[发明专利]温差倒灌异重流发生及运动规律的试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种温差倒灌异重流发生及运动规律的试验装置及方法。 

背景技术

异重流的发现和研究由来己久，按照其底坡相对于异重流运动方向的不同，可分为顺坡异重流和反坡异重流。迄今为止，从理论分析、模型试验到数值模拟等方面，国内外学者对顺坡异重流开展了大量研究，成果也在工程实践中得到了广泛应用，取得了显著效益。由于反坡异重流的普遍性和规模本身没有顺坡异重流广泛，因而目前对反坡异重流的研究尚不多见。在对三峡水库及典型支流库湾长期研究中发现，由于三峡水库蓄水后，支流回水区表底温差显著，干支流存在水温差及泥沙浓度差，因此干流水体以倒灌异重流形式进入库湾，使得大部分支流库湾存在明显的反坡倒灌异重流。倒灌异重流的存在使干、支流间水体交换量及影响范围增大，水体的交换可改变支流水流特性、营养盐浓度及分布、光学特性、水温分层等，从而改变支流库湾水体富营养化和水华情势。目前对普遍存在支流库湾中的倒灌温差异重流除了现场监测及数值模拟等初步分析之外，有必要在室内重现倒灌异重流现象，进一步认识和研究倒灌异重流的产生条件和运动规律。 

发明内容

本发明的目的是提供一种温差倒灌异重流发生及运动规律的试验装置及方法，既能重现野外监测到的温差倒灌异重流现象，也能弥补野外监测时效性和同步性的不足以及监测能力的限制，精细分析倒灌异重流的产生条件和运动规律。

本发明的目的是这样实现的： 一种温差倒灌异重流发生及运动规律试验装置，包括供水装置和试验水槽，试验水槽由进水段、观测段和尾水段构成，试验水槽的槽底为坡状，在进水段与观测段之间设置有隔板，在进水段与供水装置连接处的进水口设置有消能栅，在尾水段设有排水管，在观测段段面上设有流速仪和温度记录监控器，在试验水槽一侧设置有摄像机滑道，在试验水槽另一侧设有多个监控相机。

隔板采用有机玻璃制成，在其两侧设有密封条，隔板可在试验水槽内上下滑动。

供水装置由一个配水塔和配水箱构成，在配水塔内装有加热装置，用来加热试验用水。

槽底是一沿水流方向逆向且坡度可变的底坡，槽底由有机玻璃盖板和砂质底坡构成。

一种进行底部倒灌异重流试验的方法，包括以下步骤：

（1）入侵水体配制：将冰块溶解在配水箱的清水中，调至试验所需温度，再加入高锰酸钾染色；

（2）水槽环境水体准备：待水槽中清水静置后插上有机玻璃挡板，向进水段水体中加入冰块和高锰酸钾，使其温度及水体浓度均与配水箱中水体一致；

（3）观测仪器设备调试：将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好参数；同时，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位，并由专人进行拍摄；摄像机放入专用支架； 

（4）进行试验并观测：选择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。

一种进行表层倒灌异重流试验，包括以下步骤：

（1）入侵水体配制：将热水与常温水混合，得到水温高于常温水的混合水体，再加入高锰酸钾染色；

（2）水槽环境水体准备：待水槽中清水静置后插上有机玻璃挡板，向进水段水体中加入冰块和高锰酸钾，使其温度及水体浓度均与配水箱中水体一致；

（3）观测仪器设备调试：将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好参数；同时，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位，并由专人进行拍摄；摄像机放入专用支架； 

（4）进行试验并观测：选择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。

一种进行中层倒灌异重流试验，包括以下步骤：