[发明专利]一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型及实验方法

说明书

本发明涉及一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型及实验方法，属于水利水电工程中水环境研究技术领域。该方法在实验室内通过控制入流的含沙量、水温以及环境水体的初始垂向水温分布来模拟含沙水流对水库垂向水温的影响。采用PIV二维流场测量装置，有效地捕捉含沙水流形成异重流前锋的流场分布，为数值模拟的模型验证提供重要的流场验证资料。实验采用石英砂模拟含沙水流中的悬沙，成功模拟含沙水形成底部异重流、间层异重流对水温结构的影响。加热装置采用电热棒在水温温跃层位置加热，加热速度较现有的灯光加热方式速度更快，且方便控制温跃层位置，能够更加准确地控制初始温度场。

技术领域

本发明涉及水利水电工程水环境研究领域，具体涉及一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型及实验方法。

背景技术

水利工程的建设尤其是大型高坝水库的建设对流域的防洪、供水、发电和航运等提供了强有力的保障。我国各大流域相继开发利用水能资源，特别是梯级电站的开发，改变了河流的天然径流属性，受干扰河段的水温时空变化过程发生显著改变，水库库区垂向温度出现分层结构，下泄水温较天然历史水温出现明显的均化效应、延迟效应和春夏季低温水、秋冬季高温水的现象。大量研究资料表明，水温过程的变异对水库库区及下游河道的生态系统产生深远影响。

水库的库区水温变化和下泄水温过程的变幅，主要与上游来流量、水库调度方式、气温、水面热交换等诸多因素有关，属于复杂的热力学问题。汛期连续降雨，上游洪水携带大量泥沙进入温度分层的水库，来流含沙水与库内清水形成密度差，并由此产生压力差形成异重流下潜，可能会形成底部异重流、间层流或者表面异重流继续向前行进，破坏库区的温度分层结构。若前锋运动至坝前不能及时排除，会在坝前涌高爬升，进一步破坏坝前水温分层结构，影响下泄水温。水温和泥沙耦合的相互作用机理复杂，它涉及到环境水力学、生态学、水工水力学等许多领域，其研究难度极大，目前，关于此机理的研究仍较为匮乏。

含沙水流对温度分层型水库水温结构影响的原型观测成本高，且难以捕捉到含沙水流形成的异重流对库区水温的影响过程，观测时机难以把握。因此，本课题组提出一种含沙水流对温度分层型水库水温的物理模型实验研究的新方法，在实验室内通过控制入流的含沙量和水温以及环境水体的初始垂向水温分布模拟含沙水流对水库垂向水温的影响，通过室内物理模型实验结果揭示泥沙和水温的相互耦合作用机理，以及入流水温、含沙量对库区水温影响程度。

发明内容

本发明提出一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型实验方法。该方法用在实验室内通过控制入流的含沙量和水温以及环境水体的初始垂向水温分布模拟含沙水流对水库垂向水温的影响，通过室内物理模型实验结果揭示泥沙和水温的相互耦合作用机理，以及入流水温、含沙量对库区水温影响程度。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，它包括用于制备和提供含沙水的进水循环系统，所述进水循环系统和用于模拟分层型水库实验的实验水槽系统相连，所述实验水槽系统与出水系统相连，所述进水循环系统和实验水槽系统上设置有温度监测装置和流场监测装置。

所述进水循环系统包括含沙水制备箱，所述含沙水制备箱内部连通有出水管，所述出水管上依次安装有离心泵和流量计，所述离心泵和流量计之间的管路上通过三通管连接有第一循环管，所述第一循环管上安装有第一阀门；所述含沙水制备箱的内部安装有两个双层螺旋杆搅拌器。

所述实验水槽系统包括进水箱，所述进水箱的顶部设置有进水管，所述进水管与进水循环系统的出水管末端相连，所述进水管上安装有第二阀门，所述进水箱的顶部出水口设置有进水挡板，所述出水口与模型水槽相连，所述模型水槽的尾部通过三个高度不同的第一出水管、第二出水管和第三出水管与出水系统的出水箱相连，且在每个出水管上都各自安装有出口阀门。

所述进水箱的侧面安装有溢流箱，所述进水箱和溢流箱的底部分别连通有第一排水管和第二排水管，所述第一排水管上安装有第三阀门；所述第一排水管和第二排水管都与出水系统的总排水管相连，所述总排水管与出水箱相连。