测量浅水区地下水出流量的装置及其操作方法与流程

本发明涉及浅水区地下水补给地表水的技术领域，尤其涉及测量浅水区地下水出流量的装置及其操作方法。

背景技术

地表水与地下水的相互补给是“四水转化”中的重要过程之一，是路面水文循环过程的重要组成部分。准确估计地下水对河流、湖泊等地表水体的补给量对预测地表水文过程，确定水资源总量有重要意义。此外，大量研究表明，地下水出流区域作为地表水与地下水的交错带，是生态热点地区，在地表水污染物迁移转化过程中扮演重要角色。因此，精确测量浅水区地下水出流量有助于我们更好地评估地表水水量与水质，从而更好地规划工农业生产活动。由于天然地质条件的复杂性，在计算机软件中很难准确模拟地表水-地下水交换过程，因此野外测量是评估区域水资源的重要补充手段。

当前的野外测量方法中，在河道、湖泊等浅水区域中精确测量地下水出流量时主要采用收集袋法，但是依靠收集袋测量地下水出流量存在一些缺陷，限制了其使用场景，也影响其测量结果的可靠性。收集袋法最明显的缺陷在于为了保证测量精度，需要在靠近测量区域的位置准备一个体积较大的收集袋，而收集袋本身会对测量区域的地表水流态产生较大影响，从而干扰地下水出流过程，影响测量结果。此外，为了保证出流地下水自由流入收集袋，要求收集袋材质非常柔软，导致收集袋在装置的安装和拆卸过程中经常损坏。

水文地质工作者经常在河源山区等人迹罕至的区域测量地表水-地下水交换量，工具损坏时无法及时更新，因此测量工具在野外使用环境下的使用寿命至关重要。所以目前亟需开发一种坚固耐用、且能精确测量浅水区水底地下水出流量的装置。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种测量浅水区地下水出流量的装置及其操作方法，以解决现有技术中的不足之处，避免了当前收集袋法测量浅水区水底地下水出流量的缺陷。

技术方案：测量浅水区地下水出流量的装置，包括倒扣在水底的渗流收集筒、蓄电池、数据采集仪与溶液瓶；渗流收集筒上固定有螺旋桨、盐度传感器与水下直流电机，蓄电池通过供电线为水下直流电机与数据采集仪供电，数据采集仪通过盐度传感器采集渗流收集筒内的盐度数据，溶液瓶与收集筒密封连接用于注入示踪溶液。

装置还包括与溶液瓶相连的第一阀门，以及与外侧开放地表水流相连的第二阀门。

采用测量浅水区地下水出流量的装置的操作方法，包括以下步骤：

(1)安装并连接装置；

(2)注入溶液；

(3)等待地下水出流；

(4)计算地下水出流量；

(5)拆解并清洗设备。

步骤(2)中，当数据采集仪读取的盐度传感器的数据稳定后记录初始盐度c0与当前时间t1。

步骤(3)中，当渗流收集筒中盐度小于初始盐度的一半，停止测量，记录当前盐度ct与当前时间t2。

步骤(4)中，建立渗流收集筒内区域中溶质的质量守恒关系，根据初始浓度、当前浓度与时间等参数计算单位面积地下水出流量。

工作原理：本发明在设定区域内人工注入性质稳定的溶质，保证出流地下水与溶质充分混合后流入河道，不考虑溶质扩散作用，根据质量守恒定律，通过时间与对应的溶质浓度计算出地下水出流量。具体操作为，将渗流收集筒倒扣在水底制造一个半封闭区域，一次性注入一定量的性质稳定的高浓度溶液，通过不断搅拌使收集筒内的溶液与出流地下水充分混合后流入地表水体，通过传感器测量收集筒内半封闭区域中的初始溶液浓度与一定时间后的溶液浓度，假定短时间内地下水出流量不发生变化，出水口足够小保证溶质扩散作用可以忽略，建立区域内溶质的质量守恒关系，根据初始浓度、时间与对应时间点的浓度、区域体积计算地下水出流量。收集筒内区域中溶质的质量守恒关系为：

其中，a[l²]为收集筒横截面积，h[l]为半封闭区域高度，t[t]为经过的时间，c(t)[ml^-3]为t时刻溶液浓度，q[lt^-1]为单位面积地下水出流量，cin[ml^-3]为出流地下水溶液浓度。假定初始时刻溶液浓度c(0)为c0，可以计算得到任意时刻溶液浓度满足：

通过对应的时间与浓度即可计算出地下水出流速度q。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明对地表水扰动小、测量精度高；不需使用收集袋即可测量地下水出流量，避免了传统方法因收集袋干扰地表水流态而导致测量不准的缺陷；(2)本发明避免了因收集袋材质而造成的安装和拆卸上的困难，水下部分均采用有硬质高强度材料制成，故障率低、坚固耐用，使用寿命长，在水文地质野外观测领域应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为渗流收集筒内部结构示意图。

其中，1-渗流收集筒；2-密封轴承；3-第一塑料转接头；4-第二塑料转接头；5-第三塑料转接头；6-螺旋桨；7-盐度传感器电极；8-水下直流电机；9-第一阀门；10-钢丝网；11-第二阀门；12-电机供电线；13-传感器数据线；14-硅胶管；15-数据采集仪供电线；16-蓄电池；17-数据采集仪；18-溶液瓶。

具体实施方式

如图1所示，渗流收集筒1由透明材质的高强度有机玻璃制成，其横截面为圆形，具体尺寸为：筒高30cm，底面半径15cm。渗流收集筒1内部结构如图2所示，其底部中轴线上均匀分布3个半径1cm的圆形开孔，左侧开孔中心距离筒壁7.5cm，开孔中安装密封轴承2，水下直流电机8固定在渗流收集筒1外侧对应位置，电机轴穿过密封轴承2带动筒内的螺旋桨6转动。盐度传感器电极7底部固定在筒底中心的开孔中的第一塑料转接头3上，测量部分伸入收集筒中测量筒内半封闭区域内的溶液浓度。右侧开孔中心距离筒壁同样为7.5cm，孔中安装第二塑料转接头4，转接头外侧连接第一阀门9，阀门打开时硅胶管14中的溶液能在重力的作用下自由流入渗流收集筒1中的区域。筒身上的开孔中心距离筒底5cm，孔中安装第三塑料转接头5，转接头外侧通过第二阀门11与外侧开放地表水流相连，转接头与阀门的连接处布置钢丝网10，用于保证水流平缓流出，也防止外部杂质进入渗流收集筒1。

蓄电池11负责为水下直流电机8与数据采集仪17供电，稳定输出电压为12v。蓄电池11通过电机供电线12与水下直流电机8相连，电机工作电压为12v，转轴通过密封轴承2带动螺旋桨6转动，电机输出转速为3rpm。螺旋桨6为四叶螺旋桨，半径5cm。蓄电池11通过数据采集仪供电线15为数据采集仪17供电，数据采集仪17通过传感器数据线13与盐度传感器电极7相连。溶液瓶18瓶身上印有刻度，用于盛放nacl溶液。nacl便于获取保存，在水中性质稳定不易衰减，无毒副作用对环境无害，溶液中nacl的浓度可以通过盐度传感器测量溶液总盐度tds而轻易获得，因此nacl是理想的示踪溶质。当第一阀门9阀门打开时，饱和nacl溶液可以通过硅胶管14一次注入渗流收集筒1内。

测量浅水区地下水出流量的装置的操作方法为：

步骤1：安装并连接装置。将渗流收集筒1倒扣于水底地表水-地下水交界面上，在筒内制造与开放地表水体相互隔绝的半封闭区域，确保收集筒1垂直插入水底沉积物中，筒下缘插入沉积物15cm，通过收集筒1筒身上的读数，读取半封闭区域的高度h，即筒上缘到交界面的高度差。蓄电池16与数据采集仪17无法在水下工作，需要与装满高饱和nacl溶液的溶液瓶18一起布置在水面以上，测量区域靠近岸边时可以布置在岸上，若测量区域不在岸坡附近，可以在水中布置支架安装设备。将传感器数据线13与数据采集仪17连接，将电机供电线12、数据采集仪供电线15与蓄电池11相连。此时第一阀门9处于闭合状态，第二阀门11处于打开状态。

步骤2：注入溶液。打开第一阀门9，使溶液瓶18中的饱和nacl溶液在重力作用下流入渗流收集筒1内半封闭区域中，通过溶液瓶瓶身上的刻度判断50ml饱和nacl溶液流入收集筒1后关闭第一阀门9与第二阀门11，此时筒内区域与外界地表水完全隔离。打开水下直流电机8，带动螺旋桨6以3rpm的速度旋转使溶液充分混合，待到数据采集仪上显示的盐度读数稳定后记录初始盐度c0与当前时刻t1，然后打开第二阀门11，使出流地下水在与盐溶液充分混合后自由流出。

步骤3：等待地下水出流。等待期间检查数据采集仪17的读数，若盐度小于初始盐度c0的一半，可以停止测量，记录当前时刻t2与当前盐度c(t)。

步骤4：计算测量区域地下水出流量。根据质量守恒方程可以得到任意时刻溶液浓度满足：

其中，c(t)为当前盐度，c0为初始盐度，cin为出流地下水盐度，e为自然常数，q为单位面积地下水出流量，t为时间，h为收集筒半封闭区域的高度。

则可以计算出测量区域单位面积地下水出流量q为：

其中t＝t2-t1，而cin代表的出流地下水盐度，可以通过查阅当地水文地质资料或者使用其他仪器测量得到。

步骤5：拆解并清洗设备。测量结束后，首先关闭水下直流电机8，再断开各个部分的连接，水下部分的仪器收起。所有仪器在清洗沥干之后放入收纳盒之中，以待下一次使用。