1.一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置,其特征在于,包括长方体的水槽(1),水槽(1)的底壁均匀开设有若干渗水孔,水槽(1)的下方设置有地下水单元,水槽(1)的内部由底壁向上依次设置有滤砂层(4)和沉积层(3),滤砂层(4)为400目不锈钢筛网,沉积层(3)为沙砾,沉积层(3)与水槽(1)的顶部形成有过水层(2),水槽(1)沿长度方向的两端分别固定有上游水箱(5)和下游水箱(6),上游水箱(5)和下游水箱(6)分别与过水层(2)的两端连通,上游水箱(5)与过水层(2)的连通处设置有消能孔板(7),下游水箱(6)与过水层(2)的连通处设置有尾门装置(8),过水层(2)、上游水箱(5)和下游水箱(6)的内部均设置有溶质测量装置(17),上游水箱(5)的底部连通有自循环管道(9),自循环管道(9)的另一端连通至下游水箱(6)的底部,自循环管道(9)上依次设置有自循环阀门(10)、水泵(11)和电磁流量计(12),自循环阀门(10)靠近下游水箱(6),自循环阀门(10)和水泵(11)之间的自循环管道(9)上连通有供水单元;
地下水单元包括固定在水槽(1)的下方的若干地下水箱(16),地下水箱(16)的内部均设置有溶质测量装置(17),地下水箱(16)的底部共同连通有地下水管道(18),地下水管道(18)的另一端连通至上游水箱(5),地下水管道(18)上设置有蠕动泵(19);
供水单元包括供水箱(14),供水箱(14)上连通有供水管道(13),供水管道(13)的另一端连通至自循环管道(9),供水管道(13)上设置有供水阀门(15)。
2.如权利要求1所述的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置,其特征在于,所述下游水箱(6)与水槽(1)连接的侧壁还设置有沉砂槽(20),沉砂槽(20)位于过水层(2)的下方。
3.如权利要求1所述的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置,其特征在于,所述水槽(1)的底壁还设置有卸砂漏斗(21)。
4.如权利要求1所述的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置,其特征在于,所述尾门装置(8)为帆板门叶片,帆板门叶片的上方设置有帆板门导杆。
5.如权利要求1所述的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置,其特征在于,所述溶质测量装置(17)为电导率电极,电导率电极通过导线连接有电导率主机。
6.一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置的使用方法,其特征在于,采用地表水与地下水潜流交换自循环试验装置,其结构为:包括长方体的水槽(1),水槽(1)的底壁均匀开设有若干渗水孔,水槽(1)的下方设置有地下水单元,水槽(1)的内部由底壁向上依次设置有滤砂层(4)和沉积层(3),滤砂层(4)为400目不锈钢筛网,沉积层(3)为沙砾,沉积层(3)与水槽(1)的顶部形成有过水层(2),水槽(1)沿长度方向的两端分别固定有上游水箱(5)和下游水箱(6),上游水箱(5)和下游水箱(6)分别与过水层(2)的两端连通,上游水箱(5)与过水层(2)的连通处设置有消能孔板(7),下游水箱(6)与过水层(2)的连通处设置有尾门装置(8),过水层(2)、上游水箱(5)和下游水箱(6)的内部均设置有溶质测量装置(17),上游水箱(5)的底部连通有自循环管道(9),自循环管道(9)的另一端连通至下游水箱(6)的底部,自循环管道(9)上依次设置有自循环阀门(10)、水泵(11)和电磁流量计(12),自循环阀门(10)靠近下游水箱(6),自循环阀门(10)和水泵(11)之间的自循环管道(9)上连通有供水单元;
地下水单元包括固定在水槽(1)的下方的若干地下水箱(16),地下水箱(16)的内部均设置有溶质测量装置(17),地下水箱(16)的底部共同连通有地下水管道(18),地下水管道(18)的另一端连通至上游水箱(5),地下水管道(18)上设置有蠕动泵(19);
供水单元包括供水箱(14),供水箱(14)上连通有供水管道(13),供水管道(13)的另一端连通至自循环管道(9),供水管道(13)上设置有供水阀门(15),具体使用方法按照以下步骤实施:
步骤1、关闭蠕动泵(19),向沉积层(3)中加入清水,至水面恰好淹没沉积层(3)且1小时内无下降;
步骤2、向供水箱(14)加入溶质并搅拌均匀;
步骤3、关闭自循环阀门(10),打开供水阀门(15),打开水泵(11),控制尾门装置(8)开度使过水层(2)达到试验目标水位;
步骤4、关闭供水阀门(15),打开自循环阀门(10),控制水泵(11)开度至试验目标流速;
步骤5、打开蠕动泵(19),待上游水箱(5)、过水层(2)、下游水箱(6)和地下水箱(16)的溶质浓度恒定;
步骤6、计算步骤5中打开蠕动泵(19)至上游水箱(5)、过水层(2)、下游水箱(6)和地下水箱(16)的溶质浓度恒定期间内水槽(1)的瞬时潜流交换量。
7.如权利要求6所述的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置的使用方法,其特征在于,步骤5中打开蠕动泵(19)使水流沿地下水箱(16)向上游水箱(5)流动,计算步骤5中打开蠕动泵(19)至上游水箱(5)、过水层(2)、下游水箱(6)和地下水箱(16)的溶质浓度恒定期间内的t时刻的潜流交换量QH,潜流交换量QH的计算公式为:其中,V为地表水总体积,即上游水箱(6)、过水层(2)、下游水箱(6)和自循环管道(9)中的水体总体积;C为t时刻的地表水浓度,即上游水箱(6)、过水层(2)和下游水箱(6)中的溶质测量装置(17)的浓度平均值;QL为t时刻蠕动泵(19)的瞬时流量;C′为t时刻的地下水浓度,即地下水箱(16)中的溶质测量装置(17)的浓度平均值,C0为地表水的初始浓度,在步骤
3中打开水泵(11)至水流进入过水层(2)的期间内通过上游水箱(6)中的溶质测量装置(17)测得;VS为沉积物的总体积,θ为沉积物的孔隙率,V′为地下水体积,即地下水箱(16)中的水体总体积。
8.如权利要求6所述的一种地表水与地下水潜流交换自循环试验装置的使用方法,其特征在于,步骤5中打开蠕动泵(19)使水流沿上游水箱(5)向地下水箱(16)流动,计算步骤5中打开蠕动泵(19)至上游水箱(5)、过水层(2)、下游水箱(6)和地下水箱(16)的溶质浓度恒定期间内的t时刻的潜流交换量QH,潜流交换量QH的计算公式为:其中,V为地表水总体积,即上游水箱(6)、过水层(2)、下游水箱(6)和自循环管道(9)中的水体总体积;C为t时刻的地表水浓度,即上游水箱(6)、过水层(2)和下游水箱(6)中的溶质测量装置(17)的浓度平均值;QG为t时刻蠕动泵(19)的瞬时流量;C′为t时刻的地下水浓度,即地下水箱(16)中的溶质测量装置(17)的浓度平均值,C0为地表水的初始浓度,在步骤
3中打开水泵(11)至水流进入过水层(2)的期间内通过上游水箱(6)中的溶质测量装置(17)测得;VS为沉积物的总体积,θ为沉积物的孔隙率,V′为地下水体积,即地下水箱(16)中的水体总体积。