本发明涉及领域，尤其是一种模拟h型分汊口的水槽分流系统及其实施方法。
背景技术：
分汊是天然河流和河口的常见形式，包括多种分汊形式，最常见的是由于沙洲存在，将主河道一分为二。其中，沙洲大小、与两岸的相对距离、沙洲形态、两侧汊道平均水深等均会造成分流比发生变化，进而影响汊道的主支汊发育演变。因此，准确预测分流比随多个影响因素的变化趋势，是分汊河道及分汊河口的重要研究内容。
对于长江、黄河等河道和河口区域，常见的沙洲分隔属于λ型，即分汊点和汇流点间隔一个沙洲的距离。在珠江等河网型河流的河道和河口广泛存在另一种分汊形式，即两(多)股河道的分汊点也是两(多)股河道的汇流点，呈现h型。h型分汊形式的分流比受到的影响因素较λ型分汊更多，各因素的作用机制也更复杂。例如，一股水道的分流比也受到另一股水道汇流的影响。若另一股水流流速较慢，影响h型分汊的中间横向汊道泄流，则横向汊道分流比也将较小；若另一股水流流速较快，h型分汊的中间横向汊道泄流顺畅，则横向汊道分流比将增大。如何在水槽内简单、便捷、准确的模拟h型分汊河口的分流比等特征是当前学术界和工程界共同关注的热点和前沿。
实验室内模拟和分析河道和河口分汊主要有两种方法：一种是设计汊道独立、分流角可自由调节的分流装置，可变化分流角度、汊道形态特征等；另一种是模拟沙洲的形态，利用沙洲分流，沙洲的空间形态特征可调整。实验室上述两种装置均可模拟λ型分汊，但尚无法模拟河网型分汊河口中h型分汊的分流特征。因此，针对现有实验装置和技术的不足，在实验室水槽内设计可简单、便捷并准确模拟h型分汊的分流装置是一种新颖的理念，具有显著的创新性，对探究和预测河网型河流及河口的时空演变具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种模拟h型分汊口的水槽分流系统及其实施方法，操作简单、适用性强、模拟效果好并且占用空间少。
为解决上述技术问题，本发明提供一种模拟h型分汊口的水槽分流系统，包括：矩形水槽、防水隔板、生流系统、角钢支架、混凝土支架、稳流栅和流速量测系统；防水隔板将矩形水槽分割为h型的五条水道，防水隔板通过多跟角钢支架与矩形水槽边壁固定；生流系统包括水泵、输水管道和阀门，通过水泵抽水并由输送管道送水，在矩形水槽和输水管道内形成循环水流，水泵设置于矩形水槽末端，输水管道通过混凝土支架固定于地面，输水管道上安装有阀门，用于调节管道内流量及矩形水槽内流速；矩形水槽前端及末端均设有稳流栅，起到平稳水流的效果，流速量测系统包括流速测杆、固定装置和数据传输接收装置，流速测杆通过固定装置安装在矩形水槽内的断面上，数据传输接收装置包括数据采集箱和数据线，流速测杆的信号通过数据线传递到数据采集箱，转化成流速数据，用于实时量测水槽内流速。
优选的，矩形水槽所用材质为玻璃、有机玻璃、混凝土。
优选的，防水隔板与水槽交界处以及多块防水隔板间涂防水胶水。
优选的，防水隔板所围区域划分为固定不变段和调整替换段，调整替换段可根据需求调整分流形状及空间尺寸。
优选的，生流系统的高度应小于实验设计水深，确保水泵进水管淹没在水中，避免水泵进口处吸入空气。
相应的，一种模拟h型分汊口的水槽分流系统的实施方法，包括如下步骤：
(1)实验前，根据选定的设计水深、矩形水槽的尺寸、真实分汊河道或河口的宽度和平均水深，确定防水隔板在矩形水槽内的布置形式和具体位置；
(2)实验中，向矩形水槽内注水，注入的水面高度与设计水深一致，打开水泵，调整水泵开启数量和阀门开启程度，调节断面1和断面2的流量与断面平均流速；
(3)通过流速量测系统实时监测断面平均流速，待流速稳定后，开始记录流速数据，所测流速数据的平均值可用于计算汊道分流比。
优选的，步骤(1)中，固定不变段可固定在矩形水槽的底部与边壁，调整替换段可根据实验需求，设计多种分汊形态，随意替换。
本发明的有益效果为：本发明可以模拟河网型河道和河口所特有的h型分汊口，由于采用的是水槽内部安装分流系统的水泵、稳流栅等，因此无需设置专门的水库，占用空间小，因此造价较低；h型分汊分流比的影响因素主要为分流部分的形态特征和上游两条水道的流量比，其中分流部分的形态特征，可根据实验要求设计和替换调整替换段即可，操作简单，并节省实验材料费用，上游来水的流量比可通过调整生流系统的水泵开启数量和阀门开启程度调整，方便操作；当保证矩形水槽中五条水道的宽度比、平均水深比、上游两条水道的流量比均与真实一致，模型可较高程度模拟现实的分流效果，模拟精度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的分流断面划分示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种模拟h型分汊口的水槽分流系统，包括：矩形水槽1、防水隔板2、水泵3、输水管道4、稳流栅7、角钢支架8、混凝土支架9、阀门10、螺丝11、木螺钉12和流速量测系统13。水泵3、输水管道4及阀门10共同组成生流系统，生流系统的流量大小通过调节水泵3的数量和阀门10的开启程度调控；输水管道4通过混凝土支架9固定在距地面一定高度，保持管道结构稳定；防水隔板2通过角钢支架8、螺丝11与矩形水槽1边壁相连，保证防水隔板2在水中的稳定性；防水隔板2与矩形水槽1的连接处涂防水胶做防水处理；防水隔板2与矩形水槽1围城不透水区域，其中区域5为调整替换段，区域6为固定不变段，区域5和区域6通过木螺钉12相连，并在接缝处涂防水胶做防水处理；紊流栅7安置于矩形水槽1的首末两端，起到稳定水流的目的，使矩形水槽1内流速符合明渠水流特征；流速量测系统13由流速测杆、固定装置和信号接收装置组成，其中测杆通过固定装置安装在矩形水槽1内的断面1、断面2和断面5，保证量测处水流稳定。
矩形水槽1所用材质可为玻璃、有机玻璃、混凝土等材料，不受限制。矩形水槽1的宽度应尽量宽浅，尤其是模拟分汊河口时，避免由于断面宽度过窄，边壁的摩擦作用不可忽略，影响内部水流结构。矩形水槽1内最大设计水深不应超过水槽的深度，最小设计水深应可淹没水泵，避免水泵进口处吸入空气。防水隔板2所用材料应具有一定的强度，可承受一定的水压力且不变形。水泵3的功率、个数及输水管道4的尺寸依据模型所需的流量选用调整。
如图2所示，将本发明的h型分流系统应用于模拟真实河口或河道的分流中，为了保证模拟的精度，由矩形水槽1边壁、防水隔板2共同围成了5个断面应满足以下要求：(1)各断面间的宽度比应与真实河道或河口的断面平均宽度比一致。各个断面宽度比确定后，根据矩形水槽1的宽度，可固定防水隔板2在矩形水槽1中的横向空间位置；纵向上保证分汊点设置在水槽中间段即可。(2)各断面的深度比应与真实河道或河口的断面平均深度比一致。各个断面深度比确定后，以最大深度所在断面为依据，根据模型设计水深，确定各个断面的绝对水深。若断面所需深度较小，可通过抬高局部底部高程调整断面水深。(3)断面1和断面2代表上游水道断面，两断面流量比应与实际断面年均流量值一致。两端面进口流量可通过调整水泵3和阀门10实现。断面1和断面2的流量比为：
q1:q2＝(a1·v1):(a2·v2)
其中，a1、a2分别为断面1和断面2的过水断面面积，v1、v2分别为断面1和断面2的断面平均流速，其中过水断面面积a为：
a＝b·d
其中，b为过水断面的宽度，d为过水断面的平均水深。
过水断面的平均流速v可以通过流速量测系统13确定，可采用旋桨流速仪或多普勒流速仪；断面平均流速v可通过6点法或4点法确定；当断面流速符合明渠水流分布特征时，也可以采用距底0.6倍水深处的流速作为断面平均流速v。当上述三个条件均满足时，可保证断面4和断面5占断面2的分流比与真实情况近似一致。
一种模拟h型分汊口的水槽分流系统的实施方法，包括以下步骤：
(1)实验前，首先根据选定的设计水深、矩形水槽1的尺寸、真实分汊河道或河口的宽度和平均水深等，确定防水隔板2在矩形水槽1内的布置形式和具体位置。其中，固定不变段6可固定在矩形水槽1的底部与边壁，调整替换段5可根据实验需求，设计多种分汊形态，随意替换。
(2)实验中，向矩形水槽1内注水，注入的水面高度与设计水深一致。打开水泵3，调整水泵3开启数量和阀门10开启程度，调节断面1和断面2的流量与断面平均流速。
(3)通过流速量测系统13实时监测断面平均流速，待流速稳定后，开始记录流速数据。所测流速数据的平均值可用于计算汊道分流比。以图2为例，断面2分汊为断面4和断面5，其中断面4和断面5的分流比分别为：
q4:q2＝(a4·v4):(a2·v2)
q5:q2＝(a5·v5):(a2·v2)。
本发明具有操作简单、适用性强、模拟效果好并且占用空间少等优点，特别适用于研究河网型分汊河口中h型分汊的分流特征。
1.一种模拟h型分汊口的水槽分流系统，其特征在于，包括：矩形水槽、防水隔板、生流系统、角钢支架、混凝土支架、稳流栅和流速量测系统；防水隔板将矩形水槽分割为h型的五条水道，防水隔板通过多根角钢支架与矩形水槽边壁固定；生流系统包括水泵、输水管道和阀门，通过水泵抽水并由输送管道送水，在矩形水槽和输水管道内形成循环水流，水泵设置于矩形水槽末端，输水管道通过混凝土支架固定于地面，输水管道上安装有阀门，用于调节管道内流量及矩形水槽内流速；矩形水槽前端及末端均设有稳流栅，起到平稳水流的效果，流速量测系统包括流速测杆、固定装置和数据传输接收装置，流速测杆通过固定装置安装在矩形水槽内的断面上，数据传输接收装置包括数据采集箱和数据线，流速测杆的信号通过数据线传递到数据采集箱，并转化成流速数据，用于实时量测水槽内流速。
2.如权利要求1所述的模拟h型分汊口的水槽分流系统，其特征在于，矩形水槽所用材质为玻璃、有机玻璃或混凝土。
3.如权利要求1所述的模拟h型分汊口的水槽分流系统，其特征在于，防水隔板与水槽交界处以及多块防水隔板间涂防水胶水。
4.如权利要求1所述的模拟h型分汊口的水槽分流系统，其特征在于，防水隔板所围区域划分为固定不变段和调整替换段，调整替换段可根据需求调整分流形状及空间尺寸。
5.如权利要求1所述的模拟h型分汊口的水槽分流系统，其特征在于，生流系统的高度应小于实验设计水深，确保水泵进水管淹没在水中。
6.一种模拟h型分汊口的水槽分流系统的实施方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)实验前，根据选定的设计水深、矩形水槽的尺寸、真实分汊河道或河口的宽度和平均水深，确定防水隔板在矩形水槽内的布置形式和具体位置；
(2)实验中，向矩形水槽内注水，注入的水面高度与设计水深一致，打开水泵，调整水泵开启数量和阀门开启程度，调节断面1和断面2的流量与断面平均流速；
(3)通过流速量测系统实时监测断面平均流速，待流速稳定后，开始记录流速数据，所测流速数据的平均值可用于计算汊道分流比。
7.如权利要求1所述的模拟h型分汊口的水槽分流系统，其特征在于，步骤(1)中，固定不变段可固定在矩形水槽的底部与边壁，调整替换段可根据实验需求，设计多种分汊形态，随意替换。
技术总结