[发明专利]测量河道地表水与地下水交换水量的装置及其测量方法

说明书

本发明公开了一种测量河道地表水与地下水交换水量的装置及其测量方法，装置包括收集筒、测压计、U形管和水泵，在收集筒内制造不同的地表水与地下水交换水量，通过测压计测量河床沉积物与河道的水头差，并测量相应的流量，通过达西定律推断出当地河床沉积物的垂向渗透系数，再基于得到的垂向渗透系数与天然条件下的沉积物上下水头差，通过达西定律推断出实际地表水与地下水交换水量。与现有技术相比，本发明对地表水扰动小、测量精度高且能够连续测量；装置结构简单，故障率低且易于维修，使用寿命长，在生态水文学野外实验领域应用前景十分广阔。

技术领域

本发明涉及测量河道底部交界面水量交换装置，尤其涉及测量河道地表水与地下水交换水量的装置及其测量方法。

背景技术

河道底部地表水与地下水的交换过程为潜流交换，地表水与地下水相互作用的混合区域为潜流带。潜流带是生态交错带，具有复杂的生态功能，其中不断发生大量相互依赖的物理、化学和生物过程，使其在河道碳、氮与磷等营养物质及重金属等有毒物质的迁移转化过程中发挥重要作用，在河道自净过程中扮演着关键角色，强烈影响地表水水质。

此外，潜流交换过程中河流的河岸、地表河道与地下水成分，对河流生态系统有着非常重要的意义。然而自然条件下，实际河流河床与流态非常复杂，很难在实验室中精确模拟，因此野外观测是研究地表水与地下水交换过程不可或缺的重要手段。

目前，关于实地精确测量河道地表水与地下水交换水量的研究并不多见，主要是由于现存的依靠收集袋测量地表水与地下水交换水量的装置有一些明显的缺点，限制了其使用场所，也影响测量结果的准确性。收集袋法的缺点有：(1)需在河底测量区域布置一个体积较大的收集袋，而收集袋本身会对河道底部水流的流态产生较大影响，从而干扰地表水与地下水的交换过程，影响测量结果；(2)收集袋法测量交换水量需要耗费较长时间，且需要将收集袋从河底取到岸上进行称重才能得到测量结果，无法做到连续测量；(3)天然条件下地表水与地下水相互补给过程非常复杂，收集袋法无法快速分析二者的补排关系，限制了其使用场所；(4)为了使水自由流入流出，收集袋材料质地要求非常柔软，安装拆卸过程不便，且操作时收集袋易被戳破，导致测量失败。

天然条件下不规则的河床地形、非均质的河床底质与不同的河流流态导致河底交界面上地表水与地下水补排关系异常复杂，因此需要测量足够数量点上的地表水与地下水交换水量，以较好刻画区域上地表水与地下水的动力过程。因此，亟需开发一种能快速准确测量河道底部交界面地表水与地下水交换水量的装置。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种测量河道地表水与地下水交换水量的装置及其测量方法，该装置可进行连续测量、测量时间短且使用寿命长。

技术方案：测量河道地表水与地下水交换水量的装置，包括倒置在河床上的收集筒、下端伸入河床沉积层的测压计、倒置的U形管和水泵，测压计固定在收集筒内，U形管两端分别与收集筒和测压计上端密封连接，水泵与收集筒密封连接，当U形管顶端为空气时两端的水位高度差为沉积物上端与下端的水头差。

收集筒下端与河床表面的距离范围为10-15cm，测压计下端与河床表面的距离范围为5-10cm。

测量河道地表水与地下水交换水量的装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)安装并连接装置；

(2)判断地表水与地下水补排关系；

(3)测定流量与水头差关系直线；

(4)测量地表水与地下水交换水量；

(5)拆解并清洗设备。