游地表水补给系统中的补给水箱进水口，向水位控制室内补给地表水；此时，升降活塞位于第一竖向槽的底部，升降活塞的高度即为水位控制室内的初始水位；第三步，升降活塞上升：在正弦波形驱动装置的驱动下，升降活塞上升，水位控制室内的洪峰通过升降活塞顶部的泄水导向槽向泄水室内排放，从而使水位控制室内的洪峰过程线呈现正弦波形曲线中从最低水头向最高水头进行变化；第四步，水位控制室内的洪峰过程线达到最高水头：升降活塞持续上升，当正弦波形驱动装置驱动升降活塞上升至最高点时，水位控制室内的洪峰过程线达到最高水头；升降活塞上升的最大高度小于升降活塞的高度；第五步，升降活塞下降，在正弦波形驱动装置的驱动下，升降活塞下降，水位控制室内的洪峰过程线呈现正弦波形曲线中从最高水头向最低水头进行变化；第六步，水位控制室内的洪峰过程线恢复至初始水位：升降活塞持续下降，当正弦波形驱动装置驱动升降活塞下降至最低点时，水位控制室内的洪峰过程线恢复至初始水位；第七步，重复第三步至第六步：升降活塞周期性进行升降，使水位控制室内的洪峰过程线呈现为正弦波形曲线；第八步，计算地表水与地下水的潜流交换量。所述第二步中，上游地表水补给系统中补给水箱进水口的水源流量为：式中，Q为补给水箱进水口的水源流量，T为水位控制室内洪峰过程线的周期，H为水位控制室内洪峰过程线的最高水头，L为水槽本体的长度，S为水槽本体的宽度。所述第四步中，水位控制室内洪峰过程线的最高水头计算方法如下：式中，H为水位控制室内洪峰过程线的最高水头，h1为升降活塞的高度，a为短连杆的长度，b为长连杆的长度。所述正弦波形驱动装置中电机转速的计算公式为：式中，n为电机转速，R为大齿轮半径，r为小齿轮半径，T为水位控制室内洪峰过程线的周期。所述第八步中，地表水与地下水之间的潜流交换量，也即地下水控制箱与河浸滩模型之间的潜流交换量，为：Q潜＝Q出-Q进式中，Q潜为地表水与地下水之间的潜流交换量，Q出表示地下水控制箱中地下水出水口的流出量，Q进表示地下水控制箱中补给水源的流入量，当Q潜为正值表明地表水向地下水排泄，Q潜为负值表明地下水补给地表水。本专利技术采用上述结构及使用方法后，具有如下有益效果：1.改变了传统上下游水循环一体化模拟试验模型的制作模式，使上游地表水和下游低下水具有独立的控制系统。2.上述洪水脉冲驱动装置的设置，使水槽本体内的水位能按照特定洪峰过程线成比例地调节，实现水位控制室内洪水脉冲驱动效果。3.上游地表水位周期性的变化，将对河漫滩模型进行非淹没-部分淹没-全淹没-部分淹没-非淹没的循环潜流交换过程，非常接近自然洪泛滩地潜流交换情况。4.周期性波形驱动装置也可以为三角波驱动装置，从而能够再正弦波形的基础上，比较不同水流波形对潜流交换的影响。5.上述地下水控制箱能够保持恒定的水位，同时能够通过手动活塞来调节地下恒定水位，来模拟地表水排泄、补给地下水两种情况。6.一般潜流交换试验不能直接的计算潜流交换量，只能得出潜流交换的相对强度，而本装置根据相关监测数据，能够计算每个时刻对应的潜流交换量，形成潜流交换量周期变化曲线，这为洪水脉冲潜流交换机理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置，包括水槽本体、上游地表水补给系统和下游地下水控制系统，其特征在于：还包括洪水脉冲驱动装置，其中：——所述水槽本体内设置有一块隔板，该隔板将水槽本体分割成为水位控制室和泄水室，水位控制室内设置有河浸滩模型；——所述隔板内设置有一个竖直的竖向滑槽，该竖向滑槽包括位于下部的第一竖向槽和位于上部的第二竖向槽；位于第二竖向槽两侧的隔板上各设置有一个贯通槽，两个贯通槽能将第二竖向槽与水位控制室和泄水室相连通；——所述上游地表水补给系统包括一个补给水箱，其中，补给水箱进水口与水位控制室底部相连接，补给水箱出水口与泄水室相连接；——所述下游地下水控制系统包括一个设置于水槽本体一侧的地下水控制箱，该地下水控制箱内的水位能够保持恒定，且地下水控制箱与河浸滩模型之间能进行潜流交换；——所述洪水脉冲驱动装置包括设置在竖向滑槽内的升降活塞和周期性波形驱动装置；——所述升降活塞的外表面能与竖向滑槽的内表面密封配合，升降活塞的高度与第一竖向槽的高度相等，升降活塞的顶部设置有从水位控制室伸向泄水室的泄水导向槽；——升降活塞的顶部与周期性波形驱动装置相连接，升降活塞能在周期性波形驱动装置的驱动下进行周期性地升降，使水位控制室内的洪峰过程线呈现周期性地变化。...

【技术特征摘要】
1.一种用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置，包括水槽本体、上游地表水补给系统和下游地下水控制系统，其特征在于：还包括洪水脉冲驱动装置，其中：——所述水槽本体内设置有一块隔板，该隔板将水槽本体分割成为水位控制室和泄水室，水位控制室内设置有河浸滩模型；——所述隔板内设置有一个竖直的竖向滑槽，该竖向滑槽包括位于下部的第一竖向槽和位于上部的第二竖向槽；位于第二竖向槽两侧的隔板上各设置有一个贯通槽，两个贯通槽能将第二竖向槽与水位控制室和泄水室相连通；——所述上游地表水补给系统包括一个补给水箱，其中，补给水箱进水口与水位控制室底部相连接，补给水箱出水口与泄水室相连接；——所述下游地下水控制系统包括一个设置于水槽本体一侧的地下水控制箱，该地下水控制箱内的水位能够保持恒定，且地下水控制箱与河浸滩模型之间能进行潜流交换；——所述洪水脉冲驱动装置包括设置在竖向滑槽内的升降活塞和周期性波形驱动装置；——所述升降活塞的外表面能与竖向滑槽的内表面密封配合，升降活塞的高度与第一竖向槽的高度相等，升降活塞的顶部设置有从水位控制室伸向泄水室的泄水导向槽；——升降活塞的顶部与周期性波形驱动装置相连接，升降活塞能在周期性波形驱动装置的驱动下进行周期性地升降，使水位控制室内的洪峰过程线呈现周期性地变化。2.根据权利要求1所述的用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置，其特征在于：所述周期性波形驱动装置为正弦波形驱动装置，升降活塞能在正弦波形驱动装置的驱动下进行周期性地升降，使水位控制室内的洪峰过程线为正弦波形。3.根据权利要求2所述的用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置，其特征在于：所述正弦波形驱动装置包括均固定设置于水槽本体上方且相互啮合的大齿轮和小齿轮，小齿轮与电机相连接，大齿轮的中心点上固定连接有一根沿大齿轮径向设置的短连杆，该短连杆的另一端铰接有一个长连杆，长连杆的另一端设置有一根与升降活塞顶部相连接的连接件。4.根据权利要求1所述的用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置，其特征在于：所述地下水控制箱内设置有手动活塞，通过控制手动活塞的高度，能够调整地下水控制箱内的恒定水位。5.根据权利要求1所述的用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置，其特征在于：所述河浸滩模型的顶部倾斜设置，朝向隔板一侧的河浸滩模型的高度最低。6.一种用于研究洪水脉冲驱动下潜流交换的模拟试验模型装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，地下水水位控制：通过调整地下水控制箱的补给水源，使地下水控制箱内的地下水水位保持恒定；第二步，水位控制室内地表水补给：通过上游地表水补给系统中的补给水箱进水口，向水位控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东升，陈孝兵，赵坚，陈力，李英玉，何立群，王妍，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32