[发明专利]一种模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置及使用方法

权利要求书

1.一种模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置，其特征在于，包括水槽（1）、升降台（2）、元素分析仪（3）、显示仪器（4）、表面活性探针（5）、水箱一（6）、水箱二（7），水泵一（8）、水泵二（9）、水槽进水导管一（10）、水槽进水导管二（11）、出水导管（12）、流量计一（13）、流量计二（14）、阀门一（15）、阀门二（16）、弃水箱（19）和Y型水管(22)；水箱一（6）中的清水加入有机碳化合物，水箱二（7）中加入清水，所述水泵一（8）设置在水箱一（6）中，水泵二（9）设置在水箱二（7）中，所述水泵一（8）通过进水导管一（10）与Y型水管(22)相连，所述水泵二(9)通过进水导管二(11)与Y型水管(22)相连，所述Y型水管(22)与水槽（1）进水口相连，所述出水导管（12）与水槽（1）出水口相连，所述元素分析仪（3）安装在水槽（1）侧面的工作台上，所述表面活性探针（5）连接在元素分析仪（3）上，所述元素分析仪（3）通过数据线（21）与显示仪器（4）相连；

水槽（1）底部加工有三个直径不同的半圆拱形坡面；靠近水槽（1）进水口的底部设置升降台（2），形成水槽（1）的上游，Y型水管（22）内径小于出水导管（12）内径，进水口高度高于出水口高度；水槽底部在距离上游20cm处做成截面为半圆形、直径为6cm的坡面；距上游90cm处做成截面为半圆形，直径为8cm的坡面；距下游40cm处做成截面为半圆形，直径为6cm的坡面；

水槽（1）内底面铺设有一层厚度为3cm的石英砂层（17），石英砂层（17）下部铺设一层厚度为1cm的粘土层（18）；

水槽（1）内底面的石英砂层（17）上由河道形状控制板（20）加工形成有波浪形流道。

2.一种基于权利要求1所述模拟河岸起伏条件的侧向潜流交换实验装置的使用方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1：粘土，石英砂与水箱的布置；

首先将粘土均匀的平铺在水槽的底部，在粘土上方平铺石英砂；水箱一的清水中加入有机碳化合物，水箱二中放入清水；

步骤2：河道几何形状与流量的确定；

将河道形状控制板置于水槽中心位置并插入石英砂层，注意要随着水槽底部的起伏合理放置，不能破坏石英砂层与粘土层的整体布置，将河道形状控制板中间部位的石英砂挖出，形成人工模拟的河道，然后取出河道形状控制板；根据实验要求，调节阀门一、阀门二控制过水流量，一段时间后，待流量计一、流量计二读数稳定后读取流量；

步骤3：模拟在河岸起伏条件下潜流带对碳元素迁移的影响；

打开水泵二与阀门二，让水箱二中的清水流入河道，调整水泵二与阀门二，待水流稳定后，用注射器在河道指定特征点注入一定已知浓度的含碳溶液；

步骤4：元素含量的测量；

用表面活性探针测量同一时间不同位置的元素含量，其中按指定的间隔时间测量多次，显示仪器实时记录各次河道上的元素含量图；

步骤5：排水；

当探针测量的溶液的浓度相较于初始浓度较低时，认为此次实验结束；适当加大流量，当元素浓度经检测后接近0时，认为全部排净，关闭水泵二与阀门二，适当抬高升降台，加速水的流出；

步骤6：模拟在河岸起伏条件下潜流带对氮元素迁移的影响；

重复步骤3，将其中的含碳溶液换成含氮溶液，接下来重复步骤4、5；

步骤7：模拟在河岸起伏条件下含一定浓度的碳元素的潜流带对氮元素迁移的影响；

水箱一的清水中放入一定量的有机碳化合物，打开水泵一与阀门一，让水箱一中的水流入河道，调整水泵一与阀门一，待水流稳定后，记录潜流带中含碳溶液的浓度；用注射器注射含有一定氮元素的溶液，分别注射在指定特征点上，重复步骤4、5；之后继续向水箱一中加入有机碳化合物，增大溶液的含碳量，继续重复步骤4、5，待做满三次碳浓度依次升高的试验后，关闭水泵一与阀门一，打开水泵二与阀门二，向水槽中通入清水，当测量水槽中的碳含量接近0时，关闭水泵二与阀门二，适当抬高升降台，加速水的流出；

步骤8：数据处理；

通过河岸潜流带的元素含量变化可分析在河岸高低起伏条件下河流与两侧地下水的交互过程，可以探究潜流带对于元素迁移的影响以及不同元素浓度对另一元素迁移的影响；通过求解对流扩散方程，求得流场，通过流场，求得停留时间、影响范围和迁移路径。