一种模拟海水沿河道上溯入侵滨海含水层的装置及方法

1.本发明属于滨海水文地质研究领域，具体涉及一种模拟海水沿河道上溯入侵滨海含水层的装置及方法。


背景技术：

2.滨海地区处于陆地与海洋的交界，生态环境以及水资源问题较为复杂，而在滨海地区中，河口地区作为陆地河流与海洋交汇地区，也是人口最为集中的地带。随着人口的增多与经济的发展，河口地区的淡水资源受到较大程度的开发利用。如果海水沿河道上溯入侵滨海含水层，将严重影响河口地区的居民生活、农田灌溉、城市工业生产等的淡水供给。因此，研究海水沿河道上溯入侵滨海含水层具有非常重要的现实意义。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目的是提出一种模拟海水沿河道上溯入侵滨海含水层的装置及方法，实现海水沿河道上溯后由河道入侵滨海含水层规律的研究。
4.技术方案：本发明所述的模拟海水沿河道上溯入侵滨海含水层的装置，包括含水层装载槽、海水定水头装置和两个地下水定水头装置，两个地下水定水头装置通过导流管分别连接含水层装载槽左右侧底部；含水层装载槽上插接有水平和竖向的亚克力板，构成河床槽；竖向亚克力板可多角度地插入含水层装载槽中；水平亚克力板为多块，将河床槽分隔为多层，每一层均通过导流管与海水定水头装置相连；导流管上设有阀门；含水层装载槽底部设有多个水压传感器，含水层装载槽侧面设有多个盐分浓度检测装置。
5.本发明中，通过多层亚克力板可分别模拟不同位置的河床底部与地下水位的关系，包括地下水位高于河床底部、地下水位低于河床底部、地下水位与河床底部齐平，实验时将不需要的水平亚克力板从含水层装载槽中抽出。通过不同角度插入含水层装载槽中的竖向亚克力板可模拟不同角度、宽度以及高度的河床侧壁，模拟不同河床与含水层的接触关系，包括完整切割及非完整切割。通过模拟河床底部的水平亚克力板及模拟侧壁的竖直亚克力板可将河床空间与河道附近的滨海含水层分隔，便于模拟海水沿河道上溯时使河道内水流稳定，在实验开始时抽出亚克力板，进而控制实验开始的时间。
6.通过多个水压传感器实现不同位置的水压监测，通过多个盐分浓度检测装置可实现含水层装载槽中水平以及垂直方向盐分浓度的监测。本发明能够通过模拟不同的河床形状、不同河床覆盖层、河床与含水层不同接触关系以及不同的河床水位与地下水位关系进行对比试验，实时监测不同条件下装置内的水平以及垂直方向盐分浓度以及水平方向各位置的水压，对比研究分析海水沿河道上溯后由河道入侵滨海含水层的规律。
7.进一步地，含水层装载槽内左右侧通过网状结构分隔出蓄水室，地下水定水头装置与蓄水室相连，网状结构起到将蓄水室与含水层隔开的作用，同时不影响水流动。
8.进一步地，地下水定水头装置和海水定水头装置结构相同，包括蓄水池、蓄水箱和蠕动泵，蓄水箱连接含水层装载槽，蠕动泵将蓄水池中的水泵送至蓄水箱中，过多的水自蓄
水箱上的溢流口流回蓄水池。
9.进一步地，含水层装载槽中设有抽水井，抽水井连接抽水设备。抽水井可安置在含水层装载槽中任意位置，可模拟受到抽水的地下水含水层水位波动。
10.本发明还保护一种模拟海水沿河道上溯入侵滨海含水层的方法，包括如下步骤：
11.(1)含水层装载槽与地下水定水头装置和海水定水头装置之间的导流管保持关闭，将水平和竖向亚克力板全部抽出，向含水层装载槽中注水；
12.(2)根据试验预设的河床形状、河床覆盖层以及河床与附近含水层的切割关系，铺设部分含水层，静置后重复此步骤铺设河道附近的滨海含水层，以避免试验中出现沉降问题；
13.(3)将含水层装载槽与两个地下水定水头装置之间的导流管打开，根据试验要求的含水层装载槽内预设地下水位，对地下水定水头装置的位置进行调整；
14.(4)通过抽水设备模拟定流量为q的抽水井流，静置直到含水层装载槽内水流达到稳定，流量q可以为0；
15.(5)根据试验要求的河床形状、河床与含水层接触关系以及地下水位与河床底部高度关系，调整构成河床槽的亚克力板，通过亚克力板将河床空间与含水层隔开；
16.(6)根据试验预设海水水位调节海水定水头装置的位置，在其中加入含染色剂的模拟海水；打开河床槽与海水定水头装置之间河床高度对应的导流管，模拟海水沿河道上溯到河道内污染河水，静置到河床内水流稳定；
17.(7)试验开始时，迅速抽出隔绝河床空间与含水层的亚克力板，河床内受到海水污染的河水开始入侵河道附近的滨海含水层；试验开始后，实时记录不同时刻不同位置处的水压、盐分浓度数据，并通过同步拍照的方式记录下由染色剂标记的海水在河道附近的滨海含水层内入侵的状态。
18.进一步地，重复步骤(1)至(7)，根据试验方案再模拟不同河床与含水层的接触关系，包括完整切割及非完整切割、不同的河床底部与地下水位的关系、不同的河床覆盖层，对不同情况下的试验结果进行对比分析，研究海水沿河道上溯后由河道入侵滨海含水层的规律。
19.如前所述，本发明能够通过模拟不同的河床形状、不同河床覆盖层、河床与含水层不同接触关系以及不同的河床水位与地下水位关系进行对比试验，实时监测不同条件下装置内的水平以及垂直方向的盐分浓度以及水平方向各位置的水压，记录不同时间由染色剂标记的海水在河道附近的滨海含水层内入侵的状态，进而对比研究分析海水沿河道上溯后由河道入侵滨海含水层的规律。
20.有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：本发明能够模拟不同情况下海水沿河道上溯入侵滨海含水层，研究其中的规律。
附图说明
21.图1是模拟装置的结构示意图；
22.图2是图1河床槽位置的侧视图；
23.图3是侧壁为倾斜的河床槽设置在含水层装载槽中的示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
25.如图1和图2所示，一种模拟海水沿河道上溯入侵滨海含水层的装置，包括含水层装载槽2，含水层装载槽2材质为有机玻璃，长
×
宽
×
高为4.5m
×
1m
×
1.5m，含水层装载槽2内左右侧通过铁丝网分隔出蓄水室8和蓄水室13，蓄水室宽度为20～30cm，本实施例中，宽度取20cm。蓄水室8侧面底部通过导流管连接地下水定水头装置1，蓄水室13侧面底部通过导流管连接地下水定水头装置3，模拟河道两侧地下水头。
26.含水层装载槽2内中间位置设有河床槽11，河床槽11由竖直方向插入的两块亚克力板以及水平插入的两块亚克力板所构成，含水层装载槽2背侧相应开设两个水平孔以供水平亚克力板插入。竖直亚克力板尺寸为1m
×
2m，长度大于含水层装载槽2高度，并且竖直亚克力板可以多角度插入含水层装载槽2中，以便模拟河床侧壁为倾斜的情况，如图3所示。
27.两个水平插入的亚克力板将河床槽11均分为三层，每一层均通过导流管连接海水定水头装置4，分别用于模拟不同位置的河床底部，实验时可将不需要的水平亚克力板从含水层装载槽2后侧抽出，两侧的竖直亚克力板可模拟不同角度、宽度以及高度的河床侧壁，通过模拟河床底部的水平亚克力板及侧壁的竖直亚克力板将河床空间与河道附近的滨海含水层分隔，便于模拟海水沿河道上溯后时使河道内水流稳定，而后在实验开始时抽出亚克力板，可以较为准确的控制实验开始的时间。
28.含水层装载槽2底部水平方向有若干个水压传感器10，侧壁上垂直于水平方向设有若干监测孔9，监测孔9中设置盐分浓度检测装置，监测孔9内侧覆盖有过滤层，以防止泥沙堵塞。含水层装载槽2内还安置有一个抽水井12，抽水井12是由上部布满透水孔的pvc管制成，直径根据实验要求设定，长度为15m，在其外壁裹上过滤网防止泥沙堵塞。抽水井12与蓄水池20和蠕动泵21通过导水管相连，用于模拟定流量抽水。
29.地下水定水头装置1由蠕动泵5、蓄水池6和蓄水箱7通过橡胶管连接构成，地下水定水头装置3由蓄水箱14、蓄水池15和蠕动泵16通过橡胶管连接构成，海水定水头装置4由蓄水箱17、蓄水池18和蠕动泵19通过橡胶管连接构成。
30.一种模拟海水沿河道上溯入侵滨海含水层的方法，采用上述的模拟装置，包括如下步骤：
31.(1)连接地下水定水头装置1、含水层装载槽2、地下水定水头装置3和海水定水头装置4。
32.(2)抽出含水层装载槽2中构成河床槽11的四块亚克力板，并在含水层装载槽2中加入除去气体的去离子水20cm，然后铺设15cm土层，静置10分钟后，重复此步骤按照试验要求的河床形状以及河床与含水层的接触关系铺设含水层，以避免试验中出现沉降问题。
33.(3)设置好地下水定水头装置1和地下水定水头装置3的位置，打开含水层装载槽2与两侧的地下水定水头装置以及后侧的海水定水头装置4之间的导流管，使得含水层装载槽2内的水位达到预设地下水水位；
34.(4)依据试验要求，将抽水井12安置在河道水平距离为d的位置，设置抽水井12的蠕动泵21模拟定流量为q，静置直到含水层装载槽2内水流达到稳定，模拟距离河道d处有流量为q的定流量抽水井流，流量q可以为0。
35.(5)按照铺设好的河道附近的滨海含水层，将河床槽11的亚克力板插入，使河床空
间与含水层隔开；调节海水定水位装置4的位置，使其达到预设海水位，在其中加入含nacl与不吸附性染色剂的模拟海水，模拟海水需除去气体、密度为1.025kg/m3。
36.(6)根据设置好的河床槽11，打开三层中对应层与海水定水头装置4相连接的导流管，模拟定水头海水沿河道上溯到河道内后污染河水，静置到河道内水流稳定。
37.(7)安置好含水层装载槽2底部水平方向上若干水压传感器10以及侧壁上水平方向和竖直方向上若干监测孔9处的盐分浓度检测装置。
38.(9)将前述措施准备完善，可以开始实验，快速抽出河床槽11的亚克力板，使得河道内受到海水污染的河水开始入侵河道附近的滨海含水层，模拟由海水沿河道上溯后由河道向河道附近的滨海含水层的海水入侵；
39.(9)以一定的时间间隔拍照记录不同时间由染色剂标记的海水在河道附近的滨海含水层内入侵的状态，并且记录相应时间不同位置的水压、盐分浓度等测量数据；
40.根据试验方案重复以上步骤(1)至(9)，再进行试验模拟不同河床与含水层的接触关系如完整切割及非完整切割、不同的河床水位与地下水位的关系、不同的河床覆盖层等情况下的试验，对不同情况下的试验进行对比分析，研究海水沿河道上溯后由河道入侵滨海含水层的规律。