CN112432885A - 一种测量饱和土体渗流速率的装置和模型选定方法 - Google Patents

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CN112432885A CN202011156799.5A CN202011156799A CN112432885A CN 112432885 A CN112432885 A CN 112432885A CN 202011156799 A CN202011156799 A CN 202011156799A CN 112432885 A CN112432885 A CN 112432885A
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任杰
王帆
王大博
马辰
李柯
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    • 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

Abstract

本发明公开了一种测量饱和土体渗流速率的装置，包括可拆卸固定连接的上中下三段沙柱管，上段沙柱管上设置有入水口和出水口，还包括温控水箱，温控水箱内设置有水泵，水泵通过管道和入水口连接，出水口通过管道和温控水箱接通，中段沙柱管内放置有土壤，中段沙柱管的下端或者下段沙柱管的上端设置有过滤纱网，下段沙柱管上设置有出水口a，出水口a下方设置有电子秤，电子秤上放置有量杯。本发明的一种测量饱和土体渗流速率的装置，解决了现有技术中存在的测量饱和土体渗流速率的装置成本高及测量不方便的问题。本发明还公开了一种选定监测饱和土体渗流速率模型的方法。

Description

一种测量饱和土体渗流速率的装置和模型选定方法
技术领域
本发明属于水利工程监测装置技术领域，涉及一种测量饱和土体渗流速率的装置，本发明还涉及一种选定监测饱和土体渗流速率模型的方法。
背景技术
河流不是一个孤立的系统，而是在时时刻刻与地下水进行相互作用，自然河流中河床在水流长期的渗透作用下，河床土体大部分处于饱和状态。相关研究表明，河床渗流速率的变化将对动植物的生存环境、微生物的新陈代谢、土壤的呼吸有显著的影响。
温度作为能量的直观载体，是能够反映渗流过程时空变化的表征因子。温度示踪法的原理是地表水下渗引起的自然温度变化，期间热量主要通过流动水流进行传导，地表水下渗加剧了河床中的温度波动。地下水渗流速率通常用VFLUX程序进行计算，程序中嵌入了多种计算一维垂向渗流速率的解析模型，在科研实验和具体工程运用时，需要针对不同的土体选择合适的模型。
在走生态保护和高质量发展路子的今天，对河流中农药、工业废水等污染物消逝的监测与流域生态治理等问题成为环境保护部门的重要任务。传统的测量饱和土体渗流速率方法中装置存在成本高、测量不方便、渗流工况单一等缺点；另外目前较为普遍的依据土体物理性质选择土壤渗流模型的方法，会引起所选模型不精确的问题，缺乏较为准确的土体渗流模型选定方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量饱和土体渗流速率的装置，解决了现有技术中存在的测量饱和土体渗流速率方法中装置成本高及测量不方便的问题。
本发明的另一目的是提供一种选定监测饱和土体渗流速率模型的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种测量饱和土体渗流速率的装置，包括可拆卸固定连接的上中下三段沙柱管，上段沙柱管上设置有入水口和出水口，还包括温控水箱，温控水箱内设置有水泵，水泵通过管道和入水口连接，出水口通过管道和温控水箱接通，中段沙柱管内放置有土壤，中段沙柱管的下端或者下段沙柱管的上端设置有过滤纱网，下段沙柱管上设置有出水口a，出水口a下方设置有电子秤，电子秤上放置有量杯。
本发明第一种技术方案的特征还在于，
上段沙柱管上设置标尺贴纸。
出水口设置有三个，三个出水口的高度不同。
入水口和出水口处设置有水阀。
上段沙柱管内、中段沙柱管内的上下两端以及温控水箱内均设置有一个温度记录仪，温度记录仪通过无线信号连接用户终端。
上中下三段沙柱管由沙柱管衔接件和螺纹固定连接。
一种选定监测饱和土体渗流速率模型的方法，采用上述的一种测量饱和土体渗流速率的装置，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将上中下三段沙柱管通过沙柱管衔接件和螺纹固定连接，然后将饱和土体取样放置到中段沙柱管中，并将四个温度记录仪设置在对应的位置处；
步骤2，将沙柱管上的出水口与入水口通过水管与温控水箱连接，开启水泵由温控水箱通过入水口给上段沙柱管供水，并将上段沙柱管中高于预设水头的水流导回水箱中，使得上段沙柱管的水位恒定且水流循环利用；
步骤3，待上段沙柱管水头稳定且出水口a开始向量杯中渗水时，开始记录温度数据；
步骤4，温度记录仪将温度数据传递给用户终端，然后对温度数据进行归一化处理，用户终端搭载VFLUX程序，将温度数据导入到VFLUX程序当中，运行VFLUX format，以创建格式化的数据结构，运行VFLUX程序，即可求解出不同解析模型下的饱和土体渗流速率，并分别将其绘制成以时间为横坐标的二维坐标系图，与实测渗流速率作对比选择相对准确模型作为所测饱和土体渗流速率的解析模型。
本发明第二种技术方案的特征还在于，
步骤2中开启水泵之前，先调节温控水箱中的水温使得与温度记录仪预设温度相同。
步骤2中将上段沙柱管高于预设水头的水流导回水箱中，使得上段沙柱管的水位恒定且水流循环利用，具体为：测量前，设定每一阶段的不同额定水位，根据沙柱管上的标尺贴纸读数，通过调节三个出水口和一个入水口处的阀门，使水位达到预设值。
实测渗流速率v具体按照如下方式计算：
∫Av＝Q (1)
Figure BDA0002743049900000031
m＝ρV (3)
其中：A为沙柱管截面圆的面积m2；υ为渗流速率m/s；V为渗流水体体积m3；t为测量时间s；m为渗流水体质量g；ρ为水的密度g/cm3。
本发明的有益效果是：
本发明通过沙柱管测得下渗水流重量，并以此计算出实际饱和土体的渗流速率，结构元件成本低且测量方便，采用温度记录仪测定不同位置土体的温度，将监测的温度数据进行归一化后，用MATLAB软件中的VFLUX程序计算多种解析模型下的饱和土体渗流速率，并通过与实测速率作比较，选出一种较为准确的监测饱和土体渗流速率的模型。
附图说明
图1是本发明一种测量饱和土体渗流速率装置的结构示意图；
图2是本发明一种测量饱和土体渗流速率的装置和模型选定方法中沙柱管的结构示意图；
图3是本发明一种测量饱和土体渗流速率的装置和模型选定方法中实施例时运用VFLUX程序中两种经典解析模型所求出的饱和土体渗流速率图；
图4是本发明一种测量饱和土体渗流速率的装置和模型选定方法中实施例时实测结果与选择的两种经典模型所算出的结果对比图。
图中，1.温控水箱，2.水泵，3.温度记录仪，4.水阀，5.量杯，6.沙柱管，7.出水口，8.入水口，9.标尺贴纸，10.电子秤，11.沙柱管衔接件，12.过滤纱网。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种测量饱和土体渗流速率的装置，其结构如图1所示，包括可拆卸固定连接的上中下三段沙柱管6，上段沙柱管6上设置有入水口8和出水口7，还包括温控水箱1，温控水箱1内设置有水泵2，水泵2通过管道和入水口8连接，出水口7通过管道和温控水箱1接通，中段沙柱管6内放置有土壤，中段沙柱管6的下端或者下段沙柱管6的上端设置有过滤纱网12，如图2所示，下段沙柱管6上设置有出水口a7-1，出水口a7-1下方设置有电子秤10，电子秤10上放置有量杯5。
上段沙柱管6上设置标尺贴纸9。
出水口7设置有三个，三个出水口7的高度不同。
入水口8和出水口7处均设置有水阀4。
上段沙柱管6内、中段沙柱管6内的上下两端以及温控水箱1内均设置有一个温度记录仪3，温度记录仪3通过无线信号连接用户终端。
上中下三段沙柱管6由沙柱管衔接件11和螺纹固定连接。
水泵2和温控水箱1通过导线连接电源。
一种选定监测饱和土体渗流速率模型的方法，采用上述的一种测量饱和土体渗流速率的装置，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将上中下三段沙柱管通过沙柱管衔接件和螺纹固定连接，然后将饱和土体取样放置到中段沙柱管中，并将四个温度记录仪设置在对应的位置处；
步骤2，将沙柱管6上的出水口7与入水口8通过水管与温控水箱1连接，开启水泵2由温控水箱1通过入水口8给上段沙柱管6供水，并将上段沙柱管6高于预设水头的水流导回水箱中，使得上段沙柱管6的水位恒定且水流循环利用；
步骤3，待上段沙柱管6水头稳定且出水口a7-1开始向量杯5中渗水时，开始记录温度数据；
步骤4，温度记录仪3将温度数据传递给用户终端，然后对温度数据进行归一化处理，用户终端搭载VFLUX程序，将温度数据导入到VFLUX程序当中，运行VFLUX format，以创建格式化的数据结构，运行VFLUX程序，即可求解出各种解析模型下的饱和土体渗流速率，并分别将其绘制成以时间为横坐标的二维坐标系图，与实测渗流速率作对比选择相对准确的模型作为所测饱和土体渗流速率的解析模型。
步骤2中开启水泵2之前，先调节温控水箱1中的水温使得与温度记录仪3预设温度相同。
步骤2中将上段沙柱管6高于预设水头的水流导回水箱中，使得上段沙柱管6的水位恒定且水流循环利用，具体为：测量前，设定每一阶段不同的额定水位，根据沙柱管6上的标尺贴纸9读数，通过调节三个出水口7和一个入水口8处的阀门4，使水位达到预设值。
实测渗流速率v具体按照如下方式计算：
∫Av＝Q (1)
Figure BDA0002743049900000061
m＝ρV (3)
其中：A为沙柱管截面圆的面积m2；υ为渗流速率m/s；V为渗流水体体积m3；t为测量时间s；m为渗流水体质量g；ρ为水的密度g/cm3。
实施例
沙柱管6为PVC管，上段沙柱管6的高度为40cm，中断沙柱管6的高度为70cm，能容纳5dm3左右的土壤，下段沙柱管6高度为25cm，能容纳1L左右的渗透水，入水口8的直径为1cm、出水口7、出水口a7-1的直径为1cm，中段沙柱管6的高度足够容纳5dm3左右的土壤和两个温度记录仪，温度记录仪分别放于距离土体上表面5cm和45cm的位置处，温度记录仪需要在填入沉积物时放入，中段沙柱管6放置的沉积物需要夯实且上表面平整，采用纽扣式结构的温度记录仪3。江苏恒敏仪器型号为HMSC-6A的温控水箱1具备变温功能，可以使温控水箱1内水流快速达到预设的温度，为整个测量装置提供温度保障，温控水箱1中设置有水泵2，为沙柱管上部供水提供动力。
测量中饱和土体的特性参数如表1所示，运用一种测量饱和土体渗流速率的装置对其进行监测。
表1饱和土体的特性参数
Figure BDA0002743049900000071
步骤1：将沙柱管6的上中下段通过沙柱管连接件11相连并进行加固，将所需要测量的饱和土体取样5dm3，填入中段的沙柱管6，并在将2个温度记录仪埋置于距离中段沙柱管上表面5cm和45cm的土壤中，然后两个温度记录仪3放于上段沙柱管和温控水箱1中；
步骤2：在沙柱管出水口a7-1处布置量杯5和电子秤10，并通过计算得出渗水速率，计算原理和方法见公式(1)～(3)，将上段的沙柱管6的三个出水口7与入水口8通过管道放入温控水箱1中，对变温水箱设定不同的温度，本次测量中设定为低温24℃，高温30℃，其间每隔15分钟上升1℃，电子秤每间隔1分钟读取一次渗水重量，当水箱中的温度记录仪达到预设温度24℃时，打开水泵给装置上部进行供水，如表2所示，为实施测量的中段沙柱管6中两个温度记录仪的温度；
步骤3：此次测量设定了10cm、20cm、35cm三个不同的额定水头，根据沙柱管上部的标尺贴纸读数，再通过调节三个出水管和一个进水管的阀门4，使水位达到每一组的预设值，待沙柱管下部出水口开始向量杯中渗水时，开始记录温度数据；
步骤4：对客户端的温度数据进行归一化处理，并导入到VFLUX程序中，运行VFLUXformat，创建格式化的数据结构，运行VFLUX程序，求解出两种经典模型(hatch-amplitude和kerry-amplitude)下的饱和土体渗流速率，并分别将其绘制成以时间为横坐标的二维坐标系图，与实测渗流速率做对比即可选出一种较为准确的监测饱和土体渗流速率的解析模型。
表2
时间 5cm处温度 45cm处温度 时间 5cm处温度 45cm处温度
10/7/18 12:00 23.187 23.502 10/8/18 18:00 29.099 26.624
10/7/18 13:00 23.311 23.438 10/8/18 19:00 29.711 27.214
10/7/18 14:00 23.311 23.438 10/8/18 20:00 29.522 27.754
10/7/18 15:00 24.785 23.523 10/8/18 21:00 29.023 28.085
10/7/18 16:00 25.346 23.465 10/8/18 22:00 28.401 28.41
10/7/18 17:00 26.117 23.952 10/8/18 23:00 28.035 28.72
10/7/18 18:00 26.69 24.522 10/9/18 0:00 27.597 28.689
10/7/18 19:00 27.369 25.216 10/9/18 1:00 26.881 28.513
10/7/18 20:00 27.969 25.815 10/9/18 2:00 26.431 28.291
10/7/18 21:00 28.574 26.447 10/9/18 3:00 25.381 27.99
10/7/18 22:00 28.882 26.777 10/9/18 4:00 24.779 27.75
10/7/18 23:00 29.243 27.19 10/9/18 5:00 24.351 27.362
10/8/18 0:00 29.322 27.79 10/9/18 6:00 24.186 26.878
10/8/18 1:00 28.797 28.055 10/9/18 7:00 24.376 26.549
10/8/18 2:00 28.444 28.403 10/9/18 8:00 24.737 26.212
10/8/18 3:00 27.969 28.49 10/9/18 9:00 25.597 25.896
10/8/18 4:00 27.565 28.285 10/9/18 10:00 26.448 25.66
10/8/18 5:00 26.997 27.894 10/9/18 11:00 27.061 25.43
10/8/18 6:00 26.798 27.723 10/9/18 12:00 27.863 25.486
10/8/18 7:00 25.953 27.363 10/9/18 13:00 28.635 25.486
10/8/18 8:00 25.44 27.04 10/9/18 14:00 29.311 25.742
10/8/18 9:00 25.128 26.69 10/9/18 15:00 29.485 26.036
10/8/18 10:00 25.011 26.312 10/9/18 16:00 29.211 26.46
10/8/18 11:00 25.201 25.923 10/9/18 17:00 28.664 26.802
10/8/18 12:00 25.285 25.696 10/9/18 18:00 27.92 27.225
10/8/18 13:00 25.513 25.506 10/9/18 19:00 27.465 27.616
10/8/18 14:00 26.406 25.488 10/9/18 20:00 26.851 27.925
10/8/18 15:00 27.178 25.563 10/9/18 21:00 26.19 28.049
10/8/18 16:00 27.938 25.855 10/9/18 22:00 25.559 28.104
10/8/18 17:00 27.938 25.855
步骤4中涉及到软件的部分具体为：
步骤4.1，在网站上下载VFLUX程序，将vflux文件夹的位置添加到搜索路径中。安装MATLAB Signal Processing Toolbox，并且将Captain Toolbox文件夹(“captain”)添加到MATLAB搜索路径中。
步骤4.2，将温度时序的时间序列处理为以下格式“时/分/秒”，并将其放在EXCEL文件的第一列当中，将多级温度记录仪测得不同深度位置的测点的时序温度数据按照由浅至深的原则，依次放置在EXCEL文件第二列，第三列……，并保存为.xls格式，然后运行MATLAB，点击“导入数据”，选择处理好的EXCEL文件，定义要导入的MATLAB变量的类型为“矩阵”，将所选数据导入到MATLAB工作区，对MATLAB工作区的数据重命名为“aa”。
步骤4.3，在MATLAB命令栏输入代码“site12＝vfluxformat(aa(:,1),aa(:,2:3),[0.05 0.45])”，键入回车键；其中“site12”是格式化数据结构的名称；“aa(:,1)”是采样时间的列；“aa(:,2:3)”是温度序列的矩阵；“[0.05 0.45]”是每个温度记录仪的深度位置的行向量，以米为单位；
步骤4.4，数据结构创建后，对结构运行VFLUX以重新采样，在MATLAB命令栏输入代码“site12＝vflux(site12,0,1,1,0.3,0.01,0.00034,0.6,1)”，其中：“0”是用于降低采样率的正整数因子，“1”是正整数的标量或向量，表示计算两个温度记录仪之间的通量，“1”是以天为单位过滤和用于通量计算的基本温度信号的周期；“0.3”沉积物的总孔隙度，即孔隙空间的体积除以总体积；“0.01”为热弥散度，单位为m；“0.00034”为热传导系数，单位为cal/(s·cm·℃)；“0.6”为沉积物的体积热容，单位为cal/(cm3·℃)；“1”为水的体积热容，单位为cal/(cm3·℃)。
按MATLAB命令提示，按任意键，执行时，VFLUX将为每个温度系列(每个温度记录仪)生成三个诊断图，每个温度系列后都会暂停。首先，显示Captain ARSPEC功能的自回归频谱，显示频域的时间序列，按MATLAB命令提示，按任意键，出现DHROPT(DHR优化)函数试图模拟自回归谱的前几个峰，并显示实际和拟合频谱图，按MATLAB命令提示，按任意键，VFLUX显示过滤结果图，显示实际的时间序列数据(“时间序列”)和由DHR，标识的时间序列；输入1开始计算后程序，并按Enter键确认；VFLUX完成流速计算后，可以运行后期绘图程序，在VFLUX运行结束时，程序询问用户是否要绘制结果。如果选择“否”，则VFLUX结束。如果选择“是”，则程序会显示温度与时间的关系图(对于原始数据集和过滤数据集)，以及振幅和相位与时间的关系图，按MATLAB命令提示，按Enter，选出VFLUX中两种经典解析模型(hatch-amplitude和kerry-amplitude)所求出的饱和土体渗流速率，如图3所示。
实验装置实测结果与两种经典模型算出的结果对比如图4所示，从整体上看模型在测量前期模拟效果较一般，中后期模拟效果较好，对比可以得出此类饱和土体的渗流速率更符合kerry-amplitude模型。

Claims (10)

1.一种测量饱和土体渗流速率的装置，其特征在于，包括可拆卸固定连接的上中下三段沙柱管(6)，上段所述沙柱管(6)上设置有入水口(8)和出水口(7)，还包括温控水箱(1)，所述温控水箱(1)内设置有水泵(2)，所述水泵(2)通过管道和入水口(8)连接，所述出水口(7)通过管道和温控水箱(1)接通，中段所述沙柱管(6)内放置有土壤，中段所述沙柱管(6)的下端或者下段所述沙柱管(6)的上端设置有过滤纱网(12)，下段所述沙柱管(6)上设置有出水口a(7-1)，所述出水口a(7-1)下方设置有电子秤(10)，所述电子秤(10)上放置有量杯(5)。
2.根据权利要求1所述的一种测量饱和土体渗流速率的装置，其特征在于，所述上段所述沙柱管(6)上设置标尺贴纸(9)。
3.根据权利要求1所述的一种测量饱和土体渗流速率的装置，其特征在于，所述出水口(7)设置有三个，三个所述出水口(7)的高度不同。
4.根据权利要求1所述的一种测量饱和土体渗流速率的装置，其特征在于，所述入水口(8)和出水口(7)处设置有水阀(4)。
5.根据权利要求4所述的一种测量饱和土体渗流速率的装置，其特征在于，所述上段所述沙柱管(6)内、中段所述沙柱管(6)内的上下两端以及温控水箱(1)内均设置有一个温度记录仪(3)，所述温度记录仪(3)通过无线信号连接用户终端。
6.根据权利要求1所述的一种测量饱和土体渗流速率的装置，其特征在于，所述上中下三段沙柱管(6)由沙柱管衔接件(11)和螺纹固定连接。
7.一种选定监测饱和土体渗流速率模型的方法，其特征在，采用如权利要求5所述的一种测量饱和土体渗流速率的装置，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将上中下三段沙柱管(6)通过沙柱管连接件(11)通过螺纹固定连接，然后将饱和土体取样放置到中段所述沙柱管(6)中，并将四个所述温度记录仪(3)设置在对应的位置处；
步骤2，将沙柱管(6)上的出水口(7)与入水口(8)通过水管与温控水箱(1)连接，开启水泵(2)由温控水箱(1)通过入水口(8)给上段沙柱管(6)供水，并将上段沙柱管(6)高于预设水头的水流导回水箱中，使得上段沙柱管(6)的水位恒定且水流循环利用；
步骤3，待上段沙柱管(6)水头稳定且出水口a(7-1)开始向量杯(5)中渗水时，开始记录温度数据；
步骤4，温度记录仪(3)将温度数据传递给用户终端，然后对温度数据进行归一化处理，用户终端搭载VFLUX程序，将温度数据导入到VFLUX程序当中，运行VFLUX format，以创建格式化的数据结构，运行VFLUX程序，即可求解出多种解析模型下的饱和土体渗流速率，并分别将其绘制成以时间为横坐标的二维坐标系图，与实测渗流速率作对比选择相对准确的模型作为监测饱和土体渗流速率的模型。
8.根据权利要求7所述的一种选定监测饱和土体渗流速率模型的方法，其特征在，所述步骤2中开启水泵(2)之前，先调节温控水箱(1)中的水温使得与温度记录仪(3)预设温度相同。
9.根据权利要求8所述的一种选定监测饱和土体渗流速率模型的方法，其特征在，所述步骤3中将上段沙柱管(6)高于预设水头的水流导回水箱中，使得上段沙柱管(6)的水位恒定且水流循环利用，具体为：测量前，设定每一阶段的不同额定水位，根据沙柱管(6)上的标尺贴纸(9)读数，通过调节三个出水口(7)和一个入水口(8)处的阀门(4)，使水位达到预设值。
10.根据权利要求7所述的一种选定监测饱和土体渗流速率模型的方法，其特征在，实测渗流速率v具体按照如下方式计算：
∫Av＝Q (1)
Figure FDA0002743049890000031
m＝ρV (3)
其中：A为沙柱管截面圆的面积m2；v为渗流速率m/s；V为渗流水体体积m3；t为测量时间s；m为渗流水体质量g；ρ为水的密度g/cm3。
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