本实用新型涉及模拟实验技术领域，具体涉及一种地表水回补地下水动态模拟装置。
背景技术：
地下水是我国重要的水资源，全国657个城市中，有400多个以地下水为饮用水源。以京津冀地区为例，饮用水中的地下水占比高达70％以上。但是，由于部分地区地下水长期处于超采状态，产生了地下水水质劣化和地面沉降等一系列环境问题。
地下水回补是系统解决供水安全、恢复水源地开采能力、改善地下水环境的有效措施。当前，随着南水北调工程通水、雨洪水利用率和再生水资源化提高，为地下水资源涵养改善提供了契机。
由于缺乏相应的地表水回补地下水模拟装置及研究方法，现有研究多是直接基于野外场地河流等放水回补地下水进行监测评估。因此，对于不同回补条件下地下水的可回补量缺乏科学的分析与预测，无法准确识别具有回补潜力的地区，这也成为限制我国大规模利用地表水开展地下水超采区回补治理的主要原因。因此，仅依据已有研究所采用模拟装置及评价方法，无法直观地对河流不同径流条件下入渗水分对地下水回补水量影响进行监测，造成对地表水回补地下水的效果评估难度大的问题。
技术实现要素：
因此，本实用新型所要解决的技术问题在于由于缺乏相应的地表水回补地下水模拟装置及研究方法，导致无法对河流不同径流条件下入渗水分对地下水水量的影响实现动态和立体监测的缺陷。
为此，本实用新型提供一种地表水回补地下水动态模拟装置，包括：
地表水输入单元；
地下水输入单元；
排出单元；
河流模拟单元，所述河流模拟单元分别与所述地表水输入单元和所述排出单元连接；
包气带模拟单元，所述包气带模拟单元与所述河流模拟单元连通；
含水层模拟单元，所述含水层模拟单元与所述包气带模拟单元连通，且所述含水层模拟单元设置在所述包气带模拟单元的相对所述河流模拟单元的另一侧，所述含水层模拟单元与所述地下水输入单元连接；
流通监测单元，包括若干水位监测件，所述水位监测件与所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元连接，用以监测所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元的液位。
可选地，上述的地表水回补地下水的动态模拟装置，所述流通监测单元还包括：
土壤水分传感器，所述土壤水分传感器设置在所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元内，用以监测所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元的水分含量。
可选地，上述的地表水回补地下水的动态模拟装置，所述含水层模拟单元具有与所述地下水输入单元连接的第一输入口，以及与所述排出单元连接的第一输出口；
所述流通监测单元还包括：
第一流量监测件，所述第一流量监测件与所述第一输入口连接，用以监测地下水输入的流量；
第二流量监测件，所述第二流量监测件与所述第一输出口连接，用以监测地下水输出的流量。
可选地，上述的地表水回补地下水的动态模拟装置，
所述河流模拟单元具有与所述地表水输入单元连接的第二输入口，以及与所述排出单元连接的第二输出口；
所述流通监测单元还包括：
第三流量监测件，所述第三流量监测件与所述第二输入口连接，用以监测地表水输入的流量；
第四流量监测件，所述第四流量监测件与所述第二输出口连接，用以监测地表水输出的流量。
可选地，上述的地表水回补地下水的动态模拟装置，
所述水位监测件沿所述河流模拟单元、所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连接方向分布设置；和/或
所述水位监测件沿垂直于所述河流模拟单元、所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连接方向分布设置。
可选地，上述的地表水回补地下水的动态模拟装置，还包括水质监测单元：
所述水质监测单元具有若干第一回补监测探头，任一所述第一回补监测探头与所述包气带模拟单元连接，用以监测所述包气带模拟单元内的水质；
所述水质监测单元还具有若干第二回补监测探头，任一所述第二回补监测探头与所述含水层模拟单元连接，用以监测所述含水层模拟单元内的水质。
可选地，上述的地表水回补地下水的动态模拟装置，所述水质监测单元具有若干第一水质监测探头；任一所述第一水质监测探头与所述地下水输入单元连通，用以监测所述地下水输入单元的水质；和/或
所述水质监测单元具有若干第二水质监测探头；任一所述第二水质监测探头与所述地表水输入单元连通，用以监测所述地表水输入单元的水质。
可选地，上述的地表水回补地下水的动态模拟装置，
所述地下水输入单元包括：
第一储水箱，所述第一储水箱与所述含水层模拟单元连通；
曝气结构，所述曝气结构与所述第一储水箱连通，以去除所述第一储水箱内氧气。
可选地，上述的地表水回补地下水的动态模拟装置，所述排出单元包括废水箱和第一输出管，所述第一输出管的两端分别与所述废水箱和所述河流模拟单元连接；
所述第一输出管包括第一分流管和第二分流管；所述第一分流管的设置高度高于所述第二分流管的设置高度；
任一所述分流管上还设有开关，以切换所述河流模拟单元与所述废水箱的连通通路。
可选地，上述的地表水回补地下水的动态模拟装置，所述包气带模拟单元包括至少一个包气带模拟箱体；所述包气带模拟箱体具有若干渗水孔，所述渗水孔设置在所述河流模拟单元、包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连通方向上，用以连通相邻的箱体。
本实用新型提供的技术方案，具有如下优点：
1.本实用新型提供的地表水回补地下水动态模拟装置，包括：地表水输入单元、地下水输入单元、排出单元、河流模拟单元、包气带模拟单元、含水层模拟单元以及流通监测单元。其中，所述河流模拟单元分别与所述地表水输入单元和所述排出单元连通；包气带模拟单元与所述河流模拟单元及含水层模拟单元连通；含水层模拟单元与所述包气带模拟单元连通，且所述含水层模拟单元设置在所述包气带模拟单元的相对所述河流模拟单元的另一侧，所述含水层模拟单元与所述地下水输入单元和所述包气带模拟单元连通；流通监测单元包括若干水位监测件，所述水位监测件安装在所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元内。
此结构的地表水回补地下水的动态模拟装置，通过地表水输入单元、河流模拟单元以及排出单元的连通，实现对河流径流环境的模拟，在实际试验时，可以通过改变不同地表水输入单元的输入以改变河流的径流条件，实现对多种不同的地表径流环境进行模拟；
通过地下水输入单元、含水层模拟单元以及排出单元的连通，实现对地下水环境的模拟，在实际模拟试验时，通过改变不同的地下水输入单元的输入以改变地下水水流条件，从而实现对多种不同的地下水水流条件进行模拟；
通过河流模拟单元、包气带模拟单元以及含水层模拟单元的连通，即可模拟地表水回补到地下含水层，进而模拟人为增加地下水补给量的方式，例如将地表水源，如河流、水库弃水、雨洪水、处理后的再生水等，通过地下水回补工程转化为较为稳定的、可持续利用的地下水资源；
通过流通监测单元中水位监测件的设置，实现对包气带模拟单元、含水层模拟单元内的水位监测，从而直观地在回补过程中随时监测包气带模拟单元以及含水层模拟单元的水位变化，从而便于及时且直观地获取地表水回补地下水过程中对地下水水量的影响。
2.本实用新型提供的地表水回补地下水动态模拟装置，第一储水箱通过第一输入管与含水层模拟单元连通，实现对含水层模拟单元单独提供地下水的输入，例如，第一储水箱内存储配制好的水样，实现模拟一定水质特征的地下水；此外，通过曝气结构实现对第一储水箱内的介质进行驱氧，模拟地下水的厌氧环境，以保证实验模拟的准确性。
3.本实用新型提供的地表水回补地下水动态模拟装置，通过所述第一流量监测件和第二流量监测件实现对地下水的输入和输出流量进行监测，从而确定地下水是否处于稳定径流环境，模拟出真实的地下水流动条件，保证实验的准确性。此外，第二流量监测件的设置，在存在地表水回补地下水过程中，可以对地下水流量变化进行监测，通过第二流量监测件在地表水输入单元连通前后流量的差值，即可以获取地表水入渗经包气带模拟单元后实际补给到地下水的水量，进一步提高监测的直观性和便捷性。
此外，第三流量监测件和第四流量监测件对地表水的输入和输出进行监测，从而当第三流量监测件和第四流量监测件均达到稳定时，即可直观监测获取稳定的河流径流环境，保证实验的准确性。此外，通过第三流量监测件和第四流量监测件流量值的差值，即可获得河水径流过程中入渗进入包气带的入渗量。
4.本实用新型提供的地表水回补地下水动态模拟装置，通过水质监测单元的设置，通过第一回补监测探头以及第二回补监测探头的设置，可以实现对包气带模拟单元以及含水层模拟单元内地表水回补地下水时的水质监测，进而实现了解不同空间位置处地下水的水质变化情况。
此外，第一水质监测探头可以对实际输入含水层模拟单元内用来模拟地下水的水质情况进行监控；相应地，通过第二水质监测探头的设置，对实际输入河流模拟单元内用来模拟地表水的水质情况进行监测；因此，通过第一水质监测探头以及第二水质监测探头的设置，从而获取实验环境下地表水回补地下水过程中初始水质情况，进一步降低实验误差，提高试验的精准度，提高模拟实验环境的精准度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中所提供的地表水回补地下水的动态模拟装置的主视图；
图2为实施例1中所提供的地表水回补地下水的动态模拟装置的侧视图；
图3为实施例1中的河流模拟箱体的结构示意图；
附图标记说明：
11-第二输入口；12-第二储水箱；13-第二输入管；14-第二动力件；15-第二开关；
21-第一输入口；22-第一储水箱；231-氮气瓶；232-曝气管；24-第一输入管；25-第一动力件；26-加液管；27-第一开关；
31-第一输出口；32-第二输出口；33-废水箱；34-第一输出管；341-第一分流管；342-第二分流管；35-第二输出管；36-第三输出管；371-第三开关；372-第四开关；373-第五开关；38-下游储水箱；
41-河流模拟箱体；411-底板；412-梯面板；413-端板；42-第一渗水孔；
51-第一包气带模拟箱体；52-第二包气带模拟箱体；53-第一安装孔；
61-含水层模拟箱体；62-第二安装孔；
71-水位监测件；72-第一流量监测件；73-第二流量监测件；74-第三流量监测件；75-第四流量监测件；
81-第一水质监测探头；82-第二水质监测探头；83-终端设备；
91-第一连接件；92-第二连接件；93-第三连接件；
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种地表水回补地下水的动态模拟装置，如图1至图3所示，包括：地表水输入单元、地下水输入单元、排出单元、河流模拟单元、包气带模拟单元、含水层模拟单元和流通监测单元。其中，河流模拟单元分别连通地表水输入单元和排出单元连通；含水层模拟单元与地下水输入单元连通；河流模拟单元、包气带模拟单元、含水层模拟单元三者沿垂向方向向下依次设置。流通监测单元包括若干水位监测件71，本实施例中水位监测件为一端安装在包气带模拟单元和含水层模拟单元内，另一端伸出包气带模拟单元和含水层模拟单元的测压管。其中，地表水输入单元用以向河流模拟单元输入模拟地表水的液体介质，例如，本实施例中采用自来水，也可以为了充分模拟使用环境采用河水或湖水等等其他水资源。
本实施例提供的地表水回补地下水的动态模拟装置中，如图1所示，地下水输入单元包括：第一储水箱22、曝气结构、第一输入管24以及设置在第一输入管24上的第一动力件25和第一开关27。
其中，第一储水箱22与含水层模拟单元通过第一输入管24连通；加液管26与第一储水箱22连通，用以加入指定水质的地下水模拟液；曝气结构与第一储水箱22连通，用以去除第一储水箱22内氧气。具体而言，曝气结构为相连接的氮气瓶231和曝气管232。其中，曝气管232相对于氮气瓶231连接的另一端连接第一储水箱22，且伸入第一储水箱22所容纳的溶液内，由于氮气为惰性气体，而不会与第一储水箱22内溶液发生反应，且通过氮气对第一储水箱22内的溶液曝气驱氧，从而实现去除第一储水箱22内介质的氧气，保证模拟地下水的厌氧环境，当然，可以依据实际使用需求对曝气结构的通入进行控制，以实现模拟不同溶解氧特征的地下水。第一开关27控制地下输入单元与含水层模拟单元的连通与否。本实施例中第一动力件25为蠕动泵，当然在其他可选的实施方式中，第一动力件25还可以为其他泵体结构。第一开关27为截止阀。
如图1所示，地表水输入单元包括：第二储水箱12，第二输入管13以及设置在第二输入管13上的第二动力件14和第二开关15，其中，第二储水箱12内存储地表水模拟溶液，第二储水箱12通过第二输入管13与河流模拟单元的连通口连通，第二动力件14用以驱动由地表水输入单元向河流模拟单元输送模拟地表水的溶液，第二开关15用以控制地表水输入单元与河流模拟单元的连通或断开。本实施例中第二动力件14为蠕动泵，当然在其他可选的实施方式中第二动力件14还可以为其他泵体结构。第二开关为截止阀。
排出单元包括废水箱33、第一输出管34、第三开关371、第四开关372、第五开关373、第三输出管36、下游储水箱38以及第二输出管35。其中，第一输出管34的一端与河流模拟单元的第二输出口32连通，第一输出管34的另一端连通废水箱33，第二输出管35的两端分别连接下游储水箱38和废水箱33；第三输出管36的两端连通下游储水箱38以及含水层模拟单元。此外，第五开关373设置在第三输出管36上。
在本实施例中，如图2所示，第一输出管34上还包括第一分流管341和第二分流管342；第一分流管341的设置高度高于第二分流管342的设置高度；第一分流管341上还设有第三开关371，第二分流管342上设有第四开关372，通过切换第三开关371和第四开关372的开启闭合，从而切换河流模拟单元与废水箱33的通过不同连通路径实现连通，且通过改变输出高度位置，从而实现模拟河流上下游的不同水力梯度和流量。
包气带模拟单元包括两个包气带模拟箱体：第一包气带模拟箱体和第二包气带模拟箱体；包气带模拟箱体底部具有若干渗水孔，渗水孔设置在河流模拟单元、包气带模拟单元和含水层模拟单元三者的连通方向上，用以连通相邻的箱体。本实施例提供的河流模拟单元，包括：河流模拟箱体41、第二输入口11和第二输出口32。其中，河流模拟箱体41内装填有模拟河流河床的沉积物，例如装填砂卵石等河床介质；河流模拟箱体41侧面的截面呈梯形，材质为不锈钢的槽体结构，河流模拟箱体41的顶部无上盖，河流模拟箱体41的长轴两端分别通过第二输入口11连接第二输入管13，并通过第二输出口32连接第一输出管34。为了保证水流流向稳定，通常将第二输入口11的高度高于第二输出口32的高度。
具体而言，如图3所示，河流模拟箱体41为设有两个与底板411呈倾斜设置的梯面板412，以及与底板411呈垂直设置的端板413，具体而言，梯面板412与底板411呈倾斜设置，从而河流模拟箱体41呈梯形腔体，且底板411作为梯形腔体所在截面的短边，底板411的底部与第一包气带模拟箱体51的顶部连接，通过梯形腔体中梯面板412倾斜程度的不同，从而模拟不同的河床结构。此外，在其他可选的实施方式中，底板411与水平面也呈倾斜设置，例如，底板411与水平方向的呈向下倾角5度，当然在其他可选的实施方式中，底板411与水平方向的呈向下倾角为1度-10度，从而模拟不同的河流的水力梯度。
此外，梯面板412和底板411均设有第一渗水孔42，第一渗水孔42的直径为1mm，当然，也可以选用为1mm-3mm的圆形通孔，第一渗水孔42采用随机分散法进行布设打孔。
如图1和图2所示，包气带模拟单元包括两个沿垂向方向上依次叠层设置的第一包气带模拟箱体51和第二包气带模拟箱体52；任一包气带模拟箱体的材质为不锈钢，厚度为120mm，箱体长为800mm，宽为500mm，高为150mm。包气带模拟箱体为无顶盖的箱体，其内填充粉土和细砂等包气带介质；箱体的底部上具有若干第二渗水孔，第二渗水孔的直径为1mm，当然，也可以选用1mm-3mm的圆形通孔，用以保证两个包气带模拟箱体之间的连通，以及第二包气带模拟箱体与设置在下的含水层模拟单元相连通。在第二包气带模拟箱体52的长轴侧壁面上预先设有若干第一安装孔53，第一安装孔53用以从第二包气带模拟箱体内引出测压管。
在第二包气带模拟箱体52的长轴外侧两侧侧壁上可以布置有12-24根测压管，例如，本实施例设有两层，每层六个测压管，因此箱体的侧壁面共设有12个第一安装孔53的孔位，用以引出12个测压管的引出端。
在其他可选的实施方式中，可以采用一个包气带模拟箱体，也可以依据使用需求采用三个、四个、五个或是更多的包气带模拟箱体，只要保证包气带模拟箱体设置在河流模拟单元和含水层模拟单元之间即可，包气带模拟箱体的设置个数越多，越可以对包气带较厚、土壤岩性存在变化的地质环境进行模拟。当然在本实施例中，还可以在第一包气带模拟箱体51内设置水位监测件71，进一步对不同层结构的包气带中地下回补入渗情况进行直观观测。
本实施例中的地表水回补地下水的动态模拟装置，含水层模拟单元包括：含水层模拟箱体61、第一输入口21和第一输出口31。其中，第一输入口21与地下水输入单元的第一输入管24连通，第三输出管36与第一输出口31连通；含水层模拟箱体61内部填充细、中砂等含水层介质。含水层模拟箱体61的材质为不锈钢，厚度为120mm，箱体长为800mm，宽为500mm，高为150mm。为了保证地下水水流稳定，通常将第一输入口21的高度高于第一输出口31的高度。
本实施例中含水层模拟箱体61的长轴侧壁面上预先设有若干第二安装孔62，第二安装孔62用以从含水层模拟箱体内引出水位监测件71。
在本实施例中，在第二包气带模拟箱体52的长轴外侧两侧侧壁布置有若干个测压管，类似地，在含水层模拟箱体61内设有若干个测压管。例如，本实施例中，水位监测件71沿垂向方向分布设置且沿水平方向分布设置。具体而言，设有3x3x2个第一安装孔53，并通过第一安装孔53的孔位引出18个测压管。类似地，设有3x3x2个第二安装孔62，并通过第二安装孔62的孔位引出箱体内18个测压管。本实施例中，同一高度上的六个测压管分别设置在距离进水口一侧端面的距离为50mm、250mm和450mm的位置，距所在箱体的底板为50mm和100mm的位置进行分布，任一测压管带有刻度和阀门，在水位监测之后，可打开阀门取样进行水质分析，提高测量的直观性。
当然，在可选的实施方式中，测压管的设置个数可以依据实际需求进行变化，如每个箱体中均设有一层，且每层为3x3个，当设有若干包气带模拟箱体时，也可以通过需求实现对包气带以及含水层二者在三个维度上进行水位的监控，当然，每层也可以设置2x2、2x4、3x3、4x3等等，以实现具体的监测需求为标准即可。设置的个数越多，所能监测的水位和水质的变化越精细，对水分在下渗过程中运移规律的刻画越精细。
本实施例中，流通监测单元还包括：土壤水分传感器，所述土壤水分传感器设置在所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元内，用以监测所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元水分含量。具体来说，土壤水分传感器用以在未达到饱水状态时，对包气带模拟单元和所述含水层模拟单元内介质水分含量进行监测。而在土壤水分监测单元达到饱水状态时，土壤水分传感器无法监测到所在位置的水分含量变化，而此时，则通过上述的测压管的液位高度变化，实现对测压管所在位置包气带模拟单元或是含水层模拟单元内的入渗情况进行监测。
土壤水分传感器的设置个数可以依据实际需求进行变化，如每个箱体中均设有一层，且每层为3x3个，当设有若干包气带模拟箱体时，也可以通过需求实现对包气带以及含水层二者在三个维度上进行水分含量的监控，当然，每层也可以设置2x2、2x4、3x3、4x3等等，以实现具体的监测需求为标准即可。设置的个数越多，所能监测各位置上水分含量的变化越精细，进而对水分在下渗过程中运移规律的刻画越精细。
本实施例中，流通监测单元还包括：第一流量监测件72、第二流量监测件73、第三流量监测件74以及第四流量监测件75。其中，所述第一流量监测件72与所述含水层模拟单元连接所述地下水输入单元的第一输入口21连接，用以监测地下水输入的流量；所述第二流量监测件73与所述含水层模拟单元连接所述排出单元的第一输出口31连接，用以监测地下水输出的流量。第三流量监测件74与河流模拟单元连接地表水输入单元的第二输入口11连接，用以监测地表水输入的流量；第四流量监测件75与河流模拟单元连接所述排出单元的第二输出口32连接，用以监测地表水输出的流量。上述中任一流量监测件为转子流量计，可以用来监测所在管道内水流流过的流量。
本实施例中的地表水回补地下水的动态模拟装置，通过所述第一流量监测件72和第二流量监测件73实现对地下水的输入和输出流量进行监测，从而确定地下水是否处于稳定径流环境，保证实验的准确性。此外，第二流量监测件73的设置，在存在地表水回补地下水过程中，可以对地下水流量变化进行实施监测，通过第二流量监测件73在地表水输入单元连通前后流量的差值，即可以获取地表水经包气带模拟单元后实际补给到地下水的水量，进一步提高监测的直观性和便捷性。第三流量监测件74和第四流量监测件75对地表水的输入和输出进行监测，从而当第三流量监测件和第四流量监测件均达到稳定时，即可直观监测获取稳定的河流径流环境，保证实验的准确性，此外，通过第三流量监测件74和第四流量监测件75流量值的差值，即可获得河水入渗进入包气带的入渗量。
本实施例中的地表水回补地下水的动态模拟装置还包括水质监测单元，第一水质监测探头81、第二水质监测探头82、第一回补监测探头以及第二回补监测探头。其中，第一回补监测探头与包气带模拟单元连接，用以监测包气带模拟单元内的水质；第二回补监测探头与含水层模拟单元连接，用以监测含水层模拟单元内的水质。第一水质监测探头81与地下水输入单元连通，用以监测地下水输入单元的水质；第二水质监测探头82与地表水输入单元连通，用以监测地表水输入单元的水质；本实施例中第一回补监测探头与包气带模拟单元连接的测压管的输出端连通，例如，在通过测压管上的开关阀门实现与测压管内的溶液连通。类似地，第二回补监测探头与含水层模拟单元连接的测压管连通，例如，同样可以通过测压管上的开关阀门实现与测压管内的溶液连通。
具体而言，第一水质监测探头81、第二水质监测探头82均为水质在线监测仪，任一水质监测探头和回补监测探头可在线监测ph、溶解氧、电导率、氧化还原电位的多参数。当然，回补监测探头与测压管的输出端连通，从而对测压管内的水质进行监测分析，进一步保证监测的便利性。
本实用新型提供的地表水回补地下水的动态模拟装置通过水质监测单元的设置，通过第一回补监测探头以及第二回补监测探头的设置，可以实现对包气带模拟单元以及含水层模拟单元内地表水回补地下水时的水质环境监测，进而实现了解不同空间位置处地下水的水质变化情况。
水质监测单元还包括若干土壤监测件，土壤监测件安装在包气带模拟单元和所述含水层模拟单元内，用以对包气带模拟单元和所述含水层模拟单元内未饱水土壤参数进行监测。具体而言，土壤监测件内集成ph传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、氧化还原电位传感器等等，用以在线监测ph、溶解氧、电导率、氧化还原电位等等多个关于土壤内水质的参数。
在本实施例中土壤监测件的设置个数可以依据实际需求进行变化，如每个箱体中均设有一层，且每层为3x3个，当设有若干包气带模拟箱体时，也可以通过需求实现对包气带以及含水层二者在三个维度上进行ph、溶解氧、电导率、氧化还原电位等等多个参数的监控，当然，每层也可以设置2x2、2x4、3x3、4x3等等，以实现具体的监测需求为标准即可。设置的个数越多，所能监测各位置上ph、溶解氧、电导率、氧化还原电位等等参数的变化越精细。
在本实施例中，土壤监测件和土壤水分传感器共同集成为土壤多参数监测探头，即可同时监测安在装位置处的水分含量、ph、溶解氧、电导率、氧化还原电位等多参数变化，提高集成度。
因此，第一水质监测探头81可以对实际输入含水层模拟单元内用来模拟地下水的水质情况进行监控；相应地，通过第二水质监测探头82的设置，对实际输入河流模拟单元内用来模拟地表水的水质情况进行监测；因此，通过第一水质监测探头81以及第二水质监测探头82的设置，从而获取实验环境下地表水回补地下水过程中作为供给的初始条件下的水质情况，进一步降低实验误差，提高试验的精准度，提高模拟实验环境的精准度。
此外，河流模拟箱体41和第一包气带模拟箱体51之间设有第一连接件91；第一包气带模拟箱体51和第二包气带模拟箱体52之间设有第二连接件92；第二包气带模拟箱体52与含水模拟箱体之间设有第三连接件93。任一连接件为扣锁和螺丝相互紧固的结构，且连接件内填充有高弹性、可遇水膨胀的隔水橡胶，从而保证不同层箱体连接固定后不漏水。具体来说，相邻的箱体之间设有四个连接件，任一连接件均设置在箱体的四角处，例如，设置在上的箱体的底部焊接有四个扣锁，设置在下的箱体的顶部焊接有四个扣锁，通过螺丝将对应设置的扣锁相互紧固，并在扣锁内填充隔水橡胶即可。
此结构的地表水回补地下水动态模拟装置，通过分体安装河流模拟、包气带模拟以及含水层模拟的箱体，进而在不同的箱体结构内装填不同的介质，从而可以对复杂的包气带及含水层的地层结构进行模拟，便于对不同层位介质更换和重复开展实验。避免采用单一箱体实现多层地质结构的模拟时，需要依次装填模拟介质，而造成装填完成后，试验箱体进能进行单一地质结构试验，而无法对不同的、复杂的地质结构进行多次试验，造成实验难度大、成本高、试验精度低的问题。
此结构的地表水回补地下水的动态模拟装置，通过地表水输入单元、河流模拟单元以及排出单元的连通，实现对河流径流环境的模拟，在实际试验时，可以通过改变不同地表水输入单元的输入以改变的河流径流条件，实现对多种不同的地表径流进行模拟；
通过地下水输入单元、含水层模拟单元以及排出单元的连通，实现对地下水环境的模拟，在实际模拟试验时，通过改变不同的地下水输入单元的输入以改变地下水水流条件，从而实现对多种不同的地下水水流条件进行模拟；
通过河流模拟单元、包气带模拟单元以及含水层模拟单元的连通，即可模拟地表水回补到地下含水层，进而模拟人为增加地下水补给量的方式，例如将地表水源，如河流、水库弃水、雨洪水、处理后的再生水等，通过地下水回补工程转化为较为稳定的、可持续利用的地下水资源；
通过水质监测单元和流通监测单元的设置，实现对包气带模拟单元、含水层模拟单元内的水位及水质实现监测，从而直观地在回补过程中随时监测包气带模拟单元以及含水层模拟单元的水位和水质变化，从而便于及时且直观地获取地表水回补地下水的有效回补量和水质变化。
实施例2
本实施例提供一种地表水回补地下水的动态模拟方法，采用实施例1中的地表水回补地下水的动态模拟装置，其包括如下步骤：
s1：设备组装：连接地表水输入单元、地下水输入单元、排出单元、流通监测单元、河流模拟单元、包气带模拟单元、含水层模拟单元以及水质监测单元；
s111：水位监测件71的安装：将水位监测件71，也即测压管安装在包气带模拟单元的第二包气带模拟箱体52以及含水层模拟单元的含水层模拟箱体61内，具体而言，第二包气带模拟箱体52以及含水层模拟箱体61中，每个箱体沿竖直方向设有两层测压管，且每层以3x3的分布方式进行分布；因此，在第二包气带模拟箱体52和含水层模拟箱体61中共埋入36个测压管。
s112：在靠近每个测压管埋在箱体内的一侧设有土壤多参数监测探头。具体而言，每个箱体沿竖直方向设有两层土壤多参数监测探头，且每层以3x3的分布方式进行分布；在第二包气带模拟箱体52和含水层模拟箱体61中共埋入36个土壤多参数监测探头。
s12：填充：向河流模拟箱体41内装填砂卵石；向第一包气带模拟箱体内填充粉土，向第二包气带模拟箱体内填充细砂；向含水层模拟箱体61内装填中细砂；
s13：模拟单元的连接：依次连接所述河流模拟单元的河流模拟箱体41、所述包气带模拟单元的第一包气带模拟箱体51、包气带模拟单元的第二包气带模拟箱体52和所述含水层模拟单元的含水层模拟箱体61。具体来说，通过在沿垂向方向上相邻的两个箱体之间，四个扣锁通过螺丝进行锁定，并通过填充高弹性且可遇水膨胀的隔水橡胶，从而保证不同层箱体连接固定后不漏水。
s141：地下水输入单元的安装：所述第一储水箱22通过第一输入管24与所述第一输入口21连通；所述第一储水箱22与所述曝气结构连通；第一输入管24上安装第一动力件25和第一开关27；
s142：地表水输入单元的安装：地表水输入单元的第二储水箱12通过第二输入管13与第一输入口21连通；第二输入管13上安装第二动力件14和第二开关15；
s143：排出单元的安装：所述废水箱33通过第一输出管34与所述第一输出口31连通；所述废水箱33通过所述第二输出管35、下游储水箱38以及第三输出管36从而与所述第二输出口32连通。第三开关371和第四开关372安装在第二输出管35上，第三输出管36上安装有第五开关373。
s151：地下水流量监测的组装：所述流通监测单元的第一流量监测件72与所述地下水输入单元的第一输入口21连通；例如：所述第一输入管24上安装所述第一流量监测件72。所述流通监测单元中的第二流量监测件73与所述地下水输入单元的第一输出口31连通。例如：所述第一输出管34上安装第二流量监测件73；
s152：地表水流量监测的组装：所述流通监测单元的第三流量监测件74与所述地表水输入单元的第二输入口11连通；所述流通监测单元的第四流量监测件75与所述地表水输入单元的第二输出口32连通。例如：所述第二输入管13上安装所述第三流量监测件74；所述第二输出管35上安装所述第四流量监测件75。
s16：水质监测单元的安装：回补监测探头与测压管的输出管路进行连通；第一水质监测探头81与所述第一储水箱22连接；第二水质监测探头82与所述第二储水箱12连接。
上述的s11-s16各步骤中在满足实际使用时，可以依据需求进行调换。
s2：地下水流场模拟：控制所述地下水输入单元与所述含水层模拟单元的连通，以及所述排出单元与所述含水层模拟单元的连通，以获得稳定的地下流场；
s21：通过加液管26向第一储水箱22中加入模拟地下水组分的溶液，通过连接氮气瓶231的曝气管232向第一储水箱22中曝氮气驱氧至溶解氧低于1mg/l，模拟一定水质特征的地下水；通过终端设备83读取预先布设第一储水箱22内的第一水质监测探头81测试数据获取地下水水质。
具体而言，向第一储水箱22内加水，通过打开第一开关27通过第一输入管24向含水层模拟箱体61供水；并且打开第三开关371，从而控制地下水输入单元与含水层模拟单元的连通，以及排出单元与含水层模拟单元的连通；
s22：通过下游存储箱内的第二输出管35控制水位，通过保证下游储水箱38与第一储水箱22的液位差，从而模拟地下流场，当第一流量监测件72和第二流量监测件73也即转子流量计的示数达到稳定时，并记录此时的第一流量监测件72的第一输入流量qr1和第二流量监测件73的第一输出流量qc1。当第二输出管35水流出水稳定后，此时获得初始条件下含水层中地下水的储量，此时qr1＝qc1。
s23：由于第一输入管21的高度位置在含水层模拟箱体的两层测压管之间，因此，此时只读取在底层分布测压管的水位刻度：hh01…hh0n…hh09。除去底层的测压管外，其他的测压管所在的模拟单元由于未处于饱水状态，测压管均无法显示液位示数，仅可通过设置在其内含有土壤水分传感器的土壤多参数监测探头进行水分含量的监测。例如，此时设置在含水层模拟箱体中的在地下水位之上的每个土壤多参数监测探头中的水分含量为wh01…wh0n…wh09。类似地，此时，第二包气带模拟箱体中的每个土壤多参数监测探头中的水分含量值wb01…wb0n…wb018。
s3：入渗模拟：控制地表水输入单元与河流模拟单元的连通、以及所述排出单元与所述河流模拟单元的连通，通过所述第二输入口11的第二输入流量与所述第二输出口32测得的第二输出流量的流量差获得所述包气带入渗量。并通过第一输出口在s3步骤前后的变化值获得地下水有效回补量。此外，所述第二水质监测探头82监测所述第二储水箱12内的水质；且所述回补监测探头监测所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元内的水质变化。
s31：打开第二输入管13、第二开关15和第二出水管，通过第二动力件14控制流向河流模拟箱体41的进水量，通过终端设备83读取预先布设第二储水箱12内的第二水质监测探头82测试数据获取地表水水质。
s32：通过开启第三开关371或第四开关372，从而分别模拟不同的输出高度位置，进一步实现模拟河流上下游的不同水力梯度和流量。此时，依次记录：在开启第三开关371关闭第四开关372时，第三流量监测件74的第二输入流量qr2和第四流量监测件75的第二输出流量qc2；在关闭第三开关开启第四开关时，第三流量监测件的第三输入流量qr3和第四流量监测件的第三输出流量qc3；本实施例中以开启第三开关关闭第四开关的样本为例，此时可以得到包气带入渗量为qb1＝qc2-qr2；以关闭第三开关开启第四开关的样本为例，此时可以得到包气带入渗量为qb2＝qc3-qr3；
s33：在第三开关关闭第四开关打开，当地下水溢流达到稳定时，读取第二流量监测件73也即转子流量计的示数为第四输出流量qc4；并通过第一输出流量qc1和第四输出流量qc4的差值获得此时的地下水有效回补量qhb1＝qc4-qc1。
在第四开关关闭第三开关打开，当地下水溢流达到稳定时，读取第二流量监测件73也即转子流量计的示数为第五输出流量qc5；并通过第一输出流量qc1和第五输出流量qc5的差值获得此时的地下水有效回补量qhb2＝qc5-qc1。
对地下水回补前后土壤监测件的水质参数进行监控记录，并在回补地下水后对测压管的输出端进行取样并通过回补监测探头进行水质参数的监测记录。从而获取在含水层模拟单元以及包气带模拟单元内的水质变化。例如通过土壤监测件以及回补监测探头对ph、氧化还原、温度、电导率等参数进行监控，从而获取不同层位的水质变化。
s4：入渗监测：所述流通监测单元监测所述包气带模拟单元内和所述含水层模拟单元内的水分含量或液位高度；
在s3过程中，每间隔一定时间内，如每间隔三十分钟进行测量，当然间隔时间可以依据使用需求进行调节，如可以间隔二十分钟、四十分钟或一个小时等等，对包气带模拟单元以及含水层模拟单元内的液位高度或水分含量进行监控，从而获取不同地层介质在不同回补阶段的水位或水分含量的变化情况。
在第三十分钟时，第二包气带模拟箱体内仍处于未饱水状态下，但在含水层模拟单元的含水层模拟箱体内沿垂向方向在上设置的两层测压管处于饱水状态下，此时，第二包气带模拟箱体中的每个土壤多参数监测探头中的水分含量值wb11…wb1n…wb118。类似地，读取此时设置在含水层模拟箱体中的每个测压管的的水位刻度为hh11、…hh1n…hh118。
在第六十分钟时，第二包气带模拟箱体的底层测压管所在的土壤层以及含水层模拟箱体均处于饱水状态，但第二包气带模拟箱体的顶层测压管所在的土壤层于未饱水状态，此时第二包气带模拟箱体中顶层的土壤多参数探头中的水分含量值wb21…wb2n…wb29。第二包气带模拟箱体底层测压管的的水位刻度为hb21、hb22…hb2n…hb29。类似地，读取此时设置在含水层模拟箱体中的每个测压管的的水位刻度为hh21、hh22…hh2n…hh218等等以此类推。
在第九十分钟时，第二包气带模拟箱体以及含水层模拟箱体均处于饱水状态，此时读取包气带模拟箱体内的每个测压管的的水位刻度为hb31、hb32…hb3n…hb318。类似地，读取此时设置在含水层模拟箱体中的每个测压管的的水位刻度为hh31、hh32…hh3n…hh318等等以此类推。从而通过前后测压管刻度的差值或是前后土壤多参数监测探头监测的水分含量的差值，即可获取非饱和的包气带不同埋深土壤的水分变化规律及饱和的地下水水位的变化规律。
上述实验过程中可通过调节第二输入管13和第二输出管35上的第二开关15、第三开关371以及第四开关372来控制不同的河流流速及河流水量情况，并通过改变河流模拟箱体41、第一包气带模拟箱体51、第二包气带模拟箱体52、含水层模拟箱体61内介质装填情况，即可监测不同地层岩性条件、不同地下水水位条件下，非饱和的包气带不同埋深土壤的水分变化规律及饱和的地下水水位的变化规律。
本实用新型提供的地表水回补地下水的动态模拟方法，通过地下水流场模拟步骤，实现模拟地表水回补到地下含水层的过程，从而模拟人为增加地下水补给量的方式，例如将地表水源，如河流、水库弃水、雨洪水、处理后的再生水等，通过地下水回补工程转化为较为稳定的、可持续利用的地下水资源。因此，通过模拟地下水输入单元与含水层模拟单元相连通，以及所述排出单元与所述含水层模拟单元的连通，以获得稳定的地下液流，从而实现模拟河流动态流动过程中，对地下水回补的模拟情形，增加考虑回补过程对包气带入渗实验的影响。
此结构的地表水回补地下水的动态模拟装置，在地下水流场模拟步骤中，通过地下水输入单元、含水层模拟单元以及排出单元的连通，实现对地下水环境的模拟，通过改变不同的地下水输入单元的输入以改变地下水水流条件，从而实现对多种不同的地下水水流条件进行模拟；此外，通过入渗模拟步骤，也即通过河流模拟单元、包气带模拟单元以及含水层模拟单元的连通，即可模拟地表水回补到地下含水层，进而模拟人为增加地下水补给量的方式，例如将地表水源，如河流、水库弃水、雨洪水、处理后的再生水等，通过地下水回补工程转化为较为稳定的、可持续利用的地下水资源；在入渗监测步骤中，通过实现对包气带模拟单元、含水层模拟单元内的水位实现监测，从而直观地在回补过程中随时监测包气带模拟单元以及含水层模拟单元的水位变化，从而便于及时且直观地获取地表水回补地下水的有效回补量。
在动态模拟过程中，通过地表水输入单元、河流模拟单元以及排出单元的连通，并对河流径流环境的模拟，且在实际试验时，通过改变不同地表水输入单元的输入以改变的河流径流条件，实现对多种不同的地表径流进行模拟；进一步完善对真实地下回补过程的模拟，进一步提高模拟的精准度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
1.一种地表水回补地下水动态模拟装置，其特征在于，包括：
地表水输入单元；
地下水输入单元；
排出单元；
河流模拟单元，所述河流模拟单元分别与所述地表水输入单元和所述排出单元连接；
包气带模拟单元，所述包气带模拟单元与所述河流模拟单元连通；
含水层模拟单元，所述含水层模拟单元与所述包气带模拟单元连通，且所述含水层模拟单元设置在所述包气带模拟单元的相对所述河流模拟单元的另一侧，所述含水层模拟单元与所述地下水输入单元连接；
流通监测单元，包括若干水位监测件(71)，所述水位监测件(71)与所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元连接，用以监测所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元的液位。
2.根据权利要求1中所述的地表水回补地下水动态模拟装置，其特征在于，所述流通监测单元还包括：
土壤水分传感器，所述土壤水分传感器设置在所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元内，用以监测所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元的水分含量。
3.根据权利要求1中所述的地表水回补地下水动态模拟装置，其特征在于，
所述含水层模拟单元具有与所述地下水输入单元连接的第一输入口(21)，以及与所述排出单元连接的第一输出口(31)；
所述流通监测单元还包括：
第一流量监测件(72)，所述第一流量监测件(72)与所述第一输入口(21)连接，用以监测地下水输入的流量；
第二流量监测件(73)，所述第二流量监测件(73)与所述第一输出口(31)连接，用以监测地下水输出的流量。
4.根据权利要求3中所述的地表水回补地下水动态模拟装置，其特征在于，
所述河流模拟单元具有与所述地表水输入单元连接的第二输入口(11)，以及与所述排出单元连接的第二输出口(32)；
所述流通监测单元还包括：
第三流量监测件(74)，所述第三流量监测件(74)与所述第二输入口(11)连接，用以监测地表水输入的流量；
第四流量监测件(75)，所述第四流量监测件(75)与所述第二输出口(32)连接，用以监测地表水输出的流量。
5.根据权利要求1中所述的地表水回补地下水动态模拟装置，其特征在于，
所述水位监测件(71)沿所述河流模拟单元、所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连接方向分布设置；和/或
所述水位监测件(71)沿垂直于所述河流模拟单元、所述包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连接方向分布设置。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的地表水回补地下水动态模拟装置，其特征在于，还包括水质监测单元：
所述水质监测单元具有若干第一回补监测探头，任一所述第一回补监测探头与所述包气带模拟单元连接，用以监测所述包气带模拟单元内的水质；
所述水质监测单元还具有若干第二回补监测探头，任一所述第二回补监测探头与所述含水层模拟单元连接，用以监测所述含水层模拟单元内的水质。
7.根据权利要求6中所述的地表水回补地下水动态模拟装置，其特征在于，
所述水质监测单元还具有若干第一水质监测探头(81)；任一所述第一水质监测探头(81)与所述地下水输入单元连通，用以监测所述地下水输入单元的水质；和/或
所述水质监测单元还具有若干第二水质监测探头(82)；任一所述第二水质监测探头(82)与所述地表水输入单元连通，用以监测所述地表水输入单元的水质。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的地表水回补地下水动态模拟装置，其特征在于，
所述地下水输入单元包括：
第一储水箱(22)，所述第一储水箱(22)与所述含水层模拟单元连通；
曝气结构，所述曝气结构与所述第一储水箱(22)连通，以去除所述第一储水箱(22)内氧气。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的地表水回补地下水动态模拟装置，其特征在于，所述排出单元包括废水箱(33)和第一输出管(34)，所述第一输出管的两端分别与所述废水箱(33)和所述河流模拟单元连接；
所述第一输出管(34)包括第一分流管(341)和第二分流管(342)；所述第一分流管(341)的设置高度高于所述第二分流管(342)的设置高度；
任一所述分流管上还设有开关，以切换所述河流模拟单元与所述废水箱(33)的连通通路。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的地表水回补地下水动态模拟装置，其特征在于，所述包气带模拟单元包括至少一个包气带模拟箱体；所述包气带模拟箱体具有若干渗水孔，所述渗水孔设置在所述河流模拟单元、包气带模拟单元和所述含水层模拟单元三者的连通方向上，用以连通相邻的箱体。
技术总结