专利名称：一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及浅水湖泊和河流系统水体生态环境模拟技术领域，具体涉及一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置。
背景技术：
水动力作用下湖泊或河道沉积物容易发生侵蚀、再悬浮，该过程会引起表层沉积物营养盐的释放、生物数量的变化等。底泥表面侵蚀率定义为单位面积底床在单位时间内的底泥侵蚀量。河床切应力是粘性泥沙研究中的重要参数，它直接决定了底泥被侵蚀的深度。然而，确定河床切应力、控制外力条件是十分困难的。目前，模拟对底泥侵蚀的室内模拟主要有震荡法、波浪水槽法和环形水槽法。震荡法是在三角瓶中装入一定量沉积物和水样，以震荡频率模拟水动力大小。该方法简单易于控制条件且可多组平行，但是体积过小，不能很好的描述底泥侵蚀随风浪增强而递增的趋势。波浪水槽和环形水槽法是采用机械方法产生上覆水的定向流动使底泥发生悬浮。这些方法易于控制条件，但是实验底泥的原状性受到一定破坏，较浅的上覆水与湖泊实际情况差异较大。保持沉积物的原状性非常重要，它不仅关系到暴露于上覆水的界面及其结构的变化影响再悬浮的结果，并且对营养物质的释放量也产生至关重要的影响。在底泥侵蚀实验中，装置的选取及设计至关重要，对结果产生重要影响。故实验装置设计应尽量能够反映实际情况。泥沙在床面(床面层或底层)共有四种状态，即静止、滚动、跳跃和悬浮。其中静止称为床沙，滚动与跳跃称为推移质，悬浮称为悬移质。通常在河流或湖泊上游被侵蚀的底泥会影响到下游水体的水环境特征。故研究侵蚀后底泥的推移质和悬移质的比例、运移特征是了解沉积物在水体或床面传输规律的重要问题。底泥被侵蚀后，会以推移质和悬移质的形式在水体或床面传输。以往研究局限于仅考虑悬移质部分或总侵蚀率。未能将两者分开考虑，从而对底泥起悬后的推移质和悬移质组成缺乏了解。由于底泥侵蚀的实验不易于在野外进行调查研究，这类实验通常在室内实验室进行模拟研究。水动力作用的产生机理主要有波浪和湖流的作用，在实际情况中水流的扰动情况往往受控于波流共同作用。因此，为了使实验情况尽量符合实际，本装置设计了一种可令波流共同作用于底泥的水槽。

实用新型内容实用新型目的本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供了一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，该装置克服了现有技术中外力不可控，无波流模拟和维持底泥原状结构难、缺乏对底泥起悬后推移质和悬移质组成的了解等问题。技术方案本实用新型所述的一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，包括进水箱、扁长形水槽、出水箱、储水箱、柱状泥样管、推移质泥沙捕获装置、悬移质泥沙收集装置和波浪产生装置，所述扁长形水槽的底面分别开有进泥孔和出泥孔，所述出泥孔位于进泥孔的两侧，所述柱状泥样管与进泥孔密封连接，所述出泥孔与推移质泥沙捕获装置密封连接，所述波浪产生装置设置在扁长形水槽的两端，所述波浪产生装置包括造波推板、驱动机构和控制装置，所述驱动机构带动造波推板在扁长形水槽内作活塞式运动，所述控制装置与驱动机构连接，所述进水箱及出水箱内分别设置有插槽，通过插入插板，在所述进水箱及出水箱内设置有第一溢流水箱和第二溢流水箱，所述进水箱的底端出水口与所述扁长形水槽的进水口连接，所述扁长形水槽的出水口与所述出水箱的底端进水口连接，所述储水箱通过水泵与所述进水箱的进水箱进水口连接，所述储水箱内设置有插槽，通过插入溢流板，在所述储水箱内设置有悬移质泥沙收集箱，所述悬移质泥沙收集箱内设置有悬移质泥沙收集装置，所述第一溢流水箱的第一溢流水箱出水口与所述储水箱的储水箱进水口连接，所述第二溢流水箱的第二溢流水箱出水口与所述悬移质泥沙收集箱的悬移质泥沙收集箱进水口连接。进一步完善上述技术方案，所述驱动机构包括电动机、螺旋杆、螺口和推杆；电动机带动螺旋杆正反往复转动，螺旋杆带动与螺口相连的推杆前后运动，推杆带动造波推板前后往复移动，所述控制装置与电动机连接。进一步，所述柱状泥样管内设置有泥柱，所述泥柱的底部通过活塞连接千斤顶，将泥样从下向上顶入扁长形水槽的进泥孔。进一步，所述推移质泥沙捕获装置为斜板沉淀箱，所述斜板沉淀箱的底板通过螺纹旋接在其底部。进一步，所述悬移质泥沙收集装置为设置在悬移质泥沙收集箱内的细纱网，所述细纱网位于悬移质泥沙收集箱进水口的上端。进一步，所述扁长形水槽的上表面开有流速测孔，所述流速测孔内设置有旋桨流速仪。上述装置的工作原理为通过电动机带动螺旋杆往复移动，进而推动造波推板产生波浪，进水箱与出水箱通过配置不同高度的插板控制水槽进出口水位，产生恒定水位差，用水泵实现水循环流动，流速仪通过水槽上部的测孔接入，用千斤顶手动将垂向结构未受到扰动的柱状泥样顶入水槽，使泥样表面受到水流作用，发生侵蚀，用推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集装置分别收集侵蚀后底泥的悬移质和推移质，实现波流共同作用下底泥侵蚀和传输特征的模拟。本实用新型与现有技术相比，其有益效果是(1)利用电动机带动造波推板往复运动，实现了波浪的产生。(2)利用恒定水位差对底泥表面产生恒定的作用力，实现模拟底泥侵蚀效果，克服了外力条件不可控的问题。(3)利用垂向结构未受到扰动的柱状底泥进行侵蚀实验，维持了底泥原有特性，表征底泥的实际侵蚀特性。(4)分别采用不同装置有效收集底泥起悬后的推移质和悬移质，区分侵蚀后底泥在水体或床面运动的悬移质和推移质的组成和比例，揭示底泥运移特征，同时实现了捕获样品的方便收集测量与清洗。(5)可接入旋桨流速仪，精确测量水槽底部流速，实现模拟不同强度水流对底泥的切削作用。

图1是本实用新型结构示意图。图2是所述波浪产生装置示意图。[0016]图3是所述进水箱示意图。图4是上述出水箱示意图。图5是所述推移质泥沙捕获装置示意图。图6是所述储水箱示意图。图中1、进水箱；2、扁长形水槽；3、出水箱；4、储水箱；5、柱状泥样管；6、推移质泥沙捕获装置；7、悬移质泥沙收集装置箱；8、造波推板；9、第一溢流箱；10、第二溢流箱；11、旋桨式流速仪；12、千斤顶；13、活塞；14、千斤顶底座；15、水泵；16、插槽；17、插板；18、细纱网；19、溢流板；20、斜板；21、带螺纹的底板；22、电动机；23、螺旋杆；24、螺口 ；25、推杆；26、进水箱的底端出水口 ；27、出水箱的底端进水口 ；28、第一溢流水箱出水口 ；29、第二溢流水箱出水口 ；30、储水箱出水口 ；31、进水箱进水口 ；32、储水箱进水口 ；33、悬移质泥沙收集装置箱进水口。
具体实施方式
下面对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。如图1至6所示，一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，由进水箱1、扁长形水槽2、出水箱3、储水箱4、柱状泥样管5、推移质泥沙捕获装置6、悬移质泥沙收集装置7和波浪产生装置构成，其中进水箱1、扁长形水槽2、出水箱3、储水箱
4、柱状泥样管5、推移质泥沙捕获装置6、悬移质泥沙收集装置均采用透明有机玻璃材质。扁长形水槽2的底面分别开有I个进泥孔和2个出泥孔，所述出泥孔位于进泥孔的两侧，所述柱状泥样管5与进泥孔通过特定橡皮圈和硅胶密封连接，所述出泥孔与推移质泥沙捕获装置6通过特定橡皮圈和硅胶密封连接，所述波浪产生装置设置在扁长形水槽I的两端，所述波浪产生装置包括造波推板8、电动机22、螺旋杆23、螺口 24、推杆25和电脑控制装置，电动机22带动螺旋杆23正反往复转动,螺旋杆23带动与螺口 24相连的推杆25前后运动，推杆25带动造波推板8前后往复移动，所述电脑控制装置与电动机22连接，控制电动机的转速和转向。所述进水箱I及出水箱3内分别设置有插槽16，通过插入插板17，在所述进水箱I及出水箱3内设置有第一溢流水箱9和第二溢流水箱10，所述进水箱I的底端出水口 26与所述扁长形水槽2的进水口连接，所述扁长形水槽2的出水口与所述出水箱3的底端进水口 27连接，所述储水箱4通过水泵15与所述进水箱I的进水箱进水口 31连接，所述储水箱4内设置有插槽16，通过插入溢流板19，在所述储水箱4内设置有悬移质泥沙收集箱7，所述悬移质泥沙收集箱7内设置有细纱网18，细纱网18位于悬移质泥沙收集箱进水口33的上端，所述第一溢流水箱9的第一溢流水箱出水口 28与所述储水箱4的储水箱进水口32连接，所述第二溢流水箱10的第二溢流水箱出水口 29与所述悬移质泥沙收集箱7的悬移质泥沙收集箱进水口 33连接。水流从储水箱4通过水泵15提升进入进水箱1，一部分直接经过第一溢流箱9回流到储水箱4中；一部分经过扁长形水槽2，出水箱3，第二溢流箱10，流到悬移质泥沙收集装置箱7，再溢流到储水箱4，如此循环运作。进水箱I和出水箱3内利用插入不同高度的插板17和溢流作用，控制进出水箱的恒定水位，实现了在整个测试过程中保持一个常数水头差。通过调节进出水箱的水位差值来改变扁长形水槽2内的流速。造波推板8的移动速度由电动机22控制，经电脑控制装置实现，通过控制造波推板8恒定加速，恒速和恒定减速可模拟出正弦曲线、三角形、正方形、梯形、脉冲等各种简单的波形。这些波形可以简单重复也可叠加，从而模拟各种振荡流和非振荡流。扁长形水槽2前端上部开一个矩形测孔，接入旋桨流速仪11 ;柱状泥样管5内设置有柱状泥样，柱状泥样底部依次连接活塞13、千斤顶12和千斤顶底座14，用来推动柱状泥样缓慢向上移动，移动速度可以手动控制，其目的是始终保持底泥柱状样表面与扁长形水槽2底部保持水平或者稍微超出一点，使得表面泥样受到水流的水平流动剪切作用。底泥侵蚀速率即为柱状泥样管5的上升高度除以实验持续时间。受到侵蚀而运动的底泥主要是泥沙推移质和悬移质。沿水槽底部运动的推移质泥沙通过推移质泥沙捕获装置6收集。推移质泥沙捕获装置6内置斜板20，确保推移质泥沙被装置6捕获后不再进入水体中。推移质泥沙捕获装置6通过螺纹连接底板21，底板可拆卸，方便清理测量已沉淀的底泥。悬移质泥沙收集箱7中固定的细纱网18，过滤沉淀悬移质泥沙，水流通过溢流板19进入储水箱4。本装置具体操作方法如下根据需要模拟的流速设计进出水位的高度，在进水箱I和出水箱3的插槽16中插入相应高度的插板17，根据需要模拟的波浪由电脑控制装置控制，由电动机22带动螺旋杆23转动，进而带动与螺口 24连接的推杆25移动，从而控制造波推板8运动产生波浪。水泵15将储水箱4中水的提升至进水箱I中，水流流经扁长形水槽2，由旋桨流速仪11测得相应的流速，水流推动由千斤顶12顶起的柱状泥样，泥样表面受到水流的水平流动剪切作用，发生侵蚀，推移质泥沙到达一定位置时，滑落至推移质泥沙捕获装置6中得以收集，悬移质泥沙随着水流，经过出水箱3，第二溢流箱10，进入悬移质泥沙收集箱7得以收集，保持进水箱I和出水箱3中的水始终溢流，以维持扁长形水槽2中流速稳定的水流，实现水循环流动。实验进行一段时间后，根据要求计算底泥侵蚀率，分析悬移质和推移质泥沙的物理化学性质，以及组成比例。如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
权利要求1.一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，其特征在于，包括进水箱、扁长形水槽、出水箱、储水箱、柱状泥样管、推移质泥沙捕获装置、悬移质泥沙收集装置和波浪产生装置，所述扁长形水槽的底面分别开有进泥孔和出泥孔，所述出泥孔位于进泥孔的两侧，所述柱状泥样管与进泥孔密封连接，所述出泥孔与推移质泥沙捕获装置密封连接，所述波浪产生装置设置在扁长形水槽的两端，所述波浪产生装置包括造波推板、驱动机构和控制装置，所述驱动机构带动造波推板在扁长形水槽内作活塞式运动，所述控制装置与驱动机构连接，所述进水箱及出水箱内分别设置有插槽，通过插入插板，在所述进水箱及出水箱内设置有第一溢流水箱和第二溢流水箱，所述进水箱的底端出水口与所述扁长形水槽的进水口连接，所述扁长形水槽的出水口与所述出水箱的底端进水口连接，所述储水箱通过水泵与所述进水箱的进水箱进水口连接，所述储水箱内设置有插槽，通过插入溢流板，在所述储水箱内设置有悬移质泥沙收集箱，所述悬移质泥沙收集箱内设置有悬移质泥沙收集装置，所述第一溢流水箱的第一溢流水箱出水口与所述储水箱的储水箱进水口连接，所述第二溢流水箱的第二溢流水箱出水口与所述悬移质泥沙收集箱的悬移质泥沙收集箱进水口连接。
2.根据权利要求1所述的一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，其特征在于，所述驱动机构包括电动机、螺旋杆、螺口和推杆；电动机带动螺旋杆正反转动，螺旋杆带动与螺口相连的推杆前后运动，推杆带动造波推板前后往复移动，所述控制装置与电动机连接。
3.根据权利要求1所述的一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，其特征在于，所述柱状泥样管内设置有泥柱，所述泥柱的底部通过活塞连接千斤顶，将泥样从下向上顶入扁长形水槽的进泥孔。
4.根据权利要求1所述的一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，其特征在于，所述推移质泥沙捕获装置为斜板沉淀箱，所述斜板沉淀箱的底板通过螺纹旋接在其底部。
5.根据权利要求1所述的一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，其特征在于，所述悬移质泥沙收集装置为设置在悬移质泥沙收集箱内的细纱网，所述细纱网位于所述悬移质泥沙收集箱进水口的上端。
6.根据权利要求1所述的一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，其特征在于，所述扁长形水槽的上表面开有流速测孔，所述流速测孔内设置有旋桨流速仪。
专利摘要本实用新型公开一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，包括进水箱、扁长形水槽、出水箱、储水箱、柱状泥样管、推移质泥沙捕获装置、悬移质泥沙收集装置和波浪产生装置；通过同时用电脑控制装置和电动机带动造波推板往复运动，从而产生特定波形，进水箱和出水箱通过配置不同高度的插板控制水槽进出口水位，用千斤顶将垂向结构未受到扰动的柱状泥样顶入水槽，泥样表面发生侵蚀，用泥沙收集装置分别收集悬移质和推移质，模拟底泥侵蚀特征，揭示底泥床面运移特征，克服了外力条件不可控、无波浪模拟和很难维持底泥原状结构的问题。
文档编号G01N33/24GK202854131SQ20122047247
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者李一平, 唐春燕, 王莹, 滑磊, 郝文彬, 杜薇, 赵坤, 陈平, 王静雨, 万榆, 邱利, 薛偲琪, 卫朴, 栾号 申请人:河海大学