CN110749415B - 一种模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置及使用方法，包括水槽、升降台，元素分析仪、显示仪器、表面活性探针、水箱一、水箱二，水泵一、水泵二、水槽进水导管一、水槽进水导管二、出水导管、流量计一、流量计二、阀门一、阀门二、弃水箱和Y型水管；本发明模拟了高低起伏的河岸条件，可以更加清晰地反映实际的河流的潜流交换过程，具有普遍性；适用于室内试验，对比传统的野外实验，此装置更加简单且高效，并且可以解决野外实验带来的元素污染以及水体富营养化等环境问题；可连续测得高精度数据，试验速度快，仪器灵敏，效果直观；排除了垂向潜流交换的干扰，因此在研究河流潜流交换领域有着十分光明的前景。

Description

一种模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种侧向潜流交换装置，具体的说是涉及一种在室内模拟起伏河岸的侧向潜流交换测量装置及使用方法。

背景技术

潜流带，作为河水—地下水系统的过渡地带，潜流带在水文调节、环境缓冲、生态保护等方面具有极其重要的功能。近年来潜流带生物地球化学行为研究最多的元素是C、N，这2种元素是工业、农业生产活动进入河流生态系统进而污染水生环境最常见的元素，对潜流带研究也主要集中于这2种元素及其有机、无机化合物在潜流交换过程中的来源、富集、分布、形态等生物地球化学行为。

目前有两种常用的测量侧向潜流交换方法:地下测量法和示踪法。前者是研究潜流带特性的最直接方法，通常是沿河流方向在河床或河岸布置一系列的压力计、渗透计，但是由于布置原因，存在着一定的局限；示踪法选用一定的化学试剂，研究潜流交换速率、交换量大小等。常用的示踪剂有盐、若丹明等惰性试剂，但此方法多是对河流侧向潜流交换过程的半定量分析，由于溶质本身的性质，难以长时间准确的观测潜流交换的过程，导致了实验误差较大，而且示踪仪的使用较为复杂，造价也相对高昂。而侧向潜流交换的室内实验相对较少，条件也相对简陋，大多是平直的河岸，对于实际情况下的高低起伏的河岸不能起到很好的模拟作用。

因此亟需开发一种室内使用的可以简单准确测量侧向潜流交换中的物质含量、并且可以模拟河岸起伏的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以模拟在实际河岸高低起伏的情况下能够准确测量侧向潜流交换的装置以及方案，解决了现有技术中潜流交换试验的不准确性、难以长时间稳定观测的问题。该装置制作方式及操作简单，可以连续测得高精度数据、操作简单并且寿命期长。

为实现上述目的，本装置采用的技术方案为：

一种模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置，包括水槽、升降台，元素分析仪、显示仪器、表面活性探针、水箱一、水箱二，水泵一、水泵二、水槽进水导管一、水槽进水导管二、出水导管、流量计一、流量计二、阀门一、阀门二、弃水箱和Y型水管；所述水泵一设置在水箱一中，水泵二设置在水箱二中，所述水泵一通过进水导管一与Y型水管相连，所述水泵二通过进水导管二与Y型水管相连，所述Y型水管与水槽进水口相连，所述出水导管与水槽出水口相连，所述元素分析仪安装在水槽侧面的工作台上，所述表面活性探针连接在元素分析仪上，所述元素分析仪通过数据线与显示仪器相连；

水槽底部加工有三个直径不同的半圆拱形坡面；以模拟自然河道的高低起伏；水槽制作材料为有机玻璃，圆拱形坡面高度不宜过高，以排除垂向潜流交换的影响。

靠近水槽进水口的底部设置升降台，形成水槽的上游，Y型水管内径小于出水导管内径，进水口高度高于出水口高度，以免水的沉积。

可通过调节所述升降台的高度改变坡降。

安置于水槽外侧工作台的元素分析仪自带表面活性探针，可以由表面活性探针检测水中目标元素的含量；可以显示元素含量变化曲线的显示仪器可通过数据线与元素分析仪相连，以实时显示实验过程中各元素的含量。

优选地，水槽内底面铺设有一层石英砂层，石英砂层下部铺设一层粘土层。粘土层可以防止石英砂被水冲走。

进一步地，水箱一中的清水加入有机碳化合物，水箱二中加入清水。

水槽内底面的石英砂层上由河道形状控制板加工形成有波浪形流道。

一种模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置的使用方法，步骤包括：

步骤1：粘土，石英砂与水箱的布置；

首先将粘土均匀的平铺在水槽的底部，在粘土上方平铺石英砂；水箱一的清水中加入有机碳化合物，水箱二中放入清水；

步骤2：河道几何形状与流量的确定；

将河道形状控制板置于水槽中心位置并插入石英砂层，注意要随着水槽底部的起伏合理放置，不能破坏石英砂层与粘土层的整体布置，将河道形状控制板中间部位的石英砂挖出，形成人工模拟的河道，然后取出河道形状控制板；根据实验要求，调节阀门控制过水流量，一段时间后，待流量计读数稳定后读取流量；

步骤3：模拟在河岸起伏条件下潜流带对碳元素迁移的影响；

打开水泵二与阀门二，让水箱二中的清水流入河道，调整水泵二与阀门二，待水流稳定后，用注射器在河道指定特征点注入一定已知浓度的含碳溶液；

步骤4：元素含量的测量；

用表面活性探针测量同一时间不同位置的元素含量，其中按指定的间隔时间测量多次，显示仪器实时记录各次河道上的元素含量图；

步骤5：排水；

当探针测量的溶液的浓度相较于初始浓度较低时，认为此次实验结束；适当加大流量，当元素浓度经检测后接近0时，认为全部排净，关闭水泵二与阀门二，适当抬高升降台，加速水的流出；

步骤6：模拟在河岸起伏条件下潜流带对氮元素迁移的影响；

重复步骤3，将其中的含碳溶液换成含氮溶液，接下来重复步骤4、5；

步骤7：模拟在河岸起伏条件下含一定浓度的碳元素的潜流带对氮元素迁移的影响；

水箱一的清水中放入一定量的有机碳化合物，打开水泵一与阀门一，让水箱一中的水流入河道，调整水泵一与阀门一，待水流稳定后，记录潜流带中含碳溶液的浓度；用注射器注射含有一定氮元素的溶液，分别注射在指定特征点上，重复步骤4、5；之后继续向水箱一中加入有机碳化合物，增大溶液的含碳量，继续重复上述步骤，待做满三次碳浓度依次升高的试验后，关闭水泵一与阀门一，打开水泵二与阀门二，向水槽中通入清水，当测量水槽中的碳含量接近0时，关闭水泵二与阀门二，适当抬高升降台，加速水的流出；

步骤8：数据处理

通过河岸潜流带的元素含量变化可分析在河岸高低起伏条件下河流与两侧地下水的交互过程，可以探究潜流带对于元素迁移的影响以及不同元素浓度对另一元素迁移的影响；通过求解对流扩散方程，求得流场，通过流场，求得停留时间、影响范围和迁移路径。

本发明的有益效果是：

本发明模拟了高低起伏的河岸条件，可以更加清晰地反映实际的河流的潜流交换过程，具有普遍性。本发明适用于室内试验，对比传统的野外实验，此装置更加简单且高效，并且可以解决野外实验带来的元素污染以及水体富营养化等环境问题。本发明可连续测得高精度数据，试验速度快，仪器灵敏，效果直观。本发明排除了垂向潜流交换的干扰。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是河道形状控制板俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，一种模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置，包括水槽1、升降台2，元素分析仪3、显示仪器4、表面活性探针5、水箱一6、水箱二7，水泵一8、水泵二9、水槽进水导管一10、水槽进水导管二11、出水导管12、流量计一13、流量计二14、阀门一15、阀门二16、弃水箱19和Y型水管22。

水槽1制作材料为有机玻璃，长1.8m，宽1.2m，高15cm，其中水槽底部在距离上游20cm处做成截面为半圆形、直径为6cm的坡面；距上游90cm处做成截面为半圆形，直径为8cm的坡面；距下游40cm处做成截面为半圆形，直径为6cm的坡面。水槽1底部铺设一层平整的厚度为1cm的粘土层18，粘土层18上铺设一层平整的厚度为3cm的石英砂层17，粘土层18用于保持石英砂17的稳定。水槽进水口内直径为28mm，出水口内直径为30mm,进水口圆心位于水槽底部向上6cm处，出水口与水槽的底部相切，出水口高度低于进水口高度，保证了在存在坡降时水不会积在水槽1下游。

升降台2的可调节高度为2cm—12cm，以控制坡降大小。具体为可收缩式X型升降架，材质为不锈钢，可承载最大重量为120kg。升降台2顶端与水槽1连接处安装有防滑措施，以防止水槽1在实验过程中滑落。

水泵8、9放置于水箱6、7内，水泵8、9为直流微型潜水泵，最大扬程为5m，最大流量为4L/min。水泵8通过进水导管10与Y型水管相连，水泵9通过进水导管11与Y型水管相连，Y型水管与进水口相连，进水导管10中依次连接流量计13和阀门15，进水导管11中依次连接流量计14和阀门16。为防止水的渗漏，进水导管10与水泵8、流量计13和阀门15的连接处，进水导管11与水泵9、流量计14和阀门16的连接处，进水导管10、11与Y型水管22连接处，出水导管12与出水口的连接处均安装有防渗漏装置，可以保持良好的密封性。

显示仪器4通过数据线21与元素分析仪3相连，元素分析仪3外接表面活性探针5，可对实验装置内的水测量元素含量，显示仪器可以实时显示实验过程中各元素的含量。

河道形状控制板为上下不封顶、四周连接的中空板，用于在石英砂层17绘制河道。

利用一种模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置进行实验，包括以下步骤：

步骤1：粘土，石英砂与水箱的布置

首先将粘土均匀的平铺在水槽1的底部，在粘土上方平铺石英砂。水箱一6中的清水中加入有机碳化合物，水箱二7中放入清水。

步骤2：河道几何形状与流量的确定

将河道形状控制板20置于水槽中心位置并插入石英砂层17，注意要随着水槽底部的起伏合理放置，不能破坏石英砂层17与粘土层18的整体布置，将河道形状控制板中间部位的石英砂挖出，形成人工模拟的河道，然后取出河道形状控制板20。根据实验要求，调节阀门一、阀门二控制过水流量，一段时间后，待流量计一12、流量计二13读数稳定后读取流量。

步骤3：模拟在河岸起伏条件下潜流带对碳元素迁移的影响

打开水泵二与阀门二，让水箱二7中的清水流入河道，调整水泵二与阀门二，待水流稳定后，用注射器在河道指定特征点注入一定已知浓度的含碳溶液。

步骤4：元素含量的测量

用表面活性探针5测量同一时间不同位置的元素含量，其中按指定的间隔时间测量多次，显示仪器4可实时记录各次河道上的元素含量图。

步骤5：排水

当探针测量的溶液的浓度相较于初始浓度较低时，可认为此次实验结束。适当加大流量，当元素浓度经检测后接近0时，可认为全部排净，关闭水泵二与阀门二，适当抬高升降台2，加速水的流出。

步骤6：模拟在河岸起伏条件下潜流带对氮元素迁移的影响

重复步骤3，将其中的含碳溶液换成含氮溶液，接下来重复步骤4、5。

步骤7：模拟在河岸起伏条件下含一定浓度的碳元素的潜流带对氮元素迁移的影响

水箱6的清水中放入一定量的有机碳化合物，打开水泵一与阀门一，让水箱一6中的水流入河道，调整水泵一与阀门一，待水流稳定后，记录潜流带中含碳溶液的浓度。用注射器注射含有一定氮元素的溶液，分别注射在指定特征点上，重复步骤4、5。之后继续向水箱一6中加入有机碳化合物，增大溶液的含碳量，继续重复上述步骤，待做满三次碳浓度依次升高的试验后，关闭水泵一8与阀门一15，打开水泵二9与阀门二16，向水槽1中通入清水，当测量水槽中的碳含量接近0时，关闭水泵二9与阀门二16，适当抬高升降台2，加速水的流出。

步骤8：数据处理

通过河岸潜流带的元素含量变化可分析在河岸高低起伏条件下河流与两侧地下水的交互过程，也可以探究潜流带对于元素迁移的影响以及不同元素浓度对另一元素迁移的影响。通过求解对流扩散方程，求得流场，通过流场，求得停留时间、影响范围和迁移路径等关键参数。

本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置，其特征在于，包括水槽（1）、升降台（2）、元素分析仪（3）、显示仪器（4）、表面活性探针（5）、水箱一（6）、水箱二（7），水泵一（8）、水泵二（9）、水槽进水导管一（10）、水槽进水导管二（11）、出水导管（12）、流量计一（13）、流量计二（14）、阀门一（15）、阀门二（16）、弃水箱（19）和Y型水管(22)；水箱一（6）中的清水加入有机碳化合物，水箱二（7）中加入清水，所述水泵一（8）设置在水箱一（6）中，水泵二（9）设置在水箱二（7）中，所述水泵一（8）通过进水导管一（10）与Y型水管(22)相连，所述水泵二(9)通过进水导管二(11)与Y型水管(22)相连，所述Y型水管(22)与水槽（1）进水口相连，所述出水导管（12）与水槽（1）出水口相连，所述元素分析仪（3）安装在水槽（1）侧面的工作台上，所述表面活性探针（5）连接在元素分析仪（3）上，所述元素分析仪（3）通过数据线（21）与显示仪器（4）相连；

水槽（1）底部加工有三个直径不同的半圆拱形坡面；靠近水槽（1）进水口的底部设置升降台（2），形成水槽（1）的上游，Y型水管（22）内径小于出水导管（12）内径，进水口高度高于出水口高度；水槽底部在距离上游20cm处做成截面为半圆形、直径为6cm的坡面；距上游90cm处做成截面为半圆形，直径为8cm的坡面；距下游40cm处做成截面为半圆形，直径为6cm的坡面；

水槽（1）内底面铺设有一层厚度为3cm的石英砂层（17），石英砂层（17）下部铺设一层厚度为1cm的粘土层（18）；

水槽（1）内底面的石英砂层（17）上由河道形状控制板（20）加工形成有波浪形流道。

2.一种基于权利要求1所述模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置的使用方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1：粘土，石英砂与水箱的布置；

首先将粘土均匀的平铺在水槽的底部，在粘土上方平铺石英砂；水箱一的清水中加入有机碳化合物，水箱二中放入清水；

步骤2：河道几何形状与流量的确定；

将河道形状控制板置于水槽中心位置并插入石英砂层，注意要随着水槽底部的起伏合理放置，不能破坏石英砂层与粘土层的整体布置，将河道形状控制板中间部位的石英砂挖出，形成人工模拟的河道，然后取出河道形状控制板；根据实验要求，调节阀门一、阀门二控制过水流量，一段时间后，待流量计一、流量计二读数稳定后读取流量；

步骤3：模拟在河岸起伏条件下潜流带对碳元素迁移的影响；

打开水泵二与阀门二，让水箱二中的清水流入河道，调整水泵二与阀门二，待水流稳定后，用注射器在河道指定特征点注入一定已知浓度的含碳溶液；

步骤4：元素含量的测量；

用表面活性探针测量同一时间不同位置的元素含量，其中按指定的间隔时间测量多次，显示仪器实时记录各次河道上的元素含量图；

步骤5：排水；

当探针测量的溶液的浓度相较于初始浓度较低时，认为此次实验结束；适当加大流量，当元素浓度经检测后接近0时，认为全部排净，关闭水泵二与阀门二，适当抬高升降台，加速水的流出；

步骤6：模拟在河岸起伏条件下潜流带对氮元素迁移的影响；

重复步骤3，将其中的含碳溶液换成含氮溶液，接下来重复步骤4、5；

步骤7：模拟在河岸起伏条件下含一定浓度的碳元素的潜流带对氮元素迁移的影响；

水箱一的清水中放入一定量的有机碳化合物，打开水泵一与阀门一，让水箱一中的水流入河道，调整水泵一与阀门一，待水流稳定后，记录潜流带中含碳溶液的浓度；用注射器注射含有一定氮元素的溶液，分别注射在指定特征点上，重复步骤4、5；之后继续向水箱一中加入有机碳化合物，增大溶液的含碳量，继续重复步骤4、5，待做满三次碳浓度依次升高的试验后，关闭水泵一与阀门一，打开水泵二与阀门二，向水槽中通入清水，当测量水槽中的碳含量接近0时，关闭水泵二与阀门二，适当抬高升降台，加速水的流出；

步骤8：数据处理；

通过河岸潜流带的元素含量变化可分析在河岸高低起伏条件下河流与两侧地下水的交互过程，可以探究潜流带对于元素迁移的影响以及不同元素浓度对另一元素迁移的影响；通过求解对流扩散方程，求得流场，通过流场，求得停留时间、影响范围和迁移路径。

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