CN106093347A - 多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统及特征参数测定方法 - Google Patents

Abstract

多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统及特征参数测定方法，模拟系统包括底部构件、连接在底部构件上的一个或多个串联的土柱实验标准构件以及土柱实验标准构件顶部的多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置；模拟系统装土构件为多个标准构件且由计算机自动化控制，并且基于该系统实现特征参数的测定，并给出了测试步骤及计算方法，测定时采用大直径的原状土柱进行室内实验，运用多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置模拟三种水力边界条件，即低强度煤矸石淋滤液全入渗边界条件、中强度煤矸石淋滤液有径流入渗边界条件和高强度煤矸石淋滤液稳定入渗边界条件；本发明具有实用性强，使用效果好，便于推广使用的特点。

Description

多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统及特征参数测定方法

技术领域

本发明属于矿区环境保护领域，特别涉及多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统及特征参数测定方法。

背景技术

降水主要是指降雨和降雪，水分以各种形式从大气到达地面，其它形式的降水还包括露、霜、雹等。降水是水文循环的重要环节，也是人类用水的基本来源。降水资料是分析合理洪枯水情、流域旱情的基础，也是水资源的开发利用如防洪、发电、灌溉等的规划设计与管理运用的基础。降水入渗补给地下水的过程是大气水到土壤水到地下水“三水”相互转换关系中最基本的环节之一，降水入渗对地下水的补给量即为降水补给量，它是地下水的主要补给方式，同时，也是区域水均衡计算中的一个重要均衡要素。

煤矸石是一种混合物，一般将采煤过程和选煤厂生产过程中排出的碳质岩、泥质岩、砂质岩、粉砂岩和少量石灰石称为煤矸石，它是煤炭开采和加工过程中排放的废弃物。目前我国煤矸石的处理方式主要是露天堆放，积存量已达41亿吨以上，并且每年仍以亿吨以上的速度递增。煤矸石在雨水淋滤作用下形成酸性水，使大量的悬浮物、有机物对周围水环境造成严重污染，是矿区环境污染的主要问题之一。淋滤液中的重金属元素毒性很强、污染严重，对生物和人类健康均会造成危害，进入土壤后可向浅层地下水迁移。煤矸石淋滤液入渗运移过程是一个多种组分和多相渗流的问题。

土柱实验被广泛应用于农业、林业、地质、土木和环境等研究领域。应用土柱实验可以在实验室内模拟土壤水分和污染物迁移规律。土柱通常分为原状土柱和扰动土柱两种。原状土柱能够用来测试土体本身的结构及其物理性质；当前土柱实验一般采用扰动土柱，扰动土柱是经过筛分形成，或者按照一定比例混合填装所形成的，其不能用来测试土体本身的结构特性。不管采用哪种土柱进行试验，都存在以下问题：①土柱实验装土构件单节长度大，便捷性差，以至于土柱安装困难，对仪器的清洗造成不便；②监测设备安装繁琐，需要对土柱进行钻孔，破坏其结构性；③监测设备一般为人工观测，使得实验精度低、人为性强。

非饱和渗透系数与水动力弥散系数是描述非饱和土壤中水分运移和溶质输送的重要函数关系，是分析降水条件下土坡稳定性、固体废物填埋场、地下污水的迁移和填土工程等问题的重要参数。由于在非饱和土中有基质吸力的存在，确定煤矸石淋滤液入渗条件下的特征参数具有较大的难度。非饱和渗透系数和水动力弥散系数的测定既可在实验室，也可在现场进行。室内实验的优点是可在设定的水力边界条件下测试原状试样和重塑试样的特征参数，同时与原位实测相比，室内实验周期短、经济且更成熟。但通常由于非饱和土的成分、结构以及赋存环境的差异，导致了室内实验所用小试件难以代表真正土体的实际情况。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统及特征参数测定方法，基于大直径的原状土柱进行室内实验，采用多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)，模拟系统装土构件为多个标准构件且由计算机自动化控制，并且基于该系统实现了特征参数测定，并给出了测试步骤及计算方法，具有实用性强，使用效果好，便于推广使用的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统，包括底部构件(1)、连接在底部构件(1)上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)；

所述的底部构件(1)包括位于最下方的底座(1-1)，底座(1-1)上的集水点通过塑料软管(2)接入出渗量量杯(3)，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1)，第三流量传感器(3-1)接入计算机(7)；底座(1-1)的上方设置有承力柱(1-2)，承力柱(1-2)的上部设置有高进气值陶土板(1-3)，高进气值陶土板(1-3)的四周边沿均与底部构件(1)管件(1-7)的内壁水平紧贴，高进气值陶土板(1-3)的顶部设置有滤纸(1-4)，滤纸(1-4)的上表面与原状土样(12)接触；管件(1-7)的顶端设置有外螺纹连接段(1-6)，外螺纹连接段(1-6)通过法兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；

所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土柱实验标准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁(4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接；插入件(5)通过橡胶塞(5-7)插入原状土样(12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)；土壤热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内，土壤热传导吸力探头(4-7)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)；X射线荧光光谱探头(4-8)经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内，X射线荧光光谱探头(4-8)所采集的数据都实时传输给计算机(7)；土柱实验标准构件(4)上固定有多个测压管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；所述的插入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤热传导吸力探头(4-7)在土柱上按照同一列布置，X射线荧光光谱探头(4-8)在土柱上按照同一列布置，测压管(4-9)在土柱上按照同一列布置；

所述的承力柱(1-2)包括承力柱支座(1-22)以及固定在其上的承力柱主体(1-21)，所述承力柱支座(1-22)与底座(1-1)为一体成型，承力柱支座(1-22)在土柱竖向投影按照“一个圆心+以底座(1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份”方式布置；承力柱主体(1-21)长度不同使得底座(1-1)呈现坡度；

所述的土柱底部构件(1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件(10)均由耐高温玻璃钢制成；

所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温湿度传感器探头(4-5)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的外侧中段设置有挡板(5-3)；

所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为：纵向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布；

所述的卡箍(4-30)由两半圆环钢圈(4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧程度，使标准圆柱构件紧密结合；

所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2)；

所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置有温湿度探测输出端(7-2)、基质吸力探测输出端(7-3)和重金属离子浓度监测值输出端(7-4)；温湿度探测输出端(7-2)经导线(9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸力探头(4-7)，重金属离子浓度监测值输出端(7-4)经导线(9)连接X射线荧光光谱探头(4-8)；

多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)包括低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)、中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置(17)和高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)；

所述的低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)包括外侧刻有刻度的煤矸石淋滤液桶(16-1)，煤矸石淋滤液桶(16-1)的下方通过输液管(16-12)与煤矸石淋滤液喷头(16-9)连通，煤矸石淋滤液喷头(16-9)设置于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件(10)顶部，圆柱构件(10)内高出原状土样(12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔；U型水头控制管(10-2)内的液面上设置有轻质塑料片(16-8)，所述轻质塑料片(16-8)形式为薄圆片，所述轻质塑料片(16-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁(16-7)，永久磁铁(16-7)的正上方设置有拉线(16-3)吊挂的电线圈(16-6)，电线圈(16-6)外接有导线(9)，拉线(16-3)的上端缠于转轮(16-2)上，转轮(16-2)上设置有把手(16-4)，转轮(16-2)上端用拉线(16-3)通过着力构件(16-11)的小孔与止水阀(16-5)下部相连接，止水阀(16-5)下端设置有轻质弹簧(16-10)，所述圆柱构件(10)与U型水头控制管(10-2)相连接，轻质塑料片(16-8)、永久磁铁(16-7)和电线圈(16-6)都在U型水头控制管(10-2)的滑槽(16-13)内运动；所述滑槽(16-13)嵌于U型水头控制管(10-2)内壁，所述电线圈(16-6)按照边沿处三等分设置有滑轨(16-14)，所述滑轨(16-14)可在滑槽(16-13)内自由上下运动；所述的低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)控制原状土样(12)表面液体的液面高度低于1mm；

所述的中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置(17)包括设置在圆柱构件(10)内的煤矸石淋滤液容器(17-9)和设置在煤矸石淋滤液容器(17-9)底部的圆形小孔(17-10)，圆柱构件(10)内高出原状土样(12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔；所述煤矸石淋滤液容器(17-9)的顶部设置有压力控制管(17-8)和与外部煤矸石淋滤液连接的进液管(17-7)；所述进液管(17-7)上设置有进液电磁阀(17-2)、进液泵(17-1)和用于对煤矸石淋滤液的量进行实时监测的第一流量传感器(17-3)；所述煤矸石淋滤液容器内压力控制管(17-8)上设置有压力控制电磁阀(17-5)和压力传感器(17-6)，所述煤矸石淋滤液容器内压力控制管(17-8)的尾部连接有空气压缩机(17-4)；所述煤矸石淋滤液容器(17-9)的顶部内壁上设置有用于对煤矸石淋滤液容器(17-9)内液体的液面高度进行实时监测的水位传感器(17-11)；所述圆柱构件(10)内的原状土样(12)上表面外侧开有出液口(10-1)，出液口(10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯(13)，所述塑料软管(2)上设置有第二流量传感器(13-1)，所述第二流量传感器(13-1)通过导线(9)接入计算机(7)；

所述的高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)包括外侧刻有刻度的煤矸石淋滤液桶(14-1)，煤矸石淋滤液桶(14-1)的下方通过输液管(14-12)与煤矸石淋滤液喷头(14-9)连通，煤矸石淋滤液喷头(14-9)设置于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件(10)顶部，圆柱构件(10)内高出原状土样(12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔；U型水头控制管(10-2)内的液面上设置有轻质塑料片(14-8)，所述轻质塑料片(14-8)形式为薄圆片，所述轻质塑料片(14-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁(14-7)，永久磁铁(14-7)的正上方设置有拉线(14-3)吊挂的电线圈(14-6)，电线圈(14-6)外接有导线(9)，拉线(14-3)的上端缠于转轮(14-2)上，转轮(14-2)上设置有把手(14-4)，转轮(14-2)上端用拉线(14-3)通过着力构件(14-11)的小孔与止水阀(14-5)下部相连接，止水阀(14-5)下端设置有轻质弹簧(14-10)，所述圆柱构件(10)与U型水头控制管(10-2)相连接，轻质塑料片(14-8)、永久磁铁(14-7)和电线圈(14-6)都在U型水头控制管(10-2)的滑槽(14-13)内运动；所述滑槽(14-13)嵌于U型水头控制管(10-2)内壁，所述电线圈(14-6)按照边沿处三等分设置有滑轨(14-14)，所述滑轨(14-14)可在滑槽(14-13)内自由上下运动，所述的高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)控制原状土样(12)表面液体的液面高度高于1cm以上。

基于多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统的特征参数测定方法，包括以下步骤：

步骤一、组装土柱实验标准构件

分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过扳手上紧套在螺丝杆件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3)上，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；

步骤二、安装原状土样

选取预先准备好的原状土样(12)，将原状土样(12)竖立在地面上，将已经连接好的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样(12)，将原状土样(12)与土柱实验标准构件(4)之间的缝隙密封及防水处理保证后续实验时煤矸石淋滤液不从缝隙直接流下；

步骤三、组装土柱实验仪器设备

先将底座(1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体(1-21)套放在对应的承力柱支座(1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气值陶土板(1-3)上表面铺设有滤纸(1-4)，所述承力柱主体(1-21)、高进气值陶土板(1-3)、滤纸(1-4)均位于管件(1-7)内部；在集水处最低位置设置一个出液孔外接塑料软管(2)，将所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3)，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7)，然后将法兰(6)的法兰螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件(1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样(12)通过土柱实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件(1)上端的法兰(6)的法兰螺纹(6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样(12)位于底部构件(1)滤纸(1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件(10)进行连接；

步骤四、测定原状土样的初始状态

原状土样(12)的初始含水率：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始含水率θ_c；

原状土样(12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样(12)的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始基质吸力F_ac；

原状土样(12)的重金属离子浓度本底值：多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对初始状态的原状土样(12)重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号记录为各个测试点重金属离子浓度本底值c；

原状土样(12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h_c；

原状土样(12)的饱和含水率：将原状土样(12)的取样地点带回的其它土样进行饱和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率；取土样放入称量盒内，为其注水直至水面浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和称量盒放入烘箱内，进行烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为m_s，之后利用公式计算求得原状土样(12)的饱和含水率θ_sat；

步骤五、模拟三种强度水力边界条件

根据测试要求，将煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)配合土柱实验标准构件(4)工作，模拟三种水力边界条件，即低强度煤矸石淋滤液全入渗边界条件、中强度煤矸石淋滤液有径流入渗边界条件和高强度煤矸石淋滤液稳定入渗边界条件；

步骤六、模拟过程中的各参数监测

多个温湿度传感器探头(4-5)分别对模拟过程中的原状土样(12)的湿度进行监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的含水率θ_i；多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样(12)的基质吸力进行监测，将监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点记录时刻对应的基质吸力F_a；多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对模拟过程中的原状土样(12)的重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号记录为各个测试点记录时刻对应的重金属离子浓度c_i；多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点记录时刻对应的水头高度h_i；

上述所有的监测，其监测时间频率设置如下：煤矸石淋滤液入渗5分钟内，记录时间间隔为5秒，煤矸石淋滤液入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，煤矸石淋滤液入渗15-30分钟内，记录时间间隔为15秒，煤矸石淋滤液入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，煤矸石淋滤液入渗60分钟以后记录时间间隔为60秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上；

步骤七、模拟过程中监测结果分析

对所记录的某一时刻的基质吸力F_a和重金属离子浓度c_i监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)所对应的基质吸力云图和重金属离子浓度云图；同时对所记录的某一时刻原状土样(12)所对应的含水率θ_i监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)对应的含水率云图；

依据含水率云图的变化规律，找出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润前锋的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位置连线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律；根据含水率云图，依据含水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率θ_sat的等值线，从而确定完全饱和带，所述完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋与完全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率θ_sat等值线之间的区域被定义为煤矸石淋滤液入渗过渡带；

绘制基质吸力F_a和含水率θ_i的关系图，从而分别得到各土层的土-水特征曲线；

步骤八、煤矸石淋滤液入渗系数计算

根据公式Q_r＝Q_z-Q_j，计算得到煤矸石淋滤液入渗量Q_r，单位为cm³；其中Q_z为煤矸石淋滤液总降入量，单位为cm³；Q_j为煤矸石淋滤液径流量，单位为cm³；

根据公式△S＝Q_r-Q_c，计算得到煤矸石淋滤液入渗的亏损量△S，单位为cm³；其中Q_r为煤矸石淋滤液入渗量，单位为cm³；Q_c为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm³；

根据公式V_r＝Q_r/t计算得到煤矸石淋滤液入渗率V_r，单位为cm³/s；其中Q_r为煤矸石淋滤液入渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式V_c＝Q_c/t计算得到煤矸石淋滤液出渗率V_c，单位为cm³/s；其中Q_c为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式α＝Q_c/Q_z计算得到煤矸石淋滤液入渗系数α，单位为无量纲；其中Q_c为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm³；Q_z为煤矸石淋滤液总降入量；

步骤九、非饱和渗透系数计算

基于土柱实验的煤矸石淋滤液入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下

$(v_y+\frac{{\mathrm{dv}}_y}{dy}dy)dxdz-v_{y}dxdz=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}dxdydz---\left(1\right)$

将Darcy定律代入以上方程(1)得

$\frac{d(-kdh/dy)}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(2\right)$

对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(3\right)$

根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力(σ-u_a)和基质吸力值的变化将会引起体积含水率θ_w的变化，即

${\mathrm{d\θ}}_w=-{m_1}^{w}d(\mathrm{\σ}-u_a)-m_2^w(u_a-u_w)---\left(4\right)$

式中：σ——总应力；

m₁ ^w——与法向应力(σ-u_a)变化有关的水的体积变化系数；

——与基质吸力(u_a-u_w)变化有关的水的体积变化系数；

将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作用，假定在非饱和区气相连续不变，得

$\frac{\∂{\mathrm{\θ}}_w}{\∂t}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(5\right)$

其中：即土-水特征曲线的斜率；

由(3)、(5)式可得

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(6\right)$

其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲；h为总水头高度，单位为cm；y为土柱测点高度，单位为cm；γ_w为水的重度，单位为N/m³；为土-水特征曲线的斜率，单位为无量纲；t为时间，单位为s；

依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制其分布图；

步骤十、水动力弥散系数计算

由水量均衡原理，土柱上任意截面y处的水分通量q_y，可表示为

$q_0-q_y=\frac{1}{\mathrm{\Δ}t}\[{\∫}_0^z\mathrm{\θ}\left(t_2\right)dy-{\∫}_0^z\mathrm{\θ}\left(t_1\right)dy\]---\left(7\right)$

$q_y^{k+1/2}=\frac{1}{2}(q_0^{k+1}+q_0^k)-\frac{\mathrm{\Δ}y}{2\mathrm{\Δ}t}\[\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^{k+1}+{\mathrm{\θ}}_i^{k+1})-\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^k+{\mathrm{\θ}}_i^k)\]---\left(8\right)$

式中：q_y为任意截面y处的水分通量，cm/d；q₀为土柱顶部的进水量，cm/d；θ为体积含水率，cm³/cm³；Δt为时段，Δt＝t₂-t₁，d；k为时段数；

土柱上任意截面y处的溶质通量J_y由质量守恒原理得

$J_0-J_y=\frac{1}{\mathrm{\Δ}t}\[{\∫}_0^y\mathrm{\θ}\left(t_2\right)c\left(t_2\right)dy-{\∫}_0^y\mathrm{\θ}\left(t_1\right)c\left(t_2\right)dy\]---\left(9\right)$

$J_y^{k+1/2}=\frac{1}{2}(J_0^{k+1}+J_0^k)-\frac{\mathrm{\Δ}z}{4\mathrm{\Δ}t}\[\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^{k+1}+{\mathrm{\θ}}_i^{k+1})(c_{i+1}^{k+1}+c_i^{k+1})-\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^k+{\mathrm{\θ}}_i^k)(c_{i+1}^k+c_i^k)\]---\left(10\right)$

式中：J_y为任意截面y处的溶质通量，g/(cm²·d)；J₀为土柱顶部的溶质通量，g/(cm²·d)；c_i为土壤溶液浓度，g/cm³；θ为体积含水率，cm³/cm³；Δt为时段，Δt＝t₂-t₁，d；k为时段数；

根据水动力弥散原理，溶质通量等于水动力弥散通量与对流通量之和，即

$J=-{\mathrm{\θD}}_{sh}\frac{\∂c}{\∂y}+qc---\left(11\right)$

$D_{sh}=\frac{1}{\mathrm{\θ}\frac{\∂c}{\∂y}}+(qc-J)---\left(12\right)$

式中：D_sh为水动力弥散系数，cm²/d；其余符号同前；

${\left(D_{sh}\right)}_y^{k+1/2}=\frac{2\mathrm{\Δ}y}{({\mathrm{\θ}}_y^{k+1}+{\mathrm{\θ}}_y^k)(c_y^{k+1}-c_y^k)}\[q_y^{k1/2}(c_y^{k+1}+c_y^k)-J_y^{k+1/2}\]---\left(13\right)$

将前面计算出的和代入上式即可计算水动力弥散系数D_sh，若取一系列y断面则可计算出一系列D_sh，从而将D_sh和对应的非饱和渗透系数k或孔隙流速v拟合成经验公式。

步骤五所述的三种水力边界条件，其低强度煤矸石淋滤液全入渗的具体模拟步骤为：

(1)、向煤矸石淋滤液桶(16-1)内加煤矸石淋滤液(15)，此时使止水阀(16-5)处于关闭状态，然后打开止水阀(16-5)，煤矸石淋滤液(15)经输液管(16-12)从煤矸石淋滤液喷头(16-9)流至圆柱构件(10)内的抗水压冲击板(A)上，再到达原状土样(12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样(12)不受煤矸石淋滤液冲击侵蚀的作用；位于U型水头控制管(10-2)内的轻质塑料片(16-8)与其上方的永久磁铁(16-7)在煤矸石淋滤液(15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件(10)内液体的液面高度相同，当上部的圆柱构件(10)内液体的液面高度上升到高出原状土样(12)1mm时，通过导线(9)给电线圈(16-6)供电形成电磁铁，同时通过把手(16-4)带动转轮(16-2)转动，所述转轮(16-2)上缠有拉线(16-3)，所述电线圈(16-6)随着拉线(16-3)在滑槽(16-13)内垂直运动，转动把手(16-4)调整拉线(16-3)长度使止水阀(16-5)在轻质弹簧(16-10)的作用下接近于关闭状态来进行粗调，然后改变电线圈(16-6)的外部导线(9)所接电源电压的大小来进行精调，使此时止水阀(16-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管(10-2)内的液体的液面高度随着上部的圆柱构件(10)内的液体的液面高度下降时，所述轻质塑料片(16-8)和永久磁铁(16-7)也随之下降，永久磁铁(16-7)与电线圈(16-6)之间的磁力减小，所述轻质弹簧(16-10)受到的荷载增加产生压缩形变，位于轻质弹簧(16-10)上的止水阀(16-5)打开，煤矸石淋滤液(15)继续经输液管(16-12)从煤矸石淋滤液喷头(16-9)流入圆柱构件(10)内进行补给；当补给到圆柱构件(10)内液体的液面高度再次上升到高出原状土样(12)1mm时，止水阀(16-5)就会处于关闭状态，反之则止水阀(16-5)打开继续补给，模拟出了低强度煤矸石淋滤液全入渗边界条件；

(2)、在模拟低强度煤矸石淋滤液全入渗过程中，渗出原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)内；在低强度煤矸石淋滤液全入渗过程中，观测到煤矸石淋滤液桶(16-1)的补水间隔为2小时以上时，说明达到入渗稳定，关闭煤矸石淋滤液补给系统，停止实验；此时，煤矸石淋滤液桶(16-1)内煤矸石淋滤液(15)的损失量与圆柱构件(10)内淋滤液未渗入量之差记录为煤矸石淋滤液总降入量Q_z，在低强度煤矸石淋滤液全入渗条件下，煤矸石淋滤液总降入量Q_z数值上等于煤矸石淋滤液入渗量Q_r；此时，查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液出渗量Q_c。

步骤五所述的三种水力边界条件，其中强度煤矸石淋滤液有径流入渗的具体模拟步骤为：

(1)、计算机(7)发出信号接通空气压缩机(17-4)的供电回路，然后驱动压力控制电磁阀(17-5)打开，空气压缩机(17-4)启动，产生的压缩空气经过压力控制电磁阀(17-5)调节压力后通过煤矸石淋滤液容器内压力控制管(17-8)进入煤矸石淋滤液容器(17-9)内，将煤矸石淋滤液容器(17-9)内的煤矸石淋滤液从圆形小孔(17-10)中喷出，之后到达圆柱构件(10)内的抗水压冲击板(A)上，再到原状土样(12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样(12)不受煤矸石淋滤液冲击侵蚀的作用，模拟出了中强度煤矸石淋滤液有径流入渗边界条件；中强度煤矸石淋滤液有径流入渗模拟过程中，压力传感器(17-6)对经过煤矸石淋滤液容器(17-9)内压力控制管(17-8)的压缩空气压力进行实时监测并将监测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的压力监测值与实验设定的压力阈值进行比对，当压力监测值小于压力阈值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀(17-5)打开的开度增大，当压力监测值大于压力阈值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀(17-5)打开的开度减小，从而使经过煤矸石淋滤液容器(17-9)内压力控制管(17-8)的压缩空气压力维持在压力阈值范围内；同时，所述水位传感器(17-11)对煤矸石淋滤液容器(17-9)内液体的液面高度进行实时监测并将监测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的液体的液面高度监测值与实验设定的液体的液面高度设定值进行比对，当液体的液面高度监测值小于液体的液面高度设定值时，计算机(7)控制接通进液泵(17-1)的供电回路，并驱动进液电磁阀(17-2)打开，外部煤矸石淋滤液通过进液管(17-7)流入煤矸石淋滤液容器(17-9)内，当液体的液面高度监测值大于液体的液面高度设定值时，计算机(7)控制断开进液泵(17-1)的供电回路，并驱动进液电磁阀(17-2)关闭，停止往煤矸石淋滤液容器(17-9)内注入煤矸石淋滤液，从而使煤矸石淋滤液容器(17-9)内液体的液面高度维持稳定，保证了煤矸石淋滤液入渗过程的持续进行；

(2)、在模拟中强度煤矸石淋滤液有径流入渗过程中，未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从出液口(10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯(13)；渗出原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)，模拟中强度煤矸石淋滤液入渗过程中，第一流量传感器(17-3)对煤矸石淋滤液入渗量进行实时监测并将监测到的信号实时输出给计算机(7)，径流量量杯(13)对未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量进行监测并记录，当相邻的两个采样时刻的未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量的差值小于等于1cm³时，说明达到了入渗稳定，关闭煤矸石淋滤液补给系统，停止实验；此时，计算机(7)记录为煤矸石淋滤液总降入量Q_z；此时，查看径流量测量量杯(13)内未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液径流量Q_j；查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液出渗量Q_c。

步骤五所述的三种水力边界条件，其高强度煤矸石淋滤液稳定入渗的具体模拟步骤为：

(1)、向煤矸石淋滤液桶(14-1)内加煤矸石淋滤液(15)，此时使止水阀(14-5)处于关闭状态，然后打开止水阀(14-5)，所述煤矸石淋滤液(15)经输液管(14-12)从煤矸石淋滤液喷头(14-9)流至圆柱构件(10)内的抗水压冲击板(A)上，再到达原状土样(12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样(12)不受煤矸石淋滤液冲击侵蚀的作用；位于U型水头控制管(10-2)内的轻质塑料片(14-8)与其上方的永久磁铁(14-7)在煤矸石淋滤液(15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件(10)内液体的液面高度相同，当上部的圆柱构件(10)内液体的液面高度上升到实验预设高度时，通过导线(9)给电线圈(14-6)供电形成电磁铁，同时通过把手(14-4)带动转轮(14-2)转动，所述转轮(14-2)上缠有拉线(14-3)，所述电线圈(14-6)随着拉线(14-3)在滑槽(14-13)内垂直运动，转动把手(14-4)调整拉线(14-3)长度使止水阀(14-5)在轻质弹簧(14-10)的作用下接近于关闭状态来进行粗调，然后改变电线圈(14-6)的外部导线(9)所接电源电压的大小来进行精调，使此时止水阀(14-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管(10-2)内液体的液面高度随着上部的圆柱构件(10)内液体的液面高度下降时，所述轻质塑料片(14-8)和永久磁铁(14-7)也随之下降，永久磁铁(14-7)与电线圈(14-6)之间的磁力减小，所述轻质弹簧(14-10)受到的荷载增加产生压缩形变，位于轻质弹簧(14-10)上的止水阀(14-5)打开，煤矸石淋滤液(15)继续经输液管(14-12)从煤矸石淋滤液喷头(14-9)流入圆柱构件(10)内进行补给，模拟出了高强度煤矸石淋滤液稳定入渗边界条件；

(2)、在模拟高强度煤矸石淋滤液稳定入渗过程中，渗出原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)；在高强度煤矸石淋滤液稳定入渗过程中，观测到煤矸石淋滤液桶(14-1)的补水间隔为2小时以上时，说明达到入渗稳定，关闭煤矸石淋滤液补给系统，停止实验；此时，煤矸石淋滤液桶(14-1)内煤矸石淋滤液(15)的损失量记录为煤矸石淋滤液总降入量Q_z，同时，将煤矸石淋滤液桶(14-1)内煤矸石淋滤液(15)的损失量与圆柱构件(10)内未渗入的煤矸石淋滤液的量之差记录为煤矸石淋滤液入渗量Q_r，查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液出渗量Q_c。

本发明的优点：

1.本发明的土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体连接成一个圆柱体，可以方便地进行原状样和重塑样的实验，同时方便实验仪器的清洗工作，克服目前土柱实验难以采用原状样进行实验以及后期清洗工作复杂的缺陷。

2.橡胶塞(5-7)与插入件(5)的配合使用，克服现有土柱实验测试元件插入时溢水及水分亏损的缺陷，具有测试结果精确、可靠性高、可重复使用的优点。

3.土柱实验标准构件(4)可根据实验要求多个串联，克服了现有技术中土柱实验中装土部件单节长度大、操作不便的缺陷；且整个系统的各部件采用标准构件，使得实验标准化，实验效率大大提高。

4.将模拟系统与计算机连接，实现自动化控制，具有精确性、标准性高的特点，克服了现阶段大部分的仪器设备人工操作容易出现误差的缺陷。

5.本发明提出了多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)，包括低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)、中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置(17)和高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)；低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)和高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)利用永久磁铁和电线圈磁性相斥的原理，从而控制煤矸石淋滤液的补给速度；中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置(17)通过空压机实现了煤矸石淋滤液的补给速度的控制。

6、基于煤矸石淋滤液入渗土柱模拟系统实现特征参数的测定，并给出了测试步骤及计算方法，具有实用性强，使用效果好，便于推广使用的特点。

7、本发明基于大直径(不小于50cm)的原状土柱进行室内实验，与传统的室内实验小试件相比，能够更好地代表真正土体的实际情况；与原位实测相比，本发明的大直径原状土柱实验也具备周期短、花费少、技术手段成熟的特点。

8、本发明可针对于矿山工程、公路工程、铁路工程和水利水电工程等人类工程活动，尤其是可对比分析人类工程活动扰动作用发生前后不同时期的各种不同类型原状土样(12)的非饱和渗透和污染物运移特性，譬如采煤塌陷扰动作用发生前后不同时期的各种不同类型原状土样(12)的非饱和渗透和污染物运移特性，所述的原状土样(12)包括砾类土、砂类土、细粒土以及诸如淤泥类土、膨胀土、红土、黄土类土、盐渍土、人工填土等特殊土。

9、本发明首次提出多强度下的煤矸石淋滤液入渗土柱模拟系统及特征参数的测定，本发明结构新颖合理，能够有效模拟煤矸石淋滤液入渗的多种工况，具有准确度高、可靠性强。

附图说明

图1A是基于低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置的系统总图。

图1B是低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)的示意图。

图1C是图1B中B处放大图。

图2A是基于中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置的系统总图。

图2B是中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置(17)的示意图。

图3A是基于高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置的系统总图。

图3B是高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)的示意图。

图3C是图3B中B处放大图。

图4是法兰(6)的示意图。

图5是土柱实验标准构件(4)与底部构件(1)的装配图。

图6是土柱实验标准构件(4)中管壁(4-1)示意图，其中图6A是主视图，图6B是后视图。

图7是图5中A处的放大图。

图8是底座(1-1)的俯视图。

图9是插入件(5)的示意图。

图10是插入件(5)中橡胶塞(5-7)的示意图。

图11是本发明的卡箍(4-30)的拆分示意图。

图12是本发明煤矸石淋滤液入渗土柱模拟系统总的示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明做详细叙述。

参照图12，多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统，包括底部构件(1)、连接在底部构件(1)上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)；多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)包括低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)、中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置(17)和高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)；

参照图5，所述的底部构件(1)包括位于最下方的底座(1-1)，底座(1-1)上的集水点通过塑料软管(2)接入出渗量量杯(3)，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1)，第三流量传感器(3-1)接入计算机(7)；底座(1-1)的上方设置有承力柱(1-2)，承力柱(1-2)的上部设置有高进气值陶土板(1-3)，高进气值陶土板(1-3)的四周边沿均与底部构件(1)管件(1-7)的内壁水平紧贴，高进气值陶土板(1-3)的顶部设置有滤纸(1-4)，滤纸(1-4)的上表面与原状土样(12)接触；管件(1-7)的顶端设置有外螺纹连接段(1-6)，外螺纹连接段(1-6)通过法兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；

参照图6，所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土柱实验标准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁(4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接；插入件(5)通过橡胶塞(5-7)插入原状土样(12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)；土壤热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内，土壤热传导吸力探头(4-7)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)；X射线荧光光谱探头(4-8)经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内，X射线荧光光谱探头(4-8)所采集的数据都实时传输给计算机(7)；土柱实验标准构件(4)上固定有多个测压管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；所述的插入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤热传导吸力探头(4-7)在土柱上按照同一列布置，X射线荧光光谱探头(4-8)在土柱上按照同一列布置，测压管(4-9)在土柱上按照同一列布置；

参照图7、图8，所述的承力柱(1-2)包括承力柱支座(1-22)以及固定在其上的承力柱主体(1-21)，所述承力柱支座(1-22)与底座(1-1)为一体成型，承力柱支座(1-22)在土柱竖向投影按照“一个圆心+以底座(1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份”方式布置；承力柱主体(1-21)长度不同使得底座(1-1)呈现坡度；

所述的土柱底部构件(1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件(10)均由耐高温玻璃钢制成；

参照图9、图10，所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温湿度传感器探头(4-5)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的外侧中段设置有挡板(5-3)；

所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为：纵向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布；

参照图11，所述的卡箍(4-30)由两半圆环钢圈(4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧程度，使标准圆柱构件紧密结合。

参照图4，所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2)；

所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置有温湿度探测输出端(7-2)、基质吸力探测输出端(7-3)和重金属离子浓度监测值输出端(7-4)；温湿度探测输出端(7-2)经导线(9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸力探头(4-7)，重金属离子浓度监测值输出端(7-4)经导线(9)连接X射线荧光光谱探头(4-8)。

实施例一

本实施例中与本发明配套使用的多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)是低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)；

参照图1，所述的低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)包括外侧刻有刻度的煤矸石淋滤液桶(16-1)，煤矸石淋滤液桶(16-1)的下方通过输液管(16-12)与煤矸石淋滤液喷头(16-9)连通，煤矸石淋滤液喷头(16-9)设置于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件(10)顶部，圆柱构件(10)内高出原状土样(12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔；U型水头控制管(10-2)内的液面上设置有轻质塑料片(16-8)，所述轻质塑料片(16-8)形式为薄圆片，所述轻质塑料片(16-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁(16-7)，永久磁铁(16-7)的正上方设置有拉线(16-3)吊挂的电线圈(16-6)，电线圈(16-6)外接有导线(9)，拉线(16-3)的上端缠于转轮(16-2)上，转轮(16-2)上设置有把手(16-4)，转轮(16-2)上端用拉线(16-3)通过着力构件(16-11)的小孔与止水阀(16-5)下部相连接，止水阀(16-5)下端设置有轻质弹簧(16-10)，所述圆柱构件(10)与U型水头控制管(10-2)相连接，轻质塑料片(16-8)、永久磁铁(16-7)和电线圈(16-6)都在U型水头控制管(10-2)的滑槽(16-13)内运动；所述滑槽(16-13)嵌于U型水头控制管(10-2)内壁，所述电线圈(16-6)按照边沿处三等分设置有滑轨(16-14)，所述滑轨(16-14)可在滑槽(16-13)内自由上下运动；所述的低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)控制原状土样(12)表面液体的液面高度低于1mm。

本实施例是低强度煤矸石淋滤液全入渗模拟系统的特征参数测定方法，包括以下步骤：

步骤一、组装土柱实验标准构件

分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过扳手上紧套在螺丝杆件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3)上，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；

步骤二、安装原状土样

选取预先准备好的原状土样(12)，将原状土样(12)竖立在地面上，将已经连接好的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样(12)，将原状土样(12)与土柱实验标准构件(4)之间的缝隙密封及防水处理保证后续实验时煤矸石淋滤液不从缝隙直接流下；

步骤三、组装土柱实验仪器设备

先将底座(1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体(1-21)套放在对应的承力柱支座(1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气值陶土板(1-3)上表面铺设有滤纸(1-4)，所述承力柱主体(1-21)、高进气值陶土板(1-3)、滤纸(1-4)均位于管件(1-7)内部；在集水处最低位置设置一个出液孔外接塑料软管(2)，将所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3)，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7)，然后将法兰(6)的法兰螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件(1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样(12)通过土柱实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件(1)上端的法兰(6)的法兰螺纹(6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样(12)位于底部构件(1)滤纸(1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件(10)进行连接；

步骤四、测定原状土样的初始状态

原状土样(12)的初始含水率：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始含水率θ_c；

原状土样(12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样(12)的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始基质吸力F_ac；

原状土样(12)的重金属离子浓度本底值：多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对初始状态的原状土样(12)重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号记录为各个测试点重金属离子浓度本底值c；

原状土样(12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h_c；

原状土样(12)的饱和含水率：将原状土样(12)的取样地点带回的其它土样进行饱和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率；取土样放入称量盒内，为其注水直至水面浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和盒放入烘箱内，进行烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为m_s，之后利用公式计算求得原状土样(12)的饱和含水率θ_sat；

步骤五、模拟低强度煤矸石淋滤液全入渗

(1)、向煤矸石淋滤液桶(16-1)内加煤矸石淋滤液(15)，此时使止水阀(16-5)处于关闭状态，然后打开止水阀(16-5)，煤矸石淋滤液(15)经输液管(16-12)从煤矸石淋滤液喷头(16-9)流至圆柱构件(10)内的抗水压冲击板(A)上，再到达原状土样(12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样(12)不受煤矸石淋滤液冲击侵蚀的作用；位于U型水头控制管(10-2)内的轻质塑料片(16-8)与其上方的永久磁铁(16-7)在煤矸石淋滤液(15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件(10)内液体的液面高度相同，当上部的圆柱构件(10)内液体的液面高度上升到高出原状土样(12)1mm时，通过导线(9)给电线圈(16-6)供电形成电磁铁，同时通过把手(16-4)带动转轮(16-2)转动，所述转轮(16-2)上缠有拉线(16-3)，所述电线圈(16-6)随着拉线(16-3)在滑槽(16-13)内垂直运动，转动把手(16-4)调整拉线(16-3)长度使止水阀(16-5)在轻质弹簧(16-10)的作用下接近于关闭状态来进行粗调，然后改变电线圈(16-6)的外部导线(9)所接电源电压的大小来进行精调，使此时止水阀(16-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管(10-2)内的液体的液面高度随着上部的圆柱构件(10)内的液体的液面高度下降时，所述轻质塑料片(16-8)和永久磁铁(16-7)也随之下降，永久磁铁(16-7)与电线圈(16-6)之间的磁力减小，所述轻质弹簧(16-10)受到的荷载增加产生压缩形变，位于轻质弹簧(16-10)上的止水阀(16-5)打开，煤矸石淋滤液(15)继续经输液管(16-12)从煤矸石淋滤液喷头(16-9)流入圆柱构件(10)内进行补给；当补给到圆柱构件(10)内液体的液面高度再次上升到高出原状土样(12)1mm时，止水阀(16-5)就会处于关闭状态，反之则止水阀(16-5)打开继续补给，模拟出了低强度煤矸石淋滤液全入渗边界条件；

(2)、在模拟低强度煤矸石淋滤液全入渗过程中，渗出原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)内；在低强度煤矸石淋滤液全入渗过程中，观测到煤矸石淋滤液桶(16-1)的补水间隔为2小时以上时，说明达到入渗稳定，关闭煤矸石淋滤液补给系统，停止实验；此时，煤矸石淋滤液桶(16-1)内煤矸石淋滤液(15)的损失量与圆柱构件(10)内淋滤液未渗入量之差记录为煤矸石淋滤液总降入量Q_z，在低强度煤矸石淋滤液全入渗条件下，煤矸石淋滤液总降入量Q_z数值上等于煤矸石淋滤液入渗量Q_r；此时，查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液出渗量Q_c；

步骤六、模拟过程中的各参数监测

多个温湿度传感器探头(4-5)分别对模拟过程中的原状土样(12)的湿度进行监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的含水率θ_i；多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样(12)的基质吸力进行监测，将监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点记录时刻对应的基质吸力F_a；多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对模拟过程中的原状土样(12)的重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号记录为各个测试点记录时刻对应的重金属离子浓度c_i；多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点记录时刻对应的水头高度h_i；

上述所有的监测，其监测时间频率设置如下：煤矸石淋滤液入渗5分钟内，记录时间间隔为5秒，煤矸石淋滤液入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，煤矸石淋滤液入渗15-30分钟内，记录时间间隔为15秒，煤矸石淋滤液入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，煤矸石淋滤液入渗60分钟以后记录时间间隔为60秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上；

步骤七、模拟过程中监测结果分析

对所记录的某一时刻的基质吸力F_a和重金属离子浓度c_i监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)所对应的基质吸力云图和重金属离子浓度云图；同时对所记录的某一时刻原状土样(12)所对应的含水率θ_i监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)对应的含水率云图；

依据含水率云图的变化规律，找出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润前锋的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位置连线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律；根据含水率云图，依据含水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率θ_sat的等值线，从而确定完全饱和带，所述完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋与完全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率θ_sat等值线之间的区域被定义为煤矸石淋滤液入渗过渡带；

绘制基质吸力F_a和含水率θ_i的关系图，从而分别得到各土层的土-水特征曲线；

步骤八、煤矸石淋滤液入渗系数计算：

根据公式Q_r＝Q_z-Q_j，计算得到煤矸石淋滤液入渗量Q_r，单位为cm³；其中Q_z为煤矸石淋滤液总降入量，单位为cm³；Q_j为煤矸石淋滤液径流量，单位为cm³；

根据公式△S＝Q_r-Q_c，计算得到煤矸石淋滤液入渗的亏损量△S，单位为cm³；其中Q_r为煤矸石淋滤液入渗量，单位为cm³；Q_c为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm³；

根据公式V_r＝Q_r/t计算得到煤矸石淋滤液入渗率V_r，单位为cm³/s；其中Q_r为煤矸石淋滤液入渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式V_c＝Q_c/t计算得到煤矸石淋滤液出渗率V_c，单位为cm³/s；其中Q_c为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式α＝Q_c/Q_z计算得到煤矸石淋滤液入渗系数α，单位为无量纲；其中Q_c为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm³；Q_z为煤矸石淋滤液总降入量；

步骤九、非饱和渗透系数计算

基于土柱实验的煤矸石淋滤液入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下

$(v_y+\frac{{\mathrm{dv}}_y}{dy}dy)dxdz-v_{y}dxdz=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}dxdydz---\left(1\right)$

将Darcy定律代入以上方程(1)得

$\frac{d(-kdh/dy)}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(2\right)$

对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(3\right)$

根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力(σ-u_a)和基质吸力值的变化将会引起体积含水率θ_w的变化，即

${\mathrm{d\θ}}_w=-{m_1}^{w}d(\mathrm{\σ}-u_a)-m_2^w(u_a-u_w)---\left(4\right)$

式中：σ——总应力；

m₁ ^w——与法向应力(σ-u_a)变化有关的水的体积变化系数；

——与基质吸力(u_a-u_w)变化有关的水的体积变化系数；

将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作用，假定在非饱和区气相连续不变，得

$\frac{\∂{\mathrm{\θ}}_w}{\∂t}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(5\right)$

其中：即土-水特征曲线的斜率。

由(3)、(5)式可得

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(6\right)$

其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲；h为总水头高度，单位为cm；y为土柱测点高度，单位为cm；γ_w为水的重度，单位为N/m³；为土-水特征曲线的斜率，单位为无量纲；t为时间，单位为s；

依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制其分布图；

步骤十、水动力弥散系数计算

由水量均衡原理，土柱上任意截面y处的水分通量q_y，可表示为

$q_0-q_y=\frac{1}{\mathrm{\Δ}t}\[{\∫}_0^z\mathrm{\θ}\left(t_2\right)dy-{\∫}_0^z\mathrm{\θ}\left(t_1\right)dy\]---\left(7\right)$

$q_y^{k+1/2}=\frac{1}{2}(q_0^{k+1}+q_0^k)-\frac{\mathrm{\Δ}y}{2\mathrm{\Δ}t}\[\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^{k+1}+{\mathrm{\θ}}_i^{k+1})-\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^k+{\mathrm{\θ}}_i^k)\]---\left(8\right)$

式中：q_y为任意截面y处的水分通量，cm/d；q₀为土柱顶部的进水量，cm/d；θ为体积含水率，cm³/cm³；Δt为时段，Δt＝t₂-t₁，d；k为时段数；

土柱上任意截面y处的溶质通量J_y由质量守恒原理得

$J_0-J_y=\frac{1}{\mathrm{\Δ}t}\[{\∫}_0^y\mathrm{\θ}\left(t_2\right)c\left(t_2\right)dy-{\∫}_0^y\mathrm{\θ}\left(t_1\right)c\left(t_2\right)dy\]---\left(9\right)$

$J_y^{k+1/2}=\frac{1}{2}(J_0^{k+1}+J_0^k)-\frac{\mathrm{\Δ}z}{4\mathrm{\Δ}t}\[\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^{k+1}+{\mathrm{\θ}}_i^{k+1})(c_{i+1}^{k+1}+c_i^{k+1})-\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^k+{\mathrm{\θ}}_i^k)(c_{i+1}^k+c_i^k)\]---\left(10\right)$

式中：J_y为任意截面y处的溶质通量，g/(cm²·d)；J₀为土柱顶部的溶质通量，g/(cm²·d)；c_i为土壤溶液浓度，g/cm³；θ为体积含水率，cm³/cm³；Δt为时段，Δt＝t₂-t₁，d；k为时段数；

根据水动力弥散原理，溶质通量等于水动力弥散通量与对流通量之和，即

$J=-{\mathrm{\θD}}_{sh}\frac{\∂c}{\∂y}+qc---\left(11\right)$

$D_{sh}=\frac{1}{\mathrm{\θ}\frac{\∂c}{\∂y}}+(qc-J)---\left(12\right)$

式中：D_sh为水动力弥散系数，cm²/d；其余符号同前；

${\left(D_{sh}\right)}_y^{k+1/2}=\frac{2\mathrm{\Δ}y}{({\mathrm{\θ}}_y^{k+1}+{\mathrm{\θ}}_y^k)(c_y^{k+1}-c_y^k)}\[q_y^{k+1/2}(c_y^{k+1}+c_y^k)-J_y^{k+1/2}\]---\left(13\right)$

将前面计算出的和代入上式即可计算水动力弥散系数D_sh，若取一系列y断面则可计算出一系列D_sh，从而将D_sh和对应的非饱和渗透系数k或孔隙流速v拟合成经验公式。

实施例二

本实施例中与本发明配套使用的多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)是中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置(17)；

参照图2，所述的中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置(17)包括设置在圆柱构件(10)内的煤矸石淋滤液容器(17-9)和设置在煤矸石淋滤液容器(17-9)底部的圆形小孔(17-10)，圆柱构件(10)内高出原状土样(12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔；所述煤矸石淋滤液容器(17-9)的顶部设置有压力控制管(17-8)和与外部煤矸石淋滤液连接的进液管(17-7)；所述进液管(17-7)上设置有进液电磁阀(17-2)、进液泵(17-1)和用于对煤矸石淋滤液的量进行实时监测的第一流量传感器(17-3)；所述煤矸石淋滤液容器内压力控制管(17-8)上设置有压力控制电磁阀(17-5)和压力传感器(17-6)，所述煤矸石淋滤液容器内压力控制管(17-8)的尾部连接有空气压缩机(17-4)；所述煤矸石淋滤液容器(17-9)的顶部内壁上设置有用于对煤矸石淋滤液容器(17-9)内液体的液面高度进行实时监测的水位传感器(17-11)；所述圆柱构件(10)内的原状土样(12)上表面外侧开有出液口(10-1)，出液口(10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯(13)，所述塑料软管(2)上设置有第二流量传感器(13-1)，所述第二流量传感器(13-1)通过导线(9)接入计算机(7)。

本实施例是基于中强度煤矸石淋滤液有径流模拟系统的特征参数测定方法，包括以下步骤：

步骤一、组装土柱实验标准构件

具体步骤同实施例一；

步骤二、安装原状土样

具体步骤同实施例一；

步骤三、组装土柱实验仪器设备

具体步骤同实施例一；

步骤四、测定原状土样的初始状态

具体步骤同实施例一；

步骤五、模拟中强度煤矸石淋滤液有径流入渗

(1)、计算机(7)发出信号接通空气压缩机(17-4)的供电回路，然后驱动压力控制电磁阀(17-5)打开，空气压缩机(17-4)启动，产生的压缩空气经过压力控制电磁阀(17-5)调节压力后通过煤矸石淋滤液容器内压力控制管(17-8)进入煤矸石淋滤液容器(17-9)内，将煤矸石淋滤液容器(17-9)内的煤矸石淋滤液从圆形小孔(17-10)中喷出，之后到达圆柱构件(10)内的抗水压冲击板(A)上，再到原状土样(12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样(12)不受煤矸石淋滤液冲击侵蚀的作用，模拟出了中强度煤矸石淋滤液有径流入渗边界条件；中强度煤矸石淋滤液有径流入渗模拟过程中，压力传感器(17-6)对经过煤矸石淋滤液容器(17-9)内压力控制管(17-8)的压缩空气压力进行实时监测并将监测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的压力监测值与实验设定的压力阈值进行比对，当压力监测值小于压力阈值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀(17-5)打开的开度增大，当压力监测值大于压力阈值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀(17-5)打开的开度减小，从而使经过煤矸石淋滤液容器(17-9)内压力控制管(17-8)的压缩空气压力维持在压力阈值范围内；同时，所述水位传感器(17-11)对煤矸石淋滤液容器(17-9)内液体的液面高度进行实时监测并将监测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的液体的液面高度监测值与实验设定的液体的液面高度设定值进行比对，当液体的液面高度监测值小于液体的液面高度设定值时，计算机(7)控制接通进液泵(17-1)的供电回路，并驱动进液电磁阀(17-2)打开，外部煤矸石淋滤液通过进液管(17-7)流入煤矸石淋滤液容器(17-9)内，当液体的液面高度监测值大于液体的液面高度设定值时，计算机(7)控制断开进液泵(17-1)的供电回路，并驱动进液电磁阀(17-2)关闭，停止往煤矸石淋滤液容器(17-9)内注入煤矸石淋滤液，从而使煤矸石淋滤液容器(17-9)内液体的液面高度维持稳定，保证了煤矸石淋滤液入渗过程的持续进行；

(2)、在模拟中强度煤矸石淋滤液有径流入渗过程中，未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从出液口(10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯(13)；渗出原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)，模拟中强度煤矸石淋滤液入渗过程中，第一流量传感器(17-3)对煤矸石淋滤液入渗量进行实时监测并将监测到的信号实时输出给计算机(7)，径流量量杯(13)对未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量进行监测并记录，当相邻的两个采样时刻的未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量的差值小于等于1cm³时，说明达到了入渗稳定，关闭煤矸石淋滤液补给系统，停止实验；此时，计算机(7)记录为煤矸石淋滤液总降入量Q_z；此时，查看径流量测量量杯(13)内未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液径流量Q_j；查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液出渗量Q_c；

步骤六、模拟过程中的各参数监测

具体步骤同实施例一；

步骤七、模拟过程中监测结果分析

具体步骤同实施例一；

步骤八、入渗系数计算

具体步骤同实施例一；

步骤九、非饱和渗透系数计算

具体步骤同实施例一。

步骤十、水动力弥散系数计算

具体步骤同实施例一。

实施例三

本实施例中与本发明配套使用的多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)是高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)；

参照图3，所述的高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)包括外侧刻有刻度的煤矸石淋滤液桶(14-1)，煤矸石淋滤液桶(14-1)的下方通过输液管(14-12)与煤矸石淋滤液喷头(14-9)连通，煤矸石淋滤液喷头(14-9)设置于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件(10)顶部，圆柱构件(10)内高出原状土样(12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔；U型水头控制管(10-2)内的液面上设置有轻质塑料片(14-8)，所述轻质塑料片(14-8)形式为薄圆片，所述轻质塑料片(14-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁(14-7)，永久磁铁(14-7)的正上方设置有拉线(14-3)吊挂的电线圈(14-6)，电线圈(14-6)外接有导线(9)，拉线(14-3)的上端缠于转轮(14-2)上，转轮(14-2)上设置有把手(14-4)，转轮(14-2)上端用拉线(14-3)通过着力构件(14-11)的小孔与止水阀(14-5)下部相连接，止水阀(14-5)下端设置有轻质弹簧(14-10)，所述圆柱构件(10)与U型水头控制管(10-2)相连接，轻质塑料片(14-8)、永久磁铁(14-7)和电线圈(14-6)都在U型水头控制管(10-2)的滑槽(14-13)内运动；所述滑槽(14-13)嵌于U型水头控制管(10-2)内壁，所述电线圈(14-6)按照边沿处三等分设置有滑轨(14-14)，所述滑轨(14-14)可在滑槽(14-13)内自由上下运动，所述的高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)控制原状土样(12)表面液体的液面高度高于1cm以上。

本实施例是基于高强度煤矸石淋滤液模拟系统的特征参数测定方法，包括以下步骤：

步骤一、组装土柱实验标准构件

具体步骤同实施例一；

步骤二、安装原状土样

具体步骤同实施例一；

步骤三、组装土柱实验仪器设备

具体步骤同实施例一；

步骤四、测定原状土样的初始状态

具体步骤同实施例一；

步骤五、模拟高强度煤矸石淋滤液稳定入渗

(1)、向煤矸石淋滤液桶(14-1)内加煤矸石淋滤液(15)，此时使止水阀(14-5)处于关闭状态，然后打开止水阀(14-5)，所述煤矸石淋滤液(15)经输液管(14-12)从煤矸石淋滤液喷头(14-9)流至圆柱构件(10)内的抗水压冲击板(A)上，再到达原状土样(12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样(12)不受煤矸石淋滤液冲击侵蚀的作用；位于U型水头控制管(10-2)内的轻质塑料片(14-8)与其上方的永久磁铁(14-7)在煤矸石淋滤液(15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件(10)内液体的液面高度相同，当上部的圆柱构件(10)内液体的液面高度上升到实验预设高度时，通过导线(9)给电线圈(14-6)供电形成电磁铁，同时通过把手(14-4)带动转轮(14-2)转动，所述转轮(14-2)上缠有拉线(14-3)，所述电线圈(14-6)随着拉线(14-3)在滑槽(14-13)内垂直运动，转动把手(14-4)调整拉线(14-3)长度使止水阀(14-5)在轻质弹簧(14-10)的作用下接近于关闭状态来进行粗调，然后改变电线圈(14-6)的外部导线(9)所接电源电压的大小来进行精调，使此时止水阀(14-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管(10-2)内液体的液面高度随着上部的圆柱构件(10)内液体的液面高度下降时，所述轻质塑料片(14-8)和永久磁铁(14-7)也随之下降，永久磁铁(14-7)与电线圈(14-6)之间的磁力减小，所述轻质弹簧(14-10)受到的荷载增加产生压缩形变，位于轻质弹簧(14-10)上的止水阀(14-5)打开，煤矸石淋滤液(15)继续经输液管(14-12)从煤矸石淋滤液喷头(14-9)流入圆柱构件(10)内进行补给；当补给到圆柱构件(10)内液体的液面高度再次上升到高出原状土样(12)预设实验高度时，止水阀(14-5)就会处于关闭状态，反之则止水阀(14-5)打开继续补给，模拟出了高强度煤矸石淋滤液稳定入渗边界条件；

(2)、在模拟高强度煤矸石淋滤液稳定入渗过程中，渗出原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)；在高强度煤矸石淋滤液稳定入渗过程中，观测到煤矸石淋滤液桶(14-1)的补水间隔为2小时以上时，说明达到入渗稳定，关闭煤矸石淋滤液补给系统，停止实验；此时，煤矸石淋滤液桶(14-1)内煤矸石淋滤液(15)的损失量记录为煤矸石淋滤液总降入量Q_z，同时，将煤矸石淋滤液桶(14-1)内煤矸石淋滤液(15)的损失量与圆柱构件(10)内未渗入的煤矸石淋滤液的量之差记录为煤矸石淋滤液入渗量Q_r，查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液出渗量Q_c；

步骤六、模拟过程中的各参数监测

具体步骤同实施例一；

步骤七、模拟过程中监测结果分析

具体步骤同实施例一；

步骤八、入渗系数计算

具体步骤同实施例一；

步骤九、非饱和渗透系数计算

具体步骤同实施例一；

步骤十、水动力弥散系数计算

具体步骤同实施例一。

Claims (9)

1.多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统，其特征在于，包括底部构件(1)、连接在底部构件(1)上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)；

所述的底部构件(1)包括位于最下方的底座(1-1)，底座(1-1)上的集水点通过塑料软管(2)接入出渗量量杯(3)，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1)，第三流量传感器(3-1)接入计算机(7)；底座(1-1)的上方设置有承力柱(1-2)，承力柱(1-2)的上部设置有高进气值陶土板(1-3)，高进气值陶土板(1-3)的四周边沿均与底部构件(1)管件(1-7)的内壁水平紧贴，高进气值陶土板(1-3)的顶部设置有滤纸(1-4)，滤纸(1-4)的上表面与原状土样(12)接触；管件(1-7)的顶端设置有外螺纹连接段(1-6)，外螺纹连接段(1-6)通过法兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；

所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土柱实验标准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁(4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接；插入件(5)通过橡胶塞(5-7)插入原状土样(12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)；土壤热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内，土壤热传导吸力探头(4-7)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)；X射线荧光光谱探头(4-8)经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内，X射线荧光光谱探头(4-8)所采集的数据都实时传输给计算机(7)；土柱实验标准构件(4)上固定有多个测压管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；所述的插入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤热传导吸力探头(4-7)在土柱上按照同一列布置，X射线荧光光谱探头(4-8)在土柱上按照同一列布置，测压管(4-9)在土柱上按照同一列布置；

多种强度煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)包括低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)、中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置(17)和高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)。

2.根据权利要求1所述的多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统，其特征在于，所述的承力柱(1-2)包括承力柱支座(1-22)以及固定在其上的承力柱主体(1-21)，所述承力柱支座(1-22)与底座(1-1)为一体成型，承力柱支座(1-22)在土柱竖向投影按照“一个圆心+以底座(1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份”方式布置；承力柱主体(1-21)长度不同使得底座(1-1)呈现坡度；

所述的土柱底部构件(1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件(10)均由耐高温玻璃钢制成。

3.根据权利要求1所述的多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统，其特征在于，所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温湿度传感器探头(4-5)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的外侧中段设置有挡板(5-3)。

4.根据权利要求1所述的多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统，其特征在于，所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为：纵向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布。

5.根据权利要求1所述的多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统，其特征在于，所述的卡箍(4-30)由两半圆环钢圈(4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧程度，使标准圆柱构件紧密结合；

所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2)。

6.根据权利要求1所述的多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统，其特征在于，所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置有温湿度探测输出端(7-2)、基质吸力探测输出端(7-3)和重金属离子浓度监测值输出端(7-4)；温湿度探测输出端(7-2)经导线(9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸力探头(4-7)，重金属离子浓度监测值输出端(7-4)经导线(9)连接X射线荧光光谱探头(4-8)。

7.根据权利要求1所述的多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统，其特征在于，所述的低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)包括外侧刻有刻度的煤矸石淋滤液桶(16-1)，煤矸石淋滤液桶(16-1)的下方通过输液管(16-12)与煤矸石淋滤液喷头(16-9)连通，煤矸石淋滤液喷头(16-9)设置于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件(10)顶部，圆柱构件(10)内高出原状土样(12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔；U型水头控制管(10-2)内的液面上设置有轻质塑料片(16-8)，所述轻质塑料片(16-8)形式为薄圆片，所述轻质塑料片(16-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁(16-7)，永久磁铁(16-7)的正上方设置有拉线(16-3)吊挂的电线圈(16-6)，电线圈(16-6)外接有导线(9)，拉线(16-3)的上端缠于转轮(16-2)上，转轮(16-2)上设置有把手(16-4)，转轮(16-2)上端用拉线(16-3)通过着力构件(16-11)的小孔与止水阀(16-5)下部相连接，止水阀(16-5)下端设置有轻质弹簧(16-10)，所述圆柱构件(10)与U型水头控制管(10-2)相连接，轻质塑料片(16-8)、永久磁铁(16-7)和电线圈(16-6)都在U型水头控制管(10-2)的滑槽(16-13)内运动；所述滑槽(16-13)嵌于U型水头控制管(10-2)内壁，所述电线圈(16-6)按照边沿处三等分设置有滑轨(16-14)，所述滑轨(16-14)可在滑槽(16-13)内自由上下运动；所述的低强度煤矸石淋滤液全入渗补给模拟装置(16)控制原状土样(12)表面液体的液面高度低于1mm；

所述的中强度煤矸石淋滤液有径流入渗补给模拟装置(17)包括设置在圆柱构件(10)内的煤矸石淋滤液容器(17-9)和设置在煤矸石淋滤液容器(17-9)底部的圆形小孔(17-10)，圆柱构件(10)内高出原状土样(12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔；所述煤矸石淋滤液容器(17-9)的顶部设置有压力控制管(17-8)和与外部煤矸石淋滤液连接的进液管(17-7)；所述进液管(17-7)上设置有进液电磁阀(17-2)、进液泵(17-1)和用于对煤矸石淋滤液的量进行实时监测的第一流量传感器(17-3)；所述煤矸石淋滤液容器内压力控制管(17-8)上设置有压力控制电磁阀(17-5)和压力传感器(17-6)，所述煤矸石淋滤液容器内压力控制管(17-8)的尾部连接有空气压缩机(17-4)；所述煤矸石淋滤液容器(17-9)的顶部内壁上设置有用于对煤矸石淋滤液容器(17-9)内液体的液面高度进行实时监测的水位传感器(17-11)；所述圆柱构件(10)内的原状土样(12)上表面外侧开有出液口(10-1)，出液口(10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯(13)，所述塑料软管(2)上设置有第二流量传感器(13-1)，所述第二流量传感器(13-1)通过导线(9)接入计算机(7)；

所述的高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)包括外侧刻有刻度的煤矸石淋滤液桶(14-1)，煤矸石淋滤液桶(14-1)的下方通过输液管(14-12)与煤矸石淋滤液喷头(14-9)连通，煤矸石淋滤液喷头(14-9)设置于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件(10)顶部，圆柱构件(10)内高出原状土样(12)上表面2-5厘米处设置有抗水压冲击板(A)，抗水压冲击板(A)上设置有筛孔；U型水头控制管(10-2)内的液面上设置有轻质塑料片(14-8)，所述轻质塑料片(14-8)形式为薄圆片，所述轻质塑料片(14-8)上方的圆形凹槽内设置有永久磁铁(14-7)，永久磁铁(14-7)的正上方设置有拉线(14-3)吊挂的电线圈(14-6)，电线圈(14-6)外接有导线(9)，拉线(14-3)的上端缠于转轮(14-2)上，转轮(14-2)上设置有把手(14-4)，转轮(14-2)上端用拉线(14-3)通过着力构件(14-11)的小孔与止水阀(14-5)下部相连接，止水阀(14-5)下端设置有轻质弹簧(14-10)，所述圆柱构件(10)与U型水头控制管(10-2)相连接，轻质塑料片(14-8)、永久磁铁(14-7)和电线圈(14-6)都在U型水头控制管(10-2)的滑槽(14-13)内运动；所述滑槽(14-13)嵌于U型水头控制管(10-2)内壁，所述电线圈(14-6)按照边沿处三等分设置有滑轨(14-14)，所述滑轨(14-14)可在滑槽(14-13)内自由上下运动，所述的高强度煤矸石淋滤液稳定入渗补给模拟装置(14)控制原状土样(12)表面液体的液面高度高于1cm以上。

8.基于上述任一权利要求所述的多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统的特征参数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、组装土柱实验标准构件

分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过扳手上紧套在螺丝杆件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3)上，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；

步骤二、安装原状土样

选取预先准备好的原状土样(12)，将原状土样(12)竖立在地面上，将已经连接好的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样(12)，将原状土样(12)与土柱实验标准构件(4)之间的缝隙密封及防水处理保证后续实验时煤矸石淋滤液不从缝隙直接流下；

步骤三、组装土柱实验仪器设备

先将底座(1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体(1-21)套放在对应的承力柱支座(1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气值陶土板(1-3)上表面铺设有滤纸(1-4)，所述承力柱主体(1-21)、高进气值陶土板(1-3)、滤纸(1-4)均位于管件(1-7)内部；在集水处最低位置设置一个出液孔外接塑料软管(2)，将所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3)，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7)，然后将法兰(6)的法兰螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件(1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样(12)通过土柱实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件(1)上端的法兰(6)的法兰螺纹(6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样(12)位于底部构件(1)滤纸(1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件(10)进行连接；

步骤四、测定原状土样的初始状态

原状土样(12)的初始含水率：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始含水率θ_c；

原状土样(12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样(12)的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始基质吸力F_ac；

原状土样(12)的重金属离子浓度本底值：多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对初始状态的原状土样(12)重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号记录为各个测试点重金属离子浓度本底值c；

原状土样(12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h_c；

原状土样(12)的饱和含水率：将原状土样(12)的取样地点带回的其它土样进行饱和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率；取土样放入称量盒内，为其注水直至水面浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和称量盒放入烘箱内，进行烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为m_s，之后利用公式计算求得原状土样(12)的饱和含水率θ_sat；

步骤五、模拟三种强度水力边界条件

根据测试要求，将煤矸石淋滤液入渗补给模拟装置(C)配合土柱实验标准构件(4)工作，模拟三种水力边界条件，即低强度煤矸石淋滤液全入渗边界条件、中强度煤矸石淋滤液有径流入渗边界条件和高强度煤矸石淋滤液稳定入渗边界条件；

步骤六、模拟过程中的各参数监测

多个温湿度传感器探头(4-5)分别对模拟过程中的原状土样(12)的湿度进行监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的含水率θ_i；多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样(12)的基质吸力进行监测，将监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点记录时刻对应的基质吸力F_a；多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对模拟过程中的原状土样(12)的重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的重金属离子浓度信号记录为各个测试点记录时刻对应的重金属离子浓度c_i；多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点记录时刻对应的水头高度h_i；

上述所有的监测，其监测时间频率设置如下：煤矸石淋滤液入渗5分钟内，记录时间间隔为5秒，煤矸石淋滤液入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，煤矸石淋滤液入渗15-30分钟内，记录时间间隔为15秒，煤矸石淋滤液入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，煤矸石淋滤液入渗60分钟以后记录时间间隔为60秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上；

步骤七、模拟过程中监测结果分析

对所记录的某一时刻的基质吸力F_a和重金属离子浓度c_i监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)所对应的基质吸力云图和重金属离子浓度云图；同时对所记录的某一时刻原状土样(12)所对应的含水率θ_i监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)对应的含水率云图；

依据含水率云图的变化规律，找出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润前锋的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位置连线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律；根据含水率云图，依据含水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率θ_sat的等值线，从而确定完全饱和带，所述完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋与完全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率θ_sat等值线之间的区域被定义为煤矸石淋滤液入渗过渡带；

绘制基质吸力F_a和含水率θ_i的关系图，从而分别得到各土层的土-水特征曲线；

步骤八、煤矸石淋滤液入渗系数计算

根据公式Q_r＝Q_z-Q_j，计算得到煤矸石淋滤液入渗量Q_r，单位为cm³；其中Q_z为煤矸石淋滤液总降入量，单位为cm³；Q_j为煤矸石淋滤液径流量，单位为cm³；

根据公式△S＝Q_r-Q_c，计算得到煤矸石淋滤液入渗的亏损量△S，单位为cm³；

其中Q_r为煤矸石淋滤液入渗量，单位为cm³；Q_c为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm³；

根据公式V_r＝Q_r/t计算得到煤矸石淋滤液入渗率V_r，单位为cm³/s；其中Q_r为煤矸石淋滤液入渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式V_c＝Q_c/t计算得到煤矸石淋滤液出渗率V_c，单位为cm³/s；其中Q_c为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式α＝Q_c/Q_z计算得到煤矸石淋滤液入渗系数α，单位为无量纲；其中Q_c为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm³；Q_z为煤矸石淋滤液总降入量；

步骤九、非饱和渗透系数计算

基于土柱实验的煤矸石淋滤液入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下

$(v_y+\frac{{\mathrm{dv}}_y}{dy}dy)dxdz-v_{y}dxdz=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}dxdydz---\left(1\right)$

将Darcy定律代入以上方程(1)得

$\frac{d(-kdh/dy)}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(2\right)$

对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(3\right)$

根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力(σ-u_a)和基质吸力值的变化将会引起体积含水率θ_w的变化，即

${\mathrm{d\θ}}_w=-{m_1}^{w}d(\mathrm{\σ}-u_a)-m_2^w(u_a-u_w)---\left(4\right)$

式中：σ——总应力；

m₁ ^w——与法向应力(σ-u_a)变化有关的水的体积变化系数；

——与基质吸力(u_a-u_w)变化有关的水的体积变化系数；

将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作用，假定在非饱和区气相连续不变，得

$\frac{\∂{\mathrm{\θ}}_w}{\∂t}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(5\right)$

其中：即土-水特征曲线的斜率。

由(3)、(5)式可得

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(6\right)$

其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲；h为总水头高度，单位为cm；y为土柱测点高度，单位为cm；γ_w为水的重度，单位为N/m³；为土-水特征曲线的斜率，单位为无量纲；t为时间，单位为s；

依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制其分布图；

步骤十、水动力弥散系数计算

由水量均衡原理，土柱上任意截面y处的水分通量q_y，可表示为

$q_0-q_y=\frac{1}{\mathrm{\Δ}t}\[{\∫}_0^z\mathrm{\θ}\left(t_2\right)dy-{\∫}_0^z\mathrm{\θ}\left(t_1\right)dy\]---\left(7\right)$

$q_y^{k+1/2}=\frac{1}{2}(q_0^{k+1}+q_0^k)-\frac{\mathrm{\Δ}y}{2\mathrm{\Δ}t}\[\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^{k+1}+{\mathrm{\θ}}_i^{k+1})-\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^k+{\mathrm{\θ}}_i^k)\]---\left(8\right)$

式中：q_y为任意截面y处的水分通量，cm/d；q₀为土柱顶部的进水量，cm/d；θ为体积含水率，cm³/cm³；Δt为时段，Δt＝t₂-t₁，d；k为时段数；

土柱上任意截面y处的溶质通量J_y由质量守恒原理得

$J_0-J_y=\frac{1}{\mathrm{\Δ}t}\[{\∫}_0^y\mathrm{\θ}\left(t_2\right)c\left(t_2\right)dy-{\∫}_0^y\mathrm{\θ}\left(t_1\right)c\left(t_2\right)dy\]---\left(9\right)$

$J_y^{k+1/2}=\frac{1}{2}(J_0^{k+1}+J_0^k)-\frac{\mathrm{\Δ}z}{4\mathrm{\Δ}t}\[\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^{k+1}+{\mathrm{\θ}}_i^{k+1})(c_{i+1}^{k+1}+c_i^{k+1})-\underset{i=0}{\overset{y}{\Σ}}({\mathrm{\θ}}_{i+1}^k+{\mathrm{\θ}}_i^k)(c_{i+1}^k+c_i^k)\]---\left(10\right)$

式中：J_y为任意截面y处的溶质通量，g/(cm²·d)；J₀为土柱顶部的溶质通量，g/(cm²·d)；c_i为土壤溶液浓度，g/cm³；θ为体积含水率，cm³/cm³；Δt为时段，Δt＝t₂-t₁，d；k为时段数；

根据水动力弥散原理，溶质通量等于水动力弥散通量与对流通量之和，即

$J=-{\mathrm{\θD}}_{sh}\frac{\∂c}{\∂y}+qc---\left(11\right)$

$D_{sh}=\frac{1}{\mathrm{\θ}\frac{\∂c}{\∂y}}+(qc-J)---\left(12\right)$

式中：D_sh为水动力弥散系数，cm²/d；其余符号同前；

${\left(D_{sh}\right)}_y^{k+1/2}=\frac{2\mathrm{\Δ}y}{({\mathrm{\θ}}_y^{k+1}+{\mathrm{\θ}}_y^k)(c_y^{k+1}-c_y^k)}\[q_y^{k+1/2}(c_y^{k+1}+c_y^k)-J_y^{k+1/2}\]---\left(13\right)$

将前面计算出的和代入上式即可计算水动力弥散系数D_sh，若取一系列y断面则可计算出一系列D_sh，从而将D_sh和对应的非饱和渗透系数k或孔隙流速v拟合成经验公式。

9.根据权利要求8所述的多种强度煤矸石淋滤液入渗模拟系统的特征参数测定方法，其特征在于：

步骤五所述的三种水力边界条件，其低强度煤矸石淋滤液全入渗的具体模拟步骤为：

(1)、向煤矸石淋滤液桶(16-1)内加煤矸石淋滤液(15)，此时使止水阀(16-5)处于关闭状态，然后打开止水阀(16-5)，煤矸石淋滤液(15)经输液管(16-12)从煤矸石淋滤液喷头(16-9)流至圆柱构件(10)内的抗水压冲击板(A)上，再到达原状土样(12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样(12)不受煤矸石淋滤液冲击侵蚀的作用；位于U型水头控制管(10-2)内的轻质塑料片(16-8)与其上方的永久磁铁(16-7)在煤矸石淋滤液(15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件(10)内液体的液面高度相同，当上部的圆柱构件(10)内液体的液面高度上升到高出原状土样(12)1mm时，通过导线(9)给电线圈(16-6)供电形成电磁铁，同时通过把手(16-4)带动转轮(16-2)转动，所述转轮(16-2)上缠有拉线(16-3)，所述电线圈(16-6)随着拉线(16-3)在滑槽(16-13)内垂直运动，转动把手(16-4)调整拉线(16-3)长度使止水阀(16-5)在轻质弹簧(16-10)的作用下接近于关闭状态来进行粗调，然后改变电线圈(16-6)的外部导线(9)所接电源电压的大小来进行精调，使此时止水阀(16-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管(10-2)内的液体的液面高度随着上部的圆柱构件(10)内的液体的液面高度下降时，所述轻质塑料片(16-8)和永久磁铁(16-7)也随之下降，永久磁铁(16-7)与电线圈(16-6)之间的磁力减小，所述轻质弹簧(16-10)受到的荷载增加产生压缩形变，位于轻质弹簧(16-10)上的止水阀(16-5)打开，煤矸石淋滤液(15)继续经输液管(16-12)从煤矸石淋滤液喷头(16-9)流入圆柱构件(10)内进行补给；当补给到圆柱构件(10)内液体的液面高度再次上升到高出原状土样(12)1mm时，止水阀(16-5)就会处于关闭状态，反之则止水阀(16-5)打开继续补给，模拟出了低强度煤矸石淋滤液全入渗边界条件；

(2)、在模拟低强度煤矸石淋滤液全入渗过程中，渗出原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)内；在低强度煤矸石淋滤液全入渗过程中，观测到煤矸石淋滤液桶(16-1)的补水间隔为2小时以上时，说明达到入渗稳定，关闭煤矸石淋滤液补给系统，停止实验；此时，煤矸石淋滤液桶(16-1)内煤矸石淋滤液(15)的损失量与圆柱构件(10)内淋滤液未渗入量之差记录为煤矸石淋滤液总降入量Q_z，在低强度煤矸石淋滤液全入渗条件下，煤矸石淋滤液总降入量Q_z数值上等于煤矸石淋滤液入渗量Q_r；此时，查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液出渗量Q_c；

步骤五所述的三种水力边界条件，其中强度煤矸石淋滤液有径流入渗的具体模拟步骤为：

(1)、计算机(7)发出信号接通空气压缩机(17-4)的供电回路，然后驱动压力控制电磁阀(17-5)打开，空气压缩机(17-4)启动，产生的压缩空气经过压力控制电磁阀(17-5)调节压力后通过煤矸石淋滤液容器内压力控制管(17-8)进入煤矸石淋滤液容器(17-9)内，将煤矸石淋滤液容器(17-9)内的煤矸石淋滤液从圆形小孔(17-10)中喷出，之后到达圆柱构件(10)内的抗水压冲击板(A)上，再到原状土样(12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样(12)不受煤矸石淋滤液冲击侵蚀的作用，模拟出了中强度煤矸石淋滤液有径流入渗边界条件；中强度煤矸石淋滤液有径流入渗模拟过程中，压力传感器(17-6)对经过煤矸石淋滤液容器(17-9)内压力控制管(17-8)的压缩空气压力进行实时监测并将监测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的压力监测值与实验设定的压力阈值进行比对，当压力监测值小于压力阈值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀(17-5)打开的开度增大，当压力监测值大于压力阈值时，计算机(7)驱动压力控制电磁阀(17-5)打开的开度减小，从而使经过煤矸石淋滤液容器(17-9)内压力控制管(17-8)的压缩空气压力维持在压力阈值范围内；同时，所述水位传感器(17-11)对煤矸石淋滤液容器(17-9)内液体的液面高度进行实时监测并将监测到的信号输出给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的液体的液面高度监测值与实验设定的液体的液面高度设定值进行比对，当液体的液面高度监测值小于液体的液面高度设定值时，计算机(7)控制接通进液泵(17-1)的供电回路，并驱动进液电磁阀(17-2)打开，外部煤矸石淋滤液通过进液管(17-7)流入煤矸石淋滤液容器(17-9)内，当液体的液面高度监测值大于液体的液面高度设定值时，计算机(7)控制断开进液泵(17-1)的供电回路，并驱动进液电磁阀(17-2)关闭，停止往煤矸石淋滤液容器(17-9)内注入煤矸石淋滤液，从而使煤矸石淋滤液容器(17-9)内液体的液面高度维持稳定，保证了煤矸石淋滤液入渗过程的持续进行；

(2)、在模拟中强度煤矸石淋滤液有径流入渗过程中，未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从出液口(10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯(13)；渗出原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)，模拟中强度煤矸石淋滤液入渗过程中，第一流量传感器(17-3)对煤矸石淋滤液入渗量进行实时监测并将监测到的信号实时输出给计算机(7)，径流量量杯(13)对未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量进行监测并记录，当相邻的两个采样时刻的未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量的差值小于等于1cm³时，说明达到了入渗稳定，关闭煤矸石淋滤液补给系统，停止实验；此时，计算机(7)记录为煤矸石淋滤液总降入量Q_z；此时，查看径流量测量量杯(13)内未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液径流量Q_j；查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液出渗量Q_c；

步骤五所述的三种水力边界条件，其高强度煤矸石淋滤液稳定入渗的具体模拟步骤为：

(1)、向煤矸石淋滤液桶(14-1)内加煤矸石淋滤液(15)，此时使止水阀(14-5)处于关闭状态，然后打开止水阀(14-5)，所述煤矸石淋滤液(15)经输液管(14-12)从煤矸石淋滤液喷头(14-9)流至圆柱构件(10)内的抗水压冲击板(A)上，再到达原状土样(12)的上表面，所述抗水压冲击板(A)起到保护原状土样(12)不受煤矸石淋滤液冲击侵蚀的作用；位于U型水头控制管(10-2)内的轻质塑料片(14-8)与其上方的永久磁铁(14-7)在煤矸石淋滤液(15)的浮力作用下上升，达到与圆柱构件(10)内液体的液面高度相同，当上部的圆柱构件(10)内液体的液面高度上升到实验预设高度时，通过导线(9)给电线圈(14-6)供电形成电磁铁，同时通过把手(14-4)带动转轮(14-2)转动，所述转轮(14-2)上缠有拉线(14-3)，所述电线圈(14-6)随着拉线(14-3)在滑槽(14-13)内垂直运动，转动把手(14-4)调整拉线(14-3)长度使止水阀(14-5)在轻质弹簧(14-10)的作用下接近于关闭状态来进行粗调，然后改变电线圈(14-6)的外部导线(9)所接电源电压的大小来进行精调，使此时止水阀(14-5)刚好处于关闭状态；当U型水头控制管(10-2)内液体的液面高度随着上部的圆柱构件(10)内液体的液面高度下降时，所述轻质塑料片(14-8)和永久磁铁(14-7)也随之下降，永久磁铁(14-7)与电线圈(14-6)之间的磁力减小，所述轻质弹簧(14-10)受到的荷载增加产生压缩形变，位于轻质弹簧(14-10)上的止水阀(14-5)打开，煤矸石淋滤液(15)继续经输液管(14-12)从煤矸石淋滤液喷头(14-9)流入圆柱构件(10)内进行补给；当补给到圆柱构件(10)内液体的液面高度再次上升到高出原状土样(12)预设实验高度时，止水阀(14-5)就会处于关闭状态，反之则止水阀(14-5)打开继续补给，模拟出了高强度煤矸石淋滤液稳定入渗边界条件；

(2)、在模拟高强度煤矸石淋滤液稳定入渗过程中，渗出原状土样(12)内的煤矸石淋滤液从通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)；在高强度煤矸石淋滤液稳定入渗过程中，观测到煤矸石淋滤液桶(14-1)的补水间隔为2小时以上时，说明达到入渗稳定，关闭煤矸石淋滤液补给系统，停止实验；此时，煤矸石淋滤液桶(14-1)内煤矸石淋滤液(15)的损失量记录为煤矸石淋滤液总降入量Q_z，同时，将煤矸石淋滤液桶(14-1)内煤矸石淋滤液(15)的损失量与圆柱构件(10)内未渗入的煤矸石淋滤液的量之差记录为煤矸石淋滤液入渗量Q_r，查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液出渗量Q_c。