地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)，包括水槽、自動水位控制系統(tǒng)、架設在水槽上方的若干安裝有豎直方向探桿的探頭固定架和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，水槽沿長度方向依次劃分為地下水區(qū)域、多孔介質(zhì)區(qū)域和地表水區(qū)域，水槽上多孔介質(zhì)區(qū)域的上方架設有探頭固定架，探桿伸入多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)，自動水位控制系統(tǒng)和地表水區(qū)域連接，探桿上設置有分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接的張力計、壓力傳感器和含水率探頭。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)任意變化水位下多孔介質(zhì)中非飽和情況的測量，實驗過程中水位變化、含水率、壓力和張力測量均可自動實現(xiàn)，可節(jié)約人力提高實驗效率，本發(fā)明可以為研究變化水位與多孔介質(zhì)中地下水之間交換的水動力過程提供科學的指導。
【專利說明】
地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)及方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于水利工程領域，涉及一種在室內(nèi)實驗中地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]側(cè)岸帶是河道兩側(cè)在河岸一定范圍內(nèi)河水與區(qū)域地下水發(fā)生潛流交換的區(qū)域。側(cè)岸潛流交換對河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構和功能有著重要作用，并影響有機物、重金屬、細顆粒等物質(zhì)的輸移。在側(cè)岸橫向結(jié)構上，由于河流與河岸交界面具有強烈的水文連通性，因而河水水位上漲時河流水通過側(cè)向交換補給河岸地下水，河水位下降時河岸含水層中的地下水又會補給河流，從而在側(cè)岸的多孔介質(zhì)中形成飽和非飽和的交替。海岸帶與湖濱帶與側(cè)岸帶相同，在海水位和湖水位變化下，地下水位高于海水和湖水水位時會補給海水和湖水，地下水位低于海水和湖水水位時海水和湖水會補給地下水，從而在海岸和湖岸的橫向結(jié)構上產(chǎn)生飽和非飽和交替的現(xiàn)象。對這一交替現(xiàn)象的監(jiān)測對研究變化水位與多孔介質(zhì)中地下水之間交換的水動力過程具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種在室內(nèi)實驗水槽中地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)和使用方法，能夠?qū)崿F(xiàn)任意變化水位下多孔介質(zhì)中飽和非飽和狀態(tài)的測量。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
[0005]—種地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)，包括水槽、自動水位控制系統(tǒng)、架設在水槽上方的若干安裝有豎直方向探桿的探頭固定架和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述水槽沿長度方向依次劃分為地下水區(qū)域、多孔介質(zhì)區(qū)域和地表水區(qū)域，水槽上多孔介質(zhì)區(qū)域的上方架設有探頭固定架，所述探桿伸入多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)，所述自動水位控制系統(tǒng)和地表水區(qū)域連接，所述探桿上設置有分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接的張力計、壓力傳感器和含水率探頭。
[0006]進一步的，所述自動水位控制系統(tǒng)包括水位探頭、水箱、雙向栗、直流電機和工業(yè)控制計算機，所述與工業(yè)控制計算機連接的水位探頭設置在所述地表水區(qū)域內(nèi)，所述雙向栗與直流電機電連接且分別與工業(yè)控制計算機連接，雙向栗還分別與地表水區(qū)域和水箱連接，水位探頭將檢測到的水位信號傳遞給工業(yè)控制計算機，工業(yè)控制計算機控制直流電機，雙向栗由直流電機驅(qū)動并受直流電機電極的變化控制其正反向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水槽的進水和出水。
[0007]進一步的，所述多孔介質(zhì)區(qū)域兩側(cè)設置有與水槽等寬的攔沙架，為保證其上焊接有攔紗網(wǎng)的攔沙架的穩(wěn)定性在其底部焊接有形成三角形的支撐桿，攔沙架和水槽內(nèi)壁間的縫隙處塞上橡皮泥，用來在水位變動的情況下保持沙坡的穩(wěn)定并盡可能不影響水流流態(tài)，攔沙架和多孔介質(zhì)之間設置尼龍攔紗網(wǎng)和土工織物。
[0008]進一步的，所述探頭固定架為木桿，木桿下方垂直固定兩段相對設置的短木桿，探桿綁于兩個短木桿之間，探桿的底端設置有鐵塊來增加自重從而保證裝置在水流下的穩(wěn)定性。
[0009]進一步的，所述探頭固定架越靠近地表水區(qū)域布置越密集。
[0010]進一步的，所述探桿上均勻分布有等距的若干組通過尼龍扎帶分別固定在探桿同一水平位置上的含水率探頭、張力計和壓力傳感器。
[0011]進一步的，所述水槽的地下水區(qū)域設置高度可調(diào)整的溢流擋板，方便在實驗中保持任意所需高度恒定的地下水位。
[0012]本發(fā)明所述的一種地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)的使用方法，包括如下步驟:
[0013]步驟一:將含水率探頭、張力計、壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連并用尼龍扎帶固定在探桿上，探桿固定在探頭固定架上，并按越靠近地表水區(qū)域布置越密集的原則在多孔介質(zhì)區(qū)域水槽上方架設探頭固定架；
[0014]步驟二:向水槽中加入去離子水至事先設定好的地下水高度，并調(diào)整溢流擋板至該高度；
[0015]步驟三:在多孔介質(zhì)區(qū)域兩側(cè)放置攔沙架，在攔沙架和多孔介質(zhì)區(qū)域之間放置200目的尼龍攔紗網(wǎng)和土工織物，在攔沙架與水槽內(nèi)壁的縫隙處塞橡皮泥堵上，再緩慢加入經(jīng)去離子水洗凈的石英砂，加砂過程應緩慢均勻，如有石英砂黏在邊壁上應輕拍水槽，在砂露出液面之前應注意排氣保證砂體的飽和，在砂體露出水面后需保證加砂的均勻，在加沙完畢后用有機玻璃板輕輕整平沙坡；
[0016]步驟四:連接雙向栗、水箱、直流電機、水位探頭和工業(yè)控制計算機形成自動水位控制系統(tǒng)；
[0017]步驟五:開啟自動水位控制系統(tǒng)，將目標水位變化數(shù)據(jù)導入工業(yè)控制計算機，打開水槽進出水閥門，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此時可以記錄多孔介質(zhì)區(qū)域各采樣點處多孔介質(zhì)含水率、張力和壓力的實時變化；
[0018]步驟六:實驗結(jié)束后先關閉進水閥門再關閉自動水位控制系統(tǒng)，導出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的實時數(shù)據(jù)。
[0019]本發(fā)明的有益效果在于:
[0020](I)能夠?qū)崿F(xiàn)任意變化水位下多孔介質(zhì)中非飽和情況的測量，實驗過程中水位變化、含水率、壓力和張力測量均可自動實現(xiàn)，可節(jié)約人力提高實驗效率，本發(fā)明可以為研究變化水位與多孔介質(zhì)中地下水之間交換的水動力過程提供科學的指導。
[0021 ] (2)由于水槽較大，通過在探桿下端焊接鐵塊來增加自重，保證固定在固定架上的含水率探頭、張力探頭和壓力傳感器在變化的水位下保持穩(wěn)定，不至發(fā)生偏移影響實驗結(jié)果O
[0022](3)由于水槽較大，為增強沙坡的穩(wěn)定性，在攔沙架下部焊接形成三角形的支撐桿，用以保證攔沙架的穩(wěn)定，攔沙架上焊接攔沙網(wǎng)，并在攔沙架與多孔介質(zhì)之間放置200目尼龍攔紗網(wǎng)和土工織物，用橡皮泥堵塞攔沙架與水槽之間的縫隙。
[0023](4)只需將水位變化情況導入工業(yè)控制計算機，系統(tǒng)就可以通過自動水位控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)該變化的水位，并對水位變化情況下多孔介質(zhì)含水率、壓力和張力變化情況進行實時監(jiān)測，節(jié)約了人工提高了實驗效率。
【附圖說明】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明:
[0025]圖1為本發(fā)明實施例所述的裝置結(jié)構示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實施例所述的水槽的俯視圖；
[0027]圖3為本發(fā)明實施例所述的攔沙架和焊接于攔沙架上的攔紗網(wǎng)結(jié)構示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明實施例所述的探頭固定架和探桿的結(jié)構示意圖。
[0029]附圖標記說明:
[0030]1-水槽;2-雙向栗;3-直流電機;4-工業(yè)控制計算機;5-水位探頭;6_水箱;7_攔沙架;71-攔紗網(wǎng)；72-支撐桿;8-溢流擋板;9-尾水排水管道；10-探頭固定架；11-張力計；12-壓力傳感器；13-含水率探頭；14-短木桿；15-探桿；16-鐵塊；101-地下水區(qū)域；102-多孔介質(zhì)區(qū)域;103-地表水區(qū)域。
【具體實施方式】
[0031]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0032]如圖1至圖4所示，一種地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)，包括水槽1、自動水位控制系統(tǒng)、架設在水槽I上方的若干安裝有豎直方向探桿15的探頭固定架10和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。水槽I沿長度方向依次劃分為地下水區(qū)域101、多孔介質(zhì)區(qū)域102和地表水區(qū)域103，水槽I上多孔介質(zhì)區(qū)域102的上方架設有探頭固定架10，探桿15伸入多孔介質(zhì)區(qū)域102內(nèi)，探桿15上設置有分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接的張力計11、壓力傳感器12和含水率探頭13。自動水位控制系統(tǒng)包括水位探頭5、水箱6、雙向栗2、直流電機3和工業(yè)控制計算機4，與工業(yè)控制計算機4連接的水位探頭5設置在地表水區(qū)域103內(nèi)，雙向栗2與直流電機3電連接且分別與工業(yè)控制計算機4連接，雙向栗2還分別與地表水區(qū)域103和水箱6連接，水位探頭5將檢測到的水位信號傳遞給工業(yè)控制計算機4，工業(yè)控制計算機4控制直流電機3，雙向栗2由直流電機3驅(qū)動并受直流電機3電極的變化控制其正反向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水槽I的進水和出水，結(jié)合水位探頭5，將目標水位變化情況導入工業(yè)控制計算機4即可實現(xiàn)該水位變化的情況。
[0033 ]水槽I出水口處設置尾水排水管道9，在水槽I的地下水區(qū)域1I安裝高度可以調(diào)整的溢流擋板8，可以在實驗中提供任意恒定的地下水高度。水槽I高度為1.5m，兩側(cè)地下水區(qū)域101和地表水區(qū)域103的長度為lm，泥沙區(qū)也就是多孔介質(zhì)區(qū)102中沙波長度為28m，高度為1.3m。
[0034]多孔介質(zhì)區(qū)域102兩側(cè)設置有與水槽I等寬的攔沙架7，攔沙架7上焊接有攔紗網(wǎng)71，為保證攔沙架7的穩(wěn)定性在其底部焊接有形成三角形結(jié)構的支撐桿72，攔沙架7和水槽I內(nèi)壁間的縫隙處塞上橡皮泥，用來在水位變動的情況下保持沙坡的穩(wěn)定并盡可能不影響水流流態(tài)，攔沙架7和多孔介質(zhì)之間設置200目的尼龍攔紗網(wǎng)和土工織物。
[0035]探頭固定架10為木桿，木桿下方垂直固定兩段相對的短木桿14，探桿15為鐵桿，探桿15綁于兩個短木桿14之間，為了保證裝置在水流下的穩(wěn)定性在探桿15的底端焊接有鐵塊16來增加自重。
[0036]探頭固定架10越靠近地表水區(qū)域103布置越密集。越靠近地表水區(qū)域103的多孔介質(zhì)受變化水位的影響越顯著，因而其飽和與非飽和的變化越頻繁，所以為了盡可能多的捕捉到這種飽和非飽和的變化，所以越靠近地表水區(qū)域103探頭固定架10設置越密集。多孔介質(zhì)區(qū)域102上方從靠近地表水區(qū)域103的一端開始布置，從距離攔沙架0.3m處開始，依次布置5根距離為0.3m、5根距離為0.5m、5根距離為lm、5根距離為2m、5根距離為3m的探頭固定架10。張力計11、壓力傳感器12和含水率探頭13用尼龍扎帶固定在鐵桿同一水平位置上，每個張力計11、壓力傳感器12和含水率探頭13為一組，從探桿0.3m處至1.3m處每隔0.2m等距布置，并連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對各采樣點處含水率、壓力和張力變化進行實時監(jiān)測，從而最大程度上捕捉多孔介質(zhì)中非飽和變化的情況。
[0037]水槽I進水口設置有進水閥門，開始實驗時需先開啟自動水位控制系統(tǒng)再打開進水閥門，實驗結(jié)束時應先關閉進水閥門再關閉自動水位控制系統(tǒng)，防止開閥門時水槽I中的水從進水口排出對沙坡造成沖刷。
[0038]本發(fā)明所述的一種地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)的使用方法，包括如下步驟:
[0039]步驟一:將張力計11、壓力傳感器12和含水率探頭13與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連并用尼龍扎帶固定在探桿15上，探桿15固定在探頭固定架10上，并按越靠近地表水區(qū)域103布置越密集的原則在多孔介質(zhì)區(qū)域102水槽I上方架設探頭固定架10;
[0040]步驟二:防止自來水中的雜質(zhì)對實驗飽和非飽和變化情況產(chǎn)生額外不可控的影響，向水槽I中加入去離子水至事先設定好的地下水高度，并調(diào)整溢流擋板8至該高度；
[0041]步驟三:在多孔介質(zhì)區(qū)域102兩側(cè)放置攔沙架7，在攔沙架7和多孔介質(zhì)區(qū)域102之間放置200目的尼龍攔紗網(wǎng)和土工織物，尼龍攔紗網(wǎng)和土工織物擋在多孔介質(zhì)區(qū)域102和攔沙架7之間，起到一定固定多孔介質(zhì)的作用，在攔沙架7與水槽I內(nèi)壁的縫隙處塞橡皮泥堵上，為了防止石英砂中的雜質(zhì)對其飽和非飽和的變化造成不可控的影響，再緩慢加入經(jīng)去離子水洗凈的石英砂，加砂過程應緩慢均勻，如有石英砂黏在邊壁上應輕拍水槽I，在砂露出液面之前應注意排氣保證砂體的飽和，在砂體露出水面后需保證加砂的均勻，在加沙完畢后用有機玻璃板輕輕整平沙坡；
[0042]步驟四:連接雙向栗2、水箱6、直流電機3、水位探頭5和工業(yè)控制計算機4形成自動水位控制系統(tǒng)；
[0043]步驟五:開啟自動水位控制系統(tǒng)，將目標水位變化數(shù)據(jù)導入工業(yè)控制計算機4，打開水槽I進出水閥門，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此時可以記錄多孔介質(zhì)區(qū)域102各采樣點處多孔介質(zhì)含水率、張力和壓力的實時變化；
[0044]步驟六:實驗結(jié)束后先關閉進水閥門再關閉自動水位控制系統(tǒng)，導出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的實時數(shù)據(jù)。
[0045]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。
【主權項】
1.一種地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)，其特征在于:包括水槽(I)、自動水位控制系統(tǒng)、架設在水槽(I)上方的若干安裝有豎直方向探桿(15)的探頭固定架(10)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述水槽(I)沿長度方向依次劃分為地下水區(qū)域(101)、多孔介質(zhì)區(qū)域(102)和地表水區(qū)域(103)，水槽(I)中多孔介質(zhì)區(qū)域(102)的上方架設有探頭固定架(10)，所述探桿(15)伸入多孔介質(zhì)區(qū)域(102)內(nèi)，所述自動水位控制系統(tǒng)和地表水區(qū)域(103)連接，所述探桿(15)上設置有分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接的張力計(11)、壓力傳感器(12)和含水率探頭(13)。2.根據(jù)權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)，其特征在于:所述自動水位控制系統(tǒng)包括水位探頭(5)、水箱(6)、雙向栗(2)、直流電機(3)和工業(yè)控制計算機(4)，所述與工業(yè)控制計算機(4)連接的水位探頭(5)設置在所述地表水區(qū)域(103)內(nèi)，所述雙向栗(2)與直流電機(3)電連接且分別與工業(yè)控制計算機(4)連接，雙向栗(2)還分別與地表水區(qū)域(103)和水箱(6)連接。3.根據(jù)權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)，其特征在于:所述多孔介質(zhì)區(qū)域(102)兩側(cè)設置有與水槽(I)等寬的攔沙架(7)，其上焊接有攔紗網(wǎng)(71)的攔沙架(7)底部焊接有形成三角形的支撐桿(72)，攔沙架(7)和水槽(I)內(nèi)壁間的縫隙處塞上橡皮泥，攔沙架(7)和多孔介質(zhì)之間設置尼龍攔紗網(wǎng)和土工織物。4.根據(jù)權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)，其特征在于:所述探頭固定架(10)為木桿，木桿下方垂直固定兩段相對設置的短木桿(14)，探桿(15)綁于兩個短木桿(14)之間，探桿(15)桿底端焊接有鐵塊(16)。5.根據(jù)權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)，其特征在于:所述探頭固定架(10)越靠近地表水區(qū)域(103)布置越密集。6.根據(jù)權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)，其特征在于:所述探桿(15)上均勻分布有若干組通過尼龍扎帶分別固定在探桿(15)同一水平位置上的張力計(11)、壓力傳感器(12)和含水率探頭(13)。7.根據(jù)權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)，其特征在于:所述水槽(I)的地下水區(qū)域(101)設置高度可調(diào)整的溢流擋板(8)。8.—種如權利要求1至7中任一項所述的地表水水位變化下多孔介質(zhì)飽和非飽和測量系統(tǒng)的使用方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟一:將張力計(11)、壓力傳感器(12)、含水率探頭(13)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連并用尼龍扎帶固定在探桿(15)上，探桿(15)固定在短木塊(14)之間，并按越靠近地表水區(qū)域(103)布置越密集的原則在多孔介質(zhì)區(qū)域(102)的水槽(I)上方架設探頭固定架(10); 步驟二:向水槽(I)中加入去離子水至事先設定好的地下水高度，并調(diào)整溢流擋板(8)至該高度； 步驟三:在多孔介質(zhì)區(qū)域(102)兩側(cè)放置攔沙架(7)，在攔沙架(7)和多孔介質(zhì)區(qū)域(102)之間放置200目的尼龍攔紗網(wǎng)和土工織物，在攔沙架(7)與水槽(I)內(nèi)壁的縫隙處塞橡皮泥堵上，再緩慢加入經(jīng)去離子水洗凈的石英砂，加砂過程應緩慢均勻，如有石英砂黏在邊壁上應輕拍水槽(I)，在砂露出液面之前應注意排氣保證砂體的飽和，在砂體露出水面后需保證加砂的均勻，在加沙完畢后用有機玻璃板輕輕整平沙坡； 步驟四:連接雙向栗(2)、水箱(6)、直流電機(3)、水位探頭(5)和工業(yè)控制計算機(4)形成自動水位控制系統(tǒng)； 步驟五:開啟自動水位控制系統(tǒng)，將目標水位變化數(shù)據(jù)導入工業(yè)控制計算機(4)，打開水槽(I)進出水閥門，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此時可以記錄多孔介質(zhì)區(qū)域(102)各采樣點處多孔介質(zhì)含水率、張力和壓力的實時變化； 步驟六:實驗結(jié)束后先關閉進水閥門再關閉自動水位控制系統(tǒng)，導出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的實時數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01D21/02GK105973314SQ201610557125
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月14日
【發(fā)明人】徐晶, 金光球, 唐洪武, 楊文海, 姜啟豪, 莫玉銘, 李凌
【申請人】河海大學