CN108051342B - 一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下水‑湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计算方法，具体涉及一种湖泊近岸农田浅层地下水‑湖水交互作用下氮磷等可溶性污染物入湖通量的计算方法，属于农业环境技术领域。该方法适应于隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时浅层地下水‑湖水交互作用下氮磷等污染物入湖通量的计算，其不仅能计算浅层地下水‑湖水交互作用下污染物的入湖通量，还能借助模拟装置揭示浅层地下水‑湖水交互作用下污染物的迁移规律。

Description

一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的 简单计算方法

技术领域

本发明涉及一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计算方法，具体涉及一种湖泊近岸农田浅层地下水-湖水互作用下氮磷等可溶性污染物入湖量的观测和计算，该方法适应于隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时浅层地下水-湖水交互作用下氮磷等污染物入湖通量的观测和计算，属于农业环境技术领域。

背景技术

由于水源优势使得湖泊近岸农田多种植蔬果类经济作物，经济作物种植过程中必然大水大肥投入，使得过量肥料在水分入渗作用下向下运移，累积在土壤剖面中或进入浅层地下水中。浅层地下水携带着大量的氮磷等污染物从上游潜水层通过湖岸坡迁移至湖水中，影响湖滨带水体水质，导致湖泊富营养化的发生。

自然情况下多数浅水型湖泊湖底平缓，湖岸与湖底以一定倾角自然衔接，特别是当浅水型湖泊湖岸深度与潜水厚度一致，这时浅层地下水携带的氮磷等污染物通过湖岸坡渗入湖水中。在湖泊与浅层地下水交互区域，湖水和浅层地下水交互作用下氮磷等污染物不断进行着稀释、转化和迁移过程，影响着浅层地下水向湖泊水体输出氮磷等污染物的入湖通量。影响氮磷等污染物入湖通量的因素主要是地下水水流量和污染物的浓度，一方面，水量的交换取决于湖泊或地下水位的高低，即水力梯度，地下水位升高，由于水力梯度的存在使得污染物在浅层地下水流作用下通过湖岸坡进入湖水中，另一方面，污染物浓度梯度，一般浅层地下水中高浓度污染物向湖水中进行着浓度扩散，特别是湖水位升高，湖水对湖滨带农田影响范围扩大，富集在上层土壤中高浓度的氮磷等污染物通过浓度扩散作用随着浅层地下水快速进入湖水中。

目前，一般通过数值模拟和野外监测相结合的方法获取相关参数，对浅层地下水-湖水交互作用下氮磷等污染物入湖通量进行计算，但计算结果难免存在误差，而且数值模拟过程复杂，普适性差。

发明内容

本发明提供了一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计算方法，借助模拟装置揭示地下水-湖水互作用下近岸农田污染物的迁移规律，获取准确的实验模拟数值，并根据模拟装置提出了适用于隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时浅层地下水-湖水交互作用下计算氮磷等污染物入湖量的简化公式，达到对浅层地下水-湖水交互作用下污染物入湖量的准确估算。

为了达到上述目的，本发明提出如下技术方案：

一、构建岸坡模拟土体

在向盛土池1里装入土壤前，先根据模拟试验要求的岸坡坡度，预先固定好相应坡度的岸坡构建模块11，即确定岸坡的坡脚α。同时测定所取土壤的容重，取的土样要过5mm筛，去除大的石块和土粒；然后在盛土池和岸坡构建模块里分层装入筛分后的土壤，构建的土体密度要与原状土一致；在填土过程中要在盛土池1和岸坡构建模块11里地下水位观测管和溶液收集装置，以便进行模拟试验时观测水位变化及取不同层次的浅层地下水水样；构建好的土体存放至少60 天让其充分密实后，方可进行模拟试验。

二、调节地下水位控制系统、湖水位控制系统，达到初始设定的地下水位和湖水位，使构建的模拟土体充分饱和。

当地下水位h＞湖水位h₂，且地下水渗出点水位h₁＞h₂时，根据试验要求，通过地下水位调节龙头5和湖水位调节水龙头15确定一定高度的地下水位和湖水位水位h、h₂，然后在地下水供水池6中先加入蒸馏水，让其通过地下水供水池水龙头7流入地下水位调节池3内，使其逐渐达到试验要求的地下水位h，同时流入地下水位调节池6内的蒸馏水还通过顶端隔板8渗入构建好的岸坡模拟土体中，多余的蒸馏水水通过地下水位调节龙头5流出装置外的塑料桶内，使其在地下水位调节池6内始终保持设定好的地下水位h。同时流入盛土池2中的蒸馏水通过底端隔板渗入湖水位调节池9中，同时观测地下水渗出点水位h₁，使其逐渐达到试验要求的湖水位h₂，渗入湖水位调节池9中多余的水通过湖水位调节水龙头15流出，此时，3个地下水位为h＞h₁＞h₂，说明地下水位和湖水位已达到试验要求设计的水位h、h₂，这时构建的模拟土体也已充分饱和。

三、重新加入试验用的溶液，加入的溶液使其快速达到初始设定的地下水位和湖水位。

当地下水位和湖水位已达到试验要求设计的水位h、h₂，且构建的模拟土体也已充分饱和时，这时关闭地下水供水池水龙头7，停止向地下水供水池6中供蒸馏水，放干地下水供水池6中未流完蒸馏水，同时打开地下水位高h以下的地下水位调节龙头5和湖水位高h₂以下的湖水位调节水龙头15，让地下水位调节池3内和湖水位调节池9内的水迅速排干。

当湖水位h₂低于地下水渗出点的水位h₁时，通过调节试验要求的地下水位和湖水位h、h₂(h＞h₁＞h₂)，在地下水供水池6和地下水位调节池3中加入配好的一定浓度的溶质溶液或者加入取土原地的浅层地下水，地下水位调节池3 内加入的溶液要达到确定的地下水位h，并打开地下水供水池水龙头7，让地下水供水池6的溶液通过地下水供水池水龙头7流入地下水位调节池3内，流入的地下水位调节池6内的溶液还通过顶端隔板8渗入构建好的岸坡模拟土体中，多余的溶液通过地下水位调节龙头5流入装置外的塑料桶内。同时在湖水供水池 12和湖水位调节池9内加入蒸馏水或者取样地的湖水，并打开湖水供水池水龙头13，通过岸坡构建模块11渗入湖水位调节池9中的溶液和通过湖水供水池水龙头13流入湖水位调节池9中溶液高于试验要求的湖水位h₂时，多余的溶液就会通过湖水位调节水龙头15流入装置外的塑料桶中，这时的地下水渗出点水位 h₁＞h₂。

四、开展模拟试验，获取模拟试验数据。

由于水力梯度的差异(h＞h₁＞h₂)，地下水位调节池中的溶液不断渗入盛土池中，通过岸坡构建模块渗入湖水位调节池中，同时由于地下水位调节池3 和湖水位调节池9溶液浓度的差异，还会发生溶液浓度的扩散。溶液添加完成后，每天记录不同位置水位观测管21中的水位h、地下水渗出点水位h₁和湖水供水池流出水量V₁、湖水位调节池流出水量V；同时取不同位置溶液收集装置里的水样，测定水样中氮磷等污染物浓度C，同时记录试验的时间t；当观测的不同位置水位观测管21中的水位h、地下水渗出点水位h₁和不同位置溶液收集装置里的水样氮磷等污染物浓度C基本稳定时，说明设定的地下水位和湖水位h、h₂ (h＞h₁＞h₂)情况下的模拟试验已经结束。

当湖水位h₂等于或高于浅层地下水渗出点的水位h₁时，根据试验要求，通过调节湖水位调节水龙头15，提高湖水位h₂，使湖水水位高于地下水渗出点水位h₁，且h＞h₂＞h₁，由于水力梯度的差异(h＞h₂＞h₁)，地下水位调节池和湖水位调节池中的溶液会不断渗入盛土池中，两种渗入水流在盛土池内交汇，逐渐提高地下水渗出点水位h₁至湖水水位高，同时由于地下水位调节池3和湖水位调节池9溶液浓度的差异，还会发生溶液浓度的扩散。因此，溶液添加完成后，每天记录不同位置水位观测管21中的水位h、地下水渗出点水位h₁和湖水供水池流出水量V₁、湖水位调节池流出水量V；同时取不同位置溶液收集装置里的水样，测定水样中氮磷等污染物浓度C，同时记录试验的时间t；当观测的不同位置水位观测管21中的水位h及不同位置溶液收集装置里的水样氮磷等污染物浓度C基本稳定，且地下水渗出点水位h₁与湖水位相等时，说明设定的地下水位和湖水位h、h₂(h＞h1＞h2)情况下的模拟试验已经结束。

模拟试验完成后取模拟土体样，通过达西定律的渗流试验，测定土体的渗流系数，即K值；

五、根据上述两种情况，计算地下水-湖水交互作用下氮磷等污染物随浅层地下水迁移的入湖量，具体步骤如下：

第一步，浅层地下水-湖水互作用下氮磷等污染物入湖量公式推导氮磷等污染物入湖量的计算公式为流量和浓度的乘积：

M＝0.001Q×C (1)

其中：M为氮磷等污染物的入湖量(g/h)，C为污染物浓度(mg/L)，Q为地下水入湖流量(L/h)。

当湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线时，构建概化模型一：

如图6 所示，当湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线时，三角形坡面ACE 分为两部分，一部分为三角形坡面BCD的浅层地下水渗出后的贴坡流，另一部分为湖水位以下直角梯形ABDE的渗流，根据达西定律通过三角形坡面BCD内单宽流管b的渗流量q₁(m³/t m)为：

通过三角形坡面BCD的渗流量Q₁(m³/t)为：

同理，通过湖水位以下直角梯形ABDE内单宽流管c的渗流量为q₂(m³/t m)：

通过梯形坡面ABDE的渗流量Q₂(m³/t)为：

式中：K为渗透系数，a＝h₁-h₂，m＝cotα，A为过水断面宽，t为时间；

三角形坡面ACE的渗流总量为Q＝Q₁+Q₂(6)

当湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的水位线时，构建概化模型二：

如图7 所示，当湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的位线时，根据达西定律通过三角形坡面ABC内单宽流管的渗流量q(m³/t m)为：

通过三角形坡面ABC的渗流量Q(m³/t)为：

式中：K为渗透系数，h₂为湖泊水位，m＝cotα，A为过水断面宽，t为时间；

第二步、算模拟试验中污染物的入湖量根据试验过程中测定的地下水渗出点水位h1、湖水位h₂、渗流系数K、坡度α、渗流断面的面积、试验时间t，结合上述相应的模型可以计算模拟试验中污染物的入湖量。

本发明的有益效果：

本发明提供一种适用于隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时地下水-湖水交互作用下近岸农田污染物随地下水流迁移入湖的观测方法，并根据地下水与湖水位高度变化，提出了计算氮磷等污染物入湖量的简化公式。本方法不仅能揭示地下水-湖水交互作用下污染物的迁移规律，还能对地下水-湖水交互作用下污染物的入湖量进行准确估算。

附图说明

图1为本发明岸坡坡度为90°时的结构示意图；

图2为本发明岸坡坡度＜90°时的结构示意图；

图3为本发明溶液收集装置结构示意图；

图4为本发明岸坡构建模块结构示意图；

图5为本发明地下水位观测管结构示意图；

图6为湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线示意图；

图7为湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的水位线示意图；

图中，1-盛土池、2-取样孔、3-地下水位调节池、4-地下水位调节孔、5- 地下水位调节龙头、6-地下水供水池、7-地下水供水池水龙头、8-顶端隔板、9- 湖水位调节池、10-底端隔板、11-岸坡构建模块、12-湖水供水池、13-湖水供水池水龙头、14-湖水位调节孔、15-湖水位调节水龙头、16-收集管、17-石子、18- 尼龙网、19-硅胶软管、20-止水夹、21-地下水位观测管、22-地下水位观测管盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，一种地下水-湖水互作用下近岸农田污染物迁移模拟装置，包括盛土池1、溶液收集装置、地下水位观测管21、地下水位调节池3、地下水供水池6、湖水位调节池9、岸坡构建模块、湖水供水池12；所述盛土池1的前侧壁上开设有取样孔2，取样孔2上设置有溶液收集装置，所述的溶液收集装置包括收集管16、石子17、尼龙网18、硅胶软管19和止水夹20，收集管16设置在取样孔2上，收集管16底部填充石子17，石子17外表面铺设有至少两层尼龙网18，对盛土池1内的溶液进行取样时，石子17和过滤尼龙网18可对取样溶液进行粗过滤，过滤掉大部分泥土等杂质，避免杂质影响后续的检测实验。收集管16外端部设置有硅胶软管19，硅胶软管19上设置有止水夹20，需要取样时，取下止水夹20，使得取样液从硅胶软管19中流出，取样完成后，用止水夹 20夹紧硅胶软管19，起到止液的作用，操作简单，取样方便。优选地，取样孔 2水平排列设置有至少两个，竖直排列设置有两行，可通过不同的取样孔2对盛土池1不同深度处的溶液进行取样，通过多点取样进行实验检测，保证实验参数更为完整。盛土池1内从右往左等间距排布设置有地下水位观测管21，地下水位观测管21侧壁开设有渗水孔，顶部设置有管盖22，通过水位观察管可观察盛土池1内的水位高度。盛土池1一侧设置有地下水位调节池3，地下水位调节池 3与盛土池1之间通过带孔的顶端隔板8隔开，模拟实验过程中，水可以从顶端隔板8的孔自由通过，以使得盛土池1与地下水位调节池3连通。地下水位调节池3一侧设有竖直排列的地下水位调节孔4，每个地下水位调节孔4上安装一个地下水位调节龙头5，通过不同高度的地下水位调节龙头5，可以调节地下水位的高度。地下水位调节池3的上方设置有地下水供水池6，地下水供水池6上设置有用于给地下水位调节池3供水的地下水供水池水龙头7，地下水供水池6内为配置的试验所需氮磷等一定浓度的溶液或取样地的地下水，通过地下水供水池水龙头7向地下水位调节池3内供应溶液。盛土池1的另一侧设置有湖水位调节池9，湖水位调节池9与盛土池1之间设置有岸坡构建模块，岸坡构建模块用于模拟湖岸坡。若试验要求的岸坡坡度为90°时，则岸坡构建模块为竖直设置的带孔的底端隔板10，盛土池1底部和两侧壁上均开设有用于安装底端隔板10的卡槽。模拟过程中，盛土池1的溶液可通过底端隔板10的孔渗透到湖水位调节池9内，湖水位调节池9内的湖水也能从底端隔板10的孔进入盛土池1内。底端隔板10的高度与盛土池1填充的土层高度一致。若试验要求岸坡坡度＜90°，则岸坡构建模块为相应坡度的岸坡构建模块11，岸坡构建模块11用于模拟湖岸坡，通过不同坡度岸坡构建模块11的组装和拆卸可以实现岸坡构建模块11的坡度调节，来满足试验过程中对岸坡坡度的需求，岸坡构建模块11无左侧壁和底壁，有坡度的壁面均匀分布有孔。湖水位调节池9底部设置有用于安装岸坡构建模块的卡槽，便于不同坡度岸坡构建模块11的拆卸和组装，通过不同坡度模块的组装和拆卸可以实现岸坡构建模块11的坡度调节，来满足试验过程中对岸坡坡度的需求。模拟过程中，盛土池1的溶液可通过岸坡构建模块11的孔渗透到湖水位调节池9内，岸坡构建模块11外侧的湖水也能从岸坡构建模块11侧壁的孔进入盛土池1内。岸坡构建模块11的高度与盛土池1填的土层高度一致，长度与相应坡度要求的长度一致。湖水位调节池9上方设置有湖水供水池12，湖水供水池12内为试验所需的去离子水或取样地的湖水，湖水供水池12设置有用于给湖水位调节池9供水的湖水供水池水龙头13，湖水供水池12可为湖水位调节池9提供水，通过开启湖水供水池水龙头13向湖水位调节池9中供水，湖水位调节池9其中一侧开设有竖直排列的湖水位调节孔14，湖水位调节孔14上设置有湖水位调节水龙头15，通过湖水位调节池9上的湖水位调节水龙头15，可实现湖水位调节池9内的水位调节。装置解决了在湖泊近岸农田地下水-湖水互作用下目前无法监测氮磷等污染物随地下水流的时空迁移规律的问题，而且该装置相比野外监测更为便利，成本低，缩短试验周期、降低试验工作量、提高试验精度，不但能模拟湖泊近岸农田地下水-湖水互作用下的氮磷等污染物随地下水流的迁移过程，还能进而为湖泊近岸农田氮磷等污染物入湖通量的确定提供科学、合理的数据。此外，本装置不但能观测氮磷等元素，还可以观测其它可溶于水的其它元素。优选地，所述的岸坡构建模块11与湖水位调节池9底部的卡槽连接处、岸坡构建模块11的岸坡坡面与湖水调节池两侧的连接处均设置有密封条，避免出现漏水现象，影响实验结果。

以硝态氮为例，利用推导的模型和上述装置获得的计算参数，对模型进行验证。具体实施例如下：

实施例1湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线

模拟试验的盛土池尺寸为长3.5m，宽0.6m，高1.2m，地下水位调节池长 0.5m，湖水位调节池长2m，盛土池、地下水位调节池和湖水位调节池为一体化构造。盛土池中构建的土体高度为1m，按照模拟试验要求的岸坡坡度为60°，模拟试验用土来自于洱海近岸农田剖面土壤。

在填土前，挖深为1m土壤剖面，挖出的各层土要充分混合，在填土前，根据确定的岸坡60°，预先固定好岸坡为60°的岸坡构建模块，岸坡构建模块固定好后，开始填过5mm筛的混合土样，每20cm一层进行分层填充，进行压实至相应的土体容重，然后为了两层土衔接紧密，再用铲子刮起压实的表层土，然后再进行20-40cm填充，反复如此，直至填到土体高度为120cm。构建的土体密度要与原状土一致。填土的过程中要在盛土池侧壁相应取样孔安装溶液收集装置，安装好的溶液收集装置要与取样孔持平。同时要在盛土池和岸坡构建模块相连处埋1根水位测管，以后每隔0.7m埋一根，共埋4根，以便进行模拟试验时观测水位变化。构建好的土体存放至少60天让其充分密实后，进行模拟试验。

试验要求的地下水位为90cm，湖水位为30cm，然后在浅层地下水供水池中加入蒸馏水，让其通过构建好的土体渗入湖水调节池中，使土体充分饱和，并逐渐达到试验设定的地下水位和湖水水位。然后在浅层地下水供水池中换入用 KNO₃配置的浓度为50mg/L硝态氮溶液，使其不断流入地下水位调节池中，多余的水通过地下水位调节孔流出装置外，流出的水用塑料桶收集。同时，在湖水供水池中加入蒸馏水，使其不断流入湖水位调节池中，通过渗流进入湖水位调节池的浅层地下水和湖水供水池流进湖水调节池多余的蒸馏水通过湖水位调节孔流出装置外，流出的水用塑料桶收集。

根据试验过程中测定地下水位渗出点水位h₁、湖水位h₂、渗流系数K、边坡系数cot60°、渗流断面的面积、试验时间t(表1)、湖水供水池流出水量V₁、湖水位调节池流出水量V和水样中硝态氮浓度C(表2)，结合相应的概化模型可以计算模拟试验中污染物的入湖通量。

表1计算实施例中渗流量需要的参数

根据公式3和公式5计算的Q₁为4.18L/h，Q₂为3.89L/h，实施例一总的渗流量Q为8.07L/h。BCD处溶液收集装置测定的水样中硝态氮30d平均浓度为 35.53mg/L，ABDE处溶液收集装置测定的水样中硝态氮30d平均浓度为16.41 mg/L，根据公式1计算的BCD处的硝态氮入湖通量为148.62mg/h，ABDE处硝态氮入湖通量为63.81mg/h，实施例一硝态氮总的入湖通量为212.42mg/h。

模拟试验中实测的渗流量V₂＝V-V₁＝7.96L/h，与通过公式计算的渗流量(8.07 L/h)接近，也说明通过公式3和5对渗流量Q的计算比较适合。

表2实施例中硝态氮浓度mg/L

实施例二：湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的水位线

在实施例一的基础上，设定湖水位湖水位h₂为80cm，其它试验条件不变，在两侧水位平衡后，每天从ABC处溶液收集装置收集水样，详细参数见表1和 2。

根据公式8计算的渗流量Q为7.27L/h，ABC处溶液收集装置测定的水样中硝态氮30d平均浓度为10.32mg/L，根据公式1计算的ABC处硝态氮入湖通量为180.18mg/h。

模拟试验中实测的渗流量V₂＝V-V₁＝7.18L/h，与通过公式8计算的渗流量(7.27L/h)接近，也说明通过公式8对渗流量Q的计算比较适合。

本发明提供一种适用于隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时地下水-湖水交互作用下近岸农田污染物随地下水流迁移入湖的观测方法，并根据地下水与湖水位高度变化，提出了计算氮磷等污染物入湖量的简化公式。本方法不仅能揭示地下水-湖水交互作用下污染物的迁移规律，还能对地下水-湖水交互作用下污染物的入湖量进行准确估算。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例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进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计算方法，其特征在于，地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物迁移模拟装置包括盛土池、溶液收集装置、地下水位观测管、地下水位调节池、地下水供水池、湖水位调节池、岸坡构建模块、湖水供水池；所述盛土池的前侧壁上开设有取样孔，取样孔上设置有溶液收集装置，盛土池内从右往左等间距排布设置有地下水位观测管，地下水位观测管侧壁开设有渗水孔，顶部设置有管盖，盛土池一侧设置有地下水位调节池，地下水位调节池与盛土池之间通过带孔的顶端隔板隔开，地下水位调节池一侧设有竖直排列的地下水位调节孔，地下水位调节孔上设置有地下水位调节龙头，地下水位调节池的上方设置有地下水供水池，地下水供水池上设置有用于给地下水位调节池供水的地下水供水池水龙头，盛土池的另一侧设置有湖水位调节池，底端隔板设置在盛土池和湖水位调节池之间，湖水位调节池与盛土池之间设置有岸坡构建模块，湖水位调节池上方设置有湖水供水池，湖水供水池上设置有用于给湖水位调节池供水的湖水供水池水龙头，湖水位调节池其中一侧开设有竖直排列的湖水位调节孔，湖水位调节孔上设置有湖水位调节水龙头；

地下水位控制系统为地下水位调节龙头、湖水位控制系统为湖水位调节水龙头；

利用地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物迁移模拟装置计算隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时浅层地下水-湖水互作用下氮磷等污染物入湖通量，步骤如下：

第一步、利用地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物迁移模拟装置构建岸坡模拟土体；

在第一步构建岸坡模拟土体时，具体步骤如下：

按照模拟试验要求的岸坡坡度，在填土前，预先固定好岸坡构建模块，即确定岸坡的坡脚α，在向盛土池和岸坡构建模块里装入土前，先测定所取土壤的土壤容重，取的土样要过5mm筛，去除大的石块和土粒；然后在盛土池和岸坡构建模块里分层装入筛分后的土壤，构建的土体密度要与原状土一致；在盛土池和岸坡构建模块里安装地下水位观测管和溶液收集装置，将构建好的岸坡模拟土体存放至少60天使其充分密实；

第二步、调节地下水位控制系统、湖水位控制系统，达到初始设定的地下水位和湖水位，使构建的岸坡模拟土体充分饱和；

第三步、加入试验用的溶液，达到初始设定的地下水位和湖水位；

第四步、开展模拟试验，获取模拟试验数据，记录不同位置地下水位观测管中的水位h、地下水渗出点水位h1和湖水供水池流出水量V₁、湖水位调节池流出水量V；同时取不同位置溶液收集装置里的水样，测定水样中氮磷等污染物浓度C，同时记录试验的时间t；模拟试验完成后取模拟土体样，通过达西定律的渗流试验，测定土体的渗流系数，即K值；

第五步、利用浅层地下水-湖水互作用下氮磷等污染物入湖通量公式求得氮磷等污染物入湖通量：

M＝0.001Q×C (1)

其中：M为氮磷等污染物的入湖通量，g/h，C为污染物浓度，mg/L，Q为地下水入湖通量，L/h；

在第二步调节地下水位控制系统、湖水位控制系统时，具体步骤如下：

当地下水位h＞湖水位h₂，且地下水渗出点水位h₁＞h₂时，通过地下水位调节龙头和湖水位调节水龙头确定一定高度的地下水位h和湖水位h₂，然后在地下水供水池中先加入蒸馏水，让其通过地下水供水池水龙头流入地下水位调节池内，使其逐渐达到试验要求的地下水位h，同时流入的地下水位调节池内的蒸馏水通过顶端隔板渗入构建好的岸坡模拟土体中，多余的蒸馏水通过地下水位调节龙头流出装置外的塑料桶内，使其在地下水位调节池内始终保持设定好的地下水位h；同时流入盛土池中的蒸馏水通过底端隔板渗入湖水位调节池中，同时观测地下水渗出点水位h₁，使其逐渐达到试验要求的湖水位h₂，渗入湖水位调节池中多余的水一旦通过湖水位调节水龙头流出时，此时，3个水位为h＞h₁＞h₂，说明地下水位和湖水位已达到试验要求设计的水位h、h₂，这时构建的岸坡模拟土体也已充分饱和；

在第三步迅速放干地下水供水池、地下水位调节池、湖水供水池、湖水位调节池内的蒸馏水，然后分别在其内加入相应的试验用溶液，加入的溶液使其快速达到初始设定的地下水位和湖水位，具体步骤如下：

当地下水位和湖水位已达到试验要求设计的水位h、h₂，且构建的岸坡模拟土体也已充分饱和时，这时关闭地下水供水池水龙头，停止向地下水供水池中供蒸馏水，放干地下水供水池中未流完蒸馏水，同时打开地下水位高h以下的地下水位调节龙头和湖水位高h₂以下的湖水位调节水龙头，使地下水位调节池内和湖水位调节池中的水迅速排干；

当湖水位h₂低于地下水渗出点的水位h₁时，通过调节试验要求的地下水位和湖水位h、h₂，使其效果达到h＞h1＞h2，在地下水供水池和地下水位调节池中加入配好的一定浓度的溶质溶液或者加入取土原地的浅层地下水，地下水位调节池内加入的溶液要达到设计的地下水位h，并打开地下水供水池水龙头，让地下水供水池的溶液通过地下水供水池水龙头流入地下水位调节池内，流入的地下水位调节池内的溶液还通过顶端隔板渗入构建好的岸坡模拟土体中，多余的溶液通过地下水位调节龙头流入装置外的塑料桶内，同时在湖水供水池和湖水位调节池内加入蒸馏水或者取样地的湖水，并打开湖水供水池水龙头，通过岸坡构建模块渗入湖水位调节池中的溶液和通过湖水供水池水龙头流入湖水位调节池中溶液高于试验要求的湖水位h₂时，多余的溶液就会通过湖水位调节水龙头流入装置外的塑料桶中，此时地下水渗出点水位h₁＞h₂；

在第五步时，通过以下步骤获取地下水入湖通量：

(1)当湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线时，构建概化模型一：

当湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线时，三角形坡面ACE分为两部分，一部分为三角形坡面BCD的浅层地下水渗出后的贴坡流，另一部分为湖水位以下直角梯形ABDE的渗流，

A表示岸坡模拟土体坡面底部延伸进湖水中的顶点，B表示湖水位与坡面的接触点位置，C表示地下水渗出水位点，D表示湖水水位线与CE之间连线的垂直交点，E表示地下水渗出水位点水位线C的位置，垂直投影于岸坡模拟土体底部的投影点位置；

根据达西定律通过三角形坡面BCD内单宽流管b的渗流量q₁，m³/t m为：

通过三角形坡面BCD的渗流量Q1，m³/t为：

同理，通过湖水位以下直角梯形ABDE内单宽流管c的渗流量为q₂，m³/t m：

通过梯形坡面ABDE的渗流量Q₂，m³/t为：

式中：K为渗流系数，a＝h₁-h₂，m＝cotα，A为过水断面宽，t为时间；

三角形坡面ACE的渗流总量为Q＝Q₁+Q₂ (6)

(2)当湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的水位线时，构建概化模型二：

A表示岸坡模拟土体坡面底部延伸进湖水中的顶点，B表示湖水位与坡面的接触点位置，C表示接触点B位置垂直投影于岸坡模拟土体底部的投影点位置；

当湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的位线时，根据达西定律通过三角形坡面ABC内单宽流管的渗流量q，m³/t m为：

通过三角形坡面ABC的渗流量Q，m³/t为：

式中：K为渗流系数，h₂为湖水位，m＝cotα，A为过水断面宽，t为时间。

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