CN108931821B - 人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置 - Google Patents

人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，包括试验槽，降雨补给系统，上游供水箱及数据采集系统；试验槽包括槽体和填充于槽体中的含水介质；槽体由模块板拼接而成岩溶区边界，由上游供水箱为含水介质补给边界水流，槽体的槽底开设有若干个开采/回灌井；含水介质包括不透水的硅砂砖块和设置于硅砂砖块上的高渗透性条带，硅砂砖块内预开挖有无填充沟槽，高渗透性条带和无填充沟槽共同构筑而成裂隙‑管道网络；降雨补给系统用于为含水介质提供面状的降雨补给。不仅可模拟不同研究尺度、不同边界条件下岩溶水运动及溶质运移过程，而且可保证水流为层流状态，水流状态可控，并考虑了人类活动对岩溶水运动过程的影响。

Description

人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置
技术领域
本发明涉及一种试验装置，特别是涉及一种人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，属于岩溶水渗流及溶质运移研究装置领域。
背景技术
岩溶含水系统是一个多重复杂的系统，含水介质通常由管道暗河、大裂隙、微小裂隙、孔隙等多重空隙构成，具有高度的非均质性和各向异性，水动力参数呈现出显著的尺度效应。其中的水流包括孔隙达西流、裂隙流、地下暗河的管道流等，水流运动极其复杂，具有多相水流混合的特点。同时，岩溶水环境污染趋势正在加剧，社会发展与环境的矛盾冲突愈演愈烈，人民生命财产安全受到严重威胁。由于岩溶地区裂隙与管道并存且二者相互连通的特殊地质条件，导致岩溶水污染具有扩散迅速，影响范围广的特点，从而导致岩溶地下水保护及污染治理十分困难。因此探索岩溶水运动及溶质运移变化规律对岩溶水资源合理开发与环境保护具有重要意义。
物理试验作为研究岩溶含水系统水流及溶质运移的一种重要方法已经被广泛运用，而目前针对岩溶水运动及溶质运移变化规律的物理试验研究多以有机玻璃或岩块构筑的裂隙-管道为介质，存在如下几个方面不足：试验室条件下裂隙区流态不易控制；裂隙宽度认定学术上尚不统一；不能体现人类活动对岩溶含水系统的扰动；不能反映不同边界及不同尺度条件下岩溶水运动及溶质运移过程的差异性。
所以，建立室内的人类活动作用下岩溶水运动及溶质运移过程试验装置，对岩溶介质空隙结构、人类活动及研究尺度进行定量刻画，探究岩溶含水系统内部结构对岩溶水运动及溶质运移过程的影响，并揭示其物理机制，不仅可推动岩溶水运动及溶质运移过程的理论发展，也为实际地区复杂岩溶地下水的研究提供佐证，对岩溶水资源开发及环境保护有着重要的意义。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，特别适用于岩溶区地下水运动及溶质运移规律研究。
本发明所要解决的技术问题是提供结构简单、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，可弥补现阶段岩溶水运动试验研究领域存在的诸多不足，可促进岩溶水运动及溶质运移规律研究，可为岩溶水资源合理调控和保护提供科学依据。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，包括试验槽，设置于试验槽上方的降雨补给系统，并排设置于试验槽侧边的上游供水箱，以及数据采集系统；
所述试验槽包括槽体和填充于槽体中的含水介质；
所述槽体由模块板拼接而成岩溶区边界，槽体轴长方向的一侧边与上游供水箱相连通、由上游供水箱为含水介质补给边界水流，槽体轴长方向的另一侧边的底端开设有试验槽泉口，槽体的槽底开设有若干个开采/回灌井；
所述含水介质包括不透水的硅砂砖块和设置于硅砂砖块上的高渗透性条带，硅砂砖块内预开挖有无填充沟槽，高渗透性条带和无填充沟槽共同构筑而成裂隙-管道网络；
所述降雨补给系统沿着试验槽轴长方向平行设置，用于为含水介质提供面状的降雨补给；
所述上游供水箱通过与水位控制器相连获得水位高度调节；
所述数据采集系统包括依次相连的监测平台和计算机平台，所述监测平台用于对试验过程及环境进行监测、并将监测获得的监测数据传输给计算机平台，所述计算机平台用于对监测平台采集的监测数据进行数据处理。
本发明进一步设置为：所述槽体为方形槽。
本发明进一步设置为：所述方形槽为长方体槽。
本发明进一步设置为：所述模块板为有机玻璃板。
本发明进一步设置为：所述试验槽泉口设置有调节阀门。
本发明进一步设置为：所述开采/回灌井与外设的蠕动泵相连。
本发明进一步设置为：所述含水介质，通过改变高渗透性条带的宽度来改变裂隙-管道网络的裂隙尺寸；
或，通过改变高渗透性条带的分布密度及宽度来改变裂隙-管道网络的裂隙规模；
或，通过改变高渗透性条带与无填充沟槽的交叉角度来改变裂隙-管道网络中裂隙与管道的交互角度。
本发明进一步设置为：所述降雨补给系统包括供水管和若干个喷头，所述供水管通过支架与外设供水装置相连，若干个喷头等间距设置在供水管的管体上。
本发明进一步设置为：所述监测平台包括设置于不同监测位置的液位及电导率传感器、超声波流量计、流速仪、水样取样孔，以及设置于试验所在位置的自动气象站。
本发明进一步设置为：所述自动气象站包括自动雨量计、气压计、湿度计、温度计和蒸发皿。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、基于不透水的硅砂砖块，采用高渗透性条带和无填充沟槽共同构筑而成裂隙-管道网络，可保证裂隙水流为层流状态，符合学术界对裂隙流状态的认知，水流状态可控。
2、试验槽采用模块化设计，可模拟不同研究尺度、不同边界条件下岩溶水运动及溶质运移过程。
3、通过开采/回灌井的设置，考虑了人类活动对岩溶水运动过程的影响。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明三维试验装置的正视结构示意图；
图2为本发明三维试验装置的仰视结构示意图；
图3为本发明三维试验装置中含水介质的俯视结构剖示图；
图4为图3中A-A方向的结构示意图；
图5为图3中B-B方向的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，一种人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，包括试验槽1，设置于试验槽1上方的降雨补给系统7，并排设置于试验槽1侧边的上游供水箱6，以及数据采集系统。
所述试验槽1包括槽体2和填充于槽体2中的含水介质9；所述槽体2为方形槽，如长方体槽。所述含水介质9，用以提供岩溶水运动及溶质运移的所需介质条件。
所述槽体2由模块板拼接而成岩溶区边界，槽体2轴长方向的一侧边与上游供水箱6相连通、由上游供水箱6为含水介质9补给边界水流，槽体2轴长方向的另一侧边的底端开设有试验槽泉口5，槽体2的槽底开设有若干个开采/回灌井4。
所述模块板为有机玻璃板，将有机玻璃板通过螺栓拼接而成槽体2，槽体2可通过增减及改变模块板来实现试验尺度及覆盖区边界条件的改变。所述试验槽泉口5设置有调节阀门，用于改变泉口的排泄尺寸；所述开采/回灌井4与外设的蠕动泵相连，通过改变开采/回灌井4的流量来模拟不同人类活动强度影响下的岩溶水运动及溶质运移过程试验。所述上游供水箱6通过与水位控制器8相连获得水位高度调节。
如图3、图4和图5所示，所述含水介质9包括不透水的硅砂砖块10和设置于硅砂砖块10上的高渗透性条带12，硅砂砖块10内预开挖有无填充沟槽11，高渗透性条带12和无填充沟槽11共同构筑而成裂隙-管道网络。所述含水介质9，通过改变高渗透性条带12的宽度来改变裂隙-管道网络的裂隙尺寸；或，通过改变高渗透性条带12的分布密度及宽度来改变裂隙-管道网络的裂隙规模；或，通过改变高渗透性条带12与无填充沟槽11的交叉角度来改变裂隙-管道网络中裂隙与管道的交互角度。
目前，进行裂隙流和管道流特性识别的理论公式主要有立方定律式，层流、紊流判别公式以及达西-维斯巴赫公式等。立方定律表明，恒温条件下，水流流经开放平行裂隙时的水头损失与水流流速之间呈线性关系，这一线性关系是识别裂隙流和管道流的主要依据之一。一般地，现有物理模型试验认为隙宽2-6mm中的水流为裂隙流，经本团队试验验证，其中水流状态并不符合层流特性，即其水流实际为管道流。
所述降雨补给系统7沿着试验槽1轴长方向平行设置，用于为含水介质9提供面状的降雨补给；所述降雨补给系统7包括供水管和若干个喷头，所述供水管通过支架与外设供水装置相连，若干个喷头等间距设置在供水管的管体上。降雨补给系统7可通过改变喷头处的阀门开度实现不同降雨强度，为含水介质9提供稳定均匀的垂向水量补给。
所述数据采集系统包括依次相连的监测平台和计算机平台，所述监测平台用于对试验过程及环境进行监测、并将监测获得的监测数据传输给计算机平台，所述计算机平台用于对监测平台采集的监测数据进行数据处理。
所述监测平台包括设置于不同监测位置的液位及电导率传感器3、超声波流量计、流速仪、水样取样孔，以及设置于试验所在位置的自动气象站；所述自动气象站包括自动雨量计、气压计、湿度计、温度计和蒸发皿。监测平台用于监测试验槽内水流及溶质运移状态，并采集试验气温、水温、湿度、气压等环境资料的水文和气象资料；计算机平台包括配套的计算机数据采集软件。
三维试验装置的使用，通过降雨补给系统进行垂向水量补给和上游供水箱进行补给边界水流，补给水通过岩溶区裂隙-管道网络调蓄后，经试验槽泉口排泄，设置于不同监测位置的液位及电导率传感器等可实时动态监测水流和溶质运动过程；同时，岩溶区布置的开采/回灌井可模拟不同人类活动对岩溶水系统的扰动影响。
本发明的创新点在于，采用低渗透性的硅砂砖块上分布的高渗透性条带为裂隙水渗流介质，保证其中水流运动状态为层流；试验槽采用模块化设计，可方便地改变试验槽尺寸及边界条件，模拟不同尺度及不同边界作用下的岩溶水运动及溶质运移过程；通过开采/回灌井的设置，考虑了人类活动对岩溶水运动及溶质运移过程的影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，其特征在于：包括试验槽，设置于试验槽上方的降雨补给系统，并排设置于试验槽侧边的上游供水箱，以及数据采集系统；
所述试验槽包括槽体和填充于槽体中的含水介质；
所述槽体由模块板拼接而成岩溶区边界，槽体轴长方向的一侧边与上游供水箱相连通、由上游供水箱为含水介质补给边界水流，槽体轴长方向的另一侧边的底端开设有试验槽泉口，槽体的槽底开设有若干个开采/回灌井，所述试验槽泉口设置有调节阀门；
所述含水介质包括不透水的硅砂砖块和设置于硅砂砖块上的高渗透性条带，硅砂砖块内预开挖有无填充沟槽，高渗透性条带和无填充沟槽共同构筑而成裂隙-管道网络；
所述降雨补给系统沿着试验槽轴长方向平行设置，用于为含水介质提供面状的降雨补给；
所述上游供水箱通过与水位控制器相连获得水位高度调节；
所述数据采集系统包括依次相连的监测平台和计算机平台，所述监测平台用于对试验过程及环境进行监测、并将监测获得的监测数据传输给计算机平台，所述计算机平台用于对监测平台采集的监测数据进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，其特征在于：所述槽体为方形槽。
3.根据权利要求2所述的人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，其特征在于：所述方形槽为长方体槽。
4.根据权利要求1所述的人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，其特征在于：所述模块板为有机玻璃板。
5.根据权利要求1所述的人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，其特征在于：所述开采/回灌井与外设的蠕动泵相连。
6.根据权利要求1所述的人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，其特征在于：所述含水介质，通过改变高渗透性条带的宽度来改变裂隙-管道网络的裂隙尺寸；
或，通过改变高渗透性条带的分布密度及宽度来改变裂隙-管道网络的裂隙规模；
或，通过改变高渗透性条带与无填充沟槽的交叉角度来改变裂隙-管道网络中裂隙与管道的交互角度。
7.根据权利要求1所述的人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，其特征在于：所述降雨补给系统包括供水管和若干个喷头，所述供水管通过支架与外设供水装置相连，若干个喷头等间距设置在供水管的管体上。
8.根据权利要求1所述的人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，其特征在于：所述监测平台包括设置于不同监测位置的液位及电导率传感器、超声波流量计、流速仪、水样取样孔，以及设置于试验所在位置的自动气象站。
9.根据权利要求8所述的人类活动影响下岩溶水运动及溶质运移过程三维试验装置，其特征在于：所述自动气象站包括自动雨量计、气压计、湿度计、温度计和蒸发皿。
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