本實(shí)用新型屬于水利工程試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種地表水地下水耦合的潛流交換自循環(huán)試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

水槽試驗(yàn)在水力機(jī)械、水力學(xué)模擬、海洋工程等多種流體力學(xué)和滲流問題的研究中廣泛應(yīng)用。潛流帶是河流河床內(nèi)水分飽和的沉積物層，連接著河流水體、沉積物和地下水，潛流帶中存在上覆水體與地下水之間物質(zhì)和能量的交換與過渡，是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。潛流交換是影響河流生態(tài)健康的重要物理過程，直接關(guān)聯(lián)著河床區(qū)地表水與地下水系統(tǒng)內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)輸移、氧補(bǔ)充或碳釋放等生物化學(xué)反應(yīng)，對(duì)河流的生態(tài)健康和理化過程起著關(guān)鍵的調(diào)控作用?，F(xiàn)有水槽裝置多用于地表水入滲與地下水出滲方面的研究，具體分為以下兩種情況：地表水自循環(huán)水槽，缺點(diǎn)是無法進(jìn)行地下水模擬試驗(yàn)；地下水出滲試驗(yàn)，缺點(diǎn)是無法形成自循環(huán)系統(tǒng)，其溶質(zhì)、總水量均發(fā)生變化，不能真正模擬地表水與地下水潛流交換的瞬態(tài)過程。由于潛流交換過程中沉積物孔隙水的各向異性和溶質(zhì)分布非均一性，導(dǎo)致采用粒子示蹤法無法準(zhǔn)確溶質(zhì)濃度，如何進(jìn)行地表水與地下水自循環(huán)耦合研究是目前水槽試驗(yàn)的一個(gè)尚未解決的難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種地表水地下水耦合的潛流交換自循環(huán)試驗(yàn)裝置，能夠同時(shí)模擬地表水與地下水潛流交換自循環(huán)。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：一種地表水與地下水潛流交換自循環(huán)試驗(yàn)裝置，包括長方體的水槽，水槽的底壁均勻開設(shè)有若干滲水孔，水槽的下方設(shè)置有地下水單元，水槽的內(nèi)部由底壁向上依次設(shè)置有濾砂層和沉積層，濾砂層為400目不銹鋼篩網(wǎng)，沉積層為沙礫，沉積層與水槽的頂部形成有過水層，水槽沿長度方向的兩端分別固定有上游水箱和下游水箱，上游水箱和下游水箱分別與過水層的兩端連通，上游水箱與過水層的連通處設(shè)置有消能孔板，下游水箱與過水層的連通處設(shè)置有尾門裝置，過水層、上游水箱和下游水箱的內(nèi)部均設(shè)置有溶質(zhì)測量裝置，上游水箱的底部連通有自循環(huán)管道，自循環(huán)管道的另一端連通至下游水箱的底部，自循環(huán)管道上依次設(shè)置有自循環(huán)閥門、水泵和電磁流量計(jì)，自循環(huán)閥門靠近下游水箱，自循環(huán)閥門和水泵之間的自循環(huán)管道上連通有供水單元。

本實(shí)用新型的特點(diǎn)還在于，

地下水單元包括固定在水槽的下方的若干地下水箱，地下水箱的內(nèi)部均設(shè)置有溶質(zhì)測量裝置，地下水箱的底部共同連通有地下水管道，地下水管道的另一端連通至上游水箱，地下水管道上設(shè)置有蠕動(dòng)泵。

供水單元包括供水箱，供水箱上連通有供水管道，供水管道的另一端連通至自循環(huán)管道，供水管道上設(shè)置有供水閥門。

下游水箱與水槽連接的側(cè)壁還設(shè)置有沉砂槽，沉砂槽位于過水層的下方。

水槽的底壁還設(shè)置有卸砂漏斗。

尾門裝置為帆板門葉片，帆板門葉片的上方設(shè)置有帆板門導(dǎo)桿。

溶質(zhì)測量裝置為電導(dǎo)率電極，電導(dǎo)率電極通過導(dǎo)線連接有電導(dǎo)率主機(jī)。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型的一種地表水地下水耦合的潛流交換自循環(huán)試驗(yàn)裝置，通過地表水單元和地下水單元，可同時(shí)模擬地表水與地下水潛流交換自循環(huán)，在不損失總流量和溶質(zhì)的情況下完成了地表水與地下水耦合試驗(yàn)；通過電導(dǎo)率儀測定地表水和地下水溶質(zhì)濃度，從而可以利用鈉離子示蹤法研究地下水對(duì)潛流交換的影響。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的一種地表水地下水耦合的潛流交換自循環(huán)試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中的本實(shí)用新型的一種地表水地下水耦合的潛流交換自循環(huán)試驗(yàn)裝置的俯視圖；

圖3是圖1中的本實(shí)用新型的一種地表水地下水耦合的潛流交換自循環(huán)試驗(yàn)裝置的仰視圖；

圖4是圖1中的本實(shí)用新型的一種地表水地下水耦合的潛流交換自循環(huán)試驗(yàn)裝置中的A-A剖視圖。

圖中，1.水槽，2.過水層，3.沉積層，4.濾砂層，5.上游水箱，6.下游水箱，7.消能孔板，8.尾門裝置，9.自循環(huán)管道，10.自循環(huán)閥門，11.水泵，12.電磁流量計(jì)，13.供水管道，14.供水箱，15.供水閥門，16.地下水箱，17.溶質(zhì)測量裝置，18.地下水管道，19.蠕動(dòng)泵，20.沉砂槽，21.卸砂漏斗，22.承重墩。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

本實(shí)用新型提供了一種地表水地下水耦合的潛流交換自循環(huán)試驗(yàn)裝置，如圖1至圖4所示，包括長方體的水槽1，水槽1的底壁均勻開設(shè)有若干滲水孔，水槽1的下方設(shè)置有地下水單元，水槽1的內(nèi)部由底壁向上依次設(shè)置有濾砂層4和沉積層3，濾砂層4為400目不銹鋼篩網(wǎng)，沉積層3為沙礫，沉積層3與水槽1的頂部形成有過水層2，水槽1沿長度方向的兩端分別固定有上游水箱5和下游水箱6，上游水箱5和下游水箱6分別與過水層2的兩端連通，上游水箱5與過水層2的連通處設(shè)置有消能孔板7，下游水箱6與過水層2的連通處設(shè)置有尾門裝置8，過水層2、上游水箱5和下游水箱6的內(nèi)部均設(shè)置有溶質(zhì)測量裝置17，上游水箱5的底部連通有自循環(huán)管道9，自循環(huán)管道9的另一端連通至下游水箱6的底部，自循環(huán)管道9上依次設(shè)置有自循環(huán)閥門10、水泵11和電磁流量計(jì)12，自循環(huán)閥門10靠近下游水箱6，自循環(huán)閥門10和水泵11之間的自循環(huán)管道9上連通有供水單元。

地下水單元包括固定在水槽1的下方的若干地下水箱16，地下水箱16的內(nèi)部均設(shè)置有溶質(zhì)測量裝置17，地下水箱16的底部共同連通有地下水管道18，地下水管道18的另一端連通至上游水箱5，地下水管道18上設(shè)置有蠕動(dòng)泵19。

供水單元包括供水箱14，供水箱14上連通有供水管道13，供水管道13的另一端連通至自循環(huán)管道9，供水管道13上設(shè)置有供水閥門15。

下游水箱6與水槽1連接的側(cè)壁還設(shè)置有沉砂槽20，沉砂槽20位于過水層2的下方。

水槽1的底壁還設(shè)置有卸砂漏斗21。

尾門裝置8為帆板門葉片，帆板門葉片的上方設(shè)置有帆板門導(dǎo)桿。

溶質(zhì)測量裝置17為電導(dǎo)率電極，電導(dǎo)率電極通過導(dǎo)線連接有電導(dǎo)率主機(jī)。

水槽1的底部下方通過鋼管連接有承重墩22。

在本實(shí)驗(yàn)裝置中，地下水單元包括固定在水槽1的下方的5個(gè)地下水箱16以及5個(gè)地下水箱16中設(shè)置的電導(dǎo)率電極、地下水管道18和蠕動(dòng)泵19；地表水單元包括上游水箱5、下游水箱6和過水層2以及它們中設(shè)置的電導(dǎo)率電極和自循環(huán)管道9、自循環(huán)閥門10、水泵11和電磁流量計(jì)12；根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的地下水單元解決地下水可計(jì)量的均勻入滲；通過地表水單元可以解決地表水和地下水在系統(tǒng)內(nèi)自循環(huán)運(yùn)移；通過布設(shè)的電導(dǎo)率電極同時(shí)監(jiān)測地表水與地下水氯化鈉濃度的瞬時(shí)值，可進(jìn)一步研究地下蠕動(dòng)泵19泵入或者抽出工況下對(duì)潛流交換量的影響。

通過在帶孔的水槽1內(nèi)部鋪設(shè)400目不銹鋼篩網(wǎng)解決沉積物懸空的問題；通過現(xiàn)有技術(shù)中能夠攔截水流的帆板門導(dǎo)桿控制帆板門葉片來控制過水層2的水深；地下水箱16為長度1m，寬度0.5m，高度0.1m的不銹鋼水箱；蠕動(dòng)泵19為8通道雙向蠕動(dòng)泵，用來提供地下水單元?jiǎng)恿σ约坝?jì)量流經(jīng)自身的流量；溶質(zhì)測量裝置17為MIK-TDS210電導(dǎo)率儀；水泵11的額定功率45KW揚(yáng)程7m用來提供地表水單元的循環(huán)動(dòng)力；電磁流量計(jì)12的量程0-40L/s用來監(jiān)測地表水單元的流量從而用來探究地表水流量大小對(duì)潛流交換的影響；供水箱14用來為整個(gè)系統(tǒng)供水和回水；水槽1的長度、寬度和高度分別為7m、0.5m和1.2m，水槽1的寬度設(shè)置0.5m一是為了消除過窄水槽引起的邊壁回流的問題，二是方便人對(duì)于沉積物的填入和造型操作；上游水箱5和下游水箱6與水槽1連接處均為防水連接；消能孔板7為20mm厚的有機(jī)玻璃板，均勻打有96個(gè)直徑為20mm的孔，消能孔板7能夠消能并引導(dǎo)水流穩(wěn)定進(jìn)入水槽1；沉積物層3厚70cm；沉砂槽20為3mm厚的不銹鋼板，用于防止水槽1內(nèi)的沙礫進(jìn)入自循環(huán)管道9損壞水泵11；供水管道13和自循環(huán)管道9均為直徑150mm的PVC管，也可以采用不銹鋼管；地下水管道18為直徑5mm的透明塑料軟管；地下水箱16采用5個(gè)長寬高分別為1m，0.5m，0.1m的不銹鋼鐵箱，采用5個(gè)地下水箱16可以使蠕動(dòng)泵19向沉積層3中更加均勻的抽水和泵水；供水箱14的長寬高分別為2m，1.5m，1.0m。

使用時(shí)，關(guān)閉蠕動(dòng)泵19，向沉積層3中加入清水，至水面恰好淹沒沉積層3且1小時(shí)內(nèi)無下降；向供水箱14加入溶質(zhì)并攪拌均勻；關(guān)閉自循環(huán)閥門10，打開供水閥門15，打開水泵11，控制尾門裝置8開度使過水層2達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)水位，在本試驗(yàn)中過水層水位為30cm；關(guān)閉供水閥門15，打開自循環(huán)閥門10，控制水泵11開度至試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)流速，在本試驗(yàn)中水泵11的流量控制在為0-20L/s；打開蠕動(dòng)泵19，待上游水箱5、過水層2、下游水箱6和地下水箱16的溶質(zhì)濃度恒定；計(jì)算打開蠕動(dòng)泵19至上游水箱5、過水層2、下游水箱6和地下水箱16的溶質(zhì)濃度恒定期間內(nèi)水槽1的瞬時(shí)潛流交換量。

由于本水槽為自循環(huán)水槽，試驗(yàn)過程總水量、溶質(zhì)保持不變，同時(shí)存在兩組水交換循環(huán)：即地表水單元和地下水單元之間的循環(huán)，為封閉循環(huán)。也就是水流根據(jù)蠕動(dòng)泵19的不同泵水方向分為：由地下水箱16向上游水箱5泵水時(shí)的水流方向，沉積層3→地下水箱16→地下水管道18→上游水箱5→過水層2→沉積層3；由上游水箱5向地下水箱16泵水時(shí)的水流方向，沉積層3→過水層2→上游水箱5→地下水管道18→地下水箱16→沉積層3，地表水單元和地下水單元之間的循環(huán)的流量通過蠕動(dòng)泵19顯示讀數(shù)。本水槽同時(shí)存在另外一組水交換循環(huán)，即過水層2與沉積層3之間的潛流交換循環(huán)，也分為兩個(gè)水流方向，沉積層3→過水層2和過水層2→沉積層3。因?yàn)榭偹?、溶質(zhì)保持不變可推出潛流交換循環(huán)也為封閉循環(huán)?？赏ㄟ^上述間接測量方法來計(jì)算潛流交換量。

本實(shí)用新型的一種地表水地下水耦合的潛流交換自循環(huán)試驗(yàn)裝置，通過地表水單元和地下水單元，可同時(shí)模擬地表水與地下水潛流交換自循環(huán)，在不損失總流量和溶質(zhì)的情況下完成了地表水與地下水耦合試驗(yàn)；通過電導(dǎo)率儀測定地表水和地下水溶質(zhì)濃度，從而可以利用鈉離子示蹤法研究地下水對(duì)潛流交換的影響。