本发明专利技术公开一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置及方法，装置包括有机玻璃水槽、淡水和海水输送系统、潮汐生成系统、基流生成系统、可视化观测系统，有机玻璃水槽采用透明亚克力材料制成；淡水和海水输送系统用于向水槽内输送淡水和盐水；潮汐生成系统造出的指定波形并输入水槽中，用于模拟海水的潮汐作用；基流模拟系统用于模拟地下水的基流作用；可视化观测系统能够可视化由于淡水和盐水密度差引起的折射率变化。本发明专利技术能够可视化海水与淡水传质过程，精确地通过试验复现近海岛礁地下水与海水在潮汐作用下的传质过程。另外，本试验装置和方法还可以用来研究不同水头、潮汐波形、砂土介质下的传质规律。砂土介质下的传质规律。砂土介质下的传质规律。
【技术实现步骤摘要】
一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置及方法
[0001]本专利技术涉及传质过程可视化装置，尤其涉及一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置及方法。
技术介绍
[0002]由于塑料在世界范围内的广泛应用，塑料难以避免的进入到海洋环境中。塑料材料的稳定性会导致塑料颗粒长期在海洋中累积，并通过生物和非生物降解为微小的尺寸，这些塑料颗粒可能通过潮汐作用和海水
‑
淡水传质等途径进入地下水会对人体健康造成潜在威胁。
[0003]了解沿海地区的地下水和海水交界面处的塑料颗粒运移，能为地下水保护和过滤提供技术支持。研究传质过程在塑料颗粒运移中的影响，了解潮汐作用下塑料颗粒含量在地下水中的实时变化，对于保护地下水资源安全的作用至关重要。
[0004]目前，也有方法对海水入侵地下水进行相关的研究。其中，入侵的研究方法主要为高密度电阻率观测法。然而，这种方法存在着如下不足：
[0005]①
、由于海水运移过程相当复杂，并不是只对开始阶段和结束阶段的水中溶质进行分析就能描述清楚的，因此目前海水入侵地下水的方法缺少可视化的过程研究，同时缺少海水
‑
淡水之间过程观察的试验方法。
[0006]②
、通过高密度电阻率法研究海水入侵，其原理是由于密度差改变造成了电阻率的改变，但是在海水中的塑料颗粒所引起的电阻率变化几乎可以忽略，因此该方法无法对海水入侵过程中塑料颗粒的运移进行研究。
[0007]因此，急需研究一种装置对地下水入侵海水的传质过程进行可视化研究，用于精确地描述海水入侵条件下，海水
‑
淡水传质对塑料颗粒运移的影响规律。
技术实现思路
[0008]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置及方法。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0010]一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置，包括有机玻璃水槽、淡水输送系统、海水输送系统；
[0011]有机玻璃水槽内一侧向另一侧依次设有一挡水隔板、两过水隔板、一挡水隔板，依次形成海水进水区、海水区、砂砾区、淡水区、淡水进水区，挡水隔板低于过水隔板，砂砾区内填充满砂砾，海水区底部和淡水区底部分别铺设砂砾，设置海水进水区和淡水进水区可以让进入海水区和淡水区的水流流速保持稳定；
[0012]淡水输送系统包括淡水箱和淡水水管，淡水箱通过淡水水管连接至淡水进水区，淡水水管上设有第二储水箱、第二水阀、第二水泵；
[0013]海水输送系统包括第一海水箱和海水水管，第一海水箱通过海水水管连接至海水
进水区，海水水管上设有第一水泵、第一储水箱、第一水阀，所述第一储水箱上还设有塑料微粒盒。
[0014]作为更近一步的优选方案，装置还包括基流生成系统，包括基流孔洞、第三转子流速计和第三水阀，基流孔洞开设于有机玻璃水槽的砂砾区底部，基流孔洞上具有基流管道，第三转子流速计和第三水阀安装在基流管道上。
[0015]作为更近一步的优选方案，装置还包括潮汐生成系统，包括第二海水箱和造波器，造波器抽出第二海水箱中的海水并将海水以指定的波形输出，造波器贯穿海水进水区，穿孔处密封处理。
[0016]作为更近一步的优选方案，淡水水管上还设有第二转子计速器和第二升降螺母。
[0017]作为更近一步的优选方案，海水水管上还设有第一转子计速器和第一升降螺母。
[0018]作为更近一步的优选方案，有机玻璃水槽采用透明亚克力材料制成。
[0019]作为更近一步的优选方案，装置还包括可视化观测系统，可视化观测系统包括第一高精度凹面镜、第二高精度凹面镜、刀片、高速相机、有机玻璃水槽观测区、点光源，有机玻璃水槽置于有机玻璃水槽观测区，第一高精度凹面镜和第二高精度凹面镜分别布置在有机玻璃水槽观测区两侧，第一高精度凹面镜和第二高精度凹面镜相对有机玻璃水槽倾斜布置，第一高精度凹面镜和第二高精度凹面镜相互平行，点光源朝向第一高精度凹面镜发射光线，高速相机朝向第二高精度凹面镜获取图像，刀片用于挡住部分焦点。
[0020]一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0021](1)断开淡水和海水供应系统与透明有机玻璃水槽之间的导流管，在隔板的两侧粘贴滤纸后往水槽中加入砂土试样，水槽的两块隔板之间装满砂土试样，水槽两侧加入的砂土试样低于液面，模拟海水和淡水交界面环境。
[0022](2)打开淡水供应系统，调节螺母控制水头位置，启动水泵抽取淡水，打开阀门，控制水位达到试验要求。
[0023](3)打开海水供应系统，调节螺母控制水头位置，启动水泵抽取淡水，打开阀门，控制水位达到试验要求。
[0024](4)往盐水箱中加入用荧光剂染色的塑料颗粒，并利用PIV和PTV技术测速和追踪塑料颗粒。
[0025](5)打开可视化观测系统，调节点光源亮度、刀片挡光区域和高速相机的参数，模拟在无潮汐环境下，海水与淡水传质过程中的塑料颗粒运移规律。
[0026]可视化观测系统的原理为：在均匀介质中，光的传播是均匀的。例如，在洁净空间里，星光的传播是无干扰的。如果地球上的大气层同洁净空间一样均匀，星光就会像完全平行的光线一样传播。星光将会聚焦一个近乎完美的衍射点，无闪烁。
[0027]但大气层并不均匀，由于湍流、热对流和天气现象等原因，对大气层造成干扰，使大气层不均匀。而且，这些干扰能小规模的改变大气密度和折射率，使星光光线发生弯曲，使得星光在我们视野中会发生闪烁。
[0028]同样利用这个原理，当点光源的光线穿过的溶液存在密度差时，会由于折射率的不同改变光线的传播路径，从而能够对不同密度溶液的传质过程进行观察。
[0029]关于折射率和光线弯曲原理的公式推导为：
[0030]认为初始时刻通过z1的是平面波，并且波阵面垂直于水平光轴z轴。当波前通过被
测对象，也即从z1到z2时，不同的微分时间Δt对应微分距离Δz，折射的偏折角度为Δε。由于光线始终垂直于波前阵面，通过z1的水平光线同样折射Δε。
[0031]定义n0＝c0/cn0：介质折射率；c0：真空光速；c：本地光速。
[0032][0033]不同时刻Δt有
[0034][0035]合并得到
[0036][0037]当Δy无限趋近于零时，方程中的可以简化为令所有微元趋近于零，可得
[0038][0039]将其代入导数后，可以得到
[0040][0041]在x轴方向上，进行积分可得
[0042][0043]由此可以证明，偏折角ε
x
与光路长度L成正比，与折射率梯度成正比，因此由于海水和淡水存在密度差，在可视化系统中存在折射率梯度，通过选取可视化系统中凹面镜的焦距改变光路长度L，得到适合于可视化观测的偏折角大小，即可对海水和淡水的传质过程进行观察。荧光剂染色的塑料颗粒会在光源照射本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置，其特征在于：包括有机玻璃水槽、淡水输送系统、海水输送系统；所述有机玻璃水槽内一侧向另一侧依次设有一挡水隔板(10)、两过水隔板(11)、一挡水隔板(10)，依次形成海水进水区、海水区、砂砾区、淡水区、淡水进水区，挡水隔板(10)低于过水隔板(11)，砂砾区内填充满砂砾，海水区底部和淡水区底部分别铺设砂砾；所述淡水输送系统包括淡水箱(20)和淡水水管，淡水箱(20)通过淡水水管连接至淡水进水区，淡水水管上设有第二储水箱(14)、第二水阀(15)、第二水泵(19)；所述海水输送系统包括第一海水箱(1)和海水水管，第一海水箱(1)通过海水水管连接至海水进水区，海水水管上设有第一水泵(2)、第一储水箱(4)、第一水阀(5)，所述第一储水箱(4)上还设有塑料微粒盒(3)。2.根据权利要求1所述的一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置，其特征在于：还包括基流生成系统，包括基流孔洞、第三转子流速计(12)和第三水阀(13)，基流孔洞开设于有机玻璃水槽的砂砾区底部，基流孔洞上具有基流管道，第三转子流速计(12)和第三水阀(13)安装在基流管道上。3.根据权利要求1所述的一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置，其特征在于：还包括潮汐生成系统，包括第二海水箱(9)和造波器(8)，造波器(8)抽出第二海水箱(9)中的海水并将海水以指定的波形输出。4.根据权利要求1所述的一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置，其特征在于：所述淡水水管上还设有第二转子计速器(16)和第二升降螺母(17)。5.根据权利要求1所述的一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置，其特征在于：所述海水水管上还设有第一转子计速器(6)和第一升降螺母(7)。6.根据权利要求1所述的一种模拟海水入侵地下水的传质可视化测量装置，其特征在于：所述有机玻璃水槽采用透明亚克力材料制成。7.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：何磊，李玉博，杜川子，肖怀广，赵沁华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。