CN203148652U

CN203148652U - 河水与地下水相互作用温度示踪实验装置

Info

Publication number: CN203148652U
Application number: CN 201320141351
Authority: CN
Inventors: 林晶晶; 马瑞; 魏文浩; 陈毅; 王烁; 钱筱嫣; 沈仲智; 李建坤; 王昕喆; 李佳林
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2023-03-26

Abstract

本实用新型涉及一种河水与地下水相互作用温度示踪实验装置，包括砂槽、水流控制机构、水位监测机构和边界温控机构。砂槽为长方体，前侧面板上设测压孔、河水进出水口、边界地下水及河水水位监测孔，后侧面板上有溶质示踪孔，左、右侧面板上均设地下水进出水口和校正刻度表，左右侧面板之间安装有机玻璃滤板，砂槽的上部安装有模拟河床；水流控制机构用小型水泵给地下水及河水稳定供水箱供水；水位监测机构由校正刻度表、测压板组成；边界温控机构用于控制砂槽底部边界温度，使砂槽内垂向温度梯度接近天然地温梯度。本装置可用于高校进行地下水温度示踪方面的实验教学，及室内展开河水与地下水相互作用的温度示踪研究，为野外研究提供指导。

Description

河水与地下水相互作用温度示踪实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种河水与地下水相互作用温度示踪实验装置，具体地说是一种用于温度示踪河水与地下水相互作用的相关实验室研究，以及用于水文学和水文地质学实验教学的装置。

背景技术

温度示踪方法具有成本低、无污染、易操作、灵敏度高、可自动连续动态监测等优势，使得热作为一种天然的优势示踪剂被用于精细研究地表水与地下水相互作用。

季节性河流极端变化的特性使得河水位、流量、流速等常规水文数据的长期连续获取非常困难，阻碍了季节性河流与地下水相互作用的连续评估，Constantz等（2002）利用温度示踪方法进行相关研究，利用温度数据具有稳定性好的优势克服了上述困难； Salem等（2004）将温度数据和同位素数据相结合，指示了河流与地下水相互作用带的水流途径； Vogt,等（2010）、Lautz,等（2012）和Briggs等（2012）利用多次修正过的热运移一维形式解析解（Silliman,等，1995；Hatch，等，2006；），进行了地表水与地下水交换量的时空分布特征研究。

将温度数据与水位数据相结合用于约束和校正水流及热运移模型，可以降低模型的不确定性，从而更好地利用反演模型刻画含水层的水力学性质（Ma,等，2012），如Gerecht等（2011）利用温度数据进行模型校正，从而更精确地模拟了地表水与地下水相互作用带中水流流动模式，提高了地表水与地下水交换量的计算精度。

目前，国内有关这方面的研究主要是利用库水或河水与地下水之间的温度差异来探测堤坝渗漏或基坑渗漏（葛健，2008；王新建，等，2009；黄丽，等2012）。

综上所述，利用温度示踪方法研究地表水与地下水相互作用具有其独特的优势，且属于刚兴起研究的技术，应用前景非常广。但目前已有的研究多基于野外实验，野外复杂的水文和地质条件比较复杂，使得野外工作的开展存在一定的困难。根据野外河水与地下水相互作用带的实际情况，建立相关的室内物理模型，可以简化野外河水与地下水相互作用过程的复杂影响因素，减少野外实验条件的不确定因素，可在室内试验中抓住关键性问题来进行研究。从而克服野外条件下进行地表水与地下水相互作用研究的困难。然而，目前还没有实验室研究河水与地下水相互作用的相关报道，传统的河水与地下水相互作用实验装置一般只能实现水流控制，主要是通过监测水位变化来分析河水与地下水的相互作用。国内目前尚未研发有可实现天然地温梯度模拟的装置。

发明内容

本实用新型的目的在于解决目前野外进行河水与地下水相互作用的温度示踪研究存在的水文与地质条件复杂，多因素干扰下难以抓住关键问题进行研究的困难，而提供一种结构简单，制作成本低，操作方便并能去除野外不确定性因素，针对关键性问题在室内进行河水与地下水相互作用温度示踪研究的装置。

为了实现上述的目的，本实用新型采用的技术方案如下：提供的一种河水与地下水相互作用温度示踪实验装置，包括砂槽、水流控制机构、水位监测机构和边界温控机构；

所述的砂槽为采用有机玻璃制成的长方形槽状体，砂槽内通过填充具有不同特征的沉积物，以模拟天然情况下的野外地下介质，砂槽的顶部中间安装一个模拟河床；砂槽的前侧面板上开设有测压孔、河水进出水口、边界地下水及河水水位监测孔，砂槽的后侧面板上开设有溶质示踪孔，砂槽的左、右侧面板上均设有地下水进出水口和校正刻度表，砂槽中在靠近两侧地下水进水口处各安装一块有机玻璃滤板；

所述的水流控制机构含有地下水稳定供水箱和河水稳定供水箱，地下水稳定供水箱设有地下水溢水口，地下水稳定供水箱进水口和地下水供水管，地下水供水管与设在砂槽左、右侧的地下水进出水口连接；河水稳定供水箱设有河水供水管、河水溢水口和河水稳定供水箱进水口，河水供水管与砂槽前侧面板上的河水进出水口连接；

所述的水位监测机构由砂槽的左、右侧面板上的校正刻度表、测压板、测压刻度表和测压管组成，测压管和测压刻度表均固定在测压板上，通过硅胶管连接测压管与测压孔、河水水位监测孔及边界地下水水位监测孔；

所述的边界温控机构由温控箱、温度传感器、温度调节仪、加热器、蠕动泵及电源构成，所述的温控箱安装在砂槽的底座下方，温控箱内装有水，温控箱的左侧面设有温度传感器接口，温度传感器接入温度传感器接口内，温度传感器和加热器由温度调节仪控制，即通过温度调节仪设定温度值，温控箱的前侧中间设有2个进水口，所述的2个进水口通过硅胶管与加热器连接，2个进水口的两侧各设有出水口；蠕动泵一端也通过硅胶管与加热器相连，蠕动泵另一端与温控箱上的出水口相连；电源为温度调节仪、加热器和蠕动泵供电。

所述的砂槽中两侧安装的有机玻璃滤板和模拟河床上都均匀分布有滤水孔。

所述的砂槽前侧面板上开设有横向2-6行、竖向2-9列的测压孔。

所述的水流控制机构中的地下水稳定供水箱和河水稳定供水箱，采用小型水泵给所述的稳定供水箱供水。

所述的温控箱上面板采用铝板制作，铝板镶嵌在砂槽的底部。

所述的砂槽用于模拟天然情况下横穿河流的地下介质剖面情况，进行河水与地下水相互作用的室内试验。

本实用新型的河水与地下水相互作用温度示踪实验装置具有如下优点：

1、本实用新型的实验装置结构简单，制作成本低，操作方便，可以实现天然地温梯度的模拟，在满足控制水流变化要求的同时也能达到控制温度变化的要求，可用于实验室开展河水与地下水相互作用的温度示踪研究，同时可以与溶质示踪实验进行对比研究，其研究结果为野外研究提供指导。

2、本实用新型的实验装置可以用于高校或研究部门进行实验教学，弥补水文地质教学领域中相关实验装置的空白。

附图说明

图1为本实验装置中砂槽与水流控制机构结构示意图。

图2为本实验装置中砂槽与温控箱结构正视示意图。

图3为本实验装置中砂槽与温控箱结构后视示意图。

图4为本实验装置中砂槽与温控箱结构左视示意图。

图5为本实验装置中测压板结构示意图。

图6为本实验装置中温控箱部分组件连接示意图。

图7为本实验装置中有机玻璃滤板结构示意图。

图8为本实验装置中模拟河床结构示意图。

图9为本实验装置中底座结构俯视示意图。

图10为图9的A-A向剖面结构示意图。

上述图中：1-砂槽，2-示踪孔，3-有机玻璃滤板，4-模拟河床，5-底座，6-测压孔，7-边界地下水水位监测孔，8-河水水位监测孔，9-河水进出水口，10-地下水进出水口，11-地下水稳定供水箱，12-地下水溢水口，13-地下水稳定供水箱进水口，14-地下水供水管，15-河水稳定供水箱，16-河水供水管，17-河水溢水口，18-河水稳定供水箱进水口，19-校正刻度表，20-测压刻度表， 21-测压管， 22-铝板，23-温控箱，24-进水口，25-出水口，26-温度传感器接口，27-温度传感器，28-温度调节仪，29-电源，30-加热器，31-硅胶管，32-蠕动泵，33-小型水泵34-滤水孔，35-测压板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

实施例1：本实用新型提供一种河水与地下水相互作用温度示踪实验装置，其结构如图1、2、3所示。包括砂槽1、水流控制机构、水位监测机构和边界温控机构。

所述的水流控制机构含有地下水稳定供水箱11和河水稳定供水箱15，地下水稳定供水箱11设有地下水溢水口12，地下水稳定供水箱进水口13和地下水供水管14，地下水供水管14与设在砂槽1左、右侧的地下水进出水口10连接；

河水稳定供水箱15设有河水供水管16，河水溢水口17和河水稳定供水箱进水口18，河水供水管16与砂槽前侧面板中的河水进出水口9连接，通过硅胶管31连接测压管21与测压孔6、边界地下水监测孔7及河水水位监测孔8。

参见图2，所述的砂槽1为采用有机玻璃制成的长方形槽状体，砂槽总体尺寸为78cm×10cm×50cm，模拟河床4位于砂槽顶部的中间部位，模拟河床上底24cm，下底12cm，高10cm。砂槽1中为了对送入的水达到好的过滤效果，在靠近两侧地下水进水口10处各安装一块有机玻璃滤板3。砂槽的前侧面板上开设有测压孔6、河水水位监测孔8和边界地下水水位监测孔7。本实施例的砂槽1在前侧面板上开设有横向和竖向共51个测压孔6。所有的测压孔6都接有硅胶管用以测水位。

参见图3，砂槽1的后侧面板上开设有示踪孔2。

参见图4，砂槽1的左、右侧面板上设有地下水进出水口10和校正刻度表19。

参见图5，测压刻度表20固定在测压板35上，测压管21安装在测压板35上。

参见图2、6，所述的边界温控机构由温控箱、温度传感器、温度调节仪、加热器、蠕动泵及电源构成，所述的温控箱23为采用厚度10mm的有机玻璃板制成60cm×10cm×5cm的长方体空腔，安装在砂槽1的底座5下方，温控箱上面板采用厚5mm的铝板22制作，铝板22镶嵌在砂槽1的底部。温控箱5内装有水和加热器30，加热器30由温度调节仪控制28，即通过温度调节仪设定温度值，温控箱23的左侧面设有温度传感器接口26，温度传感器27接入温度传感器接口内，温控箱的前侧中间设有2个进水口24，所述的2个进水口24通过硅胶管31与加热器30连接，2个进水口的两侧各设有1个出水口25；蠕动泵32一端也通过硅胶管31与加热器相连，蠕动泵另一端与温控箱上的出水口25相连；电源29为温度调节仪28、加热器30和蠕动泵32供电。

参见图7， 8，有机玻璃滤板3及模拟河床4上均匀分布有滤水孔34。

本实验装置中底座5结构参见图2、9、10。底座5支撑砂槽1，及用于安装温控箱。

实施例2：应用实施例1的实验装置进行河水与地下水相互作用温度示踪实验。

实验前：⑴、根据实验设计的地质条件来选取砂粒的大小及空间分布结构，在砂槽1中填砂，在填砂的过程中根据需要埋设温度监测仪器进行温度测量，本实施例采用的是TP100温度传感器；用硅胶管将测压孔6、地下水水位监测孔7、河水水位监测孔8与测压管21相连接，可以进行水位的监测；将左右两侧的地下水进出水口10分别与地下水稳定供水箱11上的地下水供水管14连接，河水进出水口9与河水稳定供水箱15上的河水供水管16连接，用硅胶管31将地下水稳定供水箱进水口13、河水稳定供水箱进水口18与小型水泵33连接，用小型水泵给所述的稳定供水箱持续稳定供水，以解决供水不稳定导致水流条件控制效果较差的问题。

⑵、将温度传感器27插入温控箱23上的温度传感器接口26并拧紧，温度传感器27、加热器30与温度调节仪28相连，加热器30内盛水，外部接有硅胶管31与温控箱23上的进水口24相连，蠕动泵32上硅胶管31的一端连通加热器30，另一端两个出口分别连接温控箱23的两个出水管25上，先利用蠕动泵使温控箱内充满水且持续稳定地循环流动。将温度调节仪28接上电源29，并在温度调节仪28上设定温度值，该温度值与环境温度相差4～5℃为宜，温度传感器开始工作，当温度传感器27感应到温控箱23内的水温低于设定温度时，加热器30开始加热，当水温高于设定值时，加热器停止加热，一段时间后温控箱中的水温将稳定在设定温度值的水平，水温通过铝板22进行传导，从而控制砂槽1底板处具有相对恒定的温度，砂槽1垂向上产生温度梯度；与此同时，启动用以监测温度数据的温度传感器的电源使其开始工作。

⑶、完成步骤⑴、⑵后，启动水泵电源给砂槽供水，使其饱水，饱水后方可排气泡，排完气泡即可开始实验。

⑷、开始实验：实验时可以在硅胶管31中使用止水夹作为开关。打开河水供水止水夹，关闭地下水供水止水夹，则控制水流模式为河水补给地下水，反之则为地下水补给河水，通过升降河水稳定供水箱15、地下水稳定供水箱11的高度来控制河水、地下水水位，当河水水位、地下水水位高于稳定供水箱控制水位时，水将从河水溢水口17、地下水溢水口12溢出；水位值可在测压刻度表上读取，校正刻度表19上可以读取地下水水位值，与测压刻度表20上读取的地下水水位值对比，可进行水位值的校正，到同一基准面标准。

将溶质用注射器注入示踪孔22则可进行溶质示踪实验。

本实用新型的实验装置结构简单，制作成本低，操作方便，可用于高校或研究部门的实验室展开河水与地下水相互作用的温度示踪研究，同时可以与溶质示踪实验进行对比研究，其研究结果为野外研究提供指导。

Claims

1.河水与地下水相互作用温度示踪实验装置，包括砂槽、水流控制机构、水位监测机构和边界温控机构；其特征在于：

2.根据权利要求1所述的河水与地下水相互作用温度示踪实验装置，其特征在于：所述的砂槽中安装的有机玻璃滤板和模拟河床上都均匀分布有滤水孔。

3.根据权利要求1所述的河水与地下水相互作用温度示踪实验装置，其特征在于：所述的砂槽前侧面板上开设有横向2-6行、竖向2-9列的测压孔。

4.根据权利要求1所述的河水与地下水相互作用温度示踪实验装置，其特征在于：所述的水流控制机构中的地下水稳定供水箱和河水稳定供水箱，采用小型水泵给所述的稳定供水箱供水。

5.根据权利要求1所述的河水与地下水相互作用温度示踪实验装置，其特征在于：所述的温控箱上面板采用铝板制作，铝板镶嵌在砂槽的底部。