一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置及方法

1.本发明涉及传质过程可视化装置，尤其涉及一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置及方法。


背景技术：

2.由于塑料在世界范围内的广泛应用，塑料难以避免的进入到海洋环境中。塑料材料的稳定性会导致塑料颗粒长期在海洋中累积，并通过生物和非生物降解为微小的尺寸，这些塑料颗粒可能通过潮汐作用和海水-淡水传质等途径进入地下水会对人体健康造成潜在威胁。
3.了解沿海地区的地下水和海水交界面处的塑料颗粒运移，能为地下水保护和过滤提供技术支持。研究传质过程在塑料颗粒运移中的影响，了解潮汐作用下塑料颗粒含量在地下水中的实时变化，对于保护地下水资源安全的作用至关重要。
4.目前，也有方法对海水入侵地下水进行相关的研究。其中，入侵的研究方法主要为高密度电阻率观测法。然而，这种方法存在着如下不足：
5.①
、由于海水运移过程相当复杂，并不是只对开始阶段和结束阶段的水中溶质进行分析就能描述清楚的，因此目前海水入侵地下水的方法缺少可视化的过程研究，同时缺少海水-淡水之间过程观察的试验方法。
6.②
、通过高密度电阻率法研究海水入侵，其原理是由于密度差改变造成了电阻率的改变，但是在海水中的塑料颗粒所引起的电阻率变化几乎可以忽略，因此该方法无法对海水入侵过程中塑料颗粒的运移进行研究。
7.因此，急需研究一种装置对地下水入侵海水的传质过程进行可视化研究，用于精确地描述海水入侵条件下，海水-淡水传质对塑料颗粒运移的影响规律。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置及方法。
9.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
10.一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置，包括有机玻璃水槽、淡水输送系统、海水输送系统；
11.有机玻璃水槽内一侧向另一侧依次设有一挡水隔板、两过水隔板、一挡水隔板，依次形成海水进水区、海水区、砂砾区、淡水区、淡水进水区，挡水隔板低于过水隔板，砂砾区内填充满砂砾，海水区底部和淡水区底部分别铺设砂砾，设置海水进水区和淡水进水区可以让进入海水区和淡水区的水流流速保持稳定；
12.淡水输送系统包括淡水箱和淡水水管，淡水箱通过淡水水管连接至淡水进水区，淡水水管上设有第二储水箱、第二水阀、第二水泵；
13.海水输送系统包括第一海水箱和海水水管，第一海水箱通过海水水管连接至海水
进水区，海水水管上设有第一水泵、第一储水箱、第一水阀，所述第一储水箱上还设有塑料微粒盒。
14.作为更近一步的优选方案，装置还包括基流生成系统，包括基流孔洞、第三转子流速计和第三水阀，基流孔洞开设于有机玻璃水槽的砂砾区底部，基流孔洞上具有基流管道，第三转子流速计和第三水阀安装在基流管道上。
15.作为更近一步的优选方案，装置还包括潮汐生成系统，包括第二海水箱和造波器，造波器抽出第二海水箱中的海水并将海水以指定的波形输出，造波器贯穿海水进水区，穿孔处密封处理。
16.作为更近一步的优选方案，淡水水管上还设有第二转子计速器和第二升降螺母。
17.作为更近一步的优选方案，海水水管上还设有第一转子计速器和第一升降螺母。
18.作为更近一步的优选方案，有机玻璃水槽采用透明亚克力材料制成。
19.作为更近一步的优选方案，装置还包括可视化观测系统，可视化观测系统包括第一高精度凹面镜、第二高精度凹面镜、刀片、高速相机、有机玻璃水槽观测区、点光源，有机玻璃水槽置于有机玻璃水槽观测区，第一高精度凹面镜和第二高精度凹面镜分别布置在有机玻璃水槽观测区两侧，第一高精度凹面镜和第二高精度凹面镜相对有机玻璃水槽倾斜布置，第一高精度凹面镜和第二高精度凹面镜相互平行，点光源朝向第一高精度凹面镜发射光线，高速相机朝向第二高精度凹面镜获取图像，刀片用于挡住部分焦点。
20.一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置的测量方法，包括以下步骤：
21.(1)断开淡水和海水供应系统与透明有机玻璃水槽之间的导流管，在隔板的两侧粘贴滤纸后往水槽中加入砂土试样，水槽的两块隔板之间装满砂土试样，水槽两侧加入的砂土试样低于液面，模拟海水和淡水交界面环境。
22.(2)打开淡水供应系统，调节螺母控制水头位置，启动水泵抽取淡水，打开阀门，控制水位达到试验要求。
23.(3)打开海水供应系统，调节螺母控制水头位置，启动水泵抽取淡水，打开阀门，控制水位达到试验要求。
24.(4)往盐水箱中加入用荧光剂染色的塑料颗粒，并利用piv和ptv技术测速和追踪塑料颗粒。
25.(5)打开可视化观测系统，调节点光源亮度、刀片挡光区域和高速相机的参数，模拟在无潮汐环境下，海水与淡水传质过程中的塑料颗粒运移规律。
26.可视化观测系统的原理为：在均匀介质中，光的传播是均匀的。例如，在洁净空间里，星光的传播是无干扰的。如果地球上的大气层同洁净空间一样均匀，星光就会像完全平行的光线一样传播。星光将会聚焦一个近乎完美的衍射点，无闪烁。
27.但大气层并不均匀，由于湍流、热对流和天气现象等原因，对大气层造成干扰，使大气层不均匀。而且，这些干扰能小规模的改变大气密度和折射率，使星光光线发生弯曲，使得星光在我们视野中会发生闪烁。
28.同样利用这个原理，当点光源的光线穿过的溶液存在密度差时，会由于折射率的不同改变光线的传播路径，从而能够对不同密度溶液的传质过程进行观察。
29.关于折射率和光线弯曲原理的公式推导为：
30.认为初始时刻通过z1的是平面波，并且波阵面垂直于水平光轴z轴。当波前通过被
测对象，也即从z1到z2时，不同的微分时间δt对应微分距离δz，折射的偏折角度为δε。由于光线始终垂直于波前阵面，通过z1的水平光线同样折射δε。
31.定义n0＝c0/cn0：介质折射率；c0：真空光速；c：本地光速。
[0032][0033]
不同时刻δt有
[0034][0035]
合并得到
[0036][0037]
当δy无限趋近于零时，方程中的可以简化为令所有微元趋近于零，可得
[0038][0039]
将其代入导数后，可以得到
[0040][0041]
在x轴方向上，进行积分可得
[0042][0043]
由此可以证明，偏折角ε
x
与光路长度l成正比，与折射率梯度成正比，因此由于海水和淡水存在密度差，在可视化系统中存在折射率梯度，通过选取可视化系统中凹面镜的焦距改变光路长度l，得到适合于可视化观测的偏折角大小，即可对海水和淡水的传质过程进行观察。荧光剂染色的塑料颗粒会在光源照射下发光，容易被相机捕捉。因此，通过高速相机拍摄照片可以得到海水与淡水传质过程中的塑料颗粒运移规律。
[0044]
(6)连接造波器和水槽，打开造波器开关，模拟不同的海水入侵环境。
[0045]
(7)利用可视化观测系统，观察潮汐作用下，海水和淡水传质过程中塑料颗粒的运移规律。
[0046]
(8)试验完毕，关闭所有装置，清理有机玻璃水槽中的砂土试样。
[0047]
我们用可视化观测系统观测海水入侵过程中传质现象，然后在海水箱中加入荧光染色的塑料颗粒，这种颗粒具有较好的更随性，能够在点光源入射时发光，可以通过高速相机在捕捉溶质运移过程的同时捕捉荧光塑料颗粒的运移，然后将采集到的荧光粒子运移和溶质运移进行分析，最终得到海水入侵过程中流速、流场状态，同时得到溶质运移规律和塑料颗粒运移规律之间的相互关系。
附图说明
[0048]
图1为本发明海水入侵地下水系统示意图；
[0049]
图2为可视化观测系统示意图；
[0050]
图3为过水隔板结构示意图；
[0051]
图4为溶质运移的示意图；
[0052]
图5为流场和流速分布示意图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0054]
如图1所示，本发明的一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置，利用光路通过海水和淡水时，光的折射率不同，能够通过这种折射率的变化精准的反映出海水入侵地下水的过程变化，另外，本实验装置和方法还可以用来研究不同的水头高度、不同的砂土试样、不同的潮汐作用波形、不同塑料颗粒、不同的海水浓度，以及基流对海水入侵的影响，对海水入侵过程中的溶质和塑料颗粒运移实现可视化的观测；
[0055]
本装置包括有机玻璃水槽、淡水和海水输送系统、潮汐生成系统、基流生成系统、可视化观测系统。
[0056]
淡水和海水输送系统用于向有机玻璃水槽中输水，在海水中添加荧光粒子，且在淡水和海水输送系统中增加了水头控制螺母。
[0057]
潮汐生成系统与海水箱相连，通过输入指定波形对海水造波，并将造好的波输入到有机玻璃水槽中。
[0058]
基流模拟系统位于有机玻璃水槽的底端，基流模拟系统中装有转子流速器测量基流的速度，用于模拟地下水中的基流作用。
[0059]
可视化观测系统包括点光源、高精度凹面镜、高速相机和刀片，获取淡水和盐水由于密度差引起的折射率变化，对传质过程进行可视化，可视化观测系统设置在有机玻璃水槽的前后。
[0060]
海水供应组件中，配置一定浓度的氯化钠溶液模拟海水。海水供应系统中的海水箱1，通过第一水泵2抽水进入第一储水箱4，使用升降螺母6控制储水箱4的水头高度，通过第一止水阀门5和第一转子流速计6与有机玻璃水槽相连。第一海水箱1中的盐水通过第一水泵2输送到第一储水箱4，通过第一水阀5控制水流的流出，第一升降螺母7安装在与有机玻璃水槽连接的水管外，通过旋转螺母控制储水箱高度。
[0061]
第一储水箱4上端安装有外置的塑料微粒盒3，模拟海水中的塑料微粒污染物有机玻璃水槽装置尺寸为0.6m
×
0.2m
×
0.4m。水槽的左端通过挡水隔板10形成海水区。
[0062]
第二海水箱9位于地面上，通过造波器8抽水并造波进入有机玻璃水槽中，模拟海水的潮汐作用，造波器可更改参数对波形和频率进行调整。
[0063]
淡水供应系统的淡水箱20位于地面上，第二水泵19抽水进入第二储水箱14，使用升降螺母17控制第二储水箱14的水头高度，通过第二止水阀门15和第二转子流速计16与有机玻璃水槽相连。
[0064]
有机玻璃水槽的中间安装两块带孔隔板11，在隔板上安装两层滤网，滤网的孔径小于0.1mm，防止砂颗粒渗出的同时不影响渗水性能，砂层模拟淡水和海水接触区域的砂土过渡带。
[0065]
有机玻璃水槽包括过水隔板11和挡水隔板10，所述过水隔板11阻挡砂土颗粒不会
溢出，所述挡水隔板10用于控制有机玻璃内部的水位线。
[0066]
基流模拟组件位于水槽底部，在基流孔洞的入口处安装滤网，依次连接第三转子流速计12和第三止水阀13，通过底部排水模拟基流。
[0067]
有机玻璃水槽采用高透明度的亚克力板制成，材料具有低折射率和高透明度，通过阿贝折射仪，测得亚克力材料制成的有机玻璃水槽的折射率为1.45。
[0068]
如图2所示，一种可视化组件包括点光源、高精度凹面镜、刀片和高速相机。
[0069]
点光源为led同轴点光源，灯径为6mm，功率为5w，发光颜色为白光。
[0070]
高精度凹面镜直径为203mm，焦距为750mm。
[0071]
点光源21的光路通过第一高精度凹面镜22转换为平行光路并穿过有机玻璃水槽观测区26，平行光路透过第二面高精度凹面镜23后聚焦，使用刀片24挡住部分焦点，并在高速相机25成像。
[0072]
打开点光源，点光源按照预先设计好的光路进入第一凹面镜，经过凹面镜反射为平行光后透过有机玻璃容器，穿过不同密度的介质会导致光线不同的折射率，通过有机玻璃水槽后的光路到达第二凹面镜后聚焦，在第二凹面镜聚焦的焦点处设置刀片，挡住一半的光路进一步增加对比度，另外一半未被遮挡的光路进入高速相机。
[0073]
一种海水入侵地下水的传质可视化方法，包括以下步骤：
[0074]
(1)断开有机玻璃水槽与海水和淡水输送组件之间的导流管，将滤纸贴在带孔隔板上，防止砂颗粒流出；
[0075]
(2)将试验所需的砂颗粒分层倒入有机玻璃水槽中，并且分层振捣达到试验所需的密实度；
[0076]
(3)连接海水和淡水输送组件和有机玻璃之间的导流管，利用水泵抽取淡水，打开阀门，通过转子流速计测得流速，并通过阀门控制流速，直到水位达到试验要求；
[0077]
(4)打开海水输送组件的水泵，抽取第一海水箱中的盐水注入水槽左侧的隔水区域，直到达到试验指定的水位高度；
[0078]
(5)打开海水输送组件的塑料微粒盒，让塑料微粒与隔水区域中的海水混合；
[0079]
(6)打开可视化组件的点光源，启动相机并调整相机参数，调整两面凹面镜的摆放位置，使得图像清晰显示，然后在交点处设置刀片增加图像的对比度；
[0080]
(7)打开造波器，设置造波器的参数，调整波形和频率，将造波器和第二海水箱连接，从第二海水箱中抽水，并制造指定的波形输入到有机玻璃水槽中；
[0081]
(8)使用高速相机记录潮汐作用下海水和淡水之间的传质过程；
[0082]
(9)不同时刻对有机玻璃水槽的左右侧取样，记录浓度和塑料微粒含量；
[0083]
(10)研究基流对海水-淡水传质及塑料微粒运移的影响：在步骤5中，打开基流组件的阀门，并控制基流的流速，重复1-11步骤；
[0084]
(11)试验结束，清理有机玻璃水槽；
[0085]
采用粒子测速技术(piv)和粒子追踪技术(ptv)对试验过程中的溶质运移和塑料微粒运动轨迹进行捕捉和分析。
[0086]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。