地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統，包括水槽、自動水位控制系統、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據采集系統，水槽沿長度方向依次劃分為地下水區域、多孔介質區域和地表水區域，水槽上多孔介質區域的上方架設有探頭固定架，探桿伸入多孔介質區域內，自動水位控制系統和地表水區域連接，探桿上設置有分別與數據采集系統相連接的張力計、壓力傳感器和含水率探頭。本發明能夠實現任意變化水位下多孔介質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，可節約人力提高實驗效率，本發明可以為研究變化水位與多孔介質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飽和非飽和測量系統及方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于水利工程領域，涉及一種在室內實驗中地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統及方法。
【背景技術】
[0002]側岸帶是河道兩側在河岸一定范圍內河水與區域地下水發生潛流交換的區域。側岸潛流交換對河流生態系統的結構和功能有著重要作用，并影響有機物、重金屬、細顆粒等物質的輸移。在側岸橫向結構上，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，從而在側岸的多孔介質中形成飽和非飽和的交替。海岸帶與湖濱帶與側岸帶相同，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構上產生飽和非飽和交替的現象。對這一交替現象的監測對研究變化水位與多孔介質中地下水之間交換的水動力過程具有重要意義。

【發明內容】

[0003]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種在室內實驗水槽中地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統和使用方法，能夠實現任意變化水位下多孔介質中飽和非飽和狀態的測量。
[0004]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0005]—種地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統，包括水槽、自動水位控制系統、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據采集系統，所述水槽沿長度方向依次劃分為地下水區域、多孔介質區域和地表水區域，水槽上多孔介質區域的上方架設有探頭固定架，所述探桿伸入多孔介質區域內，所述自動水位控制系統和地表水區域連接，所述探桿上設置有分別與數據采集系統相連接的張力計、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包括水位探頭、水箱、雙向栗、直流電機和工業控制計算機，所述與工業控制計算機連接的水位探頭設置在所述地表水區域內，所述雙向栗與直流電機電連接且分別與工業控制計算機連接，雙向栗還分別與地表水區域和水箱連接，水位探頭將檢測到的水位信號傳遞給工業控制計算機，工業控制計算機控制直流電機，雙向栗由直流電機驅動并受直流電機電極的變化控制其正反向轉動，實現水槽的進水和出水。
[0007]進一步的，所述多孔介質區域兩側設置有與水槽等寬的攔沙架，為保證其上焊接有攔紗網的攔沙架的穩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定并盡可能不影響水流流態，攔沙架和多孔介質之間設置尼龍攔紗網和土工織物。
[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定性。
[0009]進一步的，所述探頭固定架越靠近地表水區域布置越密集。
[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域設置高度可調整的溢流擋板，方便在實驗中保持任意所需高度恒定的地下水位。
[0012]本發明所述的一種地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統的使用方法，包括如下步驟:
[0013]步驟一:將含水率探頭、張力計、壓力傳感器與數據采集系統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域布置越密集的原則在多孔介質區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，并調整溢流擋板至該高度；
[0015]步驟三:在多孔介質區域兩側放置攔沙架，在攔沙架和多孔介質區域之間放置200目的尼龍攔紗網和土工織物，在攔沙架與水槽內壁的縫隙處塞橡皮泥堵上，再緩慢加入經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、水位探頭和工業控制計算機形成自動水位控制系統；
[0017]步驟五:開啟自動水位控制系統，將目標水位變化數據導入工業控制計算機，打開水槽進出水閥門，打開數據采集系統，此時可以記錄多孔介質區域各采樣點處多孔介質含水率、張力和壓力的實時變化；
[0018]步驟六:實驗結束后先關閉進水閥門再關閉自動水位控制系統，導出數據采集系統記錄的實時數據。
[0019]本發明的有益效果在于:
[0020](I)能夠實現任意變化水位下多孔介質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，可節約人力提高實驗效率，本發明可以為研究變化水位與多孔介質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定，不至發生偏移影響實驗結果O
[0022](3)由于水槽較大，為增強沙坡的穩定性，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定，攔沙架上焊接攔沙網，并在攔沙架與多孔介質之間放置200目尼龍攔紗網和土工織物，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控制計算機，系統就可以通過自動水位控制系統自動實現該變化的水位，并對水位變化情況下多孔介質含水率、壓力和張力變化情況進行實時監測，節約了人工提高了實驗效率。
【附圖說明】
[0024]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
[0025]圖1為本發明實施例所述的裝置結構示意圖；
[0026]圖2為本發明實施例所述的水槽的俯視圖；
[0027]圖3為本發明實施例所述的攔沙架和焊接于攔沙架上的攔紗網結構示意圖；
[0028]圖4為本發明實施例所述的探頭固定架和探桿的結構示意圖。
[0029]附圖標記說明:
[0030]1-水槽;2-雙向栗;3-直流電機;4-工業控制計算機;5-水位探頭;6_水箱;7_攔沙架;71-攔紗網；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-地下水區域；102-多孔介質區域;103-地表水區域。
【具體實施方式】
[0031]下面將結合附圖，對本發明的優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飽和非飽和測量系統，包括水槽1、自動水位控制系統、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和數據采集系統。水槽I沿長度方向依次劃分為地下水區域101、多孔介質區域102和地表水區域103，水槽I上多孔介質區域102的上方架設有探頭固定架10，探桿15伸入多孔介質區域102內，探桿15上設置有分別與數據采集系統相連接的張力計11、壓力傳感器12和含水率探頭13。自動水位控制系統包括水位探頭5、水箱6、雙向栗2、直流電機3和工業控制計算機4，與工業控制計算機4連接的水位探頭5設置在地表水區域103內，雙向栗2與直流電機3電連接且分別與工業控制計算機4連接，雙向栗2還分別與地表水區域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控制計算機4，工業控制計算機4控制直流電機3，雙向栗2由直流電機3驅動并受直流電機3電極的變化控制其正反向轉動，實現水槽I的進水和出水，結合水位探頭5，將目標水位變化情況導入工業控制計算機4即可實現該水位變化的情況。
[0033 ]水槽I出水口處設置尾水排水管道9，在水槽I的地下水區域1I安裝高度可以調整的溢流擋板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，兩側地下水區域101和地表水區域103的長度為lm，泥沙區也就是多孔介質區102中沙波長度為28m，高度為1.3m。
[0034]多孔介質區域102兩側設置有與水槽I等寬的攔沙架7，攔沙架7上焊接有攔紗網71，為保證攔沙架7的穩定性在其底部焊接有形成三角形結構的支撐桿72，攔沙架7和水槽I內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定并盡可能不影響水流流態，攔沙架7和多孔介質之間設置200目的尼龍攔紗網和土工織物。
[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越靠近地表水區域103布置越密集。越靠近地表水區域103的多孔介質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域103探頭固定架10設置越密集。多孔介質區域102上方從靠近地表水區域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，并連接數據采集系統對各采樣點處含水率、壓力和張力變化進行實時監測，從而最大程度上捕捉多孔介質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再打開進水閥門，實驗結束時應先關閉進水閥門再關閉自動水位控制系統，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]本發明所述的一種地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統的使用方法，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與數據采集系統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域103布置越密集的原則在多孔介質區域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對實驗飽和非飽和變化情況產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，并調整溢流擋板8至該高度；
[0041]步驟三:在多孔介質區域102兩側放置攔沙架7，在攔沙架7和多孔介質區域102之間放置200目的尼龍攔紗網和土工織物，尼龍攔紗網和土工織物擋在多孔介質區域102和攔沙架7之間，起到一定固定多孔介質的作用，在攔沙架7與水槽I內壁的縫隙處塞橡皮泥堵上，為了防止石英砂中的雜質對其飽和非飽和的變化造成不可控的影響，再緩慢加入經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和工業控制計算機4形成自動水位控制系統；
[0043]步驟五:開啟自動水位控制系統，將目標水位變化數據導入工業控制計算機4，打開水槽I進出水閥門，打開數據采集系統，此時可以記錄多孔介質區域102各采樣點處多孔介質含水率、張力和壓力的實時變化；
[0044]步驟六:實驗結束后先關閉進水閥門再關閉自動水位控制系統，導出數據采集系統記錄的實時數據。
[0045]最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發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上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發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飽和非飽和測量系統，其特征在于:包括水槽(I)、自動水位控制系統、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)和數據采集系統，所述水槽(I)沿長度方向依次劃分為地下水區域(101)、多孔介質區域(102)和地表水區域(103)，水槽(I)中多孔介質區域(102)的上方架設有探頭固定架(10)，所述探桿(15)伸入多孔介質區域(102)內，所述自動水位控制系統和地表水區域(103)連接，所述探桿(15)上設置有分別與數據采集系統相連接的張力計(11)、壓力傳感器(12)和含水率探頭(13)。2.根據權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統，其特征在于:所述自動水位控制系統包括水位探頭(5)、水箱(6)、雙向栗(2)、直流電機(3)和工業控制計算機(4)，所述與工業控制計算機(4)連接的水位探頭(5)設置在所述地表水區域(103)內，所述雙向栗(2)與直流電機(3)電連接且分別與工業控制計算機(4)連接，雙向栗(2)還分別與地表水區域(103)和水箱(6)連接。3.根據權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統，其特征在于:所述多孔介質區域(102)兩側設置有與水槽(I)等寬的攔沙架(7)，其上焊接有攔紗網(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)內壁間的縫隙處塞上橡皮泥，攔沙架(7)和多孔介質之間設置尼龍攔紗網和土工織物。4.根據權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統，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.根據權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統，其特征在于:所述探頭固定架(10)越靠近地表水區域(103)布置越密集。6.根據權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統，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.根據權利要求1所述的地表水水位變化下多孔介質飽和非飽和測量系統，其特征在于:所述水槽(I)的地下水區域(101)設置高度可調整的溢流擋板(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飽和非飽和測量系統的使用方法，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)與數據采集系統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域(103)布置越密集的原則在多孔介質區域(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，并調整溢流擋板(8)至該高度； 步驟三:在多孔介質區域(102)兩側放置攔沙架(7)，在攔沙架(7)和多孔介質區域(102)之間放置200目的尼龍攔紗網和土工織物，在攔沙架(7)與水槽(I)內壁的縫隙處塞橡皮泥堵上，再緩慢加入經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)和工業控制計算機(4)形成自動水位控制系統； 步驟五:開啟自動水位控制系統，將目標水位變化數據導入工業控制計算機(4)，打開水槽(I)進出水閥門，打開數據采集系統，此時可以記錄多孔介質區域(102)各采樣點處多孔介質含水率、張力和壓力的實時變化； 步驟六:實驗結束后先關閉進水閥門再關閉自動水位控制系統，導出數據采集系統記錄的實時數據。
【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