一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置與方法
【專利摘要】本發明公開了一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置與方法，該裝置包括模型水庫、緩沖池、渾水池和出水池等；該方法包括以下步驟：1)開啟空調，通過冷凝管控制模型水庫內的水溫，從上而下依次形成變溫層、躍溫層和等溫層；2)在渾水池中配制一定濃度的含沙渾水，并攪拌均勻，測量渾水池和模型水庫中的水溫；開啟泵并調節其流量至要求值，同時打開并調節模型水庫底部排水口的出水閥門，使得Q入＝Q出，開始計時；3)沿模型水庫的水平方向自出水口開始,從左向右間隔50cm、50cm、50cm、30cm選取5個斷面，每個斷面垂向間隔5cm設置1個取樣口，每間隔一定時間取樣，測量各斷面不同高度處的水溫；4)對步驟3)所取的水樣進行濁度測量并分析數據。
【專利說明】一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置與方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于水庫水質污染控制領域，涉及分層水庫異重流模擬實驗研宄，具體涉及一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置與方法。
【背景技術】
[0002]異重流是兩種或者兩種以上的流體相互接觸，在密度有一定差異時，其中一種流體沿著交界面的方向，則不同流體在交界面以及其他特殊的局部處可能發生一定程度的摻混現象，但在運動過程中不會出現全局性的摻混現象。異重流是自然界一種常見的現象，有時候需要防止或者減異重流的形成(如船閘引航道盲腸段的異重流入侵、沉淀池的異重流入侵等)，有時也要促使異重流的形成(如水庫建后初期可增強近壩區泥沙淤積鋪蓋和防滲、后期為減少庫內淤積，可利用異重流排沙)，由于異重流的復雜性，國內外許多學者對其進行了研宄。
[0003]水溫是水環境中重要的影響因子之一，水庫作為開發利用水資源中最常見的工程措施，在帶來巨大的經濟效益的同時，也改變了天然河流的水文以及熱交換過程，從而引起水體溫度分布，進而使得異重流的運動狀態因溫度分層條件而異。大型深水水庫的水體一般在氣溫較高的夏季和氣溫較低的冬季分別會發生正向和逆向水溫分層。
[0004]泥沙是眾多污染物、溶解鹽、余熱等的載體，暴雨季節泥沙異重流攜帶的污染物負荷一般占水庫污染物年負荷總量的70%以上，研宄泥沙在水庫中如何輸移和擴散，對于市政供水、灌溉用水等在水庫中不同高程的分層取水和維持庫區生態環境有十分重要的指導作用，泥沙異重流在非分層水庫中的研宄已經得到國內外學者的廣泛重視和研宄；但受限于分層水庫物理模型的研制和不同位置泥沙的同時取樣等難題，泥沙異重流在分層水庫中的研宄相對滯后。
[0005]目前異重流試驗系統中基本均采用加熱方法獲取分層水庫的物理模型，但該法水溫分層受限于氣溫，控制較難，加熱棒也影響水流。由于異重流演變形式多樣，不同位置泥沙的同時取樣一直未有可行的方法；泥沙濃度也一直采用烘干稱重法測量，費時費力。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是針對現有異重流試驗研宄中所存在的缺陷和不足，提供了一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置與方法。該模擬試驗裝置結構簡單，操作方便。通過該模擬實驗裝置可以減少以往在異重流實驗階段降溫或者升溫對水槽內流場的干擾，采用空調連接冷凝管使水溫達到分層效果，從而成功地模擬了泥沙異重流在分層水體中的運動過程，提高了對異重流分析的與研宄的準確性。
[0007]為實現本發明的目的，本發明采用如下技術方案來實現。
[0008]一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置，包括模型水庫、緩沖池、渾水池和出水池；其中，模型水庫的右側壁呈階梯形，該右側壁包括由下至上依次設置的斜板、水平板以及豎直板，其中，斜板的一端與模型水庫的底板相連，其另一端與水平板的一端相連，水平板的另一端與豎直板之間為模型水庫的進水口，模型水庫的左側壁上由上至下依次開設有若干出水口，模型水庫內由上至下依次設置有若干冷凝管，若干冷凝管分別與設置在模型水庫外的空調相連；緩沖池設置在模型水庫的進水口一側，出水池設置在模型水庫的出水口一側，渾水池與緩沖池之間通過加水管相連通，該加水管上設置有泵，渾水池內設置有攪拌機。
[0009]本發明進一步的改進在于:模型水庫內還設置有與空調相連的溫度傳感器。
[0010]本發明進一步的改進在于:模型水庫的左側壁上由上至下依次開設有第一出水口、第二出水口、第三出水口以及第四出水口。
[0011]本發明進一步的改進在于:模型水庫內由上至下依次設置有第一冷凝管、第二冷凝管以及第三冷凝管。
[0012]本發明進一步的改進在于:模型水庫的外壁上設有均勻的刻度。
[0013]本發明進一步的改進在于:出水池的底部設置有出流管。
[0014]本發明進一步的改進在于:加水管上還設置有電磁流量計。
[0015]一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗方法，包括以下步驟:
[0016]1)開啟空調，通過冷凝管控制模型水庫內的水溫，從上而下依次形成表層變溫層、中部躍溫層以及底部等溫層；
[0017]2)把稱量好的石英砂均勻地散倒入渾水箱中，并用攪拌機攪拌均勻，以配制相應濃度的含沙渾水；測量渾水池和模型水庫的水溫，開啟泵并調節其流量使其達到要求值，同時打開模型水庫最左端底部排水口的出水閥門，并調節出水閥門的大小，使得0入=，并開始計時；
[0018]3)沿模型水庫的水平方向從左向右，自模型水庫出水口開始依次間隔50(3111、50(311^50(311^30(3111選取5個斷面，每個斷面垂向間隔5(3111設置1個取樣口，第一至第四斷面，每個斷面垂向布設13個取樣口，第五斷面垂向布設7個取樣口，每間隔一定時間取樣，并測量每個斷面不同高度處的水溫；其中，該模型水庫的水平長度為2.5%緩沖池的水平長度為0.3111，出水池的水平長度為0.5111 ；
[0019]4)對步驟3)所取的水樣進行濁度測量并分析數據。
[0020]與現有技術相比，本發明具有如下的技術效果:
[0021]1、溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置成功的模擬了水庫的水溫分層環境，為未來的實驗研宄以及大型物理模擬實驗奠定了基礎。
[0022]2、本發明的模擬實驗系統在實驗室利用空調連接冷凝管制冷實現水槽的垂向水溫分層，相比其他方法，減少了裝置對水槽內流場的干擾。
[0023]3、與現有其他水溫分層模擬方法相比，本發明的優點是:采用本發明方法形成的水溫分層水體具有水溫分層穩定、同一水平面水溫均勻，制冷速度快、能耗低、裝置簡單、試驗不受季節限制等優點。
[0024]4、當水流進入裝置時先進入緩沖池，然后在以穩流的方式進入模擬區。
[0025]5、本發明的模擬實驗系統采用白色的石英沙子來調配渾水，該石英砂的分子鏈結構、晶體形狀和晶格變化規律，具有熱膨脹系數小、耐腐蝕性的特點，且該泥沙隨水的跟隨性優異，是較好的異重流實驗的泥沙原材料
[0026]6、本發明中，采用基于濁度的泥沙濃度快速分析方法，并采用基于虹吸原理的泥沙同時取樣器實時分析水庫中泥沙濃度的分布。
[0027]7、進一步地，模型水庫中還設置有刻度尺和底部出流口，從而保證在模擬實驗進行的過程中，通過調節流量，確保液面恒定。
[0028]8、進一步地，在渾水箱和模型水庫中間處增設緩沖池，并用合適的磚塊壓住進水管頭部，當水流進入緩沖池后，先從緩沖池底部流出，再慢慢上升，直至以恒定的流速漫出緩沖池而進入模型水庫，避免了進水不均勻對異重流演變特性的影響。
[0029]9、進一步地，在渾水池后增設穩壓泵，一方面可以使渾水箱中的水以恒定流速進入緩沖池，另一方面，可以使模型水庫的進水管在整個實驗過程中保持滿管，從而有利于實驗的進行。
[0030]綜上所述，本發明利用空調冷凝管對水庫底部水體致冷的方法獲取等溫層水體，再依靠自然傳熱過程實現水庫內部的水溫分層，并根據虹吸原理研制了泥沙同時取樣裝置，根據泥沙顆粒對光的散射特性建立了泥沙濃度的快速測定方法。應用該系統和方法，能理想地模擬和研宄泥沙異重流在水溫分層水體中的運動過程和特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為本發明一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置的結構示意圖。
[0032]圖2為本發明一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗方法中斷面的選取示意圖。
[0033]其中:1、模型水庫；2、水平板；3、豎直板；4、豎直板；5、進水口 ；6、緩沖池，7、渾水池；8、出水池；9、空調；10、溫度傳感器；11、泵；12、電磁流量計；13、出流管；14、攪拌機；15、第一出水口 ；16、第二出水口 ；17、第三出水口 ；18、第四出水口 ；19、第一冷凝管；20、第二冷凝管；21、第三冷凝管；22、加水管；23、第一斷面；24、第二斷面；25、第三斷面；26、第四斷面；27、第五斷面。
[0034]圖3為水樣中泥沙濃度與濁度的對應關系圖。
[0035]圖4為當石英砂濃度為58/1、入流流速為0.0025^/8時模型水庫泥沙濃度的時空分布圖?0 分別為當石英砂流入及50111111后模型水庫泥沙濃度的時空分布圖。
[0036]圖5為當石英砂濃度為2.58/1、流速為0.00125^/8時模型水庫泥沙濃度的時空分布圖?⑴分別為當石英砂流入 5111111、及 50111111后模型水庫泥沙濃度的時空分布圖。
[0037]圖6為當石英砂濃度為7.58/1、流速為0.075^/8時模型水庫泥沙濃度的時空分布圖；其中，圖 6 (3)?⑴分別為當石英砂流入 5111111、及 50111111后模型水庫泥沙濃度的時空分布圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0039]參見圖1，本發明一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置，包括模型水庫1、緩沖池6、渾水池7和出水池8 ；其中，模型水庫1的右側壁呈階梯形，該右側壁包括由下至上依次設置的斜板2、水平板3以及豎直板4，其中，斜板2的一端與模型水庫1的底板相連，其另一端與水平板3的一端相連，水平板3的另一端與豎直板4之間為模型水庫1的進水口 5，這樣使得試驗在穩定的流場中進行，并加速形成異重流分層效果，以及能更清楚的觀察溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗的分層現象；模型水庫1的左側壁上由上至下依次開設有若干出水口，模型水庫1內由上至下依次設置有若干冷凝管，若干冷凝管分別與設置在模型水庫1外的空調9相連，空調9用于通過冷凝管對模型水庫1中的水進行制冷，使其產生分層效果；緩沖池6設置在模型水庫1的進水口 5 —側，出水池8設置在模型水庫1的出水口一側，渾水池7與緩沖池6之間通過加水管22相連通，該加水管22上設置有泵11，渾水池7內設置有攪拌機14。
[0040]進一步地，模型水庫1內還設置有與空調9相連的溫度傳感器10，通過溫度傳感器10測量模型水庫1內的水溫并控制空調9的啟閉。模型水庫1的左側壁上由上至下依次開設有第一出水口 15、第二出水口 16、第三出水口 17以及第四出水口 18。模型水庫1內由上至下依次設置有第一冷凝管19、第二冷凝管20以及第三冷凝管21。模型水庫1的外壁上設有均勻的刻度。
[0041]進一步地，出水池8的底部設置有出流管13。加水管22上還設置有電磁流量計12，通過電磁流量計12調節進入到模型水庫1中的水流量大小，泵9用于增加電磁流量計12進出水口之間的水壓，以使水流以有壓滿管流經電磁流量計12，保證準確計量水流的流量。
[0042]其中，本發明模型水庫1的進水口 5采用穩流進水，通過調節泵11使渾水池7中的水以恒定的流速進入緩沖池6，然后通過進水口 5以恒定速度的穩流進入模型水庫1，該模擬試驗裝置還包括設置在出水池8底層的出流管13 ；模型水庫1中還設置有刻度尺，用來監測模型水庫1水量。
[0043]參見圖1和圖2本發明一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗方法，包括以下步驟:
[0044]1)開啟空調9，通過冷凝管控制模型水庫1內的水溫，從上而下依次形成表層變溫層、中部躍溫層以及底部等溫層；
[0045]2)把稱量好的石英砂均勻地散倒入渾水箱7中，并用攪拌機14攪拌均勻，以配制相應濃度的含沙渾水；測量渾水池7溫度，開啟泵11并調節其流量使其達到要求值，同時打開模型水庫1最左端底部排水口 13的出水閥門，并調節出水閥門的大小，使得0入=知，并開始計時；
[0046]3)沿模型水庫1的水平方向從左向右依次間隔50(31^50(311^50(31^30(3111選取5個斷面，每個斷面垂向間隔5挪設置1個取樣口，第一至第四斷面，每個斷面垂向布設13個取樣口，第五斷面垂向布設7個取樣口，每間隔一定時間取樣，并測量每個斷面的垂向溫度；其中，該模型水庫1的水平長度為2.5111，緩沖池6的水平長度為0.3111，出水池8的水平長度為0.5111 ；
[0047]具體是:本發明模擬試驗裝置中，沿模型水庫1的水平方向從左向右依次間隔500111, 500111, 50(3111，300111選取5個斷面，分別對應第一斷面27、第二斷面26、第三斷面25、第四斷面24、以及第五斷面23，前4個斷面垂向布設13個垂向取樣口，第五斷面垂向布設7個，每個取樣口垂向間隔5(3111，取樣時，采用虹吸原理進行采樣。每隔5111111，10111111, 20111111,30111111,40111111,50111111取樣(5個斷面處同時進行)，并在同一時間依次測量每個取樣口垂向溫度分布。
[0048]4)對步驟3)所采取的水樣進行濁度測量并分析數據。
[0049]進一步地，本發明整個試驗過程用攝像機進行監測，通過攝像機來監測泥沙異重流在分層水環境中的運動情況，并且可以對試驗過程中渾水異重流在分層環境中的前鋒厚度以及相關運動速度等進行分析。本發明水樣中的泥沙濃度采用基于水樣的濁度的分析方法，首先配置含不同濃度泥沙的水樣，測定水樣的濁度，建立泥沙濃度和濁度的關系曲線，然后根據實測水樣的濁度計算其中的泥沙濃度。本發明中水流速度采用超聲波剖面流速儀進行測量。本發明中泥沙異重流的演變采用高像素攝像機進行拍攝追蹤。
[0050]實施例:
[0051]參見圖3和圖4，利用圖3所示關系曲線將水樣的濁度轉化為含沙量，然后利用含沙量數據繪制模型水庫中不同條件下不同時刻泥沙濃度分布。
[0052]由圖4可見，當石英砂濃度為58/1、入流流速為0.0025^/8時，異重流為間層流(在-0.15?-0.4111之間)，間層流的位置是-0.225111處，間層流的厚度為0.15%并且間層流的位置隨時間的推移而下移，厚度增加，速度逐漸減小。
[0053]由圖5可見，當石英砂濃度為2.58/1、流速為0.00125^/8時，異重流為表層流(在0 ?-0.15111 之間)。
[0054]由圖6可見，當石英砂濃度為7.58/1、流速為0.075^/8時，異重流為潛流(在-0.4 ?-0.6111 之間)0
[0055]通過該試驗裝置，設置不同的進水泥沙濃度和流速條件，可以得到不同條件下異重流的類型和演變特性；也可以分析不同入流泥沙濃度對異重流特性的影響(參見圖6)。當流速為0.005111/8時，沿水流方向泥沙濃度逐漸減小，石英砂濃度1.25、2.5、3.75、和5^/1對應的間層流的位置是-0.180，-0.2111, -0.220，和-0.250 ；隨著入流泥沙濃度的增加，間層流的位置逐漸下移，并且當濃度到達一定濃度時會出現部分沉淀。
[0056]綜上所述，本發明可根據實際需要，擴大或縮小模型水庫尺寸，進行不同水溫分層結構及進水泥沙濃度、流速等條件下的異重流模擬試驗的研宄。本發明實施操作方便，使用成本低廉，易于控制，具有推廣應用價值。
【權利要求】
1.一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置，其特征在于:包括模型水庫(1)、緩沖池(6)、渾水池(7)和出水池(8);其中，模型水庫(I)的右側壁呈階梯形，該右側壁包括由下至上依次設置的斜板(2)、水平板(3)以及豎直板(4)，其中，斜板(2)的一端與模型水庫(I)的底板相連，其另一端與水平板(3)的一端相連，水平板(3)的另一端與豎直板(4)之間為模型水庫(I)的進水口(5)，模型水庫(I)的左側壁上由上至下依次開設有若干出水口，模型水庫(I)內由上至下依次設置有若干冷凝管，若干冷凝管分別與設置在模型水庫(I)外的空調(9)相連；緩沖池(6)設置在模型水庫(I)的進水口(5) —側，出水池(8)設置在模型水庫⑴的出水口一側，渾水池(7)與緩沖池(6)之間通過加水管(22)相連通，該加水管(22)上設置有泵(11)，渾水池(7)內設置有攪拌機(14)。
2.根據權利要求1所述的一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置，其特征在于:模型水庫⑴內還設置有與空調(9)相連的溫度傳感器(10)。
3.根據權利要求1所述的一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置，其特征在于:模型水庫(I)的左側壁上由上至下依次開設有第一出水口(15)、第二出水口(16)、第三出水口(17)以及第四出水口(18)。
4.根據權利要求1所述的一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置，其特征在于:模型水庫(I)內由上至下依次設置有第一冷凝管(19)、第二冷凝管(20)以及第三冷凝管(21)。
5.根據權利要求1所述的一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置，其特征在于:模型水庫(I)的外壁上設有均勻的刻度。
6.根據權利要求1所述的一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置，其特征在于:出水池(8)的底部設置有出流管(13)。
7.根據權利要求1所述的一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置，其特征在于:加水管(22)上還設置有電磁流量計(12)。
8.一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗方法，其特征在于:該方法基于權利要求I至7中任一項所述的一種分層水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗裝置，包括以下步驟: 1)開啟空調(9)，通過冷凝管控制模型水庫(I)內的水溫，從上而下依次形成表層變溫層、中部躍溫層以及底部等溫層； 2)把稱量好的石英砂均勻地散倒入渾水箱(7)中，并用攪拌機(14)攪拌均勻，以配制相應濃度的含沙渾水；測量渾水池(7)和模型水庫(I)的水溫，開啟泵(11)并調節其流量使其達到要求值，同時打開模型水庫(I)最左端底部排水口(13)的出水閥門，并調節出水閥門的大小，使得Q入=Qtii，并開始計時； 3)沿模型水庫(I)的水平方向從左向右，自模型水庫(I)出水口開始依次間隔50cm、50cm、50cm、30cm選取5個斷面，每個斷面垂向間隔5cm設置I個取樣口，第一至第四斷面，每個斷面垂向布設13個取樣口，第五斷面垂向布設7個取樣口，每間隔一定時間取樣，并測量每個斷面不同高度處的水溫；其中，該模型水庫(I)的水平長度為2.5m，緩沖池(6)的水平長度為0.3m，出水池(8)的水平長度為0.5m ； 4)對步驟3)所取的水樣進行濁度測量并分析數據。
【文檔編號】E02B1/02GK104480896SQ201410636684
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】孫昕, 劉敏, 馬曉林, 朱麗鵬 申請人:西安建筑科技大學