CN112729766A - 一种可调节供水方式的潜流交换试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节供水方式的潜流交换试验装置及其试验方法，包括主砂箱，主砂箱下方设置有与其连通的第三水箱，第三水箱顶部开设有加水口，第三水箱外侧壁上活动连接有刻度尺，刻度尺延伸至主砂箱；主砂箱内自下而上依次设置有第一孔板、第二过滤网，主砂箱两侧分别固定有第一水箱、第二水箱，第一水箱、第二水箱内均设置有能沿其上下移动的筒体，筒体分别通过第一伸缩管、第二伸缩管与主砂箱连通，第一伸缩管、第二伸缩管内分别设置有第四阀门，第一水箱顶部设置有加水管，第二水箱底部设置有第三排水管。既可以实现定水头供水，也可以通过水泵实现定流量供水，不同的供水方式可满足不同的试验需求。

Description

一种可调节供水方式的潜流交换试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于水利工程试验设备技术领域，涉及一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，还涉及上述试验装置的实验方法。

背景技术

在水循环中，地表水与地下水在多个时空尺度上存在着紧密的联系，关于地表水与地下水相互作用的研究已悄然成为了当前水文、水资源和生物地球化学等相关领域的研究热点。潜流交换指的是发生在潜流带内的地表水与地下水交换过程，一般是指地表水和饱和沉积物层之间发生的水、溶质(保守性溶质、反应性溶质)、颗粒和胶体之间的相互交换。

目前，研究河床及河岸带潜流交换过程模式的方法大多采用室内试验去实现。查阅国内外文献，研究潜流交换的试验模型往往供水方式单一，只能通过调节上下游定水头装置驱动水流运动，或者只能通过水泵驱动，并且试验过程中不同地区的土质中的沉积物存在各项异性，溶质分布存在非均一性，这样在试验的过程中误差大，不能准确地模拟地表水与地下水潜流交换的过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，解决了现有技术中存在的潜流交换的试验模型供水方式单一的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，包括主砂箱，主砂箱下方设置有与其连通的第三水箱，第三水箱顶部开设有加水口，第三水箱外侧壁上活动连接有刻度尺，刻度尺延伸至主砂箱；主砂箱内自下而上依次设置有第一孔板、第二过滤网，主砂箱两侧分别固定有第一水箱、第二水箱，第一水箱、第二水箱内均设置有能沿其上下移动的筒体，筒体分别通过第一伸缩管、第二伸缩管与主砂箱连通，第一伸缩管、第二伸缩管内分别设置有第四阀门，第一水箱顶部设置有加水管，第二水箱底部设置有第三排水管。

本发明的特点还在于：

沿主砂箱横向依次设置有多个第二孔板，第二孔板两侧均固定有第一过滤网，第二孔板一端穿过第二过滤网与第一孔板连接。

刻度尺通过连接件与第三水箱活动连接。

连接件包括横板、第一螺纹杆，横板两端设置有挡板，第一螺纹杆穿过两个横板，第一螺纹杆上套接有螺纹块，刻度尺一端与螺纹块固定。

刻度尺上套接有多个滑块，且每个滑块通过紧固件与刻度尺固定。

第一水箱、第二水箱分别通过固定块固定在主砂箱上，每个筒体通过连接杆滑动连接在主砂箱上，还包括有第二螺纹杆，第二螺纹杆自下而上依次穿过连接杆、连接杆。

第一水箱内的筒体内设置有横杆，横杆通过竖杆连接有锥形帽。

主砂箱通过第一进水管与第三水箱连通；主砂箱底部固定有固定杆，固定杆底部连接有锥形罩；锥形罩位于第一进水管出口处。

本发明的另一目的是提供一种可调节供水方式的潜流交换试验装置的试验方法。

本发明所采用的另一技术方案是，一种可调节供水方式的潜流交换试验装置的试验方法，采用上述的潜流交换试验装置，可用于进行定水头供水试验或定流量供水试验，定水头供水试验的试验方法包括以下步骤：

步骤1、将土质加入到第一孔板上方；

步骤2、调节筒体在第一水箱、第二水箱内的高度，使水头达到预设高度；

步骤3、关闭两个第四阀门，通过加水管向第一水箱加水，水流从筒体入口经过第一伸缩管进入主砂箱内；当主砂箱内水面到达第一孔板上表面时，打开第二伸缩管内的第四阀门，水流依次通过第二伸缩管、筒体进入第二水箱，并通过第三排水管排出，一段时间后停止向主砂箱输水，并关闭第三排水管，通过刻度尺测量土壤中渗入的水位高度，试验完成后排出主砂箱内的水。

定流量供水试验的试验方法包括以下步骤：

步骤1、向第三水箱内注满水，同时将土质加入到第一孔板上方；

步骤2、关闭两个第四阀门，向主砂箱内加入水，直至主砂箱内的土壤渗水量饱和，再继续加水，使主砂箱保持一定水位；

步骤3、将第三水箱内的水输送至主砂箱，打开第二伸缩管内的第四阀门，主砂箱内的水流依次经过第二伸缩管、筒体进入第二水箱，并通过第三排水管排出；一段时间后停止向主砂箱输水，并关闭第三排水管，通过刻度尺测量水位在土壤中的下降高度，试验完成后排出主砂箱、第三水箱内的水。

本发明的有益效果是：

本发明一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，当使用定水头进行供水时，通过第二螺纹杆、连接杆、滑块及滑槽实现调节两个筒体的高度，即调节水头高低；当使用水泵进行定流量供水时，通过主砂箱内水位在不同的土壤中下降的高度；通过刻度尺、滑块的配合，能同时对不同区域的水位进行测量并记录；一种可调节供水方式的潜流交换试验装置的试验方法，既可以实现定水头供水，也可以通过水泵实现定流量供水，不同的供水方式可满足不同的试验需求，并且试验过程中，可同时对不同地区的土质进行试验分析，也可同时对同一种土质进行试验，取平均值进行分析，这样有效的降低了在试验过程中的误差，可以准确地模拟地表水与地下水潜流交换的过程。

附图说明

图1是本发明一种可调节供水方式的潜流交换试验装置的结构示意图；

图2是本发明一种可调节供水方式的潜流交换试验装置的侧试图；

图3是本发明一种可调节供水方式的潜流交换试验装置的剖视图。

图中：1.主砂箱，2.第一阀门，3.支腿，4.第一排水管，5.挡板，6.第二排水管，7.第二阀门，8.横板，9.第一螺纹杆，10.第三阀门，11.第一进水管，12.加水口，13.螺纹块，14.挡圈，15.刻度尺，16.滑块，17.紧固件，18.锥形罩，19.固定杆，20.第一孔板，21.第二孔板，22.第一过滤网，23.第二过滤网，24.连接杆，25.第二螺纹杆，26.固定块，27.挡环，28.第一水箱，29.筒体，30.连接管，31.伸缩软管，32.第二进水管，33.第四阀门，34.横杆，35.竖杆，36.锥形帽，37.加水管，38.第二水箱，39.第三排水管，40.滑块，41.第三水箱，42.滑槽，43.导水管，44.水泵，45.滚珠。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，如图1及图2所示，包括主砂箱1和第三水箱41，主砂箱1通过支腿3支撑在第三水箱41上方，主砂箱1通过第一进水管11与第三水箱41，如图3所示，第三水箱41内设置有水泵44，第一进水管11与水泵44连接，第一进水管11内设置有第三阀门10；第三水箱41顶部开设有加水口12，第三水箱41外侧壁上活动连接有刻度尺15，刻度尺15延伸至主砂箱1；主砂箱1内自下而上依次设置有第一孔板20、第二过滤网23，主砂箱1两侧分别固定有第一水箱28、第二水箱38，第一水箱28、第二水箱38内均设置有能沿其上下移动的筒体29，筒体29分别通过第一伸缩管、第二伸缩管与主砂箱1连通，第一伸缩管、第二伸缩管内分别设置有第四阀门33，第一水箱28顶部设置有加水管37，第二水箱38底部设置有第三排水管39。主砂箱1上连接有第一排水管4，第一排水管4内设置有第一阀门2，第三水箱41上连接有第二排水管6，第二排水管6内设置有第二阀门7。

沿主砂箱1横向依次设置有多个第二孔板21，第二孔板21两侧均固定有第一过滤网22，第二孔板21一端穿过第二过滤网23与第一孔板20连接。相邻第二孔板21及第二孔板21与主砂箱1内壁之间形成多个区域，不同区域中可以加入不同地区的土质，实现不同地区土质实验分析；也可将同一种土质加入到不同区域，同时对同一种土质进行试验，取平均值进行分析，这样有效的降低了在试验过程中的误差，可以准确地模拟地表水与地下水潜流交换的过程。

刻度尺15通过连接件与第三水箱41活动连接。连接件包括横板8、第一螺纹杆9，横板8两端设置有挡板5，挡板5两侧均贴合连接有挡圈14，第一螺纹杆9穿过两个横板8、挡圈14，第一螺纹杆9上套接有螺纹块13，刻度尺15一端与螺纹块13固定；第一螺纹杆9连接有手把。刻度尺15上套接有多个滑块16，且每个滑块16通过紧固件17与刻度尺15固定，滑块16的数量与区域数量相同，多个滑块16可同时对不同区域内的水位进行标记测量。每个滑块16靠近第三水箱41的侧壁上嵌入有滚珠45。转动第一螺纹杆9，螺纹块13带动刻度尺15横向移动，可以测量不同区域内的水位。滚珠45与主砂箱1接触，可有效的避免对主砂箱1侧面的磨损，进而确保读取数据误差较小。

第一水箱28、第二水箱38分别通过固定块26固定在主砂箱1上，每个筒体29通过连接杆24滑动连接在主砂箱1上，还包括有第二螺纹杆25，第二螺纹杆25自下而上依次穿过连接杆24、固定块26，第二螺纹杆25上套接有两个挡环27，且两个挡环27分别位于固定块26上下表面，对第二螺纹杆25进行限位。连接杆24一端固定有T型滑块40，主砂箱1侧壁上设置有与滑块40相适配的T型滑槽42。连接杆24在滑块40和滑槽42的设置下发生上下移动，此时滑块40和滑槽42可有效的起到导向作用，进而使得连接杆24带动着筒体29同步上下移动，进而实现调节两个筒体29分别在第一水箱28和第二水箱38内的高度，同样也是调节上下游定水头装置的水头高低。

第一伸缩管、第二伸缩管均包括依次连接的连接管30、伸缩软管31，连接管30与筒体29连通，第一伸缩管中伸缩软管31连接有第二进水管32，第二进水管32与主砂箱1连通；第二伸缩管中伸缩软管31连接有导水管43，导水管43与主砂箱1连通。

第一水箱28内的筒体29内设置有横杆34，横杆34通过竖杆35连接有锥形帽36。锥形帽36可有效的避免水直接加入到筒体29内，导致定水头内水位受到影响。

主砂箱1通过第一进水管11与第三水箱41连通；主砂箱1底部固定有固定杆19，固定杆19底部连接有锥形罩18；锥形罩18位于第一进水管11出口处。锥形罩18可有效的保护第一孔板20上方的土壤。

一种可调节供水方式的潜流交换试验装置的试验方法，特征在于，采用上述的潜流交换试验装置，可用于进行定水头供水试验或定流量供水试验，定水头供水试验的试验方法包括以下步骤：

步骤1、将不同土质加入到第一孔板20上方的多个区域内，或者将同一种土质加入到第一孔板20上方的多个区域内；

步骤2、关闭第一阀门2、第三阀门10以及导水管43上的第四阀门33，然后通过旋转第二螺纹杆25，使连接杆24带动筒体29在第一水箱28、第二水箱38内上下移动，使水头达到预设高度；

步骤3、关闭两个第四阀门33，通过加水管37向第一水箱28加水，水流从筒体29入口经过第一伸缩管进入主砂箱1内；当主砂箱1内水面到达第一孔板20上表面时，打开第二伸缩管内的第四阀门33，水流一次通过第二伸缩管、筒体29进入第二水箱38，并通过第三排水管39排出，一段时间后停止向主砂箱1输水，并关闭第三排水管39，旋转第一螺纹杆9，使螺纹块13带动刻度尺15横向移动，对每个区域进行测量土壤中渗入的水位高度；每量完一个区域水位后，通过紧固件17固定滑块16位置，以标记该区域的水位，试验完成后打开第一阀门2，通过第一排水管4排出主砂箱1内的水。

定流量供水试验的试验方法包括以下步骤：

步骤1、关闭第二阀门7，通过加水口12向第三水箱41内注满水，同时将不同土质加入到第一孔板20上方的多个区域内，或者将同一种土质加入到第一孔板20上方的多个区域内；

步骤2、关闭两个第四阀门33，从主砂箱1上端向其中加入水，直至主砂箱1内的土壤渗水量饱和，再继续加水，使主砂箱1保持一定水位；

步骤3、将第三水箱41内的水输送至主砂箱1，打开第二伸缩管内的第四阀门33，主砂箱1内的水流依次经过第二伸缩管、筒体29进入第二水箱38，并通过第三排水管39排出；一段时间后停止向主砂箱1输水，并关闭第三排水管39，通过刻度尺15测量水位在土壤中的下降高度，试验完成后，打开第一阀门2、第二阀门7，通过第一排水管4、第二排水管排出主砂箱1、第三水箱41内的水。

通过以上方式，一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，当使用定水头进行供水时，通过第二螺纹杆、连接杆、滑块及滑槽实现调节两个筒体的高度，即调节水头高低；当使用水泵进行供水时，通过主砂箱内水位在不同的土壤中下降的高度；通过刻度尺、滑块的配合，能同时对不同区域的水位进行测量并记录；一种可调节供水方式的潜流交换试验装置的试验方法，既可以实现定水头供水，也可以通过水泵实现定流量供水，不同的供水方式可满足不同的试验需求，并且试验过程中，可同时对不同地区的土质进行试验分析，也可同时对同一种土质进行试验，取平均值进行分析，这样有效的降低了在试验过程中的误差，可以准确地模拟地表水与地下水潜流交换的过程。

Claims (10)

1.一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，其特征在于，包括主砂箱(1)，所述主砂箱(1)下方设置有与其连通的第三水箱(41)，所述第三水箱(41)顶部开设有加水口(12)，所述第三水箱(41)外侧壁上活动连接有刻度尺(15)，所述刻度尺(15)延伸至主砂箱(1)；所述主砂箱(1)内自下而上依次设置有第一孔板(20)、第二过滤网(23)，所述主砂箱(1)两侧分别固定有第一水箱(28)、第二水箱(38)，所述第一水箱(28)、第二水箱(38)内均设置有能沿其上下移动的筒体(29)，所述筒体(29)分别通过第一伸缩管、第二伸缩管与主砂箱(1)连通，第一伸缩管、第二伸缩管内分别设置有第四阀门(33)，所述第一水箱(28)顶部设置有加水管(37)，所述第二水箱(38)底部设置有第三排水管(39)。

2.根据权利要求1所述的一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，其特征在于，沿所述主砂箱(1)横向依次设置有多个第二孔板(21)，所述第二孔板(21)两侧均固定有第一过滤网(22)，所述第二孔板(21)一端穿过第二过滤网(23)与第一孔板(20)连接。

3.根据权利要求1所述的一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，其特征在于，所述刻度尺(15)通过连接件与第三水箱(41)活动连接。

4.根据权利要求3所述的一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，其特征在于，所述连接件包括横板(8)、第一螺纹杆(9)，所述横板(8)两端设置有挡板(5)，所述第一螺纹杆(9)穿过两个横板(8)，所述第一螺纹杆(9)上套接有螺纹块(13)，所述刻度尺(15)一端与螺纹块(13)固定。

5.根据权利要求1或3所述的一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，其特征在于，所述刻度尺(15)上套接有多个滑块(16)，且每个所述滑块(16)通过紧固件(17)与刻度尺(15)固定。

6.根据权利要求1所述的一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，其特征在于，所述第一水箱(28)、第二水箱(38)分别通过固定块(26)固定在主砂箱(1)上，每个所述筒体(29)通过连接杆(24)滑动连接在主砂箱(1)上，还包括有第二螺纹杆(25)，所述第二螺纹杆(25)自下而上依次穿过连接杆(24)、连接杆(24)。

7.根据权利要求1所述的一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，其特征在于，所述第一水箱(28)内的筒体(29)内设置有横杆(34)，所述横杆(34)通过竖杆(35)连接有锥形帽(36)。

8.根据权利要求1所述的一种可调节供水方式的潜流交换试验装置，其特征在于，所述主砂箱(1)通过第一进水管(11)与第三水箱(41)连通；所述主砂箱(1)底部固定有固定杆(19)，所述固定杆(19)底部连接有锥形罩(18)；所述锥形罩(18)位于第一进水管(11)出口处。

9.一种可调节供水方式的潜流交换试验装置的试验方法，特征在于，采用权利要求1-8任意一项所述的潜流交换试验装置，可用于进行定水头供水试验或定流量供水试验，所述定水头供水试验的试验方法包括以下步骤：

步骤1、将土质加入到第一孔板(20)上方；

步骤2、调节筒体(29)在第一水箱(28)、第二水箱(38)内的高度，使水头达到预设高度；

步骤3、关闭两个所述第四阀门(33)，通过所述加水管(37)向第一水箱(28)加水，水流从筒体(29)入口经过第一伸缩管进入主砂箱(1)内；当主砂箱(1)内水面到达第一孔板(20)上表面时，打开第二伸缩管内的第四阀门(33)，水流依次通过第二伸缩管、筒体(29)进入第二水箱(38)，并通过第三排水管(39)排出，一段时间后停止向主砂箱(1)输水，并关闭第三排水管(39)，通过刻度尺(15)测量土壤中渗入的水位高度，试验完成后排出主砂箱(1)内的水。

10.根据权利要求9所述的一种可调节供水方式的潜流交换试验装置的试验方法，特征在于，所述定流量供水试验的试验方法包括以下步骤：

步骤1、向所述第三水箱(41)内注满水，同时将土质加入到第一孔板(20)上方；

步骤2、关闭两个所述第四阀门(33)，向主砂箱(1)内加入水，直至主砂箱1内的土壤渗水量饱和，再继续加水，使主砂箱(1)保持一定水位；

步骤3、将第三水箱(41)内的水输送至主砂箱(1)，打开第二伸缩管内的第四阀门(33)，主砂箱(1)内的水流依次经过第二伸缩管、筒体(29)进入第二水箱(38)，并通过第三排水管(39)排出；一段时间后停止向主砂箱(1)输水，并关闭第三排水管(39)，通过刻度尺(15)测量水位在土壤中的下降高度，试验完成后排出主砂箱(1)、第三水箱(41)内的水。

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