一种可调节供水方式的潜流交换砂槽模型的制作方法

本发明涉及一种可调节供水方式的潜流交换砂槽模型，属于地表水与地下水交换技术领域。

背景技术：

在水循环中，地表水与地下水存在着紧密的联系，关于地表水与地下水相互作用的研究一直是水循环和水资源研究的热点。潜流交换指的是发生在潜流带内的地表水与地下水交换过程，其对河流与潜流带中的物理化学以及生物过程，如藻类生长、无脊椎动物组成和凋落物分解等具有重要影响。研究潜流交换的物理机制对于地表水和地下水溶质迁移转化的机理研究、河流与地下水水质污染研究，以及指导相关水利工程项目的修建和制订合理的区域水资源环境保护措施等都具有重要的科学意义和实践价值。

目前来说，建立砂槽模型进行物理试验已经成为研究潜流交换的主要方法之一。已有研究中，研究潜流交换的砂槽模型往往供水方式单一，只能通过调节上下游定水头装置驱动水流运动，或者只能通过水泵驱动，二者结合的砂槽模型尚未建立。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种可调节供水方式的潜流交换砂槽模型，既可以实现定水头供水，也可以通过水泵实现定流量供水，不同供水模式间切换简单，易于操作，满足不同情景的试验需求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种可调节供水方式的潜流交换砂槽模型，其特征在于，包括砂槽主体，定水头装置，水泵以及水管连接部分；所述砂槽主体主要由位于中间的主砂箱、两侧的上游水箱、下游水箱以及下部水箱组成，所述主砂箱内部装有试验用砂，主砂箱与三面水箱之间以带过滤孔的有机玻璃板隔开；所述定水头装置包括上游定水头装置和下游定水头装置，所述水管连接部分从上游水箱接出，连接一个上游三向接头，所述上游三向接头的另外两端分别通过水管接上游定水头装置和水泵的入口，水泵的出口再通过水管连接到下游三向接头上，下游三向接头的另外两端分别连接下游水箱的出口以及下游定水头装置；所述定水头装置为箱体，其中部设有隔板，将整个装置分为上下两部分，下部主要用于支撑，上部整体为一水槽，水槽内由一块略低于水槽边壁的挡板分隔为内外两个小水槽，外侧小水槽连接水龙头，用于供水，内侧小水槽连接砂槽装置；所述定水头装置上设有一带有螺纹的圆柱穿过顶板连接中部隔板，可通过旋转螺杆微调固定隔板在垂向上的位置，实现上下游水头的微调。

优选的，所述上游水箱、下游水箱和下部水箱采用长方体箱；所述主砂箱左、右两侧的上游水箱、下游水箱分别模拟河流上下游，上游水箱、下游水箱侧面的底部均设有一个圆孔，用以外接水管连接部分；所述下部水箱模拟区域地下水，其侧面的底部开有圆孔，连接排水管道。

进一步地，所述主砂箱为顶部开口的长方体箱，主砂箱的正面，标有刻度尺。

优选的，所述主砂箱、上游水箱、下游水箱、下部水箱以及定水头装置均由有机玻璃板制作而成。

进一步地，所述带过滤孔的有机玻璃板上铺设铁丝网和纱布。

进一步地，所述主砂箱的背面均匀排布有若干数量的圆孔，圆孔在不使用时通过螺丝封闭。

进一步地，所述上游定水头装置与上游三向接头间、下游定水头装置与下游三向接头间、水泵与上下游三向接头之间均连有阀门；通过定水头装置供水时，关闭水泵两端的阀门；通过水泵驱动水流循环流动时，关闭定水头装置的阀门。

本发明所达到的有益效果：

既可以实现定水头供水，也可以通过水泵实现定流量供水，定水头装置的设置使得水头成为可量化的可控因素；水泵的设计使得水流可以实现定流量循环往复；装置所用材料为有机玻璃，经济实惠且有利于试验观测；本装置既可以实现定水头供水，也可以通过水泵实现定流量供水，不同的供水方式可满足不同的试验需求，且可以通过阀门轻易转化；装置具有操作简单，经济实惠的优点，对潜流交换机理的研究具有重要意义，也对潜流带的物理模型建立提供一个良好的思路。

附图说明

图1是本发明的一种可调节供水方式的潜流交换砂槽模型的结构主视图；

图2是图1所示实施例的俯视图；

图3是图1所示实施例的左视图；

图4是图1所示实施例中定水头装置的结构主视图。

图5是图1所示实施例中定水头装置的俯视图。

图6是图1所示实施例中定水头装置的左视图

图中附图标记的含义：1.主砂箱，2.两侧长方体水箱（上游水箱和下游水箱），3.下部长方体水箱，4.垫板，5.木块，6.木桩，7.螺丝，8.阀门，9.三向接头，10.排水管，11.螺纹圆柱，12.定水头装置外框，13.外侧挡板，14.内侧挡板，15.内部箱槽，16.水管，17.水泵，18.过滤孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参见图1和图2，本发明的一种可调节供水方式的潜流交换砂槽模型，包括：砂槽主体，定水头装置，水泵以及水管连接部分。所述砂槽主体由位于中间的主砂箱1和两侧长方体水箱2、下部长方体水箱3组成，所述两侧长方体水箱2的侧面开孔外接水管连接部分。所述下部长方体水箱3侧面的底部开有圆孔，连接排水管10。所述水管连接部分，从左侧长方体水箱的圆孔接出，连接一个三向接头9，一端外接定水头装置，另一端与水泵17的入口相连，水泵17的出口再通过水管连接到下游的三向接头9上，下游三向接头的另外两端分别连接下游长方体水箱的出口以及下游的定水头装置。主砂箱1的背面均匀排布有一定数量的圆孔，圆孔在不使用时可通过螺丝7封闭。

参见图3，所述主砂箱与三面长方体水箱之间以有机玻璃板隔开，有机玻璃上均匀分布过滤孔18。

装置的固定利用铁钉与木块来实现。具体方式为：木板4长度和宽度与砂槽一致，垫在装置底部。木块5紧贴底部水箱前后，放置于木板4之上，木桩6纵向放置于木板4之下，长度为与砂槽宽度一致。木块5，木板4，木桩6利用铁钉打穿，从而固定在一起，支撑起整个装置。

参见图4，图5和图6。所述定水头装置为一长方体箱12。所述装置中部设有隔板，将整个装置分为上下两部分。下部主要用于支撑，上部外侧设有两块不同高度的挡板13和挡板14，内低外高，挡板之间开口连一水管17，外接至水龙头。上部内侧开口连一水管16，外接至砂槽装置。所述装置设置一带有螺纹的圆柱11，穿过顶板连接中部隔板，用以固定隔板在垂向上的位置。

优选地，定水头装置通过内设两块不同高度的挡板来做到水头的稳定。其利用到了溢流坝的原理。两块挡板内低外高，并相隔至少一个管径设立。板之间开孔连接一根水管至水龙头，用以外水的流入。当水位达到内侧挡板高度时，水即漫过挡板进入内部箱槽15，再通过内部箱槽连通的水管进入砂槽。由于内侧挡板的设置，水位保持不变。这样，就达到了定水头的目的。

进一步优选地，上下游的定水头装置与三向接头9之间、水泵17与三向接头9之间均连有阀门。通过定水头装置供水时，可关闭水泵两端的阀门；通过水泵驱动水流循环流动时，关闭定水头装置的阀门。

本发明既可以实现定水头供水，也可以通过水泵实现定流量供水，不同的供水方式可满足不同的试验需求，且可以通过阀门轻易转化。装置具有操作简单，经济实惠的优点，下面对该一种可调节供水方式的潜流交换砂槽模型中涉及人工操作的地方进行简要介绍：

（1）堵住排水管10，根据实验需要，选择使用定水头装置供水或者水泵循环供水；

（2）使用定水头装置供水时，关闭水泵两端阀门9，通过旋转定水头装置上的螺纹圆柱11，调节上下游定水头装置的水头高低，入水口连接水龙头放水，出水口排水，水流在已知水头差的作用下流动；

（3）使用水泵循环供水时，先闭合下游三向接头与下游定水头装置间的阀门9，打开其他阀门，上游定水头装置入水口连接水龙头放水至合适水量，闭合上游三向接头与上游定水头装置间的阀门。打开水泵，调整到合适流量，水量将以已知流量流动；

（4）试验过程中，可根据试验需要，通过对装置背面螺丝7的调整，实现局部示踪剂的添加，或者外接设备进行水力参数的测量；

（5）试验完成后，打开所有阀门，打开排水管10进行装置排水。

综上，本发明既可以实现定水头供水，也可以通过水泵实现定流量供水，不同的供水方式可满足不同的试验需求，可通过阀门轻易转化。装置具有操作简单，经济实惠的优点，对潜流交换机理的研究具有重要意义，也对潜流带的物理模型建立提供一个良好的思路。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。