一種用于研究洪水脈沖驅動下潛流交換的模擬試驗模型裝置及其使用方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種試驗裝置及其使用方法，特別是一種用于研宄洪水脈沖驅動下潛 流交換的模擬試驗模型裝置及其使用方法。
【背景技術】
[0002] 潛流交換是河流及其臨岸帶地表水和地下水交換混合的動力學過程，對河流生態 及其景觀異質性起著十分重要的調控作用。
[0003] 一般而言，季節性的洪水過程將會改變河流區的水文格局，進而影響河流主槽與 其洪泛灘地系統內的潛流交換過程。由于潛流交換區內具有復雜的水流結構，并且地表水 和地下水運動過程中所涉及的兩種相異的時間尺度使得這一問題更加復雜。
[0004] 目前，采用室內水槽試驗方法研宄潛流交換的相關問題是國內外學者常用的手 段。文獻調查表明，過去多數研宄者通過建立室內水槽物理模型模擬河道，通過往水槽中填 充不同粒徑的沙和卵石，并構筑所需形狀結構形成河床結構，通過水循環設備給水槽提供 試驗所需的循環用水，通過水槽及流量閥控制試驗所需的地表水和地下水流條件，并布置 相關采集儀器和各類傳感器測得各水流參數、溫度、河床界面壓力強度等所需數據。
[0005] 然而，上述室內水槽模型通常著眼于因床面地形、河流平面形態或障礙物等結構 (如沙波、階梯、深潭、淺灘、碎石、木頭、彎道等）影響下的潛流交換過程，其最直觀的水流 特征在于河床質完全被水流覆蓋，潛流交換的主要驅動力來源于近床面的不均衡壓力，所 關注的重點為床面結構對垂向潛流交換的影響，其局限是無法用來研宄河流主槽-灘地系 統內，因水位快速變化導致的邊灘干濕交替過程對系統內的側向潛流交換的影響規律。
【發明內容】
[0006] 本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種用于研宄洪水 脈沖驅動下潛流交換的模擬試驗模型裝置及其使用方法，該模擬試驗模型及其使用方法， 能打破傳統上下游水槽循環水的一體化模式，使上游地表水位在周期性洪水脈沖驅動下按 照特定洪峰過程線成比例地周期性變化，而下游地下水位保持恒定。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
[0008] 一種用于研宄洪水脈沖驅動下潛流交換的模擬試驗模型裝置，包括水槽本體、上 游地表水補給系統和下游地下水控制系統，還包括洪水脈沖驅動裝置，其中：
[0009] 所述水槽本體內設置有一塊隔板，該隔板將水槽本體分割成為水位控制室和泄水 室，水位控制室內設置有河浸灘模型。
[0010] 所述隔板內設置有一個豎直的豎向滑槽，該豎向滑槽包括位于下部的第一豎向槽 和位于上部的第二豎向槽；位于第二豎向槽兩側的隔板上各設置有一個貫通槽，兩個貫通 槽能將第二豎向槽與水位控制室和泄水室相連通。
[0011] 所述上游地表水補給系統包括一個補給水箱，其中，補給水箱進水口與水位控制 室底部相連接，補給水箱出水口與泄水室相連接。
[0012] 所述下游地下水控制系統包括一個設置于水槽本體一側的地下水控制箱，該地下 水控制箱內的水位能夠保持恒定，且地下水控制箱與河浸灘模型之間能進行潛流交換。
[0013] 所述洪水脈沖驅動裝置包括設置在豎向滑槽內的升降活塞和一個周期性波形驅 動裝置。
[0014] 所述升降活塞的外表面能與豎向滑槽的內表面密封配合，升降活塞的高度與第一 豎向槽的高度相等，升降活塞的頂部從水位控制室伸向泄水室的泄水導向槽。
[0015] 升降活塞的頂部與周期性波形驅動裝置相連接，升降活塞能在周期性波形驅動裝 置的驅動下進行周期性地升降，使水位控制室內的洪峰過程線呈現周期性地變化。
[0016] 所述周期性波形驅動裝置為正弦波形驅動裝置，升降活塞能在正弦波形驅動裝置 的驅動下進行周期性地升降，使水位控制室內的洪峰過程線為正弦波形。
[0017] 所述正弦波形驅動裝置包括均固定設置于水槽本體上方且相互嚙合的大齒輪和 小齒輪，小齒輪與電機相連接，大齒輪的中心點上固定連接有一根沿大齒輪徑向設置的短 連桿，該短連桿的另一端鉸接有一個長連桿，長連桿的另一端設置有一根與升降活塞頂部 相連接的連接件。
[0018] 所述地下水控制箱內設置有手動活塞，通過控制手動活塞的高度，能夠調整地下 水控制箱內的恒定水位。
[0019] 所述河浸灘模型的頂部傾斜設置，朝向隔板一側的河浸灘模型的高度最低。
[0020] 一種用于研宄洪水脈沖驅動下潛流交換的模擬試驗模型裝置的使用方法，包括以 下步驟：
[0021] 第一步，地下水水位控制：通過調整地下水控制箱的補給水源，使地下水控制箱內 的地下水水位保持恒定；
[0022] 第二步，水位控制室內地表水補給：通過上游地表水補給系統中的補給水箱進水 口，向水位控制室內補給地表水；此時，升降活塞位于第一豎向槽的底部，升降活塞的高度 即為水位控制室內的初始水位；
[0023] 第三步，升降活塞上升：在正弦波形驅動裝置的驅動下，升降活塞上升，水位控制 室內的洪峰通過升降活塞頂部的泄水導向槽向泄水室內排放，從而使水位控制室內的洪峰 過程線呈現正弦波形曲線中從最低水頭向最高水頭進行變化；
[0024] 第四步，水位控制室內的洪峰過程線達到最高水頭：升降活塞持續上升，當正弦波 形驅動裝置驅動升降活塞上升至最高點時，水位控制室內的洪峰過程線達到最高水頭；升 降活塞上升的最大高度小于升降活塞的高度；
[0025] 第五步，升降活塞下降，在正弦波形驅動裝置的驅動下，升降活塞下降，水位控制 室內的洪峰過程線呈現正弦波形曲線中從最高水頭向最低水頭進行變化；
[0026] 第六步，水位控制室內的洪峰過程線恢復至初始水位：升降活塞持續下降，當正 弦波形驅動裝置驅動升降活塞下降至最低點時，水位控制室內的洪峰過程線恢復至初始水 位；
[0027] 第七步，重復第三步至第六步：升降活塞周期性進行升降，使水位控制室內的洪峰 過程線呈現為正弦波形曲線；
[0028] 第八步，計算地表水與地下水的潛流交換量。
[0029] 所述第二步中，上游地表水補給系統中補給水箱進水口的水源流量為：
[0030]
【主權項】
1. 一種用于研宄洪水脈沖驅動下潛流交換的模擬試驗模型裝置，包括水槽本體、上游 地表水補給系統和下游地下水控制系統，其特征在于：