一种相邻区域内多级地下水位控制的调控系统及方法与流程

本发明涉及野外地下水位调控技术领域，特别是涉及一种相邻区域内多级地下水位控制的调控系统及方法。

背景技术：

在干旱半干旱地区，地下水位埋深是影响包气带水盐分布、运移及地表生态的关键因素因子之一，许多学者开展了关于地下水位埋深的影响效应研究，野外试验监测中自然和人为因素复杂，空间和时间上随机性较强，获得规律性结论较为困难，故多以室内实验为主，常见的为将原状土采回实验室进行原状回填，利用配置水源或采回的地下水，人工设置不同水位埋深，开展相关研究，但这种方法破坏了原状土结构，且人工土柱存在明显边界效应，外界环境条件也跟实际差距较大，获的结论难以有效指导生产实践，成果转化较为困难。当前野外试验监测中常见的是在调查区内不同水位埋深处布设相关观测设备来开展研究，即原位监测试验，但不同水位埋深的地点一般相距较远，地层结构、岩性及地下水水质情况会有一定变化，而且监测设备布设和研究较为不便，可变因素难以控制，为获得规律性结论和揭示相关机理带来了极大困难。构建模型，利用计算机模拟能在一定程度上弥补上述两种方法的不足，但模型的概化和率定需要以实际监测结果为基础，因此模型结果在指导生产实践中也有一定欠缺。因此，如何在野外试验中将地下水埋深作为单一可控可变因素是开展地下水位影响效应研究的关键。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种相邻区域内多级地下水位控制的调控系统及方法，采用地下水位自动调控技术，在保证地层结构、地下水水质、气象等因素近似前提下，实现了野外相邻区域内多级地下水位埋深的控制，丰富了地下水位调控技术体系，从而在开展野外地下水位埋深影响效应相关研究中可将地下水位埋深作为单一可变可控因素，有力促进了野外试验地开展和规律的获取。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种相邻区域内多级地下水位控制的调控系统，包括抽水子系统、回灌子系统、调蓄子系统；

所述抽水子系统包括抽水田块样方以及设置在所述抽水田块样方四周的抽水渠；所述调蓄子系统包括调蓄池；所述回灌子系统包括第一回灌田块样方、第二回灌田块样方、设置在所述第一回灌田块样方四周的第一回灌渠以及设置在所述第二回灌田块样方四周的第二回灌渠；

所述抽水渠内放置第一潜水泵，所述第一潜水泵的排水管伸入到所述调蓄池内，所述第一潜水泵的电源线与第一液位继电器连接，所述第一液位继电器的三根信号线分别布置在所述抽水田块样方不同的埋深位置；

所述第一回灌渠与所述调蓄池连通的供水管上设有第一电磁阀，所述第一电磁阀与第二液位继电器连接，且所述第二液位继电器的三根信号线分别布置在所述第一回灌渠不同的埋深位置；所述第二回灌渠与所述调蓄池连通的供水管上设有第二电磁阀，所述第二电磁阀与第三液位继电器连接，且所述第三液位继电器的三根信号线分别布置在所述第二回灌渠不同的埋深位置。

可选的，所述调控系统还包括供水保障子系统；

所述供水保障子系统包括抽水井以及放置在所述抽水井内的第二潜水泵，所述第二潜水泵的排水管与所述调蓄池连通；所述第二潜水泵的电源线与第四液位继电器连接，且所述第四液位继电器的三根信号线分别布置在所述调蓄池不同的埋深位置。

可选的，所述调控系统还包括水位监测子系统；

所述水位监测子系统包括水位监测管组，所述水位监测管组包括多个相同的水位监测管；每个所述水位监测管的上部分布设有多排孔，且每个所述水位监测管的外表面上均包裹一层尼龙砂网。

可选的，所述水位监测管组包括第一水位监测管、第二水位监测管以及第三水位监测管；其中，

所述第一水位监测管布设在所述抽水田块样方内，所述第二水位监测管布设在所述第一回灌田块样方内，所述第三水位监测管布设在所述第二回灌田块样方内。

可选的，所述调控系统还包括对照田块样方；所述水位监测管组还包括第四水位监测管；所述第四水位监测管布设在所述对照田块样方内。

可选的，所述抽水渠的底部铺有滤料，所述抽水渠的内壁上衬砌有滤料层，所述抽水渠的外侧上铺设有不透水层；其中，所述滤料层是用尼龙砂网包裹不锈钢框架和带孔钢板形成的；所述不透水层为用不锈钢框架钢板外包土木膜形成的层。

可选的，所述第一回灌渠和所述第二回灌渠的底部均铺衬有塑料布，且所述塑料布上铺有滤料；所述第一回灌渠和所述第二回灌渠的外侧壁上均铺设有隔水挡板，所述第一回灌渠和所述第二回灌渠的内壁上均衬砌有滤料层；其中，所述隔水挡板是用塑料布包裹不锈钢框架和钢板形成的，所述滤料层是用尼龙砂网包裹不锈钢框架和带孔钢板形成的。

可选的，所述第一回灌渠的内壁与所述滤料层之间、所述第二回灌渠的内壁与所述滤料层之间均布设有反冲洗管，且所述反冲洗管朝渠内侧方向开设有孔；所述反冲吸管的外表面包裹有尼龙砂网。

可选的，在所述调蓄池的一侧布设有溢水管。

一种相邻区域内多级地下水位控制的调控方法，包括：

打开电磁阀和第一潜水泵的供电开关，并当第一液位继电器的中端信号线未接触到抽水渠内的水时，断开第一液位继电器的开关，第一潜水泵停止抽水；当第一液位继电器的高端信号线接触到抽水渠内的水时，打开第一液位继电器的开关，第一潜水泵开始抽水；

当第二液位继电器的高端信号线接触到第一回灌渠内的水时，打开第二液位继电器的开关，关闭与第二液位继电器连接的电磁阀阀门，调蓄池停止向第一回灌渠内供水；当第二液位继电器的中端信号线未接触到第一回灌渠内的水时，关闭第二液位继电器的开关，打开与第二液位继电器连接的电磁阀阀门，调蓄池向第一回灌渠内供水；

当第三液位继电器的高端信号线接触到第二回灌渠内的水时，打开第三液位继电器的开关，关闭与第三液位继电器连接的电磁阀阀门，调蓄池停止向第二回灌渠内供水；当第三液位继电器的中端信号线未接触到第二回灌渠内的水时，关闭第三液位继电器的开关，打开与第三液位继电器连接的电磁阀阀门，调蓄池向第二回灌渠内供水；

当第四液位继电器的高端信号线接触到调蓄池内的水时，关闭第四液位继电器的开关，关闭第二潜水泵的供电开关，抽水井停止向调蓄池供水；当第四液位继电器的中端信号线未接触到调蓄池内的水时，打开第四液位继电器的开关，打开第二潜水泵的供电开关，抽水井向调蓄池供水。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过集成抽水子系统、回灌子系统和调蓄子系统，采用地下水位自动调控技术，在保证地层结构、地下水水质、气象等因素近似前提下，实现了野外相邻区域内多级地下水位埋深的控制，丰富了地下水位调控技术体系，从而在开展野外地下水位埋深影响效应相关研究中可将地下水位埋深作为单一可变可控因素，有力促进了野外试验地开展和规律的获取，获得的研究成果能更有效地指导盐碱地改良、生态水位调控和农田生态系统建设等生产生活实践；同时该系统和方法能高效实现相邻区域内多级地下水水位的调控，也为同一区域内同时开展适宜不同地下水位埋深的生产经营活动(如养殖、种植、晒盐)提供了思路和技术支撑，有效压缩了经营成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例相邻区域内多级地下水位控制的调控系统的结构框图；

图2为本发明实施例相邻区域内多级地下水位控制的调控系统的平面布置图；

图3为本发明实施例回灌子系统的剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种相邻区域内多级地下水位控制的调控系统，包括抽水子系统、回灌子系统、调蓄子系统。

抽水子系统包括抽水田块样方以及设置在抽水田块样方四周的抽水渠；调蓄子系统包括调蓄池；回灌子系统包括第一回灌田块样方、第二回灌田块样方、设置在第一回灌田块样方四周的第一回灌渠以及设置在第二回灌田块样方四周的第二回灌渠。

抽水渠内放置第一潜水泵，第一潜水泵的排水管伸入到调蓄池内，第一潜水泵的电源线与第一液位继电器连接，第一液位继电器的三根信号线分别布置在抽水田块样方不同的埋深位置。

第一回灌渠与调蓄池连通的供水管上设有第一电磁阀，第一电磁阀与第二液位继电器连接，且第二液位继电器的三根信号线分别布置在第一回灌渠不同的埋深位置；第二回灌渠与调蓄池连通的供水管上设有第二电磁阀，第二电磁阀与第三液位继电器连接，且第三液位继电器的三根信号线分别布置在第二回灌渠不同的埋深位置。

进一步地，本实施例提供的调控系统还包括供水保障子系统。

供水保障子系统包括抽水井以及放置在抽水井内的第二潜水泵，第二潜水泵的排水管与调蓄池连通；第二潜水泵的电源线与第四液位继电器连接，且第四液位继电器的三根信号线分别布置在调蓄池不同的埋深位置。

进一步地，本实施例提供的调控系统还包括水位监测子系统。

水位监测子系统包括水位监测管组；该水位监测管组多个相同的水位监测管；每个水位监测管的上部分布设有多排孔，且每个水位监测管的外表面上均包裹一层尼龙砂网。

优选地，本实施例提供的水位监测管组包括第一水位监测管、第二水位监测管、第三水位监测管以及第四水位监测管。

第一水位监测管布设在抽水田块样方内，第二水位监测管布设在第一回灌田块样方内，第三水位监测管布设在第二回灌田块样方内。

进一步地，本实施例提供的调控系统还包括对照田块样方；第四水位监测管布设在对照田块样方内。

进一步地，本实施例提供的抽水渠的底部铺有滤料，抽水渠的内壁上衬砌有滤料层，抽水渠的外侧上铺设有不透水层；其中，滤料层是用尼龙砂网包裹不锈钢框架和带孔钢板形成的；不透水层为用不锈钢框架钢板外包土木膜形成的层。

进一步地，本实施例提供的第一回灌渠和第二回灌渠的底部均铺衬有塑料布，且塑料布上铺有滤料；第一回灌渠和第二回灌渠的外侧壁上均铺设有隔水挡板，第一回灌渠和第二回灌渠的内壁上均衬砌有滤料层；其中，隔水挡板是用塑料布包裹不锈钢框架和钢板形成的，滤料层是用尼龙砂网包裹不锈钢框架和带孔钢板形成的。

进一步地，本实施例提供的第一回灌渠的内壁与滤料层之间、第二回灌渠的内壁与滤料层之间均布设有反冲洗管，且反冲洗管朝渠内侧方向开设有孔；反冲吸管的外表面包裹有尼龙砂网。

进一步地，本实施例提供的调蓄池的一侧布设有溢水管。

依据本实施例提供的调控系统的运行过程如下：

打开电磁阀和第一潜水泵的供电开关，并当第一液位继电器的中端信号线未接触到抽水渠内的水时，断开第一液位继电器的开关，第一潜水泵停止抽水；当第一液位继电器的高端信号线接触到抽水渠内的水时，打开第一液位继电器的开关，第一潜水泵开始抽水。

当第二液位继电器的高端信号线接触到第一回灌渠内的水时，打开第二液位继电器的开关，关闭与第二液位继电器连接的电磁阀阀门，调蓄池停止向第一回灌渠内供水；当第二液位继电器的中端信号线未接触到第一回灌渠内的水时，关闭第二液位继电器的开关，打开与第二液位继电器连接的电磁阀阀门，调蓄池向第一回灌渠内供水。

当第三液位继电器的高端信号线接触到第二回灌渠内的水时，打开第三液位继电器的开关，关闭与第三液位继电器连接的电磁阀阀门，调蓄池停止向第二回灌渠内供水；当第三液位继电器的中端信号线未接触到第二回灌渠内的水时，关闭第三液位继电器的开关，打开与第三液位继电器连接的电磁阀阀门，调蓄池向第二回灌渠内供水。

当第四液位继电器的高端信号线接触到调蓄池内的水时，关闭第四液位继电器的开关，关闭第二潜水泵的供电开关，抽水井停止向调蓄池供水；当第四液位继电器的中端信号线未接触到调蓄池内的水时，打开第四液位继电器的开关，打开第二潜水泵的供电开关，抽水井向调蓄池供水。

实施例2

本实施例由抽水子系统、回灌子系统、调蓄子系统、供水保障子系统和水位监测子系统组成。在本次实施例中，如图2所示，设定第一回灌田块样方1、第一回灌田块样方2、一个抽水田块样方3和一个对照样方4。

试验区地下水位埋深2m，地层岩性埋深0～1.8m，以亚砂土、亚粘土为主，埋深1.8m～6m，以粉细砂、细沙为主，综合渗透系数为0.7m/d。在本次实施例中，不同水位埋深田块样方大小均为3m*3m，设置四种水位埋深条件，分别为1m、1.5m、2m和3m。

抽水子系统主要由抽水田块样方3、抽水渠5、第一潜水泵6、第一液位继电器7等组成，详细如下：

在一个3m*3m的抽水田块样方3四周，挖掘宽50cm、深4m的抽水渠5。为防止抽水过程中渠底涌砂，在渠底铺直径为1.5～2.5mm、厚20cm的滤料。为防止渠内壁渗水过程中出现坍塌、涌砂，保证抽水田块样方3内地下水有序渗出而不产生堵塞，渠内壁(靠近抽水田块样方侧)衬砌两层厚度为10cm的滤料层，该滤料层由不锈钢框架和带孔钢板组成，该不锈钢框架外包80目尼龙纱网，内部填充中粗沙。为减少抽水田块样方3外部地下水的涌入，增强调控效果，渠外侧用不锈钢框架钢板外包土工膜形成不透水层。

在抽水渠5内放一个第一潜水泵6，第一潜水泵6的排水管接至下述调蓄池8内，第一潜水泵6的电源线上连接第一液位继电器7，以排水方式连接线路(即高水位时，第一液位继电器7的开关打开，低水位时，第一液位继电器7的开关关闭)，第一液位继电器7的三根信号线9放到抽水渠5内，具体位置根据抽水田块样方3的水位埋深要求确定。在本实施例中，抽水田块样方3的水位埋深为3m，则高端信号线、中端信号线分别放置到埋深2.9m、3.2m的位置，低端信号线放置到抽水渠底部。

回灌子系统主要由第一回灌田块样方1、第二回灌田块样方2、第一回灌渠10、第二回灌渠11、第二液位继电器12和第三液位继电器13等组成。

在两个3m*3m的回灌田块样方四周，分别挖掘宽50cm、深2m的回灌渠。如图3所示，为增强回灌渠对回灌田块样方内地下水的补给效果，减少渠内水源的外渗，渠底部铺衬塑料布，为防止漂浮，在塑料布上铺厚10cm滤料；渠外侧是用塑料布包裹不锈钢框架和钢板形成的隔水挡板；渠内壁衬砌厚度为10cm的滤料层14；其中，该滤料层14分别由不锈钢框架和带孔钢板组成，不锈钢框架外包80目尼龙纱网，内部填充中粗沙，不锈钢框架能防止内壁坍塌，添加滤料能有效减缓回灌过程中回灌田块样方内侧堵塞的发生。为解决长时间回灌中滤料层出现的堵塞问题，在滤料层框架内侧按照50cm间距垂向布设反冲洗管15，反冲洗管15的直径为5cm，且在反冲洗管15朝渠内侧方向开孔，外包80目尼龙纱网。

调蓄子系统主要由调蓄池8、供水管16、溢水管17、多个电磁阀18、第四液位继电器19等组成，详细规格如下：

在几个田块之间，建设一5*5m、深2m的调蓄池8(其中地面以下0.5m，地面以上1.5m)，池内部用土工膜铺衬，池底部在两个回灌渠方向最低，抽水渠方向最高，既能保证池内水有效及时排向回灌渠，也便于水少时集中排水。

调蓄池8一侧布设一直径15cm的溢水管16(pvc)，当池内水位过高时，多余水自动排走。调蓄池8靠近抽水渠一侧，布设从抽水子系统接过来的排水管。

在调蓄池8靠回灌渠侧，在池底部各布设一根到两个回灌渠的供水管16(直径110mm)，供水管16在调蓄池8位置高于回灌渠，可实现自流，从而实现回灌田块样方与调蓄池8的连通。在两个供水管16靠近调蓄池8的一端各布设一个常开式电磁阀18(即断电时，电磁阀18阀门打开，通电时，电磁阀18阀门关闭)，电磁阀18的电源线上各连接一液位继电器，液位继电器按照排水方式连接线路(即高水位时，液位继电器的开关打开，接通电路；低水位时，液位继电器的开关断开，电路断开)，液位继电器的信号线9分别布设在两个回灌渠内，信号线9的位置根据回灌渠内水位要求确定。在本实施例中，第一回灌田块样方1内水位埋深要求为1m，则高端信号线、中端信号线布置到埋深0.8m、1.1m的位置，另外一根信号线放置它们之间；第二回灌田块样方2的水位埋深为1.5m，则高端信号线、中端信号线布置到埋深1.3m、1.6m的位置，低端信号线放置到回灌渠底部。

供水保障子系统主要由抽水井20、第二潜水泵、太阳能板、蓄电池等组成，详细规格如下。

由于不同试验要求不同，为防止抽水和回灌长期运行中出现调蓄池8内缺水的问题，在距离田块样方40m范围外，布设一浅层抽水井20，抽水井20内放第二潜水泵，第二潜水泵的电源线连接第四液位继电器19，按供水方式连接，(即水位低时，电路接通，水位高时，电路断开)，三根信号线9放于调蓄池8内，中端信号线放于距调蓄池8底部10cm，高端信号线放于距调蓄池8底部50cm处，低端信号线放置到调蓄池底部最低处，保证其始终位于水中。

上述所有的电磁阀、液位继电器及潜水泵均采用24v直流电制式，供电由太阳能板和蓄电池提供，蓄电池与各电磁阀和潜水泵连接线路上布设单独控制开关。

水位监测子系统：在各4个田块样方中间各布设一个水位监测管21。水位监测管21的深度为4m，水位监测管21的材质为pvc，直径7.5cm，在埋深2～4m用电钻打6排孔，孔径0.6cm，沿管长度方向孔间距5cm，外包一层200目尼龙砂网。

具体实验过程如下：

1、根据试验样方水位调控要求，将抽水渠和两个回灌渠内的信号线布设到制定位置，连接好电磁阀和潜水泵的供电线路。

2、打开电磁阀和抽水田块样方周边抽水渠内第一潜水泵的供电开关，暂时关闭抽水井内第二潜水泵的供电开关。随着第一潜水泵的抽水，抽水田块样方周边渠内水开始抽向调蓄池，渠内水位逐渐下降，当水位下降至埋深3.2m，第一液位继电器开关断开，第一潜水泵停止抽水，随后渠内水缓慢上升，当水位上升至埋深2.9m时，第一液位继电器开关打开，第一潜水泵开始抽水。

3、随着调蓄池内水位上升，调蓄池内水沿两个供水管分别流向第一回灌田块样方和第二回灌田块样方周边的回灌渠内，渠内水位逐渐上升。

当第一回灌田块样方周边渠内水位上升至埋深0.8m时，第二液位继电器开关打开，电磁阀通电，阀门关闭，调蓄池停止向回灌渠内供水；随后水位逐渐下降，当水位下降到埋深1.1m时，第二液位继电器开关关闭，电磁阀断电，阀门打开，调蓄池开始向回灌渠内供水。

当第二回灌田块样方周边渠内水位上升至埋深1.3m时，第三液位继电器开关打开，电磁阀通电，电磁阀阀门关闭，调蓄池停止向回灌渠内供水；随后水位缓慢下降，当水位下降到埋深1.6m时，第三液位继电器开关断开，电磁阀断电，电磁阀阀门打开，调蓄池又开始向回灌渠内供水。

4、试验运行一段时间后(本次设定4小时)，打开抽水井内第二潜水泵的供电开关。如果此时调蓄池内水深小于10cm，则该第二潜水泵的第四液位继电器开关自动打开，第二潜水泵开始向调蓄池内蓄水供水，当调蓄池内水位上升到50cm深时，第四液位继电器开关断开，第二潜水泵停止供水。如果此时调蓄池内水深大于10cm，则第四液位继电器开关依然处于关闭状态，该第二潜水泵暂不向调蓄池内供水。

5、在试验长时间运行中，如出现调蓄池内水位达到溢水口位置，水沿溢水管流出。如出现调蓄池内水位降到10cm时，第四液位继电器开关打开，第二潜水泵电源接通，开始向池内供水，当水位上升到50cm处时，第四液位继电器开关断开，第二潜水泵停止供水。

6、在运行一段时间后(本次设定48h)，观测各水位监测管内的水位埋深是否符合试验要求埋深，如果实际水位埋深大于试验要求埋深，则将其周边渠内的三根信号线整体向上提高一部分，如果实际水位埋深小于试验要求埋深，则将其周边渠内的三根信号线整体向下移动一部分。

7、长期运行中，观测回灌田块样方内的水位变化情况，在其余设备运行正常情况下，如水位监测管内的水位出现一定幅度下降(本次按20cm计)，则是回灌渠内滤料层出现堵塞。将回灌渠内三根信号线拿出，放置到一水桶内，保证信号线全部在水面下，电磁阀将处于关闭状态。当渠内水位下降到接近埋深2m时，将抽水井内的第二潜水泵管路接到反冲洗管上，接通潜水泵电源，水流沿反冲洗管--滤料层，流入回灌渠内，观测滤料层流出的水流清澈后，关闭第二潜水泵电源；将连接第二潜水泵管重新放回调蓄池内，将信号线按原来规定重新放到回灌渠内。

由于各地区地层岩性不同，需根据抽水和回灌条件的不同，确定适宜大小的调蓄池及回灌渠、抽水渠的数量匹配，一般相同规模情况下一个抽水渠配合两个回灌渠比较适合

本发明具有如下优势：

1、通过合理有效配置抽水子系统、回灌子系统、调蓄子系统和供水保障子系统，利用抽水子系统的排水对回灌子系统进行补水，在保证地层岩性、地下水水质、气象等因素近似的前提下，高效有序实现了野外原位相邻区域内多级地下水位的调控。

2、利用水位自动控制技术，以水位为控制指标，实现了抽水子系统、调蓄子系统和回灌子系统之间水量的自动转移和水位的自动调控。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。