專利名稱：溫差倒灌異重流發(fā)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的試驗(yàn)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫差倒灌異重流發(fā)生及 運(yùn)動(dòng)規(guī)律的試驗(yàn)裝置及方法。
背景技術(shù)：
異重流的發(fā)現(xiàn)和研究由來己久，按照其底坡相對(duì)于異重流運(yùn)動(dòng)方向的不同，可分為順坡異重流和反坡異重流。迄今為止，從理論分析、模型試驗(yàn)到數(shù)值模擬等方面，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)順坡異重流開展了大量研究，成果也在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，取得了顯著效益。由于反坡異重流的普遍性和規(guī)模本身沒有順坡異重流廣泛，因而目前對(duì)反坡異重流的研究尚不多見。在對(duì)三峽水庫及典型支流庫灣長期研究中發(fā)現(xiàn)，由于三峽水庫蓄水后，支流回水區(qū)表底溫差顯著，干支流存在水溫差及泥沙濃度差，因此干流水體以倒灌異重流形式進(jìn)入庫灣，使得大部分支流庫灣存在明顯的反坡倒灌異重流。倒灌異重流的存在使干、支流間水體交換量及影響范圍増大，水體的交換可改變支流水流特性、營養(yǎng)鹽濃度及分布、光學(xué)特性、水溫分層等，從而改變支流庫灣水體富營養(yǎng)化和水華情勢(shì)。目前對(duì)普遍存在支流庫灣中的倒灌溫差異重流除了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬等初歩分析之外，有必要在室內(nèi)重現(xiàn)倒灌異重流現(xiàn)象，進(jìn)ー步認(rèn)識(shí)和研究倒灌異重流的產(chǎn)生條件和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種溫差倒灌異重流發(fā)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的試驗(yàn)裝置及方法，既能重現(xiàn)野外監(jiān)測(cè)到的溫差倒灌異重流現(xiàn)象，也能彌補(bǔ)野外監(jiān)測(cè)時(shí)效性和同步性的不足以及監(jiān)測(cè)能力的限制，精細(xì)分析倒灌異重流的產(chǎn)生條件和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種溫差倒灌異重流發(fā)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)裝置，包括供水裝置和試驗(yàn)水槽，試驗(yàn)水槽由進(jìn)水段、觀測(cè)段和尾水段構(gòu)成，試驗(yàn)水槽的槽底為坡狀，在進(jìn)水段與觀測(cè)段之間設(shè)置有隔板，在進(jìn)水段與供水裝置連接處的進(jìn)水口設(shè)置有消能柵，在尾水段設(shè)有排水管，在觀測(cè)段段面上設(shè)有流速儀和溫度記錄監(jiān)控器，在試驗(yàn)水槽ー側(cè)設(shè)置有攝像機(jī)滑道，在試驗(yàn)水槽另ー側(cè)設(shè)有多個(gè)監(jiān)控相機(jī)。隔板采用有機(jī)玻璃制成，在其兩側(cè)設(shè)有密封條，隔板可在試驗(yàn)水槽內(nèi)上下滑動(dòng)。供水裝置由ー個(gè)配水塔和配水箱構(gòu)成，在配水塔內(nèi)裝有加熱裝置，用來加熱試驗(yàn)用水。槽底是一沿水流方向逆向且坡度可變的底坡，槽底由有機(jī)玻璃蓋板和砂質(zhì)底坡構(gòu)成。一種進(jìn)行底部倒灌異重流試驗(yàn)的方法，包括以下步驟
(O入侵水體配制將冰塊溶解在配水箱的清水中，調(diào)至試驗(yàn)所需溫度，再加入高錳酸鉀染色；
(2)水槽環(huán)境水體準(zhǔn)備待水槽中清水靜置后插上有機(jī)玻璃擋板，向進(jìn)水段水體中加入冰塊和高錳酸鉀，使其溫度及水體濃度均與配水箱中水體一致；
(3)觀測(cè)儀器設(shè)備調(diào)試將流速儀架在異重流潛入點(diǎn)附近，設(shè)置好參數(shù)；同吋，檢查每個(gè)斷面處的溫度計(jì)探頭放入深度是否合理，并校正溫度監(jiān)控器讀數(shù)；將照相機(jī)放在固定的機(jī)位，并由專人進(jìn)行拍攝；攝像機(jī)放入專用支架；
(4)進(jìn)行試驗(yàn)并觀測(cè)選擇試驗(yàn)所需功率潛水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并啟動(dòng)潛水泵，用攝像機(jī)沿滑道移動(dòng)跟蹤拍攝異重流頭部，以記錄異重流到達(dá)各斷面的所用時(shí)間，每隔一定時(shí)間同步記錄一次各斷面倒灌異重流厚度，試驗(yàn)后應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)讀取倒灌異重流潛入過程中頭部到達(dá)各觀測(cè)斷面時(shí)間及沿程厚度等資料，流速儀及溫度監(jiān)控器則分別持續(xù)記錄潛入點(diǎn)附近異重流流速及各斷面分層溫度。一種進(jìn)行表層倒灌異重流試驗(yàn)，包括以下步驟
Cl)入侵水體配制將熱水與常溫水混合，得到水溫高于常溫水的混合水體，再加入高錳酸鉀染色；
(2)水槽環(huán)境水體準(zhǔn)備待水槽中清水靜置后插上有機(jī)玻璃擋板，向進(jìn)水段水體中加入 冰塊和高錳酸鉀，使其溫度及水體濃度均與配水箱中水體一致；
(3)觀測(cè)儀器設(shè)備調(diào)試將流速儀架在異重流潛入點(diǎn)附近，設(shè)置好參數(shù)；同吋，檢查每個(gè)斷面處的溫度計(jì)探頭放入深度是否合理，并校正溫度監(jiān)控器讀數(shù)；將照相機(jī)放在固定的機(jī)位，并由專人進(jìn)行拍攝；攝像機(jī)放入專用支架；
(4)進(jìn)行試驗(yàn)并觀測(cè)選擇試驗(yàn)所需功率潛水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并啟動(dòng)潛水泵，用攝像機(jī)沿滑道移動(dòng)跟蹤拍攝異重流頭部，以記錄異重流到達(dá)各斷面的所用時(shí)間，每隔一定時(shí)間同步記錄一次各斷面倒灌異重流厚度，試驗(yàn)后應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)讀取倒灌異重流潛入過程中頭部到達(dá)各觀測(cè)斷面時(shí)間及沿程厚度等資料，流速儀及溫度監(jiān)控器則分別持續(xù)記錄潛入點(diǎn)附近異重流流速及各斷面分層溫度。ー種進(jìn)行中層倒灌異重流試驗(yàn)，包括以下步驟
(1)入侵水體配制需配制兩種入侵水體，入侵水體A和入侵水體B，先將冰塊溶解在配水箱的清水中，調(diào)至試驗(yàn)所需低于常溫的較低溫度，不加高錳酸鉀，得到入侵水體A ;入侵水體B的配制是在完成入侵水體A的底部倒灌后再配制，其溫度與進(jìn)水段溫度一致，溫度介于水槽環(huán)境水體與表底水溫之間，并加入設(shè)計(jì)用量的高錳酸鉀對(duì)其染色；
(2)水槽環(huán)境水體準(zhǔn)備待水槽中清水靜置后插上隔板，向進(jìn)水段水體中加入適量冰塊，調(diào)節(jié)其溫度與水箱中入侵水體A—致，隨即進(jìn)行一次底部倒灌異重流；待水槽沿程及沿深度形成穩(wěn)定的水溫分層時(shí)，再插上有機(jī)玻璃擋板，攪勻進(jìn)水段中的水體，待溫度穩(wěn)定后加入適量高錳酸鉀，此時(shí)進(jìn)水段水體的溫度及高錳酸鉀濃度與入侵水體B相同；
(3)觀測(cè)儀器設(shè)備調(diào)試將流速儀架在異重流潛入點(diǎn)附近，設(shè)置好參數(shù)；同吋，檢查每個(gè)斷面處的溫度計(jì)探頭放入深度是否合理，并校正溫度監(jiān)控器讀數(shù)；將照相機(jī)放在固定的機(jī)位進(jìn)行拍攝；攝像機(jī)放入專用支架；
(4)進(jìn)行試驗(yàn)并觀測(cè)擇試驗(yàn)所需功率潛水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并啟動(dòng)潛水泵，用攝像機(jī)沿滑道移動(dòng)跟蹤拍攝異重流頭部，以記錄異重流到達(dá)各斷面的所用時(shí)間，每隔一定時(shí)間同步記錄一次各斷面倒灌異重流厚度，試驗(yàn)后應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)讀取倒灌異重流潛入過程中頭部到達(dá)各觀測(cè)斷面時(shí)間及沿程厚度等資料，流速儀及溫度監(jiān)控器則分別持續(xù)記錄潛入點(diǎn)附近異重流流速及各斷面分層溫度。本發(fā)明提供的溫差倒灌異重流發(fā)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，既能重現(xiàn)野外監(jiān)測(cè)到的溫差倒灌異重流現(xiàn)象，也能彌補(bǔ)野外監(jiān)測(cè)時(shí)效性和同步性的不足以及監(jiān)測(cè)能力的限制，精細(xì)分析倒灌異重流的產(chǎn)生條件和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為深化認(rèn)識(shí)如三峽水庫支流庫等水域的灣倒灌異重流以及基于該水動(dòng)カ特性的水華暴發(fā)機(jī)理提供水力學(xué)基礎(chǔ)，為探索通過水庫生態(tài)調(diào)度來改變支流的水動(dòng)カ條件以達(dá)到改善庫灣水質(zhì)及抑制水華發(fā)生提供支撐。本發(fā)明通過室內(nèi)模擬即可較好的重現(xiàn)野外監(jiān)測(cè)到的不同形態(tài)的溫差倒灌異重流現(xiàn)象，精細(xì)分析倒灌異重流的產(chǎn)生條件和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，彌補(bǔ)野外監(jiān)測(cè)時(shí)效性和同步性的不足以及監(jiān)測(cè)能力的限制，同時(shí)克服數(shù)值模擬自身的不確定性和復(fù)雜性，并為進(jìn)一歩數(shù)值模擬提供更清楚的動(dòng)力學(xué)背景認(rèn)識(shí)及充分的率定資料。本發(fā)明所提供的方法簡單，裝置花費(fèi)較少，且可填補(bǔ)目前超大型水庫支流庫灣倒灌異重流試驗(yàn)研究中的空白。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說明。圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I的A-A剖面圖。圖3是圖2的B-B剖面圖。圖4是圖I的隔板結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的原理是構(gòu)建全透明玻璃直道矩形斷面逆坡明渠水槽，配有相應(yīng)的冷、熱水配制系統(tǒng)及進(jìn)水動(dòng)カ裝置。試驗(yàn)水槽由進(jìn)水段(模擬長江干流)、觀測(cè)段(模擬典型支流庫灣)與尾水段三部分組成，底坡可實(shí)現(xiàn)坡度升降變化；在進(jìn)水段與觀測(cè)段之間設(shè)置有機(jī)玻璃隔板(模擬典型支流庫灣與長江干流的交匯ロ)；另外，在進(jìn)水段與水箱或水塔連接處的進(jìn)水口設(shè)置有適當(dāng)?shù)南茉O(shè)施，以便入流平穩(wěn)。試驗(yàn)時(shí)，配水箱入侵水體利用外源動(dòng)カ裝置抽入水槽的進(jìn)水段補(bǔ)給倒灌異重流的入侵水體，在試驗(yàn)水槽觀測(cè)段架設(shè)多普勒三維點(diǎn)式流速儀和多通道溫度記錄監(jiān)控器，借助DV攝像機(jī)移動(dòng)跟蹤拍攝結(jié)合固定位置的照相機(jī)一起形成觀測(cè)段觀測(cè)系統(tǒng)。以初始水位、入流量、溫度差這三個(gè)主導(dǎo)因子為基本變量，設(shè)計(jì)一系列典型エ況，總體分四步即入侵水體配制、水槽環(huán)境水體準(zhǔn)備、觀測(cè)儀器設(shè)備調(diào)試、進(jìn)行試驗(yàn)并觀測(cè)，便可在試驗(yàn)水槽中重現(xiàn)底部、中層和表層溫差倒灌異重流現(xiàn)象，并研究倒灌異重流的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖I 一 4所示，一種溫差倒灌異重流發(fā)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)裝置，包括供水裝置和試驗(yàn)水槽I，試驗(yàn)水槽I由進(jìn)水段、觀測(cè)段和尾水段構(gòu)成，試驗(yàn)水槽的槽底2為坡狀，在進(jìn)水段與觀測(cè)段之間設(shè)置有隔板3，在進(jìn)水段與供水裝置連接處的進(jìn)水口設(shè)置有消能柵4，在尾水段設(shè)有排水管5，在觀測(cè)段不同的段面對(duì)應(yīng)位置上設(shè)置流速儀6和溫度記錄監(jiān)控器7，在試驗(yàn)水槽I 一側(cè)設(shè)置有攝像機(jī)滑道8，在試驗(yàn)水槽I另ー側(cè)設(shè)有多個(gè)監(jiān)控相機(jī)9。隔板3采用有機(jī)玻璃制成，在其兩側(cè)設(shè)有密封條10，隔板3可在試驗(yàn)水槽內(nèi)上下滑 動(dòng)。供水裝置由ー個(gè)配水塔11和配水箱12構(gòu)成，在配水塔11內(nèi)裝有加熱裝置13，用來加熱試驗(yàn)用水。加熱裝置13采用加熱棒。槽底2是ー沿水流方向逆向且坡度可變的底坡，槽底2由有機(jī)玻璃蓋板14和砂質(zhì)底坡構(gòu)成。以下為本發(fā)明的ー個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)例
在圖I中，試驗(yàn)水槽I長1000 Cm，寬30 cm。試驗(yàn)水槽由進(jìn)水段(模擬長江干流)、觀測(cè)段(模擬典型支流庫灣)與尾水段三部分組成。其中，進(jìn)水段長150 cm，在進(jìn)水段與觀測(cè)段之間設(shè)置有機(jī)玻璃隔板3(模擬典型支流庫灣與長江干流的交匯ロ)，有機(jī)玻璃隔板3可上下平穩(wěn)抽動(dòng)；另外，在進(jìn)水段與水箱或水塔連接處的進(jìn)水口設(shè)置有消能柵，以便入流平穩(wěn)。觀測(cè)段總長421 cm，共分a, b，c, d, e, f, g，h八個(gè)觀測(cè)斷面，分別布設(shè)在距隔板71、121、171、221、271、321、371和421 cm處。水槽其余部分為尾水段，末端安裝溢水管來控制水槽水位。在第I觀測(cè)斷面架設(shè)挪威產(chǎn)聲學(xué)多普勒三維點(diǎn)式流速儀以監(jiān)測(cè)進(jìn)水段水體潛入觀測(cè)段時(shí)潛入段附近流速大??；在第5觀測(cè)斷面附近架設(shè)32通道溫度記錄監(jiān)控器，用以分層監(jiān)測(cè)各個(gè)斷面 不同深度水溫變化；在水槽一側(cè)設(shè)置攝像機(jī)專用滑道，用DV攝像機(jī)對(duì)異重流頭部進(jìn)行移動(dòng)跟蹤拍攝，以記錄異重流頭部到達(dá)各監(jiān)測(cè)斷面的所用時(shí)間；在水槽另ー側(cè)布置三個(gè)相機(jī)，每隔10 s左右同步記錄一次各監(jiān)測(cè)斷面倒灌異重流厚度。外置配水系統(tǒng)包括ー個(gè)配水塔和水箱。水塔長250 cm，斷面尺寸為250X50 cm,用于提供試驗(yàn)常溫水，并在水塔內(nèi)裝配4根大功率電熱棒，用來加熱試驗(yàn)用水，主要用于表層倒灌異重流試驗(yàn)。配水箱尺寸為75X50X75 cm，塑料材質(zhì)，用來配置底部及中層倒灌異重流的入侵冷水及表層倒灌異重流的入侵熱水。在圖2中，可見試驗(yàn)水槽玻璃邊壁，底部沿水流方向逆向且可變的底坡，底坡上覆蓋有機(jī)玻璃蓋板。有機(jī)玻璃擋板將水槽進(jìn)水段與觀測(cè)段隔開，進(jìn)水段放置消能柵；觀測(cè)斷面沿深度方向布設(shè)水溫監(jiān)控探頭。將流速儀架在異重流潛入點(diǎn)附近，流速儀高度可升降，用于監(jiān)測(cè)倒灌異重流潛入點(diǎn)流速變化。水塔總高250 cm，其中底座100 cm，以便水塔中水體能自流進(jìn)水槽及配水箱，同時(shí)水塔中布設(shè)加熱棒。在圖3中，可見水槽砂質(zhì)可變底坡及其上覆蓋的有機(jī)玻璃蓋板，蓋板防止倒灌異重流沖刷砂質(zhì)底坡，影響底坡型態(tài)和坡比。配水箱高75 cm，在配水箱中放置潛水泵，將試驗(yàn)有顏色冷水或熱水通過進(jìn)水管泵入水槽進(jìn)水段，水泵出水管內(nèi)徑均為2 cm,水管出口向下，放置在水槽內(nèi)消能柵左側(cè)，補(bǔ)給倒灌異重流入侵水體，模擬三峽水庫蓄水過程(即水位上升過程)。圖4詳圖可見有機(jī)玻璃擋板100X30X6 mm，將水槽進(jìn)水段與觀測(cè)段隔開，模擬典型支流庫灣與長江干流的交匯ロ，有機(jī)玻璃隔板可上下平穩(wěn)抽動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水段水體的入侵過程。同時(shí)有機(jī)玻璃擋板卡槽中有密封橡膠，可防止擋板抽掉前進(jìn)水段水體進(jìn)入觀測(cè)段，影響試驗(yàn)效果。利用本發(fā)明提供的裝置進(jìn)行底部倒灌異重流試驗(yàn)的方法，包括以下步驟
(O入侵水體配制將冰塊溶解在配水箱的清水中，調(diào)至試驗(yàn)所需溫度，再加入高錳酸鉀染色；
(2)水槽環(huán)境水體準(zhǔn)備待水槽中清水靜置后插上有機(jī)玻璃擋板，向進(jìn)水段水體中加入冰塊和高錳酸鉀，使其溫度及水體濃度均與配水箱中水體一致；
(3)觀測(cè)儀器設(shè)備調(diào)試將流速儀架在異重流潛入點(diǎn)附近，設(shè)置好參數(shù)；同吋，檢查每個(gè)斷面處的溫度計(jì)探頭放入深度是否合理，并校正溫度監(jiān)控器讀數(shù)；將照相機(jī)放在固定的機(jī)位，并由專人進(jìn)行拍攝；攝像機(jī)放入專用支架；
(4)進(jìn)行試驗(yàn)并觀測(cè)選擇試驗(yàn)所需功率潛水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并啟動(dòng)潛水泵，用攝像機(jī)沿滑道移動(dòng)跟蹤拍攝異重流頭部，以記錄異重流到達(dá)各斷面的所用時(shí)間，每隔一定時(shí)間同步記錄一次各斷面倒灌異重流厚度，試驗(yàn)后應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)讀取倒灌異重流潛入過程中頭部到達(dá)各觀測(cè)斷面時(shí)間及沿程厚度等資料，流速儀及溫度監(jiān)控器則分別持續(xù)記錄潛入點(diǎn)附近異重流流速及各斷面分層溫度。利用本發(fā)明提供的裝置進(jìn)行表層倒灌異重流試驗(yàn)，包括以下步驟
Cl)入侵水體配制將熱水與常溫水混合，得到水溫高于常溫水的混合水體，再加入高錳酸鉀染色；
(2)水槽環(huán)境水體準(zhǔn)備待水槽中清水靜置后插上有機(jī)玻璃擋板，向進(jìn)水段水體中加入冰塊和高錳酸鉀，使其溫度及水體濃度均與配水箱中水體一致；
(3)觀測(cè)儀器設(shè)備調(diào)試將流速儀架在異重流潛入點(diǎn)附近，設(shè)置好參數(shù)；同吋，檢查每個(gè)斷面處的溫度計(jì)探頭放入深度是否合理，并校正溫度監(jiān)控器讀數(shù)；將照相機(jī)放在固定的機(jī)位，并由專人進(jìn)行拍攝；攝像機(jī)放入專用支架；
(4)進(jìn)行試驗(yàn)并觀測(cè)選擇試驗(yàn)所需功率潛水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并啟動(dòng)潛水泵，用攝像機(jī)沿滑道移動(dòng)跟蹤拍攝異重流頭部，以記錄異重流到達(dá)各斷面的所用時(shí)間，每隔一定時(shí)間同步記錄一次各斷面倒灌異重流厚度，試驗(yàn)后應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)讀取倒灌異重流潛入過程中頭部到達(dá)各觀測(cè)斷面時(shí)間及沿程厚度等資料，流速儀及溫度監(jiān)控器則分別持 續(xù)記錄潛入點(diǎn)附近異重流流速及各斷面分層溫度。利用本發(fā)明提供的裝置進(jìn)行中層倒灌異重流試驗(yàn)，包括以下步驟
(1)入侵水體配制需配制兩種入侵水體，入侵水體A和入侵水體B，先將冰塊溶解在配水箱的清水中，調(diào)至試驗(yàn)所需低于常溫的較低溫度，不加高錳酸鉀，得到入侵水體A ;入侵水體B的配制是在完成入侵水體A的底部倒灌后再配制，其溫度與進(jìn)水段溫度一致，溫度介于水槽環(huán)境水體與表底水溫之間，并加入設(shè)計(jì)用量的高錳酸鉀對(duì)其染色；
(2)水槽環(huán)境水體準(zhǔn)備待水槽中清水靜置后插上隔板，向進(jìn)水段水體中加入適量冰塊，調(diào)節(jié)其溫度與水箱中入侵水體A—致，隨即進(jìn)行一次底部倒灌異重流；待水槽沿程及沿深度形成穩(wěn)定的水溫分層時(shí)，再插上有機(jī)玻璃擋板，攪勻進(jìn)水段中的水體，待溫度穩(wěn)定后加入適量高錳酸鉀，此時(shí)進(jìn)水段水體的溫度及高錳酸鉀濃度與入侵水體B相同；
(3)觀測(cè)儀器設(shè)備調(diào)試將流速儀架在異重流潛入點(diǎn)附近，設(shè)置好參數(shù)；同吋，檢查每個(gè)斷面處的溫度計(jì)探頭放入深度是否合理，并校正溫度監(jiān)控器讀數(shù)；將照相機(jī)放在固定的機(jī)位進(jìn)行拍攝；攝像機(jī)放入專用支架；
(4)進(jìn)行試驗(yàn)并觀測(cè)擇試驗(yàn)所需功率潛水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并啟動(dòng)潛水泵，用攝像機(jī)沿滑道移動(dòng)跟蹤拍攝異重流頭部，以記錄異重流到達(dá)各斷面的所用時(shí)間，每隔一定時(shí)間同步記錄一次各斷面倒灌異重流厚度，試驗(yàn)后應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)讀取倒灌異重流潛入過程中頭部到達(dá)各觀測(cè)斷面時(shí)間及沿程厚度等資料，流速儀及溫度監(jiān)控器則分別持續(xù)記錄潛入點(diǎn)附近異重流流速及各斷面分層溫度。上述試驗(yàn)中所用的高錳酸鉀濃度為O. 01 g/L，經(jīng)驗(yàn)算，該濃度對(duì)兩種水體密度差的影響可忽略不計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種溫差倒灌異重流發(fā)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)裝置，包括供水裝置和試驗(yàn)水槽(I)，其特征在于試驗(yàn)水槽(I)由進(jìn)水段、觀測(cè)段和尾水段構(gòu)成，試驗(yàn)水槽的槽底(2)為坡狀，在進(jìn)水段與觀測(cè)段之間設(shè)置有隔板(3)，在進(jìn)水段與供水裝置連接處的進(jìn)水口設(shè)置有消能柵(4)，在尾水段設(shè)有排水管(5)，在觀測(cè)段段面對(duì)應(yīng)位置上設(shè)有流速儀(6)和溫度記錄監(jiān)控器(7 )，在試驗(yàn)水槽(I) 一側(cè)設(shè)置有安裝攝像機(jī)的攝像機(jī)滑道(8 )，在試驗(yàn)水槽(I)另ー側(cè)設(shè)有多個(gè)監(jiān)控相機(jī)(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的溫差倒灌異重流發(fā)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)裝置，其特征在于隔板(3)采用有機(jī)玻璃制成，在其兩側(cè)設(shè)有密封條(10)，隔板(3)可在試驗(yàn)水槽內(nèi)上下滑動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的溫差倒灌異重流發(fā)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)裝置，其特征在于供水裝置由ー個(gè)配水塔(11)和配水箱(12 )構(gòu)成，在配水塔(11)內(nèi)裝有加熱裝置(13 )，用來加熱試驗(yàn)用水。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的溫差倒灌異重流發(fā)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)裝置，其特征在于槽底(2)是ー沿水流方向逆向且坡度可變的底坡，槽底(2)由有機(jī)玻璃蓋板(14)和砂質(zhì)底坡構(gòu)成。
5.利用權(quán)利要求I所述的裝置進(jìn)行底部倒灌異重流試驗(yàn)的方法，其特征在于包括以下步驟 (O入侵水體配制將冰塊溶解在配水箱的清水中，調(diào)至試驗(yàn)所需溫度，再加入高錳酸鉀染色； (2)水槽環(huán)境水體準(zhǔn)備待水槽中清水靜置后插上有機(jī)玻璃擋板，向進(jìn)水段水體中加入冰塊和高錳酸鉀，使其溫度及水體濃度均與配水箱中水體一致； (3)觀測(cè)儀器設(shè)備調(diào)試將流速儀架在異重流潛入點(diǎn)附近，設(shè)置好參數(shù)；同吋，檢查每個(gè)斷面處的溫度計(jì)探頭放入深度是否合理，并校正溫度監(jiān)控器讀數(shù)；將照相機(jī)放在固定的機(jī)位，并由專人進(jìn)行拍攝；攝像機(jī)放入專用支架； (4)進(jìn)行試驗(yàn)并觀測(cè)選擇試驗(yàn)所需功率潛水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并啟動(dòng)潛水泵，用攝像機(jī)沿滑道移動(dòng)跟蹤拍攝異重流頭部，以記錄異重流到達(dá)各斷面的所用時(shí)間，每隔一定時(shí)間同步記錄一次各斷面倒灌異重流厚度，試驗(yàn)后應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)讀取倒灌異重流潛入過程中頭部到達(dá)各觀測(cè)斷面時(shí)間及沿程厚度等資料，流速儀及溫度監(jiān)控器則分別持續(xù)記錄潛入點(diǎn)附近異重流流速及各斷面分層溫度。
6.利用權(quán)利要求I所述的裝置進(jìn)行表層倒灌異重流試驗(yàn)，其特征在于包括以下步驟 Cl)入侵水體配制將熱水與常溫水混合，得到水溫高于常溫水的混合水體，再加入高錳酸鉀染色； (2)水槽環(huán)境水體準(zhǔn)備待水槽中清水靜置后插上有機(jī)玻璃擋板，向進(jìn)水段水體中加入冰塊和高錳酸鉀，使其溫度及水體濃度均與配水箱中水體一致； (3)觀測(cè)儀器設(shè)備調(diào)試將流速儀架在異重流潛入點(diǎn)附近，設(shè)置好參數(shù)；同吋，檢查每個(gè)斷面處的溫度計(jì)探頭放入深度是否合理，并校正溫度監(jiān)控器讀數(shù)；將照相機(jī)放在固定的機(jī)位，并由專人進(jìn)行拍攝；攝像機(jī)放入專用支架； (4)進(jìn)行試驗(yàn)并觀測(cè)選擇試驗(yàn)所需功率潛水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并啟動(dòng)潛水泵，用攝像機(jī)沿滑道移動(dòng)跟蹤拍攝異重流頭部，以記錄異重流到達(dá)各斷面的所用時(shí)間，每隔一定時(shí)間同步記錄一次各斷面倒灌異重流厚度，試驗(yàn)后應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)讀取倒灌異重流潛入過程中頭部到達(dá)各觀測(cè)斷面時(shí)間及沿程厚度等資料，流速儀及溫度監(jiān)控器則分別持續(xù)記錄潛入點(diǎn)附近異重流流速及各斷面分層溫度。
7.利用權(quán)利要求I所述的裝置進(jìn)行中層倒灌異重流試驗(yàn)，其特征在干包括以下步驟 (1)入侵水體配制需配制兩種入侵水體，入侵水體A和入侵水體B，先將冰塊溶解在配水箱的清水中，調(diào)至試驗(yàn)所需低于常溫的較低溫度，不加高錳酸鉀，得到入侵水體A ;入侵水體B的配制是在完成入侵水體A的底部倒灌后再配制，其溫度與進(jìn)水段溫度一致，溫度介于水槽環(huán)境水體與表底水溫之間，并加入設(shè)計(jì)用量的高錳酸鉀對(duì)其染色； (2)水槽環(huán)境水體準(zhǔn)備待水槽中清水靜置后插上隔板，向進(jìn)水段水體中加入適量冰塊，調(diào)節(jié)其溫度與水箱中入侵水體A —致，隨即進(jìn)行一次底部倒灌異重流；待水槽沿程及沿深度形成穩(wěn)定的水溫分層時(shí)，再插上有機(jī)玻璃擋板，攪勻進(jìn)水段中的水體，待溫度穩(wěn)定后加入適量高錳酸鉀，此時(shí)進(jìn)水段水體的溫度及高錳酸鉀濃度與入侵水體B相同； (3)觀測(cè)儀器設(shè)備調(diào)試將流速儀架在異重流潛入點(diǎn)附近，設(shè)置好參數(shù)；同吋，檢查每個(gè)斷面處的溫度計(jì)探頭放入深度是否合理，并校正溫度監(jiān)控器讀數(shù)；將照相機(jī)放在固定的機(jī)位進(jìn)行拍攝；攝像機(jī)放入專用支架； (4)進(jìn)行試驗(yàn)并觀測(cè)擇試驗(yàn)所需功率潛水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并啟動(dòng)潛水泵，用攝像機(jī)沿滑道移動(dòng)跟蹤拍攝異重流頭部，以記錄異重流到達(dá)各斷面的所用時(shí)間，每隔一定時(shí)間同步記錄一次各斷面倒灌異重流厚度，試驗(yàn)后應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)讀取倒灌異重流潛入過程中頭部到達(dá)各觀測(cè)斷面時(shí)間及沿程厚度等資料，流速儀及溫度監(jiān)控器則分別持續(xù)記錄潛入點(diǎn)附近異重流流速及各斷面分層溫度。
全文摘要
一種溫差倒灌異重流發(fā)生及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的試驗(yàn)裝置及方法。主要是構(gòu)建全透明玻璃直道矩形斷面逆坡明渠水槽，配有相應(yīng)的冷、熱水配制系統(tǒng)及進(jìn)水動(dòng)力裝置。在試驗(yàn)水槽觀測(cè)段架設(shè)流速儀和溫度記錄器，借助攝像機(jī)移動(dòng)跟蹤拍攝結(jié)合固定位置的照相機(jī)一起形成觀測(cè)段觀測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)倒灌異重流潛入點(diǎn)、頭部、運(yùn)動(dòng)過程的水力學(xué)及溫度參數(shù)。該裝置和方法可彌補(bǔ)野外監(jiān)測(cè)時(shí)效性和同步性的不足，為進(jìn)一步數(shù)值模擬分析提供背景認(rèn)識(shí)及數(shù)據(jù)支撐。為深化認(rèn)識(shí)水庫支流庫灣倒灌異重流以及基于該水動(dòng)力特性的水華暴發(fā)機(jī)理，探索通過水庫生態(tài)調(diào)度來改變支流的水動(dòng)力條件以達(dá)到改善庫灣水質(zhì)及抑制水華發(fā)生提供支撐。
文檔編號(hào)E02B1/02GK102865994SQ20121031742
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者劉德富, 紀(jì)道斌, 曹巧麗, 楊正健, 黃鈺鈴, 馬駿, 胡念三 申請(qǐng)人:三峽大學(xué)