CN104713806A - 一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，包括水箱、沙箱以及供水装置。所述水箱包括承压层隔板，可灵活调控模型内部水力梯度，模拟不同承压层情形；所述沙箱包括支撑杆、前面板、后面板以及底板，可实时观测模型内部水力条件变化并取水样。应用本装置，可以更好地控制实验介质的物理特性，模拟多种情形复杂流态下污染物在地下水中的运移情况，提供高效观测途径，同时通过对模型的组装和拆卸，灵活调整模型功能，也可为模型提供外接升级设备，提高模型利用率，降低成本。

Description

一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置

技术领域

本发明涉及一种地下水水动力学模拟、污染物运移试验模拟装置，尤其是在复杂水文地质条件下，污染物在含水层介质中的运移试验。

技术背景

近年来，随着经济的迅猛发展，地下水体遭到一定程度的污染，水资源环境也受到严重的威胁。地下水运动的规律极其复杂，往往具有空间大尺度、时间长等系列的特征。在室内实验中，往往难以控制模型研究区的水文条件、边界条件、补给条件以及地层岩性。特别地，当研究区处于滨海区域时，含水层受海洋影响强烈，一方面滨海地区地下水受到海底地下水***与海水入侵的相互作用，潮汐波动与地下水有强烈的相互作用，咸淡水交换也将带来溶质性态改变和含水层介质渗透特性的改变；另一方面，海岸带水体物理化学和生物特性复杂，具有显著的边缘效应，其存在的地球化学反应体系使得该区域地下水污染物运移不再是一个单纯的水动力学问题。

室内的地下水渗流物理模型实验是国内外研究土壤和地下水中污染物迁移的重要手段，物理模型研究地下水中污染物迁移规律十分直观，特别地，它是揭示污染物在地下水***中迁移转化机理的良好途径。实验室规模的地下水运动模拟在国外已有广泛开展，但由于实验装置等因素的限制，国内的研究尚有不足。目前，实验室所用的地下水模型装置较为简单，基本为一维土柱或功能单一。具体为：

1、    一维土柱具有局限性。通常一维土柱是模拟在某一水力梯度下，水在土体中的渗透以及污染物的弥散，无法考虑水力梯度变化、渗透土体各向异性以及空间异质性；

2、    可控条件少。传统的室内的一维或二维模型一般不能灵活控制模型内部的水力梯度、污染物输入位置、观测取样位置等，这些参数往往在模型设计之时就已固定；

3、    模拟情形单一。模拟区域具有的一些水文地质特征是影响地下水运动的重要因素，如地形地势、河流湖泊、人为影响、地质断层、特殊地质构造等，传统模型无法兼顾；

4、   功能模块没有后续升级空间。随着研究的深入，模型功能和参数需要不断调整，然而现有模型一般没有考虑后续改进，重复利用率低。

发明内容

本发明为一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，克服了传统室内物理模型难以拆装，实验内容固定，模拟情形单一的缺点，该模型结构较简单，设计合理，***误差小，观测、取样方便且重复利用率高，后续改造、升级空间大，便于科研与教学使用。

本发明提出的一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，包括承压层隔板6、水箱5、沙箱2以及供水装置1，其中：所述沙箱2两侧为水箱5，所述供水装置1连接水箱进水口；

所述沙箱2由支撑杆3、前面板4、后面板8以及底板7组成；所述前面板4和后面板8底部通过底板7连接，上部通过支撑杆3连接，所述前面板4和后面板8的结构相同，其上均设有第一螺栓孔4-1、第二螺栓孔4-2、第一承压层隔板安装槽4-3、水头观测孔或取样孔4-4和第三螺栓孔4-5，所述水头观测孔均匀布置于前面板4和后面板8上；

所述水箱5上设有第二承压层隔板安装槽5-8，所述第一承压层隔板安装槽和第二上承压层隔板安装槽位于同一平面上，所述承压层隔板6水平布置，放置于第一承压层隔板安装槽4-3和第二上承压层隔板安装槽5-8内；所述承压层隔板6将水箱5分隔成上、下两部分，上部为非承压区5-7，下部为承压区5-9；所述水箱5内壁上设有第一透水石安装槽5-6，所述承压层隔板6上设有第二透水石安装槽6-1，所述第一透水石安装槽5-6和第二透水石安装槽6-1位于同一平面上；所述第二透水石安装槽6-1位于水箱5和沙箱2接合处。

本发明中，所述承压层隔板6与第一承压层隔板安装槽和第二上承压层隔板安装槽连接处通过止水橡胶密封。

本发明中，所述供水装置1包括依次连接的马氏瓶、水龙头以及橡胶软管。

本发明中，所述水箱5、前面板4、后面板8以及底板7均采用有机玻璃，厚度为10-20 mm。

本发明中，所述水箱5和沙箱2通过透水石分隔，透水石竖直***第一透水石安装槽5-6和第二透水石安装槽6-1内，第一透水石安装槽5-6和第二透水石安装槽6-1宽度为5-15 mm。

本发明中，所述第一承压层隔板安装槽距底板7上部100-500 mm处。

本发明中，所述水箱5具有水头控制孔5-1、供水孔5-2、承压层进水孔5-3、承压层排水孔5-4，所述水头控制孔5-1、供水孔5-2、承压层进水孔5-3和承压层排水孔5-4的孔径均为5-10 mm，以满足渗流过程中的连续补给和溢流。

本发明中，所述水头控制孔5-1与供水孔5-2位于承压层隔板6上部1-200 mm处，承压层进水孔5-3位于承压层隔板6下部1-100 mm处，承压层排水孔5-4位于底板7上部1-20 mm处，以满足渗流过程中的水头控制和溢流。

本发明中，所述水头观测孔或取样孔的孔直径5-15 mm，水头观测孔或取样孔的水平布置间距为50-300 mm，垂直布置间距为50-300 mm，垂直方向上的各孔在水平方向上相对错开5-15 mm，以合理安装测压管和取样器，实时观测模型内部水力条件变化并取水样。

本发明的有益效果在于：

1、    本发明采用组装式结构，易于拆装，易于装填、更换实验介质，便于人工控制实验介质的物理特性；

2、    可实现对复杂水文地质条件的模拟。通过承压层隔板的安装，可有效模拟具有承压层的情形；通过人工控制弱透水介质的渗透系数与分布情况，可以模拟承压层泄露、承压层-潜水层物质交换的情形；承压层隔板卸下后可模拟不具有承压层的情形；同时，可通过对面板上孔的改造模拟河流、澙湖等情形；

3、    在观测和取样上具有极大的灵活性和可操作性。沙箱前面板和后面板分别开设大量水头观测孔和取样孔，便于实时观测模型内部水力条件变化和实验水样进行观测和采集，可全面跟踪污染物在复杂水文地质条件下的迁移状况；同时水头观测孔或取样孔可改造为抽水井，可进行人工超采地下水、盐水入侵、盐水楔变化等情形的模拟；此外，实验结束后，通过对模型的拆解，可取各位置土样进行化验分析，更利于准确把握污染物扩散情况和在土壤中的吸附情况；

4、    能对边界条件进行精确的控制。水头控制孔、供水孔、承压层进水孔以及承压层排水孔的设置可以有效控制实验输入的水量和水头，同时控制另一侧水箱相应孔软管的溢流高度来精准控制模型内的水力梯度；

5、    改造空间巨大，具有良好的升级适配特性。如对于模型边界条件的设定，可外接水头控制装置，以实现对潮汐、季节性河流等复杂动水头条件的模拟；通过自动控制配件的加入，可进行长系列观测和取样；通过更换前后面板及底板，可调整模型长度，满足不同实验的需要。

附图说明

图1为本发明总体组成部分及结构示意图；

图2为本发明前面板（后面板）结构示意图；

图3为本发明水箱结构示意图；

图4为本发明底板结构示意图；

图中标号：1为供水装置，2为沙箱，3为支撑杆，4为前面板，5为水箱，6为承压层隔板，7为底板，8为后面板，4-1为第一螺栓孔，4-2为第二螺栓孔，4-3为第一承压层隔板安装槽，4-4为水头观测孔（取样孔），4-5为第三螺栓孔，5-1为水头控制孔，5-2为供水孔，5-3为承压层进水孔，5-4为承压层排水孔，5-5为第四螺栓孔，5-6为第一透水石安装槽，5-7为非承压区，5-8为第二承压层隔板安装槽，5-9为承压区，6-1为第二透水石安装槽，7-1为第五螺栓孔。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

如图所示，所述装置包括水箱5、沙箱2以及供水装置1，其中：水箱5包含承压层隔板6；沙箱2由支撑杆3、前面板4、后面板8以及底板7组成；水箱5、前面板4、后面板8以及底板7为模型四大部件，可组装、拆卸，通过螺栓紧固，接触面具有止水橡胶，同时螺栓穿过支撑杆3对沙箱上部进行支撑；承压层隔板6四周具有止水橡胶，与承压层隔板安装缝紧密接触；供水装置1包含马氏瓶、水龙头以及橡胶软管。

水箱5、前面板4、后面板8以及底板7四大部件采用的有机玻璃厚度为10-20 mm，模型组装后内部高度500-1000 mm，内部长度800-2000 mm，内部宽度80-200 mm，以降低模型有限空间带来的边界条件影响，控制空间尺度效应；该四大部件的第二螺栓孔4-2、第三螺栓孔4-5、第四螺栓孔5-5以及第五螺栓孔7-1的开孔直径为3-8 mm，适配相应直径的螺栓，以承受模型填充介质后以及实验过程中产生的高压。

水箱5具有第一透水石安装槽5-6，承压层隔板6具有第一透水石安装槽5-6，第一透水石安装槽5-6和第一透水石安装槽5-6位于水箱和沙箱接合处，第一透水石安装槽和第二透水石安装槽宽度为5-15 mm，以竖直***透水石，阻隔沙箱中的试验砂土和水箱中的水体，同时保持良好的水力传导性能。

水箱5和沙箱2分别具有第二承压层隔板安装槽5-8和第一承压层隔板安装槽4-3，第二承压层隔板安装槽5-8、第一承压层隔板安装槽4-3位置在底板7上部100-500 mm处，将水箱5分隔为非承压区5-7和承压区5-9，实验中在承压层隔板6同一平面内填充可人工控制渗透系数的弱透水介质，以达到不同承压层情形的模拟。

水箱5具有水头控制孔5-1、供水孔5-2、承压层进水孔5-3、承压层排水孔5-4，孔径为5-10 mm，以满足渗流过程中的连续补给和溢流；水头控制孔5-1与供水孔5-2位于承压层隔板6上部1-200 mm处，承压层进水孔5-3位于承压层隔板6下部1-100 mm处，承压层排水孔5-4位于底板7上部1-20 mm处，以满足渗流过程中的水头控制和溢流。

沙箱2中，前面板4与后面板8分别具有水头观测孔4-4、取样孔8-4，孔直径5-15 mm，水平布置间距50-300 mm，垂直布置间距50-300 mm，垂直方向上的各孔在水平方向上相对错开5-15 mm，以合理安装测压管和取样器，实时观测模型内部水力条件变化并取水样。

将上述装置用于含承压层的稳态流溶质迁移实验。

1、    备土：筛分砂土并对实验用土进行参数计算，包括不均匀系数、曲率系数、比重、孔隙度、干密度、渗透系数，根据模拟地层情况，制备不同渗透系数的土体。

2、    填土：根据图1组装模型，将模型倾斜放置，取下前面板，依实验方案将实验土体自下而上填入沙箱中，填至承压层隔板6时，依实验方案将弱透水土体填入沙箱，注意弱透水土体需与承压层隔板6紧密接合，防止承压水在接合处向潜水层发生泄漏，继续依实验方案填充土体至合理高度，盖上前面板，拧紧模型各处螺栓，保证模型密封良好，轻轻震动模型，使填充均匀。

3、    饱水：用4根软管连接水头控制孔5-1，供水孔5-2，承压层进水孔5-3，承压层排水孔5-4。将水头控制孔5-1软管出口抬升至填土面以上1-100 mm；将供水孔5-2软管连接水龙头供水；将承压层进水孔5-3软管出口抬升至承压层隔板6以上1-100 mm；将承压层排水孔5-4软管连接水龙头供水；另一侧水箱各孔连接软管出口一并抬升至填土面以上1-100 mm，根据填土的渗透性保持渗流2-24h，对调两侧水箱软管的连接方式，再次保持渗流2-24h。

4、    模拟稳态流：饱水结束后，将水头控制孔5-1软管出口置于填土面以下10-300 mm处，即潜水面；供水孔5-2软管连接水龙头继续保持供水，供水速率以水头控制孔5-1软管能稳定溢流为准；依实验方案将承压层进水孔5-3软管连接正确安装的马氏瓶，调整马氏瓶高度，开始有压供水；将承压层排水孔5-4软管密封；根据水静力学原理将另一侧水箱各孔软管口抬升至相应高度或密封，以控制模型内水力梯度。观察前面板4上各水头观测孔4-4，待各测压管水位稳定后，判定渗流已达到稳定。

5、    污染物输入：依实验方案配置一定浓度的氯化铬溶液，通过蠕动泵送入填土面1-100 mm以下，位于包气带或者潜水层中，蠕动泵流速1-100mL/min。

6、    采样：依实验方案在不同时刻、不同位置进行采样，根据填土的渗透性保持采样1-72h，实验结束，将模型倾斜，打开面板，取各位置土样。

7、    根据配置氯化铬溶液浓度使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）或电感耦合等离子发射体质谱仪（ICP-MS）检测样品Cr浓度，绘制穿透曲线进行分析，估算弥散系数、阻滞因子以及沉淀强度系数等参数，同时确定重金属污染物扩散情况和在土壤中的吸附情况。

Claims (9)

1.一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，包括承压层隔板(6)、水箱(5)、沙箱(2)以及供水装置(1)，其特征在于：所述沙箱(2)两侧为水箱(5)，所述供水装置1连接水箱进水口；所述沙箱(2)由支撑杆(3)、前面板(4)、后面板(8)以及底板(7)组成；所述前面板(4)和后面板(8)底部通过底板(7)连接，上部通过支撑杆(3)连接，所述前面板(4)和后面板(8)的结构相同，其上均设有第一螺栓孔(4-1)、第二螺栓孔(4-2)、第一承压层隔板安装槽(4-3)、水头观测孔或取样孔(4-4)和第三螺栓孔(4-5)，所述水头观测孔均匀布置于前面板(4)和后面板(8)上；所述水箱(5)上设有第二承压层隔板安装槽(5-8)，所述第一承压层隔板安装槽和第二上承压层隔板安装槽位于同一平面上，所述承压层隔板(6)水平布置，放置于第一承压层隔板安装槽和第二上承压层隔板安装槽内；所述承压层隔板(6)将水箱(5)分隔成上、下两部分，上部为非承压区(5-7)，下部为承压区(5-9)；所述水箱(5)内壁上设有第一透水石安装槽(5-6)，所述承压层隔板(6)上设有第二透水石安装槽(6-1)，所述第一透水石安装槽(5-6)和第二透水石安装槽(6-1)位于同一平面上；所述第二透水石安装槽(6-1)位于水箱(5)和沙箱(2)接合处。

2.根据权利要求1所述的一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，其特征在于所述承压层隔板(6)与第一承压层隔板安装槽(4-3)和第二上承压层隔板安装槽(5-8)连接处通过止水橡胶密封。

3.根据权利要求1所述的一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，其特征在于所述供水装置(1)包括依次连接的马氏瓶、水龙头以及橡胶软管。

4.根据权利要求1所述的一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，其特征在于所述水箱(5)、前面板(4)、后面板(8)以及底板(7)均采用有机玻璃，厚度为10-20 mm。

5.根据权利要求1所述的一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，其特征在于所述水箱(5)和沙箱(2)通过透水石分隔，透水石竖直***第一透水石安装槽(5-6)和第二透水石安装槽(6-1)内，第一透水石安装槽(5-6)和第二透水石安装槽(6-1)宽度为5-15 mm。

6.根据权利要求1所述的一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，其特征在于所述第一承压层隔板安装槽距底板(7)上部100-500 mm。

7.根据权利要求1所述的一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，其特征在于所述水箱(5)具有水头控制孔(5-1)、供水孔(5-2)、承压层进水孔(5-3)、承压层排水孔(5-4)，所述水头控制孔(5-1)、供水孔(5-2)、承压层进水孔(5-3)和承压层排水孔(5-4)的孔径均为5-10 mm，以满足渗流过程中的连续补给和溢流。

8.根据权利要求7所述的一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，其特征在于，所述水头控制孔(5-1)与供水孔(5-2)位于承压层隔板(6)上部1-200 mm处，承压层进水孔(5-3)位于承压层隔板(6)下部1-100 mm处，承压层排水孔(5-4)位于底板(7)上部1-20 mm处，以满足渗流过程中的水头控制和溢流。

9.根据权利要求1所述的一种平板式二维地下水水动力及水质模型装置，其特征在于所述水头观测孔或取样孔的孔直径5-15 mm，水头观测孔或取样孔的水平布置间距为50-300 mm，垂直布置间距为50-300 mm，垂直方向上的各孔在水平方向上相对错开5-15 mm，以合理安装测压管和取样器，实时观测模型内部水力条件变化并取水样。