CN111443169A - 一种地下水人工回灌试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下水人工回灌试验系统，所述试验系统包括供水、输水、回灌和回扬等四个功能模块。通过调节供水与输水模块中的相关组件，可以切换出常压常流量、常压定流量、常压定压力和加压定压力等多种回灌模式，为验证不同工况下地下水回灌技术的可行性与有效性、及探索最优回灌方案、回灌量和回灌效果等问题提供了试验设备与技术基础。此外，本发明具有模块化程度高、功能性特征强、适用性范围广等特点，不仅可以满足超采区地下水环境修复治理回灌试验需求，而且适用于基坑降水防护、水源热泵设计等其他涉及地下水回灌技术的不同领域。
Description
技术领域
本发明属于水文地质、地下水科学与工程(地下水环境修复)技术领域，涉及一种地下水人工回灌试验系统设计原理及操作方法，尤其涉及一种地下水人工回灌试验系统。
背景技术
上世纪七十年代以后，随着区域经济与人口的快速发展，地下水开采量逐年增加。长期超采导致地下水位持续下降，并引发区域性地面沉降。近些年来，随着区域供水、超采区划分、地下水压采等一系列工程的实施，地下水环境状况得到明显改善，主要表现为含水层水位回升与地面沉降速率减缓。然而，最新监测数据显示，在一些超采程度高、补给条件差、水平径流与垂直越流皆较微弱的地区，水位降落漏斗仍将长期存在。因此，有必要在这些地区开展地下水回灌试验研究，定量分析地下水回灌对水位恢复的促进作用，验证地下水回灌的可行性与有效性。
目前，关于地下水人工回灌的研究案例主要集中在基坑降水防护与水源热泵供暖领域，热点问题包括回灌井布设(专利号：CN107606819A)、结构设计(专利号：CN101261053A)、堵塞防治(专利号：CN109893894A)与监测技术(专利号：CN110295650A)等，而对补给条件差、存在降落漏斗的深部含水层的回灌研究相对较少。文献检索发现，中国专利申请CN110663512A公开了一种超采区地表节水灌溉与低压地下管网回灌补采耦合系统，可以通过地埋管网系统实现地下水的面状补给；中国专利申请CN110735468A公开了一种灌渠灌井结合的地下水越流补给回灌系统，适用于上覆弱透水层厚度较薄、且具有一定透水能力的承压含水层的补给。中国专利申请CN110468911A公开了一种气举回扬型综合回灌系统，通过将回灌与回扬进行有机整合，提升了建筑施工现场地下水回灌的易操作性。现有的研究成果扩展了地下水人工回灌技术的宽度，但是对回灌技术的试验设计、回灌模式优选、回灌量与回灌效果的研究相对薄弱。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种地下水人工回灌试验系统，该系统以探索最优回灌方案、回灌量和回灌效果等关键问题为设计目标，具有控制精度高、操作灵活、通用性强等特点，可用于验证地下水回灌技术的可行性与有效性，具体解决如何通过试验获取最优回灌方案、回灌量和回灌效果的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种地下水人工回灌试验系统，包括供水、输水、回灌和回扬四个模块：
供水模块包括供水水箱、第一电磁阀、第一压力传感器和第一接线盒，第一压力传感器实时监测供水水箱液位并将数据传入第一接线盒，由第一接线盒根据所接收信息控制第一电磁阀的开闭，实现供水水箱的自动补水；
输水模块包括第一手动阀、第二手动阀、第二电磁阀、第二压力传感器、第二接线盒、变频泵、流量计和止回阀，回灌水由供水水箱进入所述输水模块分为两支：一支由第一手动阀和第二电磁阀串联组成，另一只由第二手动阀和变频泵串联组成，两支路汇集后连接流量计和止回阀，之后进入所述回灌模块，第二压力传感器实时监测回灌井水位并将数据传入第二接线盒，由第二接线盒根据所接收信息控制第二电磁阀的开闭，同时，第二接线盒与第一接线盒相连，实现第二电磁阀和第一电磁阀的联动控制；
回灌模块包括回灌井、回灌回扬转换器、排气阀、水位计及与之配套的数据传输装置；
回扬模块包括潜水泵、所述回灌回扬转换器、第三手动阀、回扬水箱、所述排气阀、所述水位计及与之配套的数据传输装置。
进一步地，所述回灌回扬转换器在平面上置于回灌井中心，垂向上置于静水位以下；排气阀置于井盖上部；水位计与回灌回扬转换器之间保留安全距离。
进一步地，所述潜水泵与回灌回扬转换器由不锈钢水管连结，并确保其垂向上置于动水位以下，同时与水位计保留安全距离；所述排气阀通过自动进气消除由于井水位下降产生负压来维持压力稳定。
一种地下水人工回灌试验系统的回灌试验方法，包括：试验时，通过调节供水模块和输水模块的组件可实现下述多种回灌模式的切换，来挑选确定出最优回灌方案以及该方案下的回灌量和回灌效果：
(1)常压常流量模式是指在常压条件下，打开第二电磁阀，通过调节第一手动阀的开闭程度，可实现常流量回灌；
(2)常压定流量模式是指在常压条件下，打开第一手动阀，将第二电磁阀与供水模块的第一电磁阀反向联动，可实现定流量回灌；
(3)常压定压力模式是指在常压条件下，打开第一手动阀，回灌井内的第二压力传感器实时监测液位并通过第二接线盒来控制第二电磁阀的开闭，实现定压力回灌；
(4)加压定压力模式是指在加压条件下，打开第二手动阀和变频泵，设置变频泵出水压力上下限，实现定压力回灌；
上述四种模式中，常压表示回灌驱动力仅为自然压力，其大小等于水箱水与地下水之间的压差；所述加压表示回灌驱动力同时包括自然压力外和由变频泵施加的额外外力，其大小等于二者之和；所述常流量是指回灌流量为某一恒定常数；所述定流量是指在常流量的基础上，限定单次灌水体积，一旦回灌量达到限值，暂停回灌，待补水完成后，回灌方可继续进行；所述定压力是指设定回灌井中的水位上下限，系统通过自动启停维持回灌井中的水位时刻处于设定范围，当所设定的水位上下限值足够接近时，定压力逐渐过渡为常压力。
进一步地，所述最优回灌方案：在满足同样回灌目标前提下，通过对比试验来选取费用与时间成本最低、对含水层结构扰动小、易于操作的回灌模式；其中，所述回灌目标：以回灌井为中心、一定距离为半径的圆形区域内，水位抬升的最小幅度；所述对含水层结构扰动的大小：通过多次重复试验，检验回灌井周围含水层渗透性随着回灌次数的增加是否存在显著衰减效应；所述最优回灌方案下的回灌效果：所述最优回灌方案下的水位稳定抬升范围与抬升值。
采用本发明提供的地下水人工回灌试验系统，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的地下水人工回灌试验系统，采用模块化设计，供水、输水、回灌和回扬等各部分功能清晰，结构合理，自动化程度高，易于操作。
(2)本发明的地下水人工回灌试验系统，功能性特征突出，通过调节供水与输水模块组件可以实现多种回灌模式切换，设计灵活，功能丰富，实用性强。
(3)本发明的地下水人工回灌试验系统，遵循目标导向设计方法，通过对比试验可以确定最优回灌方案、回灌量和回灌效果，进而论证回灌的可行性与有效性。
(4)本发明的地下水人工回灌试验系统，不仅可以满足超采区地下水环境修复治理试验需求，而且适用于基坑降水防护、水源热泵设计等其他涉及地下水回灌技术的领域。
附图说明
图1为本发明的一种地下水人工回灌试验系统设计原理图；
其中，A1-第一电磁阀，A2-第二电磁阀；B1-供水水箱，B2-回扬水箱；C1-第一压力传感器，C2-第二压力传感器；D1-第一手动阀，D2-第二手动阀，D3-第三手动阀；E-变频泵；F-流量计；G-止回阀；H-排气阀；I-回灌回扬转换器；J-潜水泵；K-水位计；L-水位数据传输装置(RTU)；M-配电箱；N1-第一接线盒，N2-第二接线盒。
图2为实施例1模式下回灌井、监测井水位抬升与回灌量变化示意图；
图3为实施例2模式下回灌井、监测井水位抬升与回灌量变化示意图；
图4为实施例3模式下回灌井、监测井水位抬升与回灌量变化示意图；
图5为实施例4模式下回灌井、监测井水位抬升与回灌量变化示意图；
其中，RW-回灌井，OW1-1号观测井，OW2-2号观测井(OW1到RW的距离小于由OW2到OW的距离)，RQ-回灌量。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本实施例的地下水人工回灌试验系统按照功能结构分为供水、输水、回灌和回扬等四个模块。
其中，供水模块主要有供水水箱B1、第一电磁阀A1、第一压力传感器C1和第一接线盒N1组成。其工作原理是在第一接线盒N1的光柱表上设置水箱液位上下限，第一压力传感器C1实时监测水箱液位数据并将监测信息传入第一接线盒N1，第一接线盒N1控制第一电磁阀A1的开闭，实现供水水箱B1自动补水。第一电磁阀A1与供水水箱B1采用不锈钢水管连结。
其中，输水模块主要有第一手动阀D1、第二手动阀D2、第二电磁阀A2、第二压力传感器C2、第二接线盒N2、变频泵E、流量计F和止回阀G组成，各设备组件均由两端带螺纹的不锈钢水管连结。回灌过程中，回灌水由上述供水模块的供水水箱B1进入输水模块后分为两支，一支由第一手动阀D1和第二电磁阀A2串联组成，另一支由第二手动阀D2和变频泵E串联组成，分别实现常压与加压回灌，两支管路在流量计F前重新汇集，再经止回阀G进入回灌模块。具体的，打开第二电磁阀A2和其前端的第一手动阀D1，关闭变频泵E和其前端的第二手动阀D2，进入常压回灌模式；反之，切换至加压回灌模式。
其中，回灌模块主要由回灌井、回灌回扬转换器I、排气阀H、水位计K及与之配套的数据传输装置(水位数据传输装置(RTU)L)组成。回灌过程中，水只经过回灌回扬转换器I，其他为辅助设备。其中，回灌回扬转换器I在平面上置于回灌井中心、垂向上置于静水位以下；排气阀H置于井盖上部；水位计K与回灌回扬转换器I之间保留一定安全距离，避免其受到水流冲击不利影响。回灌过程中，回灌水由回灌回扬转换器I进入井筒，再经筛管进入含水层。水位变化信息由水位计K监测与记录，并通过数据传输装置(RTU)L传送至手机或电脑。井筒内与水中气体经安装在回灌井顶部的排气阀H排出。
其中，回扬模块主要包括潜水泵J、回灌回扬转换器I、第三手动阀D3、回扬水箱B2、水位计K及与之配套的数据传输装置(水位数据传输装置(RTU)L)。其中，潜水泵J与回灌回扬转换器I由不锈钢水管相连，垂向上置于动水位以下，并与水位计K保留一定安全距离。回扬过程中，打开潜水泵J和第三手动阀D3(第三手动阀D3在回扬结束时可防止倒流)，地下水由筛管进入井筒，再依次经潜水泵J、回灌回扬转换器I和第三手动阀D3进入回扬水箱B2。水位变化信息由水位计K监测与记录，并通过数据传输装置(RTU)L传送至手机或电脑。顶部排气阀H通过自动进气消除由于井水位下降产生负压，维持系统压力稳定。
本实施例的地下水人工回灌试验系统按照运行状态共有常压常流量、常压定流量、常压定压力和加压定压力等四种模式。各种模式的具体含义如表1所示。
表1四种回灌模式及其具体含义
模式一(常压常流量)是指在常压条件下，打开第二电磁阀A2，通过调节第一手动阀D1的开闭程度，可以实现常流量回灌。
模式二(常压定流量)是指在常压条件下，打开第一手动阀D1，将电磁阀第二A2与供水模块中的第一电磁阀A1反向联动，可以实现定流量回灌。单次回灌量为供水水箱B1的补水量，即其液位上下限之间的水量。
模式三(常压定压力)是指在常压条件下，打开第一手动阀D1，在第二接线盒N2的光柱表上设置井水位上下限，回灌井中的第二压力传感器C2实时监测井水位数据并将监测信息传入第二接线盒N2，接第二线盒N2控制第二电磁阀A2的开闭，实现定压力回灌。此外，如将井水位上下限值设置的足够接近，可近似实现常压常压力回灌。
模式四(加压定压力)是指在加压条件下，设置变频泵E出水压力上下限，实现定压力回灌。此外，如将变频泵E的出水压力上下限值设置的足够接近，可近似实现加压常压力回灌。
本实施例提出的地下水人工回灌试验系统按照设计目的可以实现确定最优回灌方案、回灌量和回灌效果三种功能。
确定最优回灌方案是指在满足同样回灌目标前提下，通过对比试验选取费用与时间成本最低、对含水层结构扰动小、易于操作的回灌模式。其中，回灌目标是指在以回灌井为中心、一定距离为半径的圆形区域内，水位抬升的最小幅度；对含水层结构扰动大小是指通过多次重复试验，检验回灌井周围含水层渗透性随着回灌次数的增加是否存在显著衰减效应。
确定最优回灌方案具体包括确定常压与加压、间歇与连续、定流量与定压力、以及回灌频次与间隔等。
确定回灌量是指最优回灌方案下的回灌量。
确定回灌效果是指最优回灌方案下的水位稳定抬升范围与抬升值。
下面结合图2至图5对上述四种模式进行具体说明。
实施例1：常压、常流量
关闭第一手动阀D1、第二手动阀D2和变频泵E，打开第二电磁阀A2。设置水箱B1水位上下限，当水位低于下限时，第一电磁阀A1自动打开，供水水箱B1补水；待水箱水位到达上限，第一电磁阀A1自动关闭，完成补水。可通过调高下限水位维持水箱水量充足。缓慢打开第一手动阀D1，即可实现常流量回灌。此外，通过调整第一手动阀D1的旋开程度可以控制回灌量大小，回灌量数值通过流量计F读取。此模式下，回灌井、监测井水位抬升及回灌量的变化情况如示意图2所示。
实施例2：常压、定流量
打开第一手动阀D1、关闭第二手动阀D2和变频泵E。设置供水水箱B1水位上下限，当水位低于下限时，第一电磁阀A1自动打开，水箱补水，第二电磁阀A2自动关闭，暂停回灌；待水箱水位到达上限，第一电磁阀A1自动关闭，完成补水，第二电磁阀A2自动打开，开始回灌，直至水箱水位降至下限，即完成一个回灌周期。重复上述过程可实现定流量回灌，单次回灌量为水箱水位上下限之间的水量。此模式下，回灌井、监测井水位抬升及回灌量的变化情况如示意图3所示。
实施例3：常压、定压力
打开第一手动阀D1、关闭第二手动阀D2和变频泵E。设置供水水箱B1水位上下限，当水位低于下限时，第一电磁阀A1自动打开，水箱补水；待水箱水位到达上限，第一电磁阀A1自动关闭，完成补水。可通过调高下限水位维持水箱水量充足。同理，设置回灌井水位上下限，当井水位低于下限时，第二电磁阀A2自动打开，开始回灌；待井水位升至上限时，第二电磁阀A2自动关闭，暂停灌水，直至井水位降至下限，即完成一个回灌周期。重复上述过程可实现定压力回灌，压力范围由所设置的回灌井水位上下限确定，变化过程由水位计K记录。此外，如将回灌井水位上下限值设置的足够接近，可近似实现常压、常压力回灌。此模式下，回灌井、监测井水位抬升及回灌量的变化情况如示意图4所示。
实施例4：加压、定压力
关闭第一手动阀D1和第二电磁阀A2、打开第二手动阀D2和变频泵E。设置供水水箱B1水位上下限，当水位低于下限时，第一电磁阀A1自动打开，水箱补水；待水箱水位到达上限，第一电磁阀A1自动关闭，完成补水。可通过调高下限水位维持水箱水量充足。同理，设置变频泵E出水压力上下限，当井水压力低于下限时，变频泵启动，加压至上限后停止；此后，井水压力随着回灌过程的持续而逐渐消散，直至再次降至下限，即完成一个回灌周期。重复上述过程可实现加压回灌，压力范围由所设置的变频泵E出水压力上下限确定，变化过程由水位计K记录。此外，如将变频泵E的出水压力上下限值设置的足够接近，可近似实现加压、常压力回灌。此模式下，回灌井、监测井水位抬升及回灌量的变化情况如示意图5所示。
以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种地下水人工回灌试验系统，其特征在于，所述试验系统包括供水、输水、回灌和回扬四个模块：
供水模块包括供水水箱、第一电磁阀、第一压力传感器和第一接线盒，第一压力传感器实时监测供水水箱液位并将数据传入第一接线盒，由第一接线盒根据所接收信息控制第一电磁阀的开闭，实现供水水箱的自动补水；
输水模块包括第一手动阀、第二手动阀、第二电磁阀、第二压力传感器、第二接线盒、变频泵、流量计和止回阀，回灌水由供水水箱进入所述输水模块分为两支：一支由第一手动阀和第二电磁阀串联组成，另一只由第二手动阀和变频泵串联组成，两支路汇集后连接流量计和止回阀，之后进入所述回灌模块，第二压力传感器实时监测回灌井水位并将数据传入第二接线盒，由第二接线盒根据所接收信息控制第二电磁阀的开闭，同时，第二接线盒与所述第一接线盒相连，实现第二电磁阀和所述第一电磁阀的联动控制；
回灌模块包括回灌井、回灌回扬转换器、排气阀、水位计及与之配套的数据传输装置；
回扬模块包括潜水泵、所述回灌回扬转换器、第三手动阀、回扬水箱、所述排气阀和水位计及与之配套的数据传输装置。
2.如权利要求1所述的一种地下水人工回灌试验系统，其特征在于，所述回灌回扬转换器在平面上置于回灌井中心，垂向上置于静水位以下；排气阀置于井盖上部；水位计与回灌回扬转换器之间保留安全距离。
3.如权利要求1所述的一种地下水人工回灌试验系统，其特征在于，所述潜水泵与回灌回扬转换器由不锈钢水管连结，并确保其垂向上置于动水位以下，同时与水位计保留安全距离；所述排气阀通过自动进气消除由于井水位下降产生负压来维持压力稳定。
4.一种地下水人工回灌试验系统的回灌试验方法，其特征在于，试验时，通过调节供水模块和输水模块中的组件可实现下述多种回灌模式的切换，来挑选确定出最优回灌方案以及该方案下的回灌量和回灌效果：
(1)常压常流量模式是指在常压条件下，打开第二电磁阀，通过调节第一手动阀的开闭程度，可实现常流量回灌；
(2)常压定流量模式是指在常压条件下，打开第一手动阀，将第二电磁阀与供水模块的第一电磁阀反向联动，可实现定流量回灌；
(3)常压定压力模式是指在常压条件下，打开第一手动阀，回灌井内的第二压力传感器实时监测液位并通过第二接线盒来控制第二电磁阀的开闭，实现定压力回灌；
(4)加压定压力模式是指在加压条件下，打开第二手动阀和变频泵，设置变频泵出水压力上下限，实现定压力回灌。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述四种回灌模式中：常压表示回灌驱动力仅为自然压力，其大小等于水箱水与地下水之间的压差；所述加压表示回灌驱动力同时包括自然压力外和由变频泵施加的额外外力，其大小等于二者之和；所述常流量是指回灌流量为某一恒定常数；所述定流量是指在常流量的基础上，限定单次灌水体积，一旦回灌量达到限值，暂停回灌，待补水完成后，回灌方可继续进行；所述定压力是指设定回灌井中的水位上下限，系统通过自动启停维持回灌井中的水位时刻处于设定范围，当所设定的水位上下限值足够接近时，定压力逐渐过渡为常压力。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述最优回灌方案：在满足同样回灌目标前提下，通过对比试验来选取费用与时间成本最低、对含水层结构扰动小、易于操作的一种回灌模式；
所述最优回灌方案下的回灌效果：所述最优回灌方案下的水位稳定抬升范围与抬升值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述回灌目标：以回灌井为中心、一定距离为半径的圆形区域内，水位抬升的最小幅度；
所述对含水层结构扰动的大小：通过多次重复试验，检验回灌井周围含水层渗透性随着回灌次数的增加是否存在显著衰减效应。
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|---|---|---|---|---|
| CN112377816A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-02-19 | 北京市水文地质工程地质大队(北京市地质环境监测总站) | 一种地下水抽水回灌试验自动化系统 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105133570A (zh) * | 2015-09-17 | 2015-12-09 | 济南轨道交通集团有限公司 | 一种单井单控抽灌一体化系统及其控制方法 |
| CN204919529U (zh) * | 2015-09-17 | 2015-12-30 | 济南轨道交通集团有限公司 | 一种单井单控抽灌一体化系统 |
| CN106847048A (zh) * | 2017-02-28 | 2017-06-13 | 济南轨道交通集团有限公司 | 模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统 |
| CN212111339U (zh) * | 2020-05-18 | 2020-12-08 | 江苏省地质调查研究院 | 一种地下水人工回灌试验系统 |
-
2020
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Patent Citations (4)
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| Publication number | Publication date |
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