CN107179263A - 一种模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置及工作方法，该装置包括：定水头水箱、圆管、流量控制阀、电磁流量计、载体、矩形出口水槽、针管注射器，当模拟单一管道溶质运移时，上述的载体为圆管；当模拟管道+水箱溶质运移时，上述的载体为水箱。本发明能够通过变换管道结构和调节流速，快速获得不同实验条件下出口的溶质浓度曲线，为定量分析研究管道内溶潭对溶质运移的影响提供了十分有效的方法。
Description
技术领域
本发明属于水文地质学技术领域，具体指代一种模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置及工作方法。
背景技术
岩溶管道在我国西南岩溶地区广泛分布，为岩溶地区污染物运移最主要的通道。随着社会经济的发展，该地区的污染日益严重，大量的工业和生活污水通过落水洞等直接排入岩溶管道，并快速运移扩散到其他地方，造成该地区地下水大面积污染。研究溶质在岩溶管道中的运移过程对于西南岩溶地区地下水污染预测与防治具有重要意义。岩溶管道中污染物运移过程可能受到很多因素的影响，例如管道壁的粗糙程度、管道内部结构、管道内沉积物的吸附等，其中管道中溶潭的存在对污染物的运移过程具有显著的影响，一般认为管道中的溶潭能降低污染物的峰值浓度，增加污染物的拖尾时间，目前对于管道中溶潭对污染物运移影响大多数为定性认识，且很少探讨不同的溶潭结构对污染物运移的影响。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置及工作方法，本发明的装置结构简单，操作方便，能够定量研究不同溶潭结构对管道中污染物运移结果的影响。
为达到上述目的，本发明的一种模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置，包括：定水头水箱、圆管、流量控制阀、电磁流量计、载体、矩形出口水槽、针管注射器，该定水头水箱的两端分别设有第一出水口与第二出水口，该圆管的入口与上述定水头水箱的第二出水口相连，该圆管上还依次连接有流量控制阀、电磁流量计及载体，圆管的出口与矩形出口水槽相连；该矩形出口水槽用于放置监测仪器的探头并排水；该圆管上还设有溶质注入口，置于电磁流量计与载体之间，其与针管注射器配合使用，向圆管内注射溶质；其中，
当模拟单一管道溶质运移时，上述的载体为圆管；
当模拟管道+水箱溶质运移时，上述的载体为水箱。
优选地，所述的定水头水箱内部被玻璃板分割为左右两部分，玻璃板高度略低于定水头水箱外壁高度，右侧水箱底部的第二出水口给圆管供水，左侧水箱底部的第一出水口用于排泄多余的水；外部供水供给右侧水箱，当右侧水箱满后，多余的水会流入左侧水箱，通过左侧水箱底部的第一出水口排出，当供水水量大于右侧水箱第二出水口水量时，右侧水箱一直处于满水和定水头状态给管道供水。
优选地，所述的水箱上设有排气孔，用于实验开始后排出水箱内的空气。
优选地，所述的水箱的出口与入口呈一条直线设置或呈对角线设置。
优选地，所述的溶质为高浓度NaCl溶液。
优选地，所述的监测仪器采用电导率自动监测仪器。
本发明的一种模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置的工作方法，包括步骤如下：
将定水头水箱放置于实验台上，圆管放置于地上，保证圆管出入口足够的水压差；模拟单一管道的溶质运移过程，先通过泵或其它外部供水设备向定水头水箱供水，使右侧水箱内充满水，随后打开流量控制阀，保持一段时间直到圆管内的气泡全部排出，整个圆管处于饱水状态，之后根据电磁流量计读数调节流量控制阀将管道内流速设置为一定流速；待电磁流量计读数稳定后，通过针管注射器向圆管内瞬时注入一定量的溶质，在圆管出口通过监测仪器实时监测溶质浓度变化，获得圆管出口的溶质浓度曲线，完成单一管道的溶质运移实验；
随后保持流量控制阀的阀门位置不变，将模拟单一管道的溶质运移过程中的一段圆管分别替换为两种不同的水箱，重复上述的充水和排气过程；微调流量控制阀的阀门，确保更换为水箱前后的出口流速保持一致；通过针管注射器向圆管内瞬时注入一定量的溶质，在圆管出口通过监测仪器实时监测溶质浓度变化，分别获得含有不同水箱结构的圆管出口溶质浓度曲线，与单一管道的溶质运移结果对比研究管道内溶潭对溶质运移的影响。
优选地，所述的两种不同的水箱具体为水箱出入口呈一条直线设置、水箱出入口呈对角线设置。
本发明的有益效果：
本发明能够通过变换管道结构，快速获得不同实验条件下出口的溶质浓度曲线，为定量分析研究管道内溶潭对溶质运移的影响提供了十分有效的方法。
附图说明
图1为模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置结构示意图。
图2为水箱的主视图。
图3为出入口呈一条直线设置的水箱的俯视图。
图4为出入口呈对角线设置的水箱的俯视图。
图5为实施例中流速为0.306m3/s不同管道结构的溶质浓度-时间曲线图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图4所示，本发明的一种模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置，包括：定水头水箱1、圆管2、流量控制阀5、电磁流量计6、载体3、矩形出口水槽9、针管注射器；该定水头水箱1的两端分别设有第一出水口（溢流口）与第二出水口，该圆管2的入口与上述定水头水箱的第二出水口相连，该圆管2上还依次连接有流量控制阀5、电磁流量计6及载体3，圆管2的出口8与矩形出口水槽9相连；该矩形出口水槽9用于放置监测仪器4的探头并排水；该圆管2上还设有溶质注入口7，置于电磁流量计6与载体3之间，其与针管注射器配合使用，向圆管内注射溶质；其中，
定水头水箱1，其内部被玻璃板分割为左右两部分，玻璃板高度略低于定水头水箱外壁高度，右侧水箱底部的第二出水口给圆管供水，左侧水箱底部的第一出水口用于排泄多余的水；外部供水供给右侧水箱，当右侧水箱满后，多余的水会流入左侧水箱，通过左侧水箱底部的第一出水口排出，当供水水量大于右侧水箱第二出水口水量时，右侧水箱一直处于满水和定水头状态给管道供水；
其通过泵或其它外部供水设备不停向水箱供水，打开流量控制阀5后，右侧水箱中的水流向圆管2（实施例中选用PVC圆管），所有实验场景下流向圆管的流量均小于进水流量，多余的水通过左侧水箱底部的第一出水口流出，维持水箱的定水头；把定水头水箱1放置在实验台上，确保定水头水箱1水头和圆管出口之间有足够的水头差；定水头水箱向圆管供水。
圆管2，实施例中选用PVC圆管，长56 m，其中定水头水箱1第二出水口到溶质注入口7的长度为6m，确保溶质注入口之后圆管内流场的稳定，载体3到溶质注入口7的距离为20m，PVC圆管内径为19mm，外径为24mm，放置在地面上。
载体3，当模拟单一管道溶质运移时，载体为PVC圆管，其与其它区域圆管内外径一致，内径为19mm，外径为24mm；当模拟管道+水箱溶质运移时，载体为水箱，水箱设计为立方体，由透明玻璃板构成，边长10cm，两种不同结构水箱主要表现为的水箱进水口和出水口位置不同，分别为水箱11出入口呈一条直线设置及水箱12出入口呈对角线设置。
监测仪器4，采用电导率自动监测仪器，该监测仪器4的探头放置在矩形出口水槽9中靠近圆管出口处，监测不同时刻的电导率值。
流量控制阀5，调节流量控制阀来控制圆管2中的水流量的大小。
电磁流量计6，监测通过圆管的水流流量值。
溶质注入口7，采用2.5ml针管注射器向圆管内注入NaCl溶液，注入时间小于1秒，近似为瞬时注入。
矩形出口水槽9，三面均由透明玻璃板构成，连接圆管出口8，用于放置监测仪器探头并排水。
排气孔10，其设于水箱3上，水流进水箱时，空气通过排气孔10排出，最终使得水箱充满水，呈饱水状态，待圆管和水箱均充满水时，夹住排气孔，防止水流通过该孔流出。
一种模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置的工作方法，实施例中步骤如下：
步骤一：先模拟单一管道的溶质运移过程，通过泵或其它供水设备向定水头水箱1供水，使右侧水箱内充满水，随后把流量控制阀的阀门开到最大，让水流进圆管，保持一段时间直到圆管内的气泡全部排出，整个圆管处于饱水状态；待圆管处于饱水且水流流场稳定后，调节流量控制阀的阀门至管道内流速为0.306 m/s，此时圆管内雷诺数大于4000，水流为紊流。
步骤二：调节流量控制阀的阀门后，稍等片刻至流量恢复稳定时，取2.5ml提前配置好的浓度为200g/L的NaCl溶液，在1s内通过溶质注入口注入圆管，为保证实验结果的准确性，每一次实验需要重复进行3次溶质注入实验，确保圆管出口的浓度-时间穿透曲线基本相同。
步骤三：注入NaCl溶液同时，启动电导率自动监测仪器的自动记录模式，监测圆管出口溶液的电导率值。
步骤四：随后保持流量控制阀的阀门位置不变，将模拟单一管道的溶质运移过程的装置内的某一段圆管（即溶质注入口与圆管出口之间的任意一段）替换为两种不同的水箱，分别为水箱出入口呈一条直线设置及水箱出入口呈对角线设置；重复上述步骤一中的充水和排气过程；替换为水箱后，圆管内的流速可能会出现一定的变化，当流速变化较大时，微调流量控制阀的阀门，根据电磁流量计读数确保更换为水箱前后的水流速保持一致；接着重复上述步骤二与步骤三。
步骤五：实验完成后，导出电导率数据。采用实验用水配置不同溶度的NaCl溶液并测量其电导率值，建立NaCl浓度与电导率标准曲线，根据标准曲线将监测的电导率值转换为浓度值，绘制浓度-时间曲线，见图5，图中a为单管道；b为管道中间连接一个对称水箱（出入口呈一条直线设置）；c为管道中间连接一个不对称水箱（出入口呈对角线设置）。结果显示管道中溶潭（即水箱）的存在会导致溶质峰值浓度明显降低，出口处溶质持续时间增加，不对称溶潭还会导致溶质溶度峰值的明显滞后。
此外，本发明还可通过调节流量控制阀的阀门，来控制圆管内水的流速，研究不同流速条件下溶潭结构对管道中污染物运移影响的变化。
本发明具体应用途径很多，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置，其特征在于，包括：定水头水箱、圆管、流量控制阀、电磁流量计、载体、矩形出口水槽、针管注射器，该定水头水箱的两端分别设有第一出水口与第二出水口，该圆管的入口与上述定水头水箱的第二出水口相连，该圆管上还依次连接有流量控制阀、电磁流量计及载体，圆管的出口与矩形出口水槽相连；该矩形出口水槽用于放置监测仪器的探头并排水；该圆管上还设有溶质注入口，置于电磁流量计与载体之间，其与针管注射器配合使用，向圆管内注射溶质；其中，
当模拟单一管道溶质运移时，上述的载体为圆管；
当模拟管道+水箱溶质运移时，上述的载体为水箱。
2.根据权利要求1所述的模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置，其特征在于，所述的定水头水箱内部被玻璃板分割为左右两部分，玻璃板高度略低于定水头水箱外壁高度，右侧水箱底部的第二出水口给圆管供水，左侧水箱底部的第一出水口用于排泄多余的水；外部供水供给右侧水箱，当右侧水箱满后，多余的水会流入左侧水箱，通过左侧水箱底部的第一出水口排出，当供水水量大于右侧水箱第二出水口水量时，右侧水箱一直处于满水和定水头状态给管道供水。
3.根据权利要求1所述的模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置，其特征在于，所述的水箱上设有排气孔，用于实验开始后排出水箱内的空气。
4.根据权利要求1所述的模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置，其特征在于，所述的水箱的出口与入口呈一条直线设置或呈对角线设置。
5.根据权利要求1所述的模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置，其特征在于，所述的溶质为高浓度NaCl溶液。
6.根据权利要求5所述的模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置，其特征在于，所述的监测仪器采用电导率自动监测仪器。
7.一种模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
将定水头水箱放置于实验台上，圆管放置于地上，保证圆管出入口足够的水压差；模拟单一管道的溶质运移过程，先通过泵或其它外部供水设备向定水头水箱供水，使右侧水箱内充满水，随后打开流量控制阀，保持一段时间直到圆管内的气泡全部排出，整个圆管处于饱水状态，之后根据电磁流量计读数调节流量控制阀将管道内流速设置为一定流速；待电磁流量计读数稳定后，通过针管注射器向圆管内瞬时注入一定量的溶质，在圆管出口通过监测仪器实时监测溶质浓度变化，获得圆管出口的溶质浓度曲线，完成单一管道的溶质运移；
随后保持流量控制阀的阀门位置不变，将模拟单一管道的溶质运移过程中的一段圆管分别替换为两种不同的水箱，重复上述的充水和排气过程；微调流量控制阀的阀门，确保更换为水箱前后的出口流速保持一致；通过针管注射器向圆管内瞬时注入一定量的溶质，在圆管出口通过监测仪器实时监测溶质浓度变化，分别获得含有不同水箱结构的圆管出口溶质浓度曲线，与单一管道的溶质运移结果对比研究管道内溶潭对溶质运移的影响。
8.根据权利要求7所述的模拟管道内溶潭对污染物运移影响的装置的工作方法，其特征在于，所述的两种不同的水箱具体为水箱出入口呈一条直线设置、水箱出入口呈对角线设置。
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| CN110376101A (zh) * | 2019-08-26 | 2019-10-25 | 中国地质科学院岩溶地质研究所 | 一种模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置 |
| CN110376101B (zh) * | 2019-08-26 | 2024-03-01 | 中国地质科学院岩溶地质研究所 | 一种模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置 |
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