CN113049465A - 一种冻土退化条件下水理特征模拟装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冻土退化条件下水理特征模拟装置及测试方法，包括支撑机构、实验机构、控温机构、监测机构，所述支撑机构上端安装有所述实验机构，所述实验机构外部设置有所述控温机构，所述实验机构内设置有所述监测机构。本发明利用控温机构和监测机构配合，可以根据温度变化进行建立模型，从而提高检测效果和实验数据的准确性；利用双控温机构提高控温效果；采用环绕式扫描检测，全面获取不同温度下的微观结构，提高检测效率；流量传感器实时记录进出水量，计算渗透系数。最终能获取温度变化条件下冻土水理参数的连续数据，定量刻画不同温度下的微观结构与渗透系数的关系，建立三者之间的函数方程。

Description

一种冻土退化条件下水理特征模拟装置及测试方法
技术领域
本发明涉及冻土监测领域，特别是涉及一种冻土退化条件下水理特征模拟装置及测试方法。
背景技术
受气候变化与人类活动影响，青藏高原气温持续上升，多年冻土呈退化趋势，高寒冻土区的重要水源涵养与生态维持功能受到严重威胁。多年冻土在气候变化与人类活动影响下物理特性(微观结构、地温)的变化以及与地下水循环密切相关的水理特征渗透系数的演变机制十分值得关注。冻土在退化条件下新的水热盐运移特征及再平衡下的地下水循环演变响应机制，新条件下极其复杂的地下水循环方式、途径、水质、水量演变过程，都应深入研究，而这些研究的基础都是冻土的水理特征。
过去一般认为冻土是相对隔水层，但是各国研究者在不同时期利用各种不同方法调查研究了冻土的存在对土壤中水力传导率和土壤渗透性的影响，发现冻土并非完全隔水层，液态水分能够在非饱和冻土层中迁移，甚至高度异质性的、有时是隔水的基岩也允许入渗。尤其在冻土退化条件下的“高温”冻土区内，冻土的微观结构及渗透系数随地温的变化过程极为复杂，需要采用必要的试验手段获取连续数据，确定三者的之间的定量方程函数关系。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种冻土退化条件下水理特征模拟装置及测试方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，包括支撑机构、实验机构、控温机构、监测机构，所述支撑机构上端安装有所述实验机构，所述实验机构外部设置有所述控温机构，所述实验机构内设置有所述监测机构；
所述实验机构包括密封箱、出水管、进水管，所述密封箱进水端设置有所述进水管，所述密封箱出水端设置有所述出水管，所述密封箱内部填充有冻土；
所述控温机构包括第一控温箱、第二控温箱、连接管、第一循环泵，所述第一控温箱设置在所述密封箱前端，所述第二控温箱设置在所述密封箱后端，所述第一控温箱、所述第二控温箱内部均设置有传输管，所述第二控温箱相对于所述密封箱内部设置有导温管，所述导温管贯穿所述密封箱，所述第一控温箱、所述第二控温箱下端均安装有所述连接管，一端所述连接管下端连接有所述第一循环泵，所述第一循环泵下端连接有电热箱，另一端所述连接管下端连接有第二循环泵，所述第二循环泵下端设置有制冷箱，温度传感器安装在所述密封箱内部；
所述监测机构包括CT扫描仪、透水石、流量传感器，所述CT扫描仪设置在所述密封箱中部外围，两个所述透水石分别设置在所述密封箱内部两端，所述透水石和所述出水管、所述进水管之间均设置有所述流量传感器。
优选的：所述支撑机构包括底座、万向轮、工作台、处理器，所述底座下端安装有所述万向轮，所述底座上端安装有所述工作台，所述工作台上端安装有所述处理器。
优选的：所述密封箱为非金属的增强尼龙制品，便于扫描，所述密封箱、所述工作台均通过螺栓连接所述底座。
如此设置，所述工作台起承载作用。
优选的：所述进水管、所述出水管通过螺纹连接所述密封箱。
如此设置，通过螺纹连接保证了密封性。
优选的：所述第二控温箱通过螺纹连接所述导温管，所述导温管滑动连接所述密封箱，所述密封箱和所述导温管之间设置有密封圈。
如此设置，所述导温管起控温作用，深入到密封箱后，提高控温效果，并且滑动连接，可以方便后期冻土的铲除。
优选的：所述电热箱内部充满导温油，且底部有用于加热的电热丝。
如此设置，所述电热箱起升温作用，利用循环导温油提高控温效果以及避免水垢。
优选的：所述制冷箱内部充满导温油，且底部有用于制冷的制冷机。
如此设置，所述制冷箱起降温作用，利用循环导温油提高控温效果以及避免水垢。
优选的：所述CT扫描仪通过卡扣连接所述密封箱，且密封箱上成型有配合槽。
如此设置，所述CT扫描仪起扫描监测作用。
优选的：所述透水石和所述密封箱之间设置有密封垫，所述流量传感器通过螺纹连接所述出水管、所述进水管。
如此设置，所述流量传感器起水流的量和流速。
一种冻土退化条件下水理特征模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
a、先将导温管插进密封箱内部，将需要检测的冻土填充到密封箱内部，使冻土完全填充密封箱内部，关闭密封箱盖子；
b、启动CT扫描仪对渗透效果进行检测，同时通过启动第一循环泵或第二循环泵对密封箱内部的冻土进行控温；
c、启动外部供水装置，将10％的乙二醇溶液或者合适浓度的防冻液水溶剂通过进水管先通过流量传感器和透水石传输到密封箱内部；同时启动流量传感器，监测流量变化，通过流量计算冻土渗透系数；
d、同时利用温度传感器对温度进行记录和反馈，开展连续控温变化条件下的微结构扫描记录与渗透试验，考察不同温度条件下多年冻土层微观结构与渗透系数的改变情况，根据测试液体的粘度系数折算成水的渗透性；
e、通过上述连续监测数据，建立温度、冻土微结构、渗透系数的定量模型关系，此模型可以用于冻土退化条件下地下水循环转化的数值模拟。为冻土水源涵养与生态修复提供支撑。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明利用控温机构和监测机构配合，可以根据温度变化进行建立模型，从而提高检测效果和实验数据的准确性，利用双控温机构提高控温效果；采用环绕式扫描检测，全面获取不同温度下的微观结构，提高检测效率；流量传感器实时记录进出水量，计算渗透系数。最终能获取温度变化条件下冻土水理参数的连续数据，定量刻画不同温度下的微观结构与渗透系数的关系，建立三者之间的函数方程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述一种冻土退化条件下水理特征模拟装置的结构示意图；
图2是本发明所述一种冻土退化条件下水理特征模拟装置的主视图；
图3是本发明所述一种冻土退化条件下水理特征模拟装置的密封箱结构示意图；
图4是本发明所述一种冻土退化条件下水理特征模拟装置的导温管结构示意图；
图5是本发明所述一种冻土退化条件下水理特征模拟装置的密封箱内部结构示意图；
图6是本发明所述一种冻土退化条件下水理特征模拟装置的第一控温箱内部结构示意图。
附图标记说明如下：
1、支撑机构；2、实验机构；3、控温机构；4、监测机构；11、底座；12、万向轮；13、工作台；14、处理器；21、密封箱；22、出水管；23、进水管；31、第一控温箱；32、第二控温箱；33、连接管；34、第一循环泵；35、电热箱；36、第二循环泵；37、制冷箱；38、导温管；39、传输管；310、温度传感器；41、CT扫描仪；42、透水石；43、流量传感器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1
如图1-图6所示，一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，包括撑机构1、实验机构2、控温机构3、监测机构4，支撑机构1上端安装有实验机构2，实验机构2外部设置有控温机构3，实验机构2内设置有监测机构4；
实验机构2包括密封箱21、出水管22、进水管23，密封箱21进水端设置有进水管23，密封箱21出水端设置有出水管22，密封箱21内部填充有冻土；
控温机构3包括第一控温箱31、第二控温箱32、连接管33、第一循环泵34，第一控温箱31设置在密封箱21前端，第二控温箱32设置在密封箱21后端，第一控温箱31、第二控温箱32内部均设置有传输管39，第二控温箱32相对于密封箱21内部设置有导温管38，导温管38贯穿密封箱21，第一控温箱31、第二控温箱32下端均安装有连接管33，一端连接管33下端连接有第一循环泵34，第一循环泵34下端连接有电热箱35，另一端连接管33下端连接有第二循环泵36，第二循环泵36下端设置有制冷箱37，温度传感器310安装在密封箱21内部；
监测机构4包括CT扫描仪41、透水石42、流量传感器43，CT扫描仪41设置在密封箱21中部外围，两个透水石42分别设置在密封箱21内部两端，透水石42和出水管22、进水管23之间均设置有流量传感器43。
优选的：支撑机构1包括底座11、万向轮12、工作台13、处理器14，底座11下端安装有万向轮12，底座11上端安装有工作台13，工作台13上端安装有处理器14，密封箱21为非金属的增强尼龙制品，便于扫描，密封箱21、所述13均通过螺栓连接所述底座，工作台13起承载作用；进水管23、出水管22通过螺纹连接密封箱21，通过螺纹连接保证了密封性；第二控温箱32通过螺纹连接导温管38，导温管38滑动连接密封箱21，密封箱21和导温管38之间设置有密封圈，导温管38起控温作用，深入到密封箱21后，提高控温效果，并且滑动连接，可以方便后期冻土的铲除；电热箱35内部充满导温油，且底部有用于加热的电热丝，电热箱35起升温作用，利用循环导温油提高控温效果以及避免水垢；制冷箱37内部充满导温油，且底部有用于制冷的制冷机，制冷箱37起降温作用，利用循环导温油提高控温效果以及避免水垢；CT扫描仪41通过卡扣连接密封箱21，且密封箱21上成型有配合槽，CT扫描仪41起扫描监测作用；透水石42和密封箱21之间设置有密封垫，流量传感器43通过螺纹连接出水管22、进水管23，流量传感器43起水流的量和流速。
一种冻土退化条件下水理特征模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
a、先将导温管38插进密封箱21内部，将需要检测的冻土填充到密封箱21内部，关闭密封箱21盖子；
b、启动CT扫描仪41对渗透效果进行检测，同时通过启动第一循环泵34或第二循环泵36对密封箱21内部的冻土进行控温；
c、启动外部供水装置，将10％的乙二醇溶液或者防冻液水溶剂通过进水管23先通过流量传感器43和透水石42传输到密封箱21内部；同时启动流量传感器43，监测流量变化，通过流量计算冻土渗透系数；
d、同时利用温度传感器310对温度进行记录和反馈，开展连续控温变化条件下的微结构扫描记录与渗透试验，考察不同温度条件下多年冻土层微观结构与渗透系数的改变情况，根据测试液体的粘度系数折算成水的渗透性；
e、通过上述连续监测数据，建立温度、冻土微结构、渗透系数的定量模型关系，此模型可以用于冻土退化条件下地下水循环转化的数值模拟。为冻土水源涵养与生态修复提供支撑。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，其特征在于：包括支撑机构(1)、实验机构(2)、控温机构(3)、监测机构(4)，所述支撑机构(1)上端安装有所述实验机构(2)，所述实验机构(2)外部设置有所述控温机构(3)，所述实验机构(2)内设置有所述监测机构(4)；
所述实验机构(2)包括密封箱(21)、出水管(22)、进水管(23)，所述密封箱(21)进水端设置有所述进水管(23)，所述密封箱(21)出水端设置有所述出水管(22)，所述密封箱(21)内部填充有冻土；
所述控温机构(3)包括第一控温箱(31)、第二控温箱(32)、连接管(33)、第一循环泵(34)，所述第一控温箱(31)设置在所述密封箱(21)前端，所述第二控温箱(32)设置在所述密封箱(21)后端，所述第一控温箱(31)、所述第二控温箱(32)内部均设置有传输管(39)，所述第二控温箱(32)相对于所述密封箱(21)内部设置有导温管(38)，所述导温管(38)贯穿所述密封箱(21)，所述第一控温箱(31)、所述第二控温箱(32)下端均安装有所述连接管(33)，一端所述连接管(33)下端连接有所述第一循环泵(34)，所述第一循环泵(34)下端连接有电热箱(35)，另一端所述连接管(33)下端连接有第二循环泵(36)，所述第二循环泵(36)下端设置有制冷箱(37)，温度传感器(310)安装在所述密封箱(21)内部；
所述监测机构(4)包括CT扫描仪(41)、透水石(42)、流量传感器(43)，所述CT扫描仪(41)设置在所述密封箱(21)中部外围，两个所述透水石(42)分别设置在所述密封箱(21)内部两端，所述透水石(42)和所述出水管(22)、所述进水管(23)之间均设置有所述流量传感器(43)。
2.根据权利要求1所述的一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，其特征在于：所述支撑机构(1)包括底座(11)、万向轮(12)、工作台(13)、处理器(14)，所述底座(11)下端安装有所述万向轮(12)，所述底座(11)上端安装有所述工作台(13)，所述工作台(13)上端安装有所述处理器(14)，所述万向轮(12)、所述工作台(13)均通过螺栓连接所述底座(11)。
3.根据权利要求2所述的一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，其特征在于：所述密封箱(21)为非金属的增强尼龙制品，所述密封箱(21)、所述工作台(13)均通过螺栓连接所述底座(11)。
4.根据权利要求1所述的一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，其特征在于：所述进水管(23)、所述出水管(22)通过螺纹连接所述密封箱(21)。
5.根据权利要求1所述的一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，其特征在于：所述第二控温箱(32)通过螺纹连接所述导温管(38)，所述导温管(38)滑动连接所述密封箱(21)，所述密封箱(21)和所述导温管(38)之间设置有密封圈。
6.根据权利要求1所述的一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，其特征在于：所述电热箱(35)内部充满导温油，且底部有用于加热的电热丝。
7.根据权利要求1所述的一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，其特征在于：所述制冷箱(37)内部充满导温油，且底部有用于制冷的制冷机。
8.根据权利要求1所述的一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，其特征在于：所述CT扫描仪(41)通过卡扣连接所述密封箱(21)，且密封箱(21)上成型有配合槽。
9.根据权利要求1所述的一种冻土退化条件下水理特征模拟装置，其特征在于：所述透水石(42)和所述密封箱(21)之间设置有密封垫，所述流量传感器(43)通过螺纹连接所述出水管(22)、所述进水管(23)。
10.一种冻土退化条件下水理特征模拟装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、先将导温管(38)插进密封箱(21)内部，将需要检测的冻土填充到密封箱(21)内部，使冻土完全填充密封箱(21)内部；关闭密封箱(21)盖子；
b、启动第一循环泵(34)或第二循环泵(36)对密封箱(21)内部的冻土进行控温；启动CT扫描仪(41)对温度变化条件下，冻土微观结构进行扫描，获取实时影像及微观结构数据；
c、启动外部供水装置，将10％的乙二醇溶液或者防冻液水溶剂通过进水管(23)先通过流量传感器(43)和透水石(42)传输到密封箱(21)内部；同时启动流量传感器，监测流量变化，通过流量计算冻土渗透系数；
d、同时利用温度传感器(310)对温度进行记录和反馈，开展连续控温变化条件下的微结构扫描记录与渗透试验，考察不同温度条件下多年冻土层微观结构与渗透系数的改变情况，根据测试液体的粘度系数折算成水的渗透性；
e、通过上述连续监测数据，建立温度、冻土微结构、渗透系数的定量模型关系，此模型可以用于冻土退化条件下地下水循环转化的数值模拟。为冻土水源涵养与生态修复提供支撑。
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