CN108645776A - 一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法 - Google Patents

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鲁程鹏
卢佳赟
马昱斐
陈帅
姚聪聪
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials

Abstract

本发明公开了一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法，该装置包括：中空玻璃管，设于上述中空玻璃管一侧缺口处的隔纱网，设置于上述缺口处的阀门，连通渗透系数仪，可获得渗透系数；上述玻璃管另一侧的缺口设置探头，连通电导率仪，可获得电导率。根据得到的渗透系数和电导率的函数关系可以估算任一点的渗透系数。本发明提供一种操作简便、结果可信度高的渗流试验装置。渗透系数仪和电导率仪同时分布的设计，可以同时获得不同土层的电导率和对应的渗透系数；多探头的布置，可以提高结果的准确性；利用电导率和渗透系数之间的函数关系可以快速准确地获得任意一点的渗透系数。

Description

一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种仪器及方法，特别涉及一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法。
背景技术
渗透系数(K)是地下水研究中重要的水文地质参数。传统的实验室分析法和数值模拟法分别存在对介质扰动和数值求逆过程中不确定性的影响。根据地下水在含水层中的流动和导电介质中电流的流动具有相似性的新发现，本发明提出一种利用电导率来估算介质的渗透系数的新方法。
在研究渗透系数与电导率关系的过程中，需要同时测定实验对象的渗透系数和电导率。而现有的实验室中的渗流实验装置功能较为单一，无法便捷地同时测定渗透系数和电导率，影响实验的效率同时对于同一实验对象，现有装置无法同时测定渗透系数和电导率，需多个试验装置分别测定，降低实验精度并浪费实验材料。本发明不仅可以同时测量渗透系数和电导率，同时具有操作简单、自动获取数据等优点，而且利用其数据可以定量观测渗流路径，对渗透系数和电导率关系的研究具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法，在达到同时测定渗透系数和电导率的目的，并且实现利用电导率与渗透系数之间的函数关系估算介质渗透系数的目标。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置，该装置包括中空玻璃管、由所述中空玻璃管壁伸入所述中空玻璃管内的渗透系数测量组件和电导率测量组件、设置于所述中空玻璃管底部的第一隔开件以及设置于所述中空玻璃管内部以及下部的实验材料，其中，渗透系数测量组件和电导率测量组件相对设置。
作为本发明的进一步技术方案，所述渗透系数测量组件包括由所述中空玻璃管壁伸入所述中空玻璃管内的阀门以及连通所述阀门的渗透系数仪，其中，所述阀门与所述中空玻璃管壁的连接处还设置有第二隔开件。
作为本发明的进一步技术方案，所述第二隔开件为隔砂网。
作为本发明的进一步技术方案，所述电导率测量组件包括由所述中空玻璃管壁伸入所述中空玻璃管内的探头以及连通所述探头的电导率仪，其中，所述探头与所述中空玻璃管壁的连接处还设置有第三隔开件。
作为本发明的进一步技术方案，所述第三隔开件为隔水橡胶。
作为本发明的进一步技术方案，所述第一隔开件为纱网。
作为本发明的进一步技术方案，所述实验材料包括设置于所述中空玻璃管内的土壤以及设置于所述中空玻璃管下部的集水箱。
另一方面，本发明还提供一种采用如上任一所述的利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置测量渗透系数的方法，包括以下具体步骤：
(1)将渗流试验装置内设置好实验材料并安装好渗透系数测量组件和电导率测量组件，得到各测点的渗透系数和电导率；
(2)以各测点所在水平面对中空玻璃管内的实验材料进行分层，利用垂向渗透系数公式，将步骤(1)中的各测点的渗透系数转换为每一层的渗透系数，其中，第i层的渗透系数Kj为第j层的渗透系数，KV为垂向等效渗透系数，Mi、Mj分别为第i、j层的厚度；
(3)以步骤(1)中的各测点的作为对应每一层的电导率，结合步骤(2)中每一层的渗透系数，得到电导率和渗透系数之间的函数关系；
(4)利用步骤(3)得到的函数关系，通过任意一点的电导率即可得到相对应的渗透系数。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明可以丰富渗流实验装置的功能，将测定渗透系数和电导率的功能集于一体，提高实验效率；
2.本发明提出一种实验室计算渗透系数和电导率关系的新方法，为研究渗透系数和电导率之间的关系提供新的思路；
3.本发明提出一种利用电导率估算渗透系数的新方法，可以快速准确地获取土样任意一点的渗透系数，对介质渗透系数的研究有积极意义。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的结构示意图；
其中，1-中空玻璃管，2-隔砂网，3-阀门，4-探头，5-隔水橡胶，6-渗透系数仪，7-电导率仪，8-集水箱，9-土壤，10-纱网；
图2是渗透系数与电导率关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提供一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置，该装置包括中空玻璃管、由所述中空玻璃管壁伸入所述中空玻璃管内的渗透系数测量组件和电导率测量组件、设置于所述中空玻璃管底部的第一隔开件以及设置于所述中空玻璃管内部以及下部的实验材料，其中，渗透系数测量组件和电导率测量组件相对设置。所述渗透系数测量组件包括由所述中空玻璃管壁伸入所述中空玻璃管内的阀门以及连通所述阀门的渗透系数仪，其中，所述阀门与所述中空玻璃管壁的连接处还设置有第二隔开件。所述电导率测量组件包括由所述中空玻璃管壁伸入所述中空玻璃管内的探头以及连通所述探头的电导率仪，其中，所述探头与所述中空玻璃管壁的连接处还设置有第三隔开件。所述实验材料包括设置于所述中空玻璃管内的土壤以及设置于所述中空玻璃管下部的集水箱。
如图1所示，本发明一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置，包括：中空玻璃管1，设于上述中空玻璃管1一侧的渗透系数测量组件，设于上述中空玻璃管1另一侧的电导率测量组件，设置于上述中空玻璃管1底部的纱网10，设置于上述中空玻璃管1内部以及下部的实验材料。其中，实验材料为设置于上述中空玻璃管1内的土壤9以及设置于上述中空玻璃管1下部的集水箱8。
为了能够得到渗透系数的数据，渗透系数测量组件组成有：由上述中空玻璃管1壁一侧缺口处伸入中空玻璃管1内的阀门3，置于上述中空玻璃管1缺口处的隔纱网2以及连通上述阀门3的渗透系数仪6。
为了能够得到电导率的数据，电导率测量组件组成有：由上述中空玻璃管1壁的另一侧缺口处伸入中空玻璃管1内的探头4，置于上述中空玻璃管1另一侧缺口处的隔水橡胶5，连通上述探头4的电导率仪7。
为了防止阀门3处漏砂，用隔纱网贴在阀门缺口处的内壁；为了防止未测电导率时漏水，插入电导率探头的缺口处设置隔水橡胶；为了保证下渗水流畅通的前提下防止漏砂，在中空玻璃管1下部设置纱网10。
本发明的实施过程如图1所示，首先在中空玻璃管1两侧，从中部开始，向下每间隔5厘米打孔，孔径为1厘米。一侧的缺口(孔)处布置阀门3，并在中空玻璃管1内壁缺口处贴上隔砂网2，阀门和渗透系数仪6相连；另一侧的缺口处布置探头4，与电导率仪7相连，探头前设有隔水橡胶5，渗透系数仪6和电导率仪7可将测得的数据直接上传数据库。中空玻璃管1的下部接集水箱8，中空玻璃管1的内部填充土壤9，在土壤9和集水箱8之间设置纱网10，可以在保证下渗水流畅通的前提下防止漏砂。利用渗透系数仪6和电导率仪7得到的数据，可以计算出每一个土层的渗透系数以及整个土柱的渗透系数，同时可以得到每个测点的电导率，确定渗透系数和电导率的函数关系，通过得到的函数关系，可以快速准确地获取任意一点的渗透系数。
本发明采用利用电导率测量介质渗透系数的方法如下：
(1)将装置内填上土壤并设置好仪器。本文装置的中空玻璃管长60cm，内壁直径为4cm。土柱高度为30cm，管壁两侧每隔5cm对应设置阀门和探头。得到测点的渗透系数和电导率，如表1所示。
表1渗透系数及电导率统计表
(2)利用分层垂向渗透系数公式，将测得的整体的渗透系数转换为每一层土柱的渗透系数。
分层垂向渗透系数公式为：
式中：Ki、Kj为第i、j层含水层渗透系数，KV为垂向等效渗透系数，Mi、Mj为第i、j层含水层厚度。
得到的分层渗透系数计算表如表2所示：
表2分层渗透系数计算表
(3)结合每层的电导率，可以得到电导率和渗透系数之间的关系，如表3和图2所示：
表3渗透系数与电导率关系计算表
(4)利用所得的函数关系y＝290.2·exp(-0.2396·x)+17.73，可以通过任意一点的电导率得到任意一点的渗透系数。
本发明提供一种操作简单、自动获取数据、结果准确的利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法。渗透系数仪和电导率仪同时分布的设计，可以同时获得不同土层的电导率和对应的渗透系数；多探头的布置，可以提高结果的准确性；通过电导率和渗透系数的函数关系，可以获得任意一点较为可信的渗透系数。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置，其特征在于，该装置包括中空玻璃管、由所述中空玻璃管壁伸入所述中空玻璃管内的渗透系数测量组件和电导率测量组件、设置于所述中空玻璃管底部的第一隔开件以及设置于所述中空玻璃管内部以及下部的实验材料，其中，渗透系数测量组件和电导率测量组件相对设置。
2.根据权利要求1所述的一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法，其特征在于，所述渗透系数测量组件包括由所述中空玻璃管壁伸入所述中空玻璃管内的阀门以及连通所述阀门的渗透系数仪，其中，所述阀门与所述中空玻璃管壁的连接处还设置有第二隔开件。
3.根据权利要求2所述的一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法，其特征在于，所述第二隔开件为隔砂网。
4.根据权利要求1所述的一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法，其特征在于，所述电导率测量组件包括由所述中空玻璃管壁伸入所述中空玻璃管内的探头以及连通所述探头的电导率仪，其中，所述探头与所述中空玻璃管壁的连接处还设置有第三隔开件。
5.根据权利要求4所述的一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法，其特征在于，所述第三隔开件为隔水橡胶。
6.根据权利要求1所述的一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法，其特征在于，所述第一隔开件为纱网。
7.根据权利要求1所述的一种利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置及方法，其特征在于，所述实验材料包括设置于所述中空玻璃管内的土壤以及设置于所述中空玻璃管下部的集水箱。
8.一种采用如权利要求1至7中任一所述的利用电导率测量介质渗透系数的渗流试验装置测量渗透系数的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
(1)将渗流试验装置内设置好实验材料并安装好渗透系数测量组件和电导率测量组件，得到各测点的渗透系数和电导率；
(2)以各测点所在水平面对中空玻璃管内的实验材料进行分层，利用垂向渗透系数公式，将步骤(1)中的各测点的渗透系数转换为每一层的渗透系数，其中，第i层的渗透系数Kj为第j层的渗透系数，KV为垂向等效渗透系数，Mi、Mj分别为第i、j层的厚度；
(3)以步骤(1)中的各测点的作为对应每一层的电导率，结合步骤(2)中每一层的渗透系数，得到电导率和渗透系数之间的函数关系；
(4)利用步骤(3)得到的函数关系，通过任意一点的电导率即可得到相对应的渗透系数。
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