本发明涉及地表水与地下水交换技术领域，具体涉及一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，可以自行设置地表水补给地下水、地表水排泄地下水或者地表水与地下水无补排关系条件，并根据需要改变补给或者排泄速率，属于地表水与地下水交换技术领域。
背景技术：
潜流交换是地表水与地下水交换的重要组成部分，其对潜流带的生态系统健康、污染物运移与修复具有重要意义。地表水流经河底沙丘，会在沙丘表面形成压力梯度，驱动地表水流入河床内部并返回地表，从而形成潜流交换。诸多重要的环境或者工程问题，例如河流及地下水水质问题、河流修复问题、气候变化的影响、河流生态系统的功能等都会受到潜流交换的影响。潜流交换研究已经成为水文学以及生态环境等学科的研究热点。
建立砂槽模型进行物理实验是研究沙丘驱动下的潜流交换过程的重要方法之一。在进行沙丘驱动下的潜流交换过程研究时，通常需要考虑不同的地表水与地下水补排关系的影响。地下水与地表水之间存在三种关系：地表水补给地下水、地表水排泄地下水以及地表水与地下水无补排关系。已有潜流交换砂槽模型通常未考虑地表水与地下水之间的补给/排泄，或者只考虑单一的地表水补给地下水或者地表水排泄地下水的条件。
因此，建立一个可以改变地表水与地下水补排关系并定量控制补给或者排泄速率的潜流交换实验装置意义重大。
技术实现要素：
本发明实施例的目的在于提供一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换实验装置，用以解决现有潜流交换实验装置通常未考虑地表水与地下水之间的补给/排泄、或者只考虑单一的地表水补给/排泄地下水条件的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种：
可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，包括砂槽主体，地表水循环驱动装置，地下水抽取/回灌装置以及保持装置内水量均衡的外界水量抽取/回灌装置；所述砂槽主体包括位于中部的主砂箱、位于左右两侧的水箱以及位于下部的水箱；所述地表水循环驱动装置由水管连接部分和离心泵组成；所述地下水抽取/回灌装置由位于装置下部的水管连接部分、双向蠕动泵以及储水箱组成；所述外界水量抽取/回灌装置由位于装置上部的水管连接部分、单向蠕动泵和供水阀门组成。
优选的，所述主砂箱、左右两侧水箱、下部水箱以及储水箱均由可视化的有机玻璃板制作而成，且均为长方体形状；
进一步的，所述主砂箱内装有一定深度的实验用石英砂，用于模拟天然河床；所述左、右两侧的水箱分别模拟河流上、下游地表水；所述下部水箱用于模拟地下水；所述储水箱用于储存抽取/回灌用水。
进一步的，所述主砂箱与左右两侧水箱之间的有机玻璃隔板的上部设有均匀分布的渗漏孔，使得地表水可以从左侧水箱流经主砂箱进入右侧水箱；所述主砂箱与下部水箱之间的有机玻璃隔板设有均匀分布的渗漏孔，使得主砂箱中的地表水与下部水箱中的地下水可发生补给或者排泄。
进一步的，所述主砂箱与左右两侧水箱之间的有机玻璃隔板、主砂箱与下部水箱之间的有机玻璃隔板均铺设一层纱布，防止石英砂经由渗漏孔发生渗漏。
进一步的，所述左右两侧水箱下部均设有一个管道接口，用以外接地表水循环驱动装置的水管连接部分；所述下部水箱下部设有三个管道接口，用以外接地下水抽取/回灌装置的水管连接部分。
优选的，所述地表水循环驱动装置中的水管连接部分左右两端分别与左右两侧水箱的水管接口连接，通过运行离心泵驱动砂槽主体内水流自左向右流动，模拟天然地表水流动。
优选的，所述地下水抽取/回灌装置中的水管连接部分一端与下部水箱的三个水管接口连接，一端与储水箱连接，运行双向蠕动泵，正转时抽取下部水箱中的水流至储水箱，逆转时抽取储水箱中的水流至下部水箱。
进一步的，所述双向蠕动泵正转抽取下部水箱中的水流至储水箱时，即实现地表水补给地下水条件；所述双向蠕动泵逆转抽取储水箱中的水流至下部水箱时，即实现地表水排泄地下水条件；所述双向蠕动泵不运行时，即实现地表水与地下水无补排关系条件。
进一步的，模拟地表水补给地下水条件时，即所述双向蠕动泵正转抽取下部水箱中的水流至储水箱时，保持储水箱初始空置状态便于储水；模拟地表水排泄地下水条件时，即所述双向蠕动泵逆转抽取储水箱中的水流至下部水箱时，保持储水箱初始充水状态便于抽水；模拟地表水与地下水无补排关系条件时，储水箱空置。
进一步的，所述水管连接部分与下部水箱通过三个水管接头连接，可以使得下部水箱中的水流在水平向均匀流入或者流出主砂箱，保证地表水与地下水补给或者排泄速率沿程均匀分布。
进一步的，所述双向蠕动泵通过设置不同功率，实现定量改变地表水与地下水补给/排泄速率。
优选的，所述外界水量抽取/回灌装置用于保证砂槽主体内部水量平衡，当地表水补给地下水，即双向蠕动泵正转抽取下部水箱中的水流至储水箱时，打开供水阀门补充等量水；地表水排泄地下水时，即双向蠕动泵逆转抽取储水箱中的水流至下部水箱时，关闭供水阀门开启单向蠕动泵抽取主砂箱中等量水保证水量均衡。
优选的，所述砂槽主体入水口位于砂箱左上端，开启入水阀门进水，实验开始后关闭入水阀门并开启离心泵驱动水流循环。
优选的，所述砂槽主体出水口位于下部水箱左下方，由出水阀门控制。
本发明实施例具有如下优点：
可以模拟地表水与地下水之间全部的三种补排关系，即：地表水补给地下水、地表水排泄地下水以及地表水与地下水无补排关系；不同的补排条件通过双向蠕动泵进行切换，操作简单、方便易行；可以通过调节蠕动泵的功率定量控制地表水与地下水之间的补给或者排泄速率，满足多种不同的实验场景需求，经济实惠，对沙丘驱动下的潜流交换研究具有重要意义，也对潜流交换物理模型设置提供了良好的思路。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置的主视图图。
图2是图1所示实施例的左视图。
图3是图1所示实施例的俯视图。
图中附图标记的含义：1.主砂箱；2.左右两侧水箱；3.下部水箱；4.储水箱；5.水管连接部分；6.离心泵；7.双向蠕动泵；8.单向蠕动泵；9.供水阀门；10.渗漏孔；11.入水阀门；12.出水阀门。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例
参见图1，一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，包括砂槽主体，地表水循环驱动装置，地下水抽取/回灌装置以及保持装置内水量均衡的外界水量抽取/回灌装置；所述砂槽主体包括位于中部的主砂箱1、位于左右两侧的水箱2以及位于下部的水箱3；所述地表水循环驱动装置由水管连接部分5和离心泵6组成；所述地下水抽取/回灌装置由位于装置下部的水管连接部分5、双向蠕动泵7以及储水箱4组成；所述外界水量抽取/回灌装置由位于装置上部的水管连接部分5、单向蠕动泵8和供水阀门9组成。主砂箱1、左右两侧水箱2、下部水箱3以及储水箱4均由可视化的有机玻璃板制作而成，且均为长方体形状；
参见图2和图3，主砂箱1与左右两侧水箱2之间的有机玻璃隔板上部设有均匀分布的渗漏孔10，使得地表水可以从左侧水箱2流经主砂箱1进入右侧水箱2；所述主砂箱1与下部水箱3之间的有机玻璃隔板设有均匀分布的渗漏孔10，使得主砂箱1中的地表水与下部水箱3中的地下水可发生补给或者排泄。带有渗漏孔10的有机玻璃隔板上均铺设一层纱布，防止石英砂经由渗漏孔10发生渗漏。
本发明不仅可以模拟地表水与地下水之间全部的三种补排关系，还可以通过定量控制地表水与地下水之间的补给或者排泄速率，满足多种不同的实验场景需求，操作简单、经济实惠，接下来对该一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换实验装置中涉及人工操作的地方进行简要介绍：
(1)根据实验需要，在主砂箱1中装有一定深度的实验用石英砂，用于模拟天然河床；
(2)堵住出水阀门12，开启入水阀门11进水，待下部水箱3充满水，主砂箱1、左右两侧水箱2水量达到实验需要后关闭入水阀门11；
(3)根据实验需要，确定不同的地表水与地下水补排关系；
(4)模拟地表水补给地下水条件时，根据实验需要确定补给速率，计算双向蠕动泵7开启功率，保持储水箱4初始空置状态便于后续储水。开启离心泵6驱动砂槽主体内水流自左向右流动，同时以适量功率开启双向蠕动泵7正转抽取下部水箱3中的水流至储水箱4。为了保证装置内水量平衡，打开供水阀门9补充等量水。
(5)模拟地表水排泄地下水条件时，根据实验需要确定排泄速率，计算双向蠕动泵7开启功率，保持储水箱4初始充满状态便于后续抽水。开启离心泵6驱动砂槽主体内水流自左向右流动，同时以适量功率开启双向蠕动泵7逆转抽取储水箱4中的水流至下部水箱3。为了保证装置内水量平衡，关闭供水阀门9开启单向蠕动泵8抽取主砂箱1中等量水。
(6)模拟地表水与地下水无补排关系时，开启离心泵6驱动砂槽主体内水流自左向右流动，同时关闭双向蠕动泵7及单向蠕动泵8。
(7)实验完成后，关闭所有水泵，开启出水阀门12排水。
综上，本发明不仅可以模拟地表水与地下水之间全部的三种补排关系，还可以通过定量控制地表水与地下水之间的补给或者排泄速率，满足多种不同的实验场景需求，操作简单、经济实惠，对沙丘驱动下的潜流交换研究具有重要意义，也对潜流交换物理模型设置提供了良好的思路。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
1.一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，包括砂槽主体，地表水循环驱动装置，地下水抽取/回灌装置以及保持装置内水量均衡的外界水量抽取/回灌装置；所述砂槽主体包括位于中部的主砂箱(1)、位于左右两侧的水箱(2)以及位于下部的水箱(3)；所述地表水循环驱动装置由水管连接部分(5)和离心泵(6)组成；所述地下水抽取/回灌装置由位于装置下部的水管连接部分(5)、双向蠕动泵(7)以及储水箱(4)组成；所述外界水量抽取/回灌装置由位于装置上部的水管连接部分(5)、单向蠕动泵(8)和供水阀门(9)组成。
2.根据权利要求1所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述主砂箱(1)、左右两侧水箱(2)、下部水箱(3)以及储水箱(4)均由可视化的有机玻璃板制作而成，且均为长方体形状。
3.根据权利要求2所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述主砂箱(1)内装有一定深度的实验用石英砂，用于模拟天然河床；所述左、右两侧水箱(2)分别模拟河流上、下游地表水；所述下部水箱(3)用于模拟地下水；所述储水箱(4)用于储存抽取/回灌用水。
4.根据权利要求3所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述主砂箱(1)与左右两侧水箱(2)之间的有机玻璃隔板的上部设有均匀分布的渗漏孔(10)，使得地表水可以从左侧水箱(2)流经主砂箱(1)进入右侧水箱(2)；所述主砂箱(1)与下部水箱(3)之间的有机玻璃隔板设有均匀分布的渗漏孔(10)，使得主砂箱(1)中的地表水与下部水箱(3)中的地下水可发生补给或者排泄。
5.根据权利要求4所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述主砂箱(1)与左右两侧水箱(2)之间的有机玻璃隔板、主砂箱(1)与下部水箱(3)之间的有机玻璃隔板均铺设一层纱布，防止石英砂经由渗漏孔(10)发生渗漏。
6.根据权利要求5所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述左右两侧水箱(2)下部均设有一个管道接口，用以外接地表水循环驱动装置的水管连接部分；所述下部水箱(3)下部设有三个管道接口，用以外接地下水抽取/回灌装置的水管连接部分。
7.根据权利要求1所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述地表水循环驱动装置中的水管连接部分(5)左右两端分别与左右两侧水箱(2)的水管接口连接，通过运行离心泵(6)驱动砂槽主体内水流自左向右流动，模拟天然地表水流动。
8.根据权利要求1所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述地下水抽取/回灌装置中的水管连接部分(5)一端与下部水箱(3)的三个水管接口连接，一端与储水箱(4)连接，运行双向蠕动泵(7)，正转时抽取下部水箱(3)中的水流至储水箱(4)，逆转时抽取储水箱(4)中的水流至下部水箱(3)。
9.根据权利要求8所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述双向蠕动泵(7)正转抽取下部水箱(3)中的水流至储水箱(4)时，即实现地表水补给地下水条件；所述双向蠕动泵(7)逆转抽取储水箱(4)中的水流至下部水箱(3)时，即实现地表水排泄地下水条件；所述双向蠕动泵(7)不运行时，即实现地表水与地下水无补排关系条件。
10.根据权利要求9所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，模拟地表水补给地下水条件时，即所述双向蠕动泵(7)正转抽取下部水箱(3)中的水流至储水箱(4)时，保持储水箱(4)初始空置状态便于储水；模拟地表水排泄地下水条件时，即所述双向蠕动泵(7)逆转抽取储水箱(4)中的水流至下部水箱(3)时，保持储水箱(4)初始充水状态便于抽水；模拟地表水与地下水无补排关系条件时，储水箱(4)空置。
11.根据权利要求8所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述水管连接部分(5)与下部水箱(3)通过三个水管接头连接，可以使得下部水箱(3)中的水流在水平向均匀流入或者流出主砂箱(1)，保证地表水与地下水补给或者排泄速率沿程均匀分布。
12.根据权利要求8所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述双向蠕动泵(7)通过设置不同功率，实现定量改变地表水与地下水补给/排泄速率。
13.根据权利要求1所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述外界水量抽取/回灌装置用于保证砂槽主体内部水量平衡，当地表水补给地下水，即双向蠕动泵(7)正转抽取下部水箱(3)中的水流至储水箱(4)时，打开供水阀门(9)补充等量水；地表水排泄地下水时，即双向蠕动泵(7)逆转抽取储水箱(4)中的水流至下部水箱(3)时，关闭供水阀门(9)开启单向蠕动泵(8)抽取主砂箱(1)中等量水保证水量均衡。
14.根据权利要求1所述的一种可改变地表水与地下水补排关系的潜流交换研究实验装置，其特征在于，所述砂槽主体入水口位于砂箱(2)左侧上端，开启入水阀门(11)进水，实验开始后关闭入水阀门(11)并开启离心泵(6)驱动水流循环；所述砂槽主体出水口位于下部水箱(3)左下方，由出水阀门(12)控制。
技术总结