CN105606495A - 一种野外测量潜流交换量的实验装置及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种野外测量潜流交换量的实验装置及其实施方法，河床底部开挖有基坑，基坑底部铺设有滤水型土工织物，土工织物上方设置有若干个带孔格子塑料板拼接而成的长方形容器，每两个带孔格子塑料板之间通过可拆卸卡板和带卡槽的底座固定，其中带孔格子塑料板上开设有若干排若干列均匀布置的圆孔；长方形容器内部盛放有堆积成波浪状的砂砾，砂砾上方铺设有塑料网；柱状传感器的一端穿过长方形容器中部带孔格子塑料板上的圆孔并埋入砂砾中，柱状传感器另一端通过螺丝固定设置在PVC塑料板上，长方形容器四周侧壁除了与PVC塑料板接触的部分其余均设置有可拆卸格子塑料板。本发明效率高操作方便，可以对实际河流中的潜流交换量进行测量且数据更精确。

Description

一种野外测量潜流交换量的实验装置及其实施方法

技术领域

本发明属于水流检测领域，特别涉及一种野外测量潜流交换量的实验装置及其实施方法。

背景技术

在自然河流中，地表水与浅层地下水的相互作用过程称为潜流交换，这一过程对其中底栖生物的生存，物质循环以及能量交换具有重要的影响，研究人员往往需要知道地表水和浅层地下水在每个时间段到底交换了多少水量，作为各个研究的支撑数据，最常用的处理方法是在室内循环水槽实验的基础上，借助数值模拟的方法来确定其交换量，这一过程往往做了很多的假定，不能完全符合真实河流中交换过程，而且效率很低。现有技术中并没有对实际河流中潜流交换量进行测量的实验装置。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种效率高并且可以对实际河流中的潜流交换量进行测量且数据更精确的野外测量潜流交换量的实验装置及其实施方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种野外测量潜流交换量的实验装置，枯水期在河床底部开挖有基坑，基坑底部铺设有滤水型土工织物，土工织物上方设置由若干个带孔格子塑料板拼接而成的长方形容器，每两个带孔格子塑料板之间通过可拆卸卡板连接，所述可拆卸卡板两端通过带卡槽的底座固定，长方形容器底部固定在基坑底部，其中带孔格子塑料板上开设有若干均匀布置的圆孔；长方形容器内部盛放有堆积成波浪状的砂砾，砂砾上方铺设有塑料网，塑料网通过搭扣搭接在带孔格子塑料板上；柱状传感器的一端穿过长方形容器中部带孔格子塑料板上的圆孔并埋入砂砾中，柱状传感器另一端固定设置在PVC塑料板上，PVC塑料板的底脚固定设置在基坑底部，长方形容器四周侧壁除了与PVC塑料板接触的部分其余均设置有可拆卸格子塑料板。通过在河床上铺一定厚度的滤水型土工织物，在波浪的表面覆盖了一层孔径较小的塑料网，在波浪周边设置了带孔格子塑料板，保证了在实验过程中细砂尽可能少的随着水流流出，进而导致波浪形态的损毁改变。同时又最大限度的保证了波浪周边的水流特性不受实验装置的影响。

进一步的，通过在柱状传感器与圆孔之间还预设有用于承托柱状传感器的弧形塑料片，保证柱状传感器在安放的过程中保持平直不会歪斜。间接的提高了装置的稳定性，同时在后续数据采集中，提高了数据的精确性。

进一步的，通过在长方形容器内部塑料网上方设置流速仪，能够在长方形容器的尾部对砂砾进行取样，用来得到砂砾的密度、孔隙率和比热容。

进一步的，每个带孔格子塑料板上设置有至少六排三列的圆孔。并且所述PVC塑料板上至少设置有六排三列柱状传感器并与带孔格子塑料板上的圆孔位置相对应。通过这样的设置，可以使得柱状传感器的数量足够多，能够最大限度采集到不同的数据，提高了实验的准确性。

进一步的，通过铺设孔径为0.3cm、厚度为2.0mm的塑料网不仅能够防止砂砾随着水波飘走也能够不影响数据的测量，提高数据的精准度。

进一步的，通过将带孔格子塑料板和可拆卸格子塑料的厚度设置为2cm，能够最大限度保证能够承受河流中的水流环境。

一种如上述所述的野外测量潜流交换量实验装置的实施方法，包括以下步骤：

第一步：根据需要选择流域位置，在枯水期的河床上挖制基坑，并在基坑底部铺设滤水型土工织物，铺设好后将带孔格子塑料板用可拆卸卡板拼接成长方形容器，长方形容器底部通过膨胀螺丝固定在基坑底部；

第二步：长方形容器四周侧壁除了与PVC塑料板接触的部分其余均设置有可拆卸格子塑料板，每两个可拆卸格子塑料板之间通过可拆卸卡板连接，所述可拆卸卡板两端通过带卡槽的底座固定；

第三步：将柱状传感器安装在长方形容器中；

第四步：将所有的柱状传感器固定好后，往长方形容器中放砂砾，将砂砾按波浪形态放置，放置过程中柱状传感器的测量端埋入砂砾里，同时砂砾上部的水体中也有柱状传感器进行测量，砂砾放置好后在砂砾的表面覆盖一层塑料网，并用搭环搭接在带孔格子塑料板上；

第五步：长方形容器的砂砾的上方设置有测量水流流速的流速仪，同时在砂砾浸没入水中48小时后，在长方形容器的尾部对砂砾进行取样，用来得到砂砾的密度、孔隙率和比热容；

第六步：往长方形容器周边和基坑缝隙中填补砂砾，并对柱状传感器数据进行校准，校准后将柱状传感器采集到的数据传入电脑进行数据处理。

其中，第三步中将柱状传感器安装在长方形容器中的具体步骤如下：首先将柱状传感器放置在弧形塑料片上，柱状传感器末端通过螺丝固定在PVC塑料板上，另一端跟弧形塑料片一起放置在不设置有可拆卸格子塑料板的带孔格子塑料板的圆孔中，其中PVC塑料板的底脚通过膨胀螺丝固定在河床上，然后检查柱状传感器是否固定牢靠，待整个装置稳定后，最后将承托柱状传感器的弧形塑料片拆除。

其中，第六步的具体步骤如下：首先将长方形容器周边与基坑的缝隙用沙砾填补齐，PVC塑料板与带孔格子塑料板之间的缝隙不填入沙砾，然后等待丰水期水流淹没波浪后将可拆卸格子塑料片拆卸下来，启动整个实验装置，并将长温度计沿着柱状传感器从之前固定弧形塑料片的螺丝孔中插入进砂砾中记录下温度数据，用来对柱状传感器的数据进行校准，校准后将PVC塑料板与带孔格子塑料板之间的缝隙用沙砾填平；最后在自然水流条件下监测波浪中不同深度的温度变化，一段时间后将柱形传感器采集到的数据传入电脑进行数据处理，并在制备波浪的尾部取样测量砂砾的密度和比热容。

有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明利用潜流带内的温度变化情况，在野外条件下能够测量水沙界面的潜流交换量，采用了廉价易得的材料，实验装置的结构设计简单，易于在地形条件复杂的野外架设好实验设备，并开展实验。

(2)本发明在河床上铺一定厚度的滤水型土工织物，并在砂砾的表面覆盖了一层孔径较小的塑料网，在波浪周边设置了带孔格子塑料板，保证了在实验过程中细砂尽可能少的随着水流流出，进而导致波浪形态的损毁改变。同时又最大限度的保证了波浪周边的水流特性不受实验装置的影响。

(3)本发明设置了可拆卸格子塑料板，在堆波浪时防止沙砾的流出有利于波浪的塑形，在拆卸实验装置的时候不影响波浪的形态和柱状传感器的稳定性。

(4)本发明首先将柱状传感器承托在弧形塑料片上，保证柱状传感器在安放的过程中保持平直不会歪斜，并将柱状传感器的另一端用螺丝固定在PVC塑料板上，PVC塑料板本身通过膨胀螺丝固定在河床上，待整个装置稳定后拆去弧形塑料片，然后再在野外实验装置内装入沙砾从而既保证了探头在波浪中的稳定性，又不会影响波浪本身的密实度和形态。在实验进行时用温度计对柱状传感器的数据进行了校准，增强了试验数据的精确性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是图1中A-A的剖视图；

图4是图1中B-B的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1本发明是一种结构简单的野外测量潜流交换量的实验装置，包括堆积成波浪形状的砂砾1、可拆卸卡板2、圆孔3、带卡槽的底座4、土工织布5、河床上的基坑6、带孔格子塑料板7、可拆卸格子塑料板8、孔径为0.3cm厚度为2.0mm的塑料网9、PVC塑料板10、ADV流速仪11、柱状传感器12和可拆卸的弧形塑料片13；带孔格子塑料板7通过可拆卸卡板2和带卡槽的底座4拼接成长方形容器，其中带孔格子塑料板7上开设有若干排若干列均匀布置的圆孔3。所述可拆卸卡板2为双向开口即为工字形的可拆卸卡板2，两边带孔格子塑料板7同时可在可拆卸卡板2上下滑动，带卡槽的底座4为T字型，正好卡扣在可拆卸卡板2与带孔格子塑料板7上使得带孔格子塑料板7固定；柱状传感器12一端固定在PVC塑料板10上另一端通过带孔格子塑料板7上的圆孔3承托在可拆的弧形塑料片13上，其柱状传感器12的非测量端成圆形口并设置有螺纹，使得PVC塑料板10能够和柱状传感器12端部很好地衔接，其中PVC塑料板10通过膨胀螺丝固定设置在基坑6底部。

长方形容器内部盛放有堆积成波浪状的砂砾1，砂砾1上方铺设有塑料网9，塑料网9通过搭扣搭接在带孔格子塑料板7上；长方形容器除了与PVC塑料板接触的长方形中部其余四周侧壁都设置有可拆卸格子塑料板8。通过设置可拆卸格子塑料板，使得方便拆卸并且不影响波浪形态。带孔格子塑料板7上用签字笔画有砂砾1的位置；长方形容器的底角用膨胀螺丝固定在河床上。砂砾1上方设置有ADV流速仪11来测量流速。

基坑6顶部与砂砾1上部边缘平齐，保证了流入长方形容器内的水流的平顺，带孔格子塑料板7和砂砾1上的塑料网9，从最低程度上减少了实验装置本身对波浪周边水流情况的影响；同时铺设在基坑底部的滤水型土工织布5最大限度的保证了实验过程中波浪的稳定。

其中每个带孔格子塑料板7上设置有至少六排三列的圆孔3。并且所述PVC塑料板9上至少设置有六排三列柱状传感器11并与带孔格子塑料板7上的圆孔3位置相对应。通过这样的设置，可以使得柱状传感器11的数量足够多，能够最大限度采集到不同的数据，提高了实验的准确性。

其中每个带孔格子塑料板7上设置有至少六排三列的圆孔3。并且所述PVC塑料板10上至少设置有六排三列柱状传感器12并与带孔格子塑料板7上的圆孔3位置相对应。通过这样的设置，可以使得柱状传感器12的数量足够多，能够最大限度采集到不同的数据，提高了实验的准确性。

其中塑料网8的孔径为0.3cm，厚度为2.0mm。铺设此尺寸的塑料网8不仅能够防止砂砾1随着水波飘走也能够不影响数据的测量，提高数据的精准度。

对于本发明野外定量潜流交换实验系统的实施方法，包括以下步骤：

第一步：根据实验需要安放容器于一些流域支流上面，在枯水期的河床上挖制一个长7m、高0.5m、宽0.5m的基坑，并在基坑底部铺设一定厚度的滤水型土工织物，铺好后将1.2m*0.8m和0.2m*0.8m的带孔格子塑料板用可拆卸卡板将其固定，制成长6m、高0.8m、宽0.2m的长方形容器，带孔格子塑料板的底角用膨胀螺丝固定在河床上，其中带孔格子塑料板上开设有若干排若干列均匀布置的圆孔。，

第二步：长方形容器四周侧壁除了与PVC塑料板接触的部分其余均设置有可拆卸格子塑料板，每两个可拆卸格子塑料板之间通过可拆卸卡板连接，所述可拆卸卡板两端通过带卡槽的底座固定；

第三步：将柱状传感器放置在弧形塑料片上，柱状传感器末端通过螺丝固定在PVC塑料板上，另一端跟弧形塑料片一起放置在不设置有可拆卸格子塑料板的带孔格子塑料板的圆孔中，其中PVC塑料板的底脚通过膨胀螺丝固定在河床上，并检查柱状传感器是否固定牢靠，待整个装置稳定后，将承托柱状传感器的弧形塑料片拆除；整个过程使柱状传感器进入长方形容器一定深度以方便测量砂砾内温度。

第四步：制备波浪，将用去离子水清洗过的砂砾按1m*0.5m的长和高来制备波浪，在其中一个波浪的迎水面和背水面放置有共18个柱状传感器，分三排，每排六个，处于底部的柱状传感器距离长方形容器底部的距离为10cm，处于长方形容器顶部的柱状传感器与长方形容器顶部间距10cm。砂砾的表面覆盖一层塑料网，并用搭环搭接在格子塑料板上。

第五步：长方形容器的砂砾的上方设置有侧面水流流速的流速仪，同时在砂砾浸没入水中48小时后，在长方形容器的尾部对砂砾进行取样，用来得到砂砾的密度、孔隙率和比热容。

第六步：将长方形容器周边与基坑的缝隙用沙砾填补齐，PVC塑料板与带孔格子塑料板之间的缝隙不填入沙砾，等待丰水期水流淹没波浪后将可拆卸格子塑料板拆卸下来，启动整个实验装置，并用长温度计沿柱状传感器从之前固定弧形塑料片的螺丝孔插入进波浪中记录下温度数据，用来对柱状传感器的数据进行校准，校准后将PVC塑料板与带孔格子塑料板之间的缝隙用沙砾填平。在自然水流条件下监测波浪中不同深度的温度变化，一段时间后将柱形传感器采集到的数据传入电脑进行数据处理。并在制备波浪的尾部取样测量砂砾的密度和比热容。

本发明基于一维热输运方程，通过监测波浪内部不同深度点的温度，用来计算潜流交换的水量

${\left(\mathrm{\ρ}c\right)}_m\frac{\∂T\left(z\right)}{\∂t}+{\left(\mathrm{\ρ}c\right)}_{f}q\left(z\right)\·\▿T\left(z\right)=\▿\·(k_m\▿T(z\left)\right)$

其中，(ρc)_m为水沙混合物的总密度和比热容的乘积，(ρc)_f为水的总密度和比热容的乘积，T(z)为波浪内不同深度的温度值，q(z)为波浪内不同深度的达西流速，k_m是导热系数，砂砾的导热系数一般为1.5W/(m℃)±0.5W/(m℃)这里可取为1.5W/(m℃)，由导热系数产生的计算水量的误差在这里可以忽略不计。边界条件：当z＝0时T＝T₀，当z＝L时T＝T_L，根据公式求得潜流交换水量：

$\frac{T\left(z\right)-T_0}{T\left(L\right)-T_0}=\frac{e^{\frac{q\left(z\right){\left(\mathrm{\ρ}c\right)}_f}{k_m}z}-1}{e^{\frac{q\left(z\right){\left(\mathrm{\ρ}c\right)}_f}{k_m}L}-1}$

为了能够使柱状传感器能够稳定放置而又不影响波浪的形态，所述带孔格子塑料板的孔径要稍稍大于柱状传感器的直径。

为了使所做实验更接近真实河流条件下潜流交换交换量，所述PVC塑料板要足够的薄最好小于2cm但是要坚硬，这样最大限度保证河流中的水流环境。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种野外测量潜流交换量的实验装置，其特征在于：河床底部开挖有基坑，基坑底部铺设有滤水型土工织物，土工织物上方设置有由若干个带孔格子塑料板拼接而成的长方形容器，每两个带孔格子塑料板之间通过可拆卸卡板连接，所述可拆卸卡板两端通过带卡槽的底座固定，长方形容器底部固定在基坑底部，其中带孔格子塑料板上开设有若干均匀布置的圆孔；长方形容器内部盛放有堆积成波浪状的砂砾，砂砾上方铺设有塑料网，塑料网通过搭扣搭接在带孔格子塑料板上；柱状传感器的一端穿过长方形容器中部带孔格子塑料板上的圆孔并埋入砂砾中，柱状传感器另一端固定设置在PVC塑料板上，PVC塑料板的底脚固定设置在基坑底部，长方形容器四周侧壁除了与PVC塑料板接触的部分其余均设置有可拆卸格子塑料板。

2.根据权利要求1所述的一种野外测量潜流交换量的实验装置，其特征在于：所述柱状传感器与圆孔之间还预设有用于承托柱状传感器的弧形塑料片。

3.根据权利要求2所述的一种野外测量潜流交换量的实验装置，其特征在于：所述长方形容器内部塑料网上方设置有流速仪。

4.根据权利要求1所述的一种野外测量潜流交换量的实验装置，其特征在于：所述塑料网的孔径为0.3cm，厚度为2.0mm；所述带孔格子塑料板和可拆卸格子塑料的厚度均为2cm。

5.一种如权利要求1至4之一所述的野外测量潜流交换量实验装置的实施方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：根据需要选择流域位置，在枯水期的河床上挖制基坑，并在基坑底部铺设滤水型土工织物，铺设好后将带孔格子塑料板用可拆卸卡板拼接成长方形容器，长方形容器底部通过膨胀螺丝固定在基坑底部；

第二步：将长方形容器四周侧壁除了与PVC塑料板接触的部分其余均设置有可拆卸格子塑料板，每两个可拆卸格子塑料板之间通过可拆卸卡板连接，所述可拆卸卡板两端通过带卡槽的底座固定；

第三步：将柱状传感器安装在长方形容器中；

第四步：将所有的柱状传感器固定好后，往长方形容器中放砂砾，将砂砾按波浪形态放置，放置过程中柱状传感器的测量端埋入砂砾里，同时砂砾上部的水体中也有柱状传感器进行测量，砂砾放置好后在砂砾的表面覆盖一层塑料网，并用搭环搭接在带孔格子塑料板上；

第五步：长方形容器的砂砾的上方设置有测量水流流速的流速仪，同时在砂砾浸没入水中48小时后，在长方形容器的尾部对砂砾进行取样，用来得到砂砾的密度、孔隙率和比热容；

第六步：往长方形容器周边和基坑缝隙中填补砂砾，并对柱状传感器数据进行校准，校准后将柱状传感器采集到的数据传入电脑进行数据处理。

6.根据权利要求5所述的一种野外测量潜流交换量实验装置的实施方法，其特征在于，第三步中将柱状传感器安装在长方形容器中的具体步骤如下：首先将柱状传感器放置在弧形塑料片上，柱状传感器末端通过螺丝固定在PVC塑料板上，另一端跟弧形塑料片一起放置在不设置有可拆卸格子塑料板的带孔格子塑料板的圆孔中，其中PVC塑料板的底脚通过膨胀螺丝固定在河床上，然后检查柱状传感器是否固定牢靠，待整个装置稳定后，最后将承托柱状传感器的弧形塑料片拆除。

7.根据权利要求5所述的一种野外测量潜流交换量实验装置的实施方法，其特征在于：第六步的具体步骤如下：首先将长方形容器周边与基坑的缝隙用沙砾填补齐，PVC塑料板与带孔格子塑料板之间的缝隙不填入沙砾，然后等待丰水期水流淹没波浪后将可拆卸格子塑料片拆卸下来，启动整个实验装置，并将长温度计沿着柱状传感器从之前固定弧形塑料片的螺丝孔中插入进砂砾中记录下温度数据，用来对柱状传感器的数据进行校准，校准后将PVC塑料板与带孔格子塑料板之间的缝隙用沙砾填平；最后在自然水流条件下监测波浪中不同深度的温度变化，一段时间后将柱形传感器采集到的数据传入电脑进行数据处理，并在制备波浪的尾部取样测量砂砾的密度和比热容。