CN108332816B - 测量河道地表水与地下水交换水量的装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量河道地表水与地下水交换水量的装置及其测量方法，装置包括收集筒、测压计、U形管和水泵，在收集筒内制造不同的地表水与地下水交换水量，通过测压计测量河床沉积物与河道的水头差，并测量相应的流量，通过达西定律推断出当地河床沉积物的垂向渗透系数，再基于得到的垂向渗透系数与天然条件下的沉积物上下水头差，通过达西定律推断出实际地表水与地下水交换水量。与现有技术相比，本发明对地表水扰动小、测量精度高且能够连续测量；装置结构简单，故障率低且易于维修，使用寿命长，在生态水文学野外实验领域应用前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明涉及测量河道底部交界面水量交换装置，尤其涉及测量河道地表水与地下水交换水量的装置及其测量方法。
背景技术
河道底部地表水与地下水的交换过程为潜流交换，地表水与地下水相互作用的混合区域为潜流带。潜流带是生态交错带，具有复杂的生态功能，其中不断发生大量相互依赖的物理、化学和生物过程，使其在河道碳、氮与磷等营养物质及重金属等有毒物质的迁移转化过程中发挥重要作用，在河道自净过程中扮演着关键角色，强烈影响地表水水质。
此外，潜流交换过程中河流的河岸、地表河道与地下水成分，对河流生态系统有着非常重要的意义。然而自然条件下，实际河流河床与流态非常复杂，很难在实验室中精确模拟，因此野外观测是研究地表水与地下水交换过程不可或缺的重要手段。
目前，关于实地精确测量河道地表水与地下水交换水量的研究并不多见，主要是由于现存的依靠收集袋测量地表水与地下水交换水量的装置有一些明显的缺点，限制了其使用场所，也影响测量结果的准确性。收集袋法的缺点有：(1)需在河底测量区域布置一个体积较大的收集袋，而收集袋本身会对河道底部水流的流态产生较大影响，从而干扰地表水与地下水的交换过程，影响测量结果；(2)收集袋法测量交换水量需要耗费较长时间，且需要将收集袋从河底取到岸上进行称重才能得到测量结果，无法做到连续测量；(3)天然条件下地表水与地下水相互补给过程非常复杂，收集袋法无法快速分析二者的补排关系，限制了其使用场所；(4)为了使水自由流入流出，收集袋材料质地要求非常柔软，安装拆卸过程不便，且操作时收集袋易被戳破，导致测量失败。
天然条件下不规则的河床地形、非均质的河床底质与不同的河流流态导致河底交界面上地表水与地下水补排关系异常复杂，因此需要测量足够数量点上的地表水与地下水交换水量，以较好刻画区域上地表水与地下水的动力过程。因此，亟需开发一种能快速准确测量河道底部交界面地表水与地下水交换水量的装置。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种测量河道地表水与地下水交换水量的装置及其测量方法，该装置可进行连续测量、测量时间短且使用寿命长。
技术方案：测量河道地表水与地下水交换水量的装置，包括倒置在河床上的收集筒、下端伸入河床沉积层的测压计、倒置的U形管和水泵，测压计固定在收集筒内，U形管两端分别与收集筒和测压计上端密封连接，水泵与收集筒密封连接，当U形管顶端为空气时两端的水位高度差为沉积物上端与下端的水头差。
收集筒下端与河床表面的距离范围为10-15cm，测压计下端与河床表面的距离范围为5-10cm。
测量河道地表水与地下水交换水量的装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)安装并连接装置；
(2)判断地表水与地下水补排关系；
(3)测定流量与水头差关系直线；
(4)测量地表水与地下水交换水量；
(5)拆解并清洗设备。
测量河道地表水与地下水交换水量的装置的测量方法，步骤(2)中，当U形管液面稳定后，比较管两侧液面的高度，若与测压计相连一端的液面高，则此区域为地下水补给地表水，否则为地表水补给地下水；若只判断地表水与地下水补排关系，则跳至步骤(5)；若需测定地表水与地下水交换水量，则继续步骤(3)。
测量河道地表水与地下水交换水量的装置的测量方法，步骤(3)中，通过不同的地表水与地下水交换水量，记录流量与水头差数值，得到流量与水头差关系直线。
测量河道地表水与地下水交换水量的装置的测量方法，步骤(4)中，U形管顶端采用放大水位差的植物油代替空气，当U形管中水油交界面高度稳定时，通过读取实际水头差推算出实际地表水与地下水交换水量。
工作原理：本发明通过磁力泵配合调节阀，在渗流收集筒内人为制造不同的地表水与地下水交换水量，通过测压计测量河床沉积物中与河道中的水头差，使用转子流量计测量相应的流量，通过达西定律推断出当地河床沉积物的垂向渗透系数，再基于得到的垂向渗透系数与天然条件下的沉积物上下水头差，通过达西定律推断出实际地表水与地下水交换水量。
其中倒置的U形管下端分别与渗流收集筒和测压计上端连接，当U形管顶端为空气时两端的水位高度差即为沉积物上端与下端的水头差。由达西定律可知交界面附近沉积物的垂向渗透系数满足：
其中Kv[LT-1]为沉积物的垂向渗透系数，Q[L3T-1]为流量，Ab[L2]为渗流收集筒的横截面积，Δz[L]为交界面到测压管进水口的深度，Δh[L]为水头差；其中L为长度量纲，T是时间量纲。当装置固定在河床上时，Ab与Δh为定值，Kv在设定时间内保持不变，由此推断出流量Q与水头差Δh之间存在正比关系，通过水头差即可推算出地表水与地下水交换水量。
倒置的U形管顶端装有橡胶塞，既可以防止管内液体渗出，又可以通过注射器配合长针头注入空气或轻质植物油。当U形管中水头差较小时，可以通过注射器抽出全部空气，注入一定量与水不相溶的轻质植物油，以放大U形管两侧水位高度差，减小观测误差，实际水头差可以用以下公式计算：
其中Δhw[L]为实际水头差，Δh[L]为两侧水油界面高度差，ρw[ML-3]为水的密度，ρo[ML-3]为油的密度。
磁力泵前接一个可调节阀门，用以调节不同水量；阀门通过硅胶软管与渗流收集筒靠近边壁位置的开孔密封连接，以防止漏水。磁力泵后接一个转子流量计，以测量磁力泵流量。由于流量Q与水头差Δh间存在正比关系，因此通过调整不同流量，记录相应的水头差，通过线性回归即可推算得到当地流量Q与水头差Δh的准确数值关系。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)没有时间限制，可对一个区域进行连续测量；(2)相对于传统测量方法，测量时间短；(3)水下部分均采用有机玻璃与金属等硬质材料，不易破损，设备使用寿命长；(4)对于只需定性确定区域补排关系，不需测量精确交换水量的场景，本发明不需人为设定流量校准水头差与流量的关系，通过判断河床沉积物上下端压差即可得到地表水与地下水的补给关系，方便研究人员在野外快速判断大片区域的地表水与地下水相互作用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为测压计尖端示意图；
图3为收集筒俯视图。
具体实施方式
如图1所示，渗流收集筒1通过穿过孔3的第一硅胶软管7与U形管11相连，通过穿过孔5的第三硅胶软管13与磁力泵15相连。金属测压计2通过穿过孔4的第一塑料转接头6固定于渗流收集筒1上，金属测压计2内径1cm，长度为50cm，其中下部25cm位于渗流收集筒1内。塑料转接头与渗流收集筒1之间、金属测压计2与转接头之间均用防水胶密封。
如图2所示，金属测压计2底端有一尖头18以方便插入河床底质，测压计2的进口处布置了一层细密的金属网19和一层土工织物20，以防止河床上的沉积物进入测压计2内堵塞测压管。
第二硅胶软管8下端通过第一塑料转接头6与金属测压计2上端相连，软管8上端通过第三塑料转接头10与U形管11一侧相连，U形管另一侧通过第二塑料转接头9与第一硅胶软管7相连。U形管11倒置放置，管内径1cm，两侧管间距4cm，顶端为一直径1cm的开孔，开孔用橡胶塞12堵上，防止水与气体流出，同时可以通过注射器向U形管11内抽出或注入空气以及液体。当U形管11中水头差较小时，可以通过注射器抽出全部空气，注入与水不相溶的轻质植物油，来放大U形管两侧水位高度差，减小观测误差。
第三硅胶软管13下端通过开孔5与渗流收集筒1相连，上端通过可调节阀门14与磁力泵15相连，磁力泵右侧接入一个转子流量计16以测量管内实际流量，抽出的水从出水管17离开装置。磁力泵15规格为：扬程4m，流量2L/min，供电电压24V，可用蓄电池供电。
如图3所示，渗流收集筒1为由硬质透明有机玻璃制成的圆柱形，其圆形横截面半径为15cm，高度为30cm。圆柱形渗流收集筒1的底面中心为通过金属测压计2的开孔4，连通U形管11的另一开孔3距中心开孔4距离4cm，连通磁力泵的开孔5距渗流收集筒1边壁5cm。三个开孔均为圆形，孔径2cm，孔中安放塑料转接头，方便连接硅胶软管与测压计。
测量河道地表水与地下水交换量的装置的测量方法为：
(1)安装并连接装置：将渗流收集筒1垂直插入待测量的河床区域，筒下缘距离河床表面范围为10-15cm，金属测压计2下端距离河床表面范围为5-10cm。将U形管11两侧通过第二塑料转接头9、第三塑料转接头10与第一硅胶软管7、第二硅胶软管8相连，在U形管11中注满水，开孔用橡胶塞12堵上，下端用手暂时捏住，将第一硅胶管7的下端通过转接头穿过开孔3与渗流收集筒1相连，第二硅胶管8的下端通过第一转接头6与金属测压计2上端相连。将第三硅胶管13的下端通过开孔5与渗流收集筒1相连，上端通过可调节阀门14与磁力泵15相连，磁力泵15出水口连接一个转子流量计16测量流量，转子流量计16另一侧连接出水管17。
(2)判断地表水与地下水补排关系：用大号止水夹住第三硅胶软管13防止水渗出，操作过程中可能会导致少量空气进入U形管11；判断U形管11中空气高度时，使用50ml注射器配合长针头将空气注入或抽出U形管，以保证U形管中空气高度为U形管高度的一半。待U形管中液面稳定之后比较U形管两侧液面高度，若与金属测压计2相连的一侧液面高说明此区域是地下水补给地表水，若与开孔3相连的一侧液面高说明此区域是地表水补给地表水；若只需判断地表水与地下水补排关系，则测量已经完成，直接跳至步骤(5)；若需测定地表水与地下水交换水量，则继续步骤(3)。
(3)测定流量与水头差关系直线：松开第三硅胶软管13上的止水夹，让水自由流动；使用蓄电池或者电源适配器为磁力泵15供电，使用可调节阀门14调节流量，使流量保持在100ml/min～1000ml/min，待转子流量计16读数与U形管两侧高度差稳定之后，记录流量数值与水头差数值，流量数值用肉眼观测，水头差数值用游标卡尺读取。反复此过程3～5次，使流量范围在100ml/min～1000ml/min，得到一组流量与水头差的数据。使用通过原点的直线拟合得到的流量与水头差数据，得到当地的流量与水头差关系直线。
(4)测量地表水与地下水交换水量：断开第三硅胶软管13与可调节阀门14的连接，用大号止水夹住第三硅胶软管13防止水渗出。使用注射器配合长针头将空气全部抽出，再注入轻质植物油，使U形管11中植物油高度为U形管11高度的一半，确保植物油顶端不存在气泡。当U形管中水油交界面高度稳定时，使用游标卡尺测量U形管两侧水位差，使用公式(2)计算实际水头差：
最后通过达西定律推断实际地表水与地下水交换水量，其中，水与植物油的密度采用其它仪器测量。
(5)拆解并清洗设备：测量结束后，首先断开磁力泵15的电源，再断开设备各个部分与硅胶软管的连接，将水下的部分仪器取出。清洗渗流收集筒1、U形管11与磁力泵15等设备，沥干水分后收纳好。
Claims (1)
1.一种测量河道地表水与地下水交换水量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）安装并连接测量装置，所述测量装置包括垂直插入并倒置在河床上的渗流收集筒（1）、下端伸入河床沉积层的测压计（2）、倒置的U形管（11）和水泵（15），所述测压计（2）固定在渗流收集筒（1）内，所述U形管（11）两端分别与渗流收集筒（1）和测压计（2）上端密封连接，所述水泵（15）与渗流收集筒（1）密封连接，通过注射器向U形管内注入空气以及水，当U形管（11）顶端为空气时两端的水位高度差为沉积物上端与下端的水头差；所述渗流收集筒（1）下端与河床表面的距离范围为10-15cm，测压计（2）下端与河床表面的距离范围为5-10cm；所述测压计的进口处布置了一层金属网和一层土工织物（20）；水泵接入一个转子流量计以测量管内实际流量，抽出的水从出水管离开装置；在U形管中注满水，U形管的一端通过第一硅胶管与渗流收集筒相连，U形管的另一端通过第二硅胶管与测压计相连，水泵通过第三硅胶管与渗流收集筒相连，所述水泵出水口与流量计连接，所述流量计另一侧连接出水管；
（2）判断地表水与地下水补排关系；用止水夹夹住第三硅胶管，判断U形管中空气高度时，使用注射器配合长针头将空气注入或抽出U形管使得U形管中空气高度为U形管高度的一半；当所述U形管（11）液面稳定后，比较管两侧液面的高度，若与测压计（2）相连一端的液面高，则此区域为地下水补给地表水，否则为地表水补给地下水；若只判断地表水与地下水补排关系，则跳至步骤（5）；若需测定地表水与地下水交换水量，则继续步骤（3）；
（3）松开第三硅胶管上的止水夹使水流动，使用可调节阀门调节流量，使流量保持在100ml/min~1000ml/min，待转子流量计读数与U形管两侧高度差稳定后，记录流量数值与水头差数值，反复此过程3~5次，使流量范围在100ml/min~1000ml/min，得到一组流量与水头差的数据；使用通过原点的直线拟合得到的流量与水头差数据，得到当地的流量与水头差关系直线；
（4）测量地表水与地下水交换水量；断开第三硅胶管与可调节阀门的连接，用止水夹夹住第三硅胶管，使用注射器配合长针头将空气抽出，再注入植物油，使U形管中植物油高度为U形管高度的一半；当U形管中水油交界面高度稳定时，测量U形管两侧水位差，使用公式
计算实际水头差，最后通过读取实际水头差和达西定律推算出实际地表水与地下水交换水量； 其中，
为实际水头差，
为两侧水油界面高度差，
为水的密度，
为油的密度；
（5）拆解并清洗设备。
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