CN108804761A - 多重介质地下水运移模拟运移模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多重介质地下水运移模拟系统和模拟方法，用自上而下排列并依次连通的多个水箱模拟地下水系统；各水箱中充满模拟裂隙介质；各水箱布置穿过水箱的刚性管道，作为模拟管道介质，并将各水箱的模拟管道介质依次连通，所述刚性管道上分布小孔，通过小孔和水箱内模拟裂隙介质相通。本发明能够同时模拟岩溶管道和岩石裂隙两种介质，充分体现了岩溶多重介质内部结构的差异性，也可以实现单一介质模拟，克服了传统物理模拟只能实现单一介质模拟的局限性。
Description
技术领域
本发明涉及岩溶发育地区地下工程建设过程中遇到的地下水运移规律研究领域，可以为岩溶区水资源评价、地下工程建设提供科学依据，尤其为一种多重介质地下水运移模拟方法及系统。
背景技术
中国作为世界上岩溶最发育的国家之一，岩溶区总面积约3.44×106km2，约占国土面积的1/3，主要集中在南方的云南省、贵州省和广西壮族自治区等。岩溶水运移的特征、规律有别于孔隙水，主要在于两者含水介质的空隙特征具有明显的差异。后者的空隙类型单一，其水动力特征相对均一；前者的空隙则是由各类空隙组成的复合体，它们对岩溶水的动态有着不同的贡献，依其作用可分为2种基本类型：（1）孔隙和微裂隙；（2）岩溶管道和宽裂隙。二者在地下水的赋存和运移中起不同的作用，有着不同的水流特征，含水介质具有强烈的各向异性和非均质性，水流运动规律也异常复杂。
当前岩溶地下水运移规律研究主要采用两种方法：数值模拟和物理模型。数值模拟多采用等效孔隙介质模型和裂隙－管道双重介质模型，相比于等效多孔介质模型和双重介质模型能够更好地反映地下水流特征，提高了模拟精度，在国内外的地下水流模拟中较先进，但是现有的建模方法在精确性和适用性上还有待提高，多选择一个和数个典型地下水系统进行建模分析，模型搭建具有针对性，且多选择地下水赋存介质相对简单的单一管道模型或管道弱发育模型进行模拟，岩溶区地下水系统复杂多变，尤其是岩溶发育程度较高的西南岩溶区，地下水系统中三种介质并存，水流条件多变，现有的模型难以推广应用，需要根据建模中存在的问题做出进一步的改进。
物理模型在一定程度上可以按照野外实际的水文地质条件任意改变。近年来，随着模具制造水平的提高，众多研究者开始强调物理模型的重要性，因此通过试验手段研究管道、裂隙等多重介质对地下水水流系统的影响和控制作用成为热点。目前的物理模型模拟试验主要集中在单个平行板裂隙、单管道、多组平行裂隙或交叉裂隙上。由于裂隙－管道介质本身的复杂性，对裂隙网络，尤其是裂隙－管道物理模型的研究较少。
发明内容
受岩溶发育的影响，岩溶地区地下含水介质空隙分布高度不均，管道、裂隙并存，二者在地下水的赋存和运移中起不同的作用，有着不同的水流特征，含水介质具有强烈的各向异性和非均质性，水流运动规律也异常复杂，裂隙－管道是其主要的储水空间和导水通道。
但是裂隙－管道介质具有高度非均质性和各向异性，水动力过程极其复杂，并且野外试验测量方法和观测数据有限，水文地质参数难以获取，数值模拟和物理模型方法也存在一定的局限性，阻碍了深入研究裂隙介质地下水流运动规律。
针对岩溶区复杂的地下水流特征，本发明的第一个目的是提出一种多重介质地下水运移模拟方法，能够同时模拟裂隙和管道，充分体现岩溶多重介质内部结构的差异性。为此，本发明采用以下技术方案：
一种多重介质地下水运移模拟方法，其特征在于：
用自上而下排列并依次连通的多个水箱模拟地下水系统；各水箱中充满模拟裂隙介质；各水箱布置穿过水箱的刚性管道，作为模拟管道介质，并将各水箱的模拟管道介质依次连通，所述刚性管道上分布小孔，通过小孔和水箱内模拟裂隙介质相通；各水箱设置水位计；最上游水箱的进水口和最下游水箱的出水口设置流量计，相邻水箱之间设置流量计，用于测量各水箱间裂隙水流的交换量；最上游水箱的刚性管道的进水口和最下游水箱的刚性管道的出水口设置流量计，相邻水箱的刚性管道之间设置流量计，用以测量管道流量；
各水箱具有进水口和出水口，将最上游水箱的进水口作为模拟裂隙介质的示踪剂投放口，最下游水箱的出水口作为裂隙出口；
将最上游水箱的刚性管道进水口作为模拟管道介质的示踪剂投放口，最下游水箱的刚性管道出水口并作为管道出口；
每个水箱及水箱的刚性管道均布置流量开关；
通过分别或同时向模拟裂隙介质的示踪剂投入口和模拟管道介质的示踪剂投入口投放示踪剂，分别模拟管道、裂隙以及管道-裂隙中的地下水运移。
本发明的另一个目的是提供一种多重介质地下水运移模拟系统，能够同时模拟裂隙和管道，充分体现了岩溶多重介质内部结构的差异性。为此，本发明采用以下技术方案：
一种多重介质地下水运移模拟系统，其特征在于包括地下水模拟系统，所述地下水模拟系统包括多个水箱，各水箱具有进水口和出水口，所述多个水箱自上而下排列并依次连通；
所述模拟系统还包括裂隙-管道系统模拟结构；所述裂隙-管道系统模拟结构包括在各水箱中充满模拟裂隙介质；所述裂隙-管道系统模拟结构还保留在各水箱布置刚性管道，作为模拟管道介质，所述刚性管道上分布小孔，通过小孔和水箱内模拟裂隙介质相通，多个水箱的模拟管道介质依次连通；
各水箱设置水位计；最上游水箱的进水口和最下游水箱的出水口设置流量计，相邻水箱之间设置流量计，用于测量各水箱间裂隙水流的交换量；最上游水箱的刚性管道的进水口和最下游水箱的刚性管道的出水口设置流量计，相邻水箱的刚性管道之间设置流量计，用以测量管道流量；
每个水箱及水箱的刚性管道均布置流量开关；
各水箱的出水口具有取样口，各水箱的刚性管道的出水口具有取样口。
进一步地，所述刚性管道从水箱的中线穿过。
进一步地，所述模拟裂隙介质采用在水箱中充满大小不一的碎石模拟。
进一步地，所述刚性管道的直径在1.5cm～2.5cm，所述模拟裂隙介质采用在水箱中充满大小不一的碎石模拟，碎石的粒径在0.5～1.0cm之间，所述小孔的直径为1～2mm、间距为1~2cm。
进一步地，每个水箱的出水口及水箱的刚性管道的出水口布置所述流量开关。
本发明能够同时模拟岩溶管道和岩石裂隙两种介质，充分体现了岩溶多重介质内部结构的差异性，也可以实现单一介质模拟，克服了传统物理模拟只能实现单一介质模拟的局限性。本发明还能够根据现场地下水运移环境对运移系统进行人为增减，保证了系统的可持续利用，也更加贴近现场实际情况，并且能够根据不同水文地质条件任意改变，建立合理的模拟系统。
附图说明
图1为本发明的多重介质地下水运移模拟系统示意图。
具体实施方式
参照附图。本发明多重介质地下水运移模拟系统包括地下水模拟系统。地下水模拟系统由多个水箱组成，水箱尺寸一般为长50cm×宽30cm×高30cm，具体个数可根据现场地质情况分析判别，一般2~3个基本能够代表地下水系统。本实施例采用三个水箱，分别采用T1、T2、T3表示，三个水箱自上而下依次布置。
本发明多重介质地下水运移模拟系统还包括裂隙-管道系统模拟结构：
每个水箱内都充满粒径在0.5～1.0cm之间的碎石，代表裂隙介质，代表符号为L1、L2、L3；
在每个水箱的中心垂直位置上布置一内径2.0cm的塑料管道，用以模拟管道介质，代表符号为G1、G2、G3；塑料管道G1、G2、G3是依次连通的。
在塑料管G1、G2、G3的壁上均匀分布着直径为1～2mm、间距为1~2cm的小孔100，使管道与模拟裂隙的碎石相连，并保证能使水流通过；
管道侧壁代表了双重介质的界面；
在水箱的底部装有侧压管H1、H2、H3，为各水箱水位的测量装置；
在各水箱的管道进、出口上，分别装有流量计J01、J11、J21、J31，用以测量管道流量；
在水箱与水箱之间设置流量计J02、J12、J22、J32，测量各水箱间裂隙水流的交换量；
在每个水箱的管道及裂隙出口处，设有示踪剂取样口，并布置流量开关F11、F12、F21、F22、F31、F32。其中GQ1、GQ2、GQ3代表管道介质取样口，LQ1、LQ2、LQ3代表裂隙介质取样口。
（3）地下水运移模拟
为了分析在不同介质中地下水运移情况，在水中填加示踪剂NaCL（氯化钠）。通过分别向投入口K1、K2以及K1K2同时投放示踪剂，分别模拟管道、裂隙以及管道-裂隙中的地下水运移；
分别在取样口GQ1、GQ2、GQ3和LQ1、LQ2、LQ3进行取样，取样间隔5～10分钟，评价地下水在经过不同地下水系统时，不同介质在地下水运移过程中所发挥的作用。
如果单纯为管道流，可以只开启管道投放口；如果单纯为裂隙流，则只开启裂隙投放口。如果为管道流和裂隙流综合情况，则两者都开启。
还可通过改变换水箱中的碎石大小、不同水箱的水是大小区别、改变不同水箱流量等各种调节手段，来模拟不同的目标水文地质条件。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种多重介质地下水运移模拟方法，其特征在于：
用自上而下排列并依次连通的多个水箱模拟地下水系统；各水箱中充满模拟裂隙介质；各水箱布置穿过水箱的刚性管道，作为模拟管道介质，并将各水箱的模拟管道介质依次连通，所述刚性管道上分布小孔，通过小孔和水箱内模拟裂隙介质相通；各水箱设置水位计；最上游水箱的进水口和最下游水箱的出水口设置流量计，相邻水箱之间设置流量计，用于测量各水箱间裂隙水流的交换量；最上游水箱的刚性管道的进水口和最下游水箱的刚性管道的出水口设置流量计，相邻水箱的刚性管道之间设置流量计，用以测量管道流量；
各水箱具有进水口和出水口，将最上游水箱的进水口作为模拟裂隙介质的示踪剂投放口，最下游水箱的出水口作为裂隙出口；
将最上游水箱的刚性管道进水口作为模拟管道介质的示踪剂投放口，最下游水箱的刚性管道出水口并作为管道出口；
每个水箱及水箱的刚性管道均布置流量开关；
通过分别或同时向模拟裂隙介质的示踪剂投入口和模拟管道介质的示踪剂投入口投放示踪剂，分别模拟管道、裂隙以及管道-裂隙中的地下水运移。
2.一种多重介质地下水运移模拟系统，其特征在于包括地下水模拟系统，所述地下水模拟系统包括多个水箱，各水箱具有进水口和出水口，所述多个水箱自上而下排列并依次连通；
所述模拟系统还包括裂隙-管道系统模拟结构；所述裂隙-管道系统模拟结构包括在各水箱中充满模拟裂隙介质；所述裂隙-管道系统模拟结构还保留在各水箱布置刚性管道，作为模拟管道介质，所述刚性管道上分布小孔，通过小孔和水箱内模拟裂隙介质相通，多个水箱的模拟管道介质依次连通；
各水箱设置水位计；最上游水箱的进水口和最下游水箱的出水口设置流量计，相邻水箱之间设置流量计，用于测量各水箱间裂隙水流的交换量；最上游水箱的刚性管道的进水口和最下游水箱的刚性管道的出水口设置流量计，相邻水箱的刚性管道之间设置流量计，用以测量管道流量；
每个水箱及水箱的刚性管道均布置流量开关；
各水箱的出水口具有取样口，各水箱的刚性管道的出水口具有取样口。
3.如权利要求2所述的一种多重介质地下水运移模拟系统，其特征在于所述刚性管道从水箱的中线穿过。
4.如权利要求2所述的一种多重介质地下水运移模拟系统，其特征在于所述模拟裂隙介质采用在水箱中充满大小不一的碎石模拟。
5.如权利要求2所述的一种多重介质地下水运移模拟系统，其特征在于所述刚性管道的直径在1.5cm～2.5cm，所述模拟裂隙介质采用在水箱中充满大小不一的碎石模拟，碎石的粒径在0.5～1.0cm之间，所述小孔的直径为1～2mm、间距为1~2cm。
6.如权利要求2所述的一种多重介质地下水运移模拟系统，其特征在于每个水箱的出水口及水箱的刚性管道的出水口布置所述流量开关。
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| GR01 | Patent grant | ||
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