一种潜流交换过程中通量的测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种潜流交换过程中通量的测量装置及测量方法，该测量装置包括渗流组件、连接组件、电导率传感器组件、数据采集仪和收集袋；渗流组件包括渗流仪，渗流仪下端密封连接有入土层。在测量时，将渗流仪放置于河床表面并下压，使得入土层没入河床质；静置渗流仪，待河床质含水层溢出到渗流仪中的空气排出；将收集袋中装入NaCl溶液；通过电导率传感器组件和数据采集仪监测收集袋和渗流仪中的溶液浓度变化；进行数据处理，分析潜流交换的类型并获得实时潜流交换净通量。本发明专利技术避免了对河流沉积含水层的破坏性扰动；可判断潜流交换过程中的正负通量及交换时间序列；解决了现有技术只能获得特定时间段平均通量，不能连续反映潜流交换过程的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种潜流交换过程中通量的测量装置及测量方法
本专利技术涉及一种原位测量潜流过程中通量的试验装置及方法，尤其涉及一种潜流交换过程中通量的测量装置及测量方法。
技术介绍
潜流带是河流地表水与毗邻含水层地下水交互作用的混合区域，在这个混合区域中地下水与地表水存在能量循环与物质交换过程，这些过程伴随着溶解性气体、有机物质以及水热物质的交换。这些物理、生物和化学过程，为许多无脊椎动物提供了重要的生存环境，是生物多样性研究的热点区域；这些参数的梯度变化也导致了生物地球化学反应，最终影响到河流的生态效应。潜流交换过程的强弱采用潜流交换过程中的通量大小来表征。目前研究床沙界面的潜流交换过程通量大多基于数值模型计算获得。对于目前野外试验来说，均是通过对研究点观测井中水位及水温采集来进行分析研究，然而这对于床沙界面的潜流交换是无法准确描述的，并且无法准确判别潜流交换过程中交换水流是“上升水”还是“下降水”(即无法判别“进出”通量)，且观测成本与设备的成本较高，操作也较为复杂。因此，亟需一种连续实时监测原位测量潜流交换过程中判别交换水流“进出”通量的测量装置及方法。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的是提供一种潜流交换过程中通量的测量装置及测量方法，通过对潜流交换过程进行连续实时监测，以解决现有技术中只能获得特定时间段平均通量，不能连续反映潜流交换过程，不能准确测量床沙界面潜流交换过程交换通量并判别“进出”通量时间序列的问题。技术方案：本专利技术潜流交换过程中通量的测量装置，包括渗流组件、连接组件、电导率传感器组件、数据采集仪和收集袋；渗流组件包括渗流仪，渗流仪下端密封连接有入土层；渗流仪上端设有通气孔和堵气塞；渗流仪通过连接组件与收集袋连通；电导率传感器组件包括第一电导率传感器和第二电导率传感器；第一电导率传感器监测收集袋的溶液浓度变化；第二电导率传感器监测渗流仪中的溶液浓度变化；数据采集仪记录连续时间序列的收集袋和渗流仪中溶液的浓度变化。渗流仪通过套杆固定在河床上，套杆上开设有排水孔。连接组件包括导管和止水阀门，渗流仪通过止水阀门与收集袋连通。还包括钢柱，第二高精度电导率传感器通过钢柱固定于渗流仪中。本专利技术潜流交换过程中通量的测量方法包括以下步骤：(1)将渗流组件放置于河床测量点，取下堵气塞并下压渗流仪，使得入土层没入河床质，用套杆将渗流仪固定于河床；(2)静置渗流仪，待河床质含水层溢出到渗流仪中的空气通过通气孔排出后，将通气孔用堵气塞塞紧；(3)将收集袋中装入已知浓度、已知质量、已知体积的NaCl溶液；(4)将渗流仪与收集袋通过导管、止水阀门连接后，打开止水阀门；(5)通过设在收集袋中的第一电导率传感器和渗流仪中的第二电导率传感器，连续监测收集袋和渗流仪中的溶液浓度变化；(6)通过数据采集仪获得交换过程中连续时间序列上的溶液电导率监测数据，初始时间记为T0(T0＝0)，相邻记录时间间隔为ΔT；(7)通过电导率数据查询电导率对应离子浓度表，得到NaCl浓度随时间的变化规律，进而分析潜流交换属于哪种交换过程；(8)对上升流和下降流阶段交换过程进行时间序列上的通量值测量。步骤(7)中，当监测到收集袋中的溶液浓度随时间而减少，则判别此时间序列为上升流；当监测到收集袋中的溶液浓度不变，则判别此时间序列为下降流或者无交换；若渗流仪中溶液浓度也无变化，则无交换，若渗流仪中溶液浓度变大，则此时间序列为下降流。步骤(8)中，第一阶段上升流中Ti时刻的潜流交换通量公式为：其中，qi是Ti-1到Ti时刻的潜流交换通量；Ci是Ti时刻收集袋中的溶液浓度；Vi-1是Ti-1到Ti时刻收集袋中的溶液体积；ΔTi是Ti-1到Ti时刻的时间间隔；Ti-1代表第i-1时刻，Ti代表第i时刻，m0为NaCl溶液中溶质的初始质量；C(T)是与变量T相关的溶液浓度函数；由公式(5)迭代计算每个时刻的通量，进而获得第一阶段上升流时间序列上的交换通量。步骤(8)中，下降流阶段通量如下：其中，qj代表Tj-1～Tj时刻之间的潜流交换通量；ΔTj是“下降流”阶段Tj-1～Tj之间的时间间隔；V1是“下降流”阶段初始T1时刻收集袋中的溶液体积；m0代表Nacl溶液中溶质的初始质量，V0'代表渗流仪中的溶液体积，C1代表T1时刻的收集袋中溶液浓度，Cj'为Tj-1～Tj时刻渗流仪中溶液浓度；通过公式(17)迭代求解得到下降流时间序列上的每一个潜流交换通量。步骤(8)中，第二阶段上升流潜流交换通量为：其中，qk代表Tk-1～Tk时刻的潜流交换通量，ΔTk是Tk-1到Tk时刻的时间间隔；Ck是Tk时刻收集袋中的溶液浓度；m′2代表此阶段渗流仪中初始溶质质量；m2代表T2时刻收集袋中的溶质质量，V2代表t2时刻收集袋中的溶液体积。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术实时、准确判别潜流交换过程中的进出通量及交换时间序列，避免了对河流沉积含水层的破坏性扰动，既适用于室内潜流交换模型试验，又适用于山区河流的野外潜流交换试验，通过准确、连续测量河床界面的交换通量，解决了现有技术中只能获得特定时间段平均通量，不能连续反映潜流交换过程的问题。(2)本专利技术试验监测和控制方便，安装便捷、成本低廉；可连续测得高精度潜流交换通量数据；测量灵敏、准确，试验装置可反复使用。附图说明图1为本专利技术的测量装置整体示意图；图2为本专利技术的主体测量装置俯视图；图3为本专利技术潜流交换过程中“进出”通量图；图4为本专利技术潜流交换过程中“进出”通量阶段浓度变化图；图5为本专利技术潜流交换过程中“进出”通量阶段体积变化图。具体实施方式实施例：如图1、图2所示，本专利技术对潜流交换过程中的通量进行测量时，采用的测量装置包括渗流组件、连接组件、电导率传感器组件、数据采集仪18和收集袋16。该渗流组件包括渗流仪1和入土层2，本实施例中，渗流仪1外形为锅状且下端开口，最大处的直径30cm，高度10cm，厚度2mm；渗流仪1下侧焊接与其相同厚度、相同口径30cm的入土层2，入土层2高度为2cm，厚度2mm，入土层2的作用是将渗流仪1浅插入河床质，避免因河床凹凸不平使得河流地表水在测量阶段未穿过河床质含水层直接进入渗流仪1中，进而造成误差，影响测量结果。连接组件包括软导管9和硬质导管13，渗流仪通过连接组件与收集袋16连通。渗流仪1外侧呈等边三角形分布设有3个固定套杆3，固定套杆3的材料为铁管，套杆末端为锥头状，本实施例中，套杆长度12cm，口径0.6mm，固定套杆3的作用是固定渗流仪1于河床上，用于保障整个渗流仪1的稳定。每根固定套杆3上设有若干个排水孔4，设置的排水孔4是为了避免因固定套杆3引起附近水流场的改变。渗流仪1上侧中心最高点处设有通气孔5，本实施例中，通气孔5的孔径1cm，目的是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种潜流交换过程中通量的测量装置，其特征在于：包括渗流组件、连接组件、电导率传感器组件、数据采集仪(18)和收集袋(16)；/n所述渗流组件包括渗流仪(1)，所述渗流仪下端密封连接有入土层(2)；所述渗流仪上端设有通气孔(5)和堵气塞(6)；所述渗流仪通过连接组件与收集袋(16)连通；/n所述电导率传感器组件包括第一电导率传感器(17)和第二电导率传感器(19)；所述第一电导率传感器监测收集袋(16)的溶液浓度变化；所述第二电导率传感器监测渗流仪中的溶液浓度变化；所述数据采集仪记录连续时间序列的收集袋和渗流仪中溶液的浓度变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种潜流交换过程中通量的测量装置，其特征在于：包括渗流组件、连接组件、电导率传感器组件、数据采集仪(18)和收集袋(16)；
所述渗流组件包括渗流仪(1)，所述渗流仪下端密封连接有入土层(2)；所述渗流仪上端设有通气孔(5)和堵气塞(6)；所述渗流仪通过连接组件与收集袋(16)连通；
所述电导率传感器组件包括第一电导率传感器(17)和第二电导率传感器(19)；所述第一电导率传感器监测收集袋(16)的溶液浓度变化；所述第二电导率传感器监测渗流仪中的溶液浓度变化；所述数据采集仪记录连续时间序列的收集袋和渗流仪中溶液的浓度变化。


2.根据权利要求1所述的潜流交换过程中通量的测量装置，其特征在于：所述渗流仪(1)通过套杆(3)固定在河床上，所述套杆(3)上开设有排水孔(4)。


3.根据权利要求1所述的潜流交换过程中通量的测量装置，其特征在于：所述连接组件包括导管和止水阀门(12)，所述渗流仪通过止水阀门与收集袋连通。


4.根据权利要求1所述的潜流交换过程中通量的测量装置，其特征在于：还包括钢柱(20)，所述第二高精度电导率传感器通过钢柱(20)固定于渗流仪中。


5.一种潜流交换过程中通量的测量方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的潜流交换过程中通量的测量装置测量，所述测量方法包括以下步骤：
(1)将渗流组件放置于河床测量点，取下堵气塞(6)并下压渗流仪(1)，使得入土层(2)没入河床质，用套杆(3)将渗流仪(1)固定于河床；
(2)静置渗流仪(1)，待河床质含水层溢出到渗流仪中的空气通过通气孔(5)排出后，将通气孔(5)用堵气塞(6)塞紧；
(3)将收集袋(16)中装入已知浓度、已知质量、已知体积的NaCl溶液；
(4)将渗流仪(1)与收集袋(16)通过导管、止水阀门(12)连接后，打开止水阀门(12)；
(5)通过设在收集袋(16)中的第一电导率传感器(17)和渗流仪(1)中的第二电导率传感器(19)，连续监测收集袋(16)和渗流仪(1)中的溶液浓度变化；
(6)通过数据采集仪(18)获得交换过程中连续时间序列上的溶液电导率监测数据，初始时间记为T0(T0＝0)，相邻记录时间间隔为ΔT；
(7)通过电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李英玉，吕辉，高困，王晓婷，阴婕，陈孝兵，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32