本發(fā)明屬于水利工程實驗裝置的，特別涉及一種可模擬光照、降水和吹風(fēng)的調(diào)坡式河流演變實驗裝置。

背景技術(shù)：

室內(nèi)模型實驗是研究實際水利工程問題常用的技術(shù)手段，尤其是近年來河流演變模擬方面。自然模型實驗法是研究河流發(fā)展的一種基本方法，可以在短時期內(nèi)概化模擬自然河流的長期演變過程。天然河流形態(tài)多種多樣，利用人工塑造的河流模擬自然界中彎曲、分汊以及游蕩型河流的演化發(fā)展動力過程及其規(guī)律，研究不同水沙及河岸邊界條件對演化發(fā)展的影響，既有重要的理論價值，又具有較大的實用價值。

目前國內(nèi)外有大量研究者利用實驗室內(nèi)水槽進行河流形態(tài)的塑造和模擬?，F(xiàn)有對于河流演化發(fā)展的研究已有不少成果，但有三方面的不足：一是，多數(shù)是模型實在室內(nèi)建造，裝置尺度較大且笨重，水循環(huán)系統(tǒng)均是從開挖地下水庫取水，占地面積大且靈活性??；二是，未完全考慮滲流損失的影響。部分學(xué)者為了減少滲流引起的流量損失，在實驗前向河床加水以至泥沙中孔隙水飽和，但這種做法與實際河流演變過程的滲流偏差較大。因為河道滲流是在演變模擬的全過程發(fā)生，且隨總?cè)肓髁考昂拥佬螒B(tài)的變化在不斷變化。在自然河流演變過程中，滲流損失是很重要的一部分，不容忽視。目前對于河道滲流的研究多局限于區(qū)域統(tǒng)計分析，對于河流演變過程中滲流特性及規(guī)律的研究仍較少，需要在理論模型及實驗過程中詳細(xì)考慮并計算；三是，對于傳統(tǒng)的河工模型實驗，河流坡降的調(diào)節(jié)，為人工開挖，耗時耗力。當(dāng)需要研究組次較多，頻繁調(diào)坡時，需要設(shè)計一種較為便捷省力的裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有實驗研究中存在的不足，提供了一種河流演變實驗裝置，本發(fā)明用于研究天然河流的演變過程中水沙運動機理，河床演變特性，水沙邊界及河岸邊界條件對河流演變發(fā)展的影響，河流演變過程中的滲流特性及規(guī)律等。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

河流演變實驗裝置，包括供水箱、進水管、循環(huán)管路、排水管、水泵、調(diào)坡結(jié)構(gòu)、集水箱、沉沙過水桶、河流出流通道、滲流出流通道、滲流分離槽、水槽、實驗棚、吹風(fēng)機、噴淋管、照明管、圖像采集器、處理系統(tǒng)，進水前池；

所述供水箱設(shè)置在第一支撐架上，所述水槽設(shè)置在第二支撐架上，所述水槽的頂端設(shè)有實驗棚，實驗棚罩在水槽上；

所述滲流分離槽設(shè)置在所述水槽內(nèi)中心位置，所述滲流分離槽的前端設(shè)有與其相連通的進水前池，所述進水前池的前端固定在水槽的前側(cè)壁上，所述進水管的進水端連接在供水箱上，進水管的出水端延伸至進水前池內(nèi)；

所述水槽的后端設(shè)置有滲流出流通道，所述滲流分離槽的后端設(shè)有河流出流通道，所述滲流出流通道設(shè)置在河流出流通道的正下方；所述沉沙過水桶設(shè)置在河流出流通道出口處的下方，所述集水箱設(shè)置在所述滲流出流通道出口處的下方，所述沉沙過水桶設(shè)置在所述集水箱的頂端；

所述供水箱分為供水室和排水室，所述循環(huán)管路將集水箱的下部與排水室相連，所述排水管將所述排水室與集水箱的上部相連；

所述水槽底部前端鉸接在第二支撐架的前端，所述水槽底部后端設(shè)有調(diào)坡裝置，所述調(diào)坡裝置采用手搖式螺旋升降器，所述調(diào)坡裝置包括手輪、底座、絲杠和頂盤，所述手輪帶動底座內(nèi)的第一錐齒輪旋轉(zhuǎn)，第一錐齒輪與第二錐齒輪嚙合連接，第一錐齒輪可帶動第二錐齒輪旋轉(zhuǎn)，第二錐齒輪的中心孔與絲杠通過螺紋連接，第二錐齒輪可驅(qū)動絲杠升降，絲杠頂端設(shè)有頂盤，頂盤可帶動水槽底部后端升降，從而調(diào)整水槽的坡度；

所述實驗棚內(nèi)部的四周設(shè)置有吹風(fēng)機，所述實驗棚內(nèi)部的頂部設(shè)置有噴淋管和照明管；所述實驗棚的頂部設(shè)置有可以調(diào)節(jié)高度的第三支撐架，第三支撐架的頂部設(shè)置有圖像采集器，所述圖像采集器通過數(shù)據(jù)線與處理系統(tǒng)相連。

而且，所述滲流分離槽的側(cè)壁由四塊相互鉚接的矩形有機玻璃板構(gòu)成，所述滲流分離槽的側(cè)壁上均布有滲流圓孔，所述滲流圓孔的直徑為0.3cm，所述滲流圓孔的孔間距為0.8cm；所述滲流分離槽的高度為15cm，厚度為4mm；所述滲流分離槽的側(cè)壁內(nèi)部設(shè)置有兩層滲流濾網(wǎng)，一層為150目的不銹鋼濾網(wǎng)，第二層為200目紗濾網(wǎng)。

而且，所述進水前池的材料為有機玻璃，所述進水前池在滲流分離槽的內(nèi)部設(shè)置有進水口，在所述進水口和滲流分離槽接觸的位置豎直設(shè)置有進口擋水堰，在河流出流通道與滲流分離槽接觸的位置豎直設(shè)置有出口擋水堰。

而且，所述滲流分離槽內(nèi)鋪設(shè)實驗沙，以模擬河床結(jié)構(gòu)，所述實驗沙的厚度大于10cm，且小于或等于滲流分離槽的高度。

而且，進水管為u形的有機玻璃管，進水管靠近供水箱一側(cè)的豎直管段上設(shè)置有流量控制閥，進水管靠近進水前池一側(cè)的豎直管段上設(shè)置有浮子流量計，流量控制閥和浮子流量計之間的進水管的底部設(shè)置有小排水管，小排水管的材料為橡膠，小排水管在實驗過程中用夾子關(guān)閉，當(dāng)實驗結(jié)束后，打開夾子，將進水管中的水排空，保持干燥后關(guān)閉，避免水流長時間停留管路導(dǎo)致變臟變臭；循環(huán)管路為鐵管，循環(huán)管路上設(shè)置有水泵；排水管為螺紋塑料管。

而且，所述水槽的高度為25cm。

而且，所述集水箱為鑄鐵材料，厚度為4mm，第一支撐架、第二支撐架和第三支撐架為5cm×5cm的截面為正方形的中空管架，材料為鑄鐵材料。

而且，所述集水箱內(nèi)部設(shè)置有第一濾網(wǎng)，沉沙過水桶內(nèi)部設(shè)置有第二濾網(wǎng)，沉沙過水筒的底部設(shè)置有水桶出水口。

而且，所述水槽和集水箱的內(nèi)部和外部涂有油漆。

而且，所述供水箱的材料為有機玻璃；供水室的進水口的前側(cè)豎直設(shè)置有穩(wěn)流柵，穩(wěn)流柵為布滿圓孔的豎板結(jié)構(gòu)，起到穩(wěn)定水流的作用。

而且，所述第三支撐架的數(shù)量為兩個，所述第三支撐架與第二支撐架豎直方向上的距離為2.5m。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明使得實驗研究更為方便、精確且更能反映實際情況。同時實驗工作一方面對于數(shù)模計算起到了很好的驗證及對比作用，另一方面從短期時間尺度反應(yīng)長時期河流演變特性，有助于更直觀深入地認(rèn)識自然河流的演化特點及規(guī)律并為實際水利規(guī)劃及河流治理工程提供指導(dǎo)。

本發(fā)明裝置設(shè)計過程全面考慮了河工模型實驗中各參量，尤其滲流分離槽的設(shè)計，將河道滲流的影響考慮其中，同時裝置可拆卸，易搬遷，靈活性強。尤其是對河道坡降得調(diào)節(jié)的改進，很大程度上節(jié)約了人力。發(fā)明實驗裝置系統(tǒng)成功將專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的新儀器，新技術(shù)應(yīng)用其中，做到了先進性。并提高了傳統(tǒng)實驗的測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體示意圖，

圖2為本發(fā)明的部分立體示意圖，

圖3為本發(fā)明的水槽和滲流分離槽的俯視圖，

圖4為本發(fā)明的水槽和滲流分離槽示意圖，

圖5為本發(fā)明的調(diào)坡結(jié)構(gòu)的示意圖，

圖6為本發(fā)明的沉沙過水桶結(jié)構(gòu)示意圖，

圖7為本發(fā)明的滲流分離槽的滲流圓孔的示意圖，

圖8為本發(fā)明的實驗棚內(nèi)部的頂部的示意圖，

圖9為本發(fā)明的試驗裝置平面布置圖，

圖10為試驗中滲流流量-坡降關(guān)系曲線，

圖11為實驗中滲流流量-流量關(guān)系曲線

圖12為實驗中run3組河流演化過程，

圖13為實驗中河道輸沙率變化過程，

其中，1為供水箱，1-1為排水室，1-2為供水室，1-3為穩(wěn)流柵，2為第一支撐架，3為進水管，3-1為流量控制閥，3-2為浮子流量計，3-3為小排水管，4為第二支撐架，5為排水管，6為水泵，7為循環(huán)管路，8為調(diào)坡結(jié)構(gòu)，8-1為手輪，8-2為底座，8-3為絲杠，8-4為頂盤，9為集水箱，9-1為第一濾網(wǎng)，10為沉沙過水桶，10-1為第二濾網(wǎng)，10-2為水桶出水口，11為滲流出流通道，12為河流出流通道，12-1為出口擋水堰，13滲流分離槽，13-1為滲流圓孔，14水槽，14-1為水槽支撐板，15為實驗棚，16為吹風(fēng)機，17為噴淋管，18為照明管，19為第三支撐架，20為圖像采集器，21為處理系統(tǒng)，22為進水前池，22-1為進口擋水堰，22-2為進水口，23為數(shù)據(jù)線。

具體實施方式

下面通過具體的實施例對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。

如附圖1～8所示，河流演變實驗裝置，包括供水箱1、進水管3、循環(huán)管路7、排水管5、水泵6、調(diào)坡結(jié)構(gòu)8、集水箱9、沉沙過水桶10、河流出流通道12、滲流出流通道11、滲流分離槽13、水槽14、實驗棚15、吹風(fēng)機16、噴淋管17、照明管18、圖像采集器20、處理系統(tǒng)21，進水前池22；

所述供水箱1設(shè)置在第一支撐架2上，所述水槽14設(shè)置在第二支撐架4上，所述水槽14的頂端設(shè)有實驗棚15，實驗棚15罩在水槽14上；

所述滲流分離槽13設(shè)置在所述水槽14內(nèi)中心位置，所述滲流分離槽13與水槽14的側(cè)壁之間設(shè)有為水槽支撐板14-1，所述滲流分離槽13的前端設(shè)有與其相連通的進水前池22，所述進水前池22的前端固定在水槽14的前側(cè)壁上，所述進水管3的進水口連接在供水箱1上，進水管3的出水口延伸至進水前池22內(nèi)；

所述水槽14的后端設(shè)置有滲流出流通道11，所述滲流分離槽14的后端設(shè)有河流出流通道12，所述滲流出流通道11設(shè)置在河流出流通道12的正下方；所述沉沙過水桶10設(shè)置在河流出流通道12出口處的下方，所述集水箱9設(shè)置在所述滲流出流通道11的下方，所述沉沙過水桶10設(shè)置在所述集水箱9的頂端；

所述供水箱1分為供水室1-2和排水室1-1，所述循環(huán)管路7將集水箱9的下部與排水室相連1-1，所述排水管5將所述排水室1-1與集水箱9的上部相連；

所述水槽14底部前端鉸接在第二支撐架4的前端，所述水槽14底部后端設(shè)有調(diào)坡裝置8，調(diào)坡裝置8可設(shè)置兩個，并且對稱設(shè)置在水槽14底部后端，所述調(diào)坡裝置8采用手搖式螺旋升降器，手搖式螺旋升降器可驅(qū)動水槽底部后端升降，從而調(diào)整水槽14的坡度，所述調(diào)坡裝置8包括手輪8-1、底座8-2、絲杠8-3和頂盤8-4，所述手輪8-1帶動底座8-2內(nèi)的第一錐齒輪旋轉(zhuǎn)，第一錐齒輪豎直設(shè)置，第二錐齒輪水平設(shè)置，第一錐齒輪與第二錐齒輪嚙合連接，第一錐齒輪可帶動第二錐齒輪旋轉(zhuǎn)，第二錐齒輪的中心孔與絲杠8-3通過螺紋連接，從而使得第二錐齒輪可驅(qū)動絲杠8-3升降，絲杠8-3頂端設(shè)有頂盤8-4，頂盤8-4可帶動水槽14底部后端升降；

實驗棚15內(nèi)部的四周設(shè)置有吹風(fēng)機16，實驗棚15內(nèi)部的頂部設(shè)置有噴淋管17和照明管18；實驗棚15的頂部設(shè)置有可以調(diào)節(jié)高度的第三支撐架19，第三支撐架19的頂部設(shè)置有圖像采集器20，圖像采集器20通過數(shù)據(jù)線與處理系統(tǒng)21相連。

而且，滲流分離槽13的側(cè)壁采用有機玻璃，由四塊相互鉚接的矩形板構(gòu)成，滲流分離槽3的側(cè)壁上設(shè)置有滲流圓孔13-1，滲流圓孔13-1的直徑為0.3cm，滲流圓孔13-1的孔間距為0.8cm；滲流分離槽13的高度為15cm，厚度為4mm；滲流分離槽3的側(cè)壁內(nèi)部設(shè)置有兩層滲流濾網(wǎng)，一層為150目的不銹鋼濾網(wǎng)，第二層為200目紗濾網(wǎng)。

而且，進水前池22的材料為有機玻璃，進水前池22在滲流分離槽13的內(nèi)部設(shè)置有進水口22-2，在進水口22-2和滲流分離槽13接觸的位置豎直設(shè)置有進口擋水堰22-1，在河流出流通道12與滲流分離槽接觸的位置豎直設(shè)置有出口擋水堰12-1，用以保證進水水流的高度一致。

而且，滲流分離槽內(nèi)鋪設(shè)實驗沙，以模擬河床結(jié)構(gòu)，實驗沙的厚度大于10cm，且小于或等于滲流分離槽的高度，以保證河流最大沖刷安全深度；初始開挖模型河流可根據(jù)具體研究內(nèi)容為任意型式。

而且，進水管3為u形的有機玻璃管，進水管3靠近供水箱1一側(cè)的豎直管段上設(shè)置有流量控制閥3-1，進水管靠近進水前池22一側(cè)的豎直管段上設(shè)置有浮子流量計3-2，流量控制閥3-1和浮子流量計之間3-2的進水管3的底部設(shè)置有小排水管3-3，小排水管3-3的材料為橡膠，小排水管3-3在實驗過程中用夾子關(guān)閉，當(dāng)實驗結(jié)束后，打開夾子，將進水管中的水排空，保持干燥后關(guān)閉，避免水流長時間停留管路導(dǎo)致變臟變臭；循環(huán)管路7為鐵管，循環(huán)管路上設(shè)置有水泵；排水管為螺紋塑料管。

而且，水槽14的高度為25cm。

而且，集水箱9為鑄鐵材料，厚度為4mm，第一支撐架、第二支撐架和第三支撐架為5cm×5cm的截面為正方形的中空管架，材料為鑄鐵材料。

而且，集水箱9內(nèi)部設(shè)置有第一濾網(wǎng)9-1，便于測量通過滲流出流通道11流出的沙量，沉沙過水桶10內(nèi)部設(shè)置有第二濾網(wǎng)10-1，便于測量通過河流出流通道12流出的沙量，沉沙過水筒10的底部設(shè)置有水桶出水口10-2。

而且，水槽14和集水箱9的內(nèi)部和外部涂有油漆。

而且，供水箱1的材料為有機玻璃；供水室1-2的進水口的前側(cè)豎直設(shè)置有穩(wěn)流柵1-3，穩(wěn)流柵1-3為布滿圓孔的豎板結(jié)構(gòu)，起到穩(wěn)定水流的作用。

而且，第三支撐架19的數(shù)量為兩個，第三支撐架與第二支撐架豎直方向上的距離為2.5m。

而且，調(diào)坡結(jié)構(gòu)為手搖旋轉(zhuǎn)螺旋結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)整水槽的坡度從而調(diào)整模擬河床的坡度，根據(jù)實驗需要，通過人工轉(zhuǎn)動調(diào)坡結(jié)構(gòu)的把手，使河床達到預(yù)設(shè)坡降，操作簡單方便。

而且，第二支撐架4上設(shè)有豎直尺和水平尺，豎直尺和水平尺的零刻度端均位于第二支撐架4的邊角位置，通過豎直尺和水平尺可測量水槽14的坡度。

本發(fā)明在實驗過程中的使用步驟如下：

(1)根據(jù)研究需要，鋪設(shè)床沙，床沙鋪設(shè)相同級配或不同層次組成結(jié)構(gòu)，開挖初始河道。通過調(diào)坡結(jié)構(gòu)，調(diào)整河床坡降?？筛鶕?jù)實驗要求在開挖河道兩岸種植草種，或插設(shè)竹簽改變河岸強度。

(2)開啟水泵，水流從集水箱抽出，經(jīng)過循環(huán)管路進入供水箱，供水箱為實驗裝置為系統(tǒng)提供恒定流；水流再經(jīng)過流量控制閥、浮子流量計，進入進水前池；過進口擋水堰進入水槽，一部分水流沿河道并攜帶泥沙經(jīng)出口擋水堰，從河流出流通道流出，進入沉沙過水桶，經(jīng)過濾沙，清水出流循環(huán)回流到集水箱；另一部分水流沿床沙下滲，經(jīng)過滲流分離槽，沿槽與槽之間的通道最后從滲流出流通道流出至集水箱，完成水循環(huán)；河流通道出流為河道流量，滲流通道出流為滲流流量，通過浮子流量計，讀取河道總流量，通過量筒在河流通道和滲流通道出口量取河道流量和滲流流量。

(3)可以通過吹風(fēng)機、噴淋管、照明管模擬不同的天氣，比如晴朗無風(fēng)天氣、晴朗有風(fēng)天氣、陰雨有風(fēng)天氣等，考察不同天氣情況下模擬河流的情況。

(4)圖像采集器是一種基于紅外攝像的新型表面流場圖像測速(ptv)系統(tǒng)，用粒子跟蹤圖像測量速法利用一次性低溫冰顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑料等材質(zhì)失蹤粒子，一方面改善ptv在復(fù)雜光線環(huán)境、復(fù)雜水沙環(huán)境中的應(yīng)用效果，另一方面巧妙利用冰顆粒的融化，環(huán)保、便捷，解決了失蹤粒子滯留岸灘及回流區(qū)不方便回收的問題，根據(jù)實驗河段長度在模型河流上方可設(shè)置一個，兩個或多個圖像采集裝置，裝置通過數(shù)據(jù)連接線連接數(shù)據(jù)采集與處理計算機。實驗時，通過識別對撒入河道表面的失蹤粒子進行實時圖像采集，并對采集的圖像進行粒子識別、匹配和跟蹤形態(tài)及表面流場的測量。攝像的時間間隔為5～30分鐘，具體由河道形態(tài)變化的速度確定。攝像獲得的圖像在計算機內(nèi)進行變形矯正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并識別出每一幅圖像中的河道兩岸，捕捉模型河流平面形態(tài)演變的全過程。

圖9為本發(fā)明試驗裝置的平面布局圖，如圖所示，將河道分為s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7，進行數(shù)據(jù)采取，并且進行5組對比實驗，對比試驗分別記為run1、run2、run3、run4、run5，結(jié)果如下表所示：

表1實驗組次及初始數(shù)據(jù)

由圖10和圖11可看出，run1滲流量較run2～run5明顯大，是因為初始床面處于不飽和含水狀態(tài)，滲流梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于飽和狀態(tài)，這也是很多學(xué)者研究在做河道演變試驗時，先注水的原因。當(dāng)床沙達到飽和狀態(tài)時，滲流可以近似分解為橫向滲流與縱向滲流兩部分，橫向滲流量的大小主要取決于入流量的大小，而縱向滲流取決于河道縱向坡降。通常情況下，滲流量會隨著河道流量及水力坡降的增大而增加，但影響程度不同。觀察圖10和圖11發(fā)現(xiàn)，run2與run3坡度相同，但流量相差較大時，兩組試驗中滲流量變化范圍相差較小。run5河道滲流量較run2，run3及run4大，雖然流量較run3及run4小，因此可以看出水力坡降對于滲流量大小的影響較入流量明顯。

圖12顯示的是試驗觀察模型河流從順直向蜿蜒、辮狀及分汊的演變過程。對于彎曲河流，因上游入流角的影響，上游開始變彎，從而影響下游，上游下游河流下游演變滯后于上游，河灣曲率具有向下傳遞性。圖12為彎曲河流的演化過程，初始階段，由于一般從上游到下游，隨著演變的不斷進行，下游河灣水流條件逐漸成熟，彎曲速率加大，下游河灣按照自身的演變機理進行演化，同時對上游起到制約作用。入流角對河灣演變的影響是短期作用，在初始時刻加速了其變化，但從長期來看，河流會按照水沙條件達到自身的平衡狀態(tài)。

圖13顯示的是實驗過程中模型河道中的泥沙通過尾門后在沉沙筒來測量輸沙率。初始狀態(tài)輸沙率較小，隨著水流沖刷及床沙啟動，輸沙率在河道演變約100min時達到最大，這是因為初始河道為小的矩形河道，而河道過水能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于給定流量，因此河道急劇展寬，河床處于劇烈調(diào)整演化過程中。隨著基本彎道的形成，主流線出現(xiàn)，河岸和床面開始穩(wěn)定，河道穩(wěn)定輸沙。

以上對本發(fā)明的技術(shù)方案做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本技術(shù)方案的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費創(chuàng)造性勞動的等同替換均落入本專利的保護范圍。