CN103093679B - 岩溶间歇泉成因实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明岩溶间歇泉成因实验装置，包括有水泵的储水箱、模拟箱，挡水板将模拟箱内腔分隔成石灰岩腔、三角堰测流腔，位于石灰岩腔内的石灰岩体中有溶腔、与溶腔相通的含间隙泉出口的虹吸管路，溶腔顶部有透水网孔板，透水网孔板上覆盖有浅层地下含水层，挡水板上有过水孔，三角堰测流腔内依次装有至少二块消能透水板、有堰口的三角堰，三角堰测流组件装于模拟箱壁相对消能板和三角堰间的位置上且与三角堰测流腔连通，位于模拟箱外上游端的通过升降调节器能升、降的供水箱中有分别通过管道与水泵和浅层地下含水层相通的供水腔、通过管道与储水箱相通的溢流腔。本发明能完整展现间歇泉形成过程，形成机理，进行相关试验及参数测定。

Description

岩溶间歇泉成因实验装置

技术领域：

本发明与岩溶水文地质结构及岩溶水特征有关，特别与岩溶间歇泉的成因实验装置有关。

背景技术：

间歇泉是自然界存在的一种神奇的地质现象。

间歇泉根据成因可分为两大类，一是与地热有关，地表水入渗地下深部，被深部熔岩加热至沸腾、汽化，间歇泉的泉口下是一个长而窄、有如管状的裂隙。受热的地下水上升后会进入裂隙里。在原本就充满水的裂隙中，水的重量压制了地下水，使它无法继续上升，于是形成了一个巨大的压力“锅炉”。当“锅”里的水经熔岩不断地加热，水温超过临界温度而沸腾成蒸汽，蒸汽力量大于裂隙中的水压力时就把裂隙里的水瞬间全喷出去，形成一次喷发。喷发后，新的地下水再补充进“热储”里，整个作用再循环一次。这种周期性的喷发即形成间歇泉。

二是岩溶（碳酸盐岩、钙质砂岩等）地区一种特有的地质现象，是极其珍贵的自然资源，是埋藏和运动于地下可溶岩空隙中的地下水，在适宜的地形、地质及水文地质条件下，自然间歇性涌出地表而形成的。具有重要的实用价值和观赏价值。

其形成条件首先必须具备可溶岩层，在岩层中形成一定规模的溶腔，二是要形成与溶腔中、下部相通的溶蚀裂隙发育成的溶蚀管路形成的虹吸管，虹吸管的最高转折点低于溶腔最高水位，虹吸管出口低于进水口，且虹吸管的最大过水量要大于溶腔周边地下水的补给量，最小流量小于补给量。三是，溶腔周边地下水源远流长，不断补充给溶腔。当具备以上条件时，当地下水进入溶腔水位超过虹吸管顶点最高处时，地下水进入虹吸管，泉水开始出流。当充满虹吸管时立即达到最大值，因出水量大于补给量，溶腔中水位不断下降，当水位下降至虹吸管进口时空气进入，虹吸管内的真空被破坏，泉水断流。溶腔周边的地下水不断补给溶腔，溶腔中和虹吸管内地下水位不断上升，当水位高度超过虹吸管顶部时，泉水又开始出流。如此不断循环，形成自然界奇特而有趣的间歇泉现象。

一些报刊杂志，常在“自然之谜”之类的栏目对此作了一些报道，称之为自然界未解之谜。

目前，有关岩溶间歇泉的成因，也只见到一些以水力学理论为基础的推测分析，而根据相似模拟原理以野外岩溶地区间歇泉形成系统为模拟对象，在实验室以地质模型形式完整再现间歇泉形成过程、形成机理，并能进行相关试验及参数测定的多功能岩溶间歇泉成因实验装置尚未见到相关报道。

发明内容：

本发明的目的是是为了提供一种根据相似模拟原理以野外岩溶地区间歇泉形成系统为模拟对象，完整展现间歇泉形成过程、形成机理，并能进行相关试验及参数测定的多功能岩溶间歇泉成因实验装置。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明岩溶间歇泉成因实验装置，包括有水泵的储水箱，底部保持水平的模拟箱，装于模拟箱内的挡水板将模拟箱内腔上、下游分隔成石灰岩腔、三角堰测流腔，位于石灰岩腔内的石灰岩体中有溶腔、与溶腔相通的含间隙泉出口的虹吸管路，虹吸管路的入口端高于间歇泉出口端，虹吸管路最高处低于溶腔顶部，溶腔顶部有透水网孔板，透水网孔板上覆盖有砂砾石形成的浅层地下含水层，挡水板上有过水孔，三角堰测流腔内依次装有至少二块消能透水板、有堰口的三角堰，三角堰测流组件装于模拟箱壁相对消能板和三角堰间的位置上且与三角堰测流腔连通，挡水板上的过水孔的高度低于间歇泉出口高度而高于三角堰堰口高度，位于模拟箱外上游端的通过升降调节器能升、降的供水箱中有分别通过管道与储水箱内水泵和模拟箱内浅层地下含水层相通的供水腔、通过管道与储水箱相通的溢流腔，水泵将实验用水抽入供水箱中供水腔，一部分通过管路进入模拟浅层地下含水层提供实验用水，多余的水通过溢流腔回流入储水箱，通过调节供水箱高度，可以调节实验用水大小，间歇泉水流经三角堰口出流，通过测定三角堰口的水头高度可获得测定时刻的瞬时流量。

上述的溶腔内垂直于模拟箱底部的隔水板将溶腔分隔成第一溶腔、第二溶腔，有控制阀的连通管两端分别与第一、第二溶腔底部连通，连通管过水量大于间歇泉的最大流量，使第一、二溶腔不会产生水位差。

上述的第一溶腔和第二溶腔的容积比为1∶2。

上述的连通管上装有排水控制阀的排水管。

上述的升降调节器中有分别装于模拟箱外上游上、下端的上支座、下支座、装在供水箱上的有内螺纹的支耳，调节螺杆一端依次穿过上支座、与支耳螺纹配合后伸入下支座中且能转动。

可根据实验需要调节溶腔体积大小，开关关闭时，第一溶腔、第二溶腔之间无水力联系，开关打开时第一溶腔、第二溶腔连通（连通管过水量大于间歇泉的最大流量），有足够的时间观察间隙泉动态变化规律

本发明结构合理，直观再现了间歇泉形成过程和形成机理，了解岩溶水独特的水文地质现象，为进一步研究岩溶发育规律，发育程度，认识岩溶水的动力特征，提供了一种有效的手段。同时，对普及地学知识、探索自然奇观方面也具有重要的意义。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为图1中的A—A剖视图。

图3为图1中的B—B剖视图。

图4为图1中的C—C剖视图。

图5为图1的左视图。

图6为第一溶腔间歇泉流量与时间关系曲线图。

具体实施方式：

参见图1～图5，本实施例岩溶间歇泉成因实验装置，包括有水泵1的储水箱2，底部保持水平的模拟箱3。装于模拟箱内的挡水板4将模拟箱内腔上、下游分隔成石灰岩腔5、三角堰测流腔6。位于石灰岩腔内的石灰岩体7中有溶腔8、与溶腔相通的含间隙泉出口9的虹吸管路10。溶腔顶部有透水网孔板11。透水网孔板上覆盖有采用砂砾石形成的浅层地下含水层12。挡水板上有过水孔13，三角堰测流腔内依次装有二块消能透水板14，有堰口33的三角堰15。外购的三角堰测流组件（水位测针）16装于模拟箱壁相对消能板和三角堰间的位置上且与三角堰测流腔连通。挡水板上的过水孔高度低于间歇泉出口高度而高于三角堰堰口高度。位于模拟箱外上游端的通过升降调节器17能升、降的供水箱18中有分别通过管道19、20与储水箱内水泵和模拟箱内浅层地下含水层相通的供水腔21、通过管道22与储水箱相通的溢流腔23。虹吸管路的入口端9—1高于间歇泉出口端9。虹吸管路最高处24低于溶腔顶部25。

参见图2，溶腔内垂直于模拟箱底部的隔水板26将溶腔分隔成第一溶腔8—1、第二溶腔8—2。有控制阀的U形连通管27两端分别与第一、第二溶腔底部连通。第一溶腔和第二溶腔的容积比为1∶2。U形连通管上装有带排水控制阀28的排水管29。

参见图1，升降调节器中有分别装于模拟箱外上游上、下端的上支座29、下支座30、装在供水箱上的有内螺纹的支耳31，调节螺杆32一端依次穿过上支座、与支耳螺纹配合后伸入下支座中且能转动。

实验操作步骤：

1、形成间歇泉

打开水泵电源开关，向溶腔顶部浅层地下含水层供水，浅层水入渗进入溶腔，溶腔中水位不断上升，当水位上升至虹吸管转折端下管壁时，水流即翻越虹吸管转折端，间歇泉开始形成，随着转折端处的水位不断上升，间歇泉流量也随之增加，当溶腔水位达到虹吸管转折端最高处时，虹吸管充满水流形成虹吸现象，此时，间歇泉流量最大。供水量的最大流量为小于虹吸管充满时间歇泉的最大流量，大于间歇泉的最小流量，供水流量可通过调节稳压供水箱的高度来实现。因出水量大于补给量，溶腔中水位不断下降，当水位下降至虹吸管进口时空气进入，虹吸管内的真空被破坏，泉水断流。溶腔周边的地下水不断补给溶腔，溶腔中和虹吸管内地下水位不断上升，当水位高度超过虹吸管顶部时，泉水又开始出流。如此不断循环，形成了间歇泉现象。

2、调控间歇泉的出流和间歇时间：

1）若进行演示实验，则关闭溶腔底部U型连通管控制阀，此时只利用了溶腔1/3容积，间歇泉出流时间约3分钟，间歇时间（即溶腔充满水的时间）约4分钟。

2）若要进行模拟实验，则将溶腔底部U型连通管打开，此时溶腔容积全部利用，实验开始。当间歇泉开始出水时记录出水时间，同时测定三角堰堰口水头高度，注意观测最大流量时三角堰堰口水头高度。当间歇泉达到最大流量时，溶腔中水位开始逐渐下降，而间歇泉的泉口高度是固定的，虹吸管的管径也是一定的，因此间歇泉的流量就取决于溶腔中和间歇泉口的水位差，水位差越小，流量就越小，随溶腔中水位降低，间歇泉的流量也随之降低，当水位降至虹吸管进水口时，空气进入，虹吸现象消失，间歇泉停止出流。实验期间定时间测定间歇泉流量，并记录间歇泉停止时间。并开始下一次试验，记录间歇泉间歇时间。

3、资料整理：绘制整个实验过程流量与时间的关系曲线（Q～T），整理三角堰测流量表（见表1）

表1：第一溶腔时间歇泉试验流量Q与累计时间T记录（三角堰测流表）

累计时间T(min)	0.8	3.2	3.5	3.9	5.9	8	8.3	8.8
									流量Q（ml/s）	0	13.22	1697.2	84.1	0	15.87	1702.85	80
时间T(min)	10.9	12.9	13.4	13.9	15.8	17.6	18	18.4
									流量Q（ml/s）	0	86	1159.75	69.63	0	56.86	1213.96	78.21
时间T(min)	20.2	22.1	22.6	23	25.2	27.1	27.5	28
									流量Q（ml/s）	0	50.94	1036.73	76.9	0	22.57	1140.52	79.7
时间T(min)	29.5	31.2	31.7	32.3
									流量Q（ml/s）	0	51.07	1026.67	87.83

图6为第一溶腔间歇泉流量与时间关系曲线（Q-T曲线）图。

如果以野外岩溶间歇泉实际资料按比例设计制作模型；

4）通过间歇泉一次出水量可以了解当地岩溶发育程度。

5）通过野外调查泉域范围，根据间歇泉流量，可以计算出径流模数，结合当地降雨量可以求得入渗系数，从而计算出该地区地下水可利用的资源总量。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (4)

1.岩溶间歇泉成因实验装置，包括有水泵的储水箱，底部保持水平的模拟箱，装于模拟箱内的挡水板将模拟箱内腔上、下游分隔成石灰岩腔、三角堰测流腔，位于石灰岩腔内的石灰岩体中有溶腔、与溶腔相通的含间隙泉出口的虹吸管路，溶腔顶部有透水网孔板，透水网孔板上覆盖有砂砾石形成的浅层地下含水层，虹吸管路的入口端高于间歇泉出口端，虹吸管路最高处低于溶腔顶部，挡水板上有过水孔，三角堰测流腔内装有至少二块消能透水板、有堰口的三角堰，三角堰测流组件装于模拟箱壁相对消能板和三角堰间的位置上且与三角堰测流腔连通，挡水板上的过水孔的高度低于间歇泉出口高度而高于三角堰堰口高度，位于模拟箱外上游端的通过升降调节器能升、降的供水箱中有分别通过管道与储水箱内水泵和模拟箱内浅层地下含水层相通的供水腔、通过管道与储水箱相通的溢流腔，溶腔内垂直于模拟箱底部的隔水板将溶腔分隔成第一溶腔、第二溶腔，有控制阀的连通管两端分别与第一、第二溶腔底部连通，连通管过水量大于间歇泉的最大流量。

2.如权利要求1所述的岩溶间歇泉成因实验装置，其特征在于第一溶腔和第二溶腔的容积比为1∶2。

3.如权利要求1或2所述的岩溶间歇泉成因实验装置，其特征在于连通管上装有含排水控制阀的排水管。

4.如权利要求1或2所述的岩溶间歇泉成因实验装置，其特征在于升降调节器中有分别装于模拟箱外上游上、下端的上支座、下支座、装在供水箱上的有内螺纹的支耳，调节螺杆一端依次穿过上支座、与支耳螺纹配合后伸入下支座中且能转动。