[發明專利]可調節長度的河岸帶側向潛流交換模擬裝置及試驗方法

有效

• 申請號: 202011493721.2
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112556985B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 蔡奕;石濤;阮西科;徐佳
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G01N13/00;G01N27/06
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 楊宏泰

1.一種可調節長度的河岸帶側向潛流交換模擬裝置，其特征在于，該裝置包括：

組合有機玻璃槽：由設置在右端用以模擬河道的有機玻璃槽部件R(30)、設置在左端用以模擬地下水的有機玻璃槽部件G(28)以及設置在有機玻璃槽部件R(30)和有機玻璃槽部件G(28)之間且數量可調節的有機玻璃槽部件M(29)組成，所述的有機玻璃槽部件R(30)和有機玻璃槽部件G(28)內設有透水擋砂板(7)，并且在左右透水擋砂板(7)之間的空間內鋪設用以模擬河岸帶沉積物的石英砂層(24)，所述的有機玻璃槽部件R(30)內通過卡槽(1)垂直設置的透水擋砂板(7)將有機玻璃槽部件R(30)內部空間分為河道水槽和右河岸帶砂槽，所述的有機玻璃槽部件G(28)內通過卡槽(1)垂直設置的透水擋砂板(7)將有機玻璃槽部件G(28)內部空間分為地下水水槽和左河岸帶砂槽，所述的右河岸帶砂槽、有機玻璃槽部件M(29)內部空間和左河岸帶砂槽共同連通構成河岸帶砂槽；

水位控制系統：包括分別與有機玻璃槽部件G(28)和有機玻璃槽部件R(30)上的水槽進出水口連接的供水組件和棄水組件；

電導率監測系統：包括電導率數據采集儀(23)以及通過導線分別與電導率數據采集儀(23)連接的多個分別設置在石英砂層(24)內不同高度和水平位置處的電導率傳感器(22)，用以實時獲取電導率數據。

2.根據權利要求1所述的一種可調節長度的河岸帶側向潛流交換模擬裝置，其特征在于，所述的有機玻璃槽部件R(30)的河道水槽后面板上開設河道水槽進水口(2)，前面板上開設多組設置在不同高度處的河道水槽出水口(3)，所述的有機玻璃槽部件G(28)的地下水水槽后面板上開設地下水水槽進水口(4)，前面板上開設多個設置在不同高度處的地下水水槽出水口(5)，所述的河道水槽進水口(2)高于河道水槽出水口(3)，所述的地下水水槽進水口(4)高于地下水水槽出水口(5)。

3.根據權利要求1所述的一種可調節長度的河岸帶側向潛流交換模擬裝置，其特征在于，所述的透水擋砂板(7)為多孔有機玻璃板，其外部包裹尼龍紗布以防止試驗砂土被水帶出。

4.根據權利要求1所述的一種可調節長度的河岸帶側向潛流交換模擬裝置，其特征在于，所述的有機玻璃槽部件M(29)與有機玻璃槽部件R(30)、有機玻璃槽部件M(29)與有機玻璃槽部件G(28)以及相鄰的有機玻璃槽部件M(29)之間均通過錨固螺栓(6)錨固連接成型，并且在連接處設置止水橡膠墊(8)保證密閉性。

5.根據權利要求2所述的一種可調節長度的河岸帶側向潛流交換模擬裝置，其特征在于，所述的供水組件包括通過地下水水槽進水軟管(18)與地下水水槽進水口(4)連接的地下水水槽供水箱(19)以及通過河道水槽進水軟管(12)與河道水槽進水口(2)連接的河道水槽供水箱(13)，所述的地下水水槽進水軟管(18)上設有地下水水槽蠕動泵(17)，所述的河道水槽進水軟管(12)上設有河道水槽蠕動泵(11)，用以控制水槽的進水流量。

6.根據權利要求2所述的一種可調節長度的河岸帶側向潛流交換模擬裝置，其特征在于，所述的棄水組件包括通過地下水水槽出水軟管(20)與地下水水槽出水口(5)連接的地下水水槽棄水箱(21)以及通過河道水槽出水軟管(14)與河道水槽出水口(3)連接的河道水槽棄水箱(15)，在地下水水槽出水軟管(20)與地下水水槽出水口(5)的連接處以及河道水槽出水軟管(14)與河道水槽出水口(3)的連接處分別設有軟管墊(26)，并且在河道水槽出水軟管(14)和地下水水槽出水軟管(20)上分別設有止水夾(27)。

7.根據權利要求1所述的一種可調節長度的河岸帶側向潛流交換模擬裝置，其特征在于，所述的河岸帶砂槽內底部鋪設一層丁基止水膠帶(25)，用以減小砂土顆粒與有機玻璃底部壁面間的孔隙對側向潛流交換的影響。

8.根據權利要求1所述的一種可調節長度的河岸帶側向潛流交換模擬裝置，其特征在于，所述的有機玻璃槽部件R(30)、有機玻璃槽部件G(28)以及有機玻璃槽部件M(29)底部均設有組合有機玻璃槽支撐底座(10)。

9.一種應用如權利要求1所述的可調節長度的河岸帶側向潛流交換模擬裝置的試驗方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)確定組合有機玻璃槽的長度：

根據試驗目的設置組合有機玻璃槽中兩側地下水水槽和河道水槽的水位變化過程，測量石英砂層(24)的水平滲透系數和孔隙度，由達西定律估算潛流交換深度，從而確定有機玻璃槽部件M(29)的個數及組合有機玻璃槽的長度；

2)填砂及電導率傳感器的布設：

在組合有機玻璃槽中兩塊透水擋砂板(7)之間采用分層振搗密實方法鋪設石英砂，將多個電導率傳感器(22)布設于石英砂層(24)中的不同高度和水平位置處，并通過導線與電導率數據采集儀(23)連接；

3)水位控制：

31)分別打開地下水水槽h₀高度和河道水槽H₀高度的出水軟管的止水夾，且h₀H₀，并通過蠕動泵持續供水以保持地下水水槽中水位不變，模擬地下水向河道穩定滲流的狀態；

32)打開電導率數據采集儀(23)，獲取石英砂層(24)的孔隙水電導率初始值，向河道水槽供水箱(13)中投放導電鹽至設定濃度，關閉河道水槽初始水位H₀對應出水口的軟管止水夾，向河道水槽投放導電鹽至與河道水槽供水箱中導電鹽濃度相同的設定濃度，同時打開蠕動泵以q₁流量從河道水槽供水箱(13)向河道水槽持續供給設定濃度的導電鹽溶液，河道水槽中水位持續抬升；

33)當河道水槽的水位達到目標水位H₁時，設置蠕動泵反向工作，以q₂流量從河道水槽中抽水，且q₂q₁，待河道水槽水位返回初始水位H₀時，關閉蠕動泵，同時打開河道水槽的初始水位H₀對應出水口的軟管止水夾；

4)電導率監測及數據處理：

41)電導率監測：

在河道水槽的水位升降過程中，持續監測石英砂層(24)內的各電導率傳感器(22)處的電導率值，當石英砂層(24)中各監測點的電導率值趨于穩定時，關閉電導率數據采集儀(23)，試驗結束；

42)數據處理：

將電導率傳感器(22)采集的導電率值轉換成導電鹽濃度值，對電導率傳感器(22)處的導電鹽濃度值進行插值計算，獲得石英砂層(24)中的水平-垂直方向上的導電鹽濃度場，再根據導電鹽濃度場的動態變化，確定河道水槽水位升降過程中側向潛流交換的范圍、滯留時間及通量，重復步驟3)和4)，獲取不同水位變化對河岸帶側向潛流交換的影響規律。