一种河流生态补水对地下水影响的模拟装置

摘要

本发明涉及一种河流生态补水对地下水影响的模拟装置，包括砂箱模型、河流模拟模块、进水模块和出水汇集模块，砂箱模型内通过两块透水隔板隔出填砂区、第一水箱区和第二水箱区，第一水箱区和第二水箱区分别位于填砂区两侧，填砂区中填充有石英砂，河流模拟模块插入填砂区顶部石英砂中，河流模拟模块与第一水箱区相邻的位置形成与填砂区连通的下渗区，河流模拟模块与第二水箱区相邻的位置开设有出水口；进水模块分别与第一水箱区以及河流模拟模块的下渗区连通，出水汇流模块分别与第二水箱区底部以及河流模拟模块出水口连通。本发明为河流生态补水对地下水影响的模拟装置，主要用于对生态补水过程中河流下渗水流在非饱和带‑饱和带中运移的认识等。

说明书

技术领域

本发明涉及水资源研究领域，具体涉及一种河流生态补水对地下水影响的模拟装置。

背景技术

随着社会经济的增长，不合理的水资源利用模式造成部分地区出现了河道断流、河湖萎缩干涸、生态流量保障不够、水域岸线受损、地下水位下降、水土流失严重等突出问题。为了进一步推动新阶段水利高质量发展，满足人民日益增长的美好生活需要，提升水生态系统质量和稳定性，维护河湖健康生命，实现河湖功能永续利用，实现人水和谐共生，复苏河湖生态环境已成为生态文明建设中新的实践。

目前河流生态补水作为复苏河湖生态环境的重要手段，已经在多地开展实践。2021年人工生态补水用水量已占全国总用水量的5.4％，甚至在有些地区已经成为最主要的用水形式。因此，研究生态补水对河岸周边的影响，阐明河流补水过程中的入渗速率变化，对于顺利完成生态补水任务促进河湖生态环境复苏目标意义重大。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题的一种或几种，提供了一种河流生态补水对地下水影响的模拟装置，形成物理模拟方案。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种河流生态补水对地下水影响的模拟装置，包括砂箱模型、河流模拟模块、进水模块和出水汇集模块，所述砂箱模型内通过两块透水隔板隔出填砂区、第一水箱区和第二水箱区，所述第一水箱区和第二水箱区分别位于所述填砂区的两侧，所述填砂区中填充有石英砂，所述河流模拟模块插入所述填砂区顶部的石英砂中，所述河流模拟模块与所述第一水箱区相邻的位置形成与填砂区连通的下渗区，所述河流模拟模块与所述第二水箱区相邻的位置开设有出水口；所述进水模块分别与第一水箱区以及河流模拟模块的下渗区连通，所述出水汇流模块分别与所述第二水箱区的底部以及河流模拟模块的出水口连通。

本发明的有益效果是：本发明的河流生态补水对地下水影响的模拟装置，主要用于对生态补水过程中的河流下渗水流在非饱和带-饱和带中运移的认识，在不同的包气带厚度、包气带性质、地表水-地下水水头差情景下，进一步理清注入水量分别沿河流、地下水途径的排泄量，分析河流向地下水补给速率的潜在变化形式。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述河流模拟模块采用顶部敞口的长方体结构，所述河流模拟模块的前后两侧壁以及底壁均为透水面，所述河流模拟模块的左右两侧壁均为带开口的隔水面，所述河流模拟模块的左右两侧壁分别与第二水箱区和第一水箱区相邻布置。

进一步，所述河流模拟模块的底壁上插接有防渗板，所述防渗板能够沿所述河流模拟模块的底壁左右移动并调整下渗区的左右宽度。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置防渗板，可以起到调整下渗区的左右宽度，即调整模拟河流的宽度。

进一步，所述长方体结构的河流模拟模块的每条棱边均采用不锈钢材料制成，所述河流模拟模块的底壁上前后布置的两条水平棱边上分别设有左右延伸的第一插槽，所述防渗板插接在所述第一插槽内。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用不锈钢材料制成河流模拟模块的棱边，使河流模拟模块结构更加稳固。可通过防渗板在第一插槽内的移动调整河流的宽度。

进一步，所述河流模拟模块的左右两侧壁上前后布置的两条竖直棱边上分别设有竖直延伸的第二插槽，所述第二插槽内插接有隔水板；所述河流模拟模块的前后两侧壁采用纱网制成。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置第二插槽，方便隔水板的可拆卸连接。水流可以通过纱网的小孔进入河流模拟模块内，而石英砂颗粒则不能通过纱网。

进一步，靠近所述第二水箱区的隔水板上开设有竖直排布的多个出水口，每个出水口处均设有止水阀。

采用上述进一步方案的有益效果是：止水阀拧紧时可以使出水口完全阻塞出水；当河流模拟模块的前后侧壁以及底壁完成封隔时，可以通过不同出水口的高度控制河流模拟模块内积水深度的大小。

进一步，所述第一水箱区内设有高度可调的第一玻璃管，所述第一玻璃管竖直布置且下端从所述第一水箱区的底部穿出，所述第一玻璃管的上端敞口、下端可封堵；所述第二水箱区内设有高度可调的第二玻璃管，所述第二玻璃管竖直布置且下端从所述第二水箱区的底部穿出，所述第二玻璃管的上端敞口、下端与所述出水汇流模块连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置第一玻璃管和第二玻璃管，第一水箱区以及第二水箱区内的水位超过第一玻璃管和第二玻璃管的顶部高度时即发生溢流，维持生态补水模拟前砂箱两侧地下水水头差恒定。当进行填砂时，向第一水箱区以及第二水箱区内缓缓注入清水，水位不低于玻璃管高度时，不发生溢流，随填砂升高的水位可以充分去除砂体间隙中的气体，保持孔隙介质均质性。地下水饱和带水头差稳定后，通过封堵第一玻璃管下端，停止向第一水箱区以及第二水箱区注入清水，可观察不同包气带厚度及地下水水力梯度情景对河流补水的响应。

进一步，所述进水模块包括水箱、进水管和蠕动泵，所述进水管的一端与水箱连通，另一端分别与第一水箱区以及河流模拟模块的下渗区连通，所述蠕动泵连接在所述进水管上。

进一步，所述出水汇流模块包括地下水远端出水桶和河流径流出水桶，所述地下水远端出水桶通过出水管与所述第二水箱区的底部连通，所述河流径流出水桶通过出水管与河流模拟模块的出水口连通。

进一步，还包括称重模块，所述出水汇流模块设置在所述称重模块上；所述砂箱模型采用透明材质制成。

附图说明

图1为本发明河流生态补水对地下水影响的模拟装置的结构示意图；

图2为本发明河流模拟模块的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、河流模拟模块；11、下渗区；12、防渗板；13、隔水板；14、纱网；15、出水口；

2、填砂区；21、第一水箱区；22、第二水箱区；23、透水隔板；24、第一玻璃管；25、第二玻璃管；

3、水箱；31、进水管；32、蠕动泵；4、地下水远端出水桶；41、出水管；5、河流径流出水桶；6、称重模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，本实施例的一种河流生态补水对地下水影响的模拟装置，包括砂箱模型、河流模拟模块1、进水模块和出水汇集模块，所述砂箱模型内通过两块透水隔板23隔出填砂区2、第一水箱区21和第二水箱区22，所述第一水箱区和第二水箱区22分别位于所述填砂区的两侧，所述填砂区中填充有石英砂，所述河流模拟模块1插入所述填砂区2顶部的石英砂中，所述河流模拟模块1与所述第一水箱区21相邻的位置形成与填砂区2连通的下渗区11，所述河流模拟模块1与所述第二水箱区22相邻的位置开设有出水口15；所述进水模块分别与第一水箱区21以及河流模拟模块1的下渗区11连通，所述出水汇流模块分别与所述第二水箱区22的底部以及河流模拟模块1的出水口15连通。砂箱模型主要用于模拟河流生态补水过程中河流向非饱和带渗透过程、河流入渗与原有地下水位连通后的饱和流运移过程。

如图1和图2所示，本实施例的所述河流模拟模块1采用顶部敞口的长方体结构，所述河流模拟模块1的前后两侧壁以及底壁均为透水面，所述河流模拟模块1的左右两侧壁均为带开口的隔水面，所述河流模拟模块1的左右两侧壁分别与第二水箱区22和第一水箱区21相邻布置。

如图1和图2所示，本实施例的所述河流模拟模块1的底壁上插接有防渗板12，所述防渗板12能够沿所述河流模拟模块1的底壁左右移动并调整下渗区11的左右宽度。通过设置防渗板，可以起到调整下渗区的左右宽度，即调整模拟河流的宽度。

本实施例的一个优选方案为，所述长方体结构的河流模拟模块1的每条棱边均采用不锈钢材料制成，所述河流模拟模块1的底壁上前后布置的两条水平棱边上分别设有左右延伸的第一插槽，所述防渗板12插接在所述第一插槽内。采用不锈钢材料制成河流模拟模块的棱边，使河流模拟模块结构更加稳固。可通过防渗板在第一插槽内的移动调整河流的宽度。

本实施例的一个进一步方案为，所述河流模拟模块1的左右两侧壁上前后布置的两条竖直棱边上分别设有竖直延伸的第二插槽，所述第二插槽内插接有隔水板13；所述河流模拟模块1的前后两侧壁采用纱网14制成，如图2所示。通过设置第二插槽，方便隔水板的可拆卸连接。水流可以通过纱网的小孔进入河流模拟模块内，而石英砂颗粒则不能通过纱网。

如图2所示，靠近所述第二水箱区22的隔水板13上开设有竖直排布的多个出水口15，每个出水口15处均设有止水阀。止水阀拧紧时可以使出水口完全阻塞出水；当河流模拟模块的前后侧壁以及底壁完成封隔时，可以通过不同出水口的高度控制河流模拟模块内积水深度的大小。同时出水口可以外接出水管，将径流多余水量收集至河流径流出水桶5中以便于称重。

如图1所示，本实施例的所述第一水箱区21内设有高度可调的第一玻璃管24，所述第一玻璃管24竖直布置且下端从所述第一水箱区21的底部穿出，所述第一玻璃管24的上端敞口、下端可封堵；所述第二水箱区22内设有高度可调的第二玻璃管25，所述第二玻璃管25竖直布置且下端从所述第二水箱区22的底部穿出，所述第二玻璃管25的上端敞口、下端与所述出水汇流模块连接。通过设置第一玻璃管和第二玻璃管，第一水箱区以及第二水箱区内的水位超过第一玻璃管和第二玻璃管的顶部高度时即发生溢流，以维持定水头水位。

如图1所示，本实施例的一个具体方案为，所述进水模块包括水箱3、进水管31和蠕动泵32，所述进水管31的一端与水箱3连通，另一端分别与第一水箱区21以及河流模拟模块1的下渗区11连通，所述蠕动泵32连接在所述进水管31上。

如图1所示，本实施例的一个具体方案为，所述出水汇流模块包括地下水远端出水桶4和河流径流出水桶5，所述地下水远端出水桶4通过出水管41与所述第二水箱区22的底部连通，所述河流径流出水桶5通过出水管41与河流模拟模块1的出水口15连通。

如图1所示，本实施例的一个进一步方案为，还包括称重模块6，所述出水汇流模块设置在所述称重模块6上；称重模块由集水桶和精密天平组成，称量误差控制在1g以内。所述砂箱模型采用透明材质制成。还可以设置记录模块，用于实验过程中湿润锋运移及相应的时间记录。记录模块由高清晰度摄像机、背景板及光线调节装置共同构成。

本实施例的一种河流生态补水对地下水影响的模拟装置所用实验条件应尽可能接近现实情况，以减少室内实验和野外实际的误差，因此砂箱模型的制作应尽量遵循几何相似、动力条件相似等原则。几何相似即砂箱模型中含水层和实际含水层的厚度、长度、宽度成一定比例。动力条件相似即砂箱模型含水层渗透系数与实际含水层渗透系数有一定的比例关系。

本实施例的一个具体方案为，所述河流模拟模块1可采用长方体结构，长宽高分别为50cm、5cm、3.5cm，长方体结构的每条棱边为不锈钢材料制成，其前、后侧壁及底壁为100目纱网阻隔，水流可以通过纱网的小孔进入地下水模拟模块中的石英砂中，而石英砂颗粒不能通过纱网。砂箱模型的主箱体长为70cm，宽为5cm，高为50cm。砂箱材料为丙烯酸，界面透明，便于观察渗流现象。填砂区2在中间位置，填砂区的长宽高分别为50cm、5cm、50cm，在填砂区填充经筛选后的孔隙直径1mm的石英砂。填充砂体的高度为30cm，顶部插入河流模块(预埋1cm，即有1cm埋入填砂区的砂体中)。填砂区两侧水箱区长宽高分别为10cm、5cm、50cm，其中设置可调节高度的中空玻璃管，水位超过玻璃管顶部高度时即发生溢流，以维持定水头水位。玻璃管底部、顶部均可添加封堵塞，当开始补水模拟时，右侧将完全封堵不再发生溢流，允许水位升高。

上述具体方案中，模拟装置的具体实验流程为：

(1)准备足量粒径为1mm的石英砂，用纯净水清洗砂体多次，去除砂体杂质及残留的盐分，测定砂体的相关参数；

(2)逐层填入石英砂，填砂过程中打开填砂区两侧水箱区入水，控制入水流量不超过填砂高度，填高砂体的同时提高水位，充分排出砂体中的气泡，保证填砂均匀，直至砂层填至预设高度；在顶部加入河流模拟模块，河流模拟模块底部填砂1cm，前后插入隔水板使之完全封闭，底部隔水挡板选用特定长度的防渗板，未被防渗板覆盖的部分即为模拟河宽。

(3)填砂完毕后需充分晾干砂体，并调整左右两侧水箱区中中空玻璃管高度至预设位置，向左右两侧水箱区中同时缓缓注入清水，直至中空玻璃管产生溢流，以在填砂区砂体中形成具有稳定水头差的饱和带。

(4)打开河流模拟模块对应的进水蠕动泵，同时打开摄影机记录产流过程，停止向左右两侧水箱区注入清水，转为向河流模块中注水，记录蠕动泵注入速度。打开对应情景的出水口，控制河流模块积水不超过预定深度。每分钟记录一次河流模块排水流量及地下水模块排水流量，观察砂体中湿润锋的运移速度、形状和几何形态。

附加情景及情景切换：

(1)石英砂的粒径可以根据实验模拟要求进行切换，将对应更改砂体的渗透系数、弥散度等水力学性质。也可采用河砂、珊瑚砂等具有不同水力学特性的孔隙介质替代。用以模拟不同包气带性质的影响。当通过调节灯光、背景板观测到的湿润锋不明显时，应在河流进水中加入染色剂进行标记，染色剂可选择曙红染色，以避免吸附作用影响。

(2)河流模拟模块可设置的情景包括：①无底部防渗板和左侧隔水板可以用于模拟低补水流量，大河宽渗流过程；②通过调节底部防渗板的左右长度可以模拟不同河宽对渗流过程的影响；③通过调节左侧隔水板出水孔高度，可以模拟不同积水深度的影响。

(3)地下水模块可通过调节两侧水箱区中玻璃管溢流高度，设置不同的地下水饱和流水头差。同时，可在实验过程(3)结束后，同步调高或降低两侧水箱区中玻璃管高度，预设目标水位高度，记录达到目标水位产生溢流的时间，模拟不同包气带厚度对河流补水过程的影响。

本实施例的河流生态补水对地下水影响的模拟装置，主要用于对生态补水过程中的河流下渗在非饱和带-饱和带中运移的认识，在不同的包气带厚度、包气带性质、地下水水头差情景下，进一步理清注入水量分别沿河流、地下水途径的排泄量，分析河流向地下水补给速率的潜在变化形式。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。