CN109696381A - 一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，包括含水介质模拟区，设置于含水介质模拟区上部对其供水的降水补给系统，以及设置于含水介质模拟区底部水流出口的地下河出口控制系统，含水介质模拟区配置有水位监测系统；含水介质模拟区包括中空的介质模拟仓，以及设置于介质模拟仓内的裂隙介质区、地下河管道和落水洞。水位监测系统包括设置于地下河管道、层面裂隙、纵向裂隙、落水洞、内的压力传感器。本发明提出的一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，能模拟岩溶地下河流量衰减过程，分析不同影响因素对流量衰减的作用机理，便于对岩溶地下河的研究。
Description
技术领域
本发明涉及水文地质研究工具技术领域，特别涉及一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置。
背景技术
我国西南岩溶地区气候湿热、降水丰富，岩溶作用强烈，岩溶地区地表水常漏失为岩溶地下水，岩溶地下水成为该地区主要的水资源。但由于特殊的地质背景和环境特征，该地区在岩溶地下水资源开发利用中存在诸多问题，如岩溶水资源开发利用难度大、利用程度低，局部地区功能性缺水现象严重，以及水量的时空分布不均匀易导致洪涝和干旱等问题，水资源问题已成为制约岩溶地区经济发展的关键因素。
岩溶地下河作为西南岩溶地区主要的储水空间和导水通道，是岩溶地下水资源的重要载体，是该地区主要的供水水源地，具有重要供水意义。但由于其埋藏于地下，发育与分布规律较为复杂，具有含水介质多重性、分布规律非均一性、水流运动多相性等特点，影响了岩溶地下河水资源的有效开发利用。
面对岩溶地下河系统复杂的水文地质条件及水资源难以有效利用的情况，岩溶地下河流量衰减规律分析已经成为科研工作者的重要研究方向。物理试验模拟是揭示岩溶地下河流量衰减规律的重要途径和必要手段，为岩溶地区的水资源合理利用和管理提供理论支撑，对推动岩溶水流运动规律研究具有重要科学意义。
发明内容
本发明提出一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，该装置能模拟岩溶地下河流量衰减过程，分析不同影响因素对流量衰减的作用机理，便于对岩溶地下河的研究。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，包括含水介质模拟区，设置于含水介质模拟区上部对其供水的降水补给系统，以及设置于含水介质模拟区底部水流出口的地下河出口控制系统，含水介质模拟区配置有水位监测系统；
所述含水介质模拟区包括中空的介质模拟仓，以及设置于介质模拟仓内的裂隙介质区、地下河管道和落水洞；所述裂隙介质区为玻璃砖与介质模拟仓内壁构造而成的具有多组层面裂隙和纵向裂隙的区域；裂隙介质区底部和相对介质模拟仓出水口一侧，距仓壁一定距离分别作为地下河管道和落水洞；
所述水位监测系统包括分别设置于地下河管道内的地下河压力传感器，设置于层面裂隙和纵向裂隙内的多个裂隙压力传感器，以及设置于落水洞内的落水洞压力传感器，各传感器与控制装置电气连接。
上述方案中，通过降水补给系统控制进入含水介质模拟区的水量，进而控制地下河系统的降雨补给强度。降雨进入含水介质模拟区后，沿裂隙介质区和落水洞向下流动汇入地下河管道，最终通过地下河出口控制系统排出。在试验过程中，可通过降水补给系统、水位监测系统、地下河出口控制系统对裂隙介质区、地下河管道和落水洞中的水位变化、降雨量变化以及地下河出口流量变化情况进行监控，可较好的研究岩溶地下河流量衰减规律。
为达到较好的降雨控制和监控效果，所述降水补给系统包括降雨水箱，从降雨水箱底部接出的补给水管，设置于补给水管管路上的阀门I和电磁流量计I，电磁流量计I的输出端、阀门I的输入端与控制装置电气连接。
为达到较好的排水控制和监控效果，所述地下河出口控制系统包括与介质模拟仓底部出水口连接的出水管道，以及设置于出水管道上的阀门II和电磁流量计II，电磁流量计II的输出端、阀门II的输入端与控制装置连接电气连接。
为便于直接观测衰减过程，所述介质模拟仓、裂隙介质区、地下河管道、落水洞、玻璃砖均为有机玻璃材料制成的便于直接观测的透明结构。
为简化裂隙介质区的结构，减少干扰实验的因素。所述玻璃砖的宽度与介质模拟仓内壁宽度相同，玻璃砖两端固接于介质模拟仓内壁构成裂隙介质区。
为增加实验变量，测试落水洞有无的现象。所述落水洞与裂隙介质区之间设置可拆卸的格挡板，介质模拟仓内壁设置供格挡板插入定位的滑槽。设置可拆卸的格挡板可切换有无落水洞条件，增加实验变量，提高装置的实用性。
优选的，所述水位监测系统中每层层面裂隙、地下河管道和落水洞中至少设置一个压力传感器。
本发明的优点与效果是：
1、本发明的试验装置设计符合岩溶地区水文地质情况。与传统水箱模型装置相比，本发明构建出裂隙-管道双重介质模型结构，包含了层面裂隙和纵向裂隙、地下河管道、落水洞等含水介质，可以更加逼真反映岩溶含水介质特征和岩溶水流运动规律。
2、装置中模拟条件具有一定可调节性。可根据科研工作者的实际需求，改变和控制装置中的补给水量、含水介质结构(如不同数量、不同尺寸的裂隙结构或有无落水洞等)、地下河出口大小等实验条件，进行特定条件下对比实验分析研究，具有灵活的模拟适用性。
3、试验过程模拟全程可视化。装置中介质模拟仓、裂隙介质区、地下河管道、落水洞均由有机玻璃材料制成，便于直接观测的透明结构，实现模拟过程全程可视化、透明化，可以向科研工作者全面的、清楚的阐述岩溶地下河流量衰减过程，以及裂隙和管道介质的水流运动状态，对解释岩溶地下河流量衰减规律以及不同因素对流量衰减的作用机理给出了明确的答案。
4、模拟数值准确，数值记录收集简便。装置通过压力传感器、电磁流量计等元件对模拟过程在线监控，与传统人工测量、记录方式相比，在线自动化监测方式可以更准确的获取了降雨、水位、流量等数据，可以更好的分析不同实验条件下岩溶地下河流量衰减规律。
附图说明
图1为一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置的结构示意图；
图2为岩溶地下河出口流量衰减过程图。
图号标识：1、含水介质模拟区，11、介质模拟仓，12、地下河管道，13、落水洞，14、裂隙介质区，141、玻璃砖，142、层面裂隙，143、纵向裂隙，2、降水补给系统，21、降雨水箱，22、补给水管，23、阀门I，24、电磁流量计I，3、地下河出口控制系统，31、出水管道，32、阀门II，33、电磁流量计II，4、水位监测系统，41、地下河压力传感器，42、裂隙压力传感器，43、落水洞压力传感器，5、格挡板。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
本实施例所述的一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，包括含水介质模拟区1、降水补给系统2、地下河出口控制系统3、水位监测系统4，如附图1所示。
含水介质模拟区1由介质模拟仓11、裂隙介质区14、地下河管道12、落水洞13构成。介质模拟仓11为有机玻璃构成的尺寸为1.28m×0.03m×0.85m的中空仓体，裂隙介质区14由两端固接于介质模拟仓11内壁的玻璃砖141构成。玻璃砖141分层间隙叠放，层间间隙作为层面裂隙142，每层玻璃砖141之间的垂直间隙作为纵向裂隙143。
层面裂隙142和纵向裂隙143相互垂直，其中层面裂隙142的平均宽度为5mm，共设5层，纵向裂隙143平均宽度为1.5mm，每层设7条。该结构可保证水流交换较为形象的模拟岩溶地下河的地质结构。
裂隙介质区14底部距离介质模拟仓11仓底0.03m构成地下河管道12，裂隙介质区14距相对介质模拟仓11出水口一侧仓壁0.03m作为落水洞13，地下河管道12与落水洞13连通，降雨进入含水介质模拟区1后，沿裂隙介质区14和落水洞13向下流动汇入地下河管道12，后从介质模拟仓11底部的出水口流入地下河出口控制系统3。
落水洞13与裂隙介质区14之间设置可拆卸的格挡板5，并于介质模拟仓11内壁设置供格挡板5插入定位的滑槽。通过拆装格挡板可实现有无落水洞条件的切换，增加实验可控变量，调高装置的适用性。
地下河出口控制系统3包括与介质模拟仓11底部出水口连接的出水管道31，以及设置于出水管道31上的阀门II32和电磁流量计II33，电磁流量计II33的输出端、阀门II32的输入端与控制装置电气连接。
降水补给系统2设置于含水介质模拟区1的上部，降水补给系统2包括降雨水箱21，从降雨水箱21底部接出的补给水管22，设置于补给水管22管路上的阀门I23和电磁流量计I24，电磁流量计I24的输出端、阀门I23的输入端与控制装置电气连接。
水位监测系统4用于监测含水介质模拟区1内的水位变化，水位监测系统4包括分别设置于地下河管道12内的地下河压力传感器41，设置于层面裂隙142的多个裂隙压力传感器42，以及设置于落水洞13内的落水洞压力传感器43，每层层面裂隙142至少设置一个裂隙压力传感器42，各传感器与控制装置电气连接实现对含水介质模拟区1内的水位变化监测。
介质模拟仓11、裂隙介质区14、地下河管道12、落水洞13均为有机玻璃材料制成的便于直接观测的透明结构。控制装置通过对收集到的数据进行处理，可绘制岩溶地下河出口流量衰减过程曲线，具有重要的研究意义。
本发明的工作原理和操作步骤为：
1、通过降水补给系统2的阀门I23和电磁流量计I24控制补给水管24的水流量，向含水介质模拟区1内持续注水，同时记录补给时间和补给流量；
2、在持续注水的同时，打开地下河出口控制系统3的阀门II32，通过控制阀门32和电磁流量计33控制排水流量，使补给水流逐渐注满整个含水介质模拟区1，同时记录排水时间和排水流量，直至含水介质模拟区1的水位稳定，通过水位监测系统4中的传感器记录稳定水位。
3、关闭降水补给系统2的阀门I23，记录停止补给时间，同时观测地下水出口流量衰减情况，出口流量为零时，本次实验结束，并记录断流时间。
4、将地下河出口控制系统3的电磁流量计II33的数据进行处理，绘制形成了岩溶地下河出口流量衰减过程图，如附图2所示。横坐标表示关闭降水补给系统的阀门I后的时间，纵坐标表示电磁流量计II33测量获得的实时流量。
5、通过对地下河流量衰减过程线进行整理和分析，得到流量衰减系数，如表1所示。
表1地下河流量衰减过程中各亚动态的衰减系数
| 亚动态阶段 | 时间范围/s | 衰减系数 |
| 第一亚动态 | 0≦t<82 | 0.0119 |
| 第二亚动态 | 82≦t<161 | 0.0059 |
| 第三亚动态 | 161≦t<300 | 0.0342 |
研究岩溶地下河出口流量衰减过程线和流量衰减系数，对分析岩溶地下河流量衰减过程具有重要的意义。同时，试验过程中可直观清晰的观测装置内水流的变化情况，并通过水位监测系统可对衰减过程中含水介质模拟区中多个位点的水位变化情况进行实时监测，有利于地下河流量衰减的进一步研究和探索。
以上结合附图对本发明的实施方式详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，其特征在于：包括含水介质模拟区(1)，设置于含水介质模拟区(1)上部对其供水的降水补给系统(2)，以及设置于含水介质模拟区(1)底部水流出口的地下河出口控制系统(3)，含水介质模拟区(1)配置有水位监测系统(4)；
所述含水介质模拟区(1)包括中空的介质模拟仓(11)，以及设置于介质模拟仓(11)内的裂隙介质区(14)、地下河管道(12)和落水洞(13)；
所述裂隙介质区(14)为玻璃砖(141)与介质模拟仓(11)内壁构造而成的具有多组层面裂隙(142)和纵向裂隙(143)的区域；所述裂隙介质区(14)的底部和相对介质模拟仓(11)出水口一侧，距仓壁一定距离分别作为地下河管道(12)和落水洞(13)；
所述水位监测系统(4)包括分别设置于地下河管道(12)内的地下河压力传感器(41)，设置于层面裂隙(142)和纵向裂隙(143)内的多个裂隙压力传感器(42)，以及设置于落水洞(13)内的落水洞压力传感器(43)，各传感器与控制装置电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，其特征在于：所述降水补给系统(2)包括降雨水箱(21)，从降雨水箱(21)底部接出的补给水管(22)，以及设置于补给水管(22)管路上的阀门I(23)和电磁流量计I(24)，所述电磁流量计I(24)的输出端、阀门I(23)的输入端与控制装置电气连接。
3.根据权利要求1所述的一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，其特征在于：所述地下河出口控制系统(3)包括与介质模拟仓(11)底部出水口连接的出水管道(31)，以及设置于出水管道(31)上的阀门II(32)和电磁流量计II(33)，所述电磁流量计II(33)的输出端、阀门II(32)的输入端与控制装置电气连接。
4.根据权利要求1所述的一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，其特征在于：所述介质模拟仓(11)、裂隙介质区(14)、地下河管道(12)、落水洞(13)、玻璃砖(141)均为有机玻璃材料制成的便于直接观测的透明结构。
5.根据权利要求1所述的一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，其特征在于：所述玻璃砖(141)的宽度与介质模拟仓(11)内壁宽度相同，玻璃砖(141)两端固接于介质模拟仓(11)内壁构成裂隙介质区(14)。
6.根据权利要求1所述的一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，其特征在于：所述落水洞(13)与裂隙介质区(14)之间设置可拆卸的格挡板(5)。
7.根据权利要求6所述的一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，其特征在于：所述介质模拟仓(11)内壁设置供格挡板(5)插入定位的滑槽。
8.根据权利要求1～7中任何一项所述的一种模拟岩溶地下河流量衰减过程的试验装置，其特征在于：所述水位监测系统(4)中每层层面裂隙(142)、地下河管道(12)、落水洞(13)中至少设置一个裂隙压力传感器(42)。
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| CN110376101A (zh) * | 2019-08-26 | 2019-10-25 | 中国地质科学院岩溶地质研究所 | 一种模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置 |
| CN110376101B (zh) * | 2019-08-26 | 2024-03-01 | 中国地质科学院岩溶地质研究所 | 一种模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置 |
| CN110927816A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-03-27 | 中国地质科学院岩溶地质研究所 | 一种岩溶地下河系统的探测方法 |
| CN110927816B (zh) * | 2019-12-11 | 2021-08-24 | 中国地质科学院岩溶地质研究所 | 一种岩溶地下河系统的探测方法 |
| CN115825386A (zh) * | 2022-11-16 | 2023-03-21 | 中国地质科学院岩溶地质研究所 | 一种岩溶地下水系统物理模拟试验装置及方法 |
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