本实用新型专利技术是一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征是模拟地表水位呈周期性正弦波动，造成河床界面产生脉动压力。该装置通过自动升降水位控制系统、水位简谐振动控制室及河床水槽模型，使河床地表水位产生近似三角函数的周期性波动，水体波动产生的脉动压力驱使河床垂向方向发生潜流交换作用，该装置实现了由水位波动产生的脉动压力为河床潜流交换试验唯一驱动力的功能，突破了传统水槽试验只能通过改变河床地形、地表水流速等方法的局限性。该装置技术论证可行，整体结构协调性强，模型制作和试验操作较为简便。
【技术实现步骤摘要】
一种脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置
本技术涉及一种试验装置，特别涉及一种脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置。
技术介绍
潜流交换是潜流带中地表水与地下水相互交换时所引起的物质(水、保守性溶质、反应性溶质)、颗粒和胶体在河道和河道附近饱和沉积层之间的相互交换。潜流交换过程对流域水资源的准确评价、潜流带的生态系统及河流生态系统的健康均具有重要意义。通过试验来研究潜流交换过程和机理是最直接有效的手段。目前，潜流交换试验主要有室内水槽试验和野外监测试验两种形式。野外监测试验通常采用设置观测井并埋设传感器的形式，来获得测点处温度、压力等实测数据，其主要优点是测量数据真实、数据时间序列长，但成本较高、野外干扰因素多、试验周期较长等缺点也会给潜流交换试验的进程造成不利影响。相对而言，室内试验具有测试方便、测量方法较多、测量成本低等优点。因此，利用室内水槽试验方法研究潜流交换相关问题成为目前国内外学者采用较多的手段。过去多数研究者通过建立室内水槽模型、填充砂石的方式来模拟河道，通过塑造特定的河床形态改变河床的局部压力梯度，促进潜流交换的发生；或者通过水槽及流量阀控制地表水和地下水的水流条件，在相关测点布置传感器和数据采集装置，研究不同水位、流速条件下河床垂向潜流交换的情况；也有研究者通过自动升降活塞控制水槽水位形成动态的洪水脉冲效应，用于研究一种周期性洪水脉冲驱动下的河漫滩潜流交换过程。这些模型主要通过改变河床形态、水流条件或者利用水槽水位整体升降达到洪水的脉冲效应，无法实现脉动压力为唯一驱动力作用下的河床垂向潜流交换过程的研究。发生洪水、大坝泄水、阶梯坎等均会使下游水流产生较大的脉动压力，对河道的潜流交换过程具有重要影响，因此，开发一种周期性脉动压力驱动下的河床垂向潜流交换试验模型及其制作方法已成潜流交换试验函待解决的关键问题。
技术实现思路
本技术针对目前水槽试验的局限，开发一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置；打破了传统水槽模型通过改变河床地形产生局部压力梯度的局限性，突破了地表水位整体升降产生动态脉冲效应的单一模式，通过控制水位自动升降形成振动源，引起水槽水位发生近似三角函数的周期性波动，对河床界面形成动态脉动压力，驱动河床发生垂向潜流交换作用。本技术的技术方案是：一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，主要包括自动升降水位控制系统、水位简谐振动控制室及河床水槽模型三部分，所述自动升降水位控制系统通过出水管连接水位简谐振动控制室；水位简谐振动控制室位于河床水槽模型左侧，之间用有机玻璃板作为挡板；所述自动升降水位控制系统由铁支架、大齿轮、短连杆、小齿轮、长连杆、电机及铁架台、细钢丝、储水桶、木平台、出水管、导轨组成；所述水位简谐振动控制室由消能仓和水箱组成，河床水槽模型由河床模型、角钢支架、水槽组成；其特征在于：铁支架、铁架台分别固定大齿轮和小齿轮，小齿轮轴心处与电机连接，大齿轮和小齿轮正确啮合；大齿轮轴心处连接短连杆，短连杆下端连接长连杆，长连杆端部通过细钢丝与储水桶相连，储水桶固定在木平台上，木平台水平置于四根导轨间，可上下滑动；储水桶桶口处通过出水管连接水箱进水口，出水管管身设一止水夹；水箱进水口与消能仓位于水箱底部，水箱右侧填石英砂构成河床模型，水箱与河床模型均置于水槽中，水槽用角钢支架支撑，水槽侧壁上布置4个测孔。进一步的，所述水槽结构尺寸为2m×0.15m×1m。进一步的，所述测孔位于水槽一侧侧壁上，在水平方向上等距布置4个侧孔，测孔，测孔距河床模型上表面5cm，左侧测孔距挡板30cm，4个测孔间距10cm。进一步的，所述水箱为水槽壁面与挡板连接构成的半封闭结构，上端开口与水槽水体连通，下端设置消能仓与进水口。进一步的，所述木平台方形木板制作而成，木板中心处开一个直径8cm的孔洞，用于放置储水桶桶口，木板两边各开2个矩形缺口，缺口中间设置橡胶滚轮，以木板中心为圆心、以14cm长为半径画圆并沿圆轮廓等间距钻6个孔，孔径为1cm，孔内放入长40cm、直径1cm铁棒，铁棒下端带有螺纹，用螺母固定在木板上；将左右两侧的三根铁棒分别用铁片焊接成为铁箍，用于将储水桶固定在木平台上。进一步的，所述储水桶由饮用水桶改装而成，将饮水桶桶口倒置放入木平台洞口处，用橡胶塞封闭，橡胶塞中间插入一根出水管和一根导气管，导气管一端插入桶内，其端口低于桶内液面但高于出水管端口，另一端暴露在空气中，高度大于桶内液面，用固定夹固定在铁棒上。进一步的，所述进水口处的出水管端设滤网防止堵塞。进一步的，所述导轨用2m长角钢焊接而成，中间形成凹槽，用于木平台滚轮滚动，导轨底部高度30cm和50cm之间布置一排桁架，用于维持导轨的稳定性。进一步的，所述消能仓长宽高为0.1m×0.15m×0.1m，通过填充砂砾构成。本技术所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置的制作方法，其特征在于方法步骤如下：第一步，关闭止水夹19，向储水桶8内注入2/3体积水，转动小齿轮4和大齿轮2使短连杆3与长连杆5位于同一直线上且竖向连杆长度之和达到最大。第二步，向水槽17内注水至水深达到10cm时停止注水，打开止水夹19，待储水桶与水槽内水位持平且处于稳定状态时，打开电机使系统开始运行，并记下转速。第三步，系统运行时，小齿轮4带动大齿轮2转动，大齿轮上的连杆带动储水桶升降，利用储水桶与水位简谐振动控制室内水量的流通达到使水槽水体产生脉动压力的效果。第四步，待水槽内水体形成稳定的脉动压力时，用注射器依次、迅速地通过4个测孔向河床注射浓度为0.25g/L的高锰酸钾溶液作为示踪剂，并开始计时。此时刻计为0时刻。这里注射器不宜插入河床太深，防止观察不到所注入示踪剂的示踪轨迹。第五步，分别在第5min、10min、15min、20min、30min、60min、90min、120min……记录4个测孔注入的示踪剂轨迹。当示踪剂轨迹基本不再发生变化时，关闭电机，停止试验。第六步，得到4组示踪剂垂向距离变化与试验时间之间的关系曲线。第七步，改变转机转速，重复第一步至第六步的步骤。通过以上步骤，可以获得不同强度的脉动压力对河床垂向潜流交换深度及潜流交换速度的影响。本技术的工作原理是：水槽设置沙床模型模拟河床；通过电机使小齿轮带动大齿轮转动，大齿轮再通过连杆带动储水桶缓慢升降，使储水桶水位发生周期性升降，利用连通器原理，使水位简谐振动室内水位产生简谐振动；电机转速与连杆长度的设计依托于特定水位波动的波峰与周期。水箱进水口与自动升降水位控制系统相连，并通过消能仓减小涌水造成的紊流影响，水箱上端开口与水槽水体相通，整体形成上游地表水简谐振动控制系统，它使水槽地表水左端形成稳定的振动源，引起水槽地表水位产生近似三角函数变化的周期性波动。本技术的创新点：1)改变了传统水槽模型通过塑造不同河床地形或者通过活塞使水槽水位整体升降的制作模式，实现了脉动压力作为河床垂向潜流交换唯一驱动因子的试验效果；2)通过自制的自动升降水位控制系统，使水槽水体形成稳定、连续、呈周期性变化的动态脉动压力，实现室内研究脉动压力驱动下的河床垂向潜流交换过程；3)自制的消能仓能够消减进水口的涌水造成的紊流影响，保证水位简谐振动控制室内的水体本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，主要包括自动升降水位控制系统、水位简谐振动控制室及河床水槽模型三部分，所述自动升降水位控制系统通过出水管连接水位简谐振动控制室；水位简谐振动控制室位于河床水槽模型左侧，之间用有机玻璃板作为挡板；所述自动升降水位控制系统由铁支架、大齿轮、短连杆、小齿轮、长连杆、电机及铁架台、细钢丝、储水桶、木平台、出水管、导轨组成；所述水位简谐振动控制室由消能仓和水箱组成，河床水槽模型由河床模型、角钢支架、水槽组成；其特征在于：铁支架、铁架台分别固定大齿轮和小齿轮，小齿轮轴心处与电机连接，大齿轮和小齿轮正确啮合；大齿轮轴心处连接短连杆，短连杆下端连接长连杆，长连杆端部通过细钢丝与储水桶相连，储水桶固定在木平台上，木平台水平置于四根导轨间，可上下滑动；储水桶桶口处通过出水管连接水箱进水口，出水管管身设一止水夹；水箱进水口与消能仓位于水箱底部，水箱右侧填石英砂构成河床模型，水箱与河床模型均置于水槽中，水槽用角钢支架支撑，水槽侧壁上布置4个测孔。
【技术特征摘要】
1.一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，主要包括自动升降水位控制系统、水位简谐振动控制室及河床水槽模型三部分，所述自动升降水位控制系统通过出水管连接水位简谐振动控制室；水位简谐振动控制室位于河床水槽模型左侧，之间用有机玻璃板作为挡板；所述自动升降水位控制系统由铁支架、大齿轮、短连杆、小齿轮、长连杆、电机及铁架台、细钢丝、储水桶、木平台、出水管、导轨组成；所述水位简谐振动控制室由消能仓和水箱组成，河床水槽模型由河床模型、角钢支架、水槽组成；其特征在于：铁支架、铁架台分别固定大齿轮和小齿轮，小齿轮轴心处与电机连接，大齿轮和小齿轮正确啮合；大齿轮轴心处连接短连杆，短连杆下端连接长连杆，长连杆端部通过细钢丝与储水桶相连，储水桶固定在木平台上，木平台水平置于四根导轨间，可上下滑动；储水桶桶口处通过出水管连接水箱进水口，出水管管身设一止水夹；水箱进水口与消能仓位于水箱底部，水箱右侧填石英砂构成河床模型，水箱与河床模型均置于水槽中，水槽用角钢支架支撑，水槽侧壁上布置4个测孔。2.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：所述水槽结构尺寸为2m×0.15m×1m。3.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：所述测孔位于水槽一侧侧壁上，在水平方向上等距布置4个测孔，测孔距河床模型上表面5cm，左侧测孔距挡板30cm，4个测孔间距10cm。4.根据权利要求1所述的一种周期性脉动压力驱动下河床垂向潜流交换试验装置，其特征在于：所述水箱为水槽壁...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕辉，简鸿福，游文荪，李英玉，盛闵贵，邵仁建，陈斌，孙芳，
申请(专利权)人：江西省水利科学研究院，
类型：新型
国别省市：江西,36
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