[发明专利]地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于水利工程领域，涉及一种在室内实验中地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统及方法。

背景技术

侧岸带是河道两侧在河岸一定范围内河水与区域地下水发生潜流交换的区域。侧岸潜流交换对河流生态系统的结构和功能有着重要作用，并影响有机物、重金属、细颗粒等物质的输移。在侧岸横向结构上，由于河流与河岸交界面具有强烈的水文连通性，因而河水水位上涨时河流水通过侧向交换补给河岸地下水，河水位下降时河岸含水层中的地下水又会补给河流，从而在侧岸的多孔介质中形成饱和非饱和的交替。海岸带与湖滨带与侧岸带相同，在海水位和湖水位变化下，地下水位高于海水和湖水水位时会补给海水和湖水，地下水位低于海水和湖水水位时海水和湖水会补给地下水，从而在海岸和湖岸的横向结构上产生饱和非饱和交替的现象。对这一交替现象的监测对研究变化水位与多孔介质中地下水之间交换的水动力过程具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在室内实验水槽中地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统和使用方法，能够实现任意变化水位下多孔介质中饱和非饱和状态的测量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统，包括水槽、自动水位控制系统、架设在水槽上方的若干安装有竖直方向探杆的探头固定架和数据采集系统，所述水槽沿长度方向依次划分为地下水区域、多孔介质区域和地表水区域，水槽上多孔介质区域的上方架设有探头固定架，所述探杆伸入多孔介质区域内，所述自动水位控制系统和地表水区域连接，所述探杆上设置有分别与数据采集系统相连接的张力计、压力传感器和含水率探头。

进一步的，所述自动水位控制系统包括水位探头、水箱、双向泵、直流电机和工业控制计算机，所述与工业控制计算机连接的水位探头设置在所述地表水区域内，所述双向泵与直流电机电连接且分别与工业控制计算机连接，双向泵还分别与地表水区域和水箱连接，水位探头将检测到的水位信号传递给工业控制计算机，工业控制计算机控制直流电机，双向泵由直流电机驱动并受直流电机电极的变化控制其正反向转动，实现水槽的进水和出水。

进一步的，所述多孔介质区域两侧设置有与水槽等宽的拦沙架，为保证其上焊接有拦纱网的拦沙架的稳定性在其底部焊接有形成三角形的支撑杆，拦沙架和水槽内壁间的缝隙处塞上橡皮泥，用来在水位变动的情况下保持沙坡的稳定并尽可能不影响水流流态，拦沙架和多孔介质之间设置尼龙拦纱网和土工织物。

进一步的，所述探头固定架为木杆，木杆下方垂直固定两段相对设置的短木杆，探杆绑于两个短木杆之间，探杆的底端设置有铁块来增加自重从而保证装置在水流下的稳定性。

进一步的，所述探头固定架越靠近地表水区域布置越密集。

进一步的，所述探杆上均匀分布有等距的若干组通过尼龙扎带分别固定在探杆同一水平位置上的含水率探头、张力计和压力传感器。

进一步的，所述水槽的地下水区域设置高度可调整的溢流挡板，方便在实验中保持任意所需高度恒定的地下水位。

本发明所述的一种地表水水位变化下多孔介质饱和非饱和测量系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：将含水率探头、张力计、压力传感器与数据采集系统相连并用尼龙扎带固定在探杆上，探杆固定在探头固定架上，并按越靠近地表水区域布置越密集的原则在多孔介质区域水槽上方架设探头固定架；

步骤二：向水槽中加入去离子水至事先设定好的地下水高度，并调整溢流挡板至该高度；

步骤三：在多孔介质区域两侧放置拦沙架，在拦沙架和多孔介质区域之间放置200目的尼龙拦纱网和土工织物，在拦沙架与水槽内壁的缝隙处塞橡皮泥堵上，再缓慢加入经去离子水洗净的石英砂，加砂过程应缓慢均匀，如有石英砂黏在边壁上应轻拍水槽，在砂露出液面之前应注意排气保证砂体的饱和，在砂体露出水面后需保证加砂的均匀，在加沙完毕后用有机玻璃板轻轻整平沙坡；

步骤四：连接双向泵、水箱、直流电机、水位探头和工业控制计算机形成自动水位控制系统；

步骤五：开启自动水位控制系统，将目标水位变化数据导入工业控制计算机，打开水槽进出水阀门，打开数据采集系统，此时可以记录多孔介质区域各采样点处多孔介质含水率、张力和压力的实时变化；

步骤六：实验结束后先关闭进水阀门再关闭自动水位控制系统，导出数据采集系统记录的实时数据。

本发明的有益效果在于：