CN107966185B - 一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置，包括叉车、水槽和基座，基座上设置有用于支撑所述水槽下表面的支撑杆，水槽下表面的右侧连有转轴，转轴的两端穿过位于基座右侧的两个支撑杆的上端，水槽下表面的左侧由所述叉车的升降结构带动上下运动，水槽的右侧面下端开设有与其等宽的排水口，排水口处安置有透水层，排水口装有控制水槽排水的阀门，排水口连有导流槽，导流槽的下方设置有接水容器，接水容器内设置有水位计。本发明还公开了一种验室中测量斜坡地下水排水量的方法。本发明的一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置及方法，能够准确测量斜坡排水前期和排水后期的地下水排水量。

Description

一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置及方法

技术领域

本发明涉具体涉及一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置及方法，属于水文学和环境科学领域。

背景技术

水是维持自然生态系统平衡和人类生存的基本资源。近年来，人类对水资源的需求量逐年增加，全球很多国家都面临着水资源短缺的问题。特别是我们国家，有着全世界约20％的人口，但是淡水资源总量却只占全世界的5-7％。根据水利部最新调查数据，在我国660个城市中，有2/3的城市已经存在不同程度的淡水资源短缺情况。并且随着我国社会经济快速发展，到2030年整个国家的用水量将达到7500亿立方米，占可利用淡水资源总量的90％。这种情况下，作为可利用水资源主要的聚集地，一个有效的流域水资源管理方案显得尤为重要，而理解流域水动力过程是制定流域水资源管理方案的关键之一。

河流径流由坡面流和地下径流组成，地下径流是来自于地下水对河流径流的贡献，它描述了地下水的排泄量。作为流域水动力过程研究的主要内容之一，地下径流退水过程是指在降雨很少或无降雨时期内地下连续的排水过程。Brutsaert和Nieber(1977)基于地下水运动方程的解析解指出地下径流退水过程中，地下径流流量(Q)与它对时间的一阶导数(dQ/dt)之间满足指数关系(-dQ/dt＝aQ^b)。此后，通过野外观测、数值模拟和解析解等手段，该关系式被很多的研究所证明。根据这个关系式中b的取值，可以反推出流域潜水层水力参数，比如水力传导系数，潜水层厚度，孔隙率等，这对于在缺少实测潜水层水力参数的流域构建水文模型是很重要的。此外，确定b的取值还可以反推流域地下径流流量和流域蓄水量的关系。

斜坡是流域水文响应基本的单元，因此理解斜坡的地下水排水过程是模拟流域地下径流退水过程的基础。目前，研究者对于b的取值存在很大的争议且关于b取值问题的理论研究都不考虑土壤非饱和效应的影响。最近有研究指出，土壤的非饱和效应会对斜坡排水产生很大的影响，斜坡排水过程分为两个阶段，排水前期(饱和区排水占主导)和排水后期(非饱和区排水占主导)。但是非饱和区排水占主导时斜坡的排水量比饱和区排水占主导时小2～3个量级，因此怎么采用一个装置准确测量斜坡整个排水过程的地下水排水量成为了一个值得研究的问题。

此外，实验室中所采用的水槽变坡方式有两种：一种是通过电机的动力带动齿轮转动使水槽达到预先设定的坡度，但是进行水文实验的实验室一般较为潮湿，电机长期在这种环境中容易被空气中的水分侵蚀，给实验带来不安全的因素；另一种方式是通过人力转动齿轮转动使水槽达到预先设定的坡度，但是很耗费人力。在这两种方式中还存在一个共同的缺点是带动斜坡变坡的齿轮容易磨损和锈蚀，且水槽的变坡幅度较小，坡度不好控制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提出一种实验室中准确测量斜坡排水量的装置及方法，能够准确测量斜坡排水前期(饱和区排水占主导)和排水后期(非饱和区排水占主导)的地下水排水量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置，包括叉车、水槽和基座，所述基座上设置有用于支撑所述水槽下表面的支撑杆，所述水槽下表面的右侧连有转轴，所述转轴的两端穿过位于所述基座右侧的两个所述支撑杆的上端，所述水槽下表面的左侧由所述叉车的升降结构带动上下运动，所述水槽的右侧面下端开设有与其等宽的排水口，所述排水口处安置有透水层，所述排水口装有控制水槽排水的阀门，所述排水口连有导流槽，所述导流槽的下方设置有接水容器，所述接水容器内设置有水位计。

所述透水层的材质为土工织物。

所述水槽下表面的左侧设置有木块，所述木块位于所述叉车的升降结构上。

所述接水容器由三个不同底面积的柱体连接组成，从下往上底面积逐渐减小。

所述基座通过膨胀螺丝固定在地面上。

一种实验室中测量斜坡地下水排水量的方法，包括以下步骤：

S01，关闭排水口处的阀门，往水槽中加满去离子水，检查水槽是否漏水；

S02，向装满去离子水的水槽中加入经过去离子水洗净的沙子，直到水槽被填满后，轻轻抹平沙子表面，打开排水口的阀门让水槽(2)自由排水，一段时间后关闭阀门；

S03，操作叉车抬升水的左端，到达预先设定的坡度，把接水容器放置于导流槽的下端，同时设置好水位计的数据读取和记录周期并放置在接水容器中；

S04，往水槽上表面加入去离子水，使地下水位到达预先设定的水位，保证水不从水槽上表面溢出，轻轻抹平沙子表面；

S05，打开排水口的阀门，使水槽处于自由排水的状态；

S06，待排水过程完成后，关闭排水口的阀门，操作叉车降落水槽使之水平，再从接水容器中取出水位计并导出每一个时刻的水位数据；

S07，通过接水容器中水位的变化计算得到斜坡地下水排水量。

S07中，斜坡地下水排水量的计算公式为：

其中：Q为第i时刻斜坡地下水排水量，h_i和h_i-j分别为第i和i-j时刻接水容器中的水位，A为接水容器的底面积，t_o代表水位计测量周期间隔，j代表第i和i-j时刻之间测量周期间隔的个数。

本发明的有益效果：

(1)该装置不仅可以准确测量斜坡排水前期由饱和区排水占主导时很大的排水量，也可以准确测量斜坡排水后期由非饱和区排水占主导时很小的排水量，对于研究斜坡地下水排泄动力过程具有重要的科学意义。

(2)通过叉车升降水槽的一端调节水槽的坡度，可以简单有效的使水槽达到预先设定的坡度且能产生较大的变坡幅度，同时消除了传统变坡方式带来的安全隐患。

(3)实验结束后，将自记式的高精度水位计与计算机相连接，即可导出每个时刻变截面柱体接水容器内的水位，算出斜坡地下水排水量，提高了实验的效率。

附图说明：

图1是本发明装置的主视图；

图2是变截面接水容器的主视图(a)、左视图(b)和俯视图(c)；

图3是运行工况一的实测地下水排水量与数模结果对比图；

图4是运行工况二的实测地下水排水量与数模结果对比图；

图5是运行工况三的实测地下水排水量与数模结果对比图。

附图标记说明：

1-叉车；2-水槽；3-基座；4-接水容器；5-水位计；6-转轴；7-导流槽；8-阀门；9-木块；10-膨胀螺丝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置，包括叉车1、水槽2和基座3，基座3通过膨胀螺丝10固定在地面上。基座3上设置有用于支撑水槽2下表面的支撑杆，水槽2下表面的右侧连有转轴6，转轴6的两端穿过位于基座3右侧的两个支撑杆的上端，水槽2能够沿着转轴6转动。水槽2下表面的左侧由叉车1的升降结构带动上下运动，水槽2下表面的左侧设置有木块9，木块9位于叉车1的升降结构上。本发明通过叉车1带动水槽2沿着转轴6转动，实现水槽2坡度的调节，以简单有效的使水槽达到预先设定的坡度且能产生较大的变坡幅度，同时消除了传统变坡方式带来的安全隐患。

水槽2的尺寸为1.8m(长)×0.2m(宽)×0.6m(高)。水槽2的右侧面下端开设有一个与水槽2等宽的1cm高的排水口8。实验中采用的沙饱和渗透系数和孔隙度分别为4.573×10^-3m/s和0.39。排水口8处安置有透水层，透水层的材质为土工织物，土工织物可以防止沙子流出且具备高透水性的优点。排水口8装有控制水槽排水的阀门，排水口8连有导流槽7，导流槽7的下方设置有接水容器4，接水容器4内设置有水位计5，水位计5的精度为1mm，能够自动按一定的周期测量并记录。

由于斜坡地下水排水量会随着时间的变化逐渐减小，接水容器里的水位变化会越来越不明显，为了提高水位测定的精度，我们把接水容器4的形状设置为变截面柱体结构。如图2所示，水容器4由三个不同底面积的柱体连接组成，从下往上底面积逐渐减小。前期，斜坡地下水排水量较大时，采用最底部的大柱体部分进行水位测定；中期，斜坡地下水排水量中等时，采用中部的中等柱体部分进行水位测定；后期，斜坡地下水排水量较小时，采用上部的小柱体部分进行水位测定。水容器4的尺寸从下往上依次为：0.3m(长)×0.3m(宽)×0.3m(高),0.2m(长)×0.2m(宽)×0.3m(高),0.1m(长)×0.1m(宽)×0.45m(高)。

本发明的一种实验室中测量斜坡地下水排水量的方法，包括以下七个步骤：

步骤一，关闭排水口8处的阀门，往水槽2中加满去离子水，检查水槽2是否漏水；

步骤二，向装满去离子水的水槽2中加入经过去离子水洗净的沙子，直到水槽2被填满后，轻轻抹平沙子表面，打开排水口8的阀门让水槽2自由排水，一段时间后关闭阀门；

步骤三，操作叉车1抬升水槽2的左端，到达预先设定的坡度，把接水容器4放置于导流槽7的下端，同时设置好水位计5的数据读取和记录周期并放置在接水容器4中；

步骤四，往水槽2上表面加入去离子水，使地下水位到达预先设定的水位，保证水不从水槽2上表面溢出，轻轻抹平沙子表面；

步骤五，打开排水口8的阀门，使水槽2处于自由排水的状态；

步骤六，待排水过程完成后，关闭排水口8的阀门，操作叉车1降落水槽2使之水平，再从接水容器4中取出水位计5并导出每一个时刻的水位数据；

步骤七，通过接水容器4中水位的变化计算得到斜坡地下水排水量。其中，斜坡地下水排水量的计算公式为：

其中：Q为第i时刻斜坡地下水排水量，h_i和h_i-j分别为第i和i-j时刻接水容器中的水位，A为接水容器的底面积，t_o代表水位计测量周期间隔，j代表第i和i-j时刻之间测量周期间隔的个数。斜坡排水前期时，饱和区排水占主导，接水容器里水位变化明显，此时水位计测量周期间隔的个数j可以选取较少个，取较短时间间隔内水位变化的数值进行计算；而当排水后期时，非饱和区排水占主导，接水容器里水位变化不明显，此时水位计测量周期间隔的个数j可以选取较多个，取较长时间间隔内水位变化的数值进行计算。通过不同j值的设定，可以准确测量斜坡整个排水过程的地下水排水量。

重复上面七个步骤分别运行三种工况，对应的斜坡坡度分别为为5°，10°，15°。三种工况对应的预先设定的地下水位为平行于水平面且在排水口处的地下水位为0.5m。如图3，4，5所示，在三种坡度下，无论是在饱和区排水占主导的排水前期，还是非饱和区排水占主导的排水后期，通过本发明测得的斜坡地下水排水量与数值模拟计算结果吻合的都很好。综上所述，本发明能够准确测量整个排水过程的地下水排水量。

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 (6)

1.一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置，其特征在于：包括叉车(1)、水槽(2)和基座(3)，所述基座(3)上设置有用于支撑所述水槽(2)下表面的支撑杆，所述水槽(2)下表面的右侧连有转轴(6)，所述转轴(6)的两端穿过位于所述基座(3)右侧的两个所述支撑杆的上端，所述水槽(2)下表面的左侧由所述叉车(1)的升降结构带动上下运动，所述水槽(2)的右侧面下端开设有与其等宽的排水口(8)，所述排水口(8)处安置有透水层，所述排水口(8)装有控制水槽排水的阀门，所述排水口(8)连有导流槽(7)，所述导流槽(7)的下方设置有接水容器(4)，所述接水容器(4)内设置有水位计(5)，所述接水容器(4)由三个不同底面积的柱体连接组成，从下往上底面积逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置，其特征在于：所述透水层的材质为土工织物。

3.根据权利要求1所述的一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置，其特征在于：所述水槽(2)下表面的左侧设置有木块(9)，所述木块(9)位于所述叉车(1)的升降结构上。

4.根据权利要求1所述的一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置，其特征在于：所述基座(3)通过膨胀螺丝(10)固定在地面上。

5.一种实验室中测量斜坡地下水排水量的方法，其特征在于：使用如权利要求1所述的一种实验室中测量斜坡地下水排水量的装置，包括以下步骤：

S01，关闭排水口(8)处的阀门，往水槽(2)中加满去离子水，检查水槽(2)是否漏水；

S02，向装满去离子水的水槽(2)中加入经过去离子水洗净的沙子，直到水槽(2)被填满后，轻轻抹平沙子表面，打开排水口(8)的阀门让水槽(2)自由排水，一段时间后关闭阀门；

S03，操作叉车(1)抬升水槽(2)的左端，到达预先设定的坡度，把接水容器(4)放置于导流槽(7)的下端，同时设置好水位计(5)的数据读取和记录周期并放置在接水容器(4)中；

S04，往水槽(2)上表面加入去离子水，使地下水位到达预先设定的水位，保证水不从水槽(2)上表面溢出，轻轻抹平沙子表面；

S05，打开排水口(8)的阀门，使水槽(2)处于自由排水的状态；

S06，待排水过程完成后，关闭排水口(8)的阀门，操作叉车(1)降落水槽(2)使之水平，再从接水容器(4)中取出水位计(5)并导出每一个时刻的水位数据；

S07，通过接水容器(4)中水位的变化计算得到斜坡地下水排水量。

6.根据权利要求5所述的一种实验室中测量斜坡地下水排水量的方法，其特征在于：S07中，斜坡地下水排水量的计算公式为：

其中：Q为第i时刻斜坡地下水排水量，h_i和h_i-j分别为第i和i-j时刻接水容器中的水位，A为接水容器的底面积，t_o代表水位计测量周期间隔，j代表第i和i-j时刻之间测量周期间隔的个数。