CN115266521A - 考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统及工作方法,控温咸水箱、潮汐发生器、保温渗流槽、控温淡水箱、高速相机，控温咸水箱和控温淡水箱分别位于保温渗流槽的两侧，潮汐发生器通过软管分别连接控温咸水箱和保温渗流槽，高速相机位于保温渗流槽的正前方。本发明能够直观模拟和表征温度影响下海水入侵动态变化过程；能够模拟和表征温度影响下陆源污染物向海排泄的动态变化过程；能够模拟和表征温度影响下用于防治海水入侵的截渗墙设计与优化；能够模拟和表征温度影响下，截渗墙对于陆源污染物向海排泄的影响；本发明最大的特点是考虑海洋边界的温度变化，能够实时监测以上四种模拟过程中的海岸带地下水温度变化。

Description

考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统及工作方法

技术领域

本发明涉及滨海地下水资源与环境研究技术领域，具体而言，特别涉及一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统及工作方法。

背景技术

滨海含水层海水入侵是世界性的环境地质灾害问题，我国政府也非常重视滨海地下水环境的管理与保护。生态环境部（原环境保护部）发布的地下水污染防治规划（2010-2020年）中指出“严格控制海水入侵易发区地下水开采，采取综合措施，加快海水入侵区地下水保护治理，防治海水入侵。”同时，滨海含水层是陆源污染物向海洋排泄的必经之路。因此，滨海含水层不仅遭受海水入侵问题，还面临着陆源污染物对海洋环境污染问题。然而，在各种水动力作用（潮汐等）、流体性质（温度、密度、粘度等）等的影响下，海岸带含水层中地下水运动非常复杂。对海岸带地下水海水入侵研究和防治具有重要的科学意义和应用价值。

由于处于不同的气候带，全球海水存在较大的温度差，一般从-15℃（较冷的海水）到15℃（较暖的海水）不等。由于温度的改变影响流体的密度和粘度等物理性质，所以海水温度差会对海水入侵过程以及海底地下水排泄产生很大的影响。现有技术仅限室温条件下的海水入侵模拟试验，没有考虑海水温度变化对地下水渗流的影响。为此，本发明专利设置了控温淡水箱、控温咸水箱、保温渗流槽和温度测定系统等，并在管路和潮汐发生器外侧包括了保温层，能够模拟和监测温度变化条件下滨海地区海水入侵、海底地下水排泄和地下水污染过程的动态变化。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统及工作方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统，其特征在于,包括控温咸水箱、潮汐发生器、保温渗流槽、控温淡水箱、高速相机，其特征在于，控温咸水箱和控温淡水箱分别位于保温渗流槽的两侧，潮汐发生器通过软管分别连接控温咸水箱和保温渗流槽，高速相机位于保温渗流槽的正前方；

控温咸水箱的一侧通过蠕动泵与潮汐发生器上部进水口连接，控温咸水箱底部通过软管与潮汐发生器的底部回水口相连；

所述潮汐发生器包括可变高度溢流柱、固定支架、转向滑轮、钢丝绳和电机，可变高度溢流柱由两个有机玻璃柱嵌套而成，两个玻璃柱中间的部分用于容纳咸水，多余的咸水通过内部玻璃柱底部回水口自动返回控温咸水箱，可变高度溢流柱通过玻璃柱侧面的出水口与保温渗流槽相连，可变高度溢流柱通过钢丝绳与转向滑轮相连，借助固定支架和转向滑轮，控制可变高度溢流柱中水位的升降速度和幅度；

所述保温渗流槽的正面由两层全钢化真空玻璃作为保温材料构建，保温渗流槽的底部和背部由保温绝热材料挤塑聚苯乙烯泡沫板构建，保温渗流槽内部左至右依次为咸水槽、渗流区和淡水槽，渗流区中填充石英砂层，在渗流区顶部设置有污染物溶液注入器和连接污染物溶液注入器的蠕动泵，在渗流区侧面选取15个点插入取样针头，渗流区的后侧内壁安装有多个防水数字温度计，在渗流区内设置隔水板插槽，隔水板插槽由两个固定有细网筛的多孔亚克力板组成,咸水槽和淡水槽内部分别安装有可测水位和水温的Diver监测仪；淡水槽一侧设有溢流柱。

所述控温淡水箱通过软管与保温渗流槽内部的淡水槽相连；软管外部与流量计相链接。

所述高速相机用来于全程拍摄海水入侵以及污染物运移过程。

作为优选方案，控温咸水箱和控温淡水箱的底部和外部用挤塑聚苯乙烯泡沫板充当保温绝热材料。

作为优选方案，软管外部由导热系数低的橡塑保温管包裹。

作为优选方案，可变高度溢流柱的两个有机玻璃柱由两层全钢化真空玻璃作为保温绝热材料构建。

作为优选方案，污染物溶液注入器为两根末端封闭的硬塑料管，每根管中钻10个均匀分布的孔，两根管道分别埋设在渗流区顶部表面的砂土中。

一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统，其特征在于,具体包括以下步骤：

S1、首先配制供试的溶液：包括淡水、盐水和污染物溶液，其中盐水是将氯化钠和胭脂红色素溶于去离子水，淡水是取自清洁的地下水；然后进行渗流区8含水介质的构建：用去离子水冲洗石英砂，并小心在渗流区中填充石英砂层，使每一层都被水饱和并压实，同时在渗流区8的背部内壁安装8个防水数字温度计12。

S2、在每次实验开始时，以恒定的流量注入淡水，使整个渗流区充满淡水，稳定运行一段时间后，打开连接控温咸水箱的蠕动泵，从咸水槽底部缓慢地通入着色的标准咸水，使可变高度溢流柱中的水位与平均海水位相同，直到在渗流单元下部逐渐形成一个稳定的咸水楔；当咸水楔达到稳定时，启动电机，使潮汐发生器进行升降运动，保持咸水槽产生周期性的水位变化；最后，启动蠕动泵，从渗流区上方定流量注入污染物溶液；

S3、保持控温咸水箱内咸水和控温淡水箱内淡水温度恒定，利用Diver监测仪记录咸水槽和淡水槽内水位和水温，分别模拟咸淡水等温和非等温条件下的海岸带地下水渗流过程，通过高速相机全程记录咸水楔位置、形态、大小以及咸淡水界面的形态和宽度变化，实验过程中每隔15分钟从保温渗流槽背面取样口进行取样并记录污染物浓度，当所有取样口测定的污染物浓度不变时，可认为砂槽中污染物的分布达到稳定状态，此时停止取样监测，利用渗流区的后侧防水数字温度计实时记录渗流区的温度场；

S4、分别在咸、淡水槽等温和非等温条件下，分别设置高于、等于和低于所在位置处咸水楔厚度的隔水板插槽，分别记录渗流区内的咸水楔动态变化、污染物分布及温度场变化。

作为优选方案，步骤S2中当咸水楔达到稳定时具体为当每小时咸水楔位移小于0.5厘米。

本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：

1、本发明能够直观模拟和表征温度影响下海水入侵动态变化过程；

2、能够模拟和表征温度影响下陆源污染物向海排泄的动态变化过程；

3、能够模拟和表征温度影响下用于防治海水入侵的截渗墙设计与优化；

4、能够模拟和表征温度影响下，截渗墙对于陆源污染物向海排泄的影响；

本发明最大的特点是考虑海洋边界的温度变化，能够实时监测以上四种模拟过程中的海岸带地下水温度变化。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的变温度海岸带地下水渗流-污染模拟装置示意图；

图2为本发明的潮汐发生器装置的结构示意图，

其中，图1至图2中附图标记与部件之间的对应关系为：

1.咸水箱；2.潮汐发生器，201.可变高度溢流柱，202.固定支架，203.转向滑轮，204.钢丝绳，205.电机，206.回水口，207.出水口，208.进水口；3.渗流槽；4.淡水箱；5.高速相机；6.保温软管；7.咸水槽；8.渗流区；9.淡水槽；10.污染物溶液注入器；11.蠕动泵；12.防水数字温度计（Dallas DS18B20）；13.隔水板插槽；14.Diver监测仪；15.溢流柱；16.流量计；17.取样针头。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合图1至图2对本发明的实施例的考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统及工作方法进行具体说明。

如图1、图2所示，本发明提出了一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统，其特征在于,包括控温咸水箱1、潮汐发生器2、保温渗流槽3、控温淡水箱4、高速相机5，其特征在于，控温咸水箱1和控温淡水箱4分别位于保温渗流槽3的两侧，潮汐发生器2通过软管6分别连接控温咸水箱1和保温渗流槽3，高速相机5位于保温渗流槽3的正前方，并保持一定位置处，使得保温渗流槽3能够在摄像覆盖范围内。

控温咸水箱1的一侧通过蠕动泵11与潮汐发生器2上部进水口208连接，控温咸水箱1底部通过软管6与潮汐发生器2的底部回水口206相连；

所述潮汐发生器2包括可变高度溢流柱201、固定支架202、转向滑轮203、钢丝绳204和电机205，可变高度溢流柱201由两个有机玻璃柱嵌套而成，两个玻璃柱中间的部分用于容纳咸水，多余的咸水通过内部玻璃柱底部回水口206自动返回控温咸水箱1，可变高度溢流柱201通过玻璃柱侧面的出水口207与保温渗流槽3相连，为了保证减少热量的损失以及可变高度溢流柱和渗流槽3的连通性，使用由导热系数低的橡塑保温管包裹的乳胶管6进行连接，可变高度溢流柱201通过钢丝绳204与转向滑轮203相连，借助固定支架202和转向滑轮203，控制可变高度溢流柱201中水位的升降速度和幅度，基于连通器原理，在海洋边界咸水槽7上产生单一的正弦水位变化潮汐；

所述保温渗流槽3的正面由两层全钢化真空玻璃作为保温绝热材料构建，保温渗流槽3的底部和背部由保温绝热材料挤塑聚苯乙烯泡沫板XPS板构建，保温渗流槽3内部左至右依次为咸水槽7、渗流区8和淡水槽9，渗流区8中填充石英砂层，在渗流区8顶部设置有污染物溶液注入器10和连接污染物溶液注入器10的蠕动泵11，在渗流区8侧面选取15个点插入取样针头17，用于采集水样，监测污染物浓度分布；渗流区8的后侧内壁安装有多个防水数字温度计12Dallas DS18B20，用于监测渗流区8的温度场变化，其精度在±0.5℃之内，并将其连接到温度数据采集器，可实时记录渗流区8内温度的动态变化。在渗流区8内设置两个隔水板插槽13，用于模拟建在不同位置的地下截渗墙，防治滨海含水层的海水入侵。每个隔水板插槽13由两个固定有细网筛的多孔亚克力板组成，允许水流通过的同时防止渗流区8的石英砂的运动，隔水板插槽的两个多孔亚克力板之间的空隙用于插入隔水亚克力板来模拟地下截渗墙，插槽壁内侧固定有橡胶密封条以增强地下截渗墙的隔水性。为方便隔水亚克力板插入和抽出，在两个多孔亚克力板顶端设置抓手，两侧涂抹少量润滑油加以润滑。当渗流区8的初始海水入侵过程达到稳定后，在隔水板插槽13迅速插入模拟的隔水亚克力板，避免对槽内的地下水流场造成持久性的影响。咸水槽7和淡水槽9内部分别安装有可测水位和水温的Diver监测仪14；淡水槽9一侧设有溢流柱15用来控制水位高度。

所述控温淡水箱4通过软管6与保温渗流槽3内部的淡水槽9相连；软管6外部与流量计16相链接，用来监测淡水的流量。

所述高速相机5用来于全程拍摄海水入侵以及污染物运移过程。

作为优选方案，控温咸水箱1和控温淡水箱4的底部和外部用挤塑聚苯乙烯泡沫板XPS板充当保温绝热材料。

作为优选方案，软管6外部由导热系数低的橡塑保温管包裹。

作为优选方案，可变高度溢流柱201的两个有机玻璃柱由两层全钢化真空玻璃作为保温绝热材料构建。

作为优选方案，污染物溶液注入器10为两根末端封闭的硬塑料管，每根管中钻10个均匀分布的孔，两根管道分别埋设在渗流区8顶部表面的砂土中，便于含有污染物的溶液下渗进入砂土中，模拟污染物向地下水迁移过程；蠕动泵11用于控制注水量和污染物入渗率。

一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统，其特征在于,具体包括以下步骤：

S1、首先配制供试的溶液：包括淡水、盐水和污染物溶液，其中盐水是将氯化钠和胭脂红色素溶于去离子水，淡水是取自清洁的地下水；然后进行渗流区8含水介质的构建：用去离子水冲洗石英砂，并小心在渗流区8中填充石英砂层，使每一层都被水饱和并压实，避免槽内滞留空气，同时在渗流区8的背部内壁安装8个防水数字温度计12DallasDS18B20。

S2、在每次实验开始时，以恒定的流量注入淡水，使整个渗流区8充满淡水，稳定运行一段时间后，打开连接控温咸水箱1的蠕动泵11，从咸水槽7底部缓慢地通入着色的标准咸水，使可变高度溢流柱201中的水位与平均海水位相同，直到在渗流单元下部逐渐形成一个稳定的咸水楔；当咸水楔达到稳定时，启动电机205，使潮汐发生器2进行升降运动，保持咸水槽7产生周期性的水位变化；最后，启动蠕动泵11，从渗流区8上方定流量注入污染物溶液；

S3、保持控温咸水箱1内咸水和控温淡水箱4内淡水温度恒定，利用Diver监测仪14记录咸水槽7和淡水槽9内水位和水温，分别模拟咸淡水等温和非等温条件下的海岸带地下水渗流过程，通过高速相机5全程记录咸水楔位置、形态、大小以及咸淡水界面的形态和宽度变化，实验过程中每隔15分钟从保温渗流槽3背面取样口17进行取样并记录污染物浓度，当所有取样口测定的污染物浓度不变时，可认为砂槽中污染物的分布达到稳定状态，此时停止取样监测，利用渗流区8的后侧防水数字温度计12Dallas DS18B20实时记录渗流区8的温度场；

S4、分别在咸、淡水槽等温和非等温条件下，分别在设置高于、等于和低于所在位置处咸水楔厚度的隔水板插槽13，分别记录渗流区8内的咸水楔动态变化、污染物分布及温度场变化。

作为优选方案，步骤S2中当咸水楔达到稳定时具体为当每小时咸水楔位移小于0.5厘米。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”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；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统，其特征在于,包括控温咸水箱（1）、潮汐发生器（2）、保温渗流槽（3）、控温淡水箱（4）、高速相机（5），其特征在于，控温咸水箱（1）和控温淡水箱（4）分别位于保温渗流槽（3）的两侧，潮汐发生器（2）通过软管（6）分别连接控温咸水箱（1）和保温渗流槽（3），高速相机（5）位于保温渗流槽（3）的正前方；

控温咸水箱（1）的一侧通过蠕动泵（11）与潮汐发生器（2）上部进水口（208）连接，控温咸水箱（1）底部通过软管（6）与潮汐发生器（2）的底部回水口（206）相连；

所述潮汐发生器（2）包括可变高度溢流柱（201）、固定支架（202）、转向滑轮（203）、钢丝绳（204）和电机（205），可变高度溢流柱（201）由两个有机玻璃柱嵌套而成，两个玻璃柱中间的部分用于容纳咸水，多余的咸水通过内部玻璃柱底部回水口（206）自动返回控温咸水箱（1），可变高度溢流柱（201）通过玻璃柱侧面的出水口（207）与保温渗流槽（3）相连，可变高度溢流柱（201）通过钢丝绳（204）与转向滑轮（203）相连，借助固定支架（202）和转向滑轮（203），控制可变高度溢流柱（201）中水位的升降速度和幅度；

所述保温渗流槽（3）的正面由两层全钢化真空玻璃作为保温（绝热）材料构建，保温渗流槽（3）的底部和背部由保温绝热材料挤塑聚苯乙烯泡沫板构建，保温渗流槽（3）内部左至右依次为咸水槽（7）、渗流区（8）和淡水槽（9），渗流区（8）中填充石英砂层，在渗流区（8）顶部设置有污染物溶液注入器（10）和连接污染物溶液注入器（10）的蠕动泵（11），在渗流区（8）侧面选取15个点插入取样针头（17），渗流区（8）的后侧内壁安装有多个防水数字温度计（12），在渗流区（8）内设置隔水板插槽（13），隔水板插槽(13)由两个固定有细网筛的多孔亚克力板组成,咸水槽（7）和淡水槽（9）内部分别安装有可测水位和水温的Diver监测仪（14）；淡水槽（9）一侧设有溢流柱（15）；

所述控温淡水箱（4）通过软管（6）与保温渗流槽（3）内部的淡水槽（9）相连；软管（6）外部与流量计（16）相链接；

所述高速相机（5）用来于全程拍摄海水入侵以及污染物运移过程。

2.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统及工作方法,其特征在于,所述控温咸水箱（1）和控温淡水箱（4）的底部和外部用挤塑聚苯乙烯泡沫板充当保温绝热材料。

3.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统及工作方法,其特征在于,所述软管（6）外部由导热系数低的橡塑保温管包裹。

4.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统及工作方法,其特征在于,所述可变高度溢流柱（201）的两个有机玻璃柱由两层全钢化真空玻璃作为保温绝热材料构建。

5.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统及工作方法,其特征在于,所述污染物溶液注入器（10）为两根末端封闭的硬塑料管，每根管中钻10个均匀分布的孔，两根管道分别埋设在渗流区（8）顶部表面的砂土中。

6.如权利要求1-5所述的一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统，其特征在于,具体包括以下步骤：

S1、首先配制供试的溶液：包括淡水、盐水和污染物溶液，其中盐水是将氯化钠和胭脂红色素溶于去离子水，淡水是取自清洁的地下水；然后进行渗流区8含水介质的构建：用去离子水冲洗石英砂，并小心在渗流区（8）中填充石英砂层，使每一层都被水饱和并压实，同时在渗流区8的背部内壁安装8个防水数字温度计12（Dallas DS18B20）；

S2、在每次实验开始时，以恒定的流量注入淡水，使整个渗流区（8）充满淡水，稳定运行一段时间后，打开连接控温咸水箱（1）的蠕动泵（11），从咸水槽（7）底部缓慢地通入着色的标准咸水，使可变高度溢流柱（201）中的水位与平均海水位相同，直到在渗流单元下部逐渐形成一个稳定的咸水楔；当咸水楔达到稳定时，启动电机（205），使潮汐发生器（2）进行升降运动，保持咸水槽（7）产生周期性的水位变化；最后，启动蠕动泵（11），从渗流区（8）上方定流量注入污染物溶液；

S3、保持控温咸水箱（1）内咸水和控温淡水箱（4）内淡水温度恒定，利用Diver监测仪（14）记录咸水槽（7）和淡水槽（9）内水位和水温，分别模拟咸淡水等温和非等温条件下的海岸带地下水渗流过程，通过高速相机（5）全程记录咸水楔位置、形态、大小以及咸淡水界面的形态和宽度变化，实验过程中每隔15分钟从保温渗流槽（3）背面取样口（17）进行取样并记录污染物浓度，当所有取样口测定的污染物浓度不变时，可认为砂槽中污染物的分布达到稳定状态，此时停止取样监测，利用渗流区（8）的后侧防水数字温度计（12）实时记录渗流区（8）的温度场；

S4、分别在咸、淡水槽等温和非等温条件下，分别设置高于、等于和低于所在位置处咸水楔厚度的隔水板插槽（13），分别记录渗流区（8）内的咸水楔动态变化、污染物分布及温度场变化。

7.根据权利要求6所述的一种考虑温度影响的海岸带地下水渗流模拟系统的工作方法,其特征在于,所述步骤S2中当咸水楔达到稳定时具体为当每小时咸水楔位移小于0.5厘米。

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