CN110455686A - 一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法，包括以下步骤：在水槽底部依次铺设粘土层和石英砂层，水槽内壁的两侧铺设带孔水管；将河道形状控制板置于水槽中央并***石英砂层内，将控制板内部的石英砂取出，形成人工模拟的河道；取出控制板，向水槽内注入带有颜色的水，向带孔水管内注入清水，在潜流交换区内，石英砂随着侧向潜流交换显现深浅不一的颜色；通过摄像机和显示仪记录颜色的迁移轨迹；当潜流交换区域颜色数据不再改变时，将水槽内的水排出。本发明避免了人工注射示踪剂，效率高、速度快；可模拟地下水对地表水的侧向补给；可连续测得高精度数据，试验材料可重复使用；测量灵敏、直观，准确模拟侧向潜流交换瞬态过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟测量河岸带潜流层水量交换的方法，尤其涉及一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法。
背景技术
潜流带是河床中浅层地下水与地表水存在能量循环与物质交换的交错区域，在这个混合区域中存在溶解性气体浓度梯度、有机生命体浓度梯度、pH值梯度和温度梯度。这些物理、生物和化学梯度，为许多无脊椎动物提供了重要的生存环境，是生物多样性研究的热点区域；这些梯度也导致了生物地球化学反应，最终影响到河流的水质。
潜流交换可以分为河床潜流带的垂向潜流交换和河岸带侧向潜流交换，目前研究河岸带侧向潜流交换过程模式的室内水槽装置是暂不考虑地下水补给条件的，且多采用溶质示踪法，然而这是对河流潜流交换模式的半定量分析，试验过程中溶质浓度的难以准确测量，测量误差大，无法对河流潜流带动态交换过程的时空分布特征进行精准刻画，不能准确地模拟侧向潜流交换的瞬态过程，同时观测与采集设备的成本一般较高，操作也较为复杂，不利于长时间的连续观测。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法，解决了现有技术中未考虑地下水补给条件且不能准确模拟侧向潜流交换瞬态过程的问题。
技术方案：本发明包括以下步骤：
(1)在水槽底部铺设粘土层，粘土层上方铺设石英砂层，水槽内壁的两侧铺设有带孔水管；
(2)将河道形状控制板置于水槽中央并***石英砂层内，将河道形状控制板内部的石英砂取出，形成人工模拟的河道；
(3)取出河道形状控制板，向水槽内注入带有颜色的水，向带孔水管内注入清水，从而形成地下水补给条件下的侧向潜流交换，在潜流交换区域内，石英砂随着侧向潜流交换的进行显现深浅不一的颜色；
(4)通过摄像机和显示仪记录颜色的迁移轨迹；
(5)当潜流交换区域颜色数据不再改变时，将水槽内的水排出；
(6)向水槽内注入清水，在潜流交换区域内，石英砂中的颜色随着侧向潜流交换的进行逐渐退去，重复步骤(4)；
(7)数据处理。
所述水槽内壁的两侧设有带孔水管，所述带孔水管的进水管与第二水泵连接，其进水管上设有第二阀门和第二流量计，用于控制进入带孔水管内的水量流速。
所述水槽的一侧设有进水口，另一侧设有出水口，进水口通过进水导管连接第一水泵，出水口连接出水导管，其中，进水口的高度大于出水口的高度，以保证水的畅通流动，避免积水。
所述的第一水泵与出水导管位于同一水箱内。
所述的进水导管上设有第一流量计和第一阀门，用于控制进入水槽内的水量流速。
所述水槽一侧的底部连接有升降台，所述的升降台与进水导管位于水槽同一侧，通过升降台控制坡降大小。
所述水槽的一侧夹有支架，支架顶部设有摄像机，摄像机与显示仪连接，用摄像机垂直拍摄水的潜流交换过程。
有益效果：本发明避免了人工注射示踪剂，效率高、速度快；可模拟地下水对地表水的侧向补给；可连续测得高精度数据，试验材料可重复使用；测量灵敏、直观，准确模拟侧向潜流交换瞬态过程。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的河道形状控制板示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示为本发明采用的测量装置，包括第一水箱1和第二水箱2，水箱上方设有水槽8，水槽8长1.8m，宽100cm，高10cm，制作材料为有机玻璃，水槽8 底部铺设一层平整的厚度为5mm的粘土层11，粘土层11上铺设一层平整的厚度为7cm 的石英砂层12，粘土层11的作用是防止石英砂被水冲走，用于保持石英砂的稳定。水槽8呈倾斜放置，其左侧底部固定有升降台6，可通过调节升降台6的高度改变坡降，从而调整水槽8的高度，防止水槽8内部积水。水槽8左侧设有进水口，右侧设有出水口，水槽8进水口及出水口内的直径均为25mm，进水口圆心位于水槽底部向上5cm处，出水口与水槽8底部相切，出水口高度低于进水口高度，保证了在存在坡降时水不会积在水槽8下游，可以畅通流动。进水口通过进水导管7与第一水泵3连接，第一进水泵 3放入第一水箱1或第二水箱2中，进水导管7上设有第一流量计4和第一阀门5，通过第一阀门5控制进入水槽8的流速，并通过第一流量计4来测量；水槽出水口连接出水导管9，出水管道9直接深入第一水箱1或第二水箱2中，其中，第一水泵3和出水导管9位于同一水箱中。水槽8左侧壁上设有支架10，支架10顶部连接有摄像机13，摄像机13通过数据线15与显示仪14连接，可实时对摄像机13拍摄图像进行识别技术，显示出某一时刻各位置的颜色。
如图2所示，水槽8内壁的两侧边缘各设有一条带孔水管17，并紧贴水槽壁，使水从带孔水管17溢出后，只能向水槽8内流动，用于模拟侧向的地下水补给，带孔水管 17中水的流向与河道内水的流向相同。带孔水管17的进水管连接第二水泵20，进水管上还设有第二流量计19和第二阀门18，带孔水管17中水的流速可通过第二阀门18控制，并通过第二流量计19来测量。带孔水管17的进水水管与第二水泵20相连放入装有清水的水箱，出水管直接放入装有清水的水箱。
第一水泵3和第二水泵20均为直流微型潜水泵，最大扬程为5m，最大流量为 4L/min。第一水泵3通过进水导管7与进水口相连，进水导管7中依次连接第一阀门5 和第一流量计4。为防止水的渗漏，保持良好的密封性，进水导管7与第一水泵3、第一流量计4和第一阀门5的连接处，出水导管9与出水口的连接处，带孔水管17与第二水泵20、第二流量计19和第二阀门18的连接处均安装有防渗胶垫。
如图1所示，水槽8一侧底部的升降台6可控制水槽8的坡降大小，其额定承载重量100kg，最低高度2cm，最高高度10cm，工作台尺寸宽2cm，长10cm，具有良好的承载力和耐压性。升降台6顶端与水槽8的连接处安装有防滑垫，以防止水槽8滑落。支架10的下部可夹在水槽8的侧边，摄像机13垂直安装在支架10的上部，正对水槽8 的中心，用摄像机13垂直拍摄水的潜流交换过程。
具体包括以下步骤：
(1)粘土、石英砂及水箱的布置：
将粘土铺于水槽8的底部，在粘土层11上铺设石英砂层12，石英砂层12应保持尽量平整，向一个水箱的水中加入颜料，另一个水箱中的水为清水。
(2)河道几何形状与流量的确定：
将河道形状控制板16置于水槽中央并***石英砂层12内，将河道形状控制板16中间部位的石英砂取出，形成人工模拟的河道，其中，河道形状控制板16如图3所示，采用四周封闭，上下开口的中空板件，用于在石英砂层12内绘制河道，将第一水泵3 和出水导管9置于装有颜料的水箱内，调节第一阀门5控制过水流量，待第一流量计4 读数稳定后读取流量。
(3)取出河道形状控制板，模拟地下水补给：
取出河道形状控制板16，开启第二水泵20和第二阀门18，将第二水泵20和出水管放入装有清水的水箱内，在潜流交换的区域内，石英砂随着侧向潜流交换的进行显现深浅不一的颜料色。
(4)迁移路径和颜色的记录：
将摄像机13垂直安装在支架10顶部，记录颜色的迁移轨迹，显示仪14可实时对摄像机13拍摄到的图像进行识别技术，记录某一时刻的颜色。
(5)关闭阀门，排水：
当潜流交换区域的颜色数据不再改变时，认为潜流交换已经达到稳定状态，此时关闭第一阀门5，抬高升降台6，使水槽8内的水加速排入当前使用的水箱中。
(6)使用装有清水的水箱：
将第一水泵3和出水导管9放入装有清水的水箱，在潜流交换的区域内，石英砂中的颜色随着侧向潜流交换的进行逐渐退去，重复步骤(4)。
(7)数据处理：
通过河岸潜流带的颜色变化分析河流与两侧河岸地下水的交互过程，确定河岸带侧向潜流交换过程的最大深度、最大停留时间、影响范围等关键参数。
对河岸潜流带进行坐标化处理，根据各点处颜色计算有色区域面积即影响范围，测量最大深度，从开始使用滴加颜料的水箱到颜色稳定不变的时长为最大停留时间。
Claims (7)
1.一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在水槽底部铺设粘土层，粘土层上方铺设石英砂层，水槽内壁的两侧铺设有带孔水管；
(2)将河道形状控制板置于水槽中央并***石英砂层内，将河道形状控制板内部的石英砂取出，形成人工模拟的河道；
(3)取出河道形状控制板，向水槽内注入带有颜色的水，向带孔水管内注入清水，从而形成地下水补给条件下的侧向潜流交换，在潜流交换区域内，石英砂随着侧向潜流交换的进行显现深浅不一的颜色；
(4)通过摄像机和显示仪记录颜色的迁移轨迹；
(5)当潜流交换区域颜色数据不再改变时，将水槽内的水排出；
(6)向水槽内注入清水，在潜流交换区域内，石英砂中的颜色随着侧向潜流交换的进行逐渐退去，重复步骤(4)；
(7)数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法，其特征在于，所述水槽内壁的两侧设有带孔水管，所述带孔水管的进水管与第二水泵连接，其进水管上设有第二阀门和第二流量计。
3.根据权利要求1或2所述的一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法，其特征在于，所述水槽的一侧设有进水口，另一侧设有出水口，进水口通过进水导管连接第一水泵，出水口连接出水导管，其中，进水口的高度大于出水口的高度。
4.根据权利要求3所述的一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法，其特征在于，所述的第一水泵与出水导管位于同一水箱内。
5.根据权利要求3所述的一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法，其特征在于，所述的进水导管上设有第一流量计和第一阀门。
6.根据权利要求1所述的一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法，其特征在于，所述水槽一侧的底部连接有升降台，所述的升降台与进水导管位于水槽同一侧。
7.根据权利要求1所述的一种不同地下水补给条件下潜流交换模拟测量方法，其特征在于，所述水槽的一侧夹有支架，支架顶部设有摄像机，摄像机与显示仪连接。
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