CN112816177A - 一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，该装置包括：有机玻璃槽主体：由相互垂直设置呈T字形且内部相互连通的有机玻璃槽部件C和有机玻璃槽部件G构成；水位控制组件：包括分别与有机玻璃槽部件C和有机玻璃槽部件G侧壁上的进出水口连接的供水单元和弃水单元；染料示踪监测组件：包括通过三角支架放置在前侧的摄像机以及分别贴设在有机玻璃槽部件C和有机玻璃槽部件G前侧面板处的透明粘性刻度尺，用以观测水位和潜流交换范围的变化以及染料示踪剂迁移轨迹。与现有技术相比，本发明具有非侵入式监测、全过程精细化观测、操作简单快捷、动态过程的定量化描述等优点。

Description

一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置

技术领域

本发明涉及水利工程试验技术领域，尤其是涉及一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置。

背景技术

河岸潜流带是河岸带水分饱和的沉积物层，是河水和地下水发生相互作用的热点区域，河水进入河岸潜流带并滞留一段时间后返回河道的过程即为河岸带侧向潜流交换过程，该过程伴随着物质输运、能量传输和生物地球化学反应，对河流和岸滩的生态系统健康具有十分重要的意义。

目前，对河岸带侧向潜流交换过程研究主要采用渗流监测、水压监测、温度监测、溶质监测等手段。尽管监测手段有所不同，但是通常都要在河岸带沉积物或试验砂土中布设传感器，如渗漏计、水压计、温度传感器、电导率仪等。传感器或测量仪的布设会对沉积物或试验砂土产生扰动，改变原有土体结构，从而可能导致潜流交换过程的描述失真，而且布设的间距以及数据采集的时间分辨率也影响着潜流交换过程描述的精准度。相比之下，溶质示踪研究不会扰动原有土体的结构，通过示踪剂的运动轨迹反映潜流交换过程。但目前的溶质示踪研究主要集中在河道纵向上(不同河段)的潜流交换。而对于河岸带侧向潜流交换而言，横向和垂向上的潜流交换规律是核心研究内容之一。因此，亟需开发基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置并提出侧向潜流交换过程的定量描述方法，用以开展横向和垂向上的二维河岸带侧向潜流交换规律研究，实现河岸带侧向潜流交换过程描述的定量化、精准化及精细化，同时要求操作简单，降低试验成本。

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基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，该装置包括：

有机玻璃槽主体：由相互垂直设置呈T字形且内部相互连通的有机玻璃槽部件C和有机玻璃槽部件G构成，所述的有机玻璃槽部件C作为河道水槽用以模拟河道，并且在有机玻璃槽部件G左部设有第一透水挡砂板，将有机玻璃槽部件G分为用以模拟地下水的地下水槽以及用以模拟河岸带的河岸带砂槽，在有机玻璃槽部件G右端与有机玻璃槽部件C连接处设置用以分割河岸带砂槽和河道水槽的第二透水挡砂板，所述的河岸带砂槽内填充有石英砂层；

水位控制组件：包括分别与有机玻璃槽部件C和有机玻璃槽部件G侧壁上的进出水口连接的供水单元和弃水单元；

染料示踪监测组件：包括通过三角支架放置在前侧的摄像机以及分别贴设在有机玻璃槽部件C和有机玻璃槽部件G前侧面板处的透明粘性刻度尺，用以观测水位和潜流交换范围的变化以及染料示踪剂迁移轨迹。

所述的第一透水挡砂板和第二透水挡砂板分别通过卡槽插接在有机玻璃槽部件G内，其高度与有机玻璃槽部件G一致。

所述的第一透水挡砂板和第二透水挡砂板均为包裹有尼龙纱布的多孔有机玻璃板，用以减小其与卡槽之间的缝隙，并且有效地阻止实验砂土被水被带入水槽中。

所述的透明粘性刻度尺具有防水功能，且设有多条，其分别贴纵向设在河道水槽和地下水槽处，并且横向贴设在河岸带砂槽底部。

所述的河道水槽的后面板上开设第一进水口，前面板上由上至下在不同高度处分别开设多组第一出水口，并且第一进水口的水平高度高于高度最高的第一出水口。

所述的地下水水槽的后面板上开设第二进水口，前面板上由上至下在不同高度处分别开设多个第二出水口，并且第二进水口的水平高度高于高度最高的第二出水口。

所述的供水单元包括通过第一进水软管与第一进水口连接的第一供水箱以及通过第二进水软管与第二进水口连接的第二供水箱，所述的第一进水软管和第二进水软管上分别设有第一蠕动泵和第二蠕动泵，用以控制水槽的进水流量，所述的弃水单元包括通过第一出水软管与第一出水口连接的第一弃水箱以及通过第二出水软管与第二出水口连接的第二弃水箱，所述的第一出水软管和第二出水软管上均设有止水夹。

所述的河岸带砂槽内底部铺设一层丁基止水胶带，用以减小石英砂土颗粒与刚性的有机玻璃槽部件G内壁之间的孔隙。

所述的第一供水箱盛放有通过染料示踪剂配置成设定浓度的染料示踪剂溶液，该染料示踪剂为无毒无害、耐光性好且耐热性强的色素。

应用该河岸带侧向潜流交换过程模拟装置的定量描述模拟试验方法包括以下步骤：

1)铺设石英砂层并架设摄像机：

采用分层振捣密实方法在河岸带砂槽内铺设石英砂层，摄像机固定在三角支架上，将三角支架放置在有机玻璃槽主体的前方中心位置处，调整三角支架与有机玻璃槽主体之间的距离，使摄像机能够清晰拍摄有机玻璃槽前面板的整个画面；

2)潜流交换过程监测：

21)分别打开地下水水槽位于h0高度处的第二出水软管和河道水槽位于H0高度处的第一出水软管的止水夹，且h0>H0，并通过第二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；

22)当地下水水槽和河道水槽的水位稳定时，打开摄像机进行持续拍摄，向第一供水箱的水中投放色素粉末以配置设定浓度的染料示踪剂溶液，关闭河道水槽初始水位H0对应出水口的软管止水夹，向河道水槽瞬时投放一定量的色素粉末，使得河道水槽与第一供水箱中的染料示踪剂溶液浓度相同，同时打开第一蠕动泵以q1流量从第一供水箱向河道水槽持续供给设定浓度的染料示踪剂溶液，使得河道水槽中的水位持续抬升，染料示踪剂也逐渐向河岸带砂槽内部运移；

23)当河道水槽的水位升至目标水位H1时，且H1>h0，打开河道水槽H0高度的出水软管的止水夹，河道水槽的水位逐渐下降，待水位稳定于初始水位H0并且渗入石英砂层中的染料示踪剂退回至河道水槽，关闭摄像机，实验结束；

3)监测数据处理：

按设定的时间间隔截取视频帧，并保存为图片，对所有的图片进行透视变换处理，以避免拍摄所造成的物体几何形变，提取所有处理后图片中的染料入渗区，绘制染料入渗区面积的动态变化曲线，按设定的间隔将有机玻璃槽高度分为多段，绘制不同高度的染料水平入渗深度的动态变化曲线；

4)潜流交换过程参数计算：

根据染料入渗区面积的动态变化曲线和不同高度的染料水平入渗深度的动态变化曲线，计算侧向潜流交换过程参数，包括侧向潜流的滞留时间、交换范围、交换通量及交换速率，具体公式如下：

41)侧向潜流滞留时间：

T＝t₂-t₁

其中，T为侧向潜流滞留时间，t₁为染料示踪剂开始进入河岸带砂槽的时刻，t₂为染料示踪剂最终退回河道水槽的时刻；

42)侧向潜流交换范围：

U＝max{d_(i,t)}

V＝max{p_(j,t)}

其中，U和V为侧向潜流交换分别在水平方向和垂直方向上的交换范围，i、j和t分别为河岸带砂槽的高度、水平位置及拍摄时刻，max{d_(i,t)}为潜流交换过程中染料水平入渗深度的最大值，max{p_(j,t)}为潜流交换过程中染料在河岸带砂槽中运移所到达的最高位置；

43)侧向潜流交换通量：

Q＝S*W*n

其中，Q为侧向潜流交换通量，S为染料入渗区面积最大值，W为砂槽宽度，n为石英砂孔隙率；

44)侧向潜流交换速率：

其中，

为t时刻至t+△t时刻内河岸带砂槽的高度i处的侧向潜流交换的平均速率，d_(i,t+△t)为t+△t时刻河岸带砂槽的高度i处的染料水平入渗深度，d_(i,t)为t时刻河岸带砂槽的高度i处的染料水平入渗深度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、非侵入式监测：本发明采用染料示踪研究河岸带侧向潜流交换，有效地避免了水压计、温度传感器、电导率仪等仪器布设对潜流交换的干扰，能产生更可靠的研究结果。

二、全过程精细化观测：本发明通过摄像机持续拍摄观测在水位升降过程中染料示踪剂的运动轨迹，从而分析横向-垂向的潜流交换全过程，相比于传感器或仪器的数据采样分析，更直观，更精细。

三、操作简单快捷：本发明通过蠕动泵和定水头排水孔控制河道和地下水水位，通过摄像机观测潜流交换过程，操作简单，试验时间短。

四、动态过程的定量化描述：本发明通过对摄像数据进行透视变换、染料入渗区提取等处理，获得染料入渗面积-时间曲线和不同高度的染料入渗深度-时间曲线，并基于这些曲线提出了侧向潜流交换参数(包括滞留时间、交换范围、交换通量及交换速率)的计算公式，实现了潜流交换动态过程的定量化描述。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的有机玻璃槽的俯视图。

图3为本发明的有机玻璃槽的正视图。

图4为本发明的透视变换处理效果示意图，其中，图(4a)为透视变换前的效果示意图，图(4b)为透视变换后的效果示意图。

图中标记说明：

1、有机玻璃槽部件C，2、地下水水槽，3、河岸带砂槽，4、石英砂层，5、透水挡砂板，6、第一进水口，7、第一进水软管，8、第一蠕动泵，9、第一供水箱，10、第一出水口，11、第一出水软管，12、第一弃水箱，13、第二进水口，14、第二进水软管，15、第二蠕动泵，16、第二供水箱，17、第二出水口，18、第二出水软管，19、第二弃水箱，20、三角支架，21、摄像机，22、透明粘性刻度尺，23、卡槽，24、止水夹，25、有机玻璃槽部件G，26、丁基止水胶带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，该装置包括：

有机玻璃槽：由两个相互垂直的有机玻璃槽部件组成，呈“T”字型，通过透水挡砂板5连接，其中有机玻璃槽部件C1用以模拟河道，有机玻璃槽部件G25内部设有另一透水挡砂板5，将其分为两个内部空间，分别用以模拟地下水和河岸带，两块透水挡砂板5之间铺设石英砂层4以模拟河岸带沉积物；

水位控制组件：包括分别与有机玻璃槽部件C1和有机玻璃槽部件G25侧壁上的进出水口连接的供水单元和弃水单元；

染料示踪监测组件：包括三角支架20、摄像机21、染料示踪溶液及透明粘性刻度尺22，其中摄像机21固定于三角支架20上，透明粘性刻度尺22贴于两个有机玻璃槽前侧外壁，用以观测水位和潜流交换范围的变化。

有机玻璃槽材质为透明有机玻璃，槽体前面板外壁贴有透明粘性刻度尺22，刻度尺具有防水功能，以便观测水位和染料示踪剂迁移轨迹。

有机玻璃槽部件G25内通过底部和内壁上的卡槽23固定垂直设置的透水挡砂板5，透水挡砂板5与有机玻璃槽的高度一致，“T”型有机玻璃槽被两块透水挡砂板5分为三个部分，即左侧的地下水水槽2、中间的河岸带砂槽3和右侧的河道水槽。

有机玻璃槽部件C1和有机玻璃槽部件G25的地下水水槽2的后面板上分别开设第一进水口6和第二进水口13，两个部件的前面板上分别开设多个不同高度的第一出水口10和第二出水口17，进水口均高于对应的出水口。

透水挡砂板5为用尼龙纱布包裹的多孔有机玻璃板，尼龙纱布的存在不仅减小了透水挡砂板5与卡槽23之间的缝隙，而且也有效地防止实验砂土被水被带入水槽中。

供水单元包括通过第一进水软管7与第一进水口6连接的第一供水箱9以及通过第二进水软管14与第二进水口13连接的第二供水箱16，第一进水软管7和第二进水软管14上分别设有第一蠕动泵8和第二蠕动泵15，用以控制水槽的进水流量。

弃水单元包括通过第一出水软管11与第一出水口10连接的第一弃水箱12以及通过第二出水软管18与第二出水口17连接的第二弃水箱19，出水软管均设有止水夹24。

河岸带砂槽3内底部铺设一层丁基止水胶带26，用以减小砂土颗粒与刚性的有机玻璃内壁之间的孔隙。

染料示踪剂采用无毒无害且耐光性好、耐热性强的色素。

本发明还提供了基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程的定量描述试验方法，包括以下步骤：

1、石英砂层铺设和摄像机架设：

采用分层振捣密实方法在有机玻璃槽中两块透水挡砂板5之间铺设石英砂4，摄像机21固定在三角支架20上，将三角支架20放置在有机玻璃槽前方中心位置，调整三角支架20到有机玻璃槽的距离，使摄像机21可以清晰拍摄有机玻璃槽前面板的整个画面。

2、潜流交换过程监测：

21、分别打开地下水水槽2h0高度的第二出水软管18和河道水槽H0高度的第一出水软管11的止水夹24，且h0>H0，并通过第二蠕动泵15持续供水以保持地下水水槽2中水位不变，模拟地下水向河道稳定渗流的状态；

22、当地下水水槽2和河道水槽的水位稳定时，打开摄像机21进行持续拍摄，向第一供水箱9的水中投放色素粉末以配置设定浓度的染料示踪剂溶液，关闭河道水槽初始水位H0对应出水口的软管止水夹24，向河道水槽瞬时投放一定量的色素粉末，使得河道水槽与第一供水箱9中的染料示踪剂溶液浓度相同，同时打开第一蠕动泵8以q1流量从第一供水箱9向河道水槽持续供给设定浓度的染料示踪剂溶液，河道水槽中的水位持续抬升，染料示踪剂也逐渐向砂箱内部运移；

23、当河道水槽的水位升至目标水位H1时，且H1>h0时，打开河道水槽H0高度的出水软管的止水夹24，河道水槽水位逐渐下降，待水位稳定于初始水位H0并且渗入石英砂层4中的染料示踪剂退回至河道水槽，关闭摄像机21，实验结束；

3、监测数据处理：

按一定间隔截取视频帧，并保存为图片，对所有的图片进行透视变换处理，以避免拍摄所造成的物体几何形变，提取所有处理后图片中的染料入渗区，绘制染料入渗区面积的动态变化曲线，按一定的间隔将有机玻璃槽高度分为若干段，绘制不同高度的染料水平入渗深度的动态变化曲线；

4、潜流交换过程参数计算：

根据染料入渗区面积的动态变化曲线和不同高度的染料水平入渗深度的动态变化曲线，可计算侧向潜流交换过程参数，包括侧向潜流的滞留时间、交换范围、交换通量及交换速率，具体公式如下：

41、侧向潜流滞留时间

T＝t₂-t₁ (1)

其中，T为滞留时间，t₁为染料示踪剂开始进入砂槽的时刻，t₂为染料示踪剂最终退回河道水槽的时刻；

42、侧向潜流交换范围

U＝max{d_(i,t)} (2)

V＝max{p_(j,t)} (3)

其中，U和V为侧向潜流交换分别在水平方向和垂直方向上的交换范围，i、j和t分别为砂槽的高度、水平位置及拍摄时刻，max{d_(i,t)}为潜流交换过程中染料水平入渗深度的最大值，max{p_(j,t)}为潜流交换过程中染料在砂槽中运移所到达的最高位置；

43、侧向潜流交换通量

Q＝S*W*n (4)

其中，Q为侧向潜流交换通量，S为染料入渗区面积最大值，W为砂槽宽度，n为石英砂孔隙率；

44、侧向潜流交换速率

其中，

为t时刻至t+△t时刻内砂槽i高度处的侧向潜流交换的平均速率，d_(i,t+△t)为t+△t时刻砂槽i高度处的染料水平入渗深度，d_(i,t)为t时刻砂槽i高度处的染料水平入渗深度。

实施例

如图1所示，本发明提供一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，该装置包括有机玻璃槽、水位控制组件及染料示踪监测组件。

本例中，有机玻璃槽材质为透明有机玻璃，有机玻璃厚2cm，槽体前面板外壁贴有透明粘性刻度尺，刻度尺具有防水功能，以便观测水位和染料示踪剂迁移轨迹。

如图2所示，有机玻璃槽由相互垂直的有机玻璃槽部件C和有机玻璃槽部件G组成，呈“T”字型，在连接处设置第一个透水挡砂板，其中，有机玻璃槽部件C用以模拟河道，有机玻璃槽部件G内部另一侧设有第二个透水挡砂板，将其分为两个内部空间，分别用以模拟地下水和河岸带，有机玻璃槽部件G内通过底部和内壁上的卡槽固定垂直设置的透水挡砂板，透水挡砂板与有机玻璃槽的高度一致，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刚性的有机玻璃内壁之间的孔隙。

“T”型有机玻璃槽被两块透水挡砂板分为三个部分，即左侧的地下水水槽、中间的河岸带砂槽和右侧的河道水槽，其中，地下水水槽内部尺寸为15cm(长)×20cm(宽)×80cm(高)，河岸带砂槽内部尺寸为140cm(长)×20cm(宽)×80cm(高)，河道水槽内部尺寸为20cm(长)×40cm(宽)×80cm(高)，透水挡砂板材质为多孔有机玻璃板，其外部用尼龙纱布包裹。

有机玻璃槽部件C和有机玻璃槽部件G的地下水水槽的后面板上分别开设第一进水口和第二进水口，两个部件的前面板上分别开设多个不同高度的第一出水口和第二出水口，进水口均高于对应的出水口。

如图3所示，第一进水口、第二进水口、第一出水口及第二出水口均为圆孔，孔径均为2cm，在河道水槽前面板上分别于20cm、30cm、40cm、50cm、60cm高度处设有两个并排的第一出水口，在地下水水槽前面板上分别于20cm、30cm、40cm、50cm、60cm高度处设有一个第二出水口，第一进水口和第二进水口分别设置在河道水槽和地下水水槽的后面板上70cm高度处。

供水单元包括通过第一进水软管与第一进水口连接的第一供水箱以及通过第二进水软管与第二进水口连接的第二供水箱，第一进水软管和第二进水软管上分别设有第一蠕动泵和第二蠕动泵，用以控制水槽的进水流量，第一蠕动泵和第二蠕动泵为交流电智能蠕动泵，可精准调控输水流量和输水方向，其中第一蠕动泵最大流量为6L/min，最小流量为0.25ml/min；第二蠕动泵的最大流量为1.6L/min，最小流量为0.1ml/min，弃水单元包括通过第一出水软管与第一出水口连接的第一弃水箱以及通过第二出水软管与第二出水口连接的第二弃水箱，出水软管均设有止水夹。

染料示踪监测组件有三角支架、摄像机及、染料示踪溶液及透明粘性刻度尺。摄像机为2000万像素高清摄像机，可保证连续、清晰地记录染料在砂槽中的运动轨迹。染料示踪溶液为质量浓度0.5％的胭脂红色素溶液。

本例中，应用该基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程的定量描述模拟方法，具体包括以下步骤：

步骤1：石英砂层铺设和摄像机架设

在有机玻璃槽中两块透水挡砂板之间分层铺设石英砂，每层砂土按5cm厚度控制并采用振捣法密实，石英砂层总厚度为70cm，摄像机固定在三角支架上，将三角支架放置在有机玻璃槽前方中心位置，调整三角支架到有机玻璃槽的距离，使摄像机可以清晰拍摄有机玻璃槽前面板的整个画面；

步骤2：潜流交换过程监测

分别打开地下水水槽h0高度的第二出水软管和河道水槽H0高度的第一出水软管的止水夹，且h0>H0，并通过第二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；当地下水水槽和河道水槽的水位稳定时，打开摄像机进行持续拍摄，向第一供水箱的水中投放胭脂红粉末以配置0.5％质量浓度的染料示踪溶液，关闭河道水槽初始水位H0对应出水口的软管止水夹，向河道水槽瞬时投放一定量的胭脂红粉末，使得河道水槽与第一供水箱中的染料示踪溶液浓度相同，同时打开第一蠕动泵以q1流量从第一供水箱向河道水槽持续供给设定浓度的染料示踪剂溶液，河道水槽中的水位持续抬升，染料示踪剂也逐渐向砂箱内部运移；当河道水槽的水位升至目标水位H1(H1>h0)时，打开河道水槽H0高度的出水软管的止水夹，河道水槽水位逐渐下降，待水位稳定于初始水位H0并且渗入石英砂层中的染料示踪剂退回至河道水槽，关闭摄像机，实验结束；

步骤3：监测数据处理

按一定间隔截取视频帧，并保存为图片；如图4所示，在拍摄得到的砂槽图像上选定四个参照点，对摄像所得的染料入渗区图片进行透视变换处理，以避免拍摄所造成的物体几何形变；提取所有处理后图片中的染料入渗区，绘制染料入渗区面积的动态变化曲线；按一定的间隔将有机玻璃槽高度分为若干段，绘制不同高度的染料水平入渗深度的动态变化曲线；

步骤4：潜流交换过程参数计算

根据染料入渗区面积的动态变化曲线和不同高度的染料水平入渗深度的动态变化曲线，可计算侧向潜流交换过程参数，包括侧向潜流的滞留时间、交换范围、交换通量及交换速率，具体公式如下：

侧向潜流滞留时间

T＝t₂-t₁ (1)

其中，T为滞留时间，t₁为染料示踪剂开始进入砂槽的时刻，t₂为染料示踪剂最终退回河道水槽的时刻；

侧向潜流交换范围

U＝max{d_(i,t)} (2)

V＝max{p_(j,t)} (3)

其中，U和V为侧向潜流交换分别在水平方向和垂直方向上的交换范围，i、j和t分别为砂槽的高度、水平位置及拍摄时刻，max{d_(i,t)}为潜流交换过程中染料水平入渗深度的最大值，max{p_(j,t)}为潜流交换过程中染料在砂槽中运移所到达的最高位置；

侧向潜流交换通量

Q＝S*W*n (4)

其中，Q为侧向潜流交换通量，S为染料入渗区面积最大值，W为砂槽宽度，n为石英砂孔隙率；

侧向潜流交换速率

其中，

为t时刻至t+△t时刻内砂槽i高度处的侧向潜流交换的平均速率，d_(i,t+△t)为t+△t时刻砂槽i高度处的染料水平入渗深度，d_(i,t)为t时刻砂槽i高度处的染料水平入渗深度。

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 (10)

1.一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，其特征在于，该装置包括：

有机玻璃槽主体：由相互垂直设置呈T字形且内部相互连通的有机玻璃槽部件C(1)和有机玻璃槽部件G(25)构成，所述的有机玻璃槽部件C(1)作为河道水槽用以模拟河道，并且在有机玻璃槽部件G(25)左部设有第一透水挡砂板，将有机玻璃槽部件G(25)分为用以模拟地下水的地下水槽(2)以及用以模拟河岸带的河岸带砂槽(3)，在有机玻璃槽部件G(25)右端与有机玻璃槽部件C(1)连接处设置用以分割河岸带砂槽(3)和河道水槽的第二透水挡砂板，所述的河岸带砂槽(3)内填充有石英砂层(4)；

水位控制组件：包括分别与有机玻璃槽部件C(1)和有机玻璃槽部件G(25)侧壁上的进出水口连接的供水单元和弃水单元；

染料示踪监测组件：包括通过三角支架(20)放置在前侧的摄像机(21)以及分别贴设在有机玻璃槽部件C(1)和有机玻璃槽部件G(25)前侧面板处的透明粘性刻度尺(22)，用以观测水位和潜流交换范围的变化以及染料示踪剂迁移轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，其特征在于，所述的第一透水挡砂板和第二透水挡砂板分别通过卡槽(23)插接在有机玻璃槽部件G(25)内，其高度与有机玻璃槽部件G(25)一致。

3.根据权利要求2所述的一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，其特征在于，所述的第一透水挡砂板和第二透水挡砂板均为包裹有尼龙纱布的多孔有机玻璃板，用以减小其与卡槽(23)之间的缝隙，并且有效地阻止实验砂土被水被带入水槽中。

4.根据权利要求1所述的一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，其特征在于，所述的透明粘性刻度尺(22)具有防水功能，且设有多条，其分别贴纵向设在河道水槽和地下水槽(2)处，并且横向贴设在河岸带砂槽(3)底部。

5.根据权利要求1所述的一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，其特征在于，所述的河道水槽的后面板上开设第一进水口(6)，前面板上由上至下在不同高度处分别开设多组第一出水口(10)，并且第一进水口(6)的水平高度高于高度最高的第一出水口(10)。

6.根据权利要求5所述的一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，其特征在于，所述的地下水水槽(2)的后面板上开设第二进水口(13)，前面板上由上至下在不同高度处分别开设多个第二出水口(17)，并且第二进水口(13)的水平高度高于高度最高的第二出水口(17)。

7.根据权利要求6所述的一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，其特征在于，所述的供水单元包括通过第一进水软管(7)与第一进水口(6)连接的第一供水箱(9)以及通过第二进水软管(14)与第二进水口(13)连接的第二供水箱(16)，所述的第一进水软管(7)和第二进水软管(14)上分别设有第一蠕动泵(8)和第二蠕动泵(15)，用以控制水槽的进水流量，所述的弃水单元包括通过第一出水软管(11)与第一出水口(10)连接的第一弃水箱(12)以及通过第二出水软管(18)与第二出水口(17)连接的第二弃水箱(19)，所述的第一出水软管(11)和第二出水软管(18)上均设有止水夹(24)。

8.根据权利要求1所述的一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，其特征在于，所述的河岸带砂槽(3)内底部铺设一层丁基止水胶带(26)，用以减小石英砂土颗粒与刚性的有机玻璃槽部件G(25)内壁之间的孔隙。

9.根据权利要求7所述的一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，其特征在于，所述的第一供水箱(9)盛放有通过染料示踪剂配置成设定浓度的染料示踪剂溶液，该染料示踪剂为无毒无害、耐光性好且耐热性强的色素。

10.根据权利要求1所述的一种基于染料示踪的河岸带侧向潜流交换过程模拟装置，其特征在于，应用该河岸带侧向潜流交换过程模拟装置的定量描述模拟试验方法包括以下步骤：

1)铺设石英砂层(4)并架设摄像机(21)：

采用分层振捣密实方法在河岸带砂槽(3)内铺设石英砂层(4)，摄像机(21)固定在三角支架(20)上，将三角支架(20)放置在有机玻璃槽主体的前方中心位置处，调整三角支架(20)与有机玻璃槽主体之间的距离，使摄像机(21)能够清晰拍摄有机玻璃槽前面板的整个画面；

2)潜流交换过程监测：

21)分别打开地下水水槽(2)位于h0高度处的第二出水软管(18)和河道水槽位于H0高度处的第一出水软管(11)的止水夹(24)，且h0>H0，并通过第二蠕动泵(15)持续供水以保持地下水水槽(2)中水位不变，模拟地下水向河道稳定渗流的状态；

22)当地下水水槽(2)和河道水槽的水位稳定时，打开摄像机(21)进行持续拍摄，向第一供水箱(9)的水中投放色素粉末以配置设定浓度的染料示踪剂溶液，关闭河道水槽初始水位H0对应出水口的软管止水夹(24)，向河道水槽瞬时投放一定量的色素粉末，使得河道水槽与第一供水箱(9)中的染料示踪剂溶液浓度相同，同时打开第一蠕动泵(8)以q1流量从第一供水箱(9)向河道水槽持续供给设定浓度的染料示踪剂溶液，使得河道水槽中的水位持续抬升，染料示踪剂也逐渐向河岸带砂槽(3)内部运移；

23)当河道水槽的水位升至目标水位H1时，且H1>h0，打开河道水槽H0高度的出水软管的止水夹(24)，河道水槽的水位逐渐下降，待水位稳定于初始水位H0并且渗入石英砂层(4)中的染料示踪剂退回至河道水槽，关闭摄像机(21)，实验结束；

3)监测数据处理：

按设定的时间间隔截取视频帧，并保存为图片，对所有的图片进行透视变换处理，以避免拍摄所造成的物体几何形变，提取所有处理后图片中的染料入渗区，绘制染料入渗区面积的动态变化曲线，按设定的间隔将有机玻璃槽高度分为多段，绘制不同高度的染料水平入渗深度的动态变化曲线；

4)潜流交换过程参数计算：

根据染料入渗区面积的动态变化曲线和不同高度的染料水平入渗深度的动态变化曲线，计算侧向潜流交换过程参数，包括侧向潜流的滞留时间、交换范围、交换通量及交换速率，具体公式如下：

41)侧向潜流滞留时间：

T＝t₂-t₁

其中，T为侧向潜流滞留时间，t₁为染料示踪剂开始进入河岸带砂槽的时刻，t₂为染料示踪剂最终退回河道水槽的时刻；

42)侧向潜流交换范围：

U＝max{d_(i,t)}

V＝max{p_(j,t)}

其中，U和V为侧向潜流交换分别在水平方向和垂直方向上的交换范围，i、j和t分别为河岸带砂槽的高度、水平位置及拍摄时刻，max{d_(i,t)}为潜流交换过程中染料水平入渗深度的最大值，max{p_(j,t)}为潜流交换过程中染料在河岸带砂槽中运移所到达的最高位置；

43)侧向潜流交换通量：

Q＝S*W*n

其中，Q为侧向潜流交换通量，S为染料入渗区面积最大值，W为砂槽宽度，n为石英砂孔隙率；

44)侧向潜流交换速率：

其中，

为t时刻至t+△t时刻内河岸带砂槽的高度i处的侧向潜流交换的平均速率，d_(i,t+△t)为t+△t时刻河岸带砂槽的高度i处的染料水平入渗深度，d_(i,t)为t时刻河岸带砂槽的高度i处的染料水平入渗深度。

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