模拟非均质性河岸潜流带溶质迁移转化的试验装置及方法

本发明涉及水利工程试验领域，尤其是涉及一种模拟非均质性河岸潜流带溶质迁移转化的试验装置及方法。

背景技术：

1、潜流带是指河流河床之下并延伸至河溪边岸带和两侧的水分饱和的沉积物层，是具有高度动态性、渗透性及连接性的交错混合区域，也是微生物和无脊椎动物的群落生境。潜流带中发生着复杂的生物地球化学反应过程，对净化水质有着重要的作用，因此又被称为“河流的肝脏”，对维护改善河流生态的结构和功能起着重要作用。

2、潜流带沉积物组成及其类型对潜流交换过程中可溶性物质的生物地球化学反应影响较大。不同河流、不同河段、不同断面的岸滩沉积物往往差异较大，从而导致河流侧向潜流交换溶质迁移转化过程复杂多变。目前现场监测是潜流带研究的常用方法，但河岸潜流带环境复杂，潜流交换过程中溶质迁移转化受多种因素共同影响，现场试验条件难以控制，试验过程难以重复。尽管室内模型试验存在一定的尺寸效应，但与现场监测相比，其能控制试验条件，可重复试验过程，可量化单一因子对溶质迁移转化的影响程度。

3、然而，现有的室内模型尺寸通常是固定的，往往难以模拟非均质性程度较高的天然河岸潜流带，尺寸较大时也难以进行取样分析，而且水动力边界条件在重复试验中也难以保证一致性，因此亟需开发可适用于室内试验的一种模拟非均质性河岸潜流带溶质迁移转化的试验装置，以实现河水位的波动模拟及特征参数控制，同时还可通过增加有机玻璃部件以模拟非均质性程度较高的河岸带沉积物，通过试验揭示天然河岸潜流带中溶质迁移转化的规律。

4、中国专利cn114112300a公开了一种感潮河流岸滩侧向潜流交换模拟装置及试验方法，该装置包括：有机玻璃槽：包括左端水槽、中间砂槽及右端水槽，分别用以模拟感潮河道、河岸滩及离岸区地下水；水位控制系统：包括供水组件、排水组件、自动水位控制组件以及滑动水位控制组件；监测系统：包括监测管、电导率传感器、孔隙水压力传感器、电导率采集仪、静态应变仪以及虹吸管。但该专利只能用于横向-垂向二维断面上的河流侧向潜流交换研究，难以实现横向-垂向-纵向三维河段尺度上的非均质性河岸潜流交换模拟。不仅如此，该专利只能用于潜流水力交换和保守型溶质(如氯化钠)的迁移研究，而不能用于河岸潜流带非保守型溶质(如铵盐)迁移转化研究。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟非均质性河岸潜流带溶质迁移转化的试验装置及方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种模拟非均质性河岸潜流带溶质迁移转化的试验装置，所述试验装置包括：

4、河岸模拟槽：由可调节数量的有机玻璃部件a和两个有机玻璃部件b组成，所述的有机玻璃部件a内设有透水挡板，将内部空间分割成左端动水头水槽、中间砂槽及右端定水头水槽，分别用以模拟河水、部分河岸潜流带及地下水，两个所述有机玻璃部件b分别位于数个有机玻璃部件a连接体的左端动水头水槽的前端和后端；

5、水位控制系统：包括与有机玻璃部件b相接的动水头供水组件和动水头排水组件、有机玻璃部件a左侧面板上设有的透明粘性刻度尺以及与有机玻璃部件a右端定水头水槽相接的定水头供水组件和定水头排水组件；

6、孔隙水取样系统：包括在砂槽内的若干球型水样收集器以及通过橡皮管与其连接的抽水器。

7、在本发明的一种实施方式中，所述有机玻璃部件a与有机玻璃部件b以及相邻的有机玻璃部件a之间均通过螺栓锚固连接成型，且在连接处设置止水橡胶垫，以保证河岸模拟槽的密闭性。

8、在本发明的一种实施方式中，所述有机玻璃部件a的内壁上设有3组对称的卡槽，3块所述透水挡板固定于卡槽上。

9、在本发明的一种实施方式中，所述透水挡板为多孔有机玻璃板，其外部包裹尼龙纱布以防止实验砂土被水冲入河岸模拟槽的两侧水槽中。

10、在本发明的一种实施方式中，所述中间砂槽内设有反滤料层和试验砂土层，所述反滤料层与左端动水头水槽相接，所述试验砂土层与右端定水头水槽相接。

11、在本发明的一种实施方式中，所述有机玻璃部件a按一定数量锚固连接后，左端的所有动水头水槽组合成一个狭长型的水槽，用于模拟部分河段，而右端的定水头水槽仍保持相对独立，用于模拟河岸地下水位空间分布。

12、在本发明的一种实施方式中，所述有机玻璃部件a右端定水头水槽的底面板和前面板顶部分别设有排水孔二和进水口二，所述进水口二与定水头供水组件相接，所述排水孔二用于定水头水槽底部的排水排沙，试验时用橡胶塞封闭，定水头水槽的右侧面板上设有排列式水龙头。

13、在本发明的一种实施方式中，所述有机玻璃部件a底部设有支墩，所述有机玻璃部件a的前面板上设有排列式水样采集孔，试验时用硅胶涂覆以保持密闭性。

14、在本发明的一种实施方式中，所述河岸模拟槽中的两个所述有机玻璃部件b的后面板和前面板的部顶分别设有进水口一和出水口，所述进水口一与动水头供水组件相接，所述出水口与动水头排水组件相接；

15、两个有机玻璃部件b的底面板上均设有排水孔一，用于组合水槽的排水排沙，试验时用橡胶塞封闭。

16、在本发明的一种实施方式中，所述动水头供水组件包括进水管一和供水箱一，所述进水管一一端与供水箱一相连，所述进水管一另一端与进水口一相连，所述进水管一上设有水泵一。

17、在本发明的一种实施方式中，所述动水头排水组件包括排水管二和废水箱一，所述排水管二一端与废水箱一相连，所述排水管二与出水口相连，所述排水管二上设有水泵二。

18、在本发明的一种实施方式中，所述定水头供水组件包括进水管二和供水箱二，所述进水管二一端与供水箱二相连，所述进水管二另一端与进水口二相连，所述进水管二上靠近供水箱二的一端依次设有水泵三和多通管接头，便于向多个有机玻璃部件a右端定水头水槽同时注水。

19、在本发明的一种实施方式中，所述定水头排水组件包括排水管一和废水箱二，所述排水管一一端与废水箱二相连，所述排水管一另一端通过排列式水龙头与右端定水头水槽相连。

20、在本发明的一种实施方式中，所述水样收集器包括空心球和空心管，所述空心球和空心管均为pvc材质，所述空心球表面上设有均匀分布的透水孔，用尼龙纱布包裹以防止细颗粒砂土进入，所述空心管一端与空心球相接，所述空心管的另一端通过橡胶管与抽水器连接，所述的橡胶管上设有止水夹。

21、此外，本发明还提供一种模拟非均质性河岸潜流带溶质迁移转化的方法，所述方法采用上述试验装置进行，具体步骤如下：

22、s1、试验砂土填充及孔隙水取样系统布设：

23、s1.1、通过螺栓和止水橡胶垫将试验所用的有机玻璃部件a及有机玻璃部件b锚固成型，河岸模拟槽底部的排水孔二和排水孔一均用橡胶塞密封；

24、s1.2、将沙砾料和不同粒径的砂土分别填入反滤料层和试验砂土层中，填砂时，将一定数量的水样收集器水平放置在试验砂土层中，其空心球部分埋在砂土中，其空心管的另一端从水样采集孔中穿出，孔口位置用垫片和硅胶进行密封处理，水样收集器的穿出端插入到相对较细的橡胶管中以便抽水器采集；

25、s1.3、沙砾料和砂土填充结束后，对河岸模拟槽的中间砂槽采用注水-排水循环试验，使砂土充分压密；

26、s2、水位控制及取水样：

27、s2.1、将河岸模拟槽中的水全部排出，关闭有机玻璃部件a右端定水头水槽的右侧面板上所有水龙头，打开水泵三，以流量q1向有机玻璃槽的右端定水头水槽进行持续供给蒸馏水，水经试验砂土层、反滤料层进入到左端的动水头水槽，模拟岸滩地下水向河道补给的状态，待定水头水槽的水位抬升至设定高度h0时，开启高度为h0的水龙头放流，以确保定水头水槽水位保持在h0高度处，模拟不受河水波动影响的远岸地下水；

28、s2.2、同时打开水泵一和水泵二，水泵一以流量q2从供水箱一向左端动水头水槽持续注入设定浓度的溶质溶液，水泵二以流量q3从左端动水头水槽抽水至废水箱一，左端动水头水槽水位持续下降，直至到达设定低水位hmin，此时采集左端动水头水槽和试验砂土层中埋设的所有水样收集器中的水，以分析试验中溶质浓度的初始状态；

29、s2.3、将水泵一和水泵二的流量对调，即水泵一的流量为q3，水泵二的流量为q2，左端动水头水槽水位持续上升，直至到达设定高水位hmax，再将水泵一和水泵二的流量互换，左端动水头水槽水位持续下降，直至到达设定低水位hmin，水位上升和下降期间，定时采集左端动水头水槽和试验砂土层中水样收集器中的水；

30、s2.4、可重复步骤s2.3数次，直至试验结束；

31、s3、试验数据处理与分析：

32、s3.1、采集水样数据处理：

33、对所有采集的水样进行溶质浓度及可能的转化产物浓度测定，绘制不同时刻不同有机玻璃部件a的试验砂土层孔隙水中溶质浓度及可能的转化产物浓度的分布图，绘制水位波动过程中左端动水头水槽内溶质浓度及可能的转化产物浓度的变化曲线图；

34、s3.2、试验数据的分析：

35、对比不同机玻璃部件a中试验砂土的渗透系数及同一时刻的溶质浓度与可能转化产物的浓度分布图，分析非均质岸滩沉积物对河流侧向潜流交换过程中溶质迁移范围及转化的影响规律。

36、在本发明的一种实施方式中，步骤s1.1中，所述有机玻璃部件a的数量根据拟模拟的河岸潜流带沉积物的不均匀性和复杂程度决定。

37、在本发明的一种实施方式中，步骤s1.2中，沙砾料和砂土均采用分层压实法填入。

38、在本发明的一种实施方式中，步骤s1.2中，水样收集器的布设数量与间距可根据具体试验情况进行调整。

39、在本发明的一种实施方式中，步骤s2.2中，q3>q2，hmin<h0。

40、在本发明的一种实施方式中，步骤s2.3中，hmax>h0。

41、与现有技术相比，本发明优点如下：

42、一、本发明能通过两台水泵的启闭和流量控制实现河水水位的波动模拟，而且可控制波动的特征参数(如水位波动幅度、周期等)。

43、二、本发明可根据试验需求调节试验装置的部件数量，实现非均质性程度较高的河岸潜流带模拟研究。

44、三、本发明布设在试验砂土层的水样收集装置可获取密闭环境中的水样，相比传统布设监测井取水样，很大程度上抑制了地下水长时间暴露于空气中所导致的潜流带氧化还原环境的变化，进而提升了溶质迁移转化研究的精确性。

45、四、本发明所述的河岸模拟槽部件拆卸和安装方便，操作简单，水槽和砂槽清洗快捷，易于维护，使用寿命长。