CN111855968B - 一种包气带水分入渗检测模拟方法 - Google Patents

一种包气带水分入渗检测模拟方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111855968B
CN111855968B CN202010865170.1A CN202010865170A CN111855968B CN 111855968 B CN111855968 B CN 111855968B CN 202010865170 A CN202010865170 A CN 202010865170A CN 111855968 B CN111855968 B CN 111855968B
Authority
CN
China
Prior art keywords
unit
aeration zone
simulation
aquifer
river
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010865170.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111855968A (zh
Inventor
孔祥科
韩占涛
李亚松
黄国鑫
王夏晖
朱玉晨
刘雅慈
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Environmental Planning Institute Of Ministry Of Ecology And Environment
Institute of Hydrogeology and Environmental Geology CAGS
Original Assignee
Environmental Planning Institute Of Ministry Of Ecology And Environment
Institute of Hydrogeology and Environmental Geology CAGS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Environmental Planning Institute Of Ministry Of Ecology And Environment, Institute of Hydrogeology and Environmental Geology CAGS filed Critical Environmental Planning Institute Of Ministry Of Ecology And Environment
Priority to CN202010865170.1A priority Critical patent/CN111855968B/zh
Publication of CN111855968A publication Critical patent/CN111855968A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111855968B publication Critical patent/CN111855968B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G01N33/246—Earth materials for water content
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N2013/003—Diffusion; diffusivity between liquids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/152—Water filtration

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种包气带水分入渗检测模拟方法，包括如下步骤：设备组装：连接供给单元、排出单元、包气带检测单元、河流模拟单元、包气带模拟单元和含水层模拟单元；地下水流场模拟：控制供给单元与所述含水层模拟单元的连通，以及所述排出单元与所述含水层模拟单元的连通，以获得稳定的地下液流；包气带入渗模拟：控制供给单元与河流模拟单元的连通、以及所述排出单元与所述河流模拟单元的连通，并获得包气带入渗量；包气带入渗检测：所述包气带检测单元检测所述包气带模拟单元的理化性质。从而实现模拟真实环境下河流的包气带转运能力。

Description

一种包气带水分入渗检测模拟方法
技术领域
本发明涉及实验模拟技术领域，具体涉及一种包气带水分入渗检测模拟方法。
背景技术
地下水是我国重要的饮用水源，尤其是在北方地区，地下水占供水总量约70％以上，是地区发展的支撑性资源。近些年来，随着我国人口增长和社会经济的高速发展，地下水开采量日益增加。一方面，地下液位下降直接导致地下水水源地供水能力下降；另一方面，地下水液位下降严重时会进一步诱发地面沉降、海水倒灌和水质劣变等环境地质问题。随着我国南水北调中线工程的建成通水，为北方地区增加地下水的战略储备提供了契机。
中国专利文献CN103236209B公开了一种河流模拟装置，其包括：钢构架槽体，槽体内由上至下依次设有模拟河堤、包气带以及地下渗流区域。其中，河堤模拟的位置与进水机构连通，从而向钢构架槽体内进行供水，并通过改变进水机构所供水的供水量，从而模拟不同流量环境的地下水渗流区，例如雨水充足，或雨量较小，通过模拟河道液位变化，从而模拟单一环境下河道液位对地下渗流的影响。
因此，仅依据已有研究所采用方法，无法准确模拟和动态监测河流不同径流条件下，入渗水分在包气带介质中运移过程的问题。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于由于缺乏相应的包气带水分入渗检测模拟方法，导致无法准确模拟和动态监测河流不同径流条件下，入渗水分在包气带介质中运移过程的问题。
为此，本发明提供一种包气带水分入渗检测模拟方法，包括如下步骤：
设备组装：连接供给单元、排出单元、包气带检测单元、河流模拟单元、包气带模拟单元和含水层模拟单元；
地下水流场模拟：控制供给单元与所述含水层模拟单元的连通，以及所述排出单元与所述含水层模拟单元的连通，以获得稳定的地下液流；
包气带入渗模拟：控制供给单元与河流模拟单元的连通、以及所述排出单元与所述河流模拟单元的连通，并获得包气带入渗量；
包气带入渗检测：所述包气带检测单元检测所述包气带模拟单元的理化性质。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟方法，所述设备组装步骤包括：
包气带检测单元的安装：在所述包气带模拟单元内安装包气带检测单元；
模拟单元的连接：依次连接所述河流模拟单元、所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元；
供给单元和排出单元的连通：将供给单元和排出单元分别与所述河流模拟单元和所述含水层模拟单元连通。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟方法，所述设备组装步骤中，在所述模拟单元的连接步骤前还包括：
填充：分别向河流模拟单元、包气带模拟单元和含水层模拟单元装填介质；
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟方法，所述供给单元和排出单元的连通步骤包括：
供给单元的连通：所述供给单元分别连通所述河流模拟单元的第一进口和所述含水层模拟单元第二进口。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟方法，所述供给单元的连通还包括：
供给单元的供给箱通过第一输入管与第一进口连通；
在第一输入管上安装第一动力件和第一流量检测件；
所述供给箱通过第二输入管和上游存储箱与所述第二进口连通。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟方法，所述供给单元和排出单元的连通步骤包括：
排出单元的连通：排出单元分别连通所述含水层模拟单元的第一出口和所述含水层模拟单元的第二出口。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟方法，所述地下水流场模拟步骤还包括：
通过含水层监测单元获得第一地下水水位值；
通过设置在第二出口处的第三流量检测件获得第二输出流量。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟方法，在所述包气带入渗模拟步骤后，还包括：回补地下水检测：
通过所述第二进口与所述第二出口的流量差获得第二地下水水位值，并通过第一地下水水位值和第二地下水水位值的差值获得回补地下水量；或
通过所述第三流量检测件获得在所述包气带入渗模拟步骤后的第三输出流量；通过第三输出流量和第二输出流量的差值获得回补地下水量。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟方法，在所述包气带入渗模拟步骤中，
通过所述第一进口的第一输入流量与所述第一出口测得的第一输出流量的流量差获得所述包气带入渗量。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟方法，所述包气带入渗检测步骤中，所述包气带检测单元检测所述包气带模拟单元的水分含量和/或电导率和/或温度。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
本发明提供的包气带水分入渗检测模拟方法，通过对河水入渗经包气带后进入含水层过程的模拟步骤，实现模拟地表水回补到地下含水层的过程，从而模拟人为增加地下水补给量的方式，例如将地表水源，如河流、水库弃水、雨洪水、处理后的再生水等，通过地下水回补工程转化为较为稳定的、可持续利用的地下水资源。因此，通过模拟供给单元与含水层模拟单元相连通，以及所述排出单元与所述含水层模拟单元的连通，以获得稳定的地下水流，在此基础上，叠加设置在上的河流模拟单元，从而实现模拟河道放水动态流动过程中，对地下水回补的模拟情形。此外，通过对包气带水分入渗过程中理化性质的监测，例如对包气带内的土壤水分、电导率、温度等参数的监测，从而可模拟河流不同流速和流量条件下，水分在包气带介质中的运移。
因此，通过上述包气带水分入渗检测模拟方法，可实现动态监测河道入渗回补地下水过程中包气带不同空间位置处土壤水分含量等理化性质的变化，揭示河水入渗通过包气带进入潜水面的能力和通量。并且，将河流-包气带-含水层作为统一整体考虑，高度还原河水经河床入渗进入包气带及含水层的过程，提高了实验室模拟野外河流入渗回补地下水过程中水分在包气带运移的真实性和精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中所提供的包气带水分入渗检测模拟方法所采用设备的主视结构示意图；
图2为实施例1中所提供的包气带水分入渗检测模拟方法所采用的设备的侧视结构示意图；
图3为实施例1中所提供的包气带水分入渗检测模拟方法所采用的设备中河流模拟箱体的结构示意图；
附图标记说明：
11-供给箱；12-第一输入管；131-第二输入管；132-第一连通管；14-上游存储箱；15-第一动力件；16-第一流量检测件；17-第一开关；18-第二开关；19-第三开关；
21-废水箱；22-第一输出管；23-第二输出管；24-第二连通管；25-下游存储箱；26-第二流量检测件；27-第四开关；28-第五开关；29-第三流量检测件；
31-第一进口；32-第一出口；33-河流模拟箱体；331-底板；332-梯面板；333-端板；34-第一渗水孔；
41-第一包气带模拟箱体；42-第二包气带模拟箱体；43-安装孔；
51-第二进口；52-第二出口；53-含水层模拟箱体；
6-包气带检测单元；
71-第一连接件；72-第二连接件；73-第三连接件；
8-含水层监测单元。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种包气带水分入渗检测模拟装置，如图1至图3所示，包括：供给单元、排出单元、包气带检测单元6、河流模拟单元、包气带模拟单元和含水层模拟单元。其中，河流模拟单元、包气带模拟单元和含水层模拟单元在垂向上由上到下依次设置，供给单元用以向河流模拟单元和含水层模拟单元分别进行供给液供给，排出单元用以承接从河流模拟单元和含水层模拟单元内排出的废液；包气带检测单元6与包气带模拟单元连接，实现对包气带模拟单元内土壤水分的理化性质进行检测。本实施例中，供给液采用自来水，也可以为了充分模拟使用环境采用河水或湖水等其他水资源。
如图1所示，供给单元包括：供给箱11、第一输入管12、第二输入管131、第一连通管132、上游存储箱14、第一动力件15、第一流量检测件16、第一开关17、第二开关18以及第三开关19。
其中，供给箱11通过第一输入管12连通河流模拟单元的第一进口31，并通过第二输入管131连通含水层模拟单元的第二进口51。第一输入管12上设有第一开关17、第一动力件15、第一流量检测件16，从而实现供水箱向第一进口31的输送。第二输入管131与上流储水箱连通，并通过第一连通管132与第二进口51连通，在第二输入管131上还设有第二开关18，在第一连通管132上还设有第三开关19，通过控制第二开关18和第三开关19的通断，实现供水箱向第二进口51的输送。
具体而言，供水箱为不锈钢箱体；第一开关17、第二开关18和第三开关19均为阀门。第一动力件15用以驱动供给液由供给单元向第一进口31的输送；第一流量检测件16用以检测输送的流量；例如，第一动力件15为蠕动泵，第一检测件为转子流量计，通过控制蠕动泵实现向河流模拟单元供水流速和输入水量的控制。
如图1所示，排出单元包括：废水箱21，第一输出管22、第二输出管23、第二连通管24、下游存储箱25、第二流量检测件26、第三流量检测件29、第四开关27和第五开关28。
其中，河流模拟单元的第一出口32通过第一输出管22与废水箱21连通，含水层模拟单元的第二出口52通过第二连通管24连通下游存储箱25，下游存储箱25通过第二输出管23与废水箱21连通。在第一输出管22上设有第二流量检测件26以及第四开关27，在第二连通管24上设有第五开关28，在第二输出管23上设有第三流量检测件29。
如图1所示，第一输出管22设有高度低于第一进口31的两个高度的分水管，从而实现模拟河流上下游的不同水力梯度和流量，两个不同高度的分水管上设有两个第四开关27，用以分别控制两个分水管的开关通断。
本实施例提供的河流模拟单元，包括：河流模拟箱体33、第一进口31和第一出口32。其中，河流模拟箱体33内装填有模拟河流河床的沉积物，例如装填砂卵石等河床介质；河流模拟箱体33侧面的截面呈梯形，材质为不锈钢的槽体结构，河流模拟箱体33的顶部无上盖，河流模拟箱体33的长轴两端分别通过第一进口31连接第一输入管12，并通过第一出口32连接第一输出管22。为了保证水流流向稳定，通常将第一进口31的高度高于第一出口32的高度。
具体而言，如图3所示，河流模拟箱体33为设有两个与底板331呈倾斜设置的梯面板332，以及与底板331呈垂直设置的端板333，具体而言，梯面板332与底板331呈倾斜设置，从而河流模拟箱体呈梯形腔体，且底板作为梯形腔体所在截面的短边，底板与第一包气带模拟箱体41的顶部连接，通过梯形腔体中梯面板倾斜程度的不同，从而模拟不同的河床结构。此外，在其他可选的实施方式中，底板331与水平面也呈倾斜设置，例如，底板331与水平方向的呈向下倾角5度，当然在其他可选的实施方式中，底板331与水平方向的呈向下倾角在1度至10度之间的角度即可，从而模拟不同的河流的水力梯度。
此外，梯面板332和底板331均设有第一渗水孔34，第一渗水孔34的直径为2mm，当然，也可以选用为1mm-3mm的圆形通孔，第一渗水孔34采用随机分散法进行布设打孔。
如图1所示，包气带模拟单元包括两个沿垂向方向上依次叠层设置的第一包气带模拟箱体41和第二包气带模拟箱体42；任一包气带模拟箱体的材质为不锈钢，任一包气带模拟箱体的厚度为15mm，长为800mm，宽为500mm，高为600mm。任一包气带模拟箱体为无顶盖的箱体，其内填充粉土和细砂等包气带介质；任一包气带模拟箱体的底部上具有若干第二渗水孔，第二渗水孔的直径为2mm，当然，也可以选用1mm-3mm的圆形通孔，第一包气带模拟箱体41上的第二渗水孔用以连通第一包气带模拟箱体41和第二包气带模拟箱体之间，第二包气带模拟箱体42上的第二渗水孔用以连通第二包气带模拟箱体与设置在下的含水层模拟单元。在任一包气带模拟箱体的长轴侧壁面上预先设有安装孔43，安装孔43用以引出安装包气带检测单元6的检测探头的监测传输线。在两个包气带模拟箱体的侧壁面上可以设有25-36个孔位，例如，本实施例中设有36个孔位。
在其他可选的实施方式中，可以采用一个包气带模拟箱体，也可以依据使用需求采用三个、四个、五个或是更多的包气带模拟箱体，只要保证包气带模拟箱体设置在河流模拟单元和含水层模拟单元之间即可，包气带模拟箱体的设置个数越多，越可以对包气带较厚、岩性越复杂的地质环境进行模拟。此外，关于包气带模拟箱体的第二渗水孔的孔径大小，可以采用不同的孔径，如一个采用1mm，另一个采用2mm。
如图1和图2所示，本实施例提供的包气带检测单元6，包括若干检测探头，检测探头固定在包气带模拟单元内部。
任一检测探头包括：土壤水分传感器、土壤电导率传感器和土壤温度传感器。其中，土壤水分传感器用以检测土壤内的水分含量；土壤电导率传感器用以检测土壤内的电导率；土壤温度传感器用以检测土壤内的温度。具体而言，本实施例中的检测探头沿垂向方向和水平方向均有分布，在每个包气带模拟箱体内均设有18个检测探头，例如，18个检测探头按照两层，每层具有3x3个检测探头。各检测探头通过传输引线穿出箱体预留安装孔43，并与外部读取设备相连，可实时获取相应的土壤的参数值。例如，外部读取设备可以为外部实时数据记录器。当然在其他可选的实施方式中，检测探头的集成元件也可以依据使用需求进行不同的集成组合，例如除土壤水分传感器外，土壤电导率传感器和土壤温度传感器可以选用其中之一，或者选用其中任二，以实现对包气带内的环境进行直观观测即可。
此结构的包气带水分入渗检测模拟装置，获取包气带不同空间位置处土壤的含水率、温度和电导率随时间变化，进而获取河水下渗过程中水分在包气带垂向和侧向的运移过程，以及水分进入后包气带温度和电导率变化。以土壤水分传感器为例，土壤水分传感器可实现河流径流过程中，入渗水分在包气带不同界面运移过程的动态、立体监测，从而获取水分在不同包气带介质中运移速率、水量通量等关键参数，进而可以对河水回补过程中水分在不同包气带介质中的运移能力实现准确评估。
当然，在可选的实施方式中，检测探头的设置个数可以依据实际需求进行变化，如每个包气带模拟箱体中均设有一层，且每层为3x3个，当设有若干包气带模拟箱体时，也可以通过需求实现对包气带在三个维度上进行理化性质的监控，当然，每层也可以设置2x2、2x3、4x3等等，以实现具体的检测需求为标准即可。设置的个数越多，所能检测的理化性质的变化越精细，对水分在包气带运移规律的刻画越精细。
本实施例中的包气带水分入渗检测模拟装置中，含水层模拟单元包括：含水层模拟箱体53、第二进口51和第二出口52。其中，第二进口51与供给单元连通，第二出口52与排出单元连通；含水层模拟箱体53内部填充细砂和中砂等含水层介质。含水层模拟箱体53的材质为不锈钢，厚度为15mm，箱体长为800mm，宽为500mm，高为600mm。为了保证水流流向稳定，通常将第二进口51的高度高于第二输出管23的高度。
本实施例提供的包气带水分入渗检测模拟装置，还包括含水层监测单元8，设置在含水层模拟单元内，用以检测含水层模拟单元内的地下水水位。含水层监测单元8具体为带刻度的测压管，可以监测地下水水位变化。同时也可以根据事先建立的含水层单元内不同水量与对应的测压管中水位刻度值关系曲线，利用地下水水位值计算含水层单元内的水量。
此外，河流模拟箱体33和第一包气带模拟箱体41之间设有第一连接件71；第一包气带模拟箱体41和第二包气带模拟箱体42之间设有第二连接件72；第二包气带模拟箱体42与含水模拟箱体53之间设有第三连接件73。任一连接件为扣锁和螺丝相互紧固的结构，且连接件内填充有高弹性、可遇水膨胀的隔水橡胶，从而保证不同层箱体连接固定后不漏水。具体来说，相邻的箱体之间设有四个连接件，任一连接件均设置在箱体的四角处，例如，设置在上的箱体的底部焊接有四个扣锁，设置在下的箱体的顶部焊接有四个扣锁，通过螺丝将对应设置的扣锁相互紧固，并在扣锁内填充隔水橡胶即可。
此结构的包气带水分入渗检测模拟装置，通过分体安装河流模拟、包气带模拟以及含水层模拟的箱体，进而在不同的箱体结构内装填不同的介质，从而可以对复杂的包气带地层结构进行模拟，便于对不同层位介质更换和重复开展实验。避免采用单一箱体实现多层地质结构的模拟时，需要依次装填模拟介质，而造成装填完成后，试验箱体仅能进行单一地质结构试验，而无法对不同的、复杂的地质结构进行多次试验，造成实验难度大、成本高、试验精度低的问题。
本发明提供的包气带水分入渗检测模拟装置，通过供给单元向河流模拟箱体33供水，通过监测水分经过第一包气带模拟箱体41和第二包气带模拟箱体42进入含水层模拟箱体53的过程，从而模拟地表水回补到地下含水层，模拟人为增加地下水补给量的方式，例如将地表水源，如河流、水库弃水、雨洪水、处理后的再生水等，通过地下水回补工程转化为较为稳定的、可持续利用的地下水资源。
此外，通过第一进口31与供给单元连通，第一出口32、第四开关27与废水箱21连通，实现控制33中水流的水位和流量，分别真实模拟不同的河流流速和流量条件，同时，监测河流水量及下渗进入包气带水量；通过第二进口51、第五开关28以及第二输出管23的设置，实现对模拟含水层中地下水水位和流量的控制，真实模拟下层含水层中的地下水流动条件。同时，通过监测含水层中第二输出管23流出水量的增加量，计算经包气带进入地下水的有效补给量。当河流模拟单元中的水在垂向上沿包气带逐渐入渗到含水层模拟单元时，通过包气带检测单元6的检测，即可实现对包气带模拟单元内不同层位土壤水分含量变化的直观观测。
因此，上述的包气带水分入渗检测模拟装置中，模拟了实际河流-包气带-地下水均衡状况下，通过河流入渗包气带补给地下水的过程，有效地反映了现实地下水回补情况下地表水源、包气带以及含水层的变化，可用于准确监测河流入渗水分在包气带中的运移过程，评估包气带介质的入渗能力，从而为利用河流等地表水体回补地下水，改善地下水环境和恢复水源地开采能力提供依据。
实施例2
本实施例提供一种包气带水分入渗检测模拟方法，采用实施例1中的包气带水分入渗检测模拟装置，其包括如下步骤：
S1：设备组装：连接供给单元、排出单元、包气带检测单元6、河流模拟单元、包气带模拟单元和含水层模拟单元；
S11：填充：向河流模拟箱体33内装填砂卵石；向第一包气带模拟箱体41内装填粉土；向第二包气带模拟箱体42装填细砂；向含水层模拟箱体53内装填中细砂；
S12：包气带检测单元6的安装：在包气带模拟箱体内装填细砂和粉土过程中，同时等间距按照4x3x3的分布方式，分层埋入总计36个土壤检测探头；
S13：模拟单元的连接：沿垂向方向上依次由上至下连接河流模拟箱体33、第一包气带模拟箱体41、第二包气带模拟箱体42和含水层模拟箱体53；
S14：供给单元和排出单元的连通：
S141：供给单元的连通：供给箱11通过第一输入管12与河流模拟箱体33的第一进口31连通；在第一输入管12上分别安装第一动力件15、第一流量检测件16、第一开关17；第二输入管131的两端连通供给箱11和上游存储箱14；第一连通管132的两端连通上游存储箱14和第二进口51；且在第二输入管131上安装第二开关18，在第一连通管132上安装第三开关19；
S142：排出单元的连通：第一输出管22的两端分别连通废水箱21和河流模拟箱体33的第一出口32，且在第一输出管22上分别安装第二流量检测件26和第四开关27；第二输出管23的两端分别连通下游存储箱25和废水箱21，第二连通管24的两端分别连通下游存储箱25和含水层模拟箱体53的第二出口52；在第二连通管24上安装第五开关28，在第二输出管23上安装第三流量检测件29；
上述的S11-S14各步骤中在满足实际使用时，可以依据需求进行调换。
S2：地下水流场模拟：向供给箱11内加水，通过打开第二开关18通过第二输入管131向上游存储箱14内供水；而后，打开第三开关19和第五开关28，从而控制供给单元与含水层模拟单元的连通，以及排出单元与含水层模拟单元的连通；通过下游存储箱内的第二输出管23控制水位，通过下游存储箱与上游存储箱的液位差，从而控制地下水流，当第三流量检测件29也即转子流量计的示数达到稳定时，记录此时地下水稳定后的第二输出流量Qc2；最后读取此时含水层监测单元8也即测压管的水位刻度为第一地下水水位值H1。
S3：包气带入渗模拟：开启第一开关17、第一动力件15和第四开关27，从而控制供给单元与河流模拟单元的连通、以及排出单元与河流模拟单元的连通，通过第一输出管22控制河流水位和流出水量，通过设置在第一进口31的第一流量检测件16计量第一输入流量Qr1，以及通过设置在第一出口32的第二流量检测件26计量第一输出流量Qc1，最终，得到河水向包气带入渗量QB＝Qr1-Qc1；
S4：包气带水分入渗检测：包气带检测单元6检测包气带模拟单元内土壤的理化性质。例如：若干检测探头分别检测各个位置处的在不同时间节点上的土壤水分含量、电导率以及温度。进而获取河水下渗过程中水分在包气带的运移过程，以及对包气带介质电导率及温度的影响。
S5：回补地下水检测：
读取第三流量检测件29也即转子流量计的示数为第三输出流量Qc3；并通过第二输出流量Qc2和第三输出流量Qc3的差值获得此时河水入渗经包气带有效回补地下水量Qhb＝Qc3-Qc2。
当然，还可以同时读取含水层监测单元8也即测压管的水位刻度为第二地下水水位值H2，并通过第二地下水水位值H2和第一地下水水位值H1的差值获得河水回补条件下地下水水位上升值HS＝H2-H1。
上述实验过程中可通过调节第一输入管12和第一输出管22上的第一开关17和第四开关27来控制不同的河流流速及河流水量情况，并通过改变河流模拟箱体41、第一包气带模拟箱体43和第二包气带模拟箱体42、含水层模拟箱体53内介质装填情况，即可监测地表水源不同回补条件下，包气带不同地层岩性及厚度条件下不同埋深处土壤的水分变化规律，评估包气带的水分入渗能力。
本发明提供的包气带水分入渗检测模拟方法，通过对河水入渗经包气带后进入含水层过程的模拟，实现模拟地表水回补到地下含水层的过程，从而模拟人为增加地下水补给量的方式，例如将地表水源，如河流、水库弃水、雨洪水、处理后的再生水等，通过地下水回补工程转化为较为稳定的、可持续利用的地下水资源。因此，通过模拟供给单元与含水层模拟单元相连通，以及所述排出单元与所述含水层模拟单元的连通，以获得稳定的地下水流，在此基础上，叠加设置在上的河流模拟单元，从而实现模拟河道放水动态流动过程中，对地下水回补的情形模拟。此外，通过对包气带水分入渗过程中理化性质的监测，例如对包气带内的土壤水分、电导率、温度等参数的监测，从而可模拟河流不同流速和流量条件下，水分在包气带介质中的运移及其影响。此外，可以依据需求对包气带介质进行改变，从而模拟水分在不同包气带介质中的运移过程；其后，计算包气带不同介质及其埋深位置在单位时间内的水分含量变化，即可评估不同包气带介质的入渗能力。
因此，通过上述包气带水分入渗检测模拟方法，可实现动态监测河流入渗回补地下水过程中包气带不同空间位置处土壤水分含量等理化性质的变化，揭示河水入渗通过包气带进入潜水面的能力和通量。并且，将河流-包气带-含水层作为统一整体考虑，高度还原河水经河床入渗进入包气带及含水层的过程，提高了实验室模拟野外河流入渗回补地下水过程中水分在包气带运移的真实性和精确度。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种包气带水分入渗检测模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
设备组装：连接供给单元、排出单元、包气带检测单元(6)、河流模拟单元、包气带模拟单元和含水层模拟单元；
地下水流场模拟：控制供给单元与所述含水层模拟单元的连通，以及所述排出单元与所述含水层模拟单元的连通，以获得稳定的地下液流；所述地下水流场模拟步骤还包括：通过设置在含水层模拟单元内含水层监测单元(8)获得第一地下水水位值；通过设置在含水层模拟单元的第二出口(52)处的第三流量检测件(29)获得第二输出流量；
包气带入渗模拟：控制供给单元与河流模拟单元的连通、以及所述排出单元与所述河流模拟单元的连通，通过所述河流模拟单元的第一进口(31)的第一输入流量与所述含水层模拟单元的第一出口(32)测得的第一输出流量的流量差以获得所述包气带入渗量；
回补地下水检测：通过所述含水层监测单元获得第二地下水水位值，并通过第一地下水水位值和第二地下水水位值的差值获得回补地下水量；或通过所述第三流量检测件(29)获得在所述包气带入渗模拟步骤后的第三输出流量，通过第三输出流量和第二输出流量的差值获得回补地下水量；
包气带入渗检测：所述包气带检测单元(6)检测所述包气带模拟单元的理化性质。
2.根据权利要求1中所述的包气带水分入渗检测模拟方法，其特征在于，所述设备组装步骤包括：
包气带检测单元(6)的安装：在所述包气带模拟单元内安装包气带检测单元(6)；
模拟单元的连接：依次连接所述河流模拟单元、所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元；
供给单元和排出单元的连通：将供给单元和排出单元分别与所述河流模拟单元和所述含水层模拟单元连通。
3.根据权利要求2中所述的包气带水分入渗检测模拟方法，其特征在于，所述设备组装步骤中，在所述模拟单元的连接步骤前还包括：
填充：分别向河流模拟单元、包气带模拟单元和含水层模拟单元装填介质。
4.根据权利要求2中所述的包气带水分入渗检测模拟方法，其特征在于，
所述供给单元和排出单元的连通步骤包括：
供给单元的连通：所述供给单元分别连通所述河流模拟单元的第一进口(31)和所述含水层模拟单元的第二进口(51)。
5.根据权利要求4中所述的包气带水分入渗检测模拟方法，其特征在于，所述供给单元的连通还包括：
供给单元的供给箱(11)通过第一输入管(12)与第一进口(31)连通；
在第一输入管(12)上安装第一动力件(15)和第一流量检测件(16)；
所述供给箱(11)通过第二输入管(131)和上游存储箱与所述第二进口(51)连通。
6.根据权利要求4中所述的包气带水分入渗检测模拟方法，其特征在于，
所述供给单元和排出单元的连通步骤包括：
排出单元的连通：排出单元分别连通所述含水层模拟单元的第一出口(32)和所述含水层模拟单元的第二出口(52)。
7.根据权利要求1中所述的包气带水分入渗检测模拟方法，其特征在于，
所述包气带入渗检测步骤中，所述包气带检测单元(6)检测所述包气带模拟单元内的水分含量和/或电导率和/或温度。
CN202010865170.1A 2020-08-25 2020-08-25 一种包气带水分入渗检测模拟方法 Active CN111855968B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010865170.1A CN111855968B (zh) 2020-08-25 2020-08-25 一种包气带水分入渗检测模拟方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010865170.1A CN111855968B (zh) 2020-08-25 2020-08-25 一种包气带水分入渗检测模拟方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111855968A CN111855968A (zh) 2020-10-30
CN111855968B true CN111855968B (zh) 2022-08-12

Family

ID=72967126

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010865170.1A Active CN111855968B (zh) 2020-08-25 2020-08-25 一种包气带水分入渗检测模拟方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111855968B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102635087A (zh) * 2012-02-26 2012-08-15 长安大学 河流入渗模拟装置
CN209841614U (zh) * 2019-02-28 2019-12-24 水利部牧区水利科学研究所 河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102359084B (zh) * 2011-07-29 2013-07-03 中国农业大学 河湖包气带渗滤性能的模拟调控系统及其方法
CN102636630A (zh) * 2012-03-29 2012-08-15 中国地质大学（武汉） 大型包气带土壤非饱和渗流物理模拟装置
CN103236209B (zh) * 2013-05-13 2014-12-10 青岛理工大学 一种河道横断面二维地下渗流水力学实验装置
WO2015160927A1 (en) * 2014-04-15 2015-10-22 The University Of Akron Methods for evaluation and estimation of external corrosion damage on buried pipelines
CN204789233U (zh) * 2015-07-07 2015-11-18 农业部环境保护科研监测所 一种纳米材料的迁移扩散综合试验装置
CN105547966A (zh) * 2016-01-28 2016-05-04 成都理工大学 间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置
KR102061064B1 (ko) * 2017-12-29 2020-01-02 세종대학교 산학협력단 지하수 인공함양 시스템
CN109668809A (zh) * 2019-02-28 2019-04-23 水利部牧区水利科学研究所 河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置及方法
CN109839491B (zh) * 2019-04-02 2021-11-02 中国地质科学院水文地质环境地质研究所 一种地下水回补模拟实验方法
CN210293616U (zh) * 2019-05-15 2020-04-10 河海大学 地表水与地下水交互作用的实验装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102635087A (zh) * 2012-02-26 2012-08-15 长安大学 河流入渗模拟装置
CN209841614U (zh) * 2019-02-28 2019-12-24 水利部牧区水利科学研究所 河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111855968A (zh) 2020-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Oude Essink Salt water intrusion in a three-dimensional groundwater system in the Netherlands: a numerical study
Landon et al. Comparison of instream methods for measuring hydraulic conductivity in sandy streambeds
Dahan et al. Direct measurements of floodwater infiltration into shallow alluvial aquifers
Shaw et al. An integrated approach to quantify groundwater transport of phosphorus to Narrow Lake, Alberta
CN105786032B (zh) 一种试验区地下水位精确控制系统与方法
Pauw et al. Increasing a freshwater lens below a creek ridge using a controlled artificial recharge and drainage system: a case study in the Netherlands
Smith et al. Groundwater discharge from the superficial aquifer into Cockburn Sound Western Australia: estimation by inshore water balance
CN111855970A (zh) 一种包气带水分入渗检测模拟装置
CN111855968B (zh) 一种包气带水分入渗检测模拟方法
CN212904873U (zh) 一种包气带水分入渗检测模拟装置
CN107290260A (zh) 用于承压水渗流模型的水循环沙槽试验装置
Lee et al. An artificial recharge experiment in the San Jacinto basin, Riverside, southern California
Gallardo et al. Modeling the dynamics of the freshwater-saltwater interface in response to construction activities at a coastal site
MUNSTER et al. The Texas A&M University Brazos River hydrogeologic field site
Mehmood et al. Testing alternative conceptual models of river‐aquifer connectivity and their impacts on baseflow and river recharge processes
De Lima Stream-aquifer relations and yield of stratified-drift aquifers in the Nashua River basin, Massachusetts
Sun et al. Modelling Groundwater Flow and Contaminant Migration in Heterogeneous Fractured Media at a Municipal Solid Waste Landfill in Nanjing Lishui, China
Yager et al. Infiltration and hydraulic connections from the Niagara River to a fractured-dolomite aquifer in Niagara Falls, New York
CN114112300B (zh) 一种感潮河流岸滩侧向潜流交换模拟装置及试验方法
Ni et al. Numerical assessments of recharge-dominated groundwater flow and transport in the nearshore reclamation area in western Taiwan
Prince Ground-water resource assessment of the Montauk area, Long Island, New York
Siegrist et al. Treatment using subsurface soil infiltration
Ghodoosipour Three dimensional groundwater modeling in Laxemar-Simepevarp guaternary deposits.
Meriano Hydrogeology of a Complex Glacial System, Rouge River-Highland Creek Watershed, Scarborough, Ontario
Reilly Effects of Sanitary Sewers on Ground-water Levels and Streams in Nassau and Suffolk Counties, New York: Geohydrology, Modeling Strategy, and Regional Evaluation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant