CN110376101B - 一种模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置，包括进水装置、砂箱、排水装置、电控柜和高度调节装置，其中，砂箱为一敞口箱体，其内部分隔为进水区、介质填充区和排水区，三者之间液体相互流通；砂箱内壁设有上管和下管，外壁上设有压力传感器；进水装置包括结构相同的第一、第二、第三进水箱，它们分别与上管、下管和砂箱的进水口管路连通；排水装置包括结构相同的第一、第二、第三排水箱，它们分别与上管、下管和砂箱的出水口管路连通；高度调节装置包括调节各进水箱以及各排水箱高度的调节座。本发明所述装置可模拟双管道与介质的地下水水流运动，水量交换和溶质运移过程，进而研究管道与介质之间以及两条管道之间的相互影响关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟岩溶地区地下水中污染物运移过程的装置，具体涉及一种模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置。
背景技术
我国西南岩溶地区地下水资源丰富，大气降水与地表水可通过落水洞等直接灌入地下，使地下水资源存在易污染、难开发和难治理的现状，因此保护并提高现有的水量及水质尤为重要。岩溶管道交互带是管道水和周边岩溶介质水交互的地带，属于含水层内部的物质交换，并进行着活跃的水文、地球化学和生物作用，可以显著促进污染物的降解、促使水环境与水生态的改变。对岩溶管道交互带与周边介质水量和溶质的交互作用研究在我国才刚刚起步。随着对岩溶含水介质研究的深入，岩溶水数值模拟技术不断发展，为了更好的描述岩溶含水层的性质，近年来国内外学者尝试采用不同的数值模拟方法来刻画岩溶水系统，但还处于单一管道与介质的物理模型阶段，而由于岩溶地区管道系统复杂多变，管道网络分支众多，因此对于多管道与介质水流和溶质的交换过程的物理模型还需进一步研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置，该装置可模拟双管道与介质的地下水水流运动，水量交换和溶质运移过程，进而研究管道与介质之间以及两条管道之间的相互影响关系。
本发明所述的模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置，包括进水装置、砂箱、排水装置、电控柜和高度调节装置，其中：
所述砂箱为一敞口箱体，其内部空间分隔为左、中、右三个部分，分别为进水区、介质填充区和排水区，所述进水区、介质填充区和排水区之间液体相互流通；在砂箱内沿砂箱长度方向设置有供溶质向砂箱内介质扩散的上管和下管，所述上管和下管的内径不同，所述上管和下管在它们位于介质填充区的部分开设有布水孔；在砂箱的外壁上设置有压力传感器；
所述进水装置包括第一进水箱、第二进水箱和第三进水箱，它们分别与上管、下管和砂箱的进水口管路连通，在各自的连通路径上分别设置有阀门和流量计；
所述排水装置包括第一排水箱、第二排水箱和第三排水箱，它们分别与上管、下管和砂箱的出水口管路连通，在各自的连通路径上分别设置有流量计；
所述第一进水箱、第二进水箱、第三进水箱、第一排水箱、第二排水箱和第三排水箱的结构相同，以第一进水箱为例，包括一敞口箱体，箱体内设置有溢流挡板，所述溢流挡板的高度小于箱体高度并将箱体内部分隔为两个底部互不连通但顶部相互连通的区域，即容水区和溢流区；所述容水区具有一进水口和一出水口，容水区内还设置有液位传感器和温度传感器；所述溢流区具有一个溢流口；
所述电控柜内设置有多通道温控仪、无纸记录仪以及控制本装置中其它需要供电的各部件电源通断的各种开关，所述多通道温控仪分别与本装置中的各温度传感器电连接，所述无纸记录仪分别与本装置中的各压力传感器电连接；
所述高度调节装置包括调节第一进水箱高度的第一调节座、调节第二进水箱高度的第二调节座、调节第三进水箱高度的第三调节座、调节第一排水箱高度的第四调节座、调节第二排水箱高度的第五调节座和调节第三排水箱高度的第六调节座，各调节座的结构相同，以第一调节座为例，包括底座、支撑托盘以及固定于底座上的四个支撑杆，各支撑杆上设置有与支撑杆滑动配合的滑套，所述的滑套与支撑杆之间通过紧固件固定；前后相邻两支撑杆之间设置有一横杆，所述横杆的两端分别固定于该前后两支撑杆的滑套上，所述的支撑托盘悬挂于两横杆上，第一进水箱则置于所述的支撑托盘上。
上述技术方案中，所述砂箱的内部空间通过两块具有贯穿孔的透明介质板分隔成进水区、介质填充区和排水区，为避免置于介质填充区的介质向进水区或排水区扩散，优选需要在介质填充区的两个透明介质板的侧面上设置一层孔径小于所填充介质粒度的铁砂网。所述的透明介质板通常为透明丙烯酸树脂玻璃或者是透明有机玻璃板。本发明所述技术方案中，所述的一进水箱、第二进水箱、第三进水箱、第一排水箱、第二排水箱和第三排水箱以及砂箱箱体均优选采用上述透明介质板制作；所述介质填充区中填充的介质通常为玻璃珠或石英砂。
上述技术方案中，为了防止置于介质填充区的介质通过布水孔进入上管或下管而影响管内物质的扩散，优选对开设布水孔的部分用孔径小于所填充介质粒度的铁砂网进行包裹，也可将整根上管或下管均用孔径小于所填充介质粒度的铁砂网进行包裹。所述的上管和下管紧贴于砂箱内壁面设置且相互平行，其中上管位于砂箱的中上部，下管位于砂箱的底部。所述的上管和下管优选为能够承受一定压力而不变形的材质(如钢等)制作，具体可以选用钢管。对于上管和下管的内径，其上布水孔的孔径及开孔率等，可根据需要进行设置。
上述技术方案中，所述压力传感器的数量可根据需要进行设置，通常设置在上管和下管安装面所对应的外侧面上，以及与该外壁相对的另一外侧面上。
上述技术方案中，为了加强砂箱的承压能力，优选是在砂箱外壁套设一个以上的U型钢架，更优选是将U型钢架套设于砂箱中介质填充区对应的外壁上。
上述技术方案中，所述多通道温控仪的通道数量等于或多于本装置中需要设置的温度传感器数量，每一通道分别与一个温度传感器电连接。在本申请中，优选为8通道温控仪，具体可以是XMT-J800W 8通道温控仪。所述无纸记录仪具有多个通道，每一通道分别与一个各压力传感器电连接，各压力传感器所测的实时数据显示在无纸记录仪上，具体可以采用HR-100或HR-700无纸记录仪。
上述技术方案中，为方便第一进水箱、第二进水箱和第三进水箱中液体的装入，设计它们各自的进水口分别与水泵管路连接，从而将相应液体分别泵入各自的容水区。所述的水泵优选为蠕动泵，各蠕动泵与各进水箱中的液位传感器联动控制各进水箱的进水情况。当容水区的水位过高时，水流从溢流挡板上方流至溢流区，并最终经溢流口排出。
上述技术方案中，对于各调节座，是通过移动支撑杆上的滑套调节横杆的高度进而调节支撑托盘的高度并最终实现调节各进水箱或排水箱的高度。其中所述的紧固件通常为螺杆及螺母，也可以是其它常用的紧固元器件。
与现有技术相比，本发明的特点在于：
1、砂箱使用无盖设计，避免了因入流带入到砂箱模型的小气泡上浮后聚集于砂箱顶端而改变孔隙介质的导水率并影响流动路径，进而对实验过程造成影响的不足；同时，避免了有盖砂箱即使尽力挤压并试图将玻璃珠排列达到最紧密，也无法彻底填满砂箱顶端所有空隙的问题。
2、设计不同内径的上管和下管，各进水箱和排水箱高度可调，通过改变各进水箱和排水箱的高度，即可改变砂箱的左右边界条件，从而实现水流运动、水量交换以及溶质运移过程的改变。
3、通过进行多组实验获得双管道与介质之间水流运动和溶质交换的实验数据，可以研究双管道与介质之间以及两条管道之间的相互影响关系，为后续进一步为复杂管道与介质之间水流运动和溶质运移过程的研究打下基础。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的结构示意图；
图2为图1实施方式中第一进水箱的结构示意图。
图中标号为：
1水泵；2第三进水箱，3液位传感器；4温度传感器；5容水区；6溢流挡板；7溢流区；8第二进水箱；9第一进水箱；10滑套；11支撑托盘；12阀门；13流量计；14砂箱；15进水区；16介质填充区；17压力传感器；18U型钢架；19上管；20排水区；21第一排水箱；22第二排水箱；23第三排水箱；24第六调节座；25第五调节座；26第四调节座；27透明介质板；28铁砂网；29下管；30支撑杆；31第一调节座；32第二调节座；33第三调节座；34电控柜；35多通道温控仪；36无纸记录仪；37第一进水箱的进水口；38第一进水箱的出水口；39第一进水箱的溢流口。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步的详述，以更好地理解本发明的内容。
如图1所示，本发明所述模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置包括进水装置、砂箱14、排水装置、电控柜34和高度调节装置，其中：
所述砂箱14为一敞口箱体，其内部空间由两块具有贯穿孔的透明介质板27分隔成左、中、右三个部分，分别为进水区15、介质填充区16和排水区20，在介质填充区16的两个透明介质板27的侧面上还设置一层孔径小于所填充介质粒度的铁砂网28，所述进水区15、介质填充区16和排水区20之间液体相互流通；在砂箱14内沿砂箱14长度方向设置有供溶质向砂箱14内介质扩散的上管19和下管29，所述上管19和下管29紧贴于砂箱14的内壁面设置且相互平行，其中上管19位于砂箱14的中上部，下管29位于砂箱14的底部；所述上管19和下管29的内径不同，所述上管19和下管29在它们位于介质填充区16的部分开设有布水孔，在上管19和下管29上开设有布水孔的部分包裹有一层孔径小于所填充介质粒度的铁砂网28；在砂箱14中介质填充区16对应的外壁上套设一个以上的U型钢架18；在上管19和下管29安装面所对应的砂箱14外壁面上，以及与该外壁面相对的另一外壁面上安装有多个压力传感器17；
所述进水装置包括第一进水箱9、第二进水箱8和第三进水箱2，它们分别与上管19的进水口、下管29的进水口和砂箱14的进水口管路连通，在各自的连通路径上分别设置有阀门12和流量计13；各进水箱的进水口分别与蠕动泵管路连接，从而将相应液体分别泵入各自的容水区5，各蠕动泵与各进水箱中的液位传感器3联动控制各进水箱的进水情况，当容水区5的水位过高时，水从溢流挡板6上方流至溢流区7，并最终经溢流口排出；
所述排水装置包括第一排水箱21、第二排水箱22和第三排水箱23，它们分别与上管19的出水口、下管29的出水口和砂箱14的出水口管路连通，在各自的连通路径上分别设置有流量计13；
所述第一进水箱9、第二进水箱8、第三进水箱2、第一排水箱21、第二排水箱22和第三排水箱23的结构相同，以第一进水箱9为例，包括一敞口箱体，箱体内设置有溢流挡板6，所述溢流挡板6的高度小于箱体高度并将箱体内部分隔为两个底部互不连通但顶部相互连通的区域，即容水区5和溢流区7；所述容水区5具有一个进水口37和一个出水口38，容水区5内还设置有液位传感器3和温度传感器4；所述溢流区7具有一个溢流口39，具体结构如图2所示；
所述电控柜34内设置有多通道温控仪35、无纸记录仪36以及控制本装置中其它需要供电的各部件电源通断的各种开关，所述多通道温控仪35的通道数量等于或多于本装置中需要设置的温度传感器4数量，每一通道分别与一个温度传感器4电连接；所述无纸记录仪36具有多个通道，每一通道分别与一个各压力传感器17电连接，各压力传感器17所测的实时数据显示在无纸记录仪36上；
所述的高度调节装置包括调节第一进水箱9高度的第一调节座31、调节第二进水箱8高度的第二调节座32、调节第三进水箱2高度的第三调节座33、调节第一排水箱21高度的第四调节座26、调节第二排水箱22高度的第五调节座25和调节第三排水箱23高度的第六调节座24，各调节座的结构相同，以第一调节座31为例，包括底座、支撑托盘11以及固定于底座上的四个支撑杆30，各支撑杆30上设置有与支撑杆30滑动配合的滑套10，所述的滑套10与支撑杆30之间通过紧固件(具体为螺杆及螺母)固定；前后相邻两支撑杆30之间设置有一横杆，所述横杆的两端分别固定于该前后两支撑杆30的滑套10上，所述的支撑托盘11悬挂于两横杆上，第一进水箱9则置于所述的支撑托盘11上。通过移动支撑杆30上的滑套10调节横杆的高度进而调节支撑托盘11的高度并最终实现调节各进水箱或排水箱的高度。其中所述的紧固件通常为螺杆及螺母，也可以是其它常用的紧固元器件。
在本实施例中，所述的第一进水箱9、第二进水箱8、第三进水箱2、第一排水箱21、第二排水箱22和第三排水箱23以及砂箱14箱体均采用厚度为0.5cm的透明丙烯酸树脂玻璃制成。所述第一进水箱9、第二进水箱8、第三进水箱2、第一排水箱21、第二排水箱22和第三排水箱23的规格相同，均为35cm×35cm×35cm，溢流挡板6同样由透明丙烯酸树脂玻璃制成，高度为25cm，由溢流挡板6分隔成左部的容水区5和右部的溢流区7，其中容水区5规格为25cm×35cm×25cm；溢流区7规格为9.5cm×35cm×25cm。砂箱14的规格为150cm×20cm×60cm，经透明丙烯酸树脂玻璃分隔所形成的介质填充区16规格为120cm×20cm×60cm，其中填充的介质为石英砂(规格为0.27-0.47mm)，介质的填充高度为55cm；进水区15和排水区20的规格均为14.5cm×20cm×60cm。所述上管19和下管29均为钢管，上管19和下管29的内径分别为1cm和1.5cm，两者紧贴砂箱14前端外壁面对应的内壁设置，其中上管19距离砂箱14底部31cm，下管29紧贴砂箱14底部；所述上管19和下管29的开孔率为39.4％。所述的8通道温控仪为XMT-J800W8通道温控仪，所述的无纸记录仪36为HR-700无纸记录仪36，所述的流量计13为FLR1010-BR-D流量计13。所述的压力传感器17为KD60A压力传感器17，共29个，其中17个布设于砂箱14前端外壁面上，其中2个在进水区15和排水区20对应的外壁面上，具体安装位置为距离砂箱14底部高24cm、距左侧外壁面或右侧外壁面距离7.5cm处；其余15个布设于在介质填充区16对应的外壁面上，以矩阵形式分布，具体为5行3列，左右均匀分布，每行分别距离砂箱14底部高1cm、11cm、21cm、31cm和41cm，即有3个压力传感器17在上管19上，3个压力传感器17在下管29上。余下的12个则布设于砂箱14介质填充区16对应的后端外壁面上，以矩阵形式分布，具体为4行3列，左右均匀分布，每行分别高1cm、21cm、31cm和41cm。所述U型钢架18的数量为4个，宽度均为20cm。
在将玻璃珠填充到砂箱14的介质填充区16时进行压实紧密处理，尽量保证介质的均质性。由于三个进水箱分别与砂箱14、上管19和下管29的进水口连接，三个排水箱分别与砂箱14、上管19和下管29的出水口连接，而各进水箱和排水箱的高度可以调节，因此通过六个水箱与流量计13相结合能够控制砂箱14、上管19和下管29的左、右边界条件。具体在实验时，先打开第三进水箱2与砂箱14连通管路上的阀门12，缓慢地从左到右、从下往上充水，充分排除含水层中的气泡，避免产生管涌。进水箱为砂箱14供水，当第三进水箱2容水区5内未满时，蠕动泵开始向第三水箱容水区5抽水，直至容水区5满水时停下；当第三排水箱23中容水区5满水时，多余的水流入溢流区7，并经溢流区7的溢流口排出。其余第二进水箱8与第二排水箱22、第一进水箱9与第一排水箱21的情况与第三进水箱2与第三排水箱23相似。具体可设计以下不同的实验(在进行各种实验时，进水箱的高度应高于排水箱的高度)：
1)设计定水头水流实验：给各进水箱和各排水箱分别设置水箱高度以确定砂箱14左、右定水头边界值，左侧缓慢进水直至砂箱14中的水流处于稳定状态，即进水箱与排水箱都满水，排水箱溢流区7不断有水溢出，从而保证左、右两侧的定水头边界条件。具体可以设计多组试验，分别改变三个进水箱与三个排水箱的高度，即改变左右边界的水头值，从而引起水流运动以及水流交换方向的改变；再根据流量计13测得的流速和流量数据以及压力传感器17测得砂箱14水压数据，估算不同定水头边界条件下砂箱14的水头变化和水量交换，研究管道与介质以及两管道之间的相互作用。
2)设计定流量水流实验：给各进水箱和各排水箱分别设置水箱高度，左侧缓慢进水，直至砂箱14中的水流处于稳定状态。通过控制阀门12调节进入砂箱14、上管19和下管29的水流流速和流量，设计进行多组试验，观察并估算不同定流量边界条件下砂箱14内的水头变化和水量交换，研究管道与介质以及两管道之间的相互作用。
3)设计示踪实验：在多组边界条件下，配制荧光素钠或罗丹明B溶液作为染色剂，加入到第一进水箱9和第二进水箱8中，进一步送入上管19和下管29道中，观察染色剂的流向，并拍下染色剂进入介质并随水流扩散的照片，以此观察污染物从管道进入并向介质填充区16中的介质扩散运移的过程。
Claims (6)
1.一种模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置，包括进水装置、砂箱(14)、排水装置、电控柜(34)和高度调节装置，其特征在于：
所述砂箱(14)为一敞口箱体，其内部空间分隔为左、中、右三个部分，分别为进水区(15)、介质填充区(16)和排水区(20)，所述进水区(15)、介质填充区(16)和排水区(20)之间液体相互流通；在砂箱(14)内沿砂箱(14)长度方向设置有供溶质向砂箱(14)内介质扩散的上管(19)和下管(29)，所述上管(19)和下管(29)的内径不同，所述上管(19)和下管(29)在它们位于介质填充区(16)的部分开设有布水孔；在砂箱(14)的外壁上设置有压力传感器(17)；
所述进水装置包括第一进水箱(9)、第二进水箱(8)和第三进水箱(2)，它们分别与上管(19)、下管(29)和砂箱(14)的进水口管路连通，在各自的连通路径上分别设置有阀门(12)和流量计(13)；
所述排水装置包括第一排水箱(21)、第二排水箱(22)和第三排水箱(23)，它们分别与上管(19)、下管(29)和砂箱(14)的出水口管路连通，在各自的连通路径上分别设置有流量计(13)；
所述第一进水箱(9)、第二进水箱(8)、第三进水箱(2)、第一排水箱(21)、第二排水箱(22)和第三排水箱(23)的结构相同，以第一进水箱(9)为例，包括一敞口箱体，箱体内设置有溢流挡板(6)，所述溢流挡板(6)的高度小于箱体高度并将箱体内部分隔为两个底部互不连通但顶部相互连通的区域，即容水区(5)和溢流区(7)；所述容水区(5)具有一进水口和一出水口，容水区(5)内还设置有液位传感器(3)和温度传感器(4)；所述溢流区(7)具有一个溢流口；
所述电控柜(34)内设置有多通道温控仪(35)、无纸记录仪(36)以及控制本装置中需要供电的各部件电源通断的开关，所述多通道温控仪(35)分别与本装置中的各温度传感器(4)电连接，所述无纸记录仪(36)分别与本装置中的各压力传感器(17)电连接；
所述的高度调节装置包括调节第一进水箱(9)高度的第一调节座(31)、调节第二进水箱(8)高度的第二调节座(32)、调节第三进水箱(2)高度的第三调节座(33)、调节第一排水箱(21)高度的第四调节座(26)、调节第二排水箱(22)高度的第五调节座(25)和调节第三排水箱(23)高度的第六调节座(24)，各调节座的结构相同，以第一调节座(31)为例，包括底座、支撑托盘(11)以及固定于底座上的四个支撑杆(30)，各支撑杆(30)上设置有与支撑杆(30)滑动配合的滑套(10)，所述的滑套(10)与支撑杆(30)之间通过紧固件固定；前后相邻两支撑杆(30)之间设置有一横杆，所述横杆的两端分别固定于该前后两支撑杆(30)的滑套(10)上，所述的支撑托盘(11)悬挂于两横杆上，第一进水箱(9)则置于所述的支撑托盘(11)上。
2.根据权利要求1所述的模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置，其特征在于：所述砂箱(14)的内部空间通过两块具有贯穿孔的透明介质板(27)分隔成进水区(15)、介质填充区(16)和排水区(20)，在介质填充区(16)的两个透明介质板(27)的侧面上还设置有一层铁砂网(28)。
3.根据权利要求1所述的模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置，其特征在于：所述上管(19)和下管(29)紧贴于砂箱(14)内壁面设置且相互平行，其中上管(19)位于砂箱(14)的中上部，下管(29)位于砂箱(14)的底部。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置，其特征在于：在砂箱(14)外壁套设一个以上的U型钢架(18)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置，其特征在于：所述的多通道温控仪(35)为8通道温控仪。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的模拟管道内溶质向介质扩散影响的装置，其特征在于：所述第一进水箱(9)、第二进水箱(8)和第三进水箱(2)的进水口分别与水泵(1)管路连接，将相应液体分别泵入各自的容水区(5)。
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