CN102590469A - 潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***，包括平板水槽、潮波生成器、盐水库、淡水箱和盐水箱，所述平板水槽沿长度方向依次设置为淡水区、泥沙区和盐水区，所述泥沙区中填充有泥沙，并设置有5～6排取样孔；所述淡水区、泥沙区和盐水区之间分别通过滤网和透水插板间隔；所述潮波生成器设置在所述平板水槽的盐水区与所述盐水库之间；所述淡水箱通过流量调节装置与所述平板水槽的淡水区连接，用于将淡水注入到所述淡水区中；所述盐水箱通过流量调节装置与所述平板水槽的盐水区连接，用于将盐水补充到所述盐水区中。本发明装置能够直观看到潮汐作用下盐水入侵的全过程，达到深入探索海水入侵机理的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验模拟装置，尤其涉及一种潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***，本发明还涉及一种潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟方法。
背景技术
盐水入侵是沿海城市工农业发展面临的重要问题，尤其是在北方地区，过量抽地下水已经造成大面积的盐水入侵，严重影响了当地人们的生活和经济的发展。同时，盐水入侵也对沿海地区的生态环境产生重要影响，造成大面积土地盐碱化，原有的淡水生物群落也逐步向盐水生物群落过渡。随着盐水入侵的进一步加剧，它所造成的社会和环境问题日趋严重，逐步引起人们的关注，也有越来越多的研究开始关注这一领域。
防治盐水入侵首先要了解盐水入侵的机理，掌握盐水入侵的现状，准确预测盐水入侵的发展趋势。对盐水入侵问题的研究主要依靠数值模拟和物理模拟两种手段，数值模拟是在准确理解入侵机理的基础上利用数学模型来描述含水层中盐溶质浓度、压强分布等研究对象随时间和空间的变化情况，物理模拟是指通过野外或室内实验模仿盐水入侵现象并探索入侵规律。目前，已有的数学模型尚不能很好的描述盐水入侵现象，特别是在对考虑潮汐作用时，因此，借助于物理模型实验模拟入侵作用是盐水入侵研究的必然选择。
受实验条件和成本的限制，现有盐水入侵实验模拟主要采用室内模型。由于对研究问题进行了简化，多数实验模型不考虑潮汐作用，而研究证明潮汐作用对模拟结果有重要影响，因此这些实验模拟结果的参考价值大打折扣；由于NaCl溶解稀释过程无法用肉眼分辨，采用探头监测不仅会大大提高实验成本，而且实验可操作性不高，实验过程的可视化存在难题。由于存在诸多问题，采用室内模型模拟盐水入侵的实验研究尚不多见，而仅仅采用具有局限性的数值模型无法达到深入探索海水入侵机理的目的。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能够直观看到潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***。
本发明的另一目的在于提供一种潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟方法。
本发明的第三目的在于提供一种利用所述的平板示踪模拟装置进行污染物迁移示踪的方法。
技术方案：本发明所述的潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***，包括平板水槽、潮波生成器、盐水库、淡水箱和盐水箱，所述平板水槽沿长度方向依次设置为淡水区、泥沙区和盐水区，所述泥沙区中填充有泥沙，并设置有5～6排取样孔；所述淡水区、泥沙区和盐水区之间分别通过滤网和透水插板间隔；所述潮波生成器设置在所述平板水槽的盐水区与所述盐水库之间，用于将所述盐水库中的盐水以潮汐的形态注入所述盐水区中；所述淡水箱通过流量调节装置与所述平板水槽的淡水区连接，用于将淡水注入到所述淡水区中；所述盐水箱通过流量调节装置与所述平板水槽的盐水区连接，用于将盐水补充到所述盐水区中。
为了便于采集试验结果，所述平板示踪模拟装置设置在光线封闭的空间中，还包括照明***、拍照***和白色背景帷幕；所述照明***设置在所述光线封闭的空间中用于提供光源；所述拍照***设置在所述平板示踪模拟装置的正前方，用于拍摄试验过程和结果；所述白色背景帷幕设置在所述平板示踪模拟装置的正后方作为拍摄环境背景色。
所述拍照***为两个同品牌同款式的相机，分别设置在距离所述平板示踪模拟装置相同距离、相同角度处，两个相机的取景中有三分之一处重叠；在相机放置处，设置黑色帷幕，仅仅使相机镜头从黑色帷幕中探出。
为了便于二维的研究，忽略泥沙在厚度方面受到入侵的影响，所述平板水槽的厚度为1～3cm。
进一步地，所述平板水槽的高度为80cm；淡水区的长度为5cm；泥沙区的长度为340cm，泥沙区的泥沙高度为65cm；盐水区的长度为5cm。
本发明潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟方法，包括如下步骤：
(1)使用NaCl和FD&C red 40混合溶液，作为海水装入盐水箱和盐水库中；在平板水槽中加入去离子水和泥沙；
(2)开启淡水箱水阀，调节到所需要的流量；开启潮波生成器将盐水库中的盐水以潮汐的形态注入盐水区中，开启盐水箱注入补充盐水以保持盐水区中盐水边界的盐度不变；定时向盐水库中添加高浓度的盐水，使其达到初始的海水盐度；同时，打开相机定时拍照，并定时从取样孔中取样；
(3)盐水区的盐水向泥沙区入侵并形成盐水楔，待盐水楔变得恒定时停止试验。
也可以利用本发明装置进行污染物迁移示踪模拟，利用本发明平板示踪模拟装置进行污染物迁移示踪的方法，包括如下步骤：
(1)在平板水槽中加入去离子水和泥沙；在盐水箱和淡水箱中装入去离子水；
(2)开启盐水箱和淡水箱的水阀，调整两边的淡水区和盐水区的溢流口的高度，使两边的水位有一定的水位差，根据达西定律，在水槽中形成均匀单一的水流；
(3)通过平板水槽的注入口向泥沙区中注入带有颜色的可溶性污染物或胶体，同时开启相机定时拍摄污染物迁徙过程；
(4)等污染物完全迁移出去，停止实验。
有益效果：本发明装置主要用于研究含水层深度以及垂直海岸线方向的流动及溶质运移过程，在不考虑沿海岸线方向流动的基础上将模型简化为二维模型。装置在垂直海岸线平面采用有机玻璃壁面，突出整个实验过程的可视化效果，并采用角钢固定防止变形；装置左侧(内陆方向)采用淡水箱注入固定流量淡水，用来描述固定淡水流量边界，使淡水出流量免受潮汐作用影响；装置右侧(海向边界)设置1个盐水库和1个盐水箱，不考虑潮汐作用时采用容量为60L的盐水箱，模拟平均海平面作用下盐水入侵情况，考虑潮汐作用时采用容量为80L的盐水库利用潮波生成器模拟不同潮汐振幅作用下的盐水入侵规律；经过吸附测试，装置采用FD&C red 40和NaCl溶液模拟海水入侵，可以保证实验过程中示踪剂总量不发生衰减；采用高清数字照相机每15s采集一次实验照片，确保全程记录盐水入侵的变化过程。本发明装置能够直观看到潮汐作用下盐水入侵的全过程，达到深入探索海水入侵机理的目的。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为本发明装置及拍照***布局图。
图3为本发明实施例中不同实验条件下盐水入侵的结果图。
图4为本发明实施例中数值模拟、实验与Glover解的界面结果比较图。实线为数值解；菱形点为实验结果；虚线为Glover解。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：本发明潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***，包括平板水槽1、潮波生成器2、盐水库3、淡水箱4和盐水箱5，所述平板水槽1沿长度方向依次设置为淡水区1-1、泥沙区1-2和盐水区1-3，所述泥沙区1-2中填充有泥沙，并设置有5～6排取样孔，单排孔的上下两孔间距为1cm；所述淡水区1-1、泥沙区1-2和盐水区1-3之间分别通过滤网和透水插板间隔；所述潮波生成器2设置在所述平板水槽1的盐水区1-3与所述盐水库3之间，用于将所述盐水库3中的盐水以潮汐的形态注入所述盐水区1-3中；所述淡水箱4通过流量调节装置与所述平板水槽1的淡水区1-1连接，用于将淡水注入到所述淡水区1-1中；所述盐水箱5通过流量调节装置与所述平板水槽1的盐水区1-3连接，用于将盐水补充到所述盐水区1-3中。
所述平板示踪模拟装置设置在光线封闭的空间中，还包括照明***6、拍照***7和白色背景帷幕；所述照明***6设置在所述光线封闭的空间中用于提供光源；所述拍照***7设置在所述平板示踪模拟装置的正前方，用于拍摄试验结果；所述白色背景帷幕设置在所述平板示踪模拟装置的正后方作为拍摄环境背景色，避免实验室中的其他环境背景被拍摄到。
模拟全程主要通过拍照具有颜色示踪计来模拟整个海水入侵的，以及污染云团的运移过程，以及在背面设置的5-6排的取样孔。
在本实验中，照明***6使用两排照明灯，前排为5个节能灯，后排为2个聚能灯；并封闭实验室的门和窗户，阻止室外光(特别是太阳光)的照射，减少或避免昼夜光线变化引起的拍照色差的变化。
为了拍照整个水槽，拍照***7需要两个同品牌同款式的相机，分别设置在距离水槽相同距离，相同角度进行拍摄；为了更好的连接，两个相机都有三分之一处重叠；在相机放置处，放置黑色帷幕，仅仅使相机镜头从黑色帷幕中探出来，这样可以避免相机的影子在水槽中显现，影响拍摄效果。
所述平板水槽1的厚度为1～3cm；所述平板水槽1的高度为80cm；淡水区1-1的长度为5cm；泥沙区1-2的长度为340cm，泥沙区1-2的泥沙高度为65cm；盐水区1-3的长度为5cm。
对于海水入侵，使用NaCl和FD&C red 40混合溶液，作为海水；用NaCl配备所需要的盐度，添加少量的FD&C red 40作为颜色示踪剂；从直观上模拟海水入侵的整个过程；同时从水槽的背面的取样孔，抽取孔隙水，稀释250倍后测量其电导，根据标线换算成浓度。对于污染物在多空介质中迁移，选择合适的带有颜色的可溶性污染物或胶体，在淡水区或者泥沙区添加示踪剂，通过图像研究污染物在多空介质中的迁移过程。
潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟方法，包括如下步骤，具体实验条件与参数见表1：
(1)使用NaCl和FD&C red 40混合溶液，作为海水装入盐水箱和盐水库中；在平板水槽中加入去离子水和泥沙，每次加沙10cm高度；
(2)开启淡水箱水阀，调节到所需要的流量；开启潮波生成器将盐水库中的盐水以潮汐的形态注入盐水区中，开启盐水箱(盐水箱的盐度与盐水库的盐度初始一样)注入补充盐水以保持盐水区中盐水边界的盐度不变；由于这个***中有淡水输入，因此在海水边界的地方在密度流的作用下，特别是右边的上部水面的盐度偏低，为了更好的模拟海洋边界(海水密度一般比较很定)，因此在其上部添加同等初始密度的盐水。每1小时在盐水库中添加高浓度的盐，达到初始的海水盐度(这是由于整个***中一直有淡水输入，因此盐水库的盐度会下降；同时，打开相机定时拍照，间隔15s一次，并定时从取样孔中取样，一般间隔是初始较快，而逐渐变慢；
(3)盐水区的盐水向泥沙区入侵并形成盐水楔，待盐水楔变得恒定时停止试验。
表1盐水入侵实验条件与参数
不同实验条件下盐水入侵的结果见图3。图4为数值模拟、实验与Glover解的界面结果比较图。实线为数值解；菱形点为实验结果；虚线为Glover解。
利用本发明所述的平板示踪模拟装置进行污染物迁移示踪的方法，包括如下步骤：
(1)在平板水槽中加入去离子水和泥沙；在盐水箱和淡水箱中装入去离子水；
(2)开启盐水箱和淡水箱的水阀，调整两边的淡水区和盐水区的溢流口的高度，使两边的水位有一定的水位差，根据达西定律，在水槽中形成均匀单一的水流；
(3)通过平板水槽的注入口向泥沙区中注入带有颜色的可溶性污染物或胶体，同时开启相机定时拍摄污染物迁徙过程；
(4)等污染物完全迁移出去，停止实验
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (7)
1.一种潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***，其特征在于：包括平板水槽(1)、潮波生成器(2)、盐水库(3)、淡水箱(4)和盐水箱(5)，所述平板水槽(1)沿长度方向依次设置为淡水区(1-1)、泥沙区(1-2)和盐水区(1-3)，所述泥沙区(1-2)中填充有泥沙，并设置有5～6排取样孔；所述淡水区(1-1)、泥沙区(1-2)和盐水区(1-3)之间分别通过滤网和透水插板间隔；所述潮波生成器(2)设置在所述平板水槽(1)的盐水区(1-3)与所述盐水库(3)之间，用于将所述盐水库(3)中的盐水以潮汐的形态注入所述盐水区(1-3)中；所述淡水箱(4)通过流量调节装置与所述平板水槽(1)的淡水区(1-1)连接，用于将淡水注入到所述淡水区(1-1)中；所述盐水箱(5)通过流量调节装置与所述平板水槽(1)的盐水区(1-3)上部连接，用于将盐水补充到所述盐水区(1-3)中。
2.根据权利要求1所述的潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***，其特征在于：所述平板示踪模拟装置设置在光线封闭的空间中，还包括照明***(6)、拍照***(7)和白色背景帷幕；所述照明***(6)设置在所述光线封闭的空间中用于提供光源；所述拍照***(7)设置在所述平板示踪模拟装置的正前方，用于拍摄试验过程和结果；所述白色背景帷幕设置在所述平板示踪模拟装置的正后方作为拍摄环境背景色。
3.根据权利要求2所述的潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***，其特征在于：所述拍照***(7)为两个同品牌同款式的相机，分别设置在距离所述平板示踪模拟装置相同距离、相同角度处，两个相机的取景中有三分之一处重叠；在相机放置处，设置黑色帷幕，仅仅使相机镜头从黑色帷幕中探出。
4.根据权利要求1所述的潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***，其特征在于：所述平板水槽(1)的厚度为1～3cm。
5.根据权利要求1所述的潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟装置***，其特征在于：所述平板水槽(1)的高度为80cm；淡水区(1-1)的长度为5cm；泥沙区(1-2)的长度为340cm，泥沙区(1-2)的泥沙高度为65cm；盐水区(1-3)的长度为5cm。
6.一种潮汐作用下盐水入侵的平板示踪模拟方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)使用NaCl和FD&C red 40混合溶液，作为海水装入盐水箱和盐水库中；在平板水槽中加入去离子水和泥沙；
(2)开启淡水箱水阀，调节到所需要的流量；开启潮波生成器将盐水库中的盐水以潮汐的形态注入盐水区中，开启盐水箱注入补充盐水以保持盐水区中盐水边界的盐度不变；定时向盐水库中添加高浓度的盐水，使其达到初始的海水盐度；同时，打开相机定时拍照，并定时从取样孔中取样；
(3)盐水区的盐水向泥沙区入侵并形成盐水楔，待盐水楔变得恒定时停止试验。
7.利用权利要求1所述的平板示踪模拟装置进行污染物迁移示踪的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在平板水槽中加入去离子水和泥沙；在盐水箱和淡水箱中装入去离子水；
(2)开启盐水箱和淡水箱的水阀，调整两边的淡水区和盐水区的溢流口的高度，使两边的水位有一定的水位差，根据达西定律，在水槽中形成均匀单一的水流；
(3)通过平板水槽的注入口向泥沙区中注入带有颜色的可溶性污染物或胶体，同时开启相机定时拍摄污染物迁徙过程；
(4)等污染物完全迁移出去，停止实验。
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