一种研究河岸带潜流交换的试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于水利工程试验设备技术领域，涉及一种研究河岸带潜流交换的试验装置，还涉及上述试验装置的试验方法。

背景技术

潜流带是指河流河床内以及河岸带内饱和沉积层,是地表水与地下水相互交换、物质和能量交换、生物群落生长和繁殖的区域，其间发生着复杂的物理和化学反应过程，也是重要的污染物缓冲区。地表水通过河岸带沉积层与地下水发生水热交换的区域称为河岸带潜流层，河岸带潜流层与河床潜流层一样都是河流生态系统的重要组成，其是研究的重点之一，研究会对污染治理及改善治理周边小生态系统的结构和功能具有重要意义。

目前，研究潜流带试验方法主要有野外试验和室内试验两种，野外试验研究周期较长且受到各种条件的限制。室内模拟研究限制条件较少、方法容易实现，同样能达到野外试验研究的效果。因此，通过室内试验模拟研究河岸带潜流交换过程是非常经济时效的。

大多数学者针对室内试验潜流交换的研究主要集中于河床潜流交换的模拟研究，河岸带的室内试验较少，并且现有的试验装置无法对试验的准确性进行验证，导致对潜流带的模拟不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种研究河岸带潜流交换的试验装置，解决了现有技术中存在的现有的试验装置无法对试验的准确性进行验证的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种研究河岸带潜流交换的试验装置，其特征在于，包括水槽、供水机构及渗水量测量机构，水槽一端设置有进水口、第一出水口，水槽另一端设置有第二出水口，还包括有供水机构，进水口、供水机构、第一出水口形成闭合回路；水槽侧面设置有温度传感器。

本发明的特点还在于：水槽内对称设置有两个隔板，每个隔板上开设有过水孔。

进水口包括多个，多个进水口沿水槽竖直方向依次排列，第一出水口位于进水口下方。

每个隔板外包裹有用于防止过水孔堵塞的隔挡件。

供水机构包括变温水箱，变温水箱内设置有水泵，水泵出口与进水口连通，第一出水口与变温水箱连通。

渗水量测量机构包括重量测量机构，重量测量机构上放置有用于收集第二出水口流出水的收集器。

水槽侧面开设有用于放置温度传感器的通孔。

过水孔按列依次分布水槽侧面。

本发明的另一目的是提供一种研究河岸带潜流交换的试验方法。

本发明所采用的另一技术方案是，一种研究河岸带潜流交换的试验方法，采用步骤的研究河岸带潜流交换的试验装置，包括以下步骤：

步骤1、在水槽内填筑沙子，并根据测量要求布设温度传感器，打开水泵向水槽内供水，达到一定水面高程关闭水泵，当第二出水口渗出水流一段时间后开始试验；

步骤2、调节变温水箱温度呈正弦式变化，打开水泵向水槽供水，调节进水口和第一出水口的水流大小，使水槽内水位保持稳定；

步骤3、通过重量测量机构在预设时间段内采集渗水重量，同时利用温度传感器采集温度数据，根据渗水重量计算的每段预设时间段的渗水速率并绘图；

步骤4、对温度传感器采集的温度数据进行标准化处理并按列分组，并对各组数据进行平均化处理，得到平均值；

步骤5、将各组数据及各组数据的平均值导入到分析模型中，求解河岸带潜流交换速率，并绘制河岸带潜流交换速率图；

步骤6、将渗水速率图与河岸带潜流交换速率图进行对比，根据图像重合及趋势最接近吻合原则确定最优河岸带潜流交换速率的分析模型，得到准确的河岸带潜流交换速率与通量。

步骤3中计算的每段预设时间段的渗水速率的公式如下：

m＝ρV (3)；

上式中，A为第二出水口的出口面积，ν为渗流速率，V为渗流水体体积，t为测量时间，m为渗流水体质量，ρ为水的密度。

本发明的有益效果是：

本发明一种研究河岸带潜流交换的试验装置，通过控制温度的正弦式变化来模拟一天温度的日变化过程，从而模拟研究河岸带潜流交换速率与通量，通过实测与模拟进行对比，选择合适的分析模型，得到更加准确的潜流交换速率，提高潜流带模拟的准确度，以用于研究单一剖面不同测点间的河岸带潜流交换速率与通量。本发明一种研究河岸带潜流交换的试验方法，能得到更加准确的潜流交换速率，提高潜流带模拟的准确度，以用于研究单一剖面不同测点间的河岸带潜流交换速率与通量。

附图说明

图1是本发明一种研究河岸带潜流交换的试验装置的结构示意图；

图2是本发明一种研究河岸带潜流交换的试验装置的左视图；

图3是本发明一种研究河岸带潜流交换的试验装置的右视图；

图4是本发明一种研究河岸带潜流交换的试验方法的实施例中定水头试验水温及不同深层的温度曲线图；

图5是本发明一种研究河岸带潜流交换的试验方法的实施例中以Hatch振幅作为分析模型得到的二维河岸带潜流交换速率图；

图6是本发明一种研究河岸带潜流交换的试验方法的实施例中以Keery振幅作为分析模型得到的二维河岸带潜流交换速率图；

图7是本发明一种研究河岸带潜流交换的试验方法的实施例中实测渗水速率图与预定的两种分析模型得到的二维河岸带潜流交换速率图的对比图。

图中：1.水槽，2.进水口，3.第一出水口，4.第二出水口，5.温度传感器，6.隔板，7.过水孔，8.变温水箱，9.水泵，10.重量测量机构，11.收集器，12.通孔，13.阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种研究河岸带潜流交换的试验装置，如图1-3所示，包括水槽1、供水机构及渗水量测量机构，水槽1一端设置有进水口2、第一出水口3，水槽1另一端设置有第二出水口4，第二出水口4能使自由渗出的水流流出水槽1。还包括有供水机构，进水口2、供水机构、第一出水口3形成闭合回路；水槽1侧面设置有温度传感器5。进水口2、第一出水口3、第二出水口4上分别设置有阀门13。本实施例中，水槽1四周和顶面用保温材料包裹，防止室内温度影响试验所用水流温度。

水槽1内对称设置有两个隔板6，每个隔板6上开设有过水孔7。本实施例中，隔板6与水槽1之间的距离为15cm。过水孔7可以为水槽1进水和出水缓冲水流。

进水口2包括多个，多个进水口2沿水槽1竖直方向依次排列，第一出水口3位于进水口2下方。更换不同高度的进水口，可以实现不同水位的试验。第一出水口3能控制模拟河岸带不同水位高程并使水位处于稳定状态。

每个隔板6外包裹有用于防止过水孔7堵塞的隔挡件。隔挡件可以为纱布，用纱布将隔板6包裹，防止泥沙颗粒通过隔板6堵塞进水口2和第一出水口3。

供水机构包括变温水箱8，变温水箱8内设置有水泵9，水泵9出口与进水口2连通，第一出水口3与变温水箱8连通。水泵9通过管道向水槽1供应智变温水箱8内正弦式温度变化水流。

渗水量测量机构包括重量测量机构10，重量测量机构10上放置有用于收集第二出水口4流出水的收集器11。本实施例中，重量测量机构10为电子秤，收集器11为量杯或者其他容器。

水槽1侧面开设有用于放置温度传感器5的通孔12。根据需要安装温度传感器5，已经打孔但未安装温度传感器5的通孔12可用橡皮塞塞住以防试验时水和沙流出。通孔12按列依次分布水槽1侧面。

一种研究河岸带潜流交换的试验方法，采用步骤的研究河岸带潜流交换的试验装置，包括以下步骤：

步骤1、在水槽1内填筑沙子并用锤子压实，根据测量要求布设温度传感器5，打开水泵9向水槽1内供水，达到一定水面高程关闭水泵9，水槽1内水慢慢渗出使沙子饱和，当第二出水口4渗出水流一段时间后开始试验；

步骤2、调节变温水箱8温度呈正弦式变化(水温先升高后降低)，打开水泵9向水槽1供水，调节进水口2和第一出水口3的水流大小，使水槽1内水位保持稳定；

步骤3、通过重量测量机构10在预设时间段内采集渗水重量，同时利用温度传感器5采集的温度数据，根据渗水重量计算的每段预设时间段的渗水速率并绘图，每段预设时间段的渗水速率公式如下：

m＝ρV (3)；

上式中，A为第二出水口的出口面积，ν为渗流速率，V为渗流水体体积，t为测量时间，m为渗流水体质量，ρ为水的密度。

步骤4、对温度传感器5采集的温度数据进行标准化处理并按列分组，并对各组数据进行平均化处理，得到平均值；

步骤5、将各组数据及各组数据的平均值导入到分析模型中，求解河岸带潜流交换速率，并绘制河岸带潜流交换速率图；

进一步的，分析模型可以为VFLUX程序的四种经典模型(包括Hatch解、Keery解、McCallum解和Luce解)中的一个，也可以为1DTempPro。两种方式都依据温度时间序列数据来计算地表水与地下水之间的垂向渗流速度，计算程序便捷高效，广泛应用量化地表水和地下水的相互作用。

步骤6、将渗水速率图与河岸带潜流交换速率图进行对比，根据图像重合及趋势最接近吻合原则确定最优河岸带潜流交换速率的分析模型，得到准确的河岸带潜流交换速率与通量。

如果需要测量不同水位的河岸带潜流交换速率与通量，通过更换进水口2，调节水槽1内水位，利用步骤6选择的分析模型，对采集的温度数据进行计算，得到对应水位的河岸带潜流交换速率与通量。

通过以上方式，本发明一种研究河岸带潜流交换的试验装置，通过控制温度的正弦式变化来模拟一天温度的日变化过程，从而模拟研究河岸带潜流交换速率与通量，通过实测与模拟进行对比，选择合适的分析模型，得到更加准确的潜流交换速率，提高潜流带模拟的准确度，以用于研究单一剖面不同测点间的河岸带潜流交换速率与通量。

实施例

本实施例采用试验土体的特性参数如表1所示：

表1试验土体的特性参数

步骤1、在水槽1内填筑沙子并用锤子压实，根据测量要求布设温度传感器5，打开水泵9向水槽1内供水，达到一定水面高程关闭水泵9，水槽1内水慢慢渗出使沙子饱和，当第二出水口4渗出水流一段时间后开始试验；

步骤2、调节变温水箱8温度呈正弦式变化(水温先升高后降低)，打开水泵9向水槽1供水，调节进水口2和第一出水口3的水流大小，使水槽1内水位保持稳定；

步骤3、通过重量测量机构10在预设时间段内采集渗水重量，同时利用温度传感器5采集的温度数据，根据渗水重量计算的每段预设时间段的渗水速率并绘图，每段预设时间段的渗水速率公式如下：

m＝ρV (3)；

上式中，A为第二出水口的出口面积，ν为渗流速率，V为渗流水体体积，t为测量时间，m为渗流水体质量，ρ为水的密度。

步骤4、对温度传感器5采集的温度数据进行标准化处理并按列分组，并对各组数据进行平均化处理，得到平均值，如表2及图4所示；

表2

步骤5、将各组数据及各组数据的平均值导入到MATLAB软件的VFLUX程序当中，运行VFLUX format，创建格式化的数据结构，运行已写入MATLAB软件中的VFLUX程序，即可求解在VFLUX程序中已导入两种经典模型(Hatch振幅解、Keery振幅解)下的河岸带潜流交换速率，并分别绘制成以时间为横坐标的二维河岸带潜流交换速率图。

步骤5的具体操作方法为：

步骤5.1、在网站上下载VFLUX程序，并将VFLUX程序文件夹的位置添加到MATLAB搜索路径中；然后将VFLUX程序文件夹中的captain文件夹和vflux2文件夹添加到路径并点击选定的文件夹和子文件夹；

步骤5.2、将如图4所示的温度时序数据的首列时间序列处理为yyyy/m/d h:mm等时间间隔1小时形式且转换为常规或数值单元格格式，待做完图后可根据实测时间对横坐标刻度值进行修改；将测得的不同深度位置的时序温度数据按照由浅至深的原则，依次放置在EXCEL文件第二列，第三列……，并保存为.xls或.xlsx格式，本试验以两列数据为例：浅层和深层；然后运行MATLAB，点击“导入数据”，将处理好的数据导入并定义为“矩阵”，将所选数据导入到MATLAB工作区，并对其重命名为“T1”；

步骤5.3、将代码“site1＝vfluxformat(T1(:,1),T1(:,2:3),[0.0 0.53])；”输入MATLAB命令栏中，选中此代码并执行即可创建数据结构；代码中“site1”是格式化数据结构的名称；“T1(:,1)”是采样时间的序列；“T1(:,2:3)”是温度序列的矩阵；“[0.0 0.53]”是每个温度记录仪的深度位置的行向量，以米为单位；

步骤5.4、步骤5.3命令执行后，要将代码“site1＝vflux(site1,0,1,1,0.41,0.010,0.00031,0.5,1)”输入MATLAB命令栏中下一行，选中此代码并按MATLAB的提示指令执行命令，即可得到VFLUX中预先定义的两种经典分析模型(Hatch振幅解、Keery振幅解)所求出的以时间为横坐标的二维河岸带潜流交换速率图，如图5及图6所示；其中步骤4代码中“0”是用于降低采样率的正整数因子，“1”是正整数的标量或向量，表示计算两个温度记录仪之间的通量，“1”是以天为单位过滤和用于通量计算的基本温度信号的周期；“0.41”沉积物的总孔隙度，即孔隙空间的体积除以总体积；“0.010”为热弥散度，单位为m；“0.00031”为热传导系数，单位为cal/(s·cm·℃)；“0.5”为沉积物的体积热容，单位为cal/(cm3·℃)；“1”为水的体积热容，单位为cal/(cm3·℃)。

步骤6、将渗水速率图与河岸带潜流交换速率图进行对比，根据图像重合及趋势最接近吻合原则确定最优河岸带潜流交换速率的分析模型，得到准确的河岸带潜流交换速率与通量。

本实施例的结果如图7所示，从整体上看实测值和选用的两种经典分析模型计算的流速结果表现出来的量级和大体变化趋势都有较高的一致性，足以验证采用此试验装置及试验方法进行研究河岸带潜流交换的准确性。在验证的同时，选用的两种分析模型中Hatch振幅法计算结果和实测值吻合度最高，可用此分析模型用于研究单一剖面不同测点间的河岸带潜流交换速率与通量。