CN108490134B - 一种用于研究地下水回灌技术的实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究地下水回灌技术的实验装置与方法，实验装置包括柱状容器、至少一个固定卡盘、多根实验管，柱状容器为顶端开口的柱状容器，柱状容器的上端和底端分别设置有溢流口和出流口，固定卡盘横向卡设于柱状容器内部，实验管为两端开口的薄壁管，多根实验管均竖直向下穿过实验管孔，且底部均伸至柱状容器的底部和顶部没设于溢流口以下，实验管的管口塞有封口塞。本发明涉及的实验装置与方法在地下水回灌实验过程中，在取样时该装置不必中断实验，提高了实验效率；同时避免了取样对柱状容器内滤料产生扰动，保证了取样前后的实验数据序列的一致性，改进了实验效果。

Description

一种用于研究地下水回灌技术的实验装置与方法

技术领域

本发明涉及地下水回灌技术领域，具体涉及一种用于研究地下水回灌过程滤料堵塞特征的实验装置与方法。

背景技术

地下水的过度开采，由此引发的区域性地下水位下降、地面沉降、海水入侵、湿地萎缩、地面植被退化等一系列环境地质问题十分突出，严重影响和制约着经济社会的和谐发展。地下水回灌作为增加地下水补给量最积极、最有效的手段被广泛应用。将雨季丰沛的雨洪水或者其它地表水回灌到含水层，可以缓解地下水过度开采引起的地下水位下降、海水入侵、泉水断流等环境地质问题，而且还可以实现雨洪水资源的高效利用。然而无论采用哪种回灌方式，都将不可避免产生堵塞问题。

地下水回灌过程中的堵塞问题是影响回灌效率和回灌工程运行寿命的主要因素。室内砂柱物理模拟实验是研究地下水回灌过程中滤料堵塞特征的常用手段。在开展室内砂柱物理模拟实验时，为了揭示砂柱内滤料发生堵塞的各个阶段特征，需要对滤料进行分阶段取样。在取样时，通常需要暂停回灌实验，因此实验的周期较长，实验的效率不高。另一方面，取样会对砂柱内滤料产生扰动，对取样前后的实验数据序列一致性产生不良影响，进而降低了实验结果的精准度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于研究地下水回灌技术的实验装置与方法，用以解决现有砂柱实验过程中因滤料取样致使回灌实验不能连续和因滤料取样对砂柱内滤料产生扰动而降低了实验结果的精准度的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为，提供一种用于研究地下水回灌技术的实验装置，所述实验装置包括一柱状容器、至少一个固定卡盘、多根实验管，所述柱状容器为顶端开口的柱状容器，所述柱状容器的上端和底端分别设置有溢流口和出流口，所述柱状容器用于安置固定卡盘和实验管、填装待测的样本滤料，以及盛装回灌水；所述固定卡盘横向卡设于所述柱状容器内部，所述固定卡盘上开设有多个实验管孔和多个透水孔，所述多个实验管孔均匀设置于所述固定卡盘上，所述多个透水孔均匀设置于所述固定卡盘上的除去所述多个实验管孔之外的其余区域，所述实验管孔用于固定实验管，所述透水孔用于作为回灌水从上往下传输的透水通道；所述实验管为两端开口的薄壁管，用于填装待测的样本滤料以制备滤料堵塞样品，所述多根实验管均竖直向下穿过所述实验管孔，且所述实验管的底部均向下伸至所述柱状容器的底部，所述实验管的管口在所述溢流口以下，所述实验管的管口塞有封口塞。

优选地，所述柱状容器的侧壁上沿竖直方向均匀间隔设置有多个测压管，所述多个测压管分别用于观测不同深度位置的压力水头，所述压力水头用于开展样本滤料的堵塞特征分析。

优选地，所述柱状容器的内壁底面铺设有隔砂网，所述隔砂网用于防止样本滤料通过所述溢流口从所述柱状容器内部流失到所述柱状容器外部。

优选地，所述固定卡盘的外边缘套设有橡胶圈，所述橡胶圈用于方便所述固定卡盘安置于所述柱状容器的内壁和防止所述固定卡盘在所述柱状容器内壁的滑落。

优选地，所述固定卡盘包括上固定卡盘和下固定卡盘，所述上固定卡盘和所述下固定卡盘分别卡设于所述柱状容器的内壁的上部和下部，分别用于固定所述实验管的上端和下端。

优选地，所述柱状容器为有机玻璃管或PVC管。

优选地，所述实验管为有机玻璃管或不锈钢管。

优选地，所述固定卡盘为有机玻璃盘或PVC盘。

优选地，所述封口塞为橡皮塞或木塞。

本发明公开一种用于研究地下水回灌技术的实验方法，采用上述用于研究地下水回灌技术的实验装置，所述上固定卡盘和所述下固定卡盘上均开设有N个实验管孔，其中N为大于或等于2的自然数，所述实验方法包括以下步骤：

在所述柱状容器的内壁底面铺设隔砂网，向所述柱状容器的底部填装样本滤料，再通过橡胶圈将下固定卡盘安置于柱状容器底部的样本滤料的上面；

将N根实验管的下部逐根穿设在所述下固定卡盘的实验管孔内，向所述柱状容器再次填装样本滤料，直至样本滤料到达所述柱状容器的上部；

所述N根实验管的上部逐根穿过上固定卡盘，再将上固定卡盘安置于柱状容器上部的样本滤料的上面，并使所述N根实验管的顶端伸出上固定卡盘的实验管孔且使所述实验管的管口在所述溢流口以下；

向N根实验管内填充样本滤料，直至与所述柱状容器的上部的样本滤料相平，并对N根实验管编号，分别编号1号、2号……和N号；

向所述柱状容器管口注入回灌水，回灌水流顺着所述柱状容器的内壁及样本滤料之间的间隙向下流，先后依次穿过上固定卡盘和下固定卡盘的透水孔，部分回灌水从出流口流出；

滞留于所述柱状容器的回灌水从下而上依次分别充满所述柱状容器和实验管的底部、中部和上部的样本滤料的间隙，逐渐没过1号至N号实验管的管口，直至回灌水从溢流口流出；

回灌水在所述柱状容器的水位维持在所述溢流口的水平位置；

向所述柱状容器的管口持续注入回灌水，并记录所述多个测压管观测到的不同深度位置的压力水头，每到一个不同的实验阶段时，先后依次用封口塞塞堵1号、2号……和N号的实验管的管口；

停止注入回灌水，取出保存有不同实验阶段的样本滤料的1号、2号……和N号实验管，制备得到不同实验阶段的滤料堵塞样品；

结合所述多个测压管观测到的不同深度位置的压力水头数据，使用滤料堵塞样本开展样本滤料的堵塞特征分析。

优选地，回灌水向所述柱状容器的管口注入速率大于回灌水从所述出流口的流出速率。

本发明具有如下优点：

本发明涉及一种用于研究地下水回灌技术的实验装置与方法，与现有的技术相比，该装置与该方法在地下水回灌实验过程中，通过对不同实验阶段的实验管管口封堵以保存堵塞滤料样品，因此，在取样时该装置不必中断实验，减少了取样造成的滤料扰动，提高了实验效率。同时，避免了取样对柱状容器内滤料产生扰动，保证了取样前后的实验数据序列的一致性，改进了地下水回灌实验的滤料塞堵特征研究的实验效果。

附图说明

图1为实施例1提供的实验装置的结构示意图。

图2为实施例1提供的固定卡盘的平面示意图。

图3为实施例1提供的实验管的示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例1提供一种用于研究地下水回灌技术的实验装置，下面对本实施例1涉及的结构进行详细描述。

参考图1至图3，该实验装置包括一柱状容器1、至少一个固定卡盘2、多根实验管3，

柱状容器1为顶端开口的柱状容器，柱状容器1的上端和底端分别设置有溢流口11和出流口12，

柱状容器1用于安置固定卡盘2和实验管3、填装待测的样本滤料4，以及盛装回灌水；

固定卡盘2横向卡设于柱状容器1内部，固定卡盘2上开设有多个实验管孔201和多个透水孔202，多个实验管孔201均匀设置于固定卡盘2上，多个透水孔202均匀设置于固定卡盘2上的除去多个实验管孔201之外的其余区域，实验管孔201用于固定实验管3，透水孔202用于作为回灌水从上往下传输的透水通道；

实验管3为两端开口的薄壁管，用于填装待测的样本滤料4以制备滤料堵塞样品，多根实验管3均竖直向下穿过实验管孔201，且实验管3的底部均向下伸至柱状容器1的底部，实验管3的管口在溢流口11以下，实验管3的管口塞有封口塞31。

优选地，柱状容器1的侧壁上沿竖直方向均匀间隔设置有多个测压管13，多个测压管13分别用于观测不同深度位置的压力水头，压力水头用于开展样本滤料4的堵塞特征分析。

优选地，柱状容器1的内壁底面铺设有隔砂网5，隔砂网5用于防止样本滤料4通过出流口12从柱状容器1内部流失到柱状容器1外部。

优选地，固定卡盘2的外边缘套设有橡胶圈23，橡胶圈23用于方便固定卡盘2安置于柱状容器1的内壁和防止固定卡盘2在柱状容器1内壁的滑落。

优选地，固定卡盘2包括上固定卡盘21和下固定卡盘22，上固定卡盘21和下固定卡盘22分别卡设于柱状容器1的内壁的上部和下部，分别用于固定实验管3的上端和下端。

优选地，柱状容器1的内径与固定卡盘2的外径相等。

优选地，实验管孔201的孔径实验管3的外径与相等，实验管孔201的孔径大于样本滤料4的粒径。

优选地，柱状容器1的材质为机玻璃。其中，柱状容器1可以采用内径为30cm的有机玻璃管制作，其制作方式与目前经常采用的方法基本相同，通常包括溢流口、出流口、测压管等。

优选地，实验管3为有机玻璃管或不锈钢管。其中，实验管可以采用外径为5cm、长度大于1m的有机玻璃管或薄壁不锈钢管。

优选地，固定卡盘2的材质为有机玻璃。固定卡盘2的材质采用有机玻璃，其外径为30cm，固定卡盘套有橡胶圈。固定卡盘2上有6个直径为5cm的大型开孔，大型开孔之间均匀分布有多个直径为1cm的小型开孔。

优选地，封口塞31为橡皮塞或木塞。橡皮塞或木塞其效果经济、实用。

需要说明的是，样本滤料4根据实验需要，可以选择同一粒径的均质滤料，也可以是不同粒径的混合滤料。

实施例2

本实施例2公开一种用于研究地下水回灌技术的实验方法，采用实施例1提供的实验装置，上固定卡盘21和下固定卡盘22上均开设有6个实验管孔201，该用于研究地下水回灌技术的实验方法包括以下步骤：

步骤1：在柱状容器1的内壁底面铺设隔砂网5；

步骤2：向柱状容器1的底部填装样本滤料4，再通过橡胶圈23将下固定卡盘22安置于柱状容器1底部的样本滤料4的上面；

步骤3：将6根实验管3的下部逐根穿设在下固定卡盘22的实验管孔201内；

步骤4：向柱状容器1再次填装样本滤料4，直至样本滤料4到达柱状容器1的上部；

步骤5：6根实验管3的上部逐根穿过上固定卡盘21，再将上固定卡盘21安置于柱状容器1上部的样本滤料4的上面，并使6根实验管3的顶端伸出上固定卡盘21的实验管孔201且使实验管3的管口在溢流口11以下；

步骤6：向6根实验管3内填充样本滤料4，直至与柱状容器1的上部的样本滤料4相平；

步骤7：对6根实验管3编号，分别编号1号、2号、3号、4号、5号和6号；

步骤8：向柱状容器1管口注入回灌水，回灌水流顺着柱状容器1的内壁及样本滤料4之间的间隙向下流，先后依次穿过上固定卡盘21和下固定卡盘22的透水孔202，部分回灌水从出流口12流出；

步骤9：滞留于柱状容器1的回灌水从下而上依次分别充满柱状容器1和实验管3的底部、中部和上部的样本滤料4的间隙，逐渐没过1号至6号实验管3的管口，直至回灌水从溢流口11流出；

步骤10：回灌水在柱状容器1的水位维持在溢流口11的水平位置；

步骤11：向柱状容器1的管口持续注入回灌水，并记录多个测压管13观测到的不同深度位置的压力水头，到第1天，用橡皮塞作为封口塞31，塞堵1号实验管3的管口；

步骤12：向柱状容器1的管口持续注入回灌水，并记录多个测压管13观测到的不同深度位置的压力水头，到第5天，用橡皮塞作为封口塞31，塞堵2号实验管3的管口；

步骤13：向柱状容器1的管口持续注入回灌水，并记录多个测压管13观测到的不同深度位置的压力水头，到第10天，用橡皮塞作为封口塞31，塞堵3号实验管3的管口；

步骤14：向柱状容器1的管口持续注入回灌水，并记录多个测压管13观测不同深度位置的压力水头，到第15天，用橡皮塞作为封口塞31，塞堵4号实验管3的管口；

步骤15：向柱状容器1的管口持续注入回灌水，并记录多个测压管13观测不同深度位置的压力水头，到第30天，用橡皮塞作为封口塞31，塞堵5号实验管3的管口；

步骤16：向柱状容器1的管口持续注入回灌水，并记录多个测压管13观测不同深度位置的压力水头，到第60天，用橡皮塞作为封口塞31，塞堵6号实验管3的管口；

步骤17：停止注入回灌水，取出保存有不同实验阶段的样本滤料4的1号、2号、3号、4号、5号和6号实验管3，制备得到不同实验阶段的滤料堵塞样品；

步骤18：结合多个测压管13观测到的不同深度位置的压力水头数据，使用滤料堵塞样本开展样本滤料4的堵塞特征分析；

步骤19：放完柱状容器1的水，将柱状容器1由竖直状态缓慢地调整至水平状态；

步骤20：轻轻敲击柱状容器1的底端，柱状容器1内部的滤料变松散，直至靠近柱状容器1的开口的滤料慢慢散落；

步骤21：从内往外水平抽动实验管3，将装有样本滤料4的实验管3逐根一一取出。

优选地，步骤8至步骤16，回灌水向柱状容器1的管口注入速率大于回灌水从出流口12的流出速率。

在地下水回灌的实验过程中，由于实验管3顶端的管口被封口塞31封口，实验管3内外的压力维持恒定，所述实验管3底端管口基本不会发生液体流动。其中，实验管3长度大于1米，且实验管3顶端的管口端的样本滤料4与回灌水流充分接触，其堵塞特征更具有研究意义。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于研究地下水回灌技术的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括一柱状容器(1)、至少一个固定卡盘(2)、多根实验管(3)，

所述柱状容器(1)为顶端开口的柱状容器，所述柱状容器(1)的上端和底端分别设置有溢流口(11)和出流口(12)，所述柱状容器(1)用于安置固定卡盘(2)和实验管(3)、填装待测的样本滤料(4)，以及盛装回灌水；

所述固定卡盘(2)横向卡设于所述柱状容器(1)内部，所述固定卡盘(2)上开设有多个实验管孔(201)和多个透水孔(202)，所述多个实验管孔(201)均匀设置于所述固定卡盘(2)上，所述多个透水孔(202)均匀设置于所述固定卡盘(2)上的除去所述多个实验管孔(201)之外的其余区域，所述实验管孔(201)用于固定实验管(3)，所述透水孔(202)用于作为回灌水从上往下传输的透水通道；

所述实验管(3)为两端开口的薄壁管，用于填装待测的样本滤料(4)以制备滤料堵塞样品，所述多根实验管(3)均竖直向下穿过所述实验管孔(201)，且所述实验管(3)的底部均向下伸至所述柱状容器(1)的底部，所述实验管(3)的管口在所述溢流口(11)以下，所述实验管(3)的管口塞有封口塞(31)；

所述柱状容器(1)的侧壁上沿竖直方向均匀间隔设置有多个测压管(13)，所述多个测压管(13)分别用于观测不同深度位置的压力水头，所述压力水头用于开展样本滤料(4)的堵塞特征分析；

所述柱状容器(1)为有机玻璃管或PVC管。

2.根据权利要求1所述的用于研究地下水回灌技术的实验装置，其特征在于，所述柱状容器(1)的内壁底面铺设有隔砂网(5)，所述隔砂网(5)用于防止样本滤料(4)通过所述出流口(12)从所述柱状容器(1)内部流失到所述柱状容器(1)外部。

3.根据权利要求2所述的用于研究地下水回灌技术的实验装置，其特征在于，所述固定卡盘(2)的外边缘套设有橡胶圈(23)，所述橡胶圈(23)用于方便所述固定卡盘(2)安置于所述柱状容器(1)的内壁和防止所述固定卡盘(2)在所述柱状容器(1)内壁的滑落。

4.根据权利要求3所述的用于研究地下水回灌技术的实验装置，其特征在于，所述固定卡盘(2)包括上固定卡盘(21)和下固定卡盘(22)，所述上固定卡盘(21)和所述下固定卡盘(22)分别卡设于所述柱状容器(1)的内壁的上部和下部，分别用于固定所述实验管(3)的上端和下端。

5.根据权利要求1所述的用于研究地下水回灌技术的实验装置，其特征在于，所述实验管(3)为有机玻璃管或不锈钢管。

6.根据权利要求1所述的用于研究地下水回灌技术的实验装置，其特征在于，所述固定卡盘(2)为有机玻璃盘或PVC盘。

7.根据权利要求1所述的用于研究地下水回灌技术的实验装置，其特征在于，所述封口塞(31)为橡皮塞或木塞。

8.一种用于研究地下水回灌技术的实验方法，采用权利要求4所述的实验装置，所述上固定卡盘(21)和所述下固定卡盘(22)上均开设有N个实验管孔(201)，其中N为大于或等于2的自然数，其特征在于，所述实验方法包括以下步骤：

在所述柱状容器(1)的内壁底面铺设隔砂网(5)，向所述柱状容器(1)的底部填装样本滤料(4)，再通过橡胶圈(23)将下固定卡盘(22)安置于柱状容器(1)底部的样本滤料(4)的上面；

将N根实验管(3)的下部逐根穿设在所述下固定卡盘(22)的实验管孔(201)内，向所述柱状容器(1)再次填装样本滤料(4)，直至样本滤料(4)到达所述柱状容器(1)的上部；

所述N根实验管(3)的上部逐根穿过上固定卡盘(21)，再将上固定卡盘(21)安置于柱状容器(1)上部的样本滤料(4)的上面，并使所述N根实验管(3)的顶端伸出上固定卡盘(21)的实验管孔(201)且使所述实验管(3)的管口在所述溢流口(11)以下；

向N根实验管(3)内填充样本滤料(4)，直至与所述柱状容器(1)的上部的样本滤料(4)相平，并对N根实验管(3)编号，分别编号1号、2号……和N号；

向所述柱状容器(1)管口注入回灌水，回灌水流顺着所述柱状容器(1)的内壁及样本滤料(4)之间的间隙向下流，先后依次穿过上固定卡盘(21)和下固定卡盘(22)的透水孔(202)，部分回灌水从出流口(12)流出；

滞留于所述柱状容器(1)的回灌水从下而上依次分别充满所述柱状容器(1)和实验管(3)的底部、中部和上部的样本滤料(4)的间隙，逐渐没过1号至N号实验管(3)的管口，直至回灌水从溢流口(11)流出；

回灌水在所述柱状容器(1)的水位维持在所述溢流口(11)的水平位置；

向所述柱状容器(1)的管口持续注入回灌水，并记录所述多个测压管(13)观测到的不同深度位置的压力水头，每到一个不同的实验阶段时，先后依次用封口塞(31)塞堵1号、2号……和N号的实验管(3)的管口；

停止注入回灌水，取出保存有不同实验阶段的样本滤料(4)的1号、2号……和N号实验管(3)，制备得到不同实验阶段的滤料堵塞样品；

结合所述多个测压管(13)观测到的不同深度位置的压力水头数据，使用滤料堵塞样本开展样本滤料(4)的堵塞特征分析。