一种河道侧向潜流交换测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及一种实验测量装置，尤其涉及一种河道侧向潜流交换测量装置及其测量方法。

背景技术：

潜流带是指河流河床内水分饱和的沉积物层，普遍被定义为河床中浅层地下水与地表水存在能量循环与物质交换的交错区域，同时含有地表水和地下水是潜流带一个重要特征。潜流带是一个混合区，在这里有溶解性气体浓度梯度、有机生命体浓度梯度、ph值梯度和温度梯度。这些物理、生物和化学梯度，为许多无脊椎动物提供了重要的生存环境，是生物多样性研究的热点区域，这些梯度也导致了生物地球化学反应，这些反应最终影响了河流的水质。

潜流交换是水和溶质在活动河道和河床及河岸中的沉积层之间的交换，可以分为河床潜流带的垂向潜流交换和河岸带侧向潜流交换，其对河流水化学环境、溪流有机物的分解和水质净化等过程中发挥着重要的作用。

随着科技的发展，人们对于环境问题的关心也与日俱增，潜流交换也得到了人们的重视。早期对潜流交换的研究主要是针对河床潜流带，而河岸带侧向潜流交换研究发展较慢，侧向潜流交换的研究多是在野外实地监测的基础上开展的，这是因为自然条件下，实际河流河床与流态非常复杂，很难在实验室中精确模拟，所以室内河岸带侧向潜流交换的研究并不多见。

我国对于侧向潜流交换的研究起步较晚，目前对于溪流潜流带的定义已经完善，对于河道在不同地形条件和水流条件下河岸边界的压强分布、潜流交换与地表水水动力及床沙渗透特性之间的关系等问题已有了一定的研究成果，但与国际前沿相比还存在明显差距，在外国已有将潜流交换考虑进河道治理后取得良好效果的成功案例。而我国还是缺少足够的机理性研究，如河道几何特征对河岸带侧向潜流交换的影响仍不明晰。因此亟需开发可用于室内使用的一种河道侧向潜流交换测量装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可室内使用，且可根据需要改变河道形状的河道侧向潜流交换测量装置，该装置可连续测得高精度数据、制作便宜、操作简单且寿命期长。

本发明为了实现上述目的，所采取的技术方案为：一种河道侧向潜流交换测量装置，包括模拟箱和拍摄装置，在所述模拟箱内铺设有砂层，在所述砂层上表面挖取有用于模拟真实河道的河道，所述河道一端连接有进水管，所述进水管连通水源，另一端连接有出水管，所述拍摄装置用于拍摄滴至河岸上的示踪剂随水流的迁移轨迹，所述河岸为河道两侧的沙土。

进一步的，在所述进水管上设有用于控制水流大小的阀门；所述进水管连通水箱，在所述进水管上设有将水由水箱抽取至河道的水泵。

进一步的，砂层厚度1~2cm，深度为10cm，砂层厚度只需要满足能够雕刻出河道即可。

进一步的，所述河道连接进水管的一端高度高于连接出水管一端的高度。

进一步的，在所述河道内设置有用于监测水流的流量计。

进一步的，在所述砂层底部铺设有一层黏土，所述黏土用于防止沙被水流冲走。

进一步的，在所述河道两侧河岸底部设有电导率传感器，所述电导率传感器连接有数据采集装置。

进一步的，所述进水管直径小于所述出水管直径。

进一步的，在所述模拟箱底部设置有用于调节河道坡度的伸缩支架。

本发明还提供了一种基于上述河道侧向潜流交换测量装置的使用方法，包括以下步骤

步骤1：根据实验要求所需河道形状挖取河道并调节水流流量：

在砂层上挖取满足实验要求的河道，并调节水流量，待流量稳定后读取流量值；

步骤2：选取测量位置，在河岸上注射示踪剂，并通过拍摄装置记录示踪剂迁移过程；

步骤3：向河道中投放导电盐，记录河道中各位置的电导率数据：

向河道中加入导电盐至设定浓度，通过电导率传感器10测量河道两侧潜流带内不同点的电导率，记录并采集电导率数据，所述电导率传感器设有若干个，分布在河道两侧河岸的底部；

步骤4：数据处理：

根据所述拍摄装置拍摄到的图像得到时间和示踪剂所在位置的关系，根据所述电导率传感器得到导电盐浓度随时间的变化规律。

本发明所产生的技术效果为：（1）可用于室内试验，方便；（2）相对于传统野外测量方法，测量时间短，且克服了实地实验高成本的缺点；（3）因为砂层很薄，水在砂层中只能侧向移动，垂向的运动被限制了，能够排除垂向潜流交换的干扰；（4）在室内即可连续测得高精度数据；（5）河道部分使用有机玻璃为制作材料，价格便宜、不易破损、寿命期长且易于维修保养；（6）可根据实际需要变换河道形状，研究河道形状与潜流交换的关系；（7）可通过在河岸上滴加示踪剂得到潜流交换时间；（8）通过在河道中加入盐测量电导率得到盐溶液的扩散速率，进而估算不同河段处地下水流速与侧向潜流交换的影响范围，结合不同点流速与河道水深计算潜流交换量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为模拟箱俯视图；

图3为示踪剂迁移轨迹图；

其中1-水箱；2-水泵；3-流量计；4-进水管；5-阀门；6-伸缩架；7-模拟箱；8-拍摄杆；9-出水管；10-电导率传感器；11-粘土层；12-石英砂层；13-摄像机；14-数据采集仪；15-传感器数据线，16、河道，17、示踪剂。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1~2所示，一种河道侧向潜流交换测量装置，包括水箱1、水泵2、流量计3、阀门5、伸缩架6、拍摄杆9、摄像机13、电导率传感器10、数据采集仪14和模拟箱7。

模拟箱7材质为有机玻璃，长1.2m，宽80cm，高10cm，模拟箱7内铺设一层厚度为7cm的石英砂层12，石英砂层12下部为一层3mm厚的粘土层11，粘土层11用于保持石英砂的稳定，防止石英砂被水流冲走。在石英砂表面挖取河道16，河道16形状可根据需要设计，河道16一端连通进水管，另一端连通出水管，在水箱的侧壁上设有进水口，进水口连通进水管进而连通河道16，同样在靠近河道16出口处的水箱侧壁上开设有出水口，出水口通过接口连接出水管，出水管的水回流至水箱，为了保证水流在河道中流动，在模拟箱底部设置伸缩架，可根据实际需要设置伸缩架的高度，使得河道16连接进水管一端的高度高于河道16连接出水管一端的高度。

为了保证水的畅通流动，避免积水，模拟箱进水口及进水管4直径为15mm，出水口及出水管9内直径为30mm。进水口圆心位于模拟箱底部向上5cm处，出水口与模拟箱的底部相切，出水口及出水管9内直径大于进水口及进水管4内直径。模拟箱7上游顶部有带螺纹的槽，用于连接拍摄杆9，拍摄杆垂直模拟箱底部设置，在拍摄杆顶部设置摄像机，摄像机镜头正对河道16。

本发明中伸缩架6的可调节高度为0—10cm，以控制河道16的坡降大小。具体为可收缩式三脚架，材质为铝合金，具有承载力好和耐压性强的优点。伸缩架6与模拟箱7连接处安装有防滑垫，以防止模拟箱7滑落。

拍摄杆8高度为1.5m，下部通过螺钉安装入模拟箱7上游顶部。摄像机13固定在模拟箱7的上方，用摄像机13垂直拍摄示踪剂17的运动轨迹。

水泵2放置于水箱1内，水泵2为直流微型潜水泵，最大扬程为5m，最大流量为4l/min。水泵2通过进水管4依次连接流量计3、阀门5和进水口。进水管4与水泵2、流量计3、阀门5连接处，以及出水导管9与出水口连接处均安装有防渗胶垫，防止水的渗漏，保持密封性良好。

电导率传感器10均匀分布于河道16两侧，设有若干个，数据采集仪14通过传感器数据线15与电导率传感器10连接，采集河道16内的电导率数据。

利用一种河道侧向潜流交换测量装置进行试验，包括以下步骤：

步骤1：根据实验方案控制河道几何形状与水流流量：

在石英砂表面挖取所需形状的河道，由于石英砂层较薄，可通过手或借助其它工具在石英砂表面绘制所需形状的河道，即河道16。调节阀门5控制过水流量，待流量计3读数稳定后读取流量。

步骤2：选取测量河段，在河岸上注射示踪剂（染色剂），记录示踪剂迁移过程：

选取河道中部为测量段，选取固定特征点后在靠近河道的河岸上注射示踪剂，由于河道中的水会与河岸中的水具有潜流交换，因而河道中的水流动时，会带动河岸中的水流动，通过观察示踪剂17的迁移过程即可知道河道中的水与河岸中水潜流交换的过程，潜流交换过程通过设置在拍摄杆8上的摄像机记录，在拍摄的图像中即可知道时间与示踪剂17所在位置之间的关系。

通过拍摄的图像可知示踪剂17轨迹图，示踪剂17返回河道的轨迹图见图3，若示踪剂不返回河道，说明河道水直接补充地下水，不构成潜流交换，也可以说潜流交换为0。

步骤3：投放氯化钠，记录电导率数据：

向水箱1中加入氯化钠至一定浓度，通过模拟箱底部阵列式分布的电导率传感器10测量河岸两侧潜流带内不同点的电导率，记录数据采集仪14所示电导率数据。电导率传感器埋在两侧河岸砂层底部。

电导率数据代表水中的盐浓度，通过测点的电导率数据变化可以说明测点处地下水与河水的混合程度

步骤4：数据处理：

结合示踪剂轨迹与河岸潜流带的电导率变化分析河流与两侧河岸地下水的交互过程。

如图3所示，以弯曲河道为例，在靠近河道的河岸上注射示踪剂17，示踪剂会在水流的作用下，产生迁移，迁移路径见图3，最终再次迁移至河道中，由靠近河道的河岸处到再次靠近河道至最终回归河道的时间为该段河道的潜流交换时间，其经过的路径为潜流交换迁移路径。

由于电导率传感器检测到的电导率变化反应出该处的离子溶液浓度，进而检测到水的扩散范围，通过设置在河道两侧的电导率传感器得到河道地表水在河岸区域的影响范围，通常假设河道水浓度大于10%的区域为潜流交换影响范围，河道水可以通过以下公式求得：

其中s为河道水浓度（河道水所占比重），c为当地离子溶液浓度，c0为初始离子溶液浓度，cr为河道离子溶液浓度，可以通过电导率数据查询电导率对应离子浓度表求得。

确定河岸带侧向潜流交换过程的停留时间、影响范围和迁移路径等关键参数。

本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。