專利名稱：潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)及模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實驗?zāi)M裝置，尤其涉及一種潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及一種潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬方法。
背景技術(shù)：
鹽水入侵是沿海城市工農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的重要問題，尤其是在北方地區(qū)，過量抽地下水已經(jīng)造成大面積的鹽水入侵，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝藗兊纳詈徒?jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時，鹽水入侵也對沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，造成大面積土地鹽堿化，原有的淡水生物群落也逐步向鹽水生物群落過渡。隨著鹽水入侵的進(jìn)一步加劇，它所造成的社會和環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，逐步引起人們的關(guān)注，也有越來越多的研究開始關(guān)注這一領(lǐng)域。防治鹽水入侵首先要了解鹽水入侵的機(jī)理，掌握鹽水入侵的現(xiàn)狀，準(zhǔn)確預(yù)測鹽水入侵的發(fā)展趨勢。對鹽水入侵問題的研究主要依靠數(shù)值模擬和物理模擬兩種手段，數(shù)值模擬是在準(zhǔn)確理解入侵機(jī)理的基礎(chǔ)上利用數(shù)學(xué)模型來描述含水層中鹽溶質(zhì)濃度、壓強分布等研究對象隨時間和空間的變化情況，物理模擬是指通過野外或室內(nèi)實驗?zāi)７蔓}水入侵現(xiàn)象并探索入侵規(guī)律。目前，已有的數(shù)學(xué)模型尚不能很好的描述鹽水入侵現(xiàn)象，特別是在對考慮潮汐作用時，因此，借助于物理模型實驗?zāi)M入侵作用是鹽水入侵研究的必然選擇。受實驗條件和成本的限制，現(xiàn)有鹽水入侵實驗?zāi)M主要采用室內(nèi)模型。由于對研究問題進(jìn)行了簡化，多數(shù)實驗?zāi)Ｐ筒豢紤]潮汐作用，而研究證明潮汐作用對模擬結(jié)果有重要影響，因此這些實驗?zāi)M結(jié)果的參考價值大打折扣；由于NaCl溶解稀釋過程無法用肉眼分辨，采用探頭監(jiān)測不僅會大大提高實驗成本，而且實驗可操作性不高，實驗過程的可視化存在難題。由于存在諸多問題，采用室內(nèi)模型模擬鹽水入侵的實驗研究尚不多見，而僅僅采用具有局限性的數(shù)值模型無法達(dá)到深入探索海水入侵機(jī)理的目的。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠直觀看到潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬方法。本發(fā)明的第三目的在于提供一種利用所述的平板示蹤模擬裝置進(jìn)行污染物遷移示蹤的方法。技術(shù)方案本發(fā)明所述的潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)，包括平板水槽、潮波生成器、鹽水庫、淡水箱和鹽水箱，所述平板水槽沿長度方向依次設(shè)置為淡水區(qū)、泥沙區(qū)和鹽水區(qū)，所述泥沙區(qū)中填充有泥沙，并設(shè)置有5 6排取樣孔；所述淡水區(qū)、泥沙區(qū)和鹽水區(qū)之間分別通過濾網(wǎng)和透水插板間隔；所述潮波生成器設(shè)置在所述平板水槽的鹽水區(qū)與所述鹽水庫之間，用于將所述鹽水庫中的鹽水以潮汐的形態(tài)注入所述鹽水區(qū)中； 所述淡水箱通過流量調(diào)節(jié)裝置與所述平板水槽的淡水區(qū)連接，用于將淡水注入到所述淡水區(qū)中；所述鹽水箱通過流量調(diào)節(jié)裝置與所述平板水槽的鹽水區(qū)連接，用于將鹽水補充到所
3述鹽水區(qū)中。為了便于采集試驗結(jié)果，所述平板示蹤模擬裝置設(shè)置在光線封閉的空間中，還包括照明系統(tǒng)、拍照系統(tǒng)和白色背景帷幕；所述照明系統(tǒng)設(shè)置在所述光線封閉的空間中用于提供光源；所述拍照系統(tǒng)設(shè)置在所述平板示蹤模擬裝置的正前方，用于拍攝試驗過程和結(jié)果；所述白色背景帷幕設(shè)置在所述平板示蹤模擬裝置的正后方作為拍攝環(huán)境背景色。所述拍照系統(tǒng)為兩個同品牌同款式的相機(jī)，分別設(shè)置在距離所述平板示蹤模擬裝置相同距離、相同角度處，兩個相機(jī)的取景中有三分之一處重疊；在相機(jī)放置處，設(shè)置黑色帷幕，僅僅使相機(jī)鏡頭從黑色帷幕中探出。為了便于二維的研究，忽略泥沙在厚度方面受到入侵的影響，所述平板水槽的厚度為I 3cm。進(jìn)一步地，所述平板水槽的高度為80cm ;淡水區(qū)的長度為5cm ;泥沙區(qū)的長度為 340cm，泥沙區(qū)的泥沙高度為65cm ;鹽水區(qū)的長度為5cm。本發(fā)明潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬方法，包括如下步驟(I)使用NaCl和FD&C red 40混合溶液，作為海水裝入鹽水箱和鹽水庫中；在平板水槽中加入去離子水和泥沙；(2)開啟淡水箱水閥，調(diào)節(jié)到所需要的流量；開啟潮波生成器將鹽水庫中的鹽水以潮汐的形態(tài)注入鹽水區(qū)中，開啟鹽水箱注入補充鹽水以保持鹽水區(qū)中鹽水邊界的鹽度不變；定時向鹽水庫中添加高濃度的鹽水，使其達(dá)到初始的海水鹽度；同時，打開相機(jī)定時拍照，并定時從取樣孔中取樣；(3)鹽水區(qū)的鹽水向泥沙區(qū)入侵并形成鹽水楔，待鹽水楔變得恒定時停止試驗。也可以利用本發(fā)明裝置進(jìn)行污染物遷移示蹤模擬，利用本發(fā)明平板示蹤模擬裝置進(jìn)行污染物遷移示蹤的方法，包括如下步驟(I)在平板水槽中加入去離子水和泥沙；在鹽水箱和淡水箱中裝入去離子水；(2)開啟鹽水箱和淡水箱的水閥，調(diào)整兩邊的淡水區(qū)和鹽水區(qū)的溢流口的高度，使兩邊的水位有一定的水位差，根據(jù)達(dá)西定律，在水槽中形成均勻單一的水流；(3)通過平板水槽的注入口向泥沙區(qū)中注入帶有顏色的可溶性污染物或膠體，同時開啟相機(jī)定時拍攝污染物遷徙過程；(4)等污染物完全遷移出去，停止實驗。有益效果本發(fā)明裝置主要用于研究含水層深度以及垂直海岸線方向的流動及溶質(zhì)運移過程，在不考慮沿海岸線方向流動的基礎(chǔ)上將模型簡化為二維模型。裝置在垂直海岸線平面采用有機(jī)玻璃壁面，突出整個實驗過程的可視化效果，并采用角鋼固定防止變形； 裝置左側(cè)(內(nèi)陸方向)采用淡水箱注入固定流量淡水，用來描述固定淡水流量邊界，使淡水出流量免受潮汐作用影響；裝置右側(cè)(海向邊界)設(shè)置I個鹽水庫和I個鹽水箱，不考慮潮汐作用時采用容量為60L的鹽水箱，模擬平均海平面作用下鹽水入侵情況，考慮潮汐作用時采用容量為80L的鹽水庫利用潮波生成器模擬不同潮汐振幅作用下的鹽水入侵規(guī)律；經(jīng)過吸附測試，裝置采用FD&C red 40和NaCl溶液模擬海水入侵，可以保證實驗過程中示蹤劑總量不發(fā)生衰減；采用高清數(shù)字照相機(jī)每15s采集一次實驗照片，確保全程記錄鹽水入侵的變化過程。本發(fā)明裝置能夠直觀看到潮汐作用下鹽水入侵的全過程，達(dá)到深入探索海水入侵機(jī)理的目的。


圖I為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明裝置及拍照系統(tǒng)布局圖。圖3為本發(fā)明實施例中不同實驗條件下鹽水入侵的結(jié)果圖。圖4為本發(fā)明實施例中數(shù)值模擬、實驗與Glover解的界面結(jié)果比較圖。實線為數(shù)值解；菱形點為實驗結(jié)果；虛線為Glover解。
具體實施例方式下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實施例。實施例本發(fā)明潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)，包括平板水槽I、 潮波生成器2、鹽水庫3、淡水箱4和鹽水箱5，所述平板水槽I沿長度方向依次設(shè)置為淡水區(qū)1-1、泥沙區(qū)1-2和鹽水區(qū)1-3，所述泥沙區(qū)1-2中填充有泥沙，并設(shè)置有5 6排取樣孔， 單排孔的上下兩孔間距為Icm ;所述淡水區(qū)1-1、泥沙區(qū)1-2和鹽水區(qū)1-3之間分別通過濾網(wǎng)和透水插板間隔；所述潮波生成器2設(shè)置在所述平板水槽I的鹽水區(qū)1-3與所述鹽水庫 3之間，用于將所述鹽水庫3中的鹽水以潮汐的形態(tài)注入所述鹽水區(qū)1-3中；所述淡水箱4 通過流量調(diào)節(jié)裝置與所述平板水槽I的淡水區(qū)1-1連接，用于將淡水注入到所述淡水區(qū)1-1 中；所述鹽水箱5通過流量調(diào)節(jié)裝置與所述平板水槽I的鹽水區(qū)1-3連接，用于將鹽水補充到所述鹽水區(qū)1-3中。所述平板示蹤模擬裝置設(shè)置在光線封閉的空間中，還包括照明系統(tǒng)6、拍照系統(tǒng)7 和白色背景帷幕；所述照明系統(tǒng)6設(shè)置在所述光線封閉的空間中用于提供光源；所述拍照系統(tǒng)7設(shè)置在所述平板示蹤模擬裝置的正前方，用于拍攝試驗結(jié)果；所述白色背景帷幕設(shè)置在所述平板示蹤模擬裝置的正后方作為拍攝環(huán)境背景色，避免實驗室中的其他環(huán)境背景被拍攝到。模擬全程主要通過拍照具有顏色示蹤計來模擬整個海水入侵的，以及污染云團(tuán)的運移過程，以及在背面設(shè)置的5-6排的取樣孔。在本實驗中，照明系統(tǒng)6使用兩排照明燈，前排為5個節(jié)能燈，后排為2個聚能燈； 并封閉實驗室的門和窗戶，阻止室外光(特別是太陽光)的照射，減少或避免晝夜光線變化引起的拍照色差的變化。為了拍照整個水槽，拍照系統(tǒng)7需要兩個同品牌同款式的相機(jī)，分別設(shè)置在距離水槽相同距離，相同角度進(jìn)行拍攝；為了更好的連接，兩個相機(jī)都有三分之一處重疊；在相機(jī)放置處，放置黑色帷幕，僅僅使相機(jī)鏡頭從黑色帷幕中探出來，這樣可以避免相機(jī)的影子在水槽中顯現(xiàn)，影響拍攝效果。所述平板水槽I的厚度為I 3cm ;所述平板水槽I的高度為80cm ;淡水區(qū)1_1的長度為5cm ;泥沙區(qū)1-2的長度為340cm，泥沙區(qū)1_2的泥沙高度為65cm ;鹽水區(qū)1_3的長度為5cm。對于海水入侵，使用NaCl和FD&C red 40混合溶液，作為海水；用NaCl配備所需要的鹽度，添加少量的FD&C red 40作為顏色示蹤劑；從直觀上模擬海水入侵的整個過程；同時從水槽的背面的取樣孔，抽取孔隙水，稀釋250倍后測量其電導(dǎo)，根據(jù)標(biāo)線換算成濃度。對于污染物在多空介質(zhì)中遷移，選擇合適的帶有顏色的可溶性污染物或膠體，在淡水區(qū)或者泥沙區(qū)添加示蹤劑，通過圖像研究污染物在多空介質(zhì)中的遷移過程。潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬方法，包括如下步驟，具體實驗條件與參數(shù)見表I :(I)使用NaCl和FD&C red 40混合溶液，作為海水裝入鹽水箱和鹽水庫中；在平板水槽中加入去離子水和泥沙，每次加沙IOcm高度；(2)開啟淡水箱水閥，調(diào)節(jié)到所需要的流量；開啟潮波生成器將鹽水庫中的鹽水以潮汐的形態(tài)注入鹽水區(qū)中，開啟鹽水箱(鹽水箱的鹽度與鹽水庫的鹽度初始一樣)注入補充鹽水以保持鹽水區(qū)中鹽水邊界的鹽度不變；由于這個系統(tǒng)中有淡水輸入，因此在海水邊界的地方在密度流的作用下，特別是右邊的上部水面的鹽度偏低，為了更好的模擬海洋邊界(海水密度一般比較很定)，因此在其上部添加同等初始密度的鹽水。每I小時在鹽水庫中添加高濃度的鹽，達(dá)到初始的海水鹽度(這是由于整個系統(tǒng)中一直有淡水輸入，因此鹽水庫的鹽度會下降；同時，打開相機(jī)定時拍照，間隔15s —次，并定時從取樣孔中取樣，一般間隔是初始較快，而逐漸變慢；(3)鹽水區(qū)的鹽水向泥沙區(qū)入侵并形成鹽水楔，待鹽水楔變得恒定時停止試驗。表I鹽水入侵實驗條件與參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)，其特征在于包括平板水槽 (I)、潮波生成器(2)、鹽水庫(3)、淡水箱(4)和鹽水箱(5)，所述平板水槽(I)沿長度方向依次設(shè)置為淡水區(qū)(1-1)、泥沙區(qū)(1-2)和鹽水區(qū)(1-3)，所述泥沙區(qū)(1-2)中填充有泥沙， 并設(shè)置有5 6排取樣孔；所述淡水區(qū)(1-1)、泥沙區(qū)(1-2)和鹽水區(qū)(1-3)之間分別通過濾網(wǎng)和透水插板間隔；所述潮波生成器(2)設(shè)置在所述平板水槽(I)的鹽水區(qū)(1-3)與所述鹽水庫(3)之間，用于將所述鹽水庫(3)中的鹽水以潮汐的形態(tài)注入所述鹽水區(qū)(1-3) 中；所述淡水箱(4)通過流量調(diào)節(jié)裝置與所述平板水槽(I)的淡水區(qū)(1-1)連接，用于將淡水注入到所述淡水區(qū)(1-1)中；所述鹽水箱(5)通過流量調(diào)節(jié)裝置與所述平板水槽(I)的鹽水區(qū)(1-3)上部連接，用于將鹽水補充到所述鹽水區(qū)(1-3)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)，其特征在于所述平板示蹤模擬裝置設(shè)置在光線封閉的空間中，還包括照明系統(tǒng)(6)、拍照系統(tǒng)(7) 和白色背景帷幕；所述照明系統(tǒng)(6)設(shè)置在所述光線封閉的空間中用于提供光源；所述拍照系統(tǒng)(7)設(shè)置在所述平板示蹤模擬裝置的正前方，用于拍攝試驗過程和結(jié)果；所述白色背景帷幕設(shè)置在所述平板示蹤模擬裝置的正后方作為拍攝環(huán)境背景色。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)，其特征在于所述拍照系統(tǒng)(7)為兩個同品牌同款式的相機(jī)，分別設(shè)置在距離所述平板示蹤模擬裝置相同距離、相同角度處，兩個相機(jī)的取景中有三分之一處重疊；在相機(jī)放置處，設(shè)置黑色帷幕，僅僅使相機(jī)鏡頭從黑色帷幕中探出。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)，其特征在于所述平板水槽(I)的厚度為I 3cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)，其特征在于所述平板水槽(I)的高度為80cm ;淡水區(qū)(1-1)的長度為5cm ;泥沙區(qū)(1_2)的長度為 340cm，泥沙區(qū)(1-2)的泥沙高度為65cm ;鹽水區(qū)(1-3)的長度為5cm。
6.一種潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬方法，其特征在于包括如下步驟(1)使用NaCl和FD&Cred 40混合溶液，作為海水裝入鹽水箱和鹽水庫中；在平板水槽中加入去離子水和泥沙；(2)開啟淡水箱水閥，調(diào)節(jié)到所需要的流量；開啟潮波生成器將鹽水庫中的鹽水以潮汐的形態(tài)注入鹽水區(qū)中，開啟鹽水箱注入補充鹽水以保持鹽水區(qū)中鹽水邊界的鹽度不變； 定時向鹽水庫中添加高濃度的鹽水，使其達(dá)到初始的海水鹽度；同時，打開相機(jī)定時拍照， 并定時從取樣孔中取樣；(3)鹽水區(qū)的鹽水向泥沙區(qū)入侵并形成鹽水楔，待鹽水楔變得恒定時停止試驗。
7.利用權(quán)利要求I所述的平板示蹤模擬裝置進(jìn)行污染物遷移示蹤的方法，其特征在于包括如下步驟(1)在平板水槽中加入去離子水和泥沙；在鹽水箱和淡水箱中裝入去離子水；(2)開啟鹽水箱和淡水箱的水閥，調(diào)整兩邊的淡水區(qū)和鹽水區(qū)的溢流口的高度，使兩邊的水位有一定的水位差，根據(jù)達(dá)西定律，在水槽中形成均勻單一的水流；(3)通過平板水槽的注入口向泥沙區(qū)中注入帶有顏色的可溶性污染物或膠體，同時開啟相機(jī)定時拍攝污染物遷徙過程；(4)等污染物完全遷移出去，停止實驗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統(tǒng)，包括平板水槽、潮波生成器、鹽水庫、淡水箱和鹽水箱，所述平板水槽沿長度方向依次設(shè)置為淡水區(qū)、泥沙區(qū)和鹽水區(qū)，所述泥沙區(qū)中填充有泥沙，并設(shè)置有5～6排取樣孔；所述淡水區(qū)、泥沙區(qū)和鹽水區(qū)之間分別通過濾網(wǎng)和透水插板間隔；所述潮波生成器設(shè)置在所述平板水槽的鹽水區(qū)與所述鹽水庫之間；所述淡水箱通過流量調(diào)節(jié)裝置與所述平板水槽的淡水區(qū)連接，用于將淡水注入到所述淡水區(qū)中；所述鹽水箱通過流量調(diào)節(jié)裝置與所述平板水槽的鹽水區(qū)連接，用于將鹽水補充到所述鹽水區(qū)中。本發(fā)明裝置能夠直觀看到潮汐作用下鹽水入侵的全過程，達(dá)到深入探索海水入侵機(jī)理的目的。
文檔編號G01N33/24GK102590469SQ20121001244
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者丁海波, 關(guān)偉強, 李凌, 趙忠偉, 金光球 申請人:河海大學(xué)