一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置及使用方法與流程

2023-11-06 06:16:47 5

本發明屬於水利工程試驗設備技術領域，具體涉及一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置，本發明還涉及該地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置的使用方法。

背景技術：

水槽試驗在水力機械、水力學模擬、海洋工程等多種流體力學和滲流問題的研究中廣泛應用。潛流帶是河流河床內水分飽和的沉積物層，連接著河流水體、沉積物和地下水，潛流帶中存在上覆水體與地下水之間物質和能量的交換與過渡，是河流生態系統的重要組成部分。潛流交換是影響河流生態健康的重要物理過程，直接關聯著河床區地表水與地下水系統內的營養物質輸移、氧補充或碳釋放等生物化學反應，對河流的生態健康和理化過程起著關鍵的調控作用。現有水槽裝置多用於地表水入滲與地下水出滲方面的研究，具體分為以下兩種情況：地表水自循環水槽，缺點是無法進行地下水模擬試驗；地下水出滲試驗，缺點是無法形成自循環系統，其溶質、總水量均發生變化，不能真正模擬地表水與地下水潛流交換的瞬態過程。由於潛流交換過程中沉積物孔隙水的各向異性和溶質分布非均一性，導致採用粒子示蹤法無法準確溶質濃度，如何進行地表水與地下水自循環耦合研究是目前水槽試驗的一個尚未解決的難點。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置，能夠同時模擬地表水與地下水潛流交換自循環。

本發明的另一個目的是提供上述地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置的使用方法。

本發明所採用的第一種技術方案是：一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置，包括長方體的水槽，水槽的底壁均勻開設有若干滲水孔，水槽的下方設置有地下水單元，水槽的內部由底壁向上依次設置有濾砂層和沉積層，濾砂層為400目不鏽鋼篩網，沉積層為沙礫，沉積層與水槽的頂部形成有過水層，水槽沿長度方向的兩端分別固定有上遊水箱和下遊水箱，上遊水箱和下遊水箱分別與過水層的兩端連通，上遊水箱與過水層的連通處設置有消能孔板，下遊水箱與過水層的連通處設置有尾門裝置，過水層、上遊水箱和下遊水箱的內部均設置有溶質測量裝置，上遊水箱的底部連通有自循環管道，自循環管道的另一端連通至下遊水箱的底部，自循環管道上依次設置有自循環閥門、水泵和電磁流量計，自循環閥門靠近下遊水箱，自循環閥門和水泵之間的自循環管道上連通有供水單元。

本發明第一種技術方案的特點還在於，

地下水單元包括固定在水槽的下方的若干地下水箱，地下水箱的內部均設置有溶質測量裝置，地下水箱的底部共同連通有地下水管道，地下水管道的另一端連通至上遊水箱，地下水管道上設置有蠕動泵。

供水單元包括供水箱，供水箱上連通有供水管道，供水管道的另一端連通至自循環管道，供水管道上設置有供水閥門。

下遊水箱與水槽連接的側壁還設置有沉砂槽，沉砂槽位於過水層的下方。

水槽的底壁還設置有卸砂漏鬥。

尾門裝置為帆板門葉片，帆板門葉片的上方設置有帆板門導杆。

溶質測量裝置為電導率電極，電導率電極通過導線連接有電導率主機。

本發明所採用的第二種技術方案是，一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置的使用方法，採用地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置，其結構為：包括長方體的水槽，水槽的底壁均勻開設有若干滲水孔，水槽的下方設置有地下水單元，水槽的內部由底壁向上依次設置有濾砂層和沉積層，濾砂層為400目不鏽鋼篩網，沉積層為沙礫，沉積層與水槽的頂部形成有過水層，水槽沿長度方向的兩端分別固定有上遊水箱和下遊水箱，上遊水箱和下遊水箱分別與過水層的兩端連通，上遊水箱與過水層的連通處設置有消能孔板，下遊水箱與過水層的連通處設置有尾門裝置，過水層、上遊水箱和下遊水箱的內部均設置有溶質測量裝置，上遊水箱的底部連通有自循環管道，自循環管道的另一端連通至下遊水箱的底部，自循環管道上依次設置有自循環閥門、水泵和電磁流量計，自循環閥門靠近下遊水箱，自循環閥門和水泵之間的自循環管道上連通有供水單元；

地下水單元包括固定在水槽的下方的若干地下水箱，地下水箱的內部均設置有溶質測量裝置，地下水箱的底部共同連通有地下水管道，地下水管道的另一端連通至上遊水箱，地下水管道上設置有蠕動泵；

供水單元包括供水箱，供水箱上連通有供水管道，供水管道的另一端連通至自循環管道，供水管道上設置有供水閥門，

具體按照以下步驟實施：

步驟1、關閉蠕動泵，向沉積層中加入清水，至水面恰好淹沒沉積層且1小時內無下降；

步驟2、向供水箱加入溶質並攪拌均勻；

步驟3、關閉自循環閥門，打開供水閥門，打開水泵，控制尾門裝置開度使過水層達到試驗目標水位；

步驟4、關閉供水閥門，打開自循環閥門，控制水泵開度至試驗目標流速；

步驟5、打開蠕動泵，待上遊水箱、過水層、下遊水箱和地下水箱的溶質濃度恆定；

步驟6、計算步驟5中打開蠕動泵至上遊水箱、過水層、下遊水箱和地下水箱的溶質濃度恆定期間內水槽的瞬時潛流交換量。

本發明第二種技術方案的特點還在於，

步驟5中打開蠕動泵使水流沿地下水箱向上遊水箱流動，計算步驟5中打開蠕動泵至上遊水箱、過水層、下遊水箱和地下水箱的溶質濃度恆定期間內的t時刻的潛流交換量QH，潛流交換量QH的計算公式為：

其中，V為地表水總體積，即上遊水箱、過水層、下遊水箱和自循環管道中的水體總體積；C為t時刻的地表水濃度，即上遊水箱、過水層和下遊水箱中的溶質測量裝置的濃度平均值；QL為t時刻蠕動泵的瞬時流量；C′為t時刻的地下水濃度，即地下水箱中的溶質測量裝置的濃度平均值，C0為地表水的初始濃度，在步驟3中打開水泵至水流進入過水層的期間內通過上遊水箱中的溶質測量裝置測得；VS為沉積物的總體積，θ為沉積物的孔隙率，V′為地下水體積，即地下水箱中的水體總體積。

步驟5中打開蠕動泵使水流沿上遊水箱向地下水箱流動，計算步驟5中打開蠕動泵至上遊水箱、過水層、下遊水箱和地下水箱的溶質濃度恆定期間內的t時刻的潛流交換量QH，潛流交換量QH的計算公式為：

其中，V為地表水總體積，即上遊水箱、過水層、下遊水箱和自循環管道中的水體總體積；C為t時刻的地表水濃度，即上遊水箱、過水層和下遊水箱中的溶質測量裝置的濃度平均值；QG為t時刻蠕動泵的瞬時流量；C′為t時刻的地下水濃度，即地下水箱中的溶質測量裝置的濃度平均值，C0為地表水的初始濃度，在步驟3中打開水泵至水流進入過水層的期間內通過上遊水箱中的溶質測量裝置測得；VS為沉積物的總體積，θ為沉積物的孔隙率，V′為地下水體積，即地下水箱中的水體總體積。

本發明的有益效果是：本發明的一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置，通過地表水單元和地下水單元，可同時模擬地表水與地下水潛流交換自循環，在不損失總流量和溶質的情況下完成了地表水與地下水耦合試驗；通過電導率儀測定地表水和地下水溶質濃度，從而可以利用鈉離子示蹤法研究地下水對潛流交換的影響。

附圖說明

圖1是本發明的一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置的結構示意圖；

圖2是圖1中的本發明的一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置的俯視圖；

圖3是圖1中的本發明的一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置的仰視圖；

圖4是圖1中的本發明的一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置中的A-A剖視圖。

圖中，1.水槽，2.過水層，3.沉積層，4.濾砂層，5.上遊水箱，6.下遊水箱，7.消能孔板，8.尾門裝置，9.自循環管道，10.自循環閥門，11.水泵，12.電磁流量計，13.供水管道，14.供水箱，15.供水閥門，16.地下水箱，17.溶質測量裝置，18.地下水管道，19.蠕動泵，20.沉砂槽，21.卸砂漏鬥，22.承重墩。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明提供了一種地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置，如圖1至圖4所示，包括長方體的水槽1，水槽1的底壁均勻開設有若干滲水孔，水槽1的下方設置有地下水單元，水槽1的內部由底壁向上依次設置有濾砂層4和沉積層3，濾砂層4為400目不鏽鋼篩網，沉積層3為沙礫，沉積層3與水槽1的頂部形成有過水層2，水槽1沿長度方向的兩端分別固定有上遊水箱5和下遊水箱6，上遊水箱5和下遊水箱6分別與過水層2的兩端連通，上遊水箱5與過水層2的連通處設置有消能孔板7，下遊水箱6與過水層2的連通處設置有尾門裝置8，過水層2、上遊水箱5和下遊水箱6的內部均設置有溶質測量裝置17，上遊水箱5的底部連通有自循環管道9，自循環管道9的另一端連通至下遊水箱6的底部，自循環管道9上依次設置有自循環閥門10、水泵11和電磁流量計12，自循環閥門10靠近下遊水箱6，自循環閥門10和水泵11之間的自循環管道9上連通有供水單元。

地下水單元包括固定在水槽1的下方的若干地下水箱16，地下水箱16的內部均設置有溶質測量裝置17，地下水箱16的底部共同連通有地下水管道18，地下水管道18的另一端連通至上遊水箱5，地下水管道18上設置有蠕動泵19。

供水單元包括供水箱14，供水箱14上連通有供水管道13，供水管道13的另一端連通至自循環管道9，供水管道13上設置有供水閥門15。

下遊水箱6與水槽1連接的側壁還設置有沉砂槽20，沉砂槽20位於過水層2的下方。

水槽1的底壁還設置有卸砂漏鬥21。

尾門裝置8為帆板門葉片，帆板門葉片的上方設置有帆板門導杆。

溶質測量裝置17為電導率電極，電導率電極通過導線連接有電導率主機。

水槽1的底部下方通過鋼管連接有承重墩22。

在本實驗裝置中，地下水單元包括固定在水槽1的下方的5個地下水箱16以及5個地下水箱16中設置的電導率電極、地下水管道18和蠕動泵19；地表水單元包括上遊水箱5、下遊水箱6和過水層2以及它們中設置的電導率電極和自循環管道9、自循環閥門10、水泵11和電磁流量計12；根據上述結構的地下水單元解決地下水可計量的均勻入滲；通過地表水單元可以解決地表水和地下水在系統內自循環運移；通過布設的電導率電極同時監測地表水與地下水氯化鈉濃度的瞬時值，可進一步研究地下蠕動泵19泵入或者抽出工況下對潛流交換量的影響。

通過在帶孔的水槽1內部鋪設400目不鏽鋼篩網解決沉積物懸空的問題；通過現有技術中能夠攔截水流的帆板門導杆控制帆板門葉片來控制過水層2的水深；地下水箱16為長度1m，寬度0.5m，高度0.1m的不鏽鋼水箱；蠕動泵19為8通道雙向蠕動泵，用來提供地下水單元動力以及計量流經自身的流量；溶質測量裝置17為MIK-TDS210電導率儀；水泵11的額定功率45KW揚程7m用來提供地表水單元的循環動力；電磁流量計12的量程0-40L/s用來監測地表水單元的流量從而用來探究地表水流量大小對潛流交換的影響；供水箱14用來為整個系統供水和回水；水槽1的長度、寬度和高度分別為7m、0.5m和1.2m，水槽1的寬度設置0.5m一是為了消除過窄水槽引起的邊壁回流的問題，二是方便人對於沉積物的填入和造型操作；上遊水箱5和下遊水箱6與水槽1連接處均為防水連接；消能孔板7為20mm厚的有機玻璃板，均勻打有96個直徑為20mm的孔，消能孔板7能夠消能並引導水流穩定進入水槽1；沉積物層3厚70cm；沉砂槽20為3mm厚的不鏽鋼板，用於防止水槽1內的沙礫進入自循環管道9損壞水泵11；供水管道13和自循環管道9均為直徑150mm的PVC管，也可以採用不鏽鋼管；地下水管道18為直徑5mm的透明塑料軟管；地下水箱16採用5個長寬高分別為1m，0.5m，0.1m的不鏽鋼鐵箱，採用5個地下水箱16可以使蠕動泵19向沉積層3中更加均勻的抽水和泵水；供水箱14的長寬高分別為2m，1.5m，1.0m。

本發明還提供了採用上述地表水與地下水潛流交換自循環試驗裝置的使用方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、關閉蠕動泵19，向沉積層3中加入清水，至水面恰好淹沒沉積層3且1小時內無下降；

步驟2、向供水箱14加入溶質並攪拌均勻；

步驟3、關閉自循環閥門10，打開供水閥門15，打開水泵11，控制尾門裝置8開度使過水層2達到試驗目標水位，在本試驗中過水層水位為30cm；

步驟4、關閉供水閥門15，打開自循環閥門10，控制水泵11開度至試驗目標流速，在本試驗中水泵11的流量控制在為0-20L/s；

步驟5、打開蠕動泵19，待上遊水箱5、過水層2、下遊水箱6和地下水箱16的溶質濃度恆定；

步驟6、計算步驟5中打開蠕動泵19至上遊水箱5、過水層2、下遊水箱6和地下水箱16的溶質濃度恆定期間內水槽1的瞬時潛流交換量。

由於本水槽為自循環水槽，試驗過程總水量、溶質保持不變，同時存在兩組水交換循環：即地表水單元和地下水單元之間的循環，為封閉循環。也就是水流根據蠕動泵19的不同泵水方向分為：由地下水箱16向上遊水箱5泵水時的水流方向，沉積層3→地下水箱16→地下水管道18→上遊水箱5→過水層2→沉積層3；由上遊水箱5向地下水箱16泵水時的水流方向，沉積層3→過水層2→上遊水箱5→地下水管道18→地下水箱16→沉積層3，地表水單元和地下水單元之間的循環的流量通過蠕動泵19顯示讀數。本水槽同時存在另外一組水交換循環，即過水層2與沉積層3之間的潛流交換循環，也分為兩個水流方向，沉積層3→過水層2和過水層2→沉積層3。因為總水量、溶質保持不變可推出潛流交換循環也為封閉循環。通過上述間接測量方法來計算潛流交換量。

根據溶質質量守恆公式：

C0V＝CV+CSVSθ+C′V′ (1)

(1)中V為地表水總體積，即上遊水箱6、過水層2、下遊水箱6和自循環管道9中的水體總體積；C為t時刻的地表水濃度，即上遊水箱6、過水層2和下遊水箱6中的溶質測量裝置17的濃度平均值；C′為t時刻的地下水濃度，即地下水箱16中的溶質測量裝置17的濃度平均值，C0為地表水的初始濃度，在步驟3中打開水泵11至水流進入過水層2的期間內通過上遊水箱6中的溶質測量裝置17測得；VS為沉積物的總體積，θ為沉積物的孔隙率，V′為地下水體積，即地下水箱16中的水體總體積；CS為t時刻沉積物中的孔隙水濃度。

以上t時刻為步驟8中打開蠕動泵19至上遊水箱5、過水層2、下遊水箱6和地下水箱16的溶質濃度恆定期間內的某個時刻。

由公式(1)得出沉積物中的孔隙水濃度CS：

本計算方法通過粒子守恆推導，從而間接得到孔隙水的溶質濃度，進而在實驗中分兩種實施例研究地下水單元對潛流交換量的影響，並分別得出兩種實施例下的瞬時潛流交換量QH：

實施例1：

打開蠕動泵19使水流沿地下水箱16向上遊水箱5流動，t時刻地表水中溶質總量m(t)：

m(t)＝m0+Δmt＝CV (3)

(3)中m(t)為t時刻時地表水的溶質的質量；m0＝C0V為地表水初始的溶質的質量；Δmt為地表水溶質的質量變化量；C為t時刻時地表水的溶質的濃度。

對公式(3)求積分可得：

(4)中QL為t時刻蠕動泵19的瞬時流量。

對公式(4)求導可得：

整理公式(5)得到潛流交換量QH：

將公式(2)代入公式(6)，可得t時刻，潛流交換量QH的計算公式為：

在本實驗中，t＝0時刻地表水電導率儀測得地表水初始濃度C0為0.2g/L，地表水總體積V為2194L，地下水體積V′為250L，打開蠕動泵19使水流沿地下水箱16向上遊水箱5流動。t＝120min時刻，蠕動泵19流量QL為0.005L/s，沉積物總體積VS為2450L，沉積物孔隙率θ為0.41，120min時刻測得地下水箱內溶質平均濃度C′為0.031g/L，地表水平均濃度C為0.1694g/L，地表水濃度變化率為-9.87×10-7g/L.s。帶入公式(7)可得潛流交換量QH＝0.0133613L/s。

實施例2：

打開蠕動泵19使水流沿上遊水箱5向地下水箱16流動，t時刻地表水中溶質總量m(t)：

m(t)＝m0+Δmt＝CV (3)

對公式(3)求積分可得：

(8)中QG為t時刻蠕動泵19的瞬時流量。

對公式(8)求導可得：

整理公式(9)得到潛流交換量QH：

將公式(2)代入公式(10)，可得t時刻，潛流交換量QH的計算公式為：

在本實驗中，t＝0時刻地表水電導率儀測得地表水初始濃度C0為0.2g/L，地表水總體積V為2194L，地下水體積V′為250L，打開蠕動泵19使水流沿向上遊水箱5向地下水箱16流動。t＝120min時刻，蠕動泵19流量QG為0.005L/s，沉積物總體積VS為2450L，沉積物孔隙率θ為0.41，120min時刻測得地下水箱內溶質平均濃度C′為0.0536g/L，地表水平均濃度C為0.1718g/L，地表水濃度變化率為-9.15×10-7g/L.s。帶入公式(7)可得潛流交換量QH＝0.01125L/s。