CN209841614U - 河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，包括包气带和含水层介质模拟箱体、水流及溶质供给系统、渗透集水排水系统和喷淋模拟装置；采用本实用新型装置可实现河流对含水层侧向渗透模拟、降水及河流入渗垂向模拟补给、土壤介质溶质迁移与累积模拟等过程，亦可通过模拟绘制不同位置的水流场和溶质浓度场，还可通过水流运移或溶质迁移实验反算土壤或其他介质参数。本实用新型适用于水文地质学、土壤学、环境学等方面的科学研究和教学辅导。

Description

河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置

技术领域

本实用新型属于水文地质学、土壤学、环境学等方面实验研究领域，尤其是一种研究河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置及方法。可用于土壤水动力学中研究土壤水含量空间变化规律、农田水利学中包气带降水入渗补给、水文地质学中地下水流运动及污染物迁移等基础研究或教学辅导等。

背景技术

地下水是我国北方地区农业生产、生活和生态最主要的供水水源，随着社会经济快速发展，用水需求增加导致地下水位下降，包气带增厚，对土壤和含水层水环境容量都产生了较大影响，通过模拟包气带和含水层在不同水分条件下水流运动及溶质迁移能力，可为加强农业用水管理、地下水源地保护和干旱区生态用水安全提供一定的科学依据和技术指导。

农田土壤水分和养分是影响农作物产量的关键因素，土壤理化性状的测定在野外具有一定的难度。通过室内模拟实验装置测定相关参数，可为土壤特性研究提供一定的科学依据；结合田间降水和蒸发过程模拟包气带中地下水的运移规律，可指导农业生产活动。

地下水与地表水不同，赋存于含水层介质中，其水流运移及溶质迁移规律较为复杂，从富水性条件来看，地下水主要集中供水水源地和农牧业集中区都密集分布在富水性较强的河谷平原，因此，河水位变化对地下水的补给和排泄都有一定影响，需要一种可满足不同供排水条件的河谷平原包气带和含水层水流及溶质模拟装置。

由于我国北方农牧交错带和生态脆弱草原区，降水量少，开发利用和保护地下水同等重要，但受各种主客观技术条件限制，在野外构建完整的监测网络还需要较长的时间和大量的资金投入，而现有的模拟装置多仅限于一种实验目的，难以反映复杂供排水条件下河谷平原包气带和含水层水流场及溶质浓度场的变化规律，无法指导实践生产和环境保护。

实用新型内容

本实用新型时基于现有实验设备存在技术不足而地下水开发利用和保护需求提出的，设计了一款适用于不同供排水条件，考虑水流侧向运移和垂向渗漏的河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置及方法，旨在通过模拟水流场和浓度场，指导和规范人们的用水行为。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：

一种河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，包括包气带和含水层介质模拟箱体、水流及溶质供给系统、渗透集水排水系统和喷淋模拟装置以及其他相关配件；

所述包气带和含水层介质模拟水箱内部充填有介质材料，箱体底部设置有为渗漏隔板；包气带和含水层介质模拟水箱内部充填的介质材料可参考野外实验调查及土样测试结果，按类型和比例配置强渗透介质、弱渗透介质或不透水介质，箱体中土壤介质的铺设由下至上，可水平填充铺设，也可按照一定坡度进行填充，充填后适度压实以保障能仿真自然状态下的介质孔隙。

所述水流及溶质供给系统包括设置在包气带和含水层介质模拟水箱左侧的左侧水槽，左侧水槽与所述包气带和含水层介质模拟水箱连通，在接触面上设置有左侧水位控制隔板；所述左侧圆柱形水槽通过供水胶管与第一集水箱连通，在供水胶管上设置有供水控制阀门。在含水层介质模拟水箱正上方设置有水槽，水槽通过顶部水槽供水胶管与第一集水箱连通，所述顶部水槽供水胶管上设置有顶部水槽供水阀门。

水流及溶质供给系统可实现为包气带和含水层介质模拟水箱连续供水和间断供水，流量可根据装置左侧水槽水位或顶部水槽水位的变化进行人为或自动控制；从而模拟不同土壤和含水层介质的渗流规律及污染物迁移动力过程；

优选的，水槽为宽浅凹形矩形水槽，水槽底部布设有不同半径的小圆孔，水槽向含水层介质模拟水箱的右侧倾斜一定角度，模拟河水从左侧向右侧流动。

所述渗透集水排水系统可观测不同给水条件下通过包气带和含水层介质模拟箱体的水流渗漏量和溶质浓度；包括设置在包气带和含水层介质模拟水箱底部的渗漏隔板和设置在包气带和含水层介质模拟水箱右侧的右侧水槽；右侧水槽可通过排水阀门控制柱体内水位高度，以便控制不同给水条件下通过包气带和含水层介质模拟箱体的水流渗漏量和溶质浓度；

所述右侧水槽与所述包气带和含水层介质模拟水箱连通，在接触面上设置有右侧水槽水位控制隔板；水位控制隔板用于控制水槽的供水水位，右侧水位控制隔板的高度略低于左侧水位控制隔板，确保整个装置流向为由左至右

进一步的，所述包气带和含水层介质模拟水箱的箱体上均匀布置有若干个带阀门取样孔，取样孔呈一定角度倾斜嵌入箱体中，连接处上设置有过滤网，防止较细颗粒的介质堵塞取样口；取样孔用来便实验过程中测定土壤上水变化和溶质浓度变化。

进一步的，所述水流及溶质供给系统还包括设置在包气带和含水层介质模拟水箱7上方的喷淋模拟装置。喷淋模拟装置可模拟不同强度的降水；

进一步的，所述喷淋模拟装置包括第二集水箱、降水给水管，降水给水阀门，降水模拟移动支架和降水模拟喷头组成；所述降水模拟喷头通过降水给水管与所述第二集水箱联通，所述降水模拟喷头设置在所述降水模拟移动支架上。

进一步的，所述降水模拟移动支架包括两个平行设置的竖轴滑动槽和设置在两根竖轴滑动槽之间的滴头悬挂横杆，滴头悬挂横杆的两端设置有与竖轴滑动槽相配合的滴头悬挂横杆滑动轮，所述降水给水管分出若干个供水支管,供水支管的末端设置有可调节大小的滴头，所述可调节大小的滴头通过移动式滴头悬挂绳悬挂在所述滴头悬挂横杆上。移动支架由滑轮控制可前、后、左、右按照实验设计要求进行调节，该装置可模拟不同强度的降水。

进一步的，所述水槽向含水层介质模拟水箱的小布设置有底部集水排水槽，所述底部集水排水槽上设置有底部水槽排水阀门和底部水槽排水及取样孔。

第一集水箱可配置成纯净水、低矿化度水、高矿化度水、某种溶剂或污染物按照一定配合比配置的溶液。

不同密度镂空隔板用于防止包气带和含水层介质模拟箱体中的介质进入底部集水排水槽，同时便于收集通过介质渗透的水流和溶质。

左侧圆柱体水槽、顶部宽浅凹形矩形水槽、包气带和含水层介质模拟箱体和右侧圆柱体水槽、底部集水排水水槽均可采用透明PVC管材。

采用河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

S1：根据实验目的，向包气带和含水层介质模拟箱体中填充介质材料，每铺设一定高度，需按照介质性质进行压实处理；

S2：向第一集水箱内装入普通纯净水或含溶质或污染物的溶液；

S3：开启供水控制阀门，使水流通过重力作用，沿着供水胶管进入左侧水槽，同时根据实验任务，调节左侧水槽与包气带和含水层介质模拟箱体之间的水位控制隔板，确定整个装置的含水层水位；

S4，用量筒接取包取样口的水样，同时收集右侧水槽和底部集水排水槽的水样，进行体积和浓度检测，进行实验分析；

S5，在包气带和含水层介质模拟箱体的上方加装水槽，重复S1-S4，进行河流垂向入渗补给实验；

S6移除水槽，在包气带和含水层介质模拟箱体的上方加装喷淋模拟装置，重复S1-S4，进行降水入渗实验或侧向流动条件下降水扰动影响试验。

本实用新型所达到的有益效果是：采用本实用新型装置可实现河流对含水层侧向渗透模拟、降水及河流入渗垂向模拟补给、土壤介质溶质迁移与累积模拟等过程，亦可通过模拟绘制不同位置的水流场和溶质浓度场，还可通过水流运移或溶质迁移实验反算土壤或其他介质参数。本实用新型适用于水文地质学、土壤学、环境学等方面的科学研究和教学辅导。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为本实用新型中的河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置整体结构示意图；

图2为本实用新型研究河流污染质向包气带和含水层侧向迁移规律的实验示图；

图3为本实用新型研究河流污染质向包气带和含水层侧向垂向迁移规律的实验示意图；

图4为本实用新型研究降水扰动情况下河流污染质向包气带和含水层侧向迁移规律的实验示意图；

图5为本实用新型研究降水喷淋装置结构示意图。

其中：1-第一集水箱，2-供水胶管，3-供水控制阀门，4-左侧圆柱形水槽，5-左侧水槽水位控制隔板，6-标尺，7-包气带与介质模拟箱体，8-介质模拟箱取样孔，9-底部圆孔镂空渗漏隔板，10-底部集水排水槽，11-底部水槽排水阀门，12-底部水槽排水及取样孔，13-右侧圆柱形水槽，14-右侧水槽水位控制隔板，15-右侧水槽排水胶管，16-右侧水槽排水控制阀门，17-第二集水箱，18-降水给水管，19-降水给水阀门，20-降水模拟移动支架，21-降水模拟喷头，22-顶部宽浅凹形水槽，23-顶部水槽供水阀门，24-顶部水槽供水胶管，25-顶部宽浅凹形矩形水槽排水口，26-竖轴滑动槽，27-滴头悬挂横杆，28-滴头悬挂横杆滑动轮，29-供水支管，30-移动式滴头悬挂绳，31-可调节大小的滴头。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

一种河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，包括包气带和含水层介质模拟箱体7、水流及溶质供给系统、渗透集水排水系统和喷淋模拟装置以及其他相关配件；

包气带和含水层介质模拟水箱7内部充填有介质材料，箱体底部设置有为渗漏隔板9；可参考野外实验调查及土样测试结果，按类型和比例配置强渗透介质、弱渗透介质或不透水介质，箱体中土壤介质的铺设由下至上，可水平填充铺设，也可按照一定坡度进行填充，充填后适度压实以保障能仿真自然状态下的介质孔隙。

水流及溶质供给系统包括设置在包气带和含水层介质模拟水箱7左侧的左侧圆柱形水槽4，左侧圆柱形水槽4与包气带和含水层介质模拟水箱7连通，在接触面上设置有左侧水位控制隔板5；所述左侧圆柱形水槽7通过供水胶管2与第一集水箱连通，在供水胶管2上设置有供水控制阀门3；在含水层介质模拟水箱7正上方设置有顶部宽浅凹形矩形水槽，顶部宽浅凹形矩形水槽22通过顶部水槽供水胶管24与第一集水箱1连通，所述顶部水槽供水胶管24上设置有顶部水槽供水阀门23。

水流及溶质供给系统可实现为包气带和含水层介质模拟水箱连续供水和间断供水，流量可根据装置左侧水槽水位或顶部水槽水位的变化进行人为或自动控制；从而模拟不同土壤和含水层介质的渗流规律及污染物迁移动力过程；

顶部宽浅凹形矩形水槽22底部布设有不同半径的小圆孔，水槽向含水层介质模拟水箱7的右侧倾斜一定角度。

所述渗透集水排水系统可观测不同给水条件下通过包气带和含水层介质模拟箱体的水流渗漏量和溶质浓度；包括设置在包气带和含水层介质模拟水箱7底部的渗漏隔板9和设置在包气带和含水层介质模拟水箱7右侧的右侧圆柱形水槽13以及排水控制阀门、带阀门取样孔、底部垂向渗漏集水排水槽；右侧圆柱形水槽13可通过排水阀门控制柱体内水位高度，以便控制不同给水条件下通过包气带和含水层介质模拟箱体的水流渗漏量和溶质浓度；

右侧圆柱形水槽13与包气带和含水层介质模拟水箱7连通，在接触面上设置有右侧水槽水位控制隔板14；右侧水位控制隔板14的高度略低于左侧水位控制隔板5。

包气带和含水层介质模拟水箱7的箱体上均匀布置有若干个带阀门的取样孔8，取样孔8呈一定角度倾斜嵌入箱体中，连接处上设置有过滤网。

水流及溶质供给系统还包括设置在包气带和含水层介质模拟水箱7上方的喷淋模拟装置。喷淋模拟装置可模拟不同强度的降水；喷淋模拟装置包括第二集水箱17、降水给水管18，降水给水阀门19，降水模拟移动支架20和降水模拟喷头21组成；所述降水模拟喷头21通过降水给水管18与所述第二集水箱17联通，所述降水模拟喷头21设置在所述降水模拟移动支架20上。降水模拟移动支架20包括两个平行设置的竖轴滑动槽26，和设置在两根竖轴滑动槽26之间的滴头悬挂横杆27，滴头悬挂横杆27的两端设置有与竖轴滑动槽26相配合的滴头悬挂横杆滑动轮28，所述降水给水管18分出若干个供水支管29,供水支管29的末端设置有可调节大小的滴头31，所述可调节大小的滴头31通过移动式滴头悬挂绳30悬挂在所述滴头悬挂横杆27上。喷淋模拟装置可采用重力式供水，也可采用蠕动泵等附属设施提水供水。

水槽向含水层介质模拟水箱7的小布设置有底部集水排水槽10，所述底部集水排水槽10上设置有底部水槽排水阀门11和底部水槽排水及取样孔12。

一种河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

S1：根据实验目的，向包气带和含水层介质模拟箱体中填充介质材料，每铺设一定高度，需按照介质性质进行压实处理；

S2：向第一集水箱内装入普通纯净水或含溶质或污染物的溶液；

S3：开启供水控制阀门，使水流通过重力作用，沿着供水胶管进入左侧水槽，同时根据实验任务，调节左侧水槽与包气带和含水层介质模拟箱体之间的水位控制隔板，确定整个装置的含水层水位；

S4，用量筒接取包取样口的水样，同时收集右侧水槽和底部集水排水槽的水样，进行体积和浓度检测，进行实验分析；

S5，在包气带和含水层介质模拟箱体的上方加装水槽，重复S1-S4，进行河流垂向入渗补给实验；

S6移除水槽，在包气带和含水层介质模拟箱体的上方加装喷淋模拟装置，重复S1-S4，进行降水入渗实验或侧向流动条件下降水扰动影响试验。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，其特征在于，包括包气带和含水层介质模拟箱体、水流及溶质供给系统、渗透集水排水系统和喷淋模拟装置；

所述包气带和含水层介质模拟水箱内部充填有介质材料，箱体底部设置有为渗漏隔板；

所述水流及溶质供给系统包括设置在包气带和含水层介质模拟水箱左侧的左侧水槽，左侧水槽与所述包气带和含水层介质模拟水箱连通，在接触面上设置有左侧水位控制隔板；

所述渗透集水排水系统包括设置在包气带和含水层介质模拟水箱底部的渗漏隔板和设置在包气带和含水层介质模拟水箱右侧的右侧水槽；

所述右侧水槽与所述包气带和含水层介质模拟水箱连通，在接触面上设置有右侧水槽水位控制隔板；所述右侧水槽水位控制隔板的高度略低于左侧水位控制隔板。

2.如权利要求1所述的河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，其特征在于，所述左侧水槽通过供水胶管与第一集水箱连通，在供水胶管上设置有供水控制阀门。

3.如权利要求1所述的河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，其特征在于，所述包气带和含水层介质模拟水箱的箱体上均匀布置有若干个取样孔，取样孔呈一定角度倾斜嵌入箱体中，连接处上设置有过滤网。

4.如权利要求2所述的河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，其特征在于，所述水流及溶质供给系统还包括设置在包气带和含水层介质模拟水箱正上方的水槽，所述水槽通过顶部水槽供水胶管与第一集水箱连通，所述顶部水槽供水胶管上设置有顶部水槽供水阀门。

5.如权利要求4所述的河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，其特征在于，所述水槽为宽浅凹形矩形水槽，水槽底部布设有不同半径的小圆孔，水槽向含水层介质模拟水箱的右侧倾斜一定角度。

6.如权利要求1所述的河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，其特征在于，所述水流及溶质供给系统还包括设置在包气带和含水层介质模拟水箱7上方的喷淋模拟装置。

7.如权利要求6所述的河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，其特征在于，所述喷淋模拟装置包括第二集水箱、降水给水管，降水给水阀门，降水模拟移动支架和降水模拟喷头组成；所述降水模拟喷头通过降水给水管与所述第二集水箱联通，所述降水模拟喷头设置在所述降水模拟移动支架上。

8.如权利要求7所述的河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，其特征在于，所述降水模拟移动支架包括两个平行设置的竖轴滑动槽和设置在两根竖轴滑动槽之间的滴头悬挂横杆，滴头悬挂横杆的两端设置有与竖轴滑动槽相配合的滴头悬挂横杆滑动轮，所述降水给水管分出若干个供水支管,供水支管的末端设置有可调节大小的滴头，所述可调节大小的滴头通过移动式滴头悬挂绳悬挂在所述滴头悬挂横杆上。

9.如权利要求1所述的河谷平原带溶质累积与迁移模拟实验装置，其特征在于，所述水槽向含水层介质模拟水箱的小布设置有底部集水排水槽，所述底部集水排水槽上设置有底部水槽排水阀门和底部水槽排水及取样孔。