[发明专利]一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及浅水湖泊和河流系统水体生态环境模拟技术领域，特别是利用矩形水槽模拟河流和湖泊在不同水动力强度扰动下的底泥侵蚀和再悬浮特征，推移质和悬移质比例，以及底泥传输特征的方法和装置。 

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。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。 

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的方法和装置，该装置克服了现有技术中外力不可控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：本发明所述的一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的方法，在垂直方向结构未受到扰动的柱状底泥表面，施加不同的恒定水流冲刷力，使柱状底泥在不同水动力作用下发生侵蚀，实现不同水动力强度扰动下的底泥侵蚀的模拟；同时分别捕获侵蚀后底泥中的悬移质和推移质，实现底泥侵蚀后传输特征的模拟。 

根据上述方法设计的一种矩形水槽模拟底泥侵蚀和传输特征的装置，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和悬移质泥沙收集装置，所述进水箱及出水箱内设置进水箱插槽与出水箱插槽，通过插入进水箱插板与出水箱插板，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，所述储水箱通过水管与水泵的进水管连接，所述水泵的出水管通过水管与所述进水箱的进水箱进水口连接，所述储水箱内设置有储水箱插槽，通过插入储水箱插板，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，所述扁长形水槽的下表面开有进泥孔和出泥孔，所述进泥孔与柱状泥样管的一端密封连接，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。 

通过在所述进水箱和出水箱内配置不同高度的进水箱插板和出水箱插板控制扁长形水槽进水口与出水口的水位，同时利用水泵实现水循环流动，用推移质泥沙捕获装置和悬移质泥沙收集装置分别收集悬移质和推移质。 

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，通过所述千斤顶将泥柱样从下向上顶入所述进泥孔。 

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，所述细纱网位于所述悬移质泥沙收集箱进水口的上端。 

为方便测量所述扁长形水槽内的水体流速，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。