CN109060602A - 研究降雨时岛礁地下淡水边界变化的试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究降雨时岛礁地下淡水边界变化的试验装置及其方法，涉及岩土介质领域中的降雨入渗和淡水透镜体技术。本装置包括研究对象——钙质土（00）；设置有供水单元（10）和模拟单元（20）；供水单元（10）由淡水桶（11）、蠕动泵（12）、咸水桶（13）和水泵（14）组成；模拟单元（20）由土槽（21）和降雨喷头（22）组成。本发明可以在室内模拟岛礁地下淡水边界变化情况，可重复试验，可设置土级配、土密度、土层数量、底层边界类型、雨量和雨强等变量条件；操作简单，不需要太多繁琐步骤；制造成本低，可以同时进行多组试验，效率高。

Description

研究降雨时岛礁地下淡水边界变化的试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及岩土介质领域中的降雨入渗和淡水透镜体技术，尤其涉及一种研究降雨时岛礁地下淡水边界变化的试验装置及方法。

背景技术

岛礁吹填后，地下水体的变化直接影响到岛礁植被的生存状况，若能形成稳定淡水体，则对岛礁运行有重要作用，其中降雨及地层条件对形成的淡水体的形态有重要影响，而淡水体边界形态即决定了淡水储量。作为吹填岛的主体介质，钙质土是一种不同于陆源土的特属土，钙质土亦可称作碳酸盐类土，通常是指包括海洋生物（珊瑚、海藻和贝壳等）的富含碳酸钙或其它碳酸盐类物质的特殊岩土介质。钙质土长期在碳酸盐溶液中，经物理、生物化学作用，其中包括有机碎屑及岩屑的破碎和胶结过程，经过一定的压力、温度和溶解的变化过程，而形成的一种碳酸盐沉积物。由于吹填岛礁现场试验条件有限，不可能进行大规模钻孔试验，因此设计一种室内的模拟地下淡水边界形态变化的装置有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的问题，提供一种研究降雨条件下岛礁地下淡水边界变化的试验装置及方法，以弄清岛礁地下淡水体边界形态的影响因素及其权重。

一、研究降雨时岛礁地下淡水边界变化的试验装置（简称装置）：

本装置包括研究对象——钙质土；

设置有供水单元和模拟单元；

供水单元由淡水桶、蠕动泵、咸水桶和水泵组成；

模拟单元由土槽和降雨喷头组成；

其位置和连接关系是：

淡水桶、咸水桶和土槽放置在水平地面上；

降雨喷头放置在土槽正上方一定高度；

土槽的中槽内装填钙质土；

蠕动泵的蠕动泵进水口与淡水桶通过乳胶管连接，蠕动泵出水口与降雨喷头的通水管连接；

水泵的水泵进水口与咸水桶通过乳胶管连接，水泵出水口与土槽的进水管连接。

二、研究降雨时岛礁地下淡水边界变化的试验方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

①将淡水桶11、咸水桶13和土槽21放置在水平地面上，将降雨喷头22放置在土槽21正上方一定高度；

②淡水桶11与蠕动泵进水口121连接，蠕动泵出水口122与降雨喷头22

的通水管221连接；

③咸水桶13与水泵进水口141连接，水泵出水口142与土槽21两侧的两个进水管连接；

④保留土槽21将要使用的出水管左右平齐各一个，其他出水管关闭；

⑤向土槽中槽内装填5cm钙质土00；

⑥打开水泵14向土槽21侧槽内缓慢注水至水面刚好平齐钙质土00的顶面；

⑦待钙质土00饱和，继续装填5cm土样，并重复步骤⑥操作，直至装样完毕；

⑧打开蠕动泵12，使降雨喷头22开始降雨，实验开始，持续观测降雨后的入渗情况，用相机定时拍摄土槽21正面的图像；

⑨分别改变土样级配、密度、层数和底边界条件以及雨量和雨强的条件并重复步骤①～⑧；

⑩分析数据得出结论。

本发明具有下列的优点和积极效果：

①可以在室内完成模拟岛礁地下淡水边界形态变化的试验，可重复试验，可设置土样级配、密度、层数、底边界条件、雨量和雨强等条件；

②操作简单，不需要太多繁琐步骤；

③制造成本低，可以同时进行多组试验，效率高。

附图说明

图1是本装置的结构方框图；

图2是本装置的结构示意图；

图3是供水单元10的结构示意图；

图4是模拟散单元20的结构示意图。

图中：

00—钙质土；

10—供水单元；

11—淡水桶；

12—蠕动泵，

121—蠕动泵进水口， 122—蠕动泵出水口；

13—咸水桶；

14—水泵，

141—水泵进水口， 142—水泵出水口；

20—模拟单元

21—土槽，

211—中槽， 212—侧槽， 213—透水隔挡， 214—土槽出水管，

215—土槽进水口， 216—刻度；

22—降雨喷头，

221—通水管， 222—出水针头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1、2，本装置包括研究对象——钙质土00；

设置有供水单元10和模拟单元20；

供水单元10由淡水桶11、蠕动泵12、咸水桶13和水泵14组成；

模拟单元20由土槽21和降雨喷头22组成；

其位置和连接关系是：

淡水桶11、咸水桶13和土槽21放置在水平地面上；

降雨喷头22放置在土槽正上方一定高度；

土槽21的中槽211内装填钙质土00；

蠕动泵12的蠕动泵进水口121与淡水桶11通过乳胶管连接，蠕动泵出水口122与降雨喷头22的通水管221连接；

水泵14的水泵进水口141与咸水桶13通过乳胶管连接，水泵出水口142与土槽21的进水管215连接。

工作机理：由于淡水入渗咸水密度差异以及在钙质土介质阻碍了淡水的消散，使得在咸水饱和的钙质土中降雨后，会在咸水顶部形成一个中间厚两边薄的淡水体，淡水体的形状取决于土样级配、密度、层数和底边界条件以及雨量和雨强等条件，本装置通过研究二维剖面状态下的钙质土样，以研究降雨条件下的咸水饱和钙质土内淡水体边界形态变化规律。

2、功能单元

1）供水单元

如图3，供水单元10由淡水桶11、蠕动泵12、咸水桶13和水泵14组成；

其位置和连接关系是：

在淡水桶11内装有试验用淡水（内部加入红色色素示踪剂），通过蠕动泵12向降雨喷头22提供淡水，咸水桶13内装有试验用咸水，通过水泵14向土槽21两边的侧槽212供咸水。

（1）淡水桶11

如图3，淡水桶11为顶部开口圆柱状水桶；

其功能是：为降雨喷头22提供淡水水源。

（2）蠕动泵12

如图3，蠕动泵12进水口121接通淡水桶11，出水口122接通降雨喷头22

的通水管221；

其功能是：输出可调整流量和流速的水流。

（3）咸水桶13

如图3，咸水桶13为顶部开口圆柱状水桶；

其功能是：为土槽21的侧槽212提供咸水水源。

（4）水泵14

如图3，水泵14的进水口141接通咸水桶13，出水口142接通土槽21侧槽 212；

其功能是：输出可调流速的水流。

2）模拟单元20

如图4，模拟单元20由土槽21和降雨喷头22组成。

（1）土槽21

如图4，土槽21包括中槽211、侧槽212、透水隔挡213、土槽出水管214、土槽进水口215和刻度216；

土槽21主体为顶部开口的长方体容器，两侧各开有6个土槽出水管214位于左右侧壁上半部分，和一个土槽进水口215位于左右侧壁的底部，土槽21正面刻有刻度216，土槽21内部分为三个槽，左右两个侧槽212，中间为中槽211，两侧的两个侧槽212与中槽211之间有开孔的透水隔挡213分开，中槽211内装填有钙质土00。

其功能是：模拟地层，试验进行的主体。

（2）降雨喷头22

如图4，降雨喷头22包括通水管221和出水针头222；

在通水管221的底部设置有一排出水针头222；

降雨喷头22位于土槽21正上方一定高度，通水管221右侧与蠕动泵12连接。

其功能是：模拟降雨。

Claims (4)

1.一种研究降雨时岛礁地下淡水边界变化的试验装置，包括研究对象——土钙质土（00）；

其特征在于：

设置有供水单元（10）和模拟单元（20）；

供水单元（10）由淡水桶（11）、蠕动泵（12）、咸水桶（13）和水泵（14）组成；

模拟单元（20）由土槽（21）和降雨喷头（22）组成；

其位置和连接关系是：

淡水桶（11）、咸水桶（13）和土槽（21）放置在水平地面上；

降雨喷头（22）放置在土槽正上方一定高度；

土槽（21）的中槽（211）内装填钙质土（00）；

蠕动泵（12）的蠕动泵进水口（121）与淡水桶（11）通过乳胶管连接，蠕动泵出水口（122）与降雨喷头（22）的通水管（221）连接；

水泵（14）的水泵进水口（141）与咸水桶（13）通过乳胶管连接，水泵出水口（142）与土槽（21）的进水管（215）连接。

2.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的供水单元（10）的结构是：

供水单元（10）由淡水桶（11）、蠕动泵（12）、咸水桶（13）和水泵（14）组成；在淡水桶（11）内装有试验用淡水（内部加入红色色素示踪剂），通过蠕动泵（12）向降雨喷头（22）提供淡水，咸水桶（13）内装有试验用咸水，通过水泵（14）向土槽（21）两边的侧槽（212）供咸水；

淡水桶（11）为顶部开口圆柱状水桶；

蠕动泵（12）进水口（121）接通水源，出水口（122）输出可调整流量和流速的水流；

咸水桶（13）为顶部开口圆柱状水桶；

水泵（14）进水口（141）接通水源，出水口（142）输出可调流速的水流。

3.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的模拟单元（20）的结构是：

模拟单元由土槽（21）和降雨喷头（22）组成；

土槽（21）主体为顶部开口的长方体容器，两侧各开有6个出水管（214）位于左右侧壁上半部分，和一个进水管（215）位于左右侧壁的底部，土槽（21）正面刻有刻度（216），土槽（21）内部分为三个槽，左右两个侧槽（212），中间为中槽（211），两侧的两个侧槽（212）与中槽（211）之间有开孔的透水隔挡（213）分开，中槽（211）内装填有钙质土（00）；

降雨喷头（22）位于土槽正上方一定高度，土槽通水管（221）右侧与蠕动泵（12）连接，通水管（221）底部为一排出水针头（222）。

4.基于权利要求1-3所述试验装置的试验方法，其特征在于：

①将淡水桶（11）、咸水桶（13）和土槽（21）放置在水平地面上，将降雨喷头（22）放置在土槽（21）正上方一定高度；

②淡水桶（11）与蠕动泵进水口（121）连接，蠕动泵出水口（122）与降雨

喷头（22）的通水管（221）连接；

③咸水桶（13）与水泵进水口（141）连接，水泵出水口（142）与土槽（21）两侧的两个进水管连接；

④保留土槽（21）将要使用的出水管左右平齐各一个，其他出水管关闭；

⑤向土槽中槽内装填5cm钙质土（00）；

⑥打开水泵（14）向土槽（21）侧槽内缓慢注水至水面刚好平齐钙质土（00）的顶面；

⑦待钙质土（00）饱和，继续装填5cm土样，并重复步骤⑥操作，直至装样完毕；

⑧打开蠕动泵（12），使降雨喷头（22）开始降雨，实验开始，持续观测降雨后的入渗情况，用相机定时拍摄土槽（21）正面的图像；

⑨分别改变土样级配、密度、层数和底边界条件以及雨量和雨强的条件并重复步骤①～⑧；

⑩分析数据得出结论。