CN110133217A - 含水层实验模拟装置 - Google Patents

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鲁春辉
曹红帆
吴振宇
王习斌
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Abstract

本发明公开了一种含水层实验模拟装置，包括盐水箱、砂槽、承压盖板，盐水箱与砂槽连通，盐水箱和砂槽与承压盖板连接形成相对封闭的承压环境模拟承压含水层，当承压盖板撤去时即可模拟非承压含水层。砂槽中部填砂区的侧面设置的若干注水/气孔可注入水或气，解决了现有技术不能模拟多种海水入侵治理方法的效果问题。砂槽盐水区与大体积盐水箱直接相连，解决了现有技术在模拟海岸带含水层时盐水浓度不稳定问题。此外，本发明能直接观测到并记录盐水入侵的全过程，满足海水入侵研究物理模型实验的多种要求，结构合理，性能可靠，操作便捷，综合性强。

Description

含水层实验模拟装置
技术领域
本发明涉及一种物理实验的模拟装置，尤其是涉及一种海岸带含水层实验的模拟装置。
背景技术
随着经济的发展以及人口的增长，淡水供给不足的问题变得越来尖锐，地表水资源的耗竭以及日益加剧的污染迫使人们将目光投向了地下水，以此来填补淡水供给不足的差额，尤其是在很多的沿海地区。可是这些沿海地区往往存在着海水入侵的现象，导致一系列生态、环境的恶化问题，如水质恶化、土壤盐渍化及荒漠化等，造成滨海地区环境区域性的严重破坏。如今，海水入侵已经成为沿海地区普遍面临的重大环境地质灾害问题，成为制约滨海地区经济和社会发展的重要因素。因此，研究海水入侵机理和规律，防治海水入侵，使海水入侵的危害程度降到最低，己经成为全社会非常关注的问题。
关于海水入侵的研究，一般有野外现场实验和物理模型实验两种方式，但是，野外实验一般费用昂贵、直观性差，受实验条件和成本的限制，现有海水入侵实验更多的是采用室内的模型实验。实用新型专利CN203338666U公开了一种承压-潜水含水层实验模拟装置，该装置用于模拟海岸带含水层时无法控制填砂区域流出的淡水对盐水浓度的影响，即模拟实验过程中无法保持盐水的浓度不变，以及不能模拟多种海水入侵治理方法的效果。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术在模拟海岸带含水层时盐水浓度不稳定，以及不能模拟多种海水入侵治理方法的效果等问题，本发明提供一种含水层实验模拟装置。
技术方案：本发明的含水层实验模拟装置，包括盐水箱、砂槽、承压盖板，盐水箱与砂槽连通，盐水箱和砂槽与承压盖板连接形成相对封闭的承压环境。所述砂槽两端设置盐水区和淡水区，砂槽填砂区与淡水区和盐水区之间通过滤网和透水插板间隔。所述砂槽盐水区左侧隔板上均匀分布多个大孔径的开口，与盐水箱直接连通，并配备有可临时塞堵的橡胶塞；砂槽淡水区右侧设有多个淡水入水口，与淡水入水管连接，可通过淡水泵和流量调节装置往砂槽中输入淡水。所述盐水箱顶部开口，右侧壁上设有多个盐水入水口，与盐水入水管连接，可通过盐水泵往盐水箱中补给盐水。所述承压盖板两端设置有上下不封闭的盐水头调节区和淡水头调节区，盐、淡水头调节区在不同高度处设置有盐水出水孔和淡水出水孔，可在承压情况下调节淡水侧和盐水侧的水头。所述砂槽中部设置填砂区，砂槽填砂区的侧面设置若干注水/气孔，可利用注水法或者注气法模拟海水入侵治理方法的效果。
所述砂槽填砂区侧面的注水/气孔孔壁设有螺纹，可用螺纹塞配合止水橡胶圈封堵，也可用螺纹接头连接注水/气管。所述承压盖板中部的直板沿砂槽顶部开口对应位置设置有连续的止水条。
所述砂槽与盐水箱设置为一整体结构，砂槽-盐水箱的顶部开口边缘设置有支撑板，可与承压盖板相连模拟承压含水层，当承压盖板撤去时即可模拟非承压含水层。所述砂槽-盐水箱的顶部支撑板上设置有均匀分布的螺纹连接件，承压盖板边缘设置有对应的通孔。所述承压盖板的盐水头调节区为板壁结构，淡水头调节区为圆筒结构，与砂槽-盐水箱连接后可使砂槽两侧水头高于填砂区填砂高度。
实验时，配置好的盐水溶液经过盐水箱进入砂槽盐水区，淡水进入砂槽淡水区，盐水溶液和淡水分别从砂槽两端进入填有石英砂的砂槽填砂区，即可模拟海岸带非承压含水层；连接承压盖板后即可模拟海岸带承压含水层，并通过盐、淡水调节区调节水头；通过砂槽填砂区侧面的注水/气孔注入水/气,即可模拟多种海水入侵治理方法的效果。
有益效果：本发明装置的砂槽盐水区与大体积盐水箱直接相连，可以保持盐水区的盐水浓度不变，不会受砂槽填砂区流出的淡水的影响；砂槽填砂区侧面预留的注水/气孔可封堵，可连接水管做测压管之用，亦可往管中注水/气研究不同方法治理海水入侵的效果；本发明装置能直接观测到并记录盐水入侵的全过程，满足海水入侵研究物理模型实验的多种要求，结构合理，性能可靠，操作便捷，综合性强。
附图说明
图1为本发明装置的左前轴测图；
图2为本发明装置的右后轴测图；
图3为本发明装置的承压盖板的仰视图。
具体实施方式
如图1-图3所示的含水层实验模拟装置，包括砂槽1、盐水箱2、承压盖板3，砂槽1与盐水箱2为一整体结构，优选地，砂槽-盐水箱采用有机玻璃制成，高度为35cm。承压盖板3与砂槽-盐水箱等长，砂槽-盐水箱的顶部开口边缘设置有支撑板14。支撑板14上设置有均匀分布的螺纹连接件141，承压盖板3边缘设置有对应的通孔36。
砂槽1依次设置盐水区11、填砂区12和淡水区13，优选地，砂槽1宽度为5cm，盐水区11、填砂区12、淡水区13的长度分别为5cm、120cm、5cm。盐水区11左侧隔板上均匀分布多个大孔径的开口111，与盐水箱2直接连通，并配备可临时塞堵的橡胶塞112；填砂区12与淡水区13和盐水区11之间通过滤网和透水插板121间隔，填砂区12侧面设置若干注水/气孔122，孔壁设有螺纹，可用螺纹塞123配合止水橡胶圈封堵，也可用螺纹接头连接注水/气管124。淡水区13右侧设有多个淡水入水口131，可与淡水入水管132连接。
盐水箱2顶部开口，右侧壁上设有多个盐水入水口21，可与盐水入水管22连接。优选地，盐水箱2的长度为50cm，宽度为50cm。盐水箱2体积较填砂区12体积而言很大，并不断有盐水补给，盐水箱2与盐水区11连通，砂槽1中流入盐水区11的淡水对盐水区盐水密度的影响很小。
承压盖板3中部为一块直板31，承压盖板3两端设置有上下不封闭的盐水头调节区32和淡水头调节区33，盐水头调节区32为板壁结构，淡水头调节区33为圆筒结构。盐、淡水头调节区在不同高度处设置有盐水出水孔35、淡水出水孔34。承压盖板3中部的直板31沿砂槽1顶部开口对应位置设置有连续的止水条37。
本发明装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)将盐水区11与盐水箱2之间的开口111用橡胶塞112临时塞堵住，淡水区13的淡水入水口131用淡水入水管132连接淡水泵和流量调节装置，若模拟承压含水层，则需将六个淡水入水口均与淡水泵连接，若模拟非承压含水层，则只需将设计淡水水头以下的淡水入水口与淡水泵连接，设计淡水水头高度以上的淡水入水口作为出流口；若需模拟注水/气含水层，则按需将填砂区12侧面的部分注水/气孔122连接注水/气管124，其余注水/气孔用螺纹塞123和止水橡胶圈封堵住，若无需模拟注水/气含水层，则将所有注水/气孔用螺纹塞123和止水橡胶圈封堵住；
(2)在填砂区12中填入洗净的石英砂和干净的淡水，若模拟承压含水层，则需将石英砂填至槽顶，若模拟非承压含水层，则只需将石英砂填至所需高度；
(3)将盐水箱2上的盐水入水口21用盐水入水管22与盐水泵连接好，若模拟承压含水层，则需将十二个盐水入水口均与盐水泵连接，若模拟非承压含水层，则只需将设计盐水水头以下的盐水入水口与盐水泵连接，设计盐水水头高度以上的盐水入水口作为出流口；
(4)按需配置好混合溶液，作为海水装入盐水箱2；
(5)若模拟承压含水层，则盖上承压盖板3并拧紧螺纹连接件141，根据设计盐、淡水水头选择承压盖板3两端盐水水头调节区32和淡水水头调节区33的相应出水孔溢流，若模拟非承压含水层，则无需承压盖板3，直接进行下一步；
(6)开启淡水泵和咸水泵，拔开盐水箱2与盐水区11的临时封堵橡胶塞112，盐水箱2的盐水进入盐水区11并向填砂区12入侵形成盐水楔，打开相机定时拍照；
(7)若需模拟注水/气含水层，待盐水楔变得恒定后通过填砂区12侧面的注水/气孔122注入水/气，并定时拍摄盐水楔的变化过程。

Claims (10)

1.一种含水层实验模拟装置，包括砂槽(1)和承压盖板(3)，其特征在于，还包括盐水箱(2)，所述盐水箱(2)与砂槽(1)连通，盐水箱(2)、砂槽(1)与承压盖板(3)连接形成相对封闭的承压环境。
2.根据权利要求1所述的含水层实验模拟装置，其特征在于，所述砂槽(1)中部设置填砂区(12)，填砂区(12)的侧面设置若干注水/气孔(122)。
3.根据权利要求2所述的含水层实验模拟装置，其特征在于，所述注水/气孔(122)孔壁设有螺纹。
4.根据权利要求2所述的含水层实验模拟装置，其特征在于，所述砂槽(1)两端设置盐水区(11)和淡水区(13)，填砂区(12)与淡水区(13)和盐水区(11)之间通过滤网和透水插板(121)间隔。
5.根据权利要求4所述的含水层实验模拟装置，其特征在于，所述盐水区(11)左侧隔板上均匀分布多个大孔径的开口(111)，与盐水箱(2)直接连通；淡水区(13)右侧设有多个淡水入水口(131)，与淡水入水管(132)连接。
6.根据权利要求1所述的含水层实验模拟装置，其特征在于，所述承压盖板(3)两端设置有上下不封闭的盐水头调节区(32)和淡水头调节区(33)，盐、淡水头调节区在不同高度处设置有盐水出水孔(35)和淡水出水孔(34)。
7.根据权利要求6所述的含水层实验模拟装置，其特征在于，所述盐水头调节区(32)为板壁结构，淡水头调节区(33)为圆筒结构。
8.根据权利要求1所述的含水层实验模拟装置，其特征在于，所述砂槽(1)与盐水箱(2)设置为一整体结构，砂槽-盐水箱的顶部开口边缘设置有支撑板(14)。
9.根据权利要求8所述的含水层实验模拟装置，其特征在于，所述支撑板(14)上设置有均匀分布的螺纹连接件(141)，承压盖板(3)边缘设置有对应的通孔(36)。
10.根据权利要求1所述的含水层实验模拟装置，其特征在于，所述承压盖板(3)沿砂槽(1)顶部开口对应位置设置有连续的止水条(37)。
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