CN105973314A - 地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，包括水槽、自动水位控制系统、架设在水槽上方的若干安装有竖直方向探杆的探头固定架和数据采集系统，水槽沿长度方向依次划分为地下水区域、多孔介质区域和地表水区域，水槽上多孔介质区域的上方架设有探头固定架，探杆伸入多孔介质区域内，自动水位控制系统和地表水区域连接，探杆上设置有分别与数据采集系统相连接的张力计、压力传感器和含水率探头。本发明能够实现任意变化水位下多孔介质中非饱和情况的测量，实验过程中水位变化、含水率、压力和张力测量均可自动实现，可节约人力提高实验效率，本发明可以为研究变化水位与多孔介质中地下水之间交换的水动力过程提供科学的指导。

Description

地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统及方法

技术领域

本发明属于水利工程领域，涉及一种在室内实验中地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统及方法。

背景技术

侧岸带是河道两侧在河岸一定范围内河水与区域地下水发生潜流交换的区域。侧岸潜流交换对河流生态系统的结构和功能有着重要作用，并影响有机物、重金属、细颗粒等物质的输移。在侧岸横向结构上，由于河流与河岸交界面具有强烈的水文连通性，因而河水水位上涨时河流水通过侧向交换补给河岸地下水，河水位下降时河岸含水层中的地下水又会补给河流，从而在侧岸的多孔介质中形成饱和非饱和的交替。海岸带与湖滨带与侧岸带相同，在海水位和湖水位变化下，地下水位高于海水和湖水水位时会补给海水和湖水，地下水位低于海水和湖水水位时海水和湖水会补给地下水，从而在海岸和湖岸的横向结构上产生饱和非饱和交替的现象。对这一交替现象的监测对研究变化水位与多孔介质中地下水之间交换的水动力过程具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在室内实验水槽中地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统和使用方法，能够实现任意变化水位下多孔介质中饱和非饱和状态的测量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，包括水槽、自动水位控制系统、架设在水槽上方的若干安装有竖直方向探杆的探头固定架和数据采集系统，所述水槽沿长度方向依次划分为地下水区域、多孔介质区域和地表水区域，水槽上多孔介质区域的上方架设有探头固定架，所述探杆伸入多孔介质区域内，所述自动水位控制系统和地表水区域连接，所述探杆上设置有分别与数据采集系统相连接的张力计、压力传感器和含水率探头。

进一步的，所述自动水位控制系统包括水位探头、水箱、双向泵、直流电机和工业控制计算机，所述与工业控制计算机连接的水位探头设置在所述地表水区域内，所述双向泵与直流电机电连接且分别与工业控制计算机连接，双向泵还分别与地表水区域和水箱连接，水位探头将检测到的水位信号传递给工业控制计算机，工业控制计算机控制直流电机，双向泵由直流电机驱动并受直流电机电极的变化控制其正反向转动，实现水槽的进水和出水。

进一步的，所述多孔介质区域两侧设置有与水槽等宽的拦沙架，为保证其上焊接有拦纱网的拦沙架的稳定性在其底部焊接有形成三角形的支撑杆，拦沙架和水槽内壁间的缝隙处塞上橡皮泥，用来在水位变动的情况下保持沙坡的稳定并尽可能不影响水流流态，拦沙架和多孔介质之间设置尼龙拦纱网和土工织物。

进一步的，所述探头固定架为木杆，木杆下方垂直固定两段相对设置的短木杆，探杆绑于两个短木杆之间，探杆的底端设置有铁块来增加自重从而保证装置在水流下的稳定性。

进一步的，所述探头固定架越靠近地表水区域布置越密集。

进一步的，所述探杆上均匀分布有等距的若干组通过尼龙扎带分别固定在探杆同一水平位置上的含水率探头、张力计和压力传感器。

进一步的，所述水槽的地下水区域设置高度可调整的溢流挡板，方便在实验中保持任意所需高度恒定的地下水位。

本发明所述的一种地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：将含水率探头、张力计、压力传感器与数据采集系统相连并用尼龙扎带固定在探杆上，探杆固定在探头固定架上，并按越靠近地表水区域布置越密集的原则在多孔介质区域水槽上方架设探头固定架；

步骤二：向水槽中加入去离子水至事先设定好的地下水高度，并调整溢流挡板至该高度；

步骤三：在多孔介质区域两侧放置拦沙架，在拦沙架和多孔介质区域之间放置200目的尼龙拦纱网和土工织物，在拦沙架与水槽内壁的缝隙处塞橡皮泥堵上，再缓慢加入经去离子水洗净的石英砂，加砂过程应缓慢均匀，如有石英砂黏在边壁上应轻拍水槽，在砂露出液面之前应注意排气保证砂体的饱和，在砂体露出水面后需保证加砂的均匀，在加沙完毕后用有机玻璃板轻轻整平沙坡；

步骤四：连接双向泵、水箱、直流电机、水位探头和工业控制计算机形成自动水位控制系统；

步骤五：开启自动水位控制系统，将目标水位变化数据导入工业控制计算机，打开水槽进出水阀门，打开数据采集系统，此时可以记录多孔介质区域各采样点处多孔介质含水率、张力和压力的实时变化；

步骤六：实验结束后先关闭进水阀门再关闭自动水位控制系统，导出数据采集系统记录的实时数据。

本发明的有益效果在于：

(1)能够实现任意变化水位下多孔介质中非饱和情况的测量，实验过程中水位变化、含水率、压力和张力测量均可自动实现，可节约人力提高实验效率，本发明可以为研究变化水位与多孔介质中地下水之间交换的水动力过程提供科学的指导。

(2)由于水槽较大，通过在探杆下端焊接铁块来增加自重，保证固定在固定架上的含水率探头、张力探头和压力传感器在变化的水位下保持稳定，不至发生偏移影响实验结果。

(3)由于水槽较大，为增强沙坡的稳定性，在拦沙架下部焊接形成三角形的支撑杆，用以保证拦沙架的稳定，拦沙架上焊接拦沙网，并在拦沙架与多孔介质之间放置200目尼龙拦纱网和土工织物，用橡皮泥堵塞拦沙架与水槽之间的缝隙。

(4)只需将水位变化情况导入工业控制计算机，系统就可以通过自动水位控制系统自动实现该变化的水位，并对水位变化情况下多孔介质含水率、压力和张力变化情况进行实时监测，节约了人工提高了实验效率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例所述的装置结构示意图；

图2为本发明实施例所述的水槽的俯视图；

图3为本发明实施例所述的拦沙架和焊接于拦沙架上的拦纱网结构示意图；

图4为本发明实施例所述的探头固定架和探杆的结构示意图。

附图标记说明：

1-水槽；2-双向泵；3-直流电机；4-工业控制计算机；5-水位探头；6-水箱；7-拦沙架；71-拦纱网；72-支撑杆；8-溢流挡板；9-尾水排水管道；10-探头固定架；11-张力计；12-压力传感器；13-含水率探头；14-短木杆；15-探杆；16-铁块；101-地下水区域；102-多孔介质区域；103-地表水区域。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1至图4所示，一种地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，包括水槽1、自动水位控制系统、架设在水槽1上方的若干安装有竖直方向探杆15的探头固定架10和数据采集系统。水槽1沿长度方向依次划分为地下水区域101、多孔介质区域102和地表水区域103，水槽1上多孔介质区域102的上方架设有探头固定架10，探杆15伸入多孔介质区域102内，探杆15上设置有分别与数据采集系统相连接的张力计11、压力传感器12和含水率探头13。自动水位控制系统包括水位探头5、水箱6、双向泵2、直流电机3和工业控制计算机4，与工业控制计算机4连接的水位探头5设置在地表水区域103内，双向泵2与直流电机3电连接且分别与工业控制计算机4连接，双向泵2还分别与地表水区域103和水箱6连接，水位探头5将检测到的水位信号传递给工业控制计算机4，工业控制计算机4控制直流电机3，双向泵2由直流电机3驱动并受直流电机3电极的变化控制其正反向转动，实现水槽1的进水和出水，结合水位探头5，将目标水位变化情况导入工业控制计算机4即可实现该水位变化的情况。

水槽1出水口处设置尾水排水管道9，在水槽1的地下水区域101安装高度可以调整的溢流挡板8，可以在实验中提供任意恒定的地下水高度。水槽1高度为1.5m，两侧地下水区域101和地表水区域103的长度为1m，泥沙区也就是多孔介质区102中沙波长度为28m，高度为1.3m。

多孔介质区域102两侧设置有与水槽1等宽的拦沙架7，拦沙架7上焊接有拦纱网71，为保证拦沙架7的稳定性在其底部焊接有形成三角形结构的支撑杆72，拦沙架7和水槽1内壁间的缝隙处塞上橡皮泥，用来在水位变动的情况下保持沙坡的稳定并尽可能不影响水流流态，拦沙架7和多孔介质之间设置200目的尼龙拦纱网和土工织物。

探头固定架10为木杆，木杆下方垂直固定两段相对的短木杆14，探杆15为铁杆，探杆15绑于两个短木杆14之间，为了保证装置在水流下的稳定性在探杆15的底端焊接有铁块16来增加自重。

探头固定架10越靠近地表水区域103布置越密集。越靠近地表水区域103的多孔介质受变化水位的影响越显著，因而其饱和与非饱和的变化越频繁，所以为了尽可能多的捕捉到这种饱和非饱和的变化，所以越靠近地表水区域103探头固定架10设置越密集。多孔介质区域102上方从靠近地表水区域103的一端开始布置，从距离拦沙架0.3m处开始，依次布置5根距离为0.3m、5根距离为0.5m、5根距离为1m、5根距离为2m、5根距离为3m的探头固定架10。张力计11、压力传感器12和含水率探头13用尼龙扎带固定在铁杆同一水平位置上，每个张力计11、压力传感器12和含水率探头13为一组，从探杆0.3m处至1.3m处每隔0.2m等距布置，并连接数据采集系统对各采样点处含水率、压力和张力变化进行实时监测，从而最大程度上捕捉多孔介质中非饱和变化的情况。

水槽1进水口设置有进水阀门，开始实验时需先开启自动水位控制系统再打开进水阀门，实验结束时应先关闭进水阀门再关闭自动水位控制系统，防止开阀门时水槽1中的水从进水口排出对沙坡造成冲刷。

本发明所述的一种地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：将张力计11、压力传感器12和含水率探头13与数据采集系统相连并用尼龙扎带固定在探杆15上，探杆15固定在探头固定架10上，并按越靠近地表水区域103布置越密集的原则在多孔介质区域102水槽1上方架设探头固定架10；

步骤二：防止自来水中的杂质对实验饱和非饱和变化情况产生额外不可控的影响，向水槽1中加入去离子水至事先设定好的地下水高度，并调整溢流挡板8至该高度；

步骤三：在多孔介质区域102两侧放置拦沙架7，在拦沙架7和多孔介质区域102之间放置200目的尼龙拦纱网和土工织物，尼龙拦纱网和土工织物挡在多孔介质区域102和拦沙架7之间，起到一定固定多孔介质的作用，在拦沙架7与水槽1内壁的缝隙处塞橡皮泥堵上，为了防止石英砂中的杂质对其饱和非饱和的变化造成不可控的影响，再缓慢加入经去离子水洗净的石英砂，加砂过程应缓慢均匀，如有石英砂黏在边壁上应轻拍水槽1，在砂露出液面之前应注意排气保证砂体的饱和，在砂体露出水面后需保证加砂的均匀，在加沙完毕后用有机玻璃板轻轻整平沙坡；

步骤四：连接双向泵2、水箱6、直流电机3、水位探头5和工业控制计算机4形成自动水位控制系统；

步骤五：开启自动水位控制系统，将目标水位变化数据导入工业控制计算机4，打开水槽1进出水阀门，打开数据采集系统，此时可以记录多孔介质区域102各采样点处多孔介质含水率、张力和压力的实时变化；

步骤六：实验结束后先关闭进水阀门再关闭自动水位控制系统，导出数据采集系统记录的实时数据。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，其特征在于：包括水槽(1)、自动水位控制系统、架设在水槽(1)上方的若干安装有竖直方向探杆(15)的探头固定架(10)和数据采集系统，所述水槽(1)沿长度方向依次划分为地下水区域(101)、多孔介质区域(102)和地表水区域(103)，水槽(1)中多孔介质区域(102)的上方架设有探头固定架(10)，所述探杆(15)伸入多孔介质区域(102)内，所述自动水位控制系统和地表水区域(103)连接，所述探杆(15)上设置有分别与数据采集系统相连接的张力计(11)、压力传感器(12)和含水率探头(13)。

2.根据权利要求1所述的地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，其特征在于：所述自动水位控制系统包括水位探头(5)、水箱(6)、双向泵(2)、直流电机(3)和工业控制计算机(4)，所述与工业控制计算机(4)连接的水位探头(5)设置在所述地表水区域(103)内，所述双向泵(2)与直流电机(3)电连接且分别与工业控制计算机(4)连接，双向泵(2)还分别与地表水区域(103)和水箱(6)连接。

3.根据权利要求1所述的地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，其特征在于：所述多孔介质区域(102)两侧设置有与水槽(1)等宽的拦沙架(7)，其上焊接有拦纱网(71)的拦沙架(7)底部焊接有形成三角形的支撑杆(72)，拦沙架(7)和水槽(1)内壁间的缝隙处塞上橡皮泥，拦沙架(7)和多孔介质之间设置尼龙拦纱网和土工织物。

4.根据权利要求1所述的地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，其特征在于：所述探头固定架(10)为木杆，木杆下方垂直固定两段相对设置的短木杆(14)，探杆(15)绑于两个短木杆(14)之间，探杆(15)杆底端焊接有铁块(16)。

5.根据权利要求1所述的地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，其特征在于：所述探头固定架(10)越靠近地表水区域(103)布置越密集。

6.根据权利要求1所述的地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，其特征在于：所述探杆(15)上均匀分布有若干组通过尼龙扎带分别固定在探杆(15)同一水平位置上的张力计(11)、压力传感器(12)和含水率探头(13)。

7.根据权利要求1所述的地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，其特征在于：所述水槽(1)的地下水区域(101)设置高度可调整的溢流挡板(8)。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述的地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将张力计(11)、压力传感器(12)、含水率探头(13)与数据采集系统相连并用尼龙扎带固定在探杆(15)上，探杆(15)固定在短木块(14)之间，并按越靠近地表水区域(103)布置越密集的原则在多孔介质区域(102)的水槽(1)上方架设探头固定架(10)；

步骤二：向水槽(1)中加入去离子水至事先设定好的地下水高度，并调整溢流挡板(8)至该高度；

步骤三：在多孔介质区域(102)两侧放置拦沙架(7)，在拦沙架(7)和多孔介质区域(102)之间放置200目的尼龙拦纱网和土工织物，在拦沙架(7)与水槽(1)内壁的缝隙处塞橡皮泥堵上，再缓慢加入经去离子水洗净的石英砂，加砂过程应缓慢均匀，如有石英砂黏在边壁上应轻拍水槽(1)，在砂露出液面之前应注意排气保证砂体的饱和，在砂体露出水面后需保证加砂的均匀，在加沙完毕后用有机玻璃板轻轻整平沙坡；

步骤四：连接双向泵(2)、水箱(6)、直流电机(3)、水位探头(5)和工业控制计算机(4)形成自动水位控制系统；

步骤五：开启自动水位控制系统，将目标水位变化数据导入工业控制计算机(4)，打开水槽(1)进出水阀门，打开数据采集系统，此时可以记录多孔介质区域(102)各采样点处多孔介质含水率、张力和压力的实时变化；

步骤六：实验结束后先关闭进水阀门再关闭自动水位控制系统，导出数据采集系统记录的实时数据。