CN112767815B - 一种海水入侵潮汐模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海水入侵潮汐模拟系统，包括水槽、第一储水箱以及第二储水箱，水槽的中部设有土壤层模拟装置，土壤层模拟装置包括框架、含水层以及隔水层，且每个含水层的内部设有用于测量海水浓度的测量电极，本发明通过框架、含水层以及隔水层组成土壤层模拟装置，将含水层设置于框架内，并通过隔水层将每层含水层隔开，致使土壤层模拟装置更加接近于原始土壤层，并且向不同的第二空腔内部注入不同水位的地下淡水，继而可控制每层地下淡水的压力，此时模拟潮汐波动过程中海水与地下淡水之间的交换过程，可得可靠的实验数据，为海岸带防灾减灾提供支撑。

Description

一种海水入侵潮汐模拟系统

技术领域

本发明涉及潮汐模拟装置技术领域，具体为一种海水入侵潮汐模拟系统。

背景技术

海浪潮汐模拟可以实现对海浪潮汐的模拟工作，来模拟波浪及潮汐作用下，模拟潮汐波动过程中海水与地下淡水之间的交换过程，试验结果可为海岸带防灾减灾提供支撑。

现有的海水入侵潮汐模拟装置在进行实验模拟时，一般常采用一只简单的助推板进行来回推动进行海浪造势，实现海水入侵潮汐模拟实验，实验因素较为单一，而且忽略了土壤分成以及控制地下淡水层的水压以及流动性的因素，继而影响实验效果，因此我们提出了一种海水入侵潮汐模拟系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海水入侵潮汐模拟系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种海水入侵潮汐模拟系统，包括水槽、用于盛装海水的第一储水箱以及用于盛装地下淡水的第二储水箱，所述水槽的中部设有土壤层模拟装置，所述土壤层模拟装置包括由可透水的隔板搭接的框架，所述框架上排列布置有多个隔层，每个隔层的内部填充有含水层，除最上层的含水层外其余含水层的上侧平铺有一层成分为黏土的隔水层，且每个含水层的内部设有用于测量海水浓度的测量电极，所述水槽位于土壤层模拟装置的一侧设有模拟海水潮汐的第一空腔，所述水槽位于土壤层模拟装置的另一侧设有多个用于模拟地下水层的第二空腔，每个第二空腔与含水层一一对应连通，所述第一空腔与第二空腔的内部均设有水位采集器。

优选的，所述水槽的侧壁上连接有用于将第一储水箱内部的海水注入至第一空腔内部的第一进水管以及用于将第一空腔内部的海水排出至第一储水箱内部的第一出水管，所述第一进水管与第一出水管上分别串联有第一水泵与第一电动阀；

所述第二储水箱上设有用于将地下淡水注入至第二空腔内部的第二进水管，所述第二进水管上串联有第二水泵，且所述第二进水管的分路上串联有第二电动阀。

优选的，每个第二空腔的中部固定连接有隔板，所述隔板与土壤层模拟装置存在空隙，所述第二储水箱上设有用于将第二空腔内部的地下淡水排出至第二储水箱的第二出水管，所述第二出水管上串联有第三水泵，且所述第二出水管与第二进水管相对于隔板呈对称设置。

优选的，所述第一空腔远离土壤层模拟装置的内侧壁上摆动连接有造浪板，所述水槽的侧壁上转动连接有曲轴，所述曲轴通过第一电机驱动旋转，所述曲轴的中部转动连接有连接杆，所述连接杆远离曲轴的一端转动连接在造浪板的后侧壁上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过框架、含水层以及隔水层组成土壤层模拟装置，将含水层设置于框架内，并通过隔水层将每层含水层隔开，致使土壤层模拟装置更加接近于原始土壤层，并且向不同的第二空腔内部注入不同水位的地下淡水，继而可控制每层地下淡水的压力，此时模拟潮汐波动过程中海水与地下淡水之间的交换过程，可得可靠的实验数据，为海岸带防灾减灾提供支撑；

2、本发明通过启动第二水泵以及第三水泵，致使第二空腔内部的地下淡水循环流动，继而可得出地下淡水流动对海水与地下淡水之间的交换的影响数据，进一步提高实验数据的准确性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构前视图；

图3为本发明的土壤层模拟装置、第一空腔与第二空腔处的结构示意图；

图4为本发明的框架、含水层与第二空腔处的结构示意图；

图5为本发明的框架、含水层、隔水层与测量电极处的爆炸图；

图6为本发明的第二储水箱、第二进水管、第二出水管与水槽处的结构示意图；

图7为本发明的框架、含水层、隔板与第二空腔处的结构示意图；

图8为本发明的底座、量筒与电磁阀处的结构示意图I；

图9为本发明的底座、量筒与电磁阀处的结构示意图II；

图10为本发明的底座、水位采集器、量筒、立柱与电磁阀处的爆炸图；

图11为本发明的底座、水位采集器、量筒、泵壳与齿轮处的剖视图；

图12为本发明的水槽、造浪板、曲轴处的结构示意图I；

图13为本发明的水槽、造浪板、曲轴处的结构示意图II；

图14为本发明的第一出水管、阀体、第一水道、第二水道与密封塞处的剖视图I；

图15为本发明的第一出水管、阀体、第一水道、第二水道与密封塞处的剖视图II；

图16为本发明的电路控制简图。

图中：1、水槽，2、第一储水箱，3、第二储水箱，4、土壤层模拟装置，401、框架，402、含水层，403、隔水层，5、第一空腔，6、第一进水管，7、第一出水管，8、第一水泵，9、第一电动阀，901、阀体，902、第一水道，903、第二水道，904、电动推杆，905、密封塞，10、测量电极，11、第二空腔，12、第二进水管，13、第二水泵，14、第二电动阀，15、隔板，16、第二出水管，17、第三水泵，18、水位采集器，19、造浪板，20、曲轴，21、连接杆，22、第一电机，23、自动校准装置，2301、底座，2302、立柱，2303、安装座，2304、量筒，2305、电磁阀，2306、双向泵，2307、泵壳，2308、齿轮，2309、第二电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-16，本发明提供一种技术方案：一种海水入侵潮汐模拟系统，包括水槽1、用于盛装海水的第一储水箱2以及用于盛装地下淡水的第二储水箱3，该装置还包括控制器，控制器控制整个装置的运行，所述水槽1的中部设有土壤层模拟装置4，所述土壤层模拟装置4包括由可透水的隔板搭接的框架401，所述框架401上排列布置有多个隔层，框架401的材质可采用玻璃材质，且框架401的侧壁上设有开孔，开孔起到透水的作用，每个隔层的内部填充有含水层402，每层含水层402中的含水率不同，可通过不同砂或者砂、土壤混合形成，例如采用每层含水层402中成分为不同粗细的砂粒。根据实际土壤的含水度进行选择砂粒的粗细，砂粒越粗，其含水量越大，反之砂粒越细，其含水量越小，根据砂粒这一特性，致使含水层402更加接近实际土壤层，除最上层的含水层402外其余含水层402的上侧平铺有一层成分为黏土的隔水层403，隔水层403起到隔绝相邻两个含水层402的作用，避免两个含水层402的水较快交叉流动，使土壤层模拟更加真实，且每个含水层402的内部设有用于测量海水浓度的测量电极10，测量电极10与控制器电连接，测量电极10用于测量含水层402含海水(盐)浓度的作用(当然也可以设置其他种类的电极)，通过测量电极10测得含水层402内的海水电导率，测量电极10将测出的数据传输至控制器，控制器通过接收的数据推算处含水层402的含有海水量，从而获知海水入侵潮汐模拟数据，另外整体采用透明材质，方便外部直接观察，也可通过向第二空腔11或者第一空腔5中加入带颜色的染料，可以直观的观察交换过程，另外也可以向其中加入一些方便检测的物质，通过不同测量电极10检测其渗透以及交换过程。

所述水槽1位于土壤层模拟装置4的一侧设有模拟海水潮汐的第一空腔5，所述水槽1位于土壤层模拟装置4的另一侧设有多个用于模拟地下水层的第二空腔11，每个第二空腔11与含水层402一一对应连通，所述第一空腔5与第二空腔11的内部均设有水位采集器18；

水位采集器18可采用压力式水位采集器，如图8-11所示，为了使水位采集器18的精度更加精确，每个水位采集器18均设置有一个自动校准装置23，自动校准装置23包括底座2301，水位采集器18设置在底座2301的上侧面上，底座2301上设有多个立柱2302，多个立柱2302的上端固定连接有安装座2303，底座2301与安装座2303之间滑动连接有量筒2304，且量筒2304的侧壁滑动套接在立柱2302上，量筒2304通过电磁阀2305驱动滑动，如图8-9所示，电磁阀2305固定安装在安装座2303的上侧面上，且电磁阀2305的输出轴与量筒2304连接，继而驱动量筒2304向上或向下竖直运动，量筒2304的下端与底座2301的上侧面活动接触，量筒2304的底部为开口设置，如图9所示，当量筒2304向下滑动其底部抵压在底座2301的上侧面上时，量筒2304的底部被封住，此时量筒2304的内部可盛装液体，如图8所示，当量筒2304向上滑动其底部与底座2301的上侧面脱离时，量筒2304的底部打开，量筒2304的上端开设有通孔，量筒2304的一侧侧壁上固定连接有用于驱动水流动的双向泵2306，双向泵2306包括泵壳2307，泵壳2307的内部转动连接有用于驱动水流动的两个齿轮2308，两个齿轮2308通过第二电机2309驱动旋转，第二电机2309固定安装在泵壳2307的侧壁上，且第二电机2309的输出轴与任一齿轮2308连接，当第二电机2309启动时，第二电机2309驱动两个齿轮2308正向或反向转动，两个齿轮2308转动时，两个齿轮2308可将水注入量筒2304的内部或将量筒2304内部的水排出(根据齿轮2308的转动方向进行注水或排水)，两个齿轮2308的连接处两侧分别设有流水槽；

控制器均与水位采集器18、电磁阀2305以及双向泵2306(第二电机2309)电连接，

位于第二空腔11内部的水位采集器18与位于第一空腔5内部的水位采集器18校准方法相同，水位采集器18的校准步骤为(以第一空腔5内部的水位采集器18为例)：

第一步：在实验进行时，第一空腔5内部的海水注入量低于量筒2304的高度时，启动电磁阀2305，此时电磁阀2305驱动量筒2304向下滑动，致使量筒2304的底部抵压在底座2301的上侧面后密封；

第二步：启动第二电机2309，致使第二电机2309驱动两个齿轮2308转动后使双向泵2306将量筒2304内部的液体排出，致使量筒2304的内部水位采集器18置于空气中，通过控制器读取水位采集器18该状态下的数值，并且控制器将水位采集器18进行零点修正完成校准；

第三步：反向启动双向泵2306后将第一空腔5内的液体向量筒2304的内部注水，致使量筒2304内部的水从量筒2304的上端通孔内流出为止，此时水位采集器18测量量筒2304内的水位得出数值D，并将数据D发送给控制器；

第四步：控制器将接收到的数据D与事先获知的量筒2304的高度数据进行差值比较，得到测量误差数据D1；

第五步：控制器对比数据D1与水位采集器18的允许误差范围，完成对水位采集器18的检定；

第六步：若数据D1处于水位采集器18的允许误差范围内，水位采集器18正常使用，此时电磁阀2305驱动量筒2304向上滑动，致使量筒2304与底座2301的上侧面脱离，此时水位采集器18处于第一空腔5的内部，进行对第一空腔5海水的水位进行检测并将检测的数据传输至控制器；若数据D1超出水位采集器18的允许误差范围内，水位采集器18无法正常使用，控制器进行报警。

具体而言，所述水槽1的侧壁上连接有用于将第一储水箱2内部的海水注入至第一空腔5内部的第一进水管6以及用于将第一空腔5内部的海水排出至第一储水箱2内部的第一出水管7，所述第一进水管6与第一出水管7上分别串联有第一水泵8与第一电动阀9，如图1所示，当第一水泵8启动时，第一水泵8吸取第一储水箱2内部的海水，并且通过第一进水管6将第一储水箱2内部的海水注入到第一空腔5的内部，继而实现提升第一空腔5内部的海水水位，继而实现涨潮过程的模拟，当第一电动阀9开启后，第一空腔5内部的海水会顺着第一出水管7排出至第一储水箱2的内部，继而实现退潮过程的模拟，并且第一水泵8与第一电动阀9均与控制器电连接，通过控制器可控制第一水泵8与第一电动阀9的启动，并且也可控制第一水泵8与第一电动阀9开启时的水流量大小，此时可控制潮汐模拟时的涨潮与退潮速度；

如图14-15所示，第一电动阀9包括阀体901、第一水道902、第二水道903、电动推杆904以及密封塞905，第一水道902与第二水道903开设在阀体901的内部，且第一水道902、第二水道903分别与阀体901两侧的第一出水管7连通，电动推杆904固定在阀体901的侧壁上，且密封塞905固定连接在电动推杆904的输出轴上，通过电动推杆904使密封塞905在阀体901的内部滑动，致使密封塞905将第一水道902、第二水道903活动堵死隔开，继而实现调节第一出水管7的通断状态；

所述第二储水箱3上设有用于将地下淡水注入至第二空腔11内部的第二进水管12，所述第二进水管12上串联有第二水泵13，且所述第二进水管12的分路上串联有第二电动阀14，第二电动阀14的结构与第一电动阀9的结构相同，当第二水泵13启动时，且与第二空腔11相对应的第二电动阀14打开后，第二储水箱3内部的地下淡水会注入到相对应的第二空腔11的内部，此时可调节第二空腔11内部的地下淡水水位高度，继而实现调节第二空腔11内部的水压大小，可使第二空腔11内部地下淡水模拟数据更加接近于真实。

为了使第二空腔11内部的地下淡水均有流动性，具体而言，每个第二空腔11的中部固定连接有隔板15，所述隔板15与土壤层模拟装置4存在空隙，所述第二储水箱3上设有用于将第二空腔11内部的地下淡水排出至第二储水箱3的第二出水管16，所述第二出水管16上串联有第三水泵17，且所述第二出水管16与第二进水管12相对于隔板15呈对称设置，第二出水管16与第二进水管12结构相同，第二出水管16上也设有第二电动阀14，且第二水泵13、第三水泵17、第二出水管16上的第二电动阀14与第二进水管12上的第二电动阀14均与控制器电连接；

当控制器控制第二水泵13以及第二进水管12上的第二电动阀14启动后，实现将第二储水箱3内部的地下淡水注入到每个第二空腔11的内部，使第二空腔11内部水位处于实验所需的高度，当需要使第二空腔11内部的水进行流动时，控制器同时控制启动第二水泵13与第三水泵17(第二水泵13与第三水泵17的流量相同)，并且控制器控制第二出水管16上的第二电动阀14与第二进水管12上的第二电动阀14打开(对称的第二电动阀14开启大小相同)，这样可实现第二空腔11内部的水流动，继而可得出地下淡水流动对海水与地下淡水之间的交换的影响数据，进一步提高实验数据的准确性，另外，通过第二电动阀14的开启大小即可调节第二空腔11内的水流速度，有利于将第二空腔11内部的水流速度更加接近于实际地下水流动大小。

如图12-13所示，为了使第一空腔5内的海水潮汐模拟更加接近于真实，具体而言，所述第一空腔5远离土壤层模拟装置4的内侧壁上摆动连接有造浪板19，所述水槽1的侧壁上转动连接有曲轴20，所述曲轴20通过第一电机22驱动旋转，第一电机22固定连接在水槽1的侧壁上，第一电机22的输出轴与曲轴20的一端通过皮带连接，当第一电机22启动时，第一电机22的输出轴带着曲轴20转动，所述曲轴20的中部转动连接有连接杆21，所述连接杆21远离曲轴20的一端转动连接在造浪板19的后侧壁上，当曲轴20转动时，曲轴20通过连接杆21拉动造浪板19，致使造浪板19在第一空腔5的内部往复摆动，致使造浪板19推动第一空腔5内的海水拨动形成海浪，继而使海水潮汐模拟更加接近于真实，且第一电机22与控制器电连接，控制器可控制第一电机22的转速，继而调节海浪模拟的频率。

工作过程：事先向控制器的内部输入实验数据：潮汐数据、造浪数据、各第二空腔11的数据；

潮汐数据包括涨潮水位、涨潮时间、退潮水位以及退潮时间；

造浪数据包括造浪频率；

各第二空腔11的数据包括各第二空腔11注入地下淡水水位；

实验模拟步骤：第一步：控制器控制启动第二水泵13以及第二电动阀14，使第二储水箱3内部的地下淡水按照一定的速率注入到每个第二空腔11的内部，通过水位采集器18检测第二空腔11内部的水位高度，当水位到达事先设定的水位高度，控制器控制对应的第二电动阀14闭合，当所有第二空腔11内部的水位高度到达事先设定的水位高度，控制器控制第二水泵13停止；

第二步：控制器控制第一水泵8启动，使第一储水箱2内部的海水按照事先预定的速率注入第一空腔5的内部，通过水位采集器18检测第一空腔5内部的水位高度，继而实现涨潮模拟，同时控制器控制第一电机22驱动造浪板19按照事先设定的造浪频率进行循环摆动造浪；

第三步：当水位采集器18检测第一空腔5内部的水位到达事先预定的高度时，控制器第一水泵8停止，控制器控制第一电动阀9启动，使第一空腔5内部的海水按照事先预定的速度从第一出水管7排至第一储水箱2的内部，继而进行退潮模拟；

在上述步骤中，测量电极10实时检测各含水层402的含盐浓度，并且将测量的数据传递至控制器进行存储，继而得到模拟潮汐波动过程中海水与地下淡水之间的交换过程数据，当然可以根据实际情况改变测量电极10的种类，如用于测量导电性、含氮量、COD等参数的电极。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种海水入侵潮汐模拟系统，包括水槽（1）、用于盛装海水的第一储水箱（2）以及用于盛装地下淡水的第二储水箱（3），其特征在于：所述水槽（1）的中部设有土壤层模拟装置（4），所述土壤层模拟装置（4）包括由可透水的隔板搭接的框架（401），所述框架（401）上排列布置有多个隔层，每个隔层的内部填充有含水层（402），除最上层的含水层（402）外其余含水层（402）的上侧平铺有一层成分为黏土的隔水层（403），且每个含水层（402）的内部设有用于测量海水浓度的测量电极（10），所述水槽（1）位于土壤层模拟装置（4）的一侧设有模拟海水潮汐的第一空腔（5），所述水槽（1）位于土壤层模拟装置（4）的另一侧设有多个用于模拟地下水层的第二空腔（11），每个第二空腔（11）与含水层（402）一一对应连通，所述第一空腔（5）与第二空腔（11）的内部均设有水位采集器（18）；

所述水位采集器（18）采用压力式水位采集器，每个水位采集器（18）均设置有一个自动校准装置（23），自动校准装置（23）包括底座（2301），水位采集器（18）设置在底座（2301）的上侧面上，底座（2301）上设有多个立柱（2302），多个立柱（2302）的上端固定连接有安装座（2303），底座（2301）与安装座（2303）之间滑动连接有量筒（2304），且量筒（2304）的侧壁滑动套接在立柱（2302）上，量筒（2304）通过电磁阀（2305）驱动滑动，电磁阀（2305）固定安装在安装座（2303）的上侧面上，且电磁阀（2305）的输出轴与量筒（2304）连接，继而驱动量筒（2304）向上或向下竖直运动，量筒（2304）的下端与底座（2301）的上侧面活动接触，量筒（2304）的底部为开口设置，当量筒（2304）向下滑动其底部抵压在底座（2301）的上侧面上时，量筒（2304）的底部被封住，此时量筒（2304）的内部可盛装液体，当量筒（2304）向上滑动其底部与底座（2301）的上侧面脱离时，量筒（2304）的底部打开，量筒（2304）的上端开设有通孔，量筒（2304）的一侧侧壁上固定连接有用于驱动水流动的双向泵（2306）；

双向泵（2306）包括泵壳（2307），泵壳（2307）的内部转动连接有用于驱动水流动的两个齿轮（2308），两个齿轮（2308）通过第二电机（2309）驱动旋转，第二电机（2309）固定安装在泵壳（2307）的侧壁上，且第二电机（2309）的输出轴与任一齿轮（2308）连接，当第二电机（2309）启动时，第二电机（2309）驱动两个齿轮（2308）正向或反向转动，两个齿轮（2308）转动时，两个齿轮（2308）可将水注入量筒（2304）的内部或将量筒（2304）内部的水排出，两个齿轮（2308）的连接处两侧分别设有流水槽；

控制器均与水位采集器（18）、电磁阀（2305）以及双向泵（2306）的第二电机（2309）电连接，

位于第二空腔（11）内部的水位采集器（18）与位于第一空腔（5）内部的水位采集器（18）校准方法相同，第一空腔（5）内部的水位采集器（18）的校准步骤为：

第一步：在实验进行时，第一空腔（5）内部的海水注入量低于量筒（2304）的高度时，启动电磁阀（2305），此时电磁阀（2305）驱动量筒（2304）向下滑动，致使量筒（2304）的底部抵压在底座（2301）的上侧面后密封；

第二步：启动第二电机（2309），致使第二电机（2309）驱动两个齿轮（2308）转动后使双向泵（2306）将量筒（2304）内部的液体排出，致使量筒（2304）的内部水位采集器（18）置于空气中，通过控制器读取水位采集器（18）该状态下的数值，并且控制器将水位采集器（18）进行零点修正完成校准；

第三步：反向启动双向泵（2306）后将第一空腔（5）内的液体向量筒（2304）的内部注水，致使量筒（2304）内部的水从量筒（2304）的上端通孔内流出为止，此时水位采集器（18）测量量筒（2304）内的水位得出数值D，并将数据D发送给控制器；

第四步：控制器将接收到的数据D与事先获知的量筒（2304）的高度数据进行差值比较，得到测量误差数据D1；

第五步：控制器对比数据D1与水位采集器（18）的允许误差范围，完成对水位采集器（18）的检定；

第六步：若数据D1处于水位采集器（18）的允许误差范围内，水位采集器（18）正常使用，此时电磁阀（2305）驱动量筒（2304）向上滑动，致使量筒（2304）与底座（2301）的上侧面脱离，此时水位采集器（18）处于第一空腔（5）的内部，进行对第一空腔（5）海水的水位进行检测并将检测的数据传输至控制器；若数据D1超出水位采集器（18）的允许误差范围内，水位采集器（18）无法正常使用，控制器进行报警；

所述水槽（1）的侧壁上连接有用于将第一储水箱（2）内部的海水注入至第一空腔（5）内部的第一进水管（6）以及用于将第一空腔（5）内部的海水排出至第一储水箱（2）内部的第一出水管（7），所述第一进水管（6）与第一出水管（7）上分别串联有第一水泵（8）与第一电动阀（9）；

所述第二储水箱（3）上设有用于将地下淡水注入至第二空腔（11）内部的第二进水管（12），所述第二进水管（12）上串联有第二水泵（13），且所述第二进水管（12）的分路上串联有第二电动阀（14）；

每个第二空腔（11）的中部固定连接有隔板（15），所述隔板（15）与土壤层模拟装置（4）存在空隙，所述第二储水箱（3）上设有用于将第二空腔（11）内部的地下淡水排出至第二储水箱（3）的第二出水管（16），所述第二出水管（16）上串联有第三水泵（17），且所述第二出水管（16）与第二进水管（12）相对于隔板（15）呈对称设置；

所述第一空腔（5）远离土壤层模拟装置（4）的内侧壁上摆动连接有造浪板（19），所述水槽（1）的侧壁上转动连接有曲轴（20），所述曲轴（20）通过第一电机（22）驱动旋转，所述曲轴（20）的中部转动连接有连接杆（21），所述连接杆（21）远离曲轴（20）的一端转动连接在造浪板（19）的后侧壁上。

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