CN109975504A - 岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置，包括由左向右依次布置的水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置，裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统和隐伏区模拟系统的高度依次由高到低，水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置依次通过管道连接。本发明还公开了岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置的试验方法。本发明能够较真实的模拟出岩溶水在不同赋存环境（裸露区、覆盖区、隐伏区）下的水岩相互作用，揭示其对水化学演化的控制机制，为岩溶系统内煤矿突水水源的准确识别以及岩溶系统地下水资源的开发利用和保护提供依据。

Description

岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置及方法

技术领域

本发明属于岩溶水文地质研究技术领域，具体涉及一种岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置及方法。

背景技术

岩溶水是重要的供水水源，岩溶水系统对外界环境变化较为敏感，极易受到外界环境的影响，相应的其水岩相互作用过程也会发生变化。一些研究者通常采用溶蚀实验装置模拟水岩相互作用，但现有的溶蚀实验装置只能模拟某一特定条件下的溶蚀过程，不能模拟整个岩溶水系统下不同赋存环境的水岩相互作用。

针对该问题，迫切需要研制一套能模拟不同赋存状况，同时水动力条件改变时岩溶水系统水岩相互作用的模拟装置，探讨不同赋存环境下的水岩相互作用，揭示其对岩溶地下水水化学演化的控制，以便更好的预判岩溶水系统水化学演变趋势。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的不足之处，提供一种岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置及方法，其能模拟岩溶水系统在不同赋存条件下的水岩相互作用，可为煤矿突水水源的准确识别以及区域岩溶水系统地下水资源的开发利用和保护供依据。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置，包括由左向右依次布置的水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置，裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统和隐伏区模拟系统的高度依次由高到低，水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置依次通过管道连接。

水气混合系统包括蒸馏水桶、二氧化碳气瓶、水气混合桶、第一离心泵、第二离心泵和第一玻璃转子流量计，蒸馏水桶内装有蒸馏水，水气混合桶内装有具有侵蚀性的水，蒸馏水桶与水气混合桶之间通过导水管连接，第一离心泵设置在导水管上，二氧化碳气瓶与水气混合桶通过导气管连接，导气管上设置有气阀，水气混合桶与裸露区模拟系统通过导水管连接，第二离心泵和第一玻璃转子流量计设置在导水管上，导气管的出口和导水管的进口均伸到水气混合桶内的具有侵蚀性的水的液面下。

裸露区模拟系统包括第一管座、第二管座、第一反应管和第二反应管，第一反应管和第二反应管均垂直设置且顶部敞口；

第一反应管下端装配在第一管座内，导水管的出口由裸露区模拟系统的上端伸入到第一反应管和第二反应管内，第二反应管下端装配在第二管座内；第一反应管的高度高于第二反应管；

第一反应管和第二反应管之间通过自上而下依次间隔设置的第一软管组连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第一阀门；

第一反应管的底部和第一软管组上均连接有第一采样管，第一采样管上设置有第二阀门。

覆盖区模拟系统包括第三管座和第三反应管，第三反应管垂直设置且顶部密封；

第三反应管下端装配在第三管座内，第三反应管上端密封，第二反应管的高度高于第三反应管，第三反应管和第二反应管之间通过自上而下依次间隔设置的第二软管组连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第三阀门；

第二反应管的底部和三根第二软管组上均连接有第二采样管，第二采样管上设置有第四阀门。

隐伏区模拟系统包括第四管座、第五管座、第四反应管和第五反应管，第四反应管和第五反应管均垂直设置且顶部密封；第三反应管的高度高于第四反应管，第四反应管的高度高于第五反应管；

第四反应管下端装配在第四管座内，第三反应管和第四反应管之间通过自上而下依次间隔设置的第三软管组连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第五阀门；

第三反应管的底部和第三软管组上均连接有第三采样管，第三采样管上设置有第六阀门；

第五反应管下端装配在第五管座内，第五反应管和第四反应管之间通过自上而下依次间隔设置的第四软管组连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第七阀门；

第四反应管的底部和第四软管组上均连接有第四采样管，第四采样管上设置有第八阀门；

第五反应管上设置有四根自上而下排列的第五采样管，第五采样管上设置有第九阀门；

排泄模拟装置连接在第五反应管上，排泄模拟装置包括排泄管，排泄管上设置有排泄装置阀门和第二玻璃转子流量计；

第四反应管和第五反应管的上端分别设置有第一压力表和第二压力表。

岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置的模拟方法，包括以下步骤，

（1）制备若干岩样，并将岩样分别放置于第一反应管、第二反应管、第三反应管、第四反应管和第五反应管内；

（2）对水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置进行安装并连接；

（3）关闭排泄装置阀门，检查管道之间连接的气密性；

（4）操控水气混合系统制备具有侵蚀性的水；

（5）根据设定时间对第一反应管、第二反应管、第三反应管、第四反应管和第五反应管中的相应离子浓度进行滴定测量，得到一系列数据；

（6）对数据进行分析，最终得出岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用的规律。

步骤（1）的具体过程为：将选定的已知化学组分和结构特征的碳酸盐岩切成若干一定规格的长方块体，用微分卡尺测量合格后，用蒸馏水冲洗，烘干，称重；再用五根细线分别串联三块岩样，将串联好的岩样分别悬置于第一反应管、第二反应管、第三反应管、第四反应管和第五反应管中。

步骤（3）的具体过程为：保持排泄模拟装置呈关闭状态，将蒸馏水通入裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统和隐伏区模拟系统内，检验装置的气密性，确保各模拟系统无渗水情况。

步骤（4）的具体过程为：启动第一离心泵，打开气阀，通过调节气阀控制二氧化碳分压制备侵蚀性的水，启动第二离心泵，使具有侵蚀性的水由导水管进入到第一反应管内和第二反应管内，以此模拟降水入渗补给。

步骤（5）的具体过程为：由于第一反应管、第二反应管得到补给，且高于第三反应管、第四反应管和第五反应管，具有侵蚀性的水可从第一反应管内由第一软管组自动流入第二反应管内，再由第二软管组自动流入第三反应管内，接着由第三软管组自动流入第四反应管内，最后由第四软管组自动流入第五反应管内，其中第三反应管内上部可能存在有空气，第四反应管和第五反应管内部全部充满具有侵蚀性的水；在此过程中，关闭排泄模拟装置，等各反应管内具有一定水头时，通过不断调节各反应管阀门，调整液面水头差，从而第四反应管和第五反应管内部具有侵蚀性的水的压力；

开启排泄装置阀门，并通过第二玻璃转子流量计记录排泄量；具有侵蚀性的水分别与第一反应管、第二反应管、第三反应管、第四反应管和第五反应管内部的岩样产生化学反应，最后溶液通过排泄模拟装置排出；每隔一段时间从各模拟系统反应管内的各个采样管采集样品，分别测pH值，TDS，电导率，Ca²⁺、HCO₃ ^-等参数，并记录数值；实验初期取样间隔时间短，随实验进行而增长。

采用上述技术方案，本发明通过溶蚀系统可控制承压环境，模拟不同赋存环境下的水岩相互作用；通过水气混合系统控制CO₂分压；通过第一阀门、第三阀门、第五阀门和第七阀门控制具有侵蚀性的水的速度；通过采用笔式PH计、笔式电导率仪、Ca²⁺滴定装置、HCO₃ ^-滴定装置对反应溶液中的离子变化进行现场观测。

综上所述，本发明能够较真实的模拟出岩溶水在不同赋存环境（裸露区、覆盖区、隐伏区）下的水岩相互作用，揭示其对水化学演化的控制机制，为岩溶系统内煤矿突水水源的准确识别以及岩溶系统地下水资源的开发利用和保护提供依据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置，包括由左向右依次布置的水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置，裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统和隐伏区模拟系统的高度依次自高到低，水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置依次通过管道连接。

水气混合系统包括蒸馏水桶1、二氧化碳气瓶2、水气混合桶3、第一离心泵4、第二离心泵5和第一玻璃转子流量计6，蒸馏水桶1内装有蒸馏水，水气混合桶3内装有具有侵蚀性的水，蒸馏水桶1与水气混合桶3之间通过导水管7连接，第一离心泵4设置在导水管7上，二氧化碳气瓶2与水气混合桶3通过导气管8连接，导气管8上设置有气阀9，水气混合桶3与裸露区模拟系统通过导水管10连接，第二离心泵5和第一玻璃转子流量计6设置在导水管10上，导气管8的出口和导水管10的进口均伸到水气混合桶3内的具有侵蚀性的水的液面下。

裸露区模拟系统包括第一管座13、第二管座14、第一反应管17和第二反应管18，第一反应管17和第二反应管18均垂直设置且顶部敞口；

第一反应管17下端装配在第一管座13内，导水管10的出口由裸露区模拟系统的上端伸入到第一反应管17和第二反应管18内，第二反应管18下端装配在第二管座14内；第一反应管17的高度高于第二反应管18；

第一反应管17和第二反应管18之间通过自上而下依次间隔设置的第一软管组21连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第一阀门52；

第一反应管17的底部和第一软管组21上均连接有第一采样管19，第一采样管19上设置有第二阀门15。

覆盖区模拟系统包括第三管座24和第三反应管26，第三反应管24垂直设置且顶部密封；

第三反应管24下端装配在第三管座26内，第三反应管24上端密封，第二反应管18的高度高于第三反应管26，第三反应管24和第二反应管18之间通过自上而下依次间隔设置的第二软管组28连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第三阀门53；

第二反应管18的底部和三根第二软管组28上均连接有第二采样管20，第二采样管20上设置有第四阀门16。

隐伏区模拟系统包括第四管座31、第五管座32、第四反应管35和第五反应管36，第四反应管35和第五反应管36均垂直设置且顶部密封；第三反应管26的高度高于第四反应管35，第四反应管35的高度高于第五反应管36；

第四反应管35下端装配在第四管座31内，第三反应管24和第四反应管35之间通过自上而下依次间隔设置的第三软管组39连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第五阀门54；

第三反应管24的底部和第三软管组39上均连接有第三采样管27，第三采样管27上设置有第六阀门25；

第五反应管36下端装配在第五管座32内，第五反应管36和第四反应管35之间通过自上而下依次间隔设置的第四软管组41连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第七阀门55；

第四反应管35的底部和第四软管组41上均连接有第四采样管37，第四采样管37上设置有第八阀门33；

第五反应管36上设置有四根自上而下排列的第五采样管38，第五采样管38上设置有第九阀门34；

排泄模拟装置连接在第五反应管36上，排泄模拟装置包括排泄管43，排泄管43上设置有排泄装置阀门44和第二玻璃转子流量计45；

第四反应管35和第五反应管36的上端分别设置有第一压力表48和第二压力表49。

岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置的模拟方法，包括以下步骤，

（1）制备若干岩样，并将岩样分别放置于第一反应管17、第二反应管18、第三反应管24、第四反应管35和第五反应管内36；

（2）对水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置进行安装并连接；

（3）关闭排泄装置阀门44，检查管道之间连接的气密性；

（4）操控水气混合系统制备具有侵蚀性的水；

（5）根据设定时间对第一反应管17、第二反应管18、第三反应管24、第四反应管35和第五反应管36中的相应离子浓度进行滴定测量，得到一系列数据；

（6）对数据进行分析，最终得出岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用的规律。

步骤（1）的具体过程为：将选定的已知化学组分和结构特征的碳酸盐岩切成若干一定规格的长方块体，用微分卡尺测量合格后，用蒸馏水冲洗，烘干，称重；再用五根细线47分别串联三块岩样46，将串联好的岩样分别悬置于第一反应管17、第二反应管18、第三反应管24、第四反应管35和第五反应管中36。

步骤（3）的具体过程为：保持排泄模拟装置呈关闭状态，将蒸馏水通入裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统和隐伏区模拟系统内，检验装置的气密性，确保各模拟系统无渗水情况。

步骤（4）的具体过程为：启动第一离心泵4，打开气阀9，通过调节气阀9控制二氧化碳分压制备侵蚀性的水，启动第二离心泵5，使具有侵蚀性的水由导水管10进入到第一反应管17内和第二反应管18内，以此模拟降水入渗补给。

步骤（5）的具体过程为：由于第一反应管17、第二反应管18得到补给，且高于第三反应24管、第四反应管35和第五反应管36，具有侵蚀性的水可从第一反应管17内由第一软管组21自动流入第二反应管18内，再由第二软管组28自动流入第三反应管26内，接着由第三软管组39自动流入第四反应管35内，最后由第四软管组41自动流入第五反应管36内，其中第三反应管26内上部可能存在有空气，第四反应管35和第五反应管36内部全部充满具有侵蚀性的水；在此过程中，关闭排泄模拟装置，等各反应管内具有一定水头时，通过不断调节各反应管阀门，调整液面水头差，从而第四反应管35和第五反应管36内部具有侵蚀性的水的压力；

开启排泄装置阀门44，并通过第二玻璃转子流量计45记录排泄量；具有侵蚀性的水分别与第一反应管17、第二反应管18、第三反应管26、第四反应管35和第五反应管36内部分别与岩样产生化学反应，最后溶液通过排泄模拟装置排出；每隔一段时间从各模拟系统反应管内的各个采样管采集样品，分别测pH值，TDS，电导率，Ca²⁺、HCO₃ ^-等参数，并记录数值；实验初期取样间隔时间短，随实验进行而增长。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置，其特征在于：包括由左向右依次布置的水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置，裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统和隐伏区模拟系统的高度依次由高到低，水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置依次通过管道连接。

2.根据权利要求1所述的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置，其特征在于：水气混合系统包括蒸馏水桶、二氧化碳气瓶、水气混合桶、第一离心泵、第二离心泵和第一玻璃转子流量计，蒸馏水桶内装有蒸馏水，水气混合桶内装有具有侵蚀性的水，蒸馏水桶与水气混合桶之间通过导水管连接，第一离心泵设置在导水管上，二氧化碳气瓶与水气混合桶通过导气管连接，导气管上设置有气阀，水气混合桶与裸露区模拟系统通过导水管连接，第二离心泵和第一玻璃转子流量计设置在导水管上，导气管的出口和导水管的进口均伸到水气混合桶内的具有侵蚀性的水的液面下。

3.根据权利要求2所述的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置，其特征在于：裸露区模拟系统包括第一管座、第二管座、第一反应管和第二反应管，第一反应管和第二反应管均垂直设置且顶部敞口；

第一反应管下端装配在第一管座内，导水管的出口由裸露区模拟系统的上端伸入到第一反应管和第二反应管内，第二反应管下端装配在第二管座内；第一反应管的高度高于第二反应管；

第一反应管和第二反应管之间通过自上而下依次间隔设置的第一软管组连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第一阀门；

第一反应管的底部和第一软管组上均连接有第一采样管，第一采样管上设置有第二阀门。

4.根据权利要求3所述的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置，其特征在于：覆盖区模拟系统包括第三管座和第三反应管，第三反应管垂直设置且顶部密封；

第三反应管下端装配在第三管座内，第三反应管上端密封，第二反应管的高度高于第三反应管，第三反应管和第二反应管之间通过自上而下依次间隔设置的第二软管组连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第三阀门；

第二反应管的底部和三根第二软管组上均连接有第二采样管，第二采样管上设置有第四阀门。

5.根据权利要求4所述的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置，其特征在于：隐伏区模拟系统包括第四管座、第五管座、第四反应管和第五反应管，第四反应管和第五反应管均垂直设置且顶部密封；第三反应管的高度高于第四反应管，第四反应管的高度高于第五反应管；

第四反应管下端装配在第四管座内，第三反应管和第四反应管之间通过自上而下依次间隔设置的第三软管组连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第五阀门；

第三反应管的底部和第三软管组上均连接有第三采样管，第三采样管上设置有第六阀门；

第五反应管下端装配在第五管座内，第五反应管和第四反应管之间通过自上而下依次间隔设置的第四软管组连接，软管组内软管数量可适当增减，软管上均设置有用于控制水流速度的第七阀门；

第四反应管的底部和第四软管组上均连接有第四采样管，第四采样管上设置有第八阀门；

第五反应管上设置有四根自上而下排列的第五采样管，第五采样管上设置有第九阀门；

排泄模拟装置连接在第五反应管上，排泄模拟装置包括排泄管，排泄管上设置有排泄装置阀门和第二玻璃转子流量计；

第四反应管和第五反应管的上端分别设置有第一压力表和第二压力表。

6.根据权利要求5所述的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，

（1）制备若干岩样，并将岩样分别放置于第一反应管、第二反应管、第三反应管、第四反应管和第五反应管内；

（2）对水气混合系统、裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统、隐伏区模拟系统和排泄模拟装置进行安装并连接；

（3）关闭排泄装置阀门，检查管道之间连接的气密性；

（4）操控水气混合系统制备具有侵蚀性的水；

（5）根据设定时间对第一反应管、第二反应管、第三反应管、第四反应管和第五反应管中的相应离子浓度进行滴定测量，得到一系列数据；

（6）对数据进行分析，最终得出岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用的规律。

7.根据权利要求6所述的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置的模拟方法，其特征在于：步骤（1）的具体过程为：将选定的已知化学组分和结构特征的碳酸盐岩切成若干一定规格的长方块体，用微分卡尺测量合格后，用蒸馏水冲洗，烘干，称重；再用五根细线分别串联三块岩样，将串联好的岩样分别悬置于第一反应管、第二反应管、第三反应管、第四反应管和第五反应管中。

8.根据权利要求7所述的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置的模拟方法，其特征在于：步骤（3）的具体过程为：保持排泄模拟装置呈关闭状态，将蒸馏水通入裸露区模拟系统、覆盖区模拟系统和隐伏区模拟系统内，检验装置的气密性，确保各模拟系统无渗水情况。

9.根据权利要求6所述的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置的模拟方法，其特征在于：步骤（4）的具体过程为：启动第一离心泵，打开气阀，通过调节气阀控制二氧化碳分压制备侵蚀性的水，启动第二离心泵，使具有侵蚀性的水由导水管进入到第一反应管内和第二反应管内，以此模拟降水入渗补给。

10.根据权利要求6所述的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置的模拟方法，其特征在于：步骤（5）的具体过程为：由于第一反应管、第二反应管得到补给，且高于第三反应管、第四反应管和第五反应管，具有侵蚀性的水可从第一反应管内由第一软管组自动流入第二反应管内，再由第二软管组自动流入第三反应管内，接着由第三软管组自动流入第四反应管内，最后由第四软管组自动流入第五反应管内，其中第三反应管内上部可能存在有空气，第四反应管和第五反应管内部全部充满具有侵蚀性的水；在此过程中，关闭排泄模拟装置，等各反应管内具有一定水头时，通过不断调节各反应管阀门，调整液面水头差，从而第四反应管和第五反应管内部具有侵蚀性的水的压力；

开启排泄装置阀门，并通过第二玻璃转子流量计记录排泄量；具有侵蚀性的水分别与第一反应管、第二反应管、第三反应管、第四反应管和第五反应管内部的岩样产生化学反应，最后溶液通过排泄模拟装置排出；每隔一段时间从各模拟系统反应管内的各个采样管采集样品，分别测pH值，TDS，电导率，Ca²⁺、HCO₃ ^-等参数，并记录数值；实验初期取样间隔时间短，随实验进行而增长。