CN109799325A - 一种模拟地下承压层盐分运移规律的装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置及使用方法,包括海潮波动水头模拟装置、潜水层‑弱透水层‑承压层水试样装载槽、潜水含水层水头模拟装置和承压含水层水头模拟装置；所述潜水层‑弱透水层‑承压层水试样装载槽的一侧承压层与海潮波动水头模拟装置连通；所述潜水层‑弱透水层‑承压层水试样装载槽的相对另一侧潜水层与潜水含水层水头模拟装置连通，承压层与承压含水层水头模拟装置连通；所述潜水层‑弱透水层‑承压层水试样装载槽还包括从承压层抽水的抽水装置和用于检测承压层盐份浓度的浓度记录装置。本发明精准模拟海水与含水层系统盐分的交互作用环境，得到模拟装置中承压层水中的盐分运移规律数据。
Description
技术领域
本发明属于地下水探测技术领域，尤其涉及一种地下潜水层中的盐分在不和海水直接存在交互作用的情况下，模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置。
背景技术
滨海地区人口密集、经济发达，且由于同时受陆地和海洋的影响，水资源、生态和环境问题都比较严重和复杂，例如近年来频频出现的海滩油污和赤潮，以及海水倒灌的现象。为了避免海水对海岸线的侵蚀，很多沿海地区开始修建堤坝，基础较深的堤坝阻止了潜水与海水的直接交互作用，而很多沿海地区存在地下水污染的问题。因此，在有堤坝的情况下，探明海水与含水层系统盐分与水流交互作用机理格外重要。目前国内外对于没有堤坝的情况下，滨海浅层溶质运移机理已经做了比较多的研究。但是缺乏对于存在堤坝阻隔了潜水与海水交互作用的情况下的研究。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置及其使用方法，精准模拟当海岸带有堤坝且潜水层和海水之间不存在直接水力联系，并且对承压含水层定流量抽水引起的越流的情况下，海水与含水层系统盐分的交互作用环境，得到模拟装置中承压层水中的盐分运移规律数据。
技术方案：本发明提出一种模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置,包括海潮波动水头模拟装置、潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽、潜水含水层水头模拟装置和承压含水层水头模拟装置；所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽的一侧承压层与海潮波动水头模拟装置连通；所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽的相对另一侧潜水层与潜水含水层水头模拟装置连通，承压层与承压含水层水头模拟装置连通；所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽还包括从承压层抽水的抽水装置和用于检测承压层盐份浓度的浓度记录装置。
进一步，所述海潮波动水头模拟装置包括一沿水平中心轴做匀速圆周运动的旋转杆，所述旋转杆的端部设置有第一水头水箱；所述第一水头水箱设置有补水管路和溢水管路；所述第一水头水箱与潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽的一侧承压层连通；所述第一水头水箱内的液体为盐水。
进一步，所述补水管路包括第一蓄水箱和第一补水泵，所述第一补水泵的进口连通第一蓄水箱，出口连通第一水头水箱；所述第一溢水管路的出口连接盛装盐水的第一蓄水箱。
进一步，所述第一水头水箱内的液体还添加有不吸附性染色剂。
进一步，所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽内从下到上依次设置有粗砂铺设的承压层、中砂铺设的弱透水层和细砂铺设的潜水层；所述承压层、弱透水层和潜水层均吸附有去离子水。
进一步，所述潜水含水层水头模拟装置包括第二水头水箱；所述第二水头水箱设置有第二补水管路和第二溢水管路；所述第二水头水箱与所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽的潜水层连通；所述第二水头水箱内的液体为去离子水。
进一步，所述承压含水层水头模拟装置包括第三水头水箱；所述第三水头水箱设置有第三补水管路和第三溢水管路；所述第三水头水箱与所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽的承压层连通；所述第三水头水箱内的液体为去离子水。
如上所述的模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置的使用方法，包括以下步骤：
S01、将海潮波动水头模拟装置、潜水含水层水头模拟装置、承压含水层水头模拟装置与潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽的连通管线关闭；
S02、在潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽中加入去离子水，并依次铺设粗砂的承压层、中砂的弱透水层和细砂的潜水层；本步骤中去离子水分多次加入；每加入一次去离子水后，铺设一次粗砂、中砂或细砂，并且使得水面高度略高于固态砂层的高度，然后静置一段时间；重复上述步骤直至承压层、弱透水层和潜水层铺设完成。
S03、将潜水含水层水头模拟装置与承压含水层水头模拟装置的水位高度预先调节至低于潜水层顶部且等高；
S04、将潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽与潜水含水层水头模拟装置以及承压含水层水头模拟装置之间的连通管线打开导通，形成预稳定状态；
S05、调节好海潮波动水头模拟装置的预设水头位置，打开潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽与海潮波动水头模拟装置之间的连通管线，静置一段时间，使潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽形成稳定的海水入侵锋面，从而形成稳定状态；
S06、形成稳定状态后，驱动海潮波动水头模拟装置的旋转杆使其做匀速圆周运动，同时降低承压含水层水头模拟装置的第三水头水箱的位置，使得模拟时第二水头水箱的水位高于第三水头水箱的水位，从而形成越流，并开启抽水装置，动态模拟部分启动；
S07、记录不同时刻的浓度记录装置的数据，分析盐分的运移规律。
有益效果：本发明通过海潮波动水头模拟装置、潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽、潜水含水层水头模拟装置和承压含水层水头模拟装置，精准模拟当海岸带有堤坝且潜水层和海水之间不存在直接水力联系，并且对承压含水层定流量抽水引起的越流的情况下，海水与含水层系统盐分的交互作用环境，得到模拟装置中承压层水中的盐分运移规律数据。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的逻辑结构框图。
具体实施方式
本发明提出一种模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置,包括海潮波动水头模拟装置1、潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2、潜水含水层水头模拟装置3和承压含水层水头模拟装置4。
所述海潮波动水头模拟装置1包括一沿水平中心轴做匀速圆周运动的旋转杆5，所述旋转杆5的端部设置有第一水头水箱6。第一水头水箱6跟随旋转杆5做匀速圆周运动时，其水头按照正弦函数的波形变化，精准模拟了海洋潮汐的变化，潮汐水头的解析式为
其中，H为潮汐水头；A为旋转杆5长度,即为海潮波幅；ω为旋转杆5圆周运动的角速度；t为运行时间；为初始相位角；H′为初始相对高度，即为旋转杆5的旋转中心的高度。
所述第一水头水箱6设置有第一补水管路和第一溢流管路。所述第一补水管路包括第一蓄水箱8和第一补水泵7，所述第一补水泵7的进口连通第一蓄水箱8，出口连通第一水头水箱6；所述溢流管路的出口连接盛装盐水的第一蓄水箱8。使用时第一补水泵7从第一蓄水箱8中抽水至第一水头水箱6，第一水头水箱6水满时第一溢流管路溢流至第一蓄水箱8，该设计保证了第一水头水箱6内水位的平稳。
所述第一水头水箱6内的液体为盐水，还添加有不吸附性染色剂。
所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2内从下到上依次设置有粗砂铺设的承压层、中砂铺设的弱透水层和细砂铺设的潜水层；所述承压层、弱透水层和潜水层均饱和吸附有去离子水。本实施例的承压层高0.6m，弱透水层高0.2m，潜水层高0.5m。潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2左侧底部高0.2m处开有直径为30mm的圆孔用于连接海潮波动水头模拟装置1；右侧距底部高0.2m与1.0m处各开有30mm的圆孔用于分别连接潜水含水层水头模拟装置3和承压含水层水头模拟装置4。
所述第一水头水箱6与潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2的一侧承压层连通。使用时，模拟了海岸带有堤坝情况下，水头正弦变化的第一水箱内的盐水流向潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2的承压层，而潜水层和弱透水层不与海水之间存在直接水利联系的情形。
第一水头水箱6内的盐水添加有不吸附性染色剂，染色剂的颜色可以选为代表海水的蓝色，便于区分开潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2的去离子水，观察模拟状态下的海水的入侵过程和入侵程度。
所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2还包括从承压层抽水的抽水装置15和用于检测承压层盐份浓度的浓度记录装置16。抽水装置15用PVC抽水管从上端一直插到承压层，潜水层与弱透水层部分不透水，承压层部分是用花管制成。抽水装置15模拟了人类从地下抽水的活动。浓度记录装置16连有数据线，数据线通过抽水装置15的PVC抽水管与外界数据处理软件相连，用以实时记录潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2中承压层的盐分浓度。
所述潜水含水层水头模拟装置3包括第二水头水箱9；所述第二水头水箱9设置有第二补水管路和第二溢流管路。所述第二补水管路包括第二蓄水箱11和第二补水泵10，所述第二补水泵10的进口连通第二蓄水箱11，出口连通第二水头水箱9；所述第二溢流管路的出口连接盛装盐水的第二蓄水箱11。使用时第二补水泵10从第二蓄水箱11中抽水至第二水头水箱9，第二水头水箱9水满时第二溢流管路溢流至第二蓄水箱11，该设计保证了第二水头水箱9内水位的平稳。
所述承压含水层水头模拟装置4包括第三水头水箱12；所述第三水头水箱12设置有第三补水管路和第三溢流管路。述第三补水管路包括第三蓄水箱14和第三补水泵13，所述第三补水泵13的进口连通第三蓄水箱14，出口连通第三水头水箱12；所述第三溢流管路的出口连接盛装盐水的第三蓄水箱14。使用时第三补水泵13从第三蓄水箱14中抽水至第三水头水箱12，第三水头水箱12水满时第三溢流管路溢流至第三蓄水箱14，该设计保证了第三水头水箱12内水位的平稳。
所述第二水头水箱9和第三水头水箱12内的液体为去离子水。
为模拟陆地区域的边界淡水河流、地下水等对于海岸地下水层的淡水补给，在所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2与第一水头水箱6的连接一侧的相对另一侧，潜水层与第二水头水箱9连通，第二水头水箱9的水流入潜水层；承压层与第三水头水箱12连通，第三水头水箱12的水流入承压层。
如上所述的模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置的使用方法，包括以下步骤：
S01、将海潮波动水头模拟装置1、潜水含水层水头模拟装置3、承压含水层水头模拟装置4与潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2的连通管线关闭；
S02、在潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2中加入去离子水，并依次铺设粗砂的承压层、中砂的弱透水层和细砂的潜水层；去离子水分多次加入；每加入一次去离子水后，铺设一次粗砂、中砂或细砂，并且使得水面高度略高于固态砂层的高度，然后静置一段时间；重复上述步骤直至承压层、弱透水层和潜水层铺设完成。本实施例中每次加入去离子水20cm，然后铺设15cm砂层，静置10分钟后，重复以上步骤。上述操作方法保证了砂层处于饱和状态，避免开始试验后出现沉降的问题避免开始试验后出现沉降的问题。
S03、将潜水含水层水头模拟装置3与承压含水层水头模拟装置4的水位高度预先调节至低于潜水层顶部且等高，放置在模拟未开始的时候由于水利梯度形成越流而影响实验结果；
S04、将潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2与潜水含水层水头模拟装置3以及承压含水层水头模拟装置4之间的连通管线打开导通，形成预稳定状态；
S05、调节好海潮波动水头模拟装置1的预设水头位置，打开潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2与海潮波动水头模拟装置1之间的连通管线，静置一段时间，使潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽2形成稳定的海水入侵锋面，从而形成稳定状态；
S06、形成稳定状态后，驱动海潮波动水头模拟装置1的旋转杆使其做匀速圆周运动，同时降低承压含水层水头模拟装置4的第三水头水箱12的位置，使得模拟时第二水头水箱9的水位高于第三水头水箱12的水位，从而形成越流，并开启抽水装置15，动态模拟部分启动；
S07、记录不同时刻的浓度记录装置16的数据，分析盐分的运移规律。
Claims (9)
1.一种模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置,其特征在于：包括海潮波动水头模拟装置(1)、潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)、潜水含水层水头模拟装置(3)和承压含水层水头模拟装置(4)；所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)的一侧承压层与海潮波动水头模拟装置(1)连通；所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)的相对另一侧，潜水层与潜水含水层水头模拟装置(3)连通，承压层与承压含水层水头模拟装置(4)连通；所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)还包括从承压层抽水的抽水装置(15)和用于检测承压层盐份浓度的浓度记录装置(16)。
2.根据权利要求1所述的模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置，其特征在于：所述海潮波动水头模拟装置(1)包括一沿水平中心轴做匀速圆周运动的旋转杆(5)，所述旋转杆(5)的端部设置有第一水头水箱(6)；所述第一水头水箱(6)设置有第一补水管路和第一溢流管路；所述第一水头水箱(6)与潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)的一侧承压层连通；所述第一水头水箱(6)内的液体为盐水。
3.根据权利要求2所述的模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置，其特征在于：所述第一补水管路包括第一蓄水箱(8)和第一补水泵(7)，所述第一补水泵(7)的进口连通第一蓄水箱(8)，出口连通第一水头水箱(6)；所述第一溢流管路的出口连接盛装盐水的第一蓄水箱(8)。
4.根据权利要求2所述的模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置，其特征在于：所述第一水头水箱(6)内的液体还添加有不吸附性染色剂。
5.根据权利要求1所述的模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置，其特征在于：所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)内从下到上依次设置有粗砂铺设的承压层、中砂铺设的弱透水层和细砂铺设的潜水层；所述承压层、弱透水层和潜水层均吸附有去离子水。
6.根据权利要求1所述的模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置，其特征在于：所述潜水含水层水头模拟装置(3)包括第二水头水箱(9)；所述第二水头水箱(9)设置有第二补水管路和第二溢流管路；所述第二水头水箱(9)与所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)的潜水层连通；所述第二水头水箱(9)内的液体为去离子水。
7.根据权利要求1所述的模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置，其特征在于：所述承压含水层水头模拟装置(4)包括第三水头水箱(12)；所述第三水头水箱(12)设置有第三补水管路和第三溢流管路；所述第三水头水箱(12)与所述潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)的承压层连通；所述第三水头水箱(12)内的液体为去离子水。
8.一种如权利要求1～7任一所述的模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
S01、将海潮波动水头模拟装置(1)、潜水含水层水头模拟装置(3)、承压含水层水头模拟装置(4)与潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)的连通管线关闭；
S02、在潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)中加入去离子水，并依次铺设粗砂的承压层、中砂的弱透水层和细砂的潜水层；
S03、将潜水含水层水头模拟装置(3)与承压含水层水头模拟装置(4)的水位高度预先调节至低于潜水层顶部且等高；
S04、将潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)与潜水含水层水头模拟装置(3)以及承压含水层水头模拟装置(4)之间的连通管线打开导通，形成预稳定状态；
S05、调节好海潮波动水头模拟装置(1)的预设水头位置，打开潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)与海潮波动水头模拟装置(1)之间的连通管线，静置一段时间，使潜水层-弱透水层-承压层水试样装载槽(2)形成稳定的海水入侵锋面，从而形成稳定状态；
S06、形成稳定状态后，驱动海潮波动水头模拟装置(1)的旋转杆使其做匀速圆周运动，同时降低承压含水层水头模拟装置(4)的第三水头水箱(12)的位置，使得模拟时第二水头水箱(9)的水位高于第三水头水箱(12)的水位，从而形成越流，并开启抽水装置(15)，动态模拟部分启动；
S07、记录不同时刻的浓度记录装置(16)的数据，分析盐分的运移规律。
9.根据权利要求8所述的模拟地下承压层盐分受潮汐与抽水越流影响时运移规律的装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S02中去离子水分多次加入；每加入一次去离子水后，铺设一次粗砂、中砂或细砂，并且使得水面高度略高于固态砂层的高度，然后静置一段时间；重复上述步骤直至承压层、弱透水层和潜水层铺设完成。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| GUO,QN ET AL.: "Experiment and Numerical Simulation of Seawater Intrusion under the Influences of Tidal Fluctuation and Groundwater Exploitation in Coastal Multilayered Aquifers", 《GEOFLUIDS》 * |
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|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109799325B (zh) | 2021-12-28 |
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