技术领域
[0001] 本
发明涉及一种海岸水库室内脱盐阻咸的实验模拟系统及其模拟方法，属于海岸水库实验模拟系统。
背景技术
[0002] 随着我国国民经济持续快速发展，水资源短缺问题越来越严重，尤其是沿海平原经济发达地区，过境水(客水)多，
淡水资源
时空分布不均匀。该地区水资源开发利用主要靠河网调蓄，可调蓄时间短、调蓄水量有限。建设海岸水库是目前在该类地区水资源人工调控的有效方法。探索以海岸水库为重点的沿海地区蓄淡工程，改变目前沿海地区以平原河网调蓄为主的水资源时空配置方式，是解决沿海经济高度发达地区水资源短缺的有效途径。
[0003] 目前国内已经修建了一部分的海岸水库，这些海岸水库的修建缓解了沿海地区缺乏淡水资源的矛盾，起到了良好的自然效益和社会经济效益，但同时存在着一系列问题。主要问题是水库
水体盐度如何控制、降低。在复杂动
力作用下，盐分输运不同运行时期，表现出不同的效应。主要包括两个方面：主要包括两个方面：(1)海岸水库运行初期——脱盐/
淡化；(2)运行过程中，
海水入侵问题。
[0004] 研究海岸水库系统此类问题的关键在于如何更好地考虑其受到的诸多动力因素如：降雨、
蒸发、河流入库流量、陆源
地下水、水库水位和潮汐的影响。从而获得其在复杂动力力作用下海岸水库系统水动力过程，以及盐分输运过程及其效应，进而有效截留过境水和改变沿海平原地区淡水资源时空分布不均的问题。
[0005] 现阶段，对于海岸水库的研究，在数学模型尚不能很好地揭示现象的情况下，借助于室内模型获得直观的结果是海岸水库研究的必然选择。然而，多数实验模型进行了较多简化，主要集中在海岸水库的脱盐/淡化和海水入侵研究的影响因子上和盐分输运机理的定性或部分定量的考虑上，而缺少综合考虑复杂动力作用下，对于海岸水库-地下水-近海之间的地表-地下水动力机制以及盐分的迁移过程及规律的研究。
发明内容
[0006] 发明目的：为了克服
现有技术中存在的不足，本发明提供一种海岸水库室内脱盐阻咸的实验模拟系统及其模拟方法，能够在综合考虑复杂动力作用下对海岸水库脱盐/淡化和海水入侵进行实验探究，为海岸水库的建设、运行及管理提供科学指导。
[0007] 技术方案：为实现上述目的，本发明的一种海岸水库室内脱盐阻咸的实验模拟系统，包括淡水箱、平板水槽、盐水箱、降雨系统、蒸发系统、潮波生成器、潜水
泵、模拟海岸水库和测压孔，所述平板水槽沿长度方向依次设置为淡水区、泥沙区和盐水区，淡水区与淡水箱连通，淡水区设有进水
阀门，盐水箱与盐水区之间设有潮波生成器，盐水箱通过潜水泵与盐水区连接用于调整盐水区的盐度，盐水区设有出水阀门；所述降雨系统和蒸发系统位于泥沙区上方，在平板水槽背面不同深度设有若干排用以实时监测水槽不同
位置的压力变化的测压孔，测压孔与测压管连通。
[0008] 作为优选，所述降雨系统包括降雨装置和
控制器，降雨装置包括若干个降雨喷头，降雨喷头通过管道与水泵连接，水泵通过控制器控制水泵的转速调整水泵的水量。
[0009] 作为优选，所述蒸发系统包含若干个可调
亮度的加热灯、
温度传感
探头、含水率探头和湿度监测装置，在平板水槽不同深度插入若干排温度传感探头和含水率探头，在平板水槽的外部架设有湿度监测装置，所述温度传感探头、含水率探头和湿度监测装置均与控制器连接。
[0010] 作为优选，所述测压管内放置有利用色差快速识别水位的红色浮球，在平板水槽的正前方设有用于拍摄红色浮球的拍照系统，便于快速识别水位。
[0011] 作为优选，泥沙区与盐水区之间设有充气式可移动挡水板。
[0012] 作为优选，所述平板水槽不同深度的泥沙区内设有若干排盐度探头孔，在盐度探头孔内插入实时监测盐度的盐度实时监测探头，盐度实时监测探头与控制器连接。
[0013] 作为优选，所述平板水槽不同深度的泥沙区内设有若干排孔隙水取样孔，用于在实验过程中间断
抽取孔隙水，监测孔隙水物质浓度(污染物等)变化。
[0014] 一种上述的海岸水库室内脱盐阻咸的实验模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：
[0015] 1)配置NaCl和FD&Cred40混合溶液，取出一部分混合溶液清洗
石英砂，剩下的混合溶液作为海水装入盐水箱，按所设定砂型在平板水槽泥沙区中加入去离子水和已清洗的石英砂，在加砂前加去离子水，然后加砂，加砂的过程缓慢均匀，注意不要使砂露出液面，且装砂时注意排气保证砂质饱和，检查气泡和砂质均质性；
[0016] 2)打开进水阀门，检查淡水管道中是否存在气泡，若有则须缓慢赶出；
[0017] 3)在实验所设
定位置插入挡水板，充气使其固定，即完成了模拟海岸水库的设定；
[0018] 4)调整模拟海岸水库的水位，若高于所设定海岸水库蓄水位高度，则打开盐水区出水阀门放水至所设定高度；若低于设定，则打开进水阀门，补水至所设定高度；
[0019] 5)打开潮波生成器，不打开其与盐水区间的连通阀门，调整潮波振幅、平均海水位、周期；
[0020] 6)打开潮波生成器与盐水区间的连通阀门，将盐水以潮汐的形态注入盐水区中，同时打开盐水箱中的潜水泵向盐水区中泵入高盐度盐水；并在实验过程中每隔一段时间向盐水箱中补加高浓度盐水，使盐水区中盐度近似保持恒定；同时打开淡水箱和淡水区之间的进水阀门，使淡水进入淡水区；
[0021] 7)按照所设定条件，通过控制器控制淡水流量、降雨强度；
[0022] 8)同时，打开拍照系统定时拍照，间隔15s一次，对测压管进行实时拍摄，获取压力信息；利用盐度实时监测探头实时获取测试点的盐度；利用蒸发系统实时监测环境蒸发值；并定时从取样孔中取样；
[0023] 9)淡水区的淡水向泥沙区入侵，盐水楔不断后退，待盐水楔不再后退变得恒定时停止实验。
[0024] 有益效果：本发明的海岸水库室内脱盐阻咸的实验模拟系统，综合考虑了降雨、蒸发、河流入库流量、陆源地下水、水库水位和潮汐作用等多方面动力影响，并通过安装控制
开关、计量装置等方式达到灵活控制及改变这些因素的效果，通过设置拍照、照明系统对实验过程进行实时监测，通过所述充气式可移动不透水挡水板设置模拟海岸水库的条件，从而可以研究在不同条件控制下海岸水库脱盐及海水入侵的机理，为海岸水库的建设、运行及管理提供科学指导。
附图说明
[0025] 图1为本发明设有降雨系统的装置主视示意图；
[0026] 图2为本发明设有蒸发系统的主视示意图；
[0027] 图3为图2的背视结构示意图；
[0028] 图4为本发明的空间布置示意图。
[0029] 图中1—淡水箱；2—平板水槽；2-1—淡水区；2-2—泥沙区；2-3—盐水区；3—充气式可移动挡水板；4—降雨系统；5—蒸发系统；6—潮波生成器；7—潜水泵；8—盐水箱；9—海岸水库；10—测压管系统；11—盐度实时监测探头；12—孔隙水取样孔；13—温度传感探头；14—含水率探头；15—外界湿度监测装置；16—拍照系统；17—黑色帷幕；18—照明系统。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0031] 如图1至图4所示，本发明的一种海岸水库室内脱盐阻咸的实验模拟系统，包括平板水槽2、降雨系统4、蒸发系统、测压管系统10、盐度实时传感系统、潮波生成器6、淡水箱1和盐水箱8、照明系统18、拍照系统16。
[0032] 所述平板水槽2装置在垂直海岸线平面利用
正面为有机玻璃壁面，用以使整个实验过程获得良好的可视效果，背面为不锈
钢材质钢板，这样既可保证防锈，又可增强装置的整体
稳定性，更重要的是可以在钢板上布置测压管10、盐度实时监测探头11、取样孔12等用以监测实验数据。在平板水槽2背面等间距设置有5排取样孔12，每排从上到下等间距设置有10个，用以定时抽测孔隙水盐度。此外，等距设置有2排测压孔，每排从上到下等距排列设置有4个测压孔，测压孔连接测压管构成所述测压管系统10，用以实时监测水槽不同位置的压力变化。等距设置有3排2行的盐度探头孔，实验前插入盐度实时监测探头11，盐度实时监测探头11与控制器连接，控制器与电脑连接，由此即构成所述的盐度传感装置，这样即可将此点盐度值实时记录和显示到电脑中，平板水槽2为了更好地突出这些监测效果，并考虑到了三维研究，水槽宽度设为10cm。
[0033] 所述测压管压水位上放置红色浮球，为了更好的拍照，测压管的
水头上放上红色浮球，通过色差快速识别水位。以往白色水管，与水位识别很差，很难快速读出水位变化，通过此方式，能够较快识别水位。
[0034] 所述平板水槽2沿长度方向依次设置为淡水区2-1、泥沙区2-2和盐水区2-3，之间用滤网和透水插板间隔，为了模拟海岸水库9及防渗墙，在盐水区2-3和泥沙区2-2之间实验的设定位置设置充气式可移动挡水板3，既可充气将充气式可移动挡水板3固定在水槽壁上，保证阻水形成有效水库环境，又可通过放气减小充气式可移动挡水板3两侧与槽壁摩擦，从而将充气式可移动挡水板3取出以循环反复利用，重新设置新的水库环境。
[0035] 在本发明中，所述平板水槽2的高度为80cm，淡水区2-1的长度为5cm，泥沙区2-2的长度为340cm，泥沙区2-2的泥沙高度为65cm，盐水区2-3的长度为5cm。
[0036] 所述降雨系统4设置在泥沙区2-2顶部，跨度为340cm，宽度为水槽宽度10cm，包括降雨装置和控制器，降雨装置由若干个降雨喷头和第二管道构成，降雨喷头间隔5cm，在第二管道上设有第二流量阀，第二管道与水泵连接，水泵与控制器连接，分别控制雨强和雨滴大小，用以模拟不同强度的降雨条件，从而模拟不同的
气候条件，模拟不同的地下水和水库水位状态。
[0037] 为更好地分析蒸发和降雨对海岸水库9及海岸带的影响作用，所述蒸发系统5可以在另一套模拟系统的泥沙区2-2顶部分别设置，与所述降雨系统4设置的位置相同，也可以在原有的平板水槽2顶部上布置，跨度为340cm，宽度为水槽宽度10cm，包括加热灯、温度传感探头13、含水率探头14、外界湿度监测装置15，其中若干加热灯，间隔为10cm，通过使用可调节强度的加热灯，对平板水槽2内部进行均匀加热，即可产生不同的温度条件；在水槽内不同深度位置2cm、20cm、40cm、60cm、78cm插入5列间隔为50cm的温度传感探头13，在水槽不同深度2cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm处插入6列间距为150cm、100cm、50cm、20cm、10cm的含水率探头14，用以监测不同位置的含水率；在平板水槽2外部架设外界湿度监测装置实时记录环境湿度；温度传感探头13、含水率探头14和外界湿度监测装置均与控制器连接，由于控制器可以实时获得温度、含水率变化趋势，通过转换即可获得蒸发的对应关系，从而控制和改变光强即可改变泥沙区2-2表面的蒸发能力，这样在平板水槽2中就模拟出了不同条件下的蒸发作用。
[0038] 所述淡水箱1、盐水箱8分别用以作为淡水和盐水的输入和控制区，均设为60L，淡水箱1通过溢流装置将水位控制在固定高度，并在淡水管道间连接有流量阀、流量控制计用以控制淡水流量条件，盐水箱8装有按一定配合比配合好的盐水，通过连通管道将盐水泵入盐水区2-3，此外，由于淡水的不断输入，盐水箱8中盐水盐度会被稀释，因此每隔1小时重新监测和调整盐水浓度，使其在实验过程中保持基本恒定；在盐水箱8中放入潜水泵7，潜水泵7另一端连接第一管道，将其插入盐水区2-3，在实验中将高浓度盐水泵入盐水区
2-3，其目的在于解决盐水区2-3中模拟海水因
密度流作用导致盐度过度分层，不符合实际的问题；
[0039] 所述潮波生成器6系统使用连通装置连接盐水箱8和盐水区2-3，利用动态连通器原理使盐水区2-3和潮波生成器6中水位保持动态一致，从而得到近似潮波位置Y-时间t
正弦波信号，以模拟出近似真实的潮波；
[0040] 为了便于采集实验结果，所述平板水槽2在光线封闭的空间中，还包括照明系统18、拍照系统16和白色背景帷幕；所述照明系统18设置在所述光线封闭的空间中用于提供
光源；所述拍照系统16设置在所述平板水槽的正前方，用于拍摄实验过程和结果；所述白色背景帷幕设置在所述平板水槽的正后方作为拍摄环境背景色；
[0041] 所述拍照系统16为两个同品牌同款式的相机，分别设置在距离所述平板水槽相同距离、相同
角度处，两个相机的取景中有三分之一处重叠；在相机放置处，设置黑色帷幕17，仅仅使相机镜头从黑色帷幕17中探出。
[0042] 经过
吸附测试，装置采用FD&Cred40和NaCl溶液模拟海水入侵，可以保证实验过程中示踪剂总量不发生衰减；采用高清数字
照相机每15s采集一次实验照片，确保全程记录盐水入侵的变化过程。本发明装置能够直观看到潮汐作用下盐水入侵的全过程，达到深入探索海水入侵机理的目的。
[0043] 一种如上述的海岸水库室内脱盐阻咸的实验模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：
[0044] a、实验前准备
[0045] 1)配置PPT＝33.4的使用NaCl和FD&Cred40(1.6g/L)混合溶液50L，取出一部分混合溶液清洗石英砂，剩下的混合溶液作为海水装入盐水箱8，按所设定砂型在平板水槽2泥沙区2-2中加入去离子水和已清洗的石英砂，在加砂前加10cm左右去离子水，然后加砂，加砂的过程缓慢均匀，注意不要使砂露出液面，且装砂时注意排气保证砂质饱和，每加10cm拍打水槽，检查气泡和砂质均质性；
[0046] 2)打开进水阀门，检查淡水管道中是否存在气泡，若有则须缓慢赶出；
[0047] 3)在实验所设定位置插入挡水板，充气使其固定，即完成了模拟海岸水库9的设定；
[0048] 4)调整模拟海岸水库9的水位，若高于所设定海岸水库9蓄水位高度，则打开盐水区2-3出水阀门放水至所设定高度；若低于设定，则打开进水阀门，补水至所设定高度；
[0049] 5)打开潮波生成器6，调整潮波振幅、平均海水位、周期等；
[0050] 实验步骤
[0051] a)打开潮波生成器6及淡水箱1和淡水区2-1之间的进水阀门，将盐水以潮汐的形态注入盐水区2-3中，在实验过程中一段时间补加高浓度盐水，使盐度近似保持恒定；
[0052] b)按照所设定条件，通过控制器控制淡水流量、降雨强度；
[0053] c)同时，打开相机定时拍照，间隔15s一次；利用两台同样设定的
数码相机对测压管进行实时拍摄，获取压力信息；利用盐度实时监测探头11实时获取测试点的盐度；利用蒸发系统实时监测环境蒸发值；并定时从取样孔12中取样；
[0054] d)淡水区2-1的淡水向泥沙区2-2入侵，盐水楔不断后退，待盐水楔不再后退变得恒定时停止实验。
[0055] 在本发明中，还可以利用本装置模拟海水入侵的实验研究，当盐水区2-3的盐水向泥沙入侵，形成盐水楔，当盐水楔在变化时实验停止。
[0056] 在本发明中，1)淡水输入流量，通过设置的淡水流量装置，可实现对淡水流量的控制，并且可分别设置地下、地表水输入条件。
[0057] 2)盐水盐度，通过监测及控制盐水箱8中盐水盐度，可以在整个实验过程中保证盐水区2-3盐水浓度基本不发生变化。
[0058] 3)沙波基质坡度、沙波底坡高度及长度，在实验准备阶段可按实验设定条件进行加砂，从而完成以上几个条件的设置。
[0059] 4)模拟防渗墙插入深度、模拟海岸水库9堤坝高度，本实验装置利用充气式可移动挡水板3，既可充气将挡水板固定在水槽壁上，保证阻水形成有效水库环境，又可通过放气减小挡水板两侧与槽壁摩擦，从而将挡水板取出以循环反复利用，重新设置新的水库环境；这样就可灵活设置防渗墙插入深度及堤坝高度。
[0060] 5)潮波信号周期、潮波信号振幅及平均海水位(即平衡位置)。这三个因素通过潮波生成器6设置，潮波生成器6系统使用连通装置连接盐水箱8和盐水区2-3，利用动态连通器原理使盐水区2-3和潮波生成器6中水位保持动态一致，从而得到近似潮波位置Y-时间t正弦波信号，以模拟出近似真实的潮波，潮波生成器6包括
变压器、转动杆、半活动式
转轮等结构，可对上述三个条件进行设置。
[0061] 6)降雨强度，降雨装置由若干个降雨喷头和管道构成，降雨喷头间隔5cm，管道连接控制系统，分别控制雨强和雨滴大小，用以模拟不同强度的降雨条件。
[0062] 7)蒸发强度，蒸发系统5由加热灯、
温度探头13及其传感系统、含水率探头14及其传感系统、外界湿度监测装置15组成，通过对加热灯强度的控制及改变，模拟不同温度下的蒸发状态。并通过温度探头13及其传感系统对温度进行监测，通过含水率探头14及其传感系统对泥沙区2-2的
饱和度进行监测，通过外界湿度监测装置15对环境湿度进行监测，并通过温度、含水率、湿度的变化趋势进行转换，即可获得蒸发的对应关系，从而控制和改变光强即可改变泥沙区2-2表面的蒸发能力，这样在水槽中就模拟出了不同条件下的蒸发作用。
[0063] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
