CN105786032B - 一种试验区地下水位精确控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种试验区地下水位精确控制系统和方法，包括：砂石渗滤层中埋设有水平纵横排列的集排水管网，集排水管网通过连通管至少与一个竖直排列的预充排水井连接，地下水位测井底部设有地下水位计，连通管上设有连通阀和集排水压计，预充排水井的底部设有预充排水位计，进水管上设有进水阀和进水流量计，出水管上设有出水阀和出水流量计。本发明原土层中地下水位的高度及其他各种参数，以这些参数为基础控制预充排水井中的水位，利用预充排水井的水压影响原土层中的水位，达到精确控制原土层中地下水位的目的。由于预充排水井中的水位十分容易控制，而预充排水井中的压力也可以迅速的传递到原土层中，因此可以实现快速高效的地下水位调整。

Description

一种试验区地下水位精确控制系统与方法

技术领域

本发明涉及一种试验区地下水位精确控制系统与方法，是一种水文实验系统和方法，是一种SPAC（土壤-植被-大气连续体）系统试验系统与方法，是一种用于大型试验小区地下水位自动控制的试验系统与方法。

背景技术

地下水过程是水循环过程的重要环节，与地表入渗、土壤水渗漏、土壤水蒸发、植被生长等过程密切相关。为了准确认识和研究地下水对水循环过程、植被生长、土壤生态等过程的影响，需进行土壤地下水位模拟。随着人们认识的深入，地下水位模拟实验的规模越做越大。随着规模的增大，模拟土层的厚度已经达到十几米深的程度。在如此厚的土层中进行地下水模拟，如何快速、精确的达到所需要的地下水位高度已经成为一个突出的问题。

现有的一些模拟地下水位的方式虽然可以取得一些成果，但规模太小。一旦增加规模则效率低下，每改变一次土层的地下水位，需要很长时间，降低了实验的效率。更为重要的是控制地下水位的精度不能令人满意，这就影响了整个实验的精确度，严重的情况下，甚至使实验无法进行。

地下水位的模拟现在多利用水平衡的方法对地下水位施加影响，从而控制实现对地下水位的控制。如用马氏瓶计量供水，这样的方法和设备用于小型的、土层厚度不大的蒸渗仪问题不太大。如蒸渗仪，通过对地表入渗与蒸发，以及土体下部的渗流阀开闭来控制地下水。可以实现2m以内土体的地下水位控制。这种方法难以实现地下水位迅速达到试验设定要求，同时难以满足较大尺度小区的试验要求。如蒸渗仪地下自动供排水装置，利用高于测坑50厘米的有机玻璃管作供排水柱筒，在其下部引出4根水管，其中一根通往测坑与测坑底部水管相连，测坑试验中所产生的排水出流或地下水向包气带的水流都通过该管道与水供排水柱筒相连；一根连接供水电磁阀与水源的蓄水箱相连，随时补充试验中测坑所消耗的水量；一根为排水管接排水电磁阀，供排泄测坑来水或排除水筒内的水量之用；还有一根接液位变送器。供排水柱筒内的水位应该是试验中测坑所要求控制的地下水位，为此，在供排水柱筒内悬挂了一个设定水位的保持器，由装设在筒顶部的电动升降器操纵其上下移动，该保持器上安装5只导电测针，它与外置的水位继电器和电气元连接件构成了整个水位控制电路，控制水筒的进水电磁阀或排水电磁阀。这种装置基本可以满足较大土体的蒸渗测坑试验要求。但是控制精度和速度还有待提高。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种试验区地下水位精确控制系统与方法。所述的系统和方法提出了一整套完整的大型试验小区地下水位精确控制系统和方法，提高控制效率，提升控制精度。

本发明的目的是这样实现的：一种试验区地下水位精确控制系统，包括：设置在试验区原土层下部的砂石渗滤层，所述的砂石渗滤层中埋设有水平纵横排列的集排水管网，所述的集排水管网通过连通管至少与一个竖直排列的预充排水井连接，所述的预充排水井与出水管和进水管连接，所述的进水管与供水箱连接；所述的原土层中设有至少一个地下水位测井；所述的地下水位测井底部设有地下水位计，所述的连通管上设有连通阀和集排水压计，所述的预充排水井的底部设有预充排水位计，所述的进水管上设有进水阀和进水流量计，所述的出水管上设有出水阀和出水流量计，所述的地下水位计、集排水压计、预充排水位计、出水阀、进水阀、进水流量计、出水流量计与监控平台电连接。

进一步的，所述的原土层和砂石渗滤层之间设置至少一层过滤纱布，所述的过滤纱布的目数不小于60目。

进一步的，所述的集排水管网为硬质塑料或金属管材构成，呈方格网状，管表面均布小于1厘米透水孔。

进一步的，所述的集排水管网的管材外部包裹至少一层不锈钢丝网，和至少一层过滤纱布。

进一步的，所述的不锈钢丝网的目数不小于20目，所述的过滤纱布的目数不小于60目。

进一步的，所述的预充排水井的高度大于所述原土层厚度加所述砂石渗滤层厚度加预升高度。

进一步的，所述的预充排水井的进水管和出水管上下排列，在低于进水管，高于出水管的位置设置一层过滤网，在低于出水口高于井底放置的预充排水位计的位置设置第二层过滤网。

进一步的，所述的供水箱的高度不低于预充排水井的高度，所述供水箱设置带有补水电控阀的补水管和液位计，所述的补水电控阀和液位计与监控平台电连接。

一种使用上述系统的试验区地下水位精确控制方法，所述方法包括以下三种情况分别处理：

（1）地下水埋深大于试验区土壤厚度，且地下水自由或受限渗漏的情况：保持进水阀关闭，同时打开连通阀、打开或关闭出水阀；通过监控平台实时记录土体地下水位和含水量信息；

（2）地下水埋深小于土体厚度，且地下水位上升或下降至设定高度的情况：通过地下水位计获取当前的地下水位h ₀，利用监控平台设定需要达到的地下水位H，利用预充排水位计获取当前预充排水井的水位h；根据地下水位控制精度要求，选择预充排水井的水位变化高度Δh；基本过程如下：

当设定水位H小于h ₀，且h ₀-H>1cm，即需要降低地下水位，打开排水阀，使预充排水井中的水位h=H+Δh，之后关闭排水阀，每1分钟比较一次h ₀、H值，直至h ₀-H≤1cm；

当设定水位H大于h ₀，且H- h ₀>1cm，即需要升高地下水位时，打开进水阀，使预充排水井的水位h=H+Δh，之后关闭进水阀，每1分钟比较一次h ₀、H值，直至H- h ₀≤1cm；

（3）地下水埋深保持在设定水位的情况：要每隔5分钟比较一次h ₀、H值，当|h ₀-H|＞1cm时，打开对应的进水阀或排水阀，使h=H±∆h，直至|h ₀-H|≤1cm。

本发明产生的有益效果是：本发明在系统的各个关键部位设置传感器，检测原土层中地下水位的高度及其他各种参数，以这些参数为基础控制预充排水井中的水位，利用预充排水井的水压影响原土层中的水位，达到精确控制原土层中地下水位的目的。由于预充排水井中的水位十分容易控制，而预充排水井中的压力也可以迅速的传递到原土层中，因此可以实现快速高效的地下水位调整。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一、七、八所述控制系统立面结构示意图；

图2是本发明的实施例三所述方格形集排水管网的平面示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种试验区地下水位精确控制系统，如图1所示。本实施例包括：设置在试验区原土层1下部的砂石渗滤层2，所述的砂石渗滤层中埋设有水平纵横排列的集排水管网3，所述的集排水管网通过连通管4至少与一个竖直排列的预充排水井5连接，所述的预充排水井与出水管6和进水管7连接，所述的进水管与供水箱8连接；所述的原土层中设有至少一个地下水位测井9；所述的地下水位测井底部设有地下水位计10，所述的连通管上设有连通阀11和集排水压计12，所述的预充排水井的底部设有预充排水位计13，所述的进水管上设有进水阀14和进水流量计15，所述的出水管上设有出水阀16和出水流量计17，所述的地下水位计、集排水压计、预充排水位计、出水阀、进水阀、进水流量计、出水流量计与监控平台电连接。

本实施例所述的试验区是指由钢筋混凝土构筑的密封池。密封池的长宽通常有数十米，数米至十几米深。池中做防水，与外部水完全隔绝。池的上方设有可以模拟各种降雨过程的人工降雨设施。密封池和人工降雨设施所形成的系统，用于模拟不同地区在各种气候下的土壤、水文、水资源的状况，进行实验和研究。

密封池中填埋从被模拟地区所采集的称为原土层的土壤样品，也通过合成的方式获取土壤样品。为模拟地下水对土壤的影响，本实施例在原土层的下方设置了模拟地下水的设施，包括：砂石渗滤层和集排水管网。在原土层和砂石渗滤层之间可以设置反滤纱网。

砂石渗滤层均匀的铺设在原土层的下方，或根据需要专门设置不同厚度的砂石渗滤层，砂石渗滤层应采用0.25-0.5mm的砂石铺设，其渗透系数一般应大于5×10^-4m/s。

集排水管网的作用是集水或排水，即可以向土壤中输送水，也可以将土壤中的水吸收并排出。集排水管网可以是条状、环状或网状的管道形式。管道可以是塑料管或钢管。管的表面布置均匀的透水孔。透水孔的直径不能太大，通常应当保持在1毫米以下。为防止泥沙进入管道，可以在管道外表面包裹反滤纱网。反滤纱网作用：透水防堵，保证土体内的流场与自然条件下的一致性。

为精确的控制地下水位，本实施例设置了预充排水井。预充排水井的作用是利用自然大气压和重力，对土壤中的水分施加作用力，形成土壤中的地下水的稳定高度，其精确的程度可以达到0.01米级。

预充排水井可以设置多个，通过连接管分别连接到集排水管网的不同部位，使水可以快速均匀的进入集排水管网。预充排水井可使用管材，如有机玻璃管、钢管等，竖直安装，底端封死，顶端敞开，底部设置传感器，距离底部较近的位置依次设置出水管进水管，并在其间设置渗滤层（网）。连通管设置在于进水管高度相当的位置。进水管与供水箱连接，以提供外部的补水。而出水管则将多余的水量排放掉。

预充排水井的高度为土体厚度、砂石渗滤层厚度，以及水位预升高度之和。当预充排水井中充水的时候，预充排水井的水对土壤形成压力，当土壤中的水分过多时，也会通过集排水管网将水压到预充排水井，利用两者之间的平衡，即可以达到均衡精确的控制地下水位。

供水箱为预充排水井提供补水，其高度应当不低于预充排水井的顶部高度，或至少不低于预充排水井中最高水位的高度。供水箱中可以设置与外部水源连接的补水管。以及水阀和液位计等控制设施，以便自动的控制供水箱中的水位，并保证不出现任何溢出。

为实现精确的控制，必须设置足够的传感器，以获取控制所需要的信息。首先，本实施例在原土层中设置了地下水位测井。在地下水位测井中设置了地下水位计，以检测土壤中的水位。地下水位测井的深度应当与原土层的厚度相仿，地下水位计则设置在井底。地下水位测井可以是塑料或钢管，接近井底的表面均匀设置透水孔，如有必要，在有透水孔部分也设置反滤纱网。

为检测集排水管网中的水压，可以在集排水管网的多个部位设置集排水压计，或简单的在连通管上设置集排水压计。集排水压计所反映的或者是土壤中水的压力，或者是预充排水井中的水对土壤的压力。

为检测预充排水井中的水位高度，或者说预充排水井中的水压，可以在预充排水井的底边设置预充排水位计，并以预充排水位计所获取的参数，通过进、出水管的流量控制预充排水井中的水位。

预充排水井中的水位是精确控制地下水位的关键。因此，需要使用控制阀门控制进、出的水流。其控制的主要参考参数是预充排水井中的水位高度。而预充排水井中的水位高度，则来自于地下水位计和集排水压计所提供参数的综合考量，以及实验所需要的参数进行最终的计算获取。

本实施例所述的进水阀、排水阀和联通阀都是电控阀门，可以是电磁阀，或其他由电动控制的阀门，以便进行自动控制。

监控平台是带有数据采集和电控的综合性软硬件电子数字处理系统，通常包括：数据采集器、脉冲信号采集与控制器，以及pc机和相应的软件控制系统等构成。监控平台的作用是：用于采集和存储试验小区地下水位信息，采集和存储试验小区土壤含水量信息，采集、存储和计算地下水并控制系统的工作，采集和存储进、出水管水量，采集供水箱水位信息，并根据设定触发报警器和操作界面报警。

使用实例：

试验区是长宽深为：20m×7m×4m的4个实验池，和一个20m×7m×10m的试验池。

原土层：试验区采用华北平原区典型土壤的原位土回填建设，本实例采用河北省栾城县的土壤，采取分层采挖运输、分层处理回填的方式，保持采挖位置和回填位置的相对一致性。

砂石渗滤层：直接采用中国水科院延庆试验站附近供建筑材料用河沙铺设，粒径分布在0.25-0.5mm之间。

地下水位测井：地下水位测井布设在长、宽方向1/4等间隔交叉点上，3×3分布。底部与砂石渗滤层间隔15cm。

敷设方法：细砂层平铺（即直接铺设在底部）或者包裹土体（即除底部外，土体四周也铺设一定高度的砂石滤层），土体与砂石滤层间铺设纱布。

集排水管网设计：根据中国华北平原区土壤特性，其导水系数k范围1×10^-8m/s~2×10^-5m/s。取最不利条件作为系统设计条件，设地下水埋深为0.5m，则4m深土体的水头为3.5m，10m深土体的水头为9.5m。根据以下公式估算最大出流能力：

Q=k×∆H×S

其中：Q为流量，m³/s；

k为渗透系数，取较大值5×10^-6m/s；

∆H为水头，分别取3.5m和9.5m；

S为渗透土壤面积，140㎡；

则4m深试验区最大透水流量为0.00245m³/s；10m深试验区最大透水流量为0.00665m³/s。

根据上述计算结果和水头，计算合理的集排水管的直径。

计算后选定使用直径6-15cm不锈钢孔管，管壁透水孔直径为0.8cm，孔距0.5-1cm；外壁敷设20目不锈钢网，然后再敷设80目纱布。

为了保证试验区土体下垫面的流场一致性，集排水管网布设采用1m×1m的密度进行布设，管网距试验池四壁的距离为0.5m。为了在保证充分过水能力的同时满足强度要求，透水孔密度（透水面积/不透水面积）为0.28。

预充排水井的设计：本实例选用有机玻璃管竖直使用，作用预充排水井的材质。以地下水为控制精度为1cm为例，试验区（长20m×宽7m），按饱和含水量40%、自然含水量15%（考虑采用含水量传感器监测值）计算，1厘米土层厚度新增（或释出给水度）水量为20×7×0.01×（40%-15%）=0.35立方米。则按有机玻璃筒内预升（降）高度0.5米计算，有机玻璃筒的有效面积为0.7平方米。内径为0.5m的有机玻璃管面积为0.196平方米，则3根0.5m内径有机玻璃管的有效面积为0.6平方米。

同时考虑进水管过流能力、阀门滞时、水位计响应时间、水位计测量频率、控制系统数据采集与计算过程滞时等造成的进排水阀延时，选择3根内径为0.6m的有机玻璃管作为预充排水井。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于原土层和砂石渗滤层的细化。本实施例所述的原土层和砂石渗滤层之间设置至少一层过滤纱布，所述的过滤纱布的目数不小于60目。

保证土体表面的水流压力场与平原区土体的相似性，原土层和砂石渗滤层之间设置反滤纱网。反滤纱网可以采用过滤纱布或其他过滤材料。考虑使用量很大，本实施例选用成本低廉的过滤纱布。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于集排水管网的细化。本实施例所述的集排水管网为硬质塑料或金属管材构成，呈方格网状（如图2所示），管壁均布小于1毫米透水孔。

本实施例采用管材垂直交错联通，垂直联通部位之间的距离相等，形成方格形，以便形成均匀的进排水管网。方格网状由于联通部位多，水在方格形管网中压力比较均匀，可以形成对土壤均匀的水压，也可以使土壤中的水分快速均匀的排出。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于集排水管网的细化。本实施例所述的集排水管网的管材外部包裹至少一层不锈钢丝网，和至少一层过滤纱布。

集排水管网的外部设置反滤纱网，以保持管网中的水压一致。反滤纱网可以用1层钢丝网加几层过滤纱布。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于集排水管网的细化。本实施例所述的不锈钢丝网的目数不小于20目，所述的过滤纱布的目数不小于120目。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于预充排水井的细化。本实施例所述的预充排水井的高度大于所述原图层厚度加所述砂石渗滤层厚度加预升高度。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于预充排水井的细化。本实施例所述的预充排水井的进水管和出水管上下排列，在低于进水管，高于出水管的位置设置第一层过滤网501，在低于出水口高于井底放置的预充排水位计的位置设置第二层过滤网502，如图1所示。

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于供水箱的细化。本实施例所述的供水箱的高度不低于预充排水井的高度，所述供水箱设置带有补水电控阀801的补水管802和液位计803，所述的补水电控阀和液位计与监控平台电连接，如图1所示。

供水箱的作用是补充预充排水井中的水，使预充排水井需要保持压力时，不会因缺水而失压。

实施例九：

本实施例是一种使用上述系统的试验区地下水位精确控制方法，所述方法包括以下三种情况分别处理：

（1）地下水埋深大于试验区土壤厚度，且地下水自由或受限渗漏的情况：保持进水阀关闭，同时打开连通阀、打开/关闭出水阀；通过监控平台实时记录土体地下水位和含水量信息。这种情况是模拟当前地下水位十分低的地区土壤水循环过程，可以模拟地下水埋深较大灌区根据土壤含水量设定灌溉时间和频次的情况。

（2）地下水埋深小于土体厚度，且地下水位上升或下降至设定高度的情况：通过地下水位计获取当前的地下水位h ₀，利用监控平台设定需要达到的地下水位H，利用预充排水位计获取当前预充排水井的水位h；根据地下水位控制精度要求，选择预充排水井的水位变化高度Δh。这是模拟地下水位在土层中不断变化的情况，可十分精确的模拟土层中变化的水位。Δh一般选1米以下，例如，可以选定Δh为0.5m。基本过程如下：

当设定水位H小于h ₀，且h ₀-H>1cm，即需要降低地下水位，打开排水阀，使预充排水井中的水位h=H+Δh，之后关闭排水阀，每1分钟比较一次h ₀、H值，直至h ₀-H≤1cm。

当设定水位H大于h ₀，且H- h ₀>1cm，即需要升高地下水位时，打开进水阀，使预充排水井的水位h=H+Δh，之后关闭进水阀，每1分钟比较一次h ₀、H值，直至H- h ₀≤1cm。

（3）地下水埋深保持在设定水位的情况：要每隔5分钟比较一次h ₀、H值，当|h ₀-H|＞1cm时，打开对应的进水阀或排水阀，使h=H±∆h，直至|h ₀-H|≤1cm。这是模拟地下水位稳定的情况。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如整个系统的连接方式、各个连接关系、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种试验区地下水位精确控制方法，所述方法所使用的系统包括：设置在试验区原土层下部的砂石渗滤层，所述的砂石渗滤层中埋设有水平纵横排列的集排水管网，所述的集排水管网通过连通管至少与一个竖直排列的预充排水井连接，所述的预充排水井与出水管和进水管连接，所述的进水管与供水箱连接；所述的原土层中设有至少一个地下水位测井；所述的地下水位测井底部设有地下水位计，所述的连通管上设有连通阀和集排水压计，所述的预充排水井的底部设有预充排水位计，所述的进水管上设有进水阀和进水流量计，所述的出水管上设有出水阀和出水流量计，所述的地下水位计、集排水压计、预充排水位计、出水阀、进水阀、进水流量计、出水流量计与监控平台电连接；

所述方法包括以下三种情况分别处理：

（1）地下水埋深大于试验区土壤厚度，且地下水自由或受限渗漏的情况：保持进水阀关闭，同时打开连通阀、打开或关闭出水阀；通过监控平台实时记录土体地下水位和含水量信息；

（2）地下水埋深小于土体厚度，且地下水位上升或下降至设定高度的情况：通过地下水位计获取当前的地下水位h ₀，利用监控平台设定需要达到的地下水位H，利用预充排水位计获取当前预充排水井的水位h；根据地下水位控制精度要求，选择预充排水井的水位变化高度Δh；基本过程如下：

当设定水位H小于h ₀，且h ₀-H>1cm，即需要降低地下水位，打开排水阀，使预充排水井中的水位h=H+Δh，之后关闭排水阀，每1分钟比较一次h ₀、H值，直至h ₀-H≤1cm；

当设定水位H大于h ₀，且H- h ₀>1cm，即需要升高地下水位时，打开进水阀，使预充排水井的水位h=H+Δh，之后关闭进水阀，每1分钟比较一次h ₀、H值，直至H - h ₀≤1cm；

（3）地下水埋深保持在设定水位的情况：要每隔5分钟比较一次h ₀、H值，当|h ₀-H|＞1cm时，打开对应的进水阀或排水阀，使h=H±∆h，直至|h ₀-H|≤1cm。