一种室内潜流带区域地下水生成循环系统及操作方法与流程

本发明涉及室内潜流带区域地下水生成循环系统及操作方法，属于模拟河流潜流带领域。

背景技术：

随着中国经济的发展，河流污染越来越严重，时有河流污染的突发事件。污染物的迁移和归宿将直接影响河流的生态环境和人民健康安全。地表水和地下水相互作用对河流环境的生物地化条件产生至关重要的影响，上覆水和潜流带的物质能量迁移转化还有许多问题尚未明确，需要进一步深入研究。河水与河床、河岸孔隙水交换是一个重要的过程，它较大程度地影响了河流系统中污染物的归宿。因此为了揭示污染物和胶体在河流中迁移规律，以及潜流交换对污染物和胶体在河流中运移的影响，必需研究潜流交换产生的机理和方式，以及不同条件下潜流交换对污染物迁移的影响。

目前国内学者对于潜流带与上覆水相互作用的研究，主要应用循环水槽实验的方法。但国内目前大多数循环水槽通过控制水槽的坡度来模拟孔隙水的流动，并且忽略了由于地下水水位与河流水位的关系而导致的基流对潜流交换的影响，这样操作虽然简便，但是可调节性较差，并且与自然界河流潜流带中孔隙水的运动情况不符，实验结果的合理性难以保证。

技术实现要素：

发明目的：现有的通过调整水槽坡度来控制潜流带中孔隙水的流动，不能定量控制孔隙水流速，并且忽略了由于地下水水位与河流水位的关系而导致的基流对潜流交换影响的不足，为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种室内潜流带区域地下水生成循环系统及操作方法，实现了模拟了天然河流中上覆水和地下水之间的各种复杂相互作用，利用巧妙的物理原理，其操作简单，造价低廉，性能稳定，使用方便。

技术方案：为实现上述目的，本发明的室内潜流带区域地下水生成循环系统，包括水槽，所述水槽与供水系统连接，在水槽内设有进水口和出水口，循环水管与进水口和出水口连接，在循环水管上依次设有第一玻璃转子流量计、第一止水阀、第一离心泵，在水槽位于进水口和出水口之间的底面上设有带孔有机玻璃板，在带孔有机玻璃板上设有过滤网，过滤网上铺有沙子，在水槽底面设有水管，水管与第一水箱连接，在水管上依次设有第二止水阀、第二玻璃转子流量计和第一蠕动泵，在水槽的边壁上设有若干个采样孔，采用孔与采样装置连接，在水槽外设有照相系统，照相系统与电脑连接。通过第二蠕动泵抽水或吸水，可以模拟地下水补充上覆水或上覆水补充地下水，进而探究基流的存在对潜流交换过程的影响，更加真实的还原了自然界中的潜流交换过程。

作为优选，所述供水系统包含第二水箱，所述第二水箱通过进水管与水槽的入水口连接，在进水管上依次设有第二离心泵、流量调节阀和电磁流量计。

作为优选，所述入水口与进水口之间依次设有第一整流栅和第二整流栅。

作为优选，所述循环水管靠近出水口的一端与溶液导管连接，溶液导管与溶液箱连接，在溶液导管上设有第二蠕动泵。

作为优选，所述水槽上安装有水位调节系统。

作为优选，所述水位调节系统包含顶部有转盘的长螺栓、与长螺栓配套的螺母、T字形套管、橡胶环和带孔有机玻璃板，所述长螺栓穿过水槽顶部，长螺栓可在水槽顶部转动，所述螺母安装在带孔有机玻璃板上，带孔有机玻璃板位于T字形套管顶部，T字形套管顶部套在出水管道上，T字形套管与出水管道之间设有若干个橡胶环，出水管道插入到第二水箱中。

作为优选，所述进水口处设有带孔有机玻璃板组成的矩形密封容器，在带孔有机玻璃板外套有过滤网，在矩形密封容器设有与循环水管连接的塑料管，在塑料管上等间距的安装有三根水平小管。

作为优选，所述取样系统包含出水管、橡胶软管和第三止水阀，所述出水管插入到取样孔中，对孔隙水取样时，将橡胶软管对准取样瓶，打开第三止水阀，孔隙水在倒虹吸的作用下流出，接取一定量的孔隙水样本后，关闭第三止水阀。

一种上述的室内潜流带区域地下水生成循环系统的操作方法，包括以下步骤：

A、在第二水箱中加入所需要的量的去离子水，打开第二离心泵，并缓慢打开流量调节阀，转动水位调节系统的转盘，令T字形套管的顶部与所需水位齐平，待水槽中水流流态平稳后，关闭第二离心泵；

B、打开第一离心泵和第一止水阀，并将第一玻璃转子流量计调至最大流量，循环水管中水流运行平稳后，先关闭第一止水阀，再关闭第一离心泵；

C、将洗干净的泥沙装填入水槽，先装水再装沙可以避免沙床存在气泡，影响实验，待沙装到预定的高度时，轻拍水槽边壁，使沙缓慢沉降，待沙不再继续沉降时，停止轻拍，并根据水槽透明边壁外用碳素笔标注的沙波形状，用沙波制造板制备沙波，该沙波板是用有机玻璃制成的，在沙波板上开多排小孔，能够排出在制造沙波过程产生的壅水，这可以减小沙波制造过程中产生的水波动对已造好沙波的破坏以及防止气泡进入沙床；

D、开启第二离心泵，然后缓慢打开流量调节阀，并根据电磁流量计调整流量调节阀，使其达到所需要的流量，校正水位，调整水位调节系统使水槽中的水位达到预定水位，并保证水槽各部分的水深相同，先开泵再开阀的目的是防止开阀时水槽中的水从入水口排出，破坏沙波；

E、开启第一离心泵，缓慢开启第一止水阀，通过第一玻璃转子流量计调节循环水管内所需的流量，所需的流量根据沙床的横截面积和所需要的孔隙水流速，计算得到循环水管中所需要的流量；

F、在第一水箱中装入一定量的去离子水，开启第一蠕动泵和第二止水阀，根据实验目的选择输水或者抽水，并通过第二玻璃转子流量计将流量调至预定流量，模拟基流对孔隙水的影响；

G、待水槽和循环水管中的水流平稳后，在第二水箱中加入示踪剂，加入示踪剂时要注意加入的速度，尽量保证在水槽的一个循环周期加完，这样可以保证示踪剂在水槽内分布均匀，保证实验结果的合理性；

H、将相机固定在三脚架上，并摆放在水槽前大约两米的位置，水平移动三脚架，当在相机取景器中可以清晰看到水槽中部为止，将相机连接到电脑上，开启相机控制软件，设置拍照间隔时间为30秒。

I、孔隙水的取样是通过控制固定在取样孔中的塑料管上的止水阀来实现的，取样时，缓慢打开第三止水阀，孔隙水在倒虹吸的作用下，通过橡胶软管流出，并将孔隙水样品保存在密封的玻璃瓶中；

J、在模拟地下水污染源对上覆水污染的影响时，将计算配比好的溶液加入到溶液箱中，当水槽运行平稳后，打开控制溶液箱的第二蠕动泵，使溶液进入循环水管，进而进入沙床，对水槽中的水进行取样。

有益效果：本发明的设置了地下水循环系统和基流模拟系统，可以通过调节玻璃转子流量计，定量地控制调节沙床中孔隙水的流速，更加真实的模拟了自然河流潜流带中孔隙水的流动以及对上覆水的影响，可以达到灵活控制孔隙水流速、流量的效果，为解决潜流带问题提供了可靠的技术支撑，与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明利用简单的物理原理，精巧的设计了造价低廉且高效的实验循环水槽，结构简单，造价低廉，性能可靠。

(2)本发明充分利用水槽循环系统和地下水循环系统原理、合理布置各部件、占用空间小、结构简单容易操作。

(3)本发明设置了地下水循环系统，更加合理的模拟了潜流带中孔隙水的流动，更加真实的反应了河流潜流带中孔隙水的复杂流动。

(4)本发明通过在地下水循环系统的进水段中设置带孔有机玻璃板、滤网和带孔小管，不仅可以拦沙进水，还使得入流更加平稳，保证了实验过程更加接近真实情况。

(5)本发明通过在地下水循环系统上外接溶液箱，实现了模拟地下水作为污染源对上覆水的影响，对于研究潜流带对上覆水的作用有重要的意义。

(6)本发明通过设置基流模拟系统，可以探究由于河流上覆水和地下水水位之间的关系而导致的基流对潜流交换过程的影响，更加符合自然界中河流水与地下水之间的相互作用。

(7)本发明设置了取样系统，比起传统的通过微量进样器取样，更加简单可靠，不会发生针头堵塞的现象，并且造价更低，有利于节约成本。

(8)本发明通过在水槽出水段设置水位调节系统，转动螺栓上的转盘，可以得到不同位置的水位，使得实验操作更加简单方便。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中取样系统细部构造示意图。

图3为本发明中地下水循环系统进水段侧面细部构造示意图。

图4为本发明水位调节系统细部构造示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，本发明的室内潜流带区域地下水生成循环系统，包括水槽，所述水槽与供水系统连接，在水槽内设有进水口3和出水口5，循环水管与进水口3和出水口5连接，在循环水管上依次设有第一玻璃转子流量计17、第一止水阀16、第一离心泵15，在水槽位于进水口3和出水口5之间的底面上设有带孔有机玻璃板21，在带孔有机玻璃板21上设有过滤网，过滤网上铺有沙子，在水槽底面设有水管，水管与第一水箱25连接，在水管上依次设有第二止水阀22、第二玻璃转子流量计23和第一蠕动泵24，在水槽的边壁上设有若干个采样孔4，采用孔与采样装置连接，在水槽外设有照相系统，照相系统与电脑连接。在第一水箱25中装入一定量的去离子水，开启第一蠕动泵24和第二止水阀22，根据实验目的选择输水或者抽水，并通过第二玻璃转子流量计23将流量调至预定流量，模拟基流对孔隙水的影响。

在本发明中，所述供水系统包含第二水箱11，所述第二水箱11通过进水管与水槽的入水口连接，在进水管上依次设有第二离心泵12、流量调节阀13和电磁流量计14，所述入水口与进水口3之间依次设有第一整流栅1和第二整流栅2。

在本发明中，所述循环水管靠近出水口5的一端与溶液导管连接，溶液导管与溶液箱20连接，在溶液导管上设有第二蠕动泵19和第四止水阀18。在模拟地下水污染源对上覆水污染的影响时，将计算配比好的溶液加入到溶液箱20中，当水槽运行平稳后，打开控制溶液箱20的第二蠕动泵19，使溶液进入循环水管，进而进入沙床，对水槽中的水进行取样。可以模拟河流底泥作为污染源对上覆水污染的影响，并且溶液箱20设置在地下循环水管中离心泵的前面，这样设置的好处是可以使孔隙水和溶液在泵中充分混合。

在本发明中，所述水槽上安装有水位调节系统，所述水位调节系统包含顶部有转盘6的长螺栓7、与长螺栓配套的螺母、T字形套管9、橡胶环8和带孔的有机玻璃板，带孔的有机玻璃板与带孔有机玻璃板21相同的材质制成，所述长螺栓7穿过水槽顶部，长螺栓7可在水槽顶部转动，所述螺母安装在带孔的有机玻璃板上，带孔有机玻璃板位于T字形套管9顶部，T字形套管9顶部套在出水管道10上，T字形套管9与出水管道10之间设有若干个橡胶环8，出水管道10插入到第二水箱11中，所述橡胶环8横截面呈圆形，并固定在T字形套管9外壁的卡槽中，与水槽出水管道10内壁紧密贴合，通过旋转长螺栓从而带动T字形套管9上下移动。

在本发明中，所述进水口3处设有带孔有机玻璃板组成的矩形密封容器，在带孔有机玻璃板外套有两层过滤网，其目的是拦沙，但水可以通过，并且这样的设置相当于整流栅，使得进入空隙的水流更加平稳，在矩形密封容器设有与循环水管连接的塑料管26，在塑料管26上等间距的安装有三根水平小管27。可以进一步模拟河流环境，进水口和出水口5顶部密封，其过水面是由带孔的有机玻璃板组成，并在其两面分别蒙上两层滤网，其目的是拦沙，但水可以通过，并且这样的设置相当于整流栅，使得进入空隙的水流更加平稳。在进水口3处设置一根竖直的塑料管26，并在其上等间距地安装三根水平小管27，方向垂直于水槽壁，其水平小管27管壁有许多出水孔，这样设置的好处是可以多维扩散，便于混合，并且有利于将水流的三维流动迅速转化为平面二维流动

在本发明中，所述取样系统包含出水管30、橡胶软管32和第三止水阀31，所述出水管30插入到取样孔中，对孔隙水取样时，将橡胶软管32对准取样瓶，打开第三止水阀31，孔隙水在倒虹吸的作用下流出，接取一定量的孔隙水样本后，关闭第三止水阀31。其中，支架是通过螺母28和29固定在水槽的上下边，出水管30两边蒙上滤网，其进水口插入到水槽边壁的取样口4中，并用玻璃胶密封。取样系统通过倒虹吸原理来进行孔隙水的取样，比起传统的通过微量进样器取样，更加简单可靠，不会发生针头堵塞的现象，并且造价更低，有利于节约成本。

在本发明中，使用诱惑红作为示踪剂，示踪潜流交换过程，诱惑红可以很好的与污染物结合，同时又不会影响电导率，并且颜色鲜艳，配合拍照系统，可以清晰的展现潜流交换过程，使其更加形象化。

一种上述的室内潜流带区域地下水生成循环系统的操作方法，包括以下步骤：

A、在第二水箱11中加入所需要的量的去离子水，打开第二离心泵，并缓慢打开流量调节阀13，转动水位调节系统的转盘6，令T字形套管9的顶部与所需水位齐平，待水槽中水流流态平稳后，关闭第二离心泵12；

B、打开第一离心泵15和第一止水阀16，并将第一玻璃转子流量计17调至最大流量，循环水管中水流运行平稳后，先关闭第一止水阀16，再关闭第一离心泵15；

C、将洗干净的泥沙装填入水槽，先装水再装沙可以避免沙床存在气泡，影响实验，待沙装到预定的高度时，轻拍水槽边壁，使沙缓慢沉降，待沙不再继续沉降时，停止轻拍，并根据水槽透明边壁外用碳素笔标注的沙波形状，用沙波制造板制备沙波，该沙波板是用有机玻璃制成的，在沙波板上开多排小孔，能够排出在制造沙波过程产生的壅水，这可以减小沙波制造过程中产生的水波动对已造好沙波的破坏以及防止气泡进入沙床；

D、开启第二离心泵12，然后缓慢打开流量调节阀13，并根据电磁流量计14调整流量调节阀13，使其达到所需要的流量，校正水位，调整水位调节系统使水槽中的水位达到预定水位，并保证水槽各部分的水深相同，先开泵再开阀的目的是防止开阀时水槽中的水从入水口排出，破坏沙波；

E、开启第一离心泵15，缓慢开启第一止水阀16，通过第一玻璃转子流量计17调节循环水管内所需的流量，所需的流量根据沙床的横截面积和所需要的孔隙水流速，计算得到循环水管中所需要的流量；

F、在第一水箱25中装入一定量的去离子水，开启第一蠕动泵24和第二止水阀22，根据实验目的选择输水或者抽水，并通过第二玻璃转子流量计23将流量调至预定流量，模拟基流对孔隙水的影响；

G、待水槽和循环水管中的水流平稳后，在第二水箱11中加入示踪剂，加入示踪剂时要注意加入的速度，尽量保证在水槽的一个循环周期加完，这样可以保证示踪剂在水槽内分布均匀，保证实验结果的合理性；

H、将相机固定在三脚架上，并摆放在水槽前大约两米的位置，水平移动三脚架，当在相机取景器中可以清晰看到水槽中部为止，将相机连接到电脑上，开启相机控制软件，设置拍照间隔时间为30秒。

I、孔隙水的取样是通过控制固定在取样孔中的塑料管上的止水阀来实现的，取样时，缓慢打开第三止水阀31，孔隙水在倒虹吸的作用下，通过橡胶软管32流出，并将孔隙水样品保存在密封的玻璃瓶中；

J、在模拟地下水污染源对上覆水污染的影响时，将计算配比好的溶液加入到溶液箱20中，当水槽运行平稳后，打开控制溶液箱20的第二蠕动泵19，使溶液进入循环水管，进而进入沙床，对水槽中的水进行取样。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。