一种监测潜流交换通量的装置及监测方法与流程

本发明属于水利工程试验设备技术领域，涉及一种监测潜流交换通量的装置，本发明还涉及采用上述装置监测潜流交换通量的方法。

背景技术：

潜流带是河流河床内水分饱和的沉积物层，是河水与地下水相互作用的区域，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。水作为热量的优良载体，在水流动过程中会携带能量变化的信息，观测河流，湖泊、湿地、河渠底部温度场的时空分布，能够确定地下水与地表水体的交换过程。

目前，研究河床潜流交换过程模式的方法大多采用室内试验去实现。查阅国内外文献，以往水槽装置多用于溶质示踪、地表水水动力变化、河床形态改变和沉积物渗透性改变等因素，研究河床的潜流交换过程模式。然而，试验过程中沉积物存在各项异性，溶质分布存在非均一性，准确测量其浓度，难度大、误差大，不能准确地模拟地表水与地下水潜流交换的瞬态过程。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种监测潜流交换通量的装置，解决了现有技术中存在的不能控制水槽地表水加热与冷却来研究潜流交换的瞬态过程问题。

本发明的另一个目的是提供一种监测潜流交换通量的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种监测潜流交换通量的装置，包括水槽，沿水槽内壁竖直设置有两个相互平行的挡砂板，挡砂板将水槽分为上游水箱、地表水箱、下游水箱，两个挡砂板之间的区域为地表水箱，地表水箱的内部从上之下依次分为过水层、沉积物层，上游水箱底部通过管道连通有水泵，水泵通过管道连接有出口三通，出口三通通过管道分别连通有管道加热装置和管道冷却装置，管道加热装置和管道冷却装置通过管道共同连通有进口三通，进口三通通过管道与下游水箱底部连通，进口三通还连接有供水管道，供水管道连通有供水箱，位于沉积物层的内侧壁设置有温度传感器阵列，温度传感器通过导线连接有温度记录仪，进口三通与下游水箱之间的管道上设有自循环阀门，供水管道上设置有供水阀门。

管道冷却装置包括冷却水箱，出口三通通过管道连通冷却水箱，冷却水箱通过管道共同连通有进口三通，冷却水箱还连通有冷却循环水进水管和冷却循环水回水管，冷却循环水进水管连接有循环水抽水泵，冷却循环水抽水泵接通供水箱，冷却循环水回水管连接有冷却循环水回水泵，冷却循环水回水泵接通供水箱，冷却循环水回水管上设置有回水阀门，上游水箱与过水层之间设有消能孔板，消能孔板上均匀开设有多个孔，消能孔板固定在挡砂板上，下游水箱与过水层之间设置有尾门装置，尾门装置固定在挡砂板上，下游水箱内设置有水位调节板。

上游水箱与水泵之间的管道与进口三通与下游水箱之间的管道均设置为塑料伸缩软管，上游水箱与水泵之间的管道上设有电磁流量计，出口三通与管道加热装置之间的管道上设置有第一阀门，和出口三通与冷却水箱之间的管道上设置有第二阀门，管道加热装置与进口三通之间的管道上设置有第三阀门，冷却水箱与进口三通之间的管道上设置有第四阀门。

下游水箱底部还连接有回水管，回水管另一端接通供水箱，回水管上设置有常闭阀门。

地表水箱设置为长方体，两个挡砂板沿地表水箱的长度方向依次布置，温度传感器在地表水箱的长度方向中间5m处等间距分布，温度传感器沿地表水箱深度方向在沉积物层下10、20、30、50cm位置依次布置。

上游水箱和下游水箱中均设置有温度监测装置。

水槽底部设置有液压支撑杆和可旋转支撑杆，水槽外侧壁上固定安装有记录仪放置板，温度记录仪固定在记录仪放置板上。

管道加热装置包括温度控制器和温度加热棒。

本发明的另一个技术方案是，一种监测潜流交换通量的方法，采用一种监测潜流交换通量的装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1，向地表水箱中加入沉积物，然后关闭自循环阀门，打开供水阀门，打开水泵，由供水箱向水槽中供水至地表水箱中的地表水水位恒定；

步骤2，关闭供水阀门，打开自循环阀门，改变水泵开度待流量达到实验要求，使地表水水位稳定；

步骤3，调节地表水温度，并保存水温变化过程中温度记录仪记录的温度数据以及时间数据；

步骤3.1，开启管道加热装置将地表水加热至试验要求最高温度，待地表水加热至试验要求最高温度后，关闭管道加热装置；

步骤3.2，打开管道冷却装置，将地表水降温至实验要求的最低温度，待地表水冷却至试验要求最低温度后，关闭管道冷却装置；

步骤3.3，保存水温变化过程中温度记录仪记录的温度数据以及时间数据。

步骤4，根据温度记录仪记录的温度数据、时间数据计算地表水箱的潜流交换量，单位面积潜流交换量计算公式为：

其中：κ_e为有效热扩散系数m²/s，C为沉积物的比热容J/m³/℃，C_w为水的比热容J/m³/℃，Ar为不同深度的2个温度传感器温度振幅比，

v为河床入渗率；P为温度变化的周期，Δz为不同深度的两个测量点之间的直线距离。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，向地表水箱中加入沉积物，关闭自循环阀门，打开供水阀门，打开水泵，打开第一阀门，打开第三阀门，由供水箱向水槽的沉积物层中加入清水，使沉积物层达到饱和状态，即水面恰好淹没沉积物层表面，且小时内水面无下降；

步骤1.2，调整水位调节板的角度使过水层的水深达到实验要求水位；

步骤3.1具体按照以下步骤实施：

步骤3.1.1，开启管道加热装置，并在温度控制器上设置试验要求最高温度，恒温加热；

步骤3.1.2，观察温度监测装置，待地表水加热至试验要求最高温度后，关闭管道加热装置，关闭第一阀门，关闭第三阀门；

步骤3.2具体按照以下步骤实施：

步骤3.2具体按照以下步骤实施：

步骤3.2.1，打开第二阀门和第四阀门，使水流入冷却水箱；

步骤3.2.1，待冷却水箱满后，打开冷却循环抽水泵，打开冷却循环水出水阀门；

步骤3.2.2，打开冷却循环水回水泵；

步骤3.2.3，观察温度监测装置，当温度降至试验要求最低温度时，关闭冷却循环抽水；

步骤3.2.4，当冷却水箱中的水抽完，关闭冷却循环回水泵，此时，为一个循环周期。

本发明的有益效果是：本发明的一种监测潜流交换通量的装置，通过设置上下游水箱之间的自循环水系统，可模拟地表水与地下水潜流交换自循环，在温度控制准确地情况下完成了地表水与地下水耦合试验；通过布置在地表水箱边壁内侧的温度传感器测定不同位置的温度，从而可以利用温度示踪法研究地下水对潜流交换的影响。通过温度时序曲线定性分析方法，间接测定指定位置的孔隙水温度，进而得到潜流交换通量。

附图说明

图1是本发明的一种监测潜流交换通量的装置的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的仰视图；

图4是本发明的一种监测潜流交换通量的装置的温度传感器与温度记录仪连接关系示意图；

图5是本发明的一种监测潜流交换通量的装置的管道冷却装置的结构示意图；

图6是本发明的一种监测潜流交换通量的装置的消能孔板与挡砂板安装关系示意图；

图7是本发明的一种监测潜流交换通量的装置的局部管道连接示意图；

图8是本发明的一种监测潜流交换通量的装置的管道加热装置的结构示意图。

图中，1.水槽，2.过水层，3.沉积物层，4.上游水箱，5.下游水箱，6.消能孔板，7.尾门装置，8.水位调节板，9.第一阀门，10.温度监测装置，11.第二阀门，12.电磁流量计，13.水泵，14.出口三通，15.管道加热装置，16.管道冷却装置，17.进口三通，18.自循环阀门，19.冷却循环水进水管，20.冷却循环水回水管，21.冷却循环水抽水泵，22.回水阀门，23.冷却循环水回水泵，24.供水箱，25.供水管道，26.供水阀门，27.温度传感器，28.液压支撑杆，29.可旋转支撑杆，30.回水管，31.温度控制器，32.温度加热棒，33.温度记录仪，34.挡砂板，35.记录仪放置板，36.地表水箱，37.第三阀门，38.第四阀门，39.冷却水箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种监测潜流交换通量的装置，如图1-图3所示，包括水槽1，沿水槽1内壁竖直设置有两个相互平行的挡砂板34，挡砂板34将水槽1分为上游水箱4、地表水箱36、下游水箱5，两个挡砂板34之间的区域为地表水箱36，地表水箱36的内部从上之下依次分为过水层2、沉积物层3，上游水箱4底部通过管道连通有水泵13，水泵13通过管道连接有出口三通14，出口三通14通过管道分别连通有管道加热装置15和管道冷却装置16，管道加热装置15和管道冷却装置16通过管道共同连通有进口三通17，进口三通17通过管道与下游水箱5底部连通，进口三通17还连接有供水管道25，供水管道25连通有供水箱24，位于沉积物层3的内侧壁设置有温度传感器27 阵列，如图4所示，温度传感器27通过导线连接有温度记录仪33，进口三通17与下游水箱5之间的管道上设有自循环阀门18，供水管道25上设置有供水阀门26。

如图5所示，管道冷却装置16包括冷却水箱39，出口三通14通过管道连通冷却水箱39，冷却水箱39通过管道共同连通有进口三通17，冷却水箱39还连通有冷却循环水进水管19和冷却循环水回水管20，冷却循环水进水管19连接有循环水抽水泵21，冷却循环水抽水泵21接通供水箱24，冷却循环水回水管20连接有冷却循环水回水泵23，冷却循环水回水泵23接通供水箱24，冷却循环水回水管20上设置有回水阀门22，如图6所示，上游水箱4与过水层2之间设有消能孔板6，消能孔板6上均匀开设有多个孔，消能孔板6固定在挡砂板34上，下游水箱5与过水层2之间设置有尾门装置7，尾门装置7固定在挡砂板34上，下游水箱5内设置有水位调节板8。

如图7所示，上游水箱4与水泵13之间的管道与进口三通17与下游水箱5之间的管道均设置为塑料伸缩软管，上游水箱4与水泵13之间的管道上设有电磁流量计12，出口三通14与管道加热装置15之间的管道上设置有第一阀门9，和出口三通14与冷却水箱39之间的管道上设置有第二阀门11，管道加热装置15与进口三通17之间的管道上设置有第三阀门37，冷却水箱39与进口三通17之间的管道上设置有第四阀门38。

下游水箱5底部还连接有回水管30，回水管30另一端接通供水箱24，回水管30上设置有常闭阀门。

地表水箱36设置为长方体，两个挡砂板34沿地表水箱36的长度方向依次布置，温度传感器27在地表水箱36的长度方向中间5m处等间距分布，温度传感器27沿地表水箱36深度方向在沉积物层3下10、20、30、50cm 位置依次布置。

上游水箱4和下游水箱5中均设置有温度监测装置10。

水槽1底部设置有液压支撑杆28和可旋转支撑杆29，水槽1外侧壁上固定安装有记录仪放置板35，温度记录仪31固定在记录仪放置板35上。

如图8所示，管道加热装置15包括温度控制器31和温度加热棒32。

本发明一种监测潜流交换通量的装置的工作原理为：工作时，向地表水箱36中加入沉积物，然后关闭自循环阀门18，打开供水阀门26，打开水泵13，打开第一阀门9，第三阀门37，向沉积物层3中加入清水，使沉积物层达到饱和状态，即水面恰好淹没沉积物层3表面，且1小时内水面无下降，并调整水位调节板8的角度使过水层2的水深达到实验要求水位；然后，关闭供水阀门25，打开自循环阀门18，改变水泵13开度待流量达到实验要求，使地表水水位稳定；再开启管道加热装置15并在温度控制器31上设置试验要求最高温度后，调节第二阀门11，第四阀门38，使水流入冷却水箱39，同时，打开冷却循环抽水泵21，待管道冷却水箱39中水满，打开冷却循环水出水阀门22和打开冷却循环水回水泵23，通过观察温度监测装置10，当温度降至试验要求最低温度时，关闭冷却循环抽水21，当冷却水箱39中的水抽完，关闭冷却循环回水泵23；然后观察并记录温度记录仪记录的温度数据、时间数据，根据温度记录仪记录的温度数据、时间数据计算地表水箱的潜流交换量。通过管道加热装置15以及管道冷却装置16使地表水箱36中的地表水温度成周期性变化，由布置在地表水箱36内侧壁的温度传感器27阵列测定指定位置的孔隙水的温度，再根据温度时序曲线定性分析方法，由不同深度温度传感器的温度曲线相位和振幅变化研究地表水和地下水的潜流交换通量。

本发明的一种监测潜流交换通量的装置通过设置管道加热装置15和管道冷却装置16，并将管道加热装置15与冷却装置16并联起来，管道加热装置15上设置温度控制器31，冷却装置16上连接冷却循环水进水管19和冷却循环水回水管20，冷却循环水进水管19连接有循环水抽水泵21，循环水抽水泵21接通供水箱24，冷却循环水回水管20连接有循环水回水泵23，循环水回水泵23接通供水箱24，冷却循环水回水管20上设置有回水阀门22，可以解决循环水加热与冷却问题，加热时：调节各个配合的阀门，使水通过管道加热装置15，水经过安装在管道上的管道加热装置，并通过温度控制器设定试验要求温度，从而达到加热的目的；制冷时：调节各个阀门出口三通，使循环水通过管道冷却装置16，此后打开冷却循环水抽水泵21，向管道冷却装置16中泵水，待管道冷却装置中充满水，打开回水阀门22，同时打开冷却循环水回水泵20，通过与管道冷却装置中的管道形成热传递，从而使得循环水的温度得以降低，再由安装在上下游水箱的温度监测装置来选择关闭冷却装置的时间。本发明的尾门装置7为帆板门叶片，固定在挡砂板上，调节水位调节板8的角度可调节过水层2的水深；本发明的温度加热装置15的直径0.5m，长1.5m，管道冷却装置的直径0.5m，长度1.5m，冷却循环水进水管19和冷却循环水回水管20直径为0.1m；温度传感器27为TMC50-HD型，温度记录仪33采用4通道UX120-006型，一个温度记录仪33了连接4个温度传感器27，电磁流量计12的量程0-60L/s用来监测地表水循环系统的流量，水泵13为地表水循环提供动力；供水箱24为整个系统提供用水；在试验结束时，或者实验过程中地表水箱中水位过高时，可以打开回水管30上设置的常闭阀门通过回水管30将水槽1中的水回收到供水箱中，从而形成整个系统的循环；地表水箱36的长度、宽度和高度可分别为7m、0.4m和1.2m，地表水箱36的高度设置为1.2m主要是考虑到要满足潜流交换，并且不撞到地表水箱36的下边界，而宽度的设置是消除过窄地表水箱引起的边壁回流的问题；上游水箱4和下游水箱5与地表水箱连接处均为防水连接；消能孔板6为50mm厚的有机玻璃板，均匀打有192个直径为20mm的孔，消能孔板6能够消能并引导水流稳定进入地表水箱；沉积物层3厚度设置为70cm；连接管道采用直径为150mm保温不锈钢管，管道冷却装置冷却循环水管采用直径为100mm的不锈钢管，供水管道25采用直径为150mm不锈钢钢管；供水箱采用长宽高分别为2m、1.4m和1.2m的塑料箱；上游水箱4与水泵13之间的管道与进口三通17与下游水箱5之间的管道为塑料伸缩软管主要是考虑变坡之后对管道的作用力，采用可伸缩管道可有效解决变坡问题；液压支撑杆28和可旋转支撑杆29可以对水槽的角度进行微调来模拟具有一定边坡情况，温度监测装置10为温度测量仪，可直接观察测量上下游水箱水的温度。

本发明一种监测潜流交换通量的装置中，消能孔板6能够消能并引导上游水箱4中的水流稳定进入地表水箱36中，尾门装置7能够控制从地表水箱36中流入下游水箱5并对流量进行微调，水位调节板8可通过调节其角度来控制地表水箱36内的水位，上游水箱4与水泵13之间的管道与进口三通17与下游水箱5之间的管道为塑料伸缩软管的设置可有效地适应因变坡对管道产生作用力管道的影响，通过温度监测装置10对地表水箱36中的地表水的温度进行监测，电磁流量计12用于监测管道流量，水泵13为地表水循环提供动力，管道加热装置15对循环水进行加热，管道冷却装置16对循环水进行冷却，自循环阀门18用于控制循环管道内水的启闭，冷却循环水进水管19用于将供水箱的水输送到管道冷却装置中，冷却循环水抽水泵21 将供水箱中的水抽送到管道冷却装置中，回水阀门22用于控制管道冷却装置中的水进入供水箱，冷却循环水回水泵23用于将管道冷却装置中的水泵送到供水箱中，供水箱24为整个系统提供用水，温度传感器24用于测定指定位置的孔隙水温度，液压支撑杆28和可旋转支撑杆29起到变坡作用，同时作为水槽的支撑结构，回水管30用于试验结束后将水槽中的水回收至供水箱，温度控制器31用于控制管道加热器中温度加热棒的温度，温度加热棒32能将交变电流产生的热量传递给管道加热器中的循环水，温度记录仪33用于记录温度传感器测得的温度，挡砂板34用于阻挡沉积物，防止沉积物进入上下游水箱，记录仪放置板35用于固定放置温度记录仪27。

本发明的一种监测潜流交换通量的方法，采用一种监测潜流交换通量的装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1，向地表水箱36中加入沉积物，然后关闭自循环阀门18，打开供水阀门26，打开水泵13，由供水箱24向水槽1中供水至地表水箱36中的地表水水位恒定；

步骤2，关闭供水阀门26，打开自循环阀门18，改变水泵13开度待流量达到实验要求，使地表水水位稳定；

步骤3，调节地表水温度，并保存水温变化过程中温度记录仪记录33的温度数据以及时间数据；

步骤3.1，开启管道加热装置15将地表水加热至试验要求最高温度，待地表水加热至试验要求最高温度后，关闭管道加热装置15；

步骤3.2，打开管道冷却装置16，将地表水降温至实验要求的最低温度，待地表水冷却至试验要求最低温度后，关闭管道冷却装置16；

步骤3.3，保存水温变化过程中温度记录仪记录33的温度数据以及时间数据。

步骤4，根据温度记录仪记录的温度数据、时间数据计算地表水箱的潜流交换量，单位面积潜流交换量计算公式为：

其中：κ_e为有效热扩散系数m²/s，C为沉积物的比热容J/m³/℃，C_w为水的比热容J/m³/℃，Ar为不同深度的2个温度传感器温度振幅比，

v为河床入渗率；P为温度变化的周期，Δz为不同深度的两个测量点之间的直线距离。

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，向地表水箱36中加入沉积物，关闭自循环阀门18，打开供水阀门26，打开水泵13，打开第一阀门9，打开第三阀门37，由供水箱24向水槽1的沉积物层3中加入清水，使沉积物层达到饱和状态，即水面恰好淹没沉积物层3表面，且1小时内水面无下降；

步骤1.2，调整水位调节板8的角度使过水层2的水深达到实验要求水位；

步骤3.1具体按照以下步骤实施：

步骤3.1.1，开启管道加热装置15，并在温度控制器31上设置试验要求最高温度，恒温加热；

步骤3.1.2，观察温度监测装置10，待地表水加热至试验要求最高温度后，关闭管道加热装置15，关闭第一阀门9，关闭第三阀门37；

步骤3.2具体按照以下步骤实施：

步骤3.2具体按照以下步骤实施：

步骤3.2.1，打开第二阀门11和第四阀门38，使水流入冷却水箱39；

步骤3.2.1，待冷却水箱39满后，打开冷却循环抽水泵21，打开冷却循环水出水阀门22；

步骤3.2.2，打开冷却循环水回水泵23；

步骤3.2.3，观察温度监测装置10，当温度降至试验要求最低温度时，关闭冷却循环抽水21；

步骤3.2.4，当冷却水箱39中的水抽完，关闭冷却循环回水泵23，此时，为一个循环周期。

本发明的温度变化周期P是通过传感器测得温度，对其绘制出相应的温度变化曲线分析得到。

本发明在确定有效的热扩散系数κ_e时，对于同一组温度传感器所测数据，振幅和相位分别表示的水流速度应是一致，河床入渗速率关于振幅的方程为：

河床入渗速率关于相位的方程为：

即就是：v_Ar＝v_ΔΦ，此时便得到有效热扩散系数κ_e；

其中，

本发明在确定河床入渗率v时，对于同一组温度传感器所测数据，振幅和相位分别表示的水流速度应是一致，即就是：v_Ar＝v_ΔΦ，此时，v_Ar＝v_ΔΦ＝v即为河床入渗率。

实施例

假设室温为16℃即水的初始温度为16℃，实验要求升温到26℃，降温到16℃；

步骤1，向地表水箱36中加入沉积物，然后关闭自循环阀门18，打开供水阀门26，打开水泵13，由供水箱24向水槽1中供水至地表水箱36中的地表水水位恒定，具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，向地表水箱36中加入沉积物，关闭自循环阀门18，打开供水阀门26，打开水泵13，打开第一阀门9，打开第三阀门37，由供水箱24向水槽1的沉积物层3中加入清水，使沉积物层达到饱和状态，即水面恰好淹没沉积物层3表面，且1小时内水面无下降；

步骤1.2，调整水位调节板8的角度使过水层2的水深达到实验要求水位；

步骤2，关闭供水阀门26，打开自循环阀门18，改变水泵13开度待流量达到实验要求，使地表水水位稳定；

步骤3，调节地表水温度，并保存水温变化过程中温度记录仪记录33的温度数据以及时间数据；

步骤3.1，开启管道加热装置15将地表水加热至试验要求最高温度，待地表水加热26℃后，关闭管道加热装置15，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1.1，开启管道加热装置15，并在温度控制器31上设置恒温26℃，恒温加热；

步骤3.1.2，观察温度监测装置10，待地表水加热至26℃后，关闭管道加热装置15，关闭第一阀门9，关闭第三阀门37；

步骤3.2，打开管道冷却装置16，待地表水冷却至16℃后，关闭管道冷却装置16，具体按照以下步骤实施：

步骤3.2.1，打开第二阀门11和第四阀门38，使水流入冷却水箱39；

步骤3.2.1，待冷却水箱满后，打开冷却循环抽水泵21，待管道冷却装置16中水满，打开冷却循环水出水阀门22；

步骤3.2.2，打开冷却循环水回水泵23；

步骤3.2.3，观察温度监测装置10，当温度降至16℃时，关闭冷却循环抽水21；

步骤3.2.4，当冷却水箱39中的水抽完，关闭冷却循环回水泵23，此时，为一个循环周期。

步骤3.3，保存水温变化过程中温度记录仪记录33的温度数据以及时间数据。

步骤4，根据温度记录仪记录的温度数据、时间数据计算地表水箱的潜流交换量，单位面积潜流交换量计算公式为：

其中：κ_e为有效热扩散系数m²/s，C为沉积物的比热容J/m³/℃，C_w为水的比热容J/m³/℃，Ar为不同深度的2个温度传感器温度振幅比，

v为河床入渗率；P为温度变化的周期，Δz为不同深度的两个测量点之间的直线距离。