河道型水库干支流水体交换研究的实验装置及实验方法与流程

本发明涉及水力学实验领域，特别涉及河道型水库干支流水体交换研究的实验装置及实验方法。

背景技术：

大型水利工程，在防洪、发电、航运等多个方面发挥巨大效益。但是大坝的修建，使得坝前水体由原来的天然河道变为河道型水库，库区的水流结构发生了巨大的变化，库区水动力条件和水质要素出现了明显的时空特征。在大坝蓄水成库后，库区的支流受干流顶托作用，出现了不同程度的回水河段，形成库湾水域，流速减缓，使得库湾支流常出现不同程度的水质问题(如水华)。众所周知，在水环境系统中的各种物质成分(如营养盐、污染物、悬浮颗粒及溶解性气体)都以水体为载体，其输运规律以及生化过程都与水域的水动力条件密切相关，水动力良好的水域，营养物质很难堆积，藻类物质很难迅速繁殖，水域能保持理想的水质，因此，探讨水库干支流水体的交换规律对库湾支流水环境的防治具有重要意义。

研究表明，影响水库干支流水体的交换的外界因素众多，主要有：(1)水库调度，如坝前蓄水位、坝前水位日升幅、坝前水位日降幅；(2)水动力条件，如支流上游来流量、干流上游来流量；(3)水文气象条件，如库湾与干支流水温差、风速和风向等。

对于干支流水体交换影响机理的研究，现有技术常采用原型观测，室内模型实验以及数值模拟等方法。但由于干支流水体交换影响因子的因素众多，这些研究手段均在不同程度上存在困难和局限性，具体表现在：

(1)原型观测。该方法成本较高，观测极为不便，考虑库区支流众多且狭长，观测者的数据采集工作量巨大，且水库调度工况、干支流水动力条件以及水文气象条件等诸多物理因素存在不可重复性或不可控制性；

(2)室内物理模型实验。物理模型实验主要受场地条件的限制，开展大比尺模型实验工作较难，而小比尺物理模型实验又不能较好的解决因相似率问题带来误差；

(3)数值模拟。该方法能积极原型观测中物理因素不可重复和控制的不足，然由于计算区域较大，若建立一维或二维模型，则不能很好的反应库区干支流复杂的水动力场，使得结果可信度降低；若建立三维模型，则大大增加了计算时间，且干支流水体交换时间的影响因子众多，工作效率和结果的准确性得不到保障。

因此，需要设计一种新型实验装置来弥补已有技术不足，能够满足不同影响因子与干支流水体交换的研究需求，为库湾支流水环境的防治问题提供技术支撑。

技术实现要素：

本发明的目的旨在克服现有技术的缺陷，提出一种河道型水库干支流水体交换研究的实验装置及实验方法；该装置和方法应能实现对不同影响因子与干支流水体交换的响应关系，并具有操作简单、重复利用率高的特点。

本发明技术方案是：一种适用于河道型水库干支流水体交换研究的实验装置,其特征在于该装置包括水体交换实验单元、供回水单元以及外部衔接槽；

所述的水体交换实验单元包括一号恒温水槽、二号恒温水槽，其中一号恒温水槽的出口与所述二号恒温水槽的左侧垂直连通；

所述的供回水单元包括蓄水箱、一号水池、二号水池、回水池以及恒温水管，其中一号水池、二号水池以及回水池分别与一号恒温水槽入口、二号恒温水槽入口以及二号恒温水槽出口连通；所述蓄水箱包括一号盐水箱、一号清水箱、二号盐水箱、二号清水箱；一号盐水箱和一号清水箱均通过一带有流量计的恒温水管与所述一号水池连通，二号盐水箱和二号清水箱也通过另一带有流量计的恒温水管与二号水池连通；所述一号盐水箱和二号盐水箱设置有加热仪、温度计和浓度仪，所述一号清水箱和二号清水箱设置有温度计和加热仪；所述外部衔接槽包括一号衔接槽和二号衔接槽；其中一号衔接槽布设于一号恒温水槽的顶部；二号衔接槽的一端与所述一号衔接槽连接，另一端位于二号恒温水槽右侧槽面顶部，且二号恒温水槽与一号衔接槽具有相同的高度和宽度，二号衔接槽的长度与二号恒温水槽的宽度相同。

进一步地，所述回水池设有闸门调控室，所述闸门调控室包括闸门、数字计算机以及根据数字计算机指令设置闸门开度的调控仪；其中所述闸门位于回水池与二号恒温水槽的连接处。

进一步地，所述一号衔接槽顶部左侧边沿和右侧边沿分别均匀布设有若干个一号风机和二号风机，所述二号衔接槽顶部中心布设有三号风机；所述一号风机、二号风机、三号风机的风速和风向均由风机调节仪控制。

进一步地，所述一号风机和二号风机风口喷出的气流方向指向一号恒温水槽下游，所述三号风风口喷出的气流方向指向一号恒温水槽的上游；并且，所述一号风机和二号风机风口喷出的气流方向与一号衔接槽槽顶平面形成30°～45°俯角，三号风机风口喷出的气流方向与一号衔接槽槽顶平面和二号衔接槽槽顶平面成30°～45°俯角。

再进一步地，所述一号风机可从一号衔接槽顶部左侧边沿开始，在所处平面顺时针旋转0°～90°；所述二号风机可从一号衔接槽顶部右侧边沿开始，在所处平面逆时针旋转0°～90°；所述三号风机可从所喷出的气流轴线开始，在所处平面顺时和逆时针旋转0°～90°；所述平面是各风机风口喷出的气流轴线沿着恒温水槽宽度方向移动形成的平面。

所述一号衔接槽顶部中心线均匀设有若干个圆形孔，以通过该孔在一号衔接槽内放置及固定浓度仪和流速仪。

优选地，所述一号恒温水槽和二号恒温水槽的两侧槽面(即槽壁)采用玻璃制造，并且在槽面上均标识水深刻度值。

利用河道型水库干支流水体交换研究的实验装置进行干支流水体交换影响因子研究的实验方法，依照如下步骤进行：

步骤1.对一号盐水箱、一号清水箱、二号盐水箱以及二号清水箱(4个水箱)中的水体进行加热，得到温度相同{一号盐水箱、一号清水箱、二号盐水箱、二号清水箱中的温度依次为t、t、t、t}、浓度不同{一号盐水箱、一号清水箱、二号盐水箱、二号清水箱中水的浓度依次为1、0、1、0kg/m³}的实验水体；

步骤2.开启一号盐水箱与一号水池间的流量计、经一号水池向一号恒温水槽输送流量为q1的盐水；开启二号盐水箱与二号水池间的流量计，经二号水池向二号恒温水槽输送流量为q2的盐水(向两个恒温水槽输送盐水)；通过调控仪调节闸门开度，确定闸前水位h；利用流速仪测量一号恒温水槽中心线不同位置不同水深的流速，确保一号恒温水槽和二号恒温水槽中的是温度为t、浓度为1kg/m³，且具有稳定流态的水体。

步骤3.当水体交换实验区形成稳定流态后，通过调节流量计、闸门开度、风机以及加热清水箱的水体，实现干支流水体交换影响因子的研究，具体如下：

(1)当模拟支流来流量与干支流水体交换的响应关系时，固定闸门开度，确保闸前水位h不变，关闭二号盐水箱与二号水池间的流量计，开启二号清水箱与二号水池间的流量计，向二号恒温水槽输送流量为q2的清水，关闭一号盐水箱与一号水池间的流量计，根据支流来流量q支的工况设置要求，调节一号清水箱与一号水池间的流量计，向二号恒温水槽输送流量为q支的清水。利用浓度仪，得到一号恒温水槽中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化；

(2)当模拟干流来流量与干支流水体交换的响应关系时，固定闸门开度，确保闸前水位h不变，关闭一号盐水箱与一号水池间的流量计，开启一号清水箱与一号水池间的流量计，向一号恒温水槽输送流量为q1的清水，关闭二号盐水箱与二号水池间的流量计，根据支流来流量q干的工况设置要求，调节二号清水箱与二号水池间的流量计，向二号恒温水槽输送流量为q干的清水。利用浓度仪，得到一号恒温水槽中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化；

(3)当闸前水位与干支流水体交换的响应关系时，根据闸前水位h的工况设置要求，重复步骤2。当一号恒温水槽和二号恒温水槽中得到闸前不同水位工况下稳定的流态后，关闭一号盐水箱与一号水池间以及二号盐水箱与二号水池间的流量计，开启一号清水箱与一号水池间以及二号清水箱与二号水池间的流量计，分别向一号恒温水槽和二号恒温水槽输送流量为q1和q2的清水。利用浓度仪，得到一号恒温水槽中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化；

(4)当模拟闸前水位变化过程与干支流水体交换的响应关系时，根据闸前水位变化过程工况，将各工况的水位过程线输入数字计算机，调控仪接收到数字计算机的指令后自动设置闸门的开度变化过程，关闭一号盐水箱与一号水池间以及二号盐水箱与二号水池间的流量计，开启一号清水箱与一号水池间以及二号清水箱与二号水池间的流量计，分别向一号恒温水槽和二号恒温水槽输送流量为q1和q2的清水。利用浓度仪，得到一号恒温水槽中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化；

(5)当水温与干支流水体交换的响应关系时，根据水温t的工况设置要求，在步骤1时，加热一号清水箱或二号清水箱，得到水温为t支或t干的实验水体。待完成步骤2后，关闭一号盐水箱与一号水池间以及二号盐水箱与二号水池间的流量计，开启一号清水箱与一号水池间以及二号清水箱与二号水池间的流量计，分别向一号恒温水槽和二号恒温水槽输送流量为q1和q2的清水。利用浓度仪，得到一号恒温水槽中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化；

(6)当风力与干支流水体交换的响应关系时，根据风力w的工况设置要求，选择启动一号风机、二号风机或者三号风机。同时，关闭一号盐水箱与一号水池间以及二号盐水箱与二号水池间的流量计，开启一号清水箱与一号水池间以及二号清水箱与二号水池间的流量计，分别向一号恒温水槽和二号恒温水槽输送流量为q1和q2的清水。利用浓度仪，得到一号恒温水槽中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用水体交换实验单元、供回水单元以及外部衔接槽实现了干支流水体交换的室内实验，该装置具有操作简单，重复利用率高等优点。同时，通过调节流量计、闸门开度、风机以及加热清水箱的水体，可实现干支流来流量、闸前水位、闸前水位变化过程、风速、风向以及干支流水温等因子与干支流水体交换响应关系的研究。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图。

图2为本发明中蓄水箱与一号恒温水槽、二号恒温水槽衔接结构图(俯视)。

图3为本发明中外部衔接槽与一号恒温水槽、二号恒温水槽衔接的立体结构示意图。

图4为本发明中外部衔接槽与一号恒温水槽、二号恒温水槽衔接的主视结构示意图。

图5为本发明中一号风机、二号风机以及三号风机的布设位置及方向的立体结构示意图。

图中有：1-一号恒温水槽，2-二号恒温水槽，3-外部衔接槽，3a-一号衔接槽，3b-二号衔接槽，4-一号水池，5-二号水池，6-回水池，7-闸门调控室，7a-闸门，7b-调控仪，7c-数字计算机，8-蓄水箱，8a-一号盐水箱、8b-一号清水箱、8c-二号盐水箱、8d-二号清水箱，9a-一号风机、9b-二号风机、9c-三号风机，10-圆形孔，11-恒温水管，12-流量计，13-加热仪，14-温度计，15-浓度仪，16-流速仪。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步的描述，但本发明不限于以下实施例。

实施例1

如图1所示，一种适用于河道型水库干支流水体交换研究的实验装置，其特征在于该装置包括水体交换实验单元、供回水单元以及外部衔接槽3。水体交换实验单元包括一号恒温水槽1、二号恒温水槽2。其中，一号恒温水槽1的出口与所述二号恒温水槽2的左侧垂直连通(左侧、右侧依照水流方向确定，即面向水流流出方向确定；以下同)。同时，一号恒温水槽1和二号恒温水槽2的两侧槽面(即槽壁)采用玻璃制造，并且在槽面上均标识水深刻度值；供回水单元包括蓄水箱8、一号水池4、二号水池5、回水池6以及恒温水管11。其中，一号水池4、二号水池5以及回水池6分别与一号恒温水槽1入口、二号恒温水槽2入口以及二号恒温水槽2出口连通；蓄水箱包括一号盐水箱8a、一号清水箱8b、二号盐水箱8c、二号清水箱8d。其中，一号盐水箱8a和一号清水箱8b均通过恒温水管11与一号水池4连通，二号盐水箱8c和二号清水箱8d均通过恒温水管11与二号水池5连通，且恒温水管11与一号水池4和二号水池5连接处均设有流量计12。同时，一号盐水箱8a和二号盐水箱8c设置有加热仪13、温度计14和浓度仪15；一号清水箱8b和二号清水箱8d设置有温度计14和加热仪13(参见图2)；外部衔接槽包括一号衔接槽3a和二号衔接槽3b。其中，一号衔接槽3d布设于一号恒温水槽1的顶部，二号衔接槽3b一端与一号衔接槽3a连接，另一端位于二号恒温水槽2右侧槽面顶部，且一号衔接槽3a与二号恒温水槽2具有相同的高度和宽度，二号衔接槽3b的长度与二号恒温水槽2的宽度相同。

同时，回水池6设有闸门调控室7。调控室7包括闸门7a、调控仪7b以及数字计算机7c。其中，闸门7a位于回水池6与二号恒温水槽2的连接处，调控仪7b位于闸门调控室7a的顶部，数字计算机7c向调控仪7b输入水位变化过程指令后，调控仪7b可自动设置闸门7a的开度变化过程。

如图3所示，一号衔接槽3a顶部左侧(即图1中的上侧)和右侧(即图1中的下侧)边沿分别均匀布设有若干个(图中显示5个)一号风机9a和二号风机9b，二号衔接槽3b顶部中心布设有三号风机9c，一号风机9c、二号风机9b、三号风机9c的风速和风向由风机调节仪9d控制。一号衔接槽3a顶部中心线均匀设有若干个(优选8个)圆形孔10。

如图4所示，一号风机9a和二号风机9b风口喷出的气流方向指向一号恒温水槽1下游，三号风机9c风口喷出的气流方向指向一号恒温水槽1的上游。同时，一号风机9a、二号风机9b风口喷出的气流方向与一号衔接槽3a槽顶平面成35°俯角a，三号风机9c与二号衔接槽3b槽顶平面成35°俯角b。同时，一号风机9a可在所处平面顺时针旋转(图5中箭头e所示方向旋转)0°～90°，二号风机9b可在所处平面逆时针旋转(图5中箭头f所示方向旋转)0°～90°，三号风机9c可在所处平面顺时和逆时针旋转0°～90°。所述平面是各风机风口喷出的气流轴线沿着恒温水槽宽度方向移动形成的平面；例如：一号风机9a风口喷出的气流轴线9a1沿着恒温水槽宽度方向移动形成的平面为9a2(图5中,二号风机9b风口喷出的气流轴线9b1沿着恒温水槽宽度方向移动形成的平面，与平面9a2重合),三号风机9c风口喷出的气流轴线9c1沿着恒温水槽宽度方向移动形成的平面9c2)。同时，经圆形孔10可向所述一号恒温水槽1内放置和固定浓度仪15和流速仪16。

此外，本实验装置中，输入回水池6的水，可通过另外铺设的管路输回到蓄水箱8进行回用(一般只能作为一号盐水箱8a和二号盐水箱8c配水)。

本发明一种河道型水库干支流水体交换研究的实验装置方法，依照如下步骤进行：

步骤1.对一号盐水箱8a、一号清水箱8b、二号盐水箱8c以及二号清水箱8d中的水体进行加热，得到温度t{一号盐水箱8a、一号清水箱8b、二号盐水箱8c、二号清水箱8d＝t、t、t、t}℃、浓度c{一号盐水箱8a、一号清水箱8b、二号盐水箱8c、二号清水箱8d＝1、0、1、0}kg/m³的实验水体；

步骤2.开启一号盐水箱8a与一号水池4间的流量计12、经一号水池4向一号恒温水槽1输送流量为q1的盐水；开启二号盐水箱8c与二号水池5间的流量计12，经二号水池12向二号恒温水槽2输送流量为q2的盐水；通过调控仪7b调节闸门7a开度，确定闸前水位h；利用流速仪16测量一号恒温水槽1中心线不同位置不同水深的流速，确保一号恒温水槽1和二号恒温水槽2中的是温度为t、浓度为1kg/m³，且具有稳定流态的水体(盐水水体)。

步骤3.当水体交换实验区形成稳定流态后，通过调节流量计12、闸门7a开度、风机以及加热清水箱的水体，实现干支流水体交换影响因子的研究，具体如下：

(1)当模拟支流来流量与干支流水体交换的响应关系时，固定闸门7a开度，确保闸前水位h不变，关闭二号盐水箱8c与二号水池5间的流量计，开启二号清水箱8d与二号水池5间的流量计12，向二号恒温水槽2输送流量为q2的清水，关闭一号盐水箱8a与一号水池4间的流量计12，根据支流来流量q支的工况设置要求，调节一号清水箱8b与一号水池4间的流量计12，向二号恒温水槽2输送流量为q支的清水。利用浓度仪15，得到各支流量工况下一号恒温水槽1中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化；

(2)当模拟干流来流量与干支流水体交换的响应关系时，固定闸门7a开度，确保闸前水位h不变，关闭一号盐水箱8a与一号水池4间的流量计12，开启一号清水箱8b与一号水池4间的流量计12，向一号恒温水槽1输送流量为q1的清水，关闭二号盐水箱8c与二号水池5间的流量计12，根据支流来流量q干的工况设置要求，调节二号清水箱8d与二号水池5间的流量计12，向二号恒温水槽2输送流量为q干的清水。利用浓度仪15，得到各干流量工况下一号恒温水槽1中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化；

(3)当模拟闸前水位与干支流水体交换的响应关系时，根据闸前水位h的工况设置要求，重复步骤2。当一号恒温水槽1和二号恒温水槽2中得到闸前不同水位工况下稳定的流态后，关闭一号盐水箱8a与一号水池4间以及二号盐水箱8c与二号水池5间的流量计12，开启一号清水箱8b与一号水池4间以及二号清水箱8d与二号水池5间的流量计12，分别向一号恒温水槽1和二号恒温水槽2输送流量为q1和q2的清水。利用浓度仪15，得到一号恒温水槽1中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化；

(4)当模拟闸前水位变化过程与干支流水体交换的响应关系时，根据闸前水位变化过程工况，将各工况的水位过程线输入数字计算机7c，调控仪7b接收到数字计算机7c的指令后自动设置闸门7a的开度变化过程，关闭一号盐水箱8a与一号水池4间以及二号盐水箱8c与二号水池5间的流量计12，开启一号清水箱8b与一号水池4间以及二号清水箱8d与二号水池5间的流量计12，分别向一号恒温水槽1和二号恒温水槽2输送流量为q1和q2的清水。利用浓度仪15，得到一号恒温水槽1中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化；

(5)当模拟水温与干支流水体交换的响应关系时，根据水温t的工况设置要求，在步骤1时，加热一号清水箱8b或二号清水箱8c，得到水温为t支或t干的实验水体。待完成步骤2后，关闭一号盐水箱8a与一号水池4间以及二号盐水箱8c与二号水池5间的流量计12，开启一号清水箱8b与一号水池4间以及二号清水箱8d与二号水池5间的流量计12，分别向一号恒温水槽1和二号恒温水槽2输送流量为q1和q2的清水。利用浓度仪15，得到一号恒温水槽1中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化；

(6)当模拟风力与干支流水体交换的响应关系时，根据风力w的工况设置要求，选择启动一号风机9a、二号风机9b或者三号风机9c。同时，关闭一号盐水箱8a与一号水池4间以及二号盐水箱8c与二号水池5间的流量计12，开启一号清水箱8b与一号水池4间以及二号清水箱8d与二号水池5间的流量计12，分别向一号恒温水槽1和二号恒温水槽2输送流量为q1和q2的清水。利用浓度仪15，得到一号恒温水槽1中心不同位置不同水深水体浓度随时间的变化。

上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，但是本发明并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。