CN103215911B - 一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置，包括模拟槽、测压装置及降雨装置，模拟槽为透明材料制成的矩形槽体，槽体的一端设置有水箱，水箱和槽体之间固定有隔板，在槽体相对的正反侧壁上设置有多个一一对应的呈矩阵排列的多功能孔，测压装置与最下一排多功能孔相连，降雨装置设置在模拟槽的上方，水箱和降雨装置分别通过连接管联接有蠕动泵，其特征在于：在槽体的正面侧壁上还设有多个横向均匀排列的观察孔，观察孔设置在多功能孔的上方，在槽体外侧还设置有染色装置固定在观察孔内。方法包括：装样、排气、试调阶段、实验阶段、分析总结。不仅模拟渗流特征，同时能研究降雨过程对土层盐分的影响，结构简单、实施方便且成本低。

Description

一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置与方法

技术领域

本发明涉及实验室用模拟装置，特别是一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置与方法。

背景技术

暗管排水排盐技术遵循“盐随水来，盐随水去”的水盐运移规律，利用专业埋管机埋设排水管于地下一定深度，在暗管自流或强排作用下，浅层地下咸水流至排水暗管，然后集中排出土体。通过设置暗管出水口高度控制地下水位，改变毛管水上升路径与包气带深度，使土壤水盐水平符合当前作物生长需要。

暗管排水排盐条件下渗流场的研究是主要集中于理论公式推导、物理渗流槽实验模型模拟和数值软件模拟。理论公式中采用的数学方法比较抽象，初学者难以理解；数值软件的模拟需要参数较多，同时人为影响较大；目前常采用的实验方法有渗流槽物理模型法，该方法可以较直观地表现暗管排水排盐过程中暗管附近渗流场的变化特征，同时通过模拟降雨装置研究降雨与排水相结合条件下渗流场的变化特征。前人设计的渗流槽物理模型涉及范围单一，仅仅针对单一埋管方案而设定，而且极少设计盐分的变化研究，因此，为了更直观更全面地对暗管排水排盐条件下暗管附近渗流场特征和各层土壤盐分的变化进行模拟，有必要建立一种基于暗管排水排盐的渗流槽物理模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种不仅可以模拟渗流特征，同时能研究降雨过程对土层盐分的影响，结构简单、实施方便且成本低的模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置与方法。

为了完成上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置，包括模拟槽、测压装置及降雨装置，模拟槽为透明材料制成的矩形槽体，槽体的一端设置有水箱，水箱和槽体之间固定有隔板，在槽体相对的正反侧壁上设置有多个一一对应的呈矩阵排列的多功能孔，所述的测压装置与最下一排多功能孔相连，所述降雨装置设置在模拟槽的上方，所述的水箱和降雨装置分别通过连接管联接有蠕动泵，在槽体的正面侧壁上还设有多个横向均匀排列的观察孔，观察孔设置在多功能孔的上方，在槽体外侧还设置有染色装置固定在观察孔内。

所述的染色装置包括设置在槽体内的宝塔接头和与其联接的连通管，在连通管的末端设置有空心球形的橡胶套，在所述的宝塔接头的外端固定有纱网过滤网，在橡胶套内设置有染色剂。

所述的降雨装置为一个或多个栅栏状的降雨管道，在降雨管道的管道壁上均匀分布有多个降雨孔，降雨管道的一端被橡胶塞封闭，另一端通过连接管与蠕动泵连接或与其他的降雨管道联接。

所述槽体为有机玻璃粘封而成的长方体，槽体的长度和高度大于槽体的宽度，槽体的上端为开口端，在槽体的开口端内固定有至少为一个的支护架，支护架为两块有机玻璃且呈纵向留有间隙相对固定在槽体开口端内，在支护架的间隙内设置有矩形的插板，插板为与槽体等宽等高的PVC薄板。

所述的多功能孔可按实际功能分成暗管孔、监测孔、测压孔，在多功能孔内设置有暗管的为暗管孔，在多功能孔内设置有盐分传感器的为监测孔，在多功能孔内设有连接管与测压装置相联接的为测压孔，所述的测压装置为测压板。

所述的暗管为横向穿过槽体且伸出正反两侧壁上的对应暗管孔的PVC管，所述暗管的管壁上设有多个通孔，在暗管的管壁外包覆有纱网过滤网。

所述槽体的底部设有泄水阀，所述槽体的正面侧壁的底部设有多个清理孔，在清理孔内设有连接管，连接管的一头固定有纱网过滤网，另一头设有进出水开关并与NaCl溶液或水源连接。

所述的隔板为与槽体等宽等高的矩形PVC板，在隔板表面设有多个渗水孔，在渗水孔内设置有封堵用的橡胶塞。

方法为：

一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的方法，包括以下步骤：

A、装样：将粉砂均匀装入槽体中至厚度为59cm，在粉砂上层铺6cm厚度的细砂，使之密实；

B、排气：先对降雨装置进行排气，打开与降雨装置连接的蠕动泵，蠕动泵将水充满降雨装置的降雨管道，完成对降雨装置的排气；然后对槽体进行排气，将隔板上的渗水孔、槽体上的观察孔和多功能孔用橡胶塞堵住，将连接管的一端与清理孔连接另一端与NaCl溶液的相连接，打开进出水开关使NaCl溶液从槽体底部向上部缓慢进入，直至NaCl溶液从槽体上部流出，即完成了槽体的排气，最后用染色装置的橡胶套对各个观察孔外的橡胶塞进行替换；

C、试调阶段：查看各个监测孔内的盐分传感器的读数是否正常，向水箱中输入相同浓度的NaCl溶液，拔出隔板上渗水孔的橡胶塞，待排水稳定后，将测压孔与测压板进行联接，打开降雨装置并拔出一个暗管孔的橡胶塞，挤压染色装置的橡胶套，将染色剂注入槽体内，观察实验现象和记录盐分传感器的数据；

D、实验阶段：用橡胶塞堵住隔板上的渗水孔，在保持降雨装置的稳定排水条件下，利用清理孔进行排水，将试调阶段的染色剂颜色清洗干净后，再将清理孔用橡胶塞封堵，关闭降雨装置；然后拔出隔板上渗水孔内的橡胶塞，待排水稳定后，打开降雨装置并拔出一个暗管孔的橡胶塞，挤压染色装置的橡胶套，将染色剂注入槽体内，观察实验现象和记录盐分传感器的数据；

E、分析总结：选择一次实验的数据进行整理分析，在把水位通过水箱及蠕动泵平稳控制好后，进行染色实验，观察染色剂的流线特征，降雨过程中离暗管距离越远，染色剂的流线越长，表明暗管明显的改变了原来降雨的垂直入渗的方式；通过测压板数据的显示，离暗管越近的测压水头越小,表明暗管打破了地下水原有的平衡状态，改变了原来地下水流动的方向，使地下水流动呈现趋管性现象；取离暗管最远的一列监测孔的盐分数据进行分析，在降雨过程中，土层含盐量由上到下依次升高，说明在降雨条件下暗管排水排盐技术起到了有效的排盐效果，对改良盐碱地有重要的作用。

所述的步骤E中，对于其他的暗管，在进行试验时，需要将插板移至相对应的位置，将对应位置的降雨装置由连接管连接，并重复步骤A至步骤D，进行不同间距和埋深暗管附近的渗流场特征的对比。

本发明的有益效果是：不仅可以模拟不同埋设深度和间距的暗管渗流特征，同时能够利用此装置研究降雨过程中不同暗管埋设深度和间距暗管对各土层盐分的影响，其结构简单、设计合理、实施方便且实现成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中隔板的结构示意图。

图3为图1中降雨装置的结构示意图。

图4为图1中染色装置的结构示意图。

图5为本发明中暗管的装配示意图。

图6为染色剂流线图。

图7为水压分布图。

图8为盐分变化图。

图中，1、槽体，2、水箱，3、隔板，4、多功能孔，5、测压装置，6、降雨装置，7、连接管，8、蠕动泵，9、观察孔，10、染色装置，11、宝塔接头，12、连通管，13、橡胶套，14、橡胶塞，15、支护架，16、插板，17、暗管，18、泄水阀，19、清理孔，20、渗水孔。

具体实施方式

本发明为一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置与方法，不仅可以模拟不同埋设深度和间距的暗管渗流特征，同时能够利用此装置研究降雨过程中不同暗管埋设深度和间距暗管对各土层盐分的影响，其结构简单、设计合理、实施方便且实现成本低。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

具体实施例，如图1至图8所示，一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置，包括模拟槽、测压装置5及降雨装置6，模拟槽为透明材料制成的矩形槽体1，槽体1为有机玻璃粘封而成的长方体，槽体1的长度和高度大于槽体1的宽度，槽体1长425cm，宽10cm，高65cm，槽体1的上端为开口端，在槽体1的开口端内固定有三个支护架15，支护架15为两块有机玻璃且呈纵向留有间隙相对固定在槽体1开口端内，在支护架15的间隙内设置有矩形的插板16，插板16为与槽体1等宽等高的PVC薄板；槽体1的一端设置有水箱2，水箱2和槽体1之间固定有隔板3，隔板3为与槽体1等宽等高的矩形PVC板，在隔板3表面设有多个渗水孔20，在渗水孔20内设置有封堵用的橡胶塞14；所述槽体1的底部设有泄水阀18，所述槽体1的正面侧壁的底部设有9个清理孔19，在清理孔19内设有连接管7，连接管7的一头固定有纱网过滤网，另一头设有进出水开关并与NaCl溶液或水源连接；在槽体1相对的正反侧壁上都设置有72个一一对应的呈8x9矩阵排列的多功能孔4，多功能孔4可按实际功能分成9个暗管孔、54个监测孔、9个测压孔，在多功能孔4内设置有暗管17的为暗管孔，暗管17为横向穿过槽体1且伸出正反两侧壁上的对应暗管孔的PVC管，所述暗管17的管壁上设有多个通孔，在暗管17的管壁外包覆有纱网过滤网，在多功能孔4内设置有盐分传感器的为监测孔，在多功能孔4内设有连接管7与测压装置5相联接的为测压孔，所述的测压装置5为测压板，所述的测压装置5与最下一排多功能孔4相连；所述降雨装置6设置在模拟槽的上方，降雨装置6为一个或多个栅栏状的降雨管道，在降雨管道的管道壁上均匀分布有多个降雨孔，降雨管道的一端被橡胶塞14封闭，另一端通过连接管7与蠕动泵8连接或与其他的降雨管道联接，所述的水箱2和降雨装置6分别通过连接管7联接有蠕动泵8；在槽体1的正面侧壁上还设有17个横向均匀排列的观察孔9，各个观察孔9的间隔为25cm，，观察孔9设置在多功能孔4的上方，在槽体1外侧还设置有染色装置10固定在观察孔9内，所述的染色装置10包括设置在槽体1内的宝塔接头11和与其联接的连通管12，在连通管12的末端设置有空心球形的橡胶套13，在所述的宝塔接头11的外端固定有纱网过滤网，在橡胶套13内设置有染色剂。

本发明装置遵循相似模拟的原则：

(1)           几何相似

本发明装置和自然界渗流区域中所有的长度元素成一定比例。即自然渗流区域长度与模型长度的比值、自然界渗流区域宽度与模型宽度的比值、自然界渗流区域厚度与模型厚度的比值及自然界渗流区域中暗管直径厚度与模型暗管直径的比值相等。

(2)           动力相似

本发明装置和自然界渗流中相应液体质点所受到的力的性质相同，且保持一定的比例。

(3)           运动规律相似

本发明装置和自然界中相应液体质点的迹线相似，而且流体质点流经相应的迹线所需时间应成一定比例。

当进行试验时，需要进行以下步骤：

本发明以大田中直径为10cm的暗管，埋设方案为1m埋深20m间距、1.2m埋深30m间距、1.4埋深40m间距的进行5:1比例进行缩小单管单侧模拟，以1m埋深20m间距直径为10cm的暗管为例进行说明，选择模拟槽中第一个暗管孔进行实验，其他孔用橡胶塞堵住；

A、装样：将粉砂均匀装入槽体1中至厚度为59cm，在粉砂上层铺6cm厚度的细砂，使之密实；

B、排气：先对降雨装置6进行排气，打开与降雨装置6连接的蠕动泵8，蠕动泵8将水充满降雨装置6的降雨管道，完成对降雨装置6的排气；然后对槽体1进行排气，将隔板3上的渗水孔20、槽体1上的观察孔9和多功能孔4用橡胶塞14堵住，将连接管7的一端与清理孔19连接另一端与NaCl溶液的相连接，打开进出水开关使NaCl溶液从槽体1底部向上部缓慢进入，直至NaCl溶液从槽体1上部流出，即完成了槽体1的排气，最后用染色装置10的橡胶套13对各个观察孔9外的橡胶塞14进行替换；

C、试调阶段：查看各个监测孔内的盐分传感器的读数是否正常，向水箱2中输入相同浓度的NaCl溶液，拔出隔板3上渗水孔20的橡胶塞14，待排水稳定后，将测压孔与测压板进行联接，打开降雨装置6并拔出一个暗管孔的橡胶塞14，挤压染色装置10的橡胶套13，将染色剂注入槽体1内，观察实验现象和记录盐分传感器的数据；

D、实验阶段：用橡胶塞14堵住隔板3上的渗水孔20，在保持降雨装置6的稳定排水条件下，利用清理孔19进行排水，将试调阶段的染色剂颜色清洗干净后，再将清理孔19用橡胶塞14封堵，关闭降雨装置；然后拔出隔板3上渗水孔20内的橡胶塞14，待排水稳定后，打开降雨装置6并拔出一个暗管孔的橡胶塞14，挤压染色装置的橡胶套13，将染色剂注入槽体1内，观察实验现象和记录盐分传感器的数据；

E、分析总结：选择一次实验的数据进行整理分析，在把水位通过水箱2及蠕动泵8平稳控制好后，进行染色实验，观察染色剂的流线特征，降雨过程中离暗管17距离越远，染色剂的流线越长，表明暗管17明显的改变了原来降雨的垂直入渗的方式；通过测压板数据的显示，离暗管17越近的测压水头越小,表明暗管17打破了地下水原有的平衡状态，改变了原来地下水流动的方向，使地下水流动呈现趋管性现象；取离暗管17最远的一列监测孔的盐分数据进行分析，在降雨过程中，土层含盐量由上到下依次升高，说明在降雨条件下暗管排水排盐技术起到了有效的排盐效果，对改良盐碱地有重要的作用。

在步骤E中，对于其他的暗管17，在进行试验时，需要将插板16移至相对应的位置，将对应位置的降雨装置6由连接管7连接，并重复步骤A至步骤D，进行不同间距和埋深暗管17附近的渗流场特征的对比。本发明提供的一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置与方法有以下优点：1、模拟暗管排水排盐技术中水流向暗管的物理现象，直接观测暗管附近土层的渗流过程。2、它可以模拟不同暗管埋设深度和间距下暗管附近渗流场的变化特征和土层盐分变化的研究。3、本发明结构简单、设计合理、实施方便且实现成本低。

Claims (5)

1.一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置，包括模拟槽、测压装置(5)及降雨装置(6)，模拟槽为透明材料制成的矩形槽体(1)，槽体(1)的一端设置有水箱(2)，水箱(2)和槽体(1)之间固定有隔板(3)，在槽体(1)相对的正反侧壁上设置有多个一一对应的呈矩阵排列的多功能孔(4)，所述的测压装置(5)与最下一排多功能孔(4)相连，所述降雨装置(6)设置在模拟槽的上方，所述的水箱(2)和降雨装置(6)分别通过连接管(7)联接有蠕动泵(8)，在槽体(1)的正面侧壁上还设有多个横向均匀排列的观察孔(9)，观察孔(9)设置在多功能孔(4)的上方，在槽体(1)外侧还设置有染色装置(10)固定在观察孔(9)内，所述的染色装置(10)包括设置在槽体(1)内的宝塔接头(11)和与其联接的连通管(12)，在连通管(12)的末端设置有空心球形的橡胶套(13)，在所述的宝塔接头(11)的外端固定有纱网过滤网，在橡胶套(13)内设置有染色剂，所述的降雨装置(6)为一个或多个栅栏状的降雨管道，在降雨管道的管道壁上均匀分布有多个降雨孔，降雨管道的一端被橡胶塞(14)封闭，另一端通过连接管(7)与蠕动泵(8)连接或与其他的降雨管道联接，所述的多功能孔(4)可按实际功能分成暗管孔、监测孔、测压孔，在多功能孔(4)内设置有暗管(17)的为暗管孔，在多功能孔(4)内设置有盐分传感器的为监测孔，在多功能孔(4)内设有连接管(7)与测压装置(5)相联接的为测压孔，所述的测压装置(5)为测压板，所述的隔板(3)为与槽体(1)等宽等高的矩形PVC板，在隔板(3)表面设有多个渗水孔(20)，在渗水孔(20)内设置有封堵用的橡胶塞(14)，其特征在于：基于所述模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置的一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的方法，包括以下步骤：

A、装样：将粉砂均匀装入槽体(1)中至厚度为59cm，在粉砂上层铺6cm厚度的细砂，使之密实；

B、排气：先对降雨装置(6)进行排气，打开与降雨装置(6)连接的蠕动泵(8)，蠕动泵(8)将水充满降雨装置(6)的降雨管道，完成对降雨装置(6)的排气；然后对槽体(1)进行排气，将隔板(3)上的渗水孔(20)、槽体(1)上的观察孔(9)和多功能孔(4)用橡胶塞(14)堵住，将连接管(7)的一端与清理孔(19)连接，另一端与NaCl溶液的相连接，打开进出水开关使NaCl溶液从槽体(1)底部向上部缓慢进入，直至NaCl溶液从槽体(1)上部流出，即完成了槽体(1)的排气，最后用染色装置(10)的橡胶套(13)对各个观察孔(9)外的橡胶塞(14)进行替换；

C、试调阶段：查看各个监测孔内的盐分传感器的读数是否正常，向水箱(2)中输入相同浓度的NaCl溶液，拔出隔板(3)上渗水孔(20)的橡胶塞(14)，待排水稳定后，将测压孔与测压板进行联接，打开降雨装置(6)并拔出一个暗管孔的橡胶塞(14)，挤压染色装置(10)的橡胶套(13)，将染色剂注入槽体(1)内，观察实验现象和记录盐分传感器的数据；

D、实验阶段：用橡胶塞(14)堵住隔板(3)上的渗水孔(20)，在保持降雨装置(6)的稳定排水条件下，利用清理孔(19)进行排水，将试调阶段的染色剂颜色清洗干净后，再将清理孔(19)用橡胶塞(14)封堵，关闭降雨装置；然后拔出隔板(3)上渗水孔(20)内的橡胶塞(14)，待排水稳定后，打开降雨装置(6)并拔出一个暗管孔的橡胶塞(14)，挤压染色装置的橡胶套(13)，将染色剂注入槽体(1)内，观察实验现象和记录盐分传感器的数据；

E、分析总结：选择一次实验的数据进行整理分析，在把水位通过水箱(2)及蠕动泵(8)平稳控制好后，进行染色实验，观察染色剂的流线特征，降雨过程中离暗管(17)距离越远，染色剂的流线越长，表明暗管(17)明显的改变了原来降雨的垂直入渗的方式；通过测压板数据的显示，离暗管(17)越近的测压水头越小,表明暗管(17)打破了地下水原有的平衡状态，改变了原来地下水流动的方向，使地下水流动呈现趋管性现象；取离暗管(17)最远的一列监测孔的盐分数据进行分析，在降雨过程中，土层含盐量由上到下依次升高，说明在降雨条件下暗管排水排盐技术起到了有效的排盐效果，对改良盐碱地有重要的作用。

2.根据权利要求1所述的一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置，其特征在于：所述槽体(1)为有机玻璃粘封而成的长方体，槽体(1)的长度和高度大于槽体(1)的宽度，槽体(1)的上端为开口端，在槽体(1)的开口端内固定有至少为一个的支护架(15)，支护架(15)为两块有机玻璃且呈纵向留有间隙相对固定在槽体(1)开口端内，在支护架(15)的间隙内设置有矩形的插板(16)，插板(16)为与槽体(1)等宽等高的PVC薄板。

3.根据权利要求1所述的一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置，其特征在于：所述的暗管(17)为横向穿过槽体(1)且伸出正反两侧壁上的对应暗管孔的PVC管，所述暗管(17)的管壁上设有多个通孔，在暗管(17)的管壁外包覆有纱网过滤网。

4.根据权利要求1所述的一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置，其特征在于：所述槽体(1)的底部设有泄水阀(18)，所述槽体(1)的正面侧壁的底部设有多个清理孔(19)，在清理孔(19)内设有连接管(7)，连接管(7)的一头固定有纱网过滤网，另一头设有进出水开关并与NaCl溶液或水源连接。

5.根据权利要求1所述的一种模拟暗管排水排盐渗流场和盐分变化的装置，其特征在于：所述的步骤E中，对于其他的暗管(17)，在进行试验时，需要将插板(16)移至相对应的位置，将对应位置的降雨装置(6)由连接管(7)连接，并重复步骤A至步骤D，进行不同间距和埋深暗管(17)附近的渗流场特征的对比。