CN112556985B - 可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置及试验方法 - Google Patents

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CN112556985B CN202011493721.2A CN202011493721A CN112556985B CN 112556985 B CN112556985 B CN 112556985B CN 202011493721 A CN202011493721 A CN 202011493721A CN 112556985 B CN112556985 B CN 112556985B
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Abstract

本发明涉及一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置及试验方法，该装置包括：组合有机玻璃槽：由设置在右端用以模拟河道的有机玻璃槽部件R、设置在左端用以模拟地下水的有机玻璃槽部件G以及数量可调节的有机玻璃槽部件M组成，在左右透水挡砂板之间的空间内铺设石英砂层；水位控制系统：包括供水组件和弃水组件；电导率监测系统：包括电导率数据采集仪以及分别设置在石英砂层内不同高度和水平位置处的电导率传感器。与现有技术相比，本发明可根据不同水位变化要求调节模拟装置的长度，能够基于电导率的动态分布准确模拟河岸带横向‑垂向潜流交换过程，并获取侧向潜流交换范围、通量及滞留时间等参数，操作简单，拆卸安装方便。

Description

可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置及试验方法
技术领域
本发明涉及水利工程试验领域，尤其是涉及一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置及试验方法。
背景技术
河流潜流带是河床及两侧河岸带水分饱和的沉积物层，是地表水和地下水动态交互的重要过渡区。河水进入潜流带并滞留一段时间后返回河道的过程即为潜流交换过程，它实现了地表水-地下水过渡带中的物质运移和能量传输，对流域内物质循环、污染削减、生态健康维持等方面具有重要意义。
早期对潜流交换过程的研究主要集中在河床内的垂向和纵向潜流交换过程。近年来，部分研究者通过现场监测手段开展了河岸带侧向潜流交换过程的研究。然而，在自然条件下，潜流交换的影响因素错综复杂，很难识别和描述单一因子对潜流交换过程的影响程度，室内模型试验能控制单一变量，可定量研究河道水位变化或地下水条件等因素对河岸带侧向潜流交换过程的影响。
不同水位变化条件下的侧向潜流交换深度往往差异较大，然而，目前研究潜流交换的室内模型尺寸通常是固定，所以试验装置通常适用于特定水位变化条件，为了研究不同水位变化条件对河岸带侧向潜流交换的影响，亟需开发可用于室内试验的一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，用以实现多个水位变化条件的对比分析，同时还要求试验装置可重复利用，节省试验成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置及试验方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，该装置包括：
组合有机玻璃槽：由设置在右端用以模拟河道的有机玻璃槽部件R、设置在左端用以模拟地下水的有机玻璃槽部件G以及设置在有机玻璃槽部件R和有机玻璃槽部件G之间且数量可调节的有机玻璃槽部件M组成，所述的有机玻璃槽部件R和有机玻璃槽部件G内设有透水挡砂板，并且在左右透水挡砂板之间的空间内铺设用以模拟河岸带沉积物的石英砂层；
水位控制系统：包括分别与有机玻璃槽部件G和有机玻璃槽部件R上的水槽进出水口连接的供水组件和弃水组件；
电导率监测系统：包括电导率数据采集仪以及通过导线分别与电导率数据采集仪连接的多个分别设置在石英砂层内不同高度和水平位置处的电导率传感器，用以实时获取电导率数据。
所述的有机玻璃槽部件R内通过卡槽垂直设置的透水挡砂板将有机玻璃槽部件R内部空间分为河道水槽和右河岸带砂槽，所述的有机玻璃槽部件G内通过卡槽垂直设置的透水挡砂板将有机玻璃槽部件G内部空间分为地下水水槽和左河岸带砂槽，所述的右河岸带砂槽、有机玻璃槽部件M内部空间和左河岸带砂槽共同连通构成河岸带砂槽。
所述的有机玻璃槽部件R的河道水槽后面板上开设河道水槽进水口，前面板上开设多组设置在不同高度处的河道水槽出水口，所述的有机玻璃槽部件G的地下水水槽后面板上开设地下水水槽进水口，前面板上开设多个设置在不同高度处的地下水水槽出水口，所述的河道水槽进水口高于河道水槽出水口，所述的地下水水槽进水口高于地下水水槽出水口。
所述的透水挡砂板为多孔有机玻璃板，其外部包裹尼龙纱布以防止试验砂土被水带出。
所述的有机玻璃槽部件M与有机玻璃槽部件R、有机玻璃槽部件M与有机玻璃槽部件G以及相邻的有机玻璃槽部件M之间均通过锚固螺栓锚固连接成型，并且在连接处设置止水橡胶垫保证密闭性。
所述的供水组件包括通过地下水水槽进水软管与地下水水槽进水口连接的地下水水槽供水箱以及通过河道水槽进水软管与河道水槽进水口连接的河道水槽供水箱，所述的地下水水槽进水软管上设有地下水水槽蠕动泵，所述的河道水槽进水软管上设有河道水槽蠕动泵，用以控制水槽的进水流量。
所述的弃水组件包括通过地下水水槽出水软管与地下水水槽出水口连接的地下水水槽弃水箱以及通过河道水槽出水软管与河道水槽出水口连接的河道水槽弃水箱，在地下水水槽出水软管与地下水水槽出水口的连接处以及河道水槽出水软管与河道水槽出水口的连接处分别设有软管垫，并且在河道水槽出水软管和地下水水槽出水软管上分别设有止水夹。
所述的河岸带砂槽内底部铺设一层丁基止水胶带，用以减小砂土颗粒与有机玻璃底部壁面间的孔隙对侧向潜流交换的影响。
所述的有机玻璃槽部件R、有机玻璃槽部件G以及有机玻璃槽部件M底部均设有组合有机玻璃槽支撑底座。
一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置的试验方法，包括以下步骤：
1)确定组合有机玻璃槽的长度：
根据试验目的设置组合有机玻璃槽中两侧地下水水槽和河道水槽的水位变化过程，测量石英砂层(24)的水平渗透系数和孔隙度，由达西定律估算潜流交换深度，从而确定有机玻璃槽部件M(29)的个数及组合有机玻璃槽的长度；
2)填砂及电导率传感器的布设：
在组合有机玻璃槽中两块透水挡砂板(7)之间采用分层振捣密实方法铺设石英砂，将多个电导率传感器(22)布设于石英砂层(24)中的不同高度和水平位置处，并通过导线与电导率数据采集仪(23)连接；
3)水位控制：
31)分别打开地下水水槽h0高度和河道水槽H0高度的出水软管的止水夹，且h0>H0，并通过蠕动泵持续供水以保持地下水水槽中水位不变，模拟地下水向河道稳定渗流的状态；
32)打开电导率数据采集仪(23)，获取石英砂层(24)的孔隙水电导率初始值，向河道水槽供水箱(13)中投放导电盐至设定浓度，关闭河道水槽初始水位H0对应出水口的软管止水夹，向河道水槽投放导电盐至与河道水槽供水箱中导电盐浓度相同的设定浓度，同时打开蠕动泵以q1流量从河道水槽供水箱(13)向河道水槽持续供给设定浓度的导电盐溶液，河道水槽中水位持续抬升；
33)当河道水槽的水位达到目标水位H1时，设置蠕动泵反向工作，以q2流量从河道水槽中抽水，且q2<q1，待河道水槽水位返回初始水位H0时，关闭蠕动泵，同时打开河道水槽的初始水位H0对应出水口的软管止水夹；
4)电导率监测及数据处理：
41)电导率监测：
在河道水槽的水位升降过程中，持续监测石英砂层(24)内的各电导率传感器(22)处的电导率值，当石英砂层(24)中各监测点的电导率值趋于稳定时，关闭电导率数据采集仪(23)，试验结束；
42)数据处理：
将电导率传感器(22)采集的导电率值转换成导电盐浓度值，对电导率传感器(22)处的导电盐浓度值进行插值计算，获得石英砂层(24)中的水平-垂直方向上的导电盐浓度场，再根据导电盐浓度场的动态变化，确定河道水槽水位升降过程中侧向潜流交换的范围、滞留时间及通量，重复步骤3)和4)，获取不同水位变化对河岸带侧向潜流交换的影响规律。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、长度可调节：本发明能够根据不同水位变化要求调节模拟装置的长度，相比于现有的固定尺寸的模型更适用于河道水文条件变化下河岸带侧向潜流交换过程研究。
二、操作简单：本发明通过蠕动泵和定水头排水孔控制模拟河道和地下水水位，操作简单，试验时间短。
三、测量全面准确：本发明通过布置在石英砂层中的电导率传感器获取不同位置的电导率时间序列数据，从而分析横向-垂向的潜流交换过程，获取侧向潜流交换范围、通量及滞留时间。
四、拆卸安装方便：组合有机玻璃槽的各部件拆卸和安装方便，使用寿命长，易于维护。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明组合有机玻璃槽长度调节示意图。
图3为本发明组合有机玻璃槽的正视图。
图4为本发明组合有机玻璃槽的俯视图。
图5为本发明河道水槽的侧视图。
图6为本发明地下水水槽的侧视图。
图中标记说明：
1、卡槽，2、河道水槽进水口，3、河道水槽出水口，4、地下水水槽进水口，5、地下水水槽出水口，6、锚固螺栓，7、透水挡砂板，8、止水橡胶垫，9、河道水槽，10、组合有机玻璃槽支撑底座，11、河道水槽蠕动泵，12、河道水槽进水软管，13、河道水槽供水箱，14、河道水槽出水软管，15、河道水槽弃水箱，16、地下水水槽，17、地下水水槽蠕动泵，18、地下水水槽进水软管，19、地下水水槽供水箱，20、地下水水槽出水软管，21、地下水水槽弃水箱，22、电导率传感器，23、电导率数据采集仪，24、石英砂层，25、丁基止水胶带，26、软管垫，27、止水夹，28、有机玻璃槽部件G，29、有机玻璃槽部件M，30、有机玻璃槽部件R。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明，但本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例
如图1所示，本发明提供一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，该装置包括组合有机玻璃槽、水位控制系统及电导率监测系统。
如图2所示，组合有机玻璃槽采用厚度为2cm的有机玻璃板制作而成，包括1个有机玻璃槽部件G28、1个有机玻璃槽部件R30及若干个有机玻璃槽部件M29，其中，有机玻璃槽部件G28和有机玻璃槽部件R30位于左右两端，分别用于模拟地下水和河道，有机玻璃槽部件M29位于中间，用于模拟河岸带，可通过增加或减少有机玻璃槽部件M29的数目调节模拟装置的长度。
如图1和图3所示，组合有机玻璃槽的各部件采用锚固螺栓6锚固而成，各部件连接处设有止水橡胶垫8以保证密闭性，以采用1个有机玻璃槽部件M29的情况为例，组合有机玻璃槽长为130cm，高为80cm。
如图1和图4所示，在有机玻璃槽部件G28和有机玻璃槽部件R30内部均设有卡槽1，用于固定两块垂直放置的透水挡砂板7，挡砂板为多孔有机玻璃板，其外部包裹规格为300目的尼龙纱布以防止试验砂土被水带出；两块透水挡砂板7将组合有机玻璃槽分为三个区域，即地下水水槽、河岸带砂槽和河道水槽，其中河道水槽9长为20cm，宽为36cm，地下水水槽16长为15cm，宽为20cm。
如图1所示，组合有机玻璃槽内两块透水挡砂板7间铺设70cm厚的石英砂层24作为河岸沉积物，砂层底部铺设厚度为3mm的丁基止水胶带25，以减小砂土颗粒与有机玻璃底部壁面间的孔隙对侧向潜流交换的影响。
水位控制系统由供水箱、蠕动泵、进水软管、排水软管、弃水箱等组成。
如图1和图5所示，河道水槽进水口2高度距槽内底部70cm，通过河道水槽进水软管12和河道水槽蠕动泵11连接河道水槽供水箱13；河道水槽出水口3共设有5排，分设在距离槽内底部20cm、30cm、40cm、50cm、60cm高度处，每排设置2个出水口，通过河道水槽出水软管14与河道水槽弃水箱15连接，出水软管带有止水夹27，出水口处设有软管垫26，可固定软管并防止漏水；河道水槽的进水口和出水口为圆孔，直径均为2cm。
如图1和图6所示，地下水水槽进水口4高度距槽内底部70cm，通过地下水水槽进水软管18和地下水水槽蠕动泵17连接地下水水槽供水箱19；地下水水槽出水口5有5排，分设在距离槽内底部20cm、30cm、40cm、50cm、60cm高度处，每排设置1个出水口，通过地下水水槽出水软管20与地下水水槽弃水箱21连接，出水软管带有止水夹27，出水口处设有软管垫26，可固定软管并防止漏水；地下水水槽进水口和出水口为圆孔，直径均为2cm。
如图1所示，河道水槽蠕动泵11和地下水水槽蠕动泵17均为交流电智能蠕动泵，可精准调控输水流量和输水方向；河道水槽蠕动泵最大流量为6L/min，最小流量为0.25ml/min，地下水水槽蠕动泵最大流量为1.6L/min，最小流量为0.1ml/min。
如图1所示，电导率监测系统由若干个电导率传感器22和1台电导率数据采集仪23组成，电导率传感器22埋设于石英砂层24中不同的高度和水平位置，通过导线连接电导率数据采集仪23，实时记录试验过程中砂层中各监测点处的电导率值。
本例中，该可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：确定组合有机玻璃槽的长度；
根据试验目的设置组合有机玻璃槽中两侧水槽的水位变化过程，测量石英砂层的水平渗透系数和孔隙度，再由达西定律估算潜流交换深度，从而确定有机玻璃槽部件M的个数及组合有机玻璃的长度；
步骤2：填砂及电导率传感器布设；
在组合有机玻璃槽中两块透水挡砂板间分层铺设砂土，每层砂土按5cm厚度控制并采用振捣压实，砂层中的电导率传感器在水平和垂向上均按10cm等间隔布设；
步骤3：水位控制；
分别打开地下水水槽16水位h0和河道水槽9初始水位H0对应出水口的软管止水夹27，并通过地下水水槽蠕动泵17持续供水以保持地下水水槽水位不变，模拟地下水向河道稳定渗流的状态；打开电导率数据采集仪23，获取砂层24的孔隙水电导率初始值；向河道水槽供水箱13中投放导电盐至设定浓度；关闭河道水槽初始水位H0对应出水口的软管止水夹，向河道水槽投放导电盐至设定浓度同河道水槽供水箱中导电盐浓度，同时打开河道水槽蠕动泵11以q1流量从河道水槽供水箱13向河道水槽9持续供水，河道水槽水位持续抬升；当河道水槽水位达到目标水位H1时，设置河道水槽蠕动泵11反向工作，以q2流量q2<q1从河道水槽抽水，待河道水槽水位返回初始水位H0，关闭河道水槽蠕动泵11，同时打开河道水槽初始水位H0对应出水口的软管止水夹27；
步骤4：电导率监测及数据处理
在河道水槽水位升降过程中，持续监测砂层24内的各传感器处的电导率值；当砂层中各监测点的电导率值趋于稳定时，关闭电导率数据采集仪23，试验结束；将所述电导率传感器22采集的导电率值转换成导电盐浓度值；对传感器处的导电盐浓度值进行插值计算，获得砂层中的水平-垂直方向上导电盐浓度场；再根据导电盐浓度场的动态变化，确定河道水槽水位升降过程中侧向潜流交换的范围、滞留时间及通量；重复试验步骤3、4，分析不同水位变化对河岸带侧向潜流交换的影响规律。
本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
上述仅为本发明的实施案例，并非因此限制本发明的专利范围。对于利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或变化，或运用于其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，其特征在于，该装置包括：
组合有机玻璃槽：由设置在右端用以模拟河道的有机玻璃槽部件R(30)、设置在左端用以模拟地下水的有机玻璃槽部件G(28)以及设置在有机玻璃槽部件R(30)和有机玻璃槽部件G(28)之间且数量可调节的有机玻璃槽部件M(29)组成，所述的有机玻璃槽部件R(30)和有机玻璃槽部件G(28)内设有透水挡砂板(7)，并且在左右透水挡砂板(7)之间的空间内铺设用以模拟河岸带沉积物的石英砂层(24)，所述的有机玻璃槽部件R(30)内通过卡槽(1)垂直设置的透水挡砂板(7)将有机玻璃槽部件R(30)内部空间分为河道水槽和右河岸带砂槽，所述的有机玻璃槽部件G(28)内通过卡槽(1)垂直设置的透水挡砂板(7)将有机玻璃槽部件G(28)内部空间分为地下水水槽和左河岸带砂槽，所述的右河岸带砂槽、有机玻璃槽部件M(29)内部空间和左河岸带砂槽共同连通构成河岸带砂槽；
水位控制系统：包括分别与有机玻璃槽部件G(28)和有机玻璃槽部件R(30)上的水槽进出水口连接的供水组件和弃水组件；
电导率监测系统：包括电导率数据采集仪(23)以及通过导线分别与电导率数据采集仪(23)连接的多个分别设置在石英砂层(24)内不同高度和水平位置处的电导率传感器(22)，用以实时获取电导率数据。
2.根据权利要求1所述的一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，其特征在于，所述的有机玻璃槽部件R(30)的河道水槽后面板上开设河道水槽进水口(2)，前面板上开设多组设置在不同高度处的河道水槽出水口(3)，所述的有机玻璃槽部件G(28)的地下水水槽后面板上开设地下水水槽进水口(4)，前面板上开设多个设置在不同高度处的地下水水槽出水口(5)，所述的河道水槽进水口(2)高于河道水槽出水口(3)，所述的地下水水槽进水口(4)高于地下水水槽出水口(5)。
3.根据权利要求1所述的一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，其特征在于，所述的透水挡砂板(7)为多孔有机玻璃板，其外部包裹尼龙纱布以防止试验砂土被水带出。
4.根据权利要求1所述的一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，其特征在于，所述的有机玻璃槽部件M(29)与有机玻璃槽部件R(30)、有机玻璃槽部件M(29)与有机玻璃槽部件G(28)以及相邻的有机玻璃槽部件M(29)之间均通过锚固螺栓(6)锚固连接成型，并且在连接处设置止水橡胶垫(8)保证密闭性。
5.根据权利要求2所述的一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，其特征在于，所述的供水组件包括通过地下水水槽进水软管(18)与地下水水槽进水口(4)连接的地下水水槽供水箱(19)以及通过河道水槽进水软管(12)与河道水槽进水口(2)连接的河道水槽供水箱(13)，所述的地下水水槽进水软管(18)上设有地下水水槽蠕动泵(17)，所述的河道水槽进水软管(12)上设有河道水槽蠕动泵(11)，用以控制水槽的进水流量。
6.根据权利要求2所述的一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，其特征在于，所述的弃水组件包括通过地下水水槽出水软管(20)与地下水水槽出水口(5)连接的地下水水槽弃水箱(21)以及通过河道水槽出水软管(14)与河道水槽出水口(3)连接的河道水槽弃水箱(15)，在地下水水槽出水软管(20)与地下水水槽出水口(5)的连接处以及河道水槽出水软管(14)与河道水槽出水口(3)的连接处分别设有软管垫(26)，并且在河道水槽出水软管(14)和地下水水槽出水软管(20)上分别设有止水夹(27)。
7.根据权利要求1所述的一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，其特征在于，所述的河岸带砂槽内底部铺设一层丁基止水胶带(25)，用以减小砂土颗粒与有机玻璃底部壁面间的孔隙对侧向潜流交换的影响。
8.根据权利要求1所述的一种可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置，其特征在于，所述的有机玻璃槽部件R(30)、有机玻璃槽部件G(28)以及有机玻璃槽部件M(29)底部均设有组合有机玻璃槽支撑底座(10)。
9.一种应用如权利要求1所述的可调节长度的河岸带侧向潜流交换模拟装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定组合有机玻璃槽的长度：
根据试验目的设置组合有机玻璃槽中两侧地下水水槽和河道水槽的水位变化过程，测量石英砂层(24)的水平渗透系数和孔隙度，由达西定律估算潜流交换深度，从而确定有机玻璃槽部件M(29)的个数及组合有机玻璃槽的长度；
2)填砂及电导率传感器的布设：
在组合有机玻璃槽中两块透水挡砂板(7)之间采用分层振捣密实方法铺设石英砂，将多个电导率传感器(22)布设于石英砂层(24)中的不同高度和水平位置处，并通过导线与电导率数据采集仪(23)连接；
3)水位控制：
31)分别打开地下水水槽h0高度和河道水槽H0高度的出水软管的止水夹，且h0>H0，并通过蠕动泵持续供水以保持地下水水槽中水位不变，模拟地下水向河道稳定渗流的状态；
32)打开电导率数据采集仪(23)，获取石英砂层(24)的孔隙水电导率初始值，向河道水槽供水箱(13)中投放导电盐至设定浓度，关闭河道水槽初始水位H0对应出水口的软管止水夹，向河道水槽投放导电盐至与河道水槽供水箱中导电盐浓度相同的设定浓度，同时打开蠕动泵以q1流量从河道水槽供水箱(13)向河道水槽持续供给设定浓度的导电盐溶液，河道水槽中水位持续抬升；
33)当河道水槽的水位达到目标水位H1时，设置蠕动泵反向工作，以q2流量从河道水槽中抽水，且q2<q1，待河道水槽水位返回初始水位H0时，关闭蠕动泵，同时打开河道水槽的初始水位H0对应出水口的软管止水夹；
4)电导率监测及数据处理：
41)电导率监测：
在河道水槽的水位升降过程中，持续监测石英砂层(24)内的各电导率传感器(22)处的电导率值，当石英砂层(24)中各监测点的电导率值趋于稳定时，关闭电导率数据采集仪(23)，试验结束；
42)数据处理：
将电导率传感器(22)采集的导电率值转换成导电盐浓度值，对电导率传感器(22)处的导电盐浓度值进行插值计算，获得石英砂层(24)中的水平-垂直方向上的导电盐浓度场，再根据导电盐浓度场的动态变化，确定河道水槽水位升降过程中侧向潜流交换的范围、滞留时间及通量，重复步骤3)和4)，获取不同水位变化对河岸带侧向潜流交换的影响规律。
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