CN111855970A - 一种包气带水分入渗检测模拟装置 - Google Patents

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韩占涛
黄国鑫
李亚松
王夏晖
朱玉晨
刘雅慈
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Abstract

本发明公开了一种包气带水分入渗检测模拟装置，包括：供给单元、排出单元、河流模拟单元、包气带模拟单元、含水层模拟单元以及包气带检测单元。其中，所述河流模拟单元分别与所述供给单元和所述排出单元连通；包气带模拟单元与所述河流模拟单元连通；含水层模拟单元与所述包气带模拟单元连通，且所述含水层模拟单元设置在所述包气带模拟单元的相对所述河流模拟单元的另一侧；所述含水层模拟单元还分别与所述供给单元和所述排出单元连接；包气带检测单元包括若干检测探头，所述检测探头与所述包气带模拟单元连接。从而实现模拟真实环境下河流入渗回补地下水过程中水分在包气带运移过程。

Description

一种包气带水分入渗检测模拟装置
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装置。
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，地下水水位下降直接导致地下水水源地供水能力下降；另一方面，地下水水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。但是，由于缺乏相应的模拟装置及方法研究，现有研究多是简单依据场地的水文地质条件，直接在野外开展河道放水回补地下水，对于河水下渗过程中水分在包气带的运移过程缺乏科学的分析，无法准确识别河水入渗能力及筛选具有回补潜力的河道地段，这也成为限制我国大规模利用河道开展地下水超采区治理的主要原因。
因此，仅依据已有研究所采用装置，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装置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装置，包括：
供给单元；
排出单元；
河流模拟单元，所述河流模拟单元分别与所述供给单元和所述排出单元连通；
包气带模拟单元，与所述河流模拟单元连通；
含水层模拟单元，与所述包气带模拟单元连通，且所述含水层模拟单元设置在所述包气带模拟单元的相对所述河流模拟单元的另一侧；所述含水层模拟单元还分别连通所述供给单元和所述排出单元；
包气带检测单元，包括若干检测探头，所述检测探头与所述包气带模拟单元连接。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟装置，所述检测探头沿所述河流模拟单元、所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连接方向分布设置；和/或
所述检测探头沿垂直于所述河流模拟单元、所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连接方向分布设置。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟装置，所述检测探头包括：
土壤水分传感器，用以检测包气带的水分含量；和/或
土壤电导率传感器，用以检测包气带的电导率；和/或
土壤温度传感器，用以检测包气带的温度。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟装置，所述包气带模拟单元包括至少一个包气带模拟箱体；所述包气带模拟箱体具有若干渗水孔，所述渗水孔设置在所述河流模拟单元、包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连通方向上，用以连通相邻的箱体。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟装置，所述包气带模拟单元包括至少两个包气带模拟箱体；
所述河流模拟单元包括河流模拟箱体，
所述含水层模拟单元包括含水层模拟箱体；
所述河流模拟箱体和所述包气带模拟箱体之间设有第一连接件；和/或相邻的所述包气带模拟箱体之间设有第二连接件；和/或所述包气带模拟箱体与所述含水模拟箱体之间设有第三连接件。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟装置，所述河流模拟单元具有第一进口；
所述含水层模拟单元具有第二进口；
所述供给单元包括供给箱，以及与所述供给箱连通的第一输入管和第二输入管；所述第一输入管与所述第一进口连通，所述第二输入管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装置，所述供给单元还包括上游存储箱，所述上游存储箱设置在所述第二输入管和第二进口之间。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟装置，所述供给单元上还包括设置在所述第一输入管上的：
第一动力件，用以驱动由所述供给单元向所述第一进口的输送；
第一流量检测件，用以检测所述输送的流量。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟装置，所述河流模拟单元具有第一出口；
所述含水层模拟单元具有第二出口；
所述排出单元包括：废水箱，以及与所述废水箱连通的第一输出管和第二输出管；所述第一输出管与所述第一出口连通，所述第二输出管与所述第二出口连通。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟装置，所述排出单元还包括下游存储箱，所述下游存储箱设置在所述第二输出管和第二出口之间；
所述排出单元还包括设置在所述第一输出管上的第二流量检测件，用以检测所述第一出口的输出流量；
所述排出单元还包括设置在所述第二输出管上的第三流量检测件，用以检测所述第二出口的输出流量。
可选地，上述的包气带水分入渗检测模拟装置，还包括含水层监测单元，设置在所述含水层模拟单元内，用以检测所述含水层模拟单元内的液位。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
1.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单元供给供给液，并从河流模拟单元向排出单元排出废液的过程，从而模拟地表水流环境。通过供给单元对含水层模拟单元进行供给液的供给，并从含水层模拟单元向排出单元排出废液的过程，从而模拟地下水流环境。通过供给液沿河流模拟单元、包气带模拟单元逐步入渗到含水层模拟单元，即可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。通过包气带检测单元的检测，即可实现对包气带模拟单元水分入渗过程的直观观测，进而评估不同包气带介质的入渗能力。
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。
2.本发明提供的包气带水分入渗检测模拟装置，所述检测探头包括：土壤水分传感器，用以检测包气带内的水分含量；土壤电导率传感器，用以检测包气带内的电导率；土壤温度传感器，用以检测包气带内的温度。
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，以及水分进入对包气带介质温度和电导率的影响。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、立体检测，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。
3.本发明提供的包气带水分入渗检测模拟装置，所述包气带模拟单元包括至少两个包气带模拟箱体。所述河流模拟单元包括河流模拟箱体，所述含水层模拟单元包括含水层模拟箱体，所述河流模拟箱体和所述包气带模拟箱体之间设有第一连接件；相邻的所述包气带模拟箱体之间设有第二连接件；所述包气带模拟箱体与所述含水模拟箱体之间设有第三连接件。
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，从而在不同的箱体结构内装填不同的介质，从而可以对复杂的地层结构进行模拟，并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。
4.本发明提供的包气带水分入渗检测模拟装置，所述供给单元还包括上游存储箱，所述上游存储箱设置在所述第二输入管和第二进口之间。所述排出单元还包括下游存储箱，所述下游存储箱设置在所述第二输出管和第二出口之间。
此结构的包气带水分入渗检测模拟装置，上游存储箱和下游存储箱的设置，可以通过对上游存储箱内的液位高度变化与下游存储箱内的液位高度变化调节，进而通过上游存储箱和下游储水箱的液位差控制地下水的流速和流量，模拟不同的地下水流场条件。
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装置的主视结构示意图；
图2为实施例1中所提供的包气带水分入渗检测模拟装置的侧视结构示意图；
图3为实施例1中所提供的包气带水分入渗检测模拟装置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 (10)

1.一种包气带水分入渗检测模拟装置，其特征在于，包括：
供给单元；
排出单元；
河流模拟单元，所述河流模拟单元分别与所述供给单元和所述排出单元连通；
包气带模拟单元，与所述河流模拟单元连通；
含水层模拟单元，与所述包气带模拟单元连通，且所述含水层模拟单元设置在所述包气带模拟单元的相对所述河流模拟单元的另一侧；所述含水层模拟单元还分别连通所述供给单元和所述排出单元；
包气带检测单元(6)，包括若干检测探头，所述检测探头与所述包气带模拟单元连接。
2.根据权利要求1中任一项所述的包气带水分入渗检测模拟装置，其特征在于，
所述检测探头沿所述河流模拟单元、所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连接方向分布设置；和/或
所述检测探头沿垂直于所述河流模拟单元、所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连接方向分布设置。
3.根据权利要求2中所述的包气带水分入渗检测模拟装置，其特征在于，所述检测探头包括：
土壤水分传感器，用以检测包气带模拟单元内的水分含量；和/或
土壤电导率传感器，用以检测包气带模拟单元内的电导率；和/或
土壤温度传感器，用以检测包气带模拟单元内的温度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的包气带水分入渗检测模拟装置，其特征在于，
所述包气带模拟单元包括至少一个包气带模拟箱体；所述包气带模拟箱体具有若干渗水孔，所述渗水孔设置在所述河流模拟单元、包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连通方向上，用以连通相邻的箱体。
5.根据权利要求4中所述的包气带水分入渗检测模拟装置，其特征在于，
所述包气带模拟单元包括至少两个包气带模拟箱体；
所述河流模拟单元包括河流模拟箱体(33)，
所述含水层模拟单元包括含水层模拟箱体(53)；
所述河流模拟箱体(33)和所述包气带模拟箱体之间设有第一连接件(71)；和/或相邻的所述包气带模拟箱体之间设有第二连接件(72)；和/或所述包气带模拟箱体与所述含水层模拟箱体之间设有第三连接件(73)。
6.根据权利要求1中所述的包气带水分入渗检测模拟装置，其特征在于，
所述河流模拟单元具有第一进口(31)；
所述含水层模拟单元具有第二进口(51)；
所述供给单元包括供给箱(11)，以及与所述供给箱(11)连通的第一输入管(12)和第二输入管(131)；所述第一输入管(12)与所述第一进口(31)连通，所述第二输入管(131)与所述第二进口(51)连通；
所述供给单元还包括上游存储箱(14)，所述上游存储箱(14)设置在所述第二输入管(131)和第二进口(51)之间。
7.根据权利要求6中所述的包气带水分入渗检测模拟装置，其特征在于，所述供给单元上还包括设置在所述第一输入管(12)上的：
第一动力件(15)，用以驱动由所述供给单元向所述第一进口(31)的液体输送；
第一流量检测件(16)，用以检测所述输送的流量。
8.根据权利要求1-3、6-7中任一项所述的包气带水分入渗检测模拟装置，其特征在于，
所述河流模拟单元具有第一出口(32)；
所述含水层模拟单元具有第二出口(52)；
所述排出单元包括：废水箱(21)，以及与所述废水箱(21)连通的第一输出管(22)和第二输出管(23)；所述第一输出管(22)与所述第一出口(32)连通，所述第二输出管(23)与所述第二出口(52)连通。
9.根据权利要求8中所述的包气带水分入渗检测模拟装置，其特征在于，所述排出单元还包括下游存储箱(25)，所述下游存储箱(25)设置在所述第二输出管(23)和第二出口(52)之间；
所述排出单元还包括设置在所述第一输出管(22)上的第二流量检测件(26)，用以检测所述第一出口(32)的输出流量；
所述排出单元还包括设置在所述第二输出管(23)上的第三流量检测件(29)，用以检测所述第二出口(52)的输出流量。
10.根据权利要求1-3、6-7中任一项所述的包气带水分入渗检测模拟装置，其特征在于，
还包括含水层监测单元(8)，设置在所述含水层模拟单元内，用以检测所述含水层模拟单元内的液位。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114036838A (zh) * 2021-11-09 2022-02-11 云南大学 一种基于多层lstm神经网络的垂向水温模拟方法
CN115979903A (zh) * 2022-12-28 2023-04-18 中国水利水电科学研究院 一种河流生态补水对地下水影响的模拟装置
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