一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置及使用方法与流程

本发明属于水利工程试验设备技术领域，具体涉及一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置，本发明还涉及该地表水与地下水潜流交换自循环试验装置的使用方法。

背景技术：

水槽试验在水力机械、水力学模拟、海洋工程等多种流体力学和渗流问题的研究中广泛应用。潜流带是河流河床内水分饱和的沉积物层，连接着河流水体、沉积物和地下水，潜流带中存在上覆水体与地下水之间物质和能量的交换与过渡，是河流生态系统的重要组成部分。潜流交换是影响河流生态健康的重要物理过程，直接关联着河床区地表水与地下水系统内的营养物质输移、氧补充或碳释放等生物化学反应，对河流的生态健康和理化过程起着关键的调控作用。现有水槽装置多用于地表水入渗与地下水出渗方面的研究，具体分为以下两种情况：地表水自循环水槽，缺点是无法进行地下水模拟试验；地下水出渗试验，缺点是无法形成自循环系统，其溶质、总水量均发生变化，不能真正模拟地表水与地下水潜流交换的瞬态过程。由于潜流交换过程中沉积物孔隙水的各向异性和溶质分布非均一性，导致采用粒子示踪法无法准确溶质浓度，如何进行地表水与地下水自循环耦合研究是目前水槽试验的一个尚未解决的难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置，能够同时模拟地表水与地下水潜流交换自循环。

本发明的另一个目的是提供上述地表水与地下水潜流交换自循环试验装置的使用方法。

本发明所采用的第一种技术方案是：一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置，包括长方体的水槽，水槽的底壁均匀开设有若干渗水孔，水槽的下方设置有地下水单元，水槽的内部由底壁向上依次设置有滤砂层和沉积层，滤砂层为400目不锈钢筛网，沉积层为沙砾，沉积层与水槽的顶部形成有过水层，水槽沿长度方向的两端分别固定有上游水箱和下游水箱，上游水箱和下游水箱分别与过水层的两端连通，上游水箱与过水层的连通处设置有消能孔板，下游水箱与过水层的连通处设置有尾门装置，过水层、上游水箱和下游水箱的内部均设置有溶质测量装置，上游水箱的底部连通有自循环管道，自循环管道的另一端连通至下游水箱的底部，自循环管道上依次设置有自循环阀门、水泵和电磁流量计，自循环阀门靠近下游水箱，自循环阀门和水泵之间的自循环管道上连通有供水单元。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

地下水单元包括固定在水槽的下方的若干地下水箱，地下水箱的内部均设置有溶质测量装置，地下水箱的底部共同连通有地下水管道，地下水管道的另一端连通至上游水箱，地下水管道上设置有蠕动泵。

供水单元包括供水箱，供水箱上连通有供水管道，供水管道的另一端连通至自循环管道，供水管道上设置有供水阀门。

下游水箱与水槽连接的侧壁还设置有沉砂槽，沉砂槽位于过水层的下方。

水槽的底壁还设置有卸砂漏斗。

尾门装置为帆板门叶片，帆板门叶片的上方设置有帆板门导杆。

溶质测量装置为电导率电极，电导率电极通过导线连接有电导率主机。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置的使用方法，采用地表水与地下水潜流交换自循环试验装置，其结构为：包括长方体的水槽，水槽的底壁均匀开设有若干渗水孔，水槽的下方设置有地下水单元，水槽的内部由底壁向上依次设置有滤砂层和沉积层，滤砂层为400目不锈钢筛网，沉积层为沙砾，沉积层与水槽的顶部形成有过水层，水槽沿长度方向的两端分别固定有上游水箱和下游水箱，上游水箱和下游水箱分别与过水层的两端连通，上游水箱与过水层的连通处设置有消能孔板，下游水箱与过水层的连通处设置有尾门装置，过水层、上游水箱和下游水箱的内部均设置有溶质测量装置，上游水箱的底部连通有自循环管道，自循环管道的另一端连通至下游水箱的底部，自循环管道上依次设置有自循环阀门、水泵和电磁流量计，自循环阀门靠近下游水箱，自循环阀门和水泵之间的自循环管道上连通有供水单元；

地下水单元包括固定在水槽的下方的若干地下水箱，地下水箱的内部均设置有溶质测量装置，地下水箱的底部共同连通有地下水管道，地下水管道的另一端连通至上游水箱，地下水管道上设置有蠕动泵；

供水单元包括供水箱，供水箱上连通有供水管道，供水管道的另一端连通至自循环管道，供水管道上设置有供水阀门，

具体按照以下步骤实施：

步骤1、关闭蠕动泵，向沉积层中加入清水，至水面恰好淹没沉积层且1小时内无下降；

步骤2、向供水箱加入溶质并搅拌均匀；

步骤3、关闭自循环阀门，打开供水阀门，打开水泵，控制尾门装置开度使过水层达到试验目标水位；

步骤4、关闭供水阀门，打开自循环阀门，控制水泵开度至试验目标流速；

步骤5、打开蠕动泵，待上游水箱、过水层、下游水箱和地下水箱的溶质浓度恒定；

步骤6、计算步骤5中打开蠕动泵至上游水箱、过水层、下游水箱和地下水箱的溶质浓度恒定期间内水槽的瞬时潜流交换量。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

步骤5中打开蠕动泵使水流沿地下水箱向上游水箱流动，计算步骤5中打开蠕动泵至上游水箱、过水层、下游水箱和地下水箱的溶质浓度恒定期间内的t时刻的潜流交换量Q_H，潜流交换量Q_H的计算公式为：

其中，V为地表水总体积，即上游水箱、过水层、下游水箱和自循环管道中的水体总体积；C为t时刻的地表水浓度，即上游水箱、过水层和下游水箱中的溶质测量装置的浓度平均值；Q_L为t时刻蠕动泵的瞬时流量；C′为t时刻的地下水浓度，即地下水箱中的溶质测量装置的浓度平均值，C₀为地表水的初始浓度，在步骤3中打开水泵至水流进入过水层的期间内通过上游水箱中的溶质测量装置测得；V_S为沉积物的总体积，θ为沉积物的孔隙率，V′为地下水体积，即地下水箱中的水体总体积。

步骤5中打开蠕动泵使水流沿上游水箱向地下水箱流动，计算步骤5中打开蠕动泵至上游水箱、过水层、下游水箱和地下水箱的溶质浓度恒定期间内的t时刻的潜流交换量Q_H，潜流交换量Q_H的计算公式为：

其中，V为地表水总体积，即上游水箱、过水层、下游水箱和自循环管道中的水体总体积；C为t时刻的地表水浓度，即上游水箱、过水层和下游水箱中的溶质测量装置的浓度平均值；Q_G为t时刻蠕动泵的瞬时流量；C′为t时刻的地下水浓度，即地下水箱中的溶质测量装置的浓度平均值，C₀为地表水的初始浓度，在步骤3中打开水泵至水流进入过水层的期间内通过上游水箱中的溶质测量装置测得；V_S为沉积物的总体积，θ为沉积物的孔隙率，V′为地下水体积，即地下水箱中的水体总体积。

本发明的有益效果是：本发明的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置，通过地表水单元和地下水单元，可同时模拟地表水与地下水潜流交换自循环，在不损失总流量和溶质的情况下完成了地表水与地下水耦合试验；通过电导率仪测定地表水和地下水溶质浓度，从而可以利用钠离子示踪法研究地下水对潜流交换的影响。

附图说明

图1是本发明的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置的结构示意图；

图2是图1中的本发明的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置的俯视图；

图3是图1中的本发明的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置的仰视图；

图4是图1中的本发明的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置中的A-A剖视图。

图中，1.水槽，2.过水层，3.沉积层，4.滤砂层，5.上游水箱，6.下游水箱，7.消能孔板，8.尾门装置，9.自循环管道，10.自循环阀门，11.水泵，12.电磁流量计，13.供水管道，14.供水箱，15.供水阀门，16.地下水箱，17.溶质测量装置，18.地下水管道，19.蠕动泵，20.沉砂槽，21.卸砂漏斗，22.承重墩。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置，如图1至图4所示，包括长方体的水槽1，水槽1的底壁均匀开设有若干渗水孔，水槽1的下方设置有地下水单元，水槽1的内部由底壁向上依次设置有滤砂层4和沉积层3，滤砂层4为400目不锈钢筛网，沉积层3为沙砾，沉积层3与水槽1的顶部形成有过水层2，水槽1沿长度方向的两端分别固定有上游水箱5和下游水箱6，上游水箱5和下游水箱6分别与过水层2的两端连通，上游水箱5与过水层2的连通处设置有消能孔板7，下游水箱6与过水层2的连通处设置有尾门装置8，过水层2、上游水箱5和下游水箱6的内部均设置有溶质测量装置17，上游水箱5的底部连通有自循环管道9，自循环管道9的另一端连通至下游水箱6的底部，自循环管道9上依次设置有自循环阀门10、水泵11和电磁流量计12，自循环阀门10靠近下游水箱6，自循环阀门10和水泵11之间的自循环管道9上连通有供水单元。

地下水单元包括固定在水槽1的下方的若干地下水箱16，地下水箱16的内部均设置有溶质测量装置17，地下水箱16的底部共同连通有地下水管道18，地下水管道18的另一端连通至上游水箱5，地下水管道18上设置有蠕动泵19。

供水单元包括供水箱14，供水箱14上连通有供水管道13，供水管道13的另一端连通至自循环管道9，供水管道13上设置有供水阀门15。

下游水箱6与水槽1连接的侧壁还设置有沉砂槽20，沉砂槽20位于过水层2的下方。

水槽1的底壁还设置有卸砂漏斗21。

尾门装置8为帆板门叶片，帆板门叶片的上方设置有帆板门导杆。

溶质测量装置17为电导率电极，电导率电极通过导线连接有电导率主机。

水槽1的底部下方通过钢管连接有承重墩22。

在本实验装置中，地下水单元包括固定在水槽1的下方的5个地下水箱16以及5个地下水箱16中设置的电导率电极、地下水管道18和蠕动泵19；地表水单元包括上游水箱5、下游水箱6和过水层2以及它们中设置的电导率电极和自循环管道9、自循环阀门10、水泵11和电磁流量计12；根据上述结构的地下水单元解决地下水可计量的均匀入渗；通过地表水单元可以解决地表水和地下水在系统内自循环运移；通过布设的电导率电极同时监测地表水与地下水氯化钠浓度的瞬时值，可进一步研究地下蠕动泵19泵入或者抽出工况下对潜流交换量的影响。

通过在带孔的水槽1内部铺设400目不锈钢筛网解决沉积物悬空的问题；通过现有技术中能够拦截水流的帆板门导杆控制帆板门叶片来控制过水层2的水深；地下水箱16为长度1m，宽度0.5m，高度0.1m的不锈钢水箱；蠕动泵19为8通道双向蠕动泵，用来提供地下水单元动力以及计量流经自身的流量；溶质测量装置17为MIK-TDS210电导率仪；水泵11的额定功率45KW扬程7m用来提供地表水单元的循环动力；电磁流量计12的量程0-40L/s用来监测地表水单元的流量从而用来探究地表水流量大小对潜流交换的影响；供水箱14用来为整个系统供水和回水；水槽1的长度、宽度和高度分别为7m、0.5m和1.2m，水槽1的宽度设置0.5m一是为了消除过窄水槽引起的边壁回流的问题，二是方便人对于沉积物的填入和造型操作；上游水箱5和下游水箱6与水槽1连接处均为防水连接；消能孔板7为20mm厚的有机玻璃板，均匀打有96个直径为20mm的孔，消能孔板7能够消能并引导水流稳定进入水槽1；沉积物层3厚70cm；沉砂槽20为3mm厚的不锈钢板，用于防止水槽1内的沙砾进入自循环管道9损坏水泵11；供水管道13和自循环管道9均为直径150mm的PVC管，也可以采用不锈钢管；地下水管道18为直径5mm的透明塑料软管；地下水箱16采用5个长宽高分别为1m，0.5m，0.1m的不锈钢铁箱，采用5个地下水箱16可以使蠕动泵19向沉积层3中更加均匀的抽水和泵水；供水箱14的长宽高分别为2m，1.5m，1.0m。

本发明还提供了采用上述地表水与地下水潜流交换自循环试验装置的使用方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、关闭蠕动泵19，向沉积层3中加入清水，至水面恰好淹没沉积层3且1小时内无下降；

步骤2、向供水箱14加入溶质并搅拌均匀；

步骤3、关闭自循环阀门10，打开供水阀门15，打开水泵11，控制尾门装置8开度使过水层2达到试验目标水位，在本试验中过水层水位为30cm；

步骤4、关闭供水阀门15，打开自循环阀门10，控制水泵11开度至试验目标流速，在本试验中水泵11的流量控制在为0-20L/s；

步骤5、打开蠕动泵19，待上游水箱5、过水层2、下游水箱6和地下水箱16的溶质浓度恒定；

步骤6、计算步骤5中打开蠕动泵19至上游水箱5、过水层2、下游水箱6和地下水箱16的溶质浓度恒定期间内水槽1的瞬时潜流交换量。

由于本水槽为自循环水槽，试验过程总水量、溶质保持不变，同时存在两组水交换循环：即地表水单元和地下水单元之间的循环，为封闭循环。也就是水流根据蠕动泵19的不同泵水方向分为：由地下水箱16向上游水箱5泵水时的水流方向，沉积层3→地下水箱16→地下水管道18→上游水箱5→过水层2→沉积层3；由上游水箱5向地下水箱16泵水时的水流方向，沉积层3→过水层2→上游水箱5→地下水管道18→地下水箱16→沉积层3，地表水单元和地下水单元之间的循环的流量通过蠕动泵19显示读数。本水槽同时存在另外一组水交换循环，即过水层2与沉积层3之间的潜流交换循环，也分为两个水流方向，沉积层3→过水层2和过水层2→沉积层3。因为总水量、溶质保持不变可推出潜流交换循环也为封闭循环。通过上述间接测量方法来计算潜流交换量。

根据溶质质量守恒公式：

C₀V＝CV+C_SV_Sθ+C′V′ (1)

(1)中V为地表水总体积，即上游水箱6、过水层2、下游水箱6和自循环管道9中的水体总体积；C为t时刻的地表水浓度，即上游水箱6、过水层2和下游水箱6中的溶质测量装置17的浓度平均值；C′为t时刻的地下水浓度，即地下水箱16中的溶质测量装置17的浓度平均值，C₀为地表水的初始浓度，在步骤3中打开水泵11至水流进入过水层2的期间内通过上游水箱6中的溶质测量装置17测得；V_S为沉积物的总体积，θ为沉积物的孔隙率，V′为地下水体积，即地下水箱16中的水体总体积；C_S为t时刻沉积物中的孔隙水浓度。

以上t时刻为步骤8中打开蠕动泵19至上游水箱5、过水层2、下游水箱6和地下水箱16的溶质浓度恒定期间内的某个时刻。

由公式(1)得出沉积物中的孔隙水浓度C_S：

本计算方法通过粒子守恒推导，从而间接得到孔隙水的溶质浓度，进而在实验中分两种实施例研究地下水单元对潜流交换量的影响，并分别得出两种实施例下的瞬时潜流交换量Q_H：

实施例1：

打开蠕动泵19使水流沿地下水箱16向上游水箱5流动，t时刻地表水中溶质总量m_(t)：

m_(t)＝m₀+Δm_t＝CV (3)

(3)中m(t)为t时刻时地表水的溶质的质量；m₀＝C₀V为地表水初始的溶质的质量；Δm_t为地表水溶质的质量变化量；C为t时刻时地表水的溶质的浓度。

对公式(3)求积分可得：

(4)中Q_L为t时刻蠕动泵19的瞬时流量。

对公式(4)求导可得：

整理公式(5)得到潜流交换量Q_H：

将公式(2)代入公式(6)，可得t时刻，潜流交换量Q_H的计算公式为：

在本实验中，t＝0时刻地表水电导率仪测得地表水初始浓度C₀为0.2g/L，地表水总体积V为2194L，地下水体积V′为250L，打开蠕动泵19使水流沿地下水箱16向上游水箱5流动。t＝120min时刻，蠕动泵19流量Q_L为0.005L/s，沉积物总体积V_S为2450L，沉积物孔隙率θ为0.41，120min时刻测得地下水箱内溶质平均浓度C′为0.031g/L，地表水平均浓度C为0.1694g/L，地表水浓度变化率为-9.87×10^-7g/L.s。带入公式(7)可得潜流交换量Q_H＝0.0133613L/s。

实施例2：

打开蠕动泵19使水流沿上游水箱5向地下水箱16流动，t时刻地表水中溶质总量m_(t)：

m_(t)＝m₀+Δm_t＝CV (3)

对公式(3)求积分可得：

(8)中Q_G为t时刻蠕动泵19的瞬时流量。

对公式(8)求导可得：

整理公式(9)得到潜流交换量Q_H：

将公式(2)代入公式(10)，可得t时刻，潜流交换量Q_H的计算公式为：

在本实验中，t＝0时刻地表水电导率仪测得地表水初始浓度C₀为0.2g/L，地表水总体积V为2194L，地下水体积V′为250L，打开蠕动泵19使水流沿向上游水箱5向地下水箱16流动。t＝120min时刻，蠕动泵19流量Q_G为0.005L/s，沉积物总体积V_S为2450L，沉积物孔隙率θ为0.41，120min时刻测得地下水箱内溶质平均浓度C′为0.0536g/L，地表水平均浓度C为0.1718g/L，地表水浓度变化率为-9.15×10^-7g/L.s。带入公式(7)可得潜流交换量Q_H＝0.01125L/s。