CN215677981U - 一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种模拟岩溶管道‑裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，包括机架、管道裂隙装配系统和供水示踪剂注入系统，管道裂隙装配系统用于模拟管道和裂隙两种岩溶含水介质；供水示踪剂注入系统包括供水水箱，来模拟岩溶洼地汇水区，供水水箱底部连接竖直管道，用于模拟落水洞，竖直管道连接示踪剂注入装置，用于示踪剂注入。该试验装置整体上用于模拟非稳定流条件下岩溶管道‑裂隙介质间的溶质暂态存储过程。本实用新型的有益效果是：用于实现暂态存储机制下水力传输和溶质运移的定量研究，可为南方岩溶地下水的污染防控和水资源合理开发利用提供科学依据，对丰富岩溶地下水溶质运移理论研究具有重要意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及水文地质学及地下水科学研究技术领域，尤其涉及一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置。
背景技术
我国南方岩溶含水层通常由孔隙、裂隙、管道等多重介质组成，水力传输和溶质运移过程十分复杂，而地下水流和溶质运移过程主要受裂隙和管道的控制。溶质的暂态存储过程是南方岩溶水系统中一种十分普遍的溶质运移现象，在强降雨条件下，随着次降雨在落水洞产生的集中补给，径流补给速度加快，使得岩溶管道内的水位迅速上升，水头差驱使管道内的水流及其携带的溶质进入到与管道连通的裂隙中；待降雨结束后，管道水位快速衰退，管道成为周围裂隙的排水通道，之前进入裂隙中的溶质则随水流以较低的流速缓慢释放并再次进入管道中。随着补给条件的变化，管道与裂隙介质间的水力梯度发生转变，管道内的部分水流与溶质经历了一个存储到再释放的过程，如此便增加了水流和溶质在岩溶水系统中的滞留时间，影响着水流传输及溶质的迁移过程。然而准确刻画与模拟出管道与裂隙介质中水流及溶质运移过程一直极具挑战，也是一个亟待解决的科学问题。
针对岩溶含水层中的水流和溶质运移过程，前人通过室内试验揭示了地下水流动过程的影响因素和机理、管道-裂隙介质间的水力交换过程以及稳定流条件下溶潭、双管道结构和裂隙宽度等对溶质暂态存储的影响。但目前还没有针对上述提出的强降雨条件下岩溶洼地汇水灌入式补给落水洞，使岩溶管道快速充水后又补给周围裂隙的情景所引发的溶质暂态存储过程的研究，且由于野外场地尺度的研究较为复杂，研发相应的物理模型刻画集中补给条件下岩溶水系统中管道-裂隙介质间的溶质暂态存储过程很有必要，实现对不同水动力条件影响下暂态存储过程中管道-裂隙间水量和溶质运移的定量分析，为南方岩溶地下水的污染防控和水资源合理开发利用提供科学依据，对丰富岩溶地下水溶质运移理论研究具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型提供了一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，用于模拟非稳定流条件下岩溶管道-裂隙介质间的溶质暂态存储过程。
一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，包括：机架、供水示踪剂注入系统、管道裂隙装配系统和数据监测及采集系统；
所述的机架设置在整个试验装置下方，用以支撑整个试验装置并保持该试验装置稳定；
供水示踪剂注入系统包括供水水箱和示踪剂注入装置，供水水箱底部开孔连接管道一，该管道一连接示踪剂注入装置；
管道裂隙装配系统包括砂箱、管道二和测压孔，所述测压孔位于砂箱(2)上，该砂箱位于机架上方，砂箱底部铺设管道二，该管道二与管道一通过转接头一连通；管道二穿出砂箱靠近转接头一一侧安装有流量采集器和阀门二；
数据监测及采集系统包括水压自动监测仪、电导率自动监测仪、压力监测设备和流量采集器，水压自动监测仪位于供水水箱内，所述管道二穿出砂箱远离转接头一一侧为管道总出口，电导率自动监测仪位于所述管道总出口处；
压力监测设备连接于测压孔上，水压自动监测仪和电导率自动监测仪通过连接采集器将数据上传至移动终端。
进一步地，所述供水水箱底部的开孔与管道一之间连接有阀门一，用于控制补给流量的大小，和/或，所述供水水箱为敞口装置，和/或，管道一为竖直管道。
进一步地，所述示踪剂注入装置为一带有刻度的注射器，和/或，所述管道一通过软管与示踪剂注入装置连接，该软管上设有阀门三，用于控制示踪剂的注入速率。
进一步地，所述机架下安装有若干滑轮，便于该试验装置调整位置。
进一步地，所述砂箱为亚克力玻璃板制成的敞口长方体砂箱，砂箱内部可填充不同介质以模拟不同发育程度的裂隙，和/或，砂箱背面均匀布设四排测压孔。
进一步地，所述砂箱底部铺设的管道二为可拆卸管道，以实现不同管径大小的管道更换，管道二与砂箱壁接触处设有法轮盘来固定不同管径管道，和/或，管道二直径的二分之一高度以上开有一系列通孔，各通孔均匀分布。
进一步地，所述管道总出口为所述砂箱底部管道出水口处，管道总出口处设置有阀门四和阀门五，用以控制流量大小，管道二和阀门五所在的管道之间通过转接头二连接，电导率自动监测仪位于所述转接头二与阀门五之间的管道内，所述管道总出口下方设有排水容器。
进一步地，所述压力监测设备为测压板，该测压板包括刻度板、测压管、立柱、卡座板和底座，和/或，所述刻度板竖直布置，且刻度板上具有若干水平的刻度线，在刻度板两侧固定连接立柱，立柱与底座连接从而保持测压板稳定，在刻度板的外壁上通过上下对称的两排卡座板连接有若干根测压管，测压管为中空管状透明结构，测压管的顶端有敞口，测压管的底端通过软管连接与机架上。
进一步地，所述流量采集器为一电磁流量计，该电磁流量计型号为YH-LDE-40。
进一步地，所述水压自动监测仪和电导率自动监测仪均为LTC F30/M10型Solinst。
本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：可用于研究暂态存储机制对水量传输和溶质运移的影响，通过实施不同集中补给量下的非稳定流定量示踪实验，探讨水动力条件影响下的管道-裂隙介质间水量和溶质的暂态存储机制，实现暂态存储机制下水力传输和溶质运移的定量研究，可为南方岩溶地下水的污染防控和水资源合理开发利用提供科学依据，对丰富岩溶地下水溶质运移理论研究具有重要意义。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1是本实用新型实施例中一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置的结构图。
图2是本实用新型实施例中管道裂隙装配系统俯视结构图。
图3是本实用新型实施例中模型砂箱底部管道结构图。
图4是本实用新型实施例中法轮盘结构图。
图5是本实用新型实施例中测压板结构图及俯视图。
附图中，1-供水水箱，2-砂箱，3-示踪剂注入装置，4-竖直管道，5-水平管道，6-测压孔，7-软管，8-测压板，9-阀门一，10-阀门二，11-阀门四，12-阀门五，13-流量采集器，14-法轮盘，15-通孔，161-水压自动监测仪，162-电导率自动监测仪，17-阀门三，18-机架，19-滑轮，20-螺丝，21-刻度板，22-测压管，23-立柱，24-卡座板，25-底座，261-转接头一，262-转接头二，27-排水容器，28-采集器，29-电脑。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
本实用新型的实施例提供了一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置。
参阅图1～图5所示，本实用新型一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置包括机架、供水示踪剂注入系统、管道裂隙装配系统以及数据监测及采集系统；
机架18位于整个试验装置下部，用以支撑整套试验装置，机架下装有滑轮19；
供水示踪剂注入系统包括供水水箱1，该供水水箱1的规格为长360mm×宽360mm×高450mm，用以模拟岩溶洼地汇水区，供水水箱1底部开孔连接管道一，该管道一为竖直管道4，用以模拟落水洞，竖直管道4上设有阀门9和阀门10，用于调节集中补给流量大小，竖直管道4侧壁开孔通过软管连接示踪剂注入装置3，该示踪剂注入装置3为一小型注射器装置，软管上设有阀门17，用以调控示踪剂注入速率；
管道裂隙装配系统包括长方体的砂箱2和砂箱底部水平铺设的管道二，该砂箱2为亚克力材料制成的透明且顶部开放的砂箱，其规格为长1000mm×宽150mm×高500mm，砂箱2内填充砖块或等粒径石英砂粒用以模拟裂隙介质，砂箱2底部铺设管道二，该管道二为水平管道5，用以模拟岩溶管道，该水平管道5与供水水箱1下部的竖直管道4由转接头一261连通，水平管道5为可拆卸的管道，可以通过调节管径大小，来模拟不同尺度的管道裂隙系统；该水平管道5与砂箱壁接触处设有法轮盘14来固定水平管道5，法轮盘14由一系列螺丝20固定在砂箱2壁两侧，管道直径的二分之一高度以上开有一系列小的通孔15，该通孔15均匀分布，通孔15的直径3mm、孔间距为9mm，使得水流及溶质能够进入裂隙介质中，同时管道5出口处设有阀门11和阀门12，用以调节流量大小，水平管道5和与阀门五12所在的管道之间通过转接头二262连接，出口下方设有排水容器27；转接头一261和转接头二262均为90°转接头，竖直管道4和水平管道5均为圆型。
数据监测及采集系统包括压力监测设备、流量采集器13、水压自动监测仪161、电导率自动监测仪162、采集器28和电脑29，可实时获取水位、流量及电导率数据。供水水箱1内放置有水压自动监测仪161，水平管道5出口处放置有电导率自动监测仪162，水压自动监测仪161和电导率自动监测仪162通过采集器28将所收集数据传输到电脑29，所述水压自动监测仪161和电导率自动监测仪162均为LTC F30/M10型Solinst；压力监测设备为测压板8，通过软管7与砂箱2背面均匀布设的测压孔6连接，可观察砂箱中的水位变化情况，测压板8包括刻度板21、测压管22、立柱23、卡座板24和底座25，刻度板21竖直布置，在刻度板21两侧固定连接立柱23，立柱23与底座25连接从而保持测压板8稳定，在刻度板21的外壁上通过上下对称的两排卡座板24连接有若干根测压管22，测压管22的底端与软管7连接，测压管22为中空管状透明结构，测压管22的顶端有敞口，刻度板21上有若干水平的刻度线；流量采集器13为一电磁流量计，该电磁流量计型号为YH-LDE-40，流量采集器13放置在水平管道5与供水水箱下部竖直管道4连通处，即管道裂隙装配系统进水口处，通过该电磁流量计可实时获取输入管道裂隙装配系统中的流量大小。
岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储实验模拟步骤：
赋予供水水箱1初始水量，调节并固定进出口阀门一9和阀门五12的大小，将阀门二10、阀门四11、阀门三17完全开启，通过示踪剂注入装置瞬时注入一定浓度示踪剂(实验采用NaCl溶液)，示踪剂注入完毕后将阀门三17关闭，在集中补给条件下水流和溶质沿着竖直管道4进入由法轮盘14固定的砂箱2底部水平管道5内，在水头差的驱使下，水平管道5中的一部分来不及从管道出口流出的水流和溶质通过管壁上的通孔15进入砂箱2裂隙介质中。在供水水箱1中放置水压自动监测仪161实时监测供水水箱水位变化，当供水水箱1中的水量随示踪历时自然减小至一定量时，水力梯度和溶质浓度便发生反转，之前进入砂箱2裂隙中的水流和溶质得以释放并再次进入水平管道5中，从水平管道5出口流出。在管道总出口处放置有电导率自动监测仪162来全程监测示踪浓度，示踪浓度根据每5秒自动读取的电导率间接测量获得，将测得的电导率通过校正曲线转换为NaCl溶液浓度，校正曲线通过采用自来水配置不同浓度的NaCl溶液并测量相应的电导率获得。
设计多组岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储实验(如表1所示)，通过改变供水装置中的水量大小，重复上述实验步骤即可得到不同水动力条件的溶质运移穿透曲线；通过改变砂箱2底部水平管道5的管径，管径分别设置为30mm、50mm、80mm，重复上述实验步骤即可得到不同管径影响下的溶质运移穿透曲线；通过改变砂箱2的裂隙大小，该裂隙大小为砖块缝隙或等粒径石英砂粒孔隙的大小，通过重复上述实验步骤即可得到不同裂隙大小影响下的溶质运移穿透曲线。
表1岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储实验方案
本实用新型的有益效果是：可用于研究暂态存储机制对水量传输和溶质运移的影响，通过实施不同集中补给量下的非稳定流定量示踪实验，探讨水动力条件影响下的管道-裂隙介质间水量和溶质的暂态存储机制，实现暂态存储机制下水力传输和溶质运移的定量研究，可为南方岩溶地下水的污染防控和水资源合理开发利用提供科学依据，对丰富岩溶地下水溶质运移理论研究具有重要意义。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，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 (10)
1.一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，其特征在于：包括：机架(18)、供水示踪剂注入系统、管道裂隙装配系统和数据监测及采集系统；
机架(18)设置在整个试验装置下方，用以支撑整个试验装置并保持该试验装置稳定；
供水示踪剂注入系统包括供水水箱(1)和示踪剂注入装置(3)，供水水箱(1)底部开孔连接管道一，该管道一连接示踪剂注入装置(3)；
管道裂隙装配系统包括砂箱(2)、管道二和测压孔(6)，所述测压孔位于砂箱(2)上，该砂箱(2)位于机架(18)上方，砂箱(2)底部铺设管道二，该管道二与管道一通过转接头一(261)连通；管道二穿出砂箱(2)靠近转接头一(261)一侧安装有流量采集器(13)和阀门二(10)；
数据监测及采集系统包括水压自动监测仪(161)、电导率自动监测仪(162)、压力监测设备和流量采集器(13)，水压自动监测仪(161)位于供水水箱(1)内，所述管道二穿出砂箱(2)远离转接头一(261)一侧为管道总出口，电导率自动监测仪(162)位于所述管道总出口处；
压力监测设备连接于测压孔(6)上，水压自动监测仪(161)和电导率自动监测仪(162)通过连接采集器(28)将数据上传至移动终端。
2.如权利要求1所述的一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，其特征在于：所述供水水箱(1)底部的开孔与管道一(4)之间连接有阀门一(9)，用于控制补给流量的大小，和/或，所述供水水箱(1)为敞口装置，和/或，管道一为竖直管道。
3.如权利要求1所述的一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，其特征在于：所述示踪剂注入装置(3)为一带有刻度的注射器，和/或，所述管道一通过软管与示踪剂注入装置(3)连接，该软管上设有阀门三(17)，用于控制示踪剂的注入速率。
4.如权利要求1所述的一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，其特征在于：所述机架(18)下安装有若干滑轮(19)，便于该试验装置调整位置。
5.如权利要求1所述的一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，其特征在于：所述砂箱(2)为亚克力玻璃板制成的敞口长方体砂箱，砂箱内部可填充不同介质以模拟不同发育程度的裂隙，和/或，砂箱(2)背面均匀布设四排测压孔(6)。
6.如权利要求1所述的一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，其特征在于：所述砂箱(2)底部铺设的管道二为可拆卸管道，以实现不同管径大小的管道更换，管道二与砂箱(2)壁接触处设有法轮盘(14)来固定不同管径管道，和/或，管道二直径的二分之一高度以上开有一系列通孔(15)，各通孔(15)均匀分布。
7.如权利要求1所述的一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，其特征在于：所述管道总出口为所述砂箱(2)底部管道出水口处，管道总出口处设置有阀门四(11)和阀门五(12)，用以控制流量大小，管道二和阀门五(12)所在的管道之间通过转接头二(262)连接，电导率自动监测仪(162)位于所述转接头二(262)与阀门五(12)之间的管道内，所述管道总出口下方设有排水容器(27)。
8.如权利要求1所述的一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，其特征在于：所述压力监测设备为测压板(8)，该测压板(8)包括刻度板(21)、测压管(22)、立柱(23)、卡座板(24)和底座(25)，和/或，所述刻度板(21)竖直布置，且刻度板(21)上具有若干水平的刻度线，在刻度板(21)两侧固定连接立柱(23)，立柱(23)与底座(25)连接从而保持测压板(8)稳定，在刻度板(21)的外壁上通过上下对称的两排卡座板(24)连接有若干根测压管(22)，测压管(22)为中空管状透明结构，测压管(22)的顶端有敞口，测压管(22)的底端通过软管(7)连接于测压孔(6)上。
9.如权利要求1所述的一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，其特征在于：所述流量采集器(13)为一电磁流量计，该电磁流量计型号为YH-LDE-40。
10.如权利要求1所述的一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质暂态存储的试验装置，其特征在于：所述水压自动监测仪(161)和电导率自动监测仪(162)均为LTC F30/M10型Solinst。
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| GR01 | Patent grant | ||
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