CN105509813A - 一种热传导型地热田开发与保护模拟装置及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种热传导型地热田开发与保护模拟装置，包括供水装置、水头控制装置、渗流装置和流体加热部。所述供水装置包括第一供水瓶和第二供水瓶。所述渗流装置包括模拟潜水***的第一渗流柱和模拟承压水的第二渗流柱，所述第一渗流柱和第二渗流柱的底部通过管道连通，且所述渗流部的下部设置有流体加热部。所述第一渗流柱和第二渗流柱内分别填充有介质。所述第二渗流柱的上端设置有出水口；且所述的出水口上设置有测压管。所述第一渗流柱的上部设置有溢流口，且所述溢流口通过管道与溢流瓶连通。本发明通过模拟人工开发利用地热资源诱发的温度场、水化学场的变化，研究分析地热开采对地热田水质和水温的影响，从而指导地热田的合理开发利用。
Description
技术领域
本发明涉及模拟装置及模拟方法，具体地说是一种研究热传导型地热田的开发与保护的模拟装置及模拟方法。
背景技术
地热资源为地球内部的可再生热能，全球地热能的储量与资源潜量十分巨大，每年从地球内部传到地面的热能相当100PW·h(1PW＝1015W)，地热能是储存在地下的可再生无害的绿色能源，目前地热能在全球很多地区的应用相当广泛，其社会、经济和环境效益均很显著。尤其是21世纪以来，地热在发电、采暖、温室、养殖、医疗、旅游、提取化工原料以及瓶装矿泉水等方面已获得广泛利用。
随着地热资源利用领域的拓宽和社会需求的增加，人们对地热的开采也是不断的增加，但是人们对地热资源的自然属性和社会属性认识尚不足。地热资源并非取之不竭，这是因为地热资源是在特定的地质、构造、水文地质条件和水文地球化学环境条件下形成的，且埋藏深，补给途径远，再生能力弱，其资源量是有限的。因此大部分地热田在开发利用之后，随之出现了资源枯竭、水温下降等问题。该发明可以模拟地温场的演化，为地热田保护提供技术支撑。
发明内容
为了研究人工开发利用地热资源诱发的温度场的变化，为地热资源的可持续利用提供科学依据，本发明提供一种热传导型地热田开发与保护模拟装置及模拟方法，通过实验监测承压地热水水质、水位、水温变化，研究地下水回灌引起承压地热水水质、水温变化，该装置取得的实验数据可以揭示地热田内部***发生的水文地球化学作用，并通过实测数据进而分析研究人工回灌对地热田水动力场和水化学场所产生的影响，指导地热田的合理开发利用。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种热传导型地热田开发与保护模拟装置，包括供水部、水头控制部、渗流部和流体加热部；
所述供水部包括第一供水瓶和第二供水瓶，且所述第一供水瓶和第二供水瓶的下部均设置有出水管；
盛放在所述第一供水瓶内的供试液为雨水，盛放在所述第二供水瓶内的供试液为岩溶水；
所述渗流部包括第一渗流柱和第二渗流柱，所述第一渗流柱上端开口下端封闭，所述第二渗流柱的上下两端均封闭，且所述第一渗流柱和第二渗流柱的底部通过管道连通；
所述第一渗流柱的水平高度高于第二渗流柱；
所述第一渗流柱内自上而下依次为砂质粉土层和石灰岩层，所述第二渗流柱内填充的渗流介质为石灰岩；
所述第一供水瓶的出水管与第一渗流柱的上端开口连通，并设有阀门；
所述第二供水瓶的出水管与设置于第一渗流柱的上部的岩溶水入口连通，并设有阀门；
所述的第一渗流柱的侧壁上自上而下依次设置有第一取水口、第二取水口和第三取水口；
所述第二渗流柱的侧壁上自下而上依次设置有第四取水口、第五取水口和出水口；
所述第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口、第五取水口和出水口上均分别设置有阀门和测压管，其中所述第四取水口、第五取水口和出水口上还分别设置有第四流量计、第五流量计和第六流量计；
所述流体加热部包括设置于所述第一渗流柱和第二渗流柱的底部的连通管道以及第二渗流柱的下部的加热丝，所述的设置于第二渗流柱下部的加热丝的外部包覆有保温层；
所述水头控制部包括溢流口，以及设置于第一供水瓶出水管上的阀门；
所述溢流口设置于第一渗流柱的顶端，且所述溢流口通过管道与溢流瓶连通；
所述第一供水瓶的出水管上设置有第一流量计，所述第二供水瓶的出水管上设置有第二流量计，所述的连接溢流口的管道上设置有第三流量计。
根据本发明的一个具体实施方式，所述的第一渗流柱的高度均为1500mm，直径为300mm，所述第二渗流柱的高度为1500mm，直径为300mm；
所述第一渗流柱轴线和第二渗流柱轴线之间的水平距离为1300mm；
所述岩溶水入口与第一渗流柱的管口之间的距离为300mm；
所述第一取水口与岩溶水入口之间的距离为200mm；
所述第一取水口与第二取水口之间的距离为400mm；
所述第二取水口与第三取水口之间的距离为400mm；
所述出水口与第二渗流柱的管口之间的距离为50mm-100mm；
所述出水口与第五取水口之间的距离为400mm；
所述第五取水口与第四取水口之间的距离为400mm；
所述砂质粉土层的厚度为50mm；
所述第二渗流柱下部的加热丝缠绕高度为200mm；
所述连通第一渗流柱底部和第二渗流柱底部的管道直径为10mm。
根据本发明的另一个具体实施方式，所述第一渗流柱内的水位比第二渗流柱内的水位高50mm。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述第一渗流柱和第二渗流柱为透明的有机玻璃材质。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述测压管采用医用软管制作而成。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述加热丝采用硅胶碳纤维发热线，所述保温层采用石棉材料制作而成。
一种热传导型地热田开发与保护模拟方法，包括以下步骤，
第一步，制备供试水样和渗流介质，具体操作如下：
a1、将砂质粉土和石灰岩分别烘干，然后分别将砂质粉土和石灰岩敲击破碎至粒径<0.2cm，然后分别对其称重，然后将烘干后的石灰岩和砂质粉土先后依次装填到第一渗流柱内，将石灰岩填装到第二渗流柱内；
a2、将雨水和岩溶水分别用0.45um微孔滤膜过滤除杂。
第二步，组装实验装置，并测定渗流柱的内径。
第三步，打开第二供水瓶的阀门，使供水部持续向第一渗流柱内供水，直至第一渗流柱和第二渗流柱均达到饱和状态。
第四步，调整加热丝的工作电压，使测温口测得的温度为30℃。
第五步，打开第一供水瓶和第二供水瓶的阀门，调整雨水与岩溶水的供水比例，具体操作如下：
b1、读取第一流量计的读数记为A1，第二流量计的读数记为A2，第三流量计的读数记为A3，且第三流量计的读数A3不能为零；
b2、分别调整第一供水瓶出水管和第二供水瓶出水管上的阀门，使(A1-A3)/A2＝3/5。
第六步，关闭所有取水口的阀门，使流经渗流柱的供试液只能从第二渗流柱上端的出水口流出，待该出水口流量稳定后根据需要对供试液进行取样和检测，具体操作如下：
c1、保持所有取水口的阀门为关闭的状态，每隔4小时通过窄口瓶上的刻度读取渗出水的体积和水头，并测定渗出水的电导率、温度、PH值，测定硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c2、按照雨水与岩溶水比例为3/5的比例配制供试水样，并测定供试水样的硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，并记录；
c3、依次打开第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口和第五取水口的阀门，并依次记录各个取水口的水头后对其进行采样，记为水样Ⅰ，水样Ⅱ，水样Ⅲ，水样Ⅳ和水样Ⅴ，记录取样时间；
c4、分别测定c3中所取水样的电导率、温度、PH值，测定硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c5、调整雨水与岩溶水比例为1/2，然后重复c1-c4的操作；
c6、调整雨水与岩溶水比例为2/5，然后重复c1-c4的操作；
c7、调整雨水与岩溶水比例为3/10，然后重复c1-c4的操作；
c8、打开第三取水口，通过带刻度的窄口瓶收集渗出的供试液，且每隔4小时记录一次渗出体积；
c9、打开第四取水口的阀门，并保持第四取水口的阀门为常开状态，其余取水口以及出水口为关闭状态，设定第四取水口的流量分别为Q1、Q2和Q3，并测定第四取水口流量分别为Q1、Q2和Q3时，各个取水口以及出水口的水头、电导率、温度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c10、打开第五取水口的阀门，并保持第五取水口的阀门为常开状态，其余取水口以及出水口为关闭状态，设定第五取水口的流量分别为Q1、Q2和Q3，并测定第五取水口流量分别为Q1、Q2和Q3时，各个取水口以及出水口的水头、电导率、温度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c11、打开出水口的阀门，并保持出水口的阀门为常开状态，各个取水口为关闭状态，设定出水口的流量分别为Q1、Q2和Q3，并测定出水口流量分别为Q1、Q2和Q3时，各个取水口以及出水口的水头、电导率、温度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c12、为了模拟更深的开采深度，调整加热丝的工作电压，使测温口测得的温度为40℃，然后重复c9-c11的操作；
c13、为了进一步模拟更深的开采深度，调整加热丝的工作电压，使测温口测得的温度为50℃，然后重复c9-c11的操作。
本发明的有益效果是：
本发明通过模拟人工开发利用地热资源诱发的温度场、水化学场的变化，
第一、可以研究分析地热开采对地热田水质和水温的影响，从而指导地热田的合理开发利用；
第二、可以模拟反演地热田内部***发生的水文地球化学作用；
第三、可以揭示不同的回灌率对地热田地下水动力场、水化学场、温度场的影响；
第四、可以用于教育教学。
附图说明
图1为本模拟装置的结构示意图；
图2为本模拟装置中第一渗流柱的结构示意图；
图3为本模拟装置中第二渗流柱的结构示意图；
图4为图3中A部分的放大结构示意图。
图中：1-第一供水瓶，11-第一流量计，2-第二供水瓶，21-第二流量计，3-溢流瓶，31-第三流量计，4-第一渗流柱，41-第一取水口，42-第二取水口，43-第三取水口，44-溢流口，45-岩溶水入口，5-第二渗流柱，51-第四取水口，511-第四流量计，52-第五取水口，521-第五流量计，53-出水口，531-第六流量计，54-第一密封塞，61-加热丝，62-保温层，63-测温口，631-温度计，632-第二密封塞，7-窄口瓶，81-砂质粉土层，82-石灰岩层，9-阀门，10-测压管。
具体实施方式
如图1所示，所述的一种热传导型地热田开发与保护模拟装置包括供水部、水头控制部、渗流部、取水部和流体加热部。
所述的供水部包括第一供水瓶1和第二供水瓶2，所述的第一供水瓶1内装有雨水，用于模拟远处降水入渗，且所述第一供水瓶1的下部设置有出水管，所述出水管上设置有阀门9.所述第二供水瓶2内装有岩溶水，用于供给地下岩溶水，且所述第二供水瓶2的下部设置有出水管，所述出水管上设置有阀门9。
所述的渗流部包括用于模拟潜水流动***的第一渗流柱4和用于模拟承压水流动***的第二渗流柱5，如图1所示，所述第一渗流柱4内的潜水与第二渗流柱5内的承压水的水位差为△H，所述的△H的值为50mm。所述的第一渗流柱4和第二渗流柱5均呈上端开口下端封闭的圆柱体筒状结构，如图2所示，所述的第一渗流柱的直径为D1，高度为H1，所述D1的值为300mm，所述H1的值为1500mm；所述的第二渗流柱的直径为D2，高度为H2，所述D2的值为300mm，所述H2的值为1500mm。优选的，所述的第一渗流柱4和第二渗流柱5均采用有机玻璃制备而成。如图1所示，所述的第一渗流柱4和第二渗流柱5的底部通过直径为10mm的管道连通，且二者之间的水平距离为L，所述L的值为1000mm。所述第一渗流柱4为敞口设置，在所述的第一渗流柱4内，上部填充有厚度为50mm的砂质粉土层81，模拟第四系地层，下部填充有石灰岩层82，模拟灰岩地层。所述的供水部分别通过第一供水瓶1和第二供水瓶2向第一渗流柱4内供给雨水和岩溶水，其中由第一供水瓶供1给的雨水从第一渗流柱4的顶部开口处流入第一渗流柱4内，模拟远处降水入渗，由第二供水瓶2供给的岩溶水从第一渗流柱4上部的岩溶水入口45流入，所述岩溶水入口45与管口之间的距离为h4，所述h4的取值为300mm。所述第二渗流柱5为封闭设置，如图1所示，其顶部开口处设置有第一密封塞54。在所述第二渗流柱5内，填充有石灰岩层82，模拟灰岩地层，所述第二渗流柱5的上端设置有出水口53，所述出水口上设置有阀门9和第六流量计531，为了方便测定出水口的水头，所述的出水口53上还通过三通并联有测压管10，进一步地，所述的测压管10采用医用软管制作而成。这样分别由第一供水瓶1和第二供水瓶2提供的雨水和岩溶水从开放体系的第一渗流柱4的上部流入，依次流经模拟第四系地层的砂质粉土层81和模拟灰岩地层的石灰岩层82，然后通过连接第一渗流柱4和第二渗流柱5底部的管道从第二渗流柱5的下端进入到第二渗流柱5，由于第二渗流柱5的上端是封闭的，且所述第二渗流柱5内的承压水水位要低于第一渗流柱4内潜水水位，因此在水位差△H的作用下，供试液会经过石灰岩层82从设置于第二渗流柱5上部的出水口53流出，然后通过设置于出水口53下方的窄口瓶7对流出的供试液进行收集采样，并通过设置于出水口53的测压管10测定出水口53处的水头。所述的窄口瓶7上设置有刻度，不仅可以减少供试液的蒸发，还可以及时的读取水量值，从而保证实验数据的准确性。
所述渗流部的下端设置有模拟地热源的流体加热部，如图1和图3所示，所述的流体加热部包括加热丝61，所述加热丝61缠绕在所述第一渗流柱4底部与第二渗流柱5底部之间的管道上，并向第二渗流柱5底部延伸，然后围着所述第二渗流柱5向上缠绕，如图3所示，所述第二渗流柱5底部的加热丝61的缠绕高度为h8，所述h8的取值为200mm。为了模拟地层的保温作用，所述的设置于第二渗流柱5底部的加热丝61的外侧包覆有保温层62。优选的，所述的加热丝61采用3K硅胶碳纤维发热线，所述的保温层62采用石棉材料，所述的加热丝61的工作电压可调。为了能够实时观测模拟地热源的流体加热部的温度，所述的第二渗流柱5的底部设置有测温口63，所述测温口63的开口端通过第二密封塞632密封，所述第二密封塞632上设置有温度计631，所述温度计631的测温端***到测温口63的渗出液中。
为了保证供水的水头恒定，所述的一种热传导型地热田开发与保护模拟装置还设置有水头控制部，所述的水头控制部包括溢流瓶3，所述的第一渗流柱1的顶端设置有溢流口44，且所述溢流口44设置于砂质粉土层81的上方，在实验过程中，始终保持雨水的供给处于供大于求的状态，这样通过第一供水瓶1流入到第一渗流柱4内的多余的雨水会通过溢流口44经管道流入到溢流瓶3内，从而保证供水的水头恒定。
为了揭示地热田地下水动力场、水化学场、温度场的变化，所述的一种热传导型地热田开发与保护模拟装置还设置有取水部，以便在供试液在流经模拟潜水流动***的第一渗流柱4和模拟承压水流动***的第二渗流柱2的过程中，进行采样，分析流经不同距离时供试液的水温及理化特征，从而为揭示地热田地下水动力场、水化学场、温度场的变化提供实验依据。所述的取水部包括第一取水口41、第二取水口42、第三取水口43、第四取水口51和第五取水口52，且所述第一取水口41、第二取水口42、第三取水口43、第四取水口51和第五取水口52上均设置有阀门9。如图2所示，所述第一取水口41、第二取水口42和第三取水口43从上到下依次设置于第一渗流柱4的侧壁上，所述第一取水口41与岩溶水入口之间的距离为h1，第一取水口41与第二取水口42之间的距离为h2，第二取水口42与第三取水口43之间的距离为h3，所述h1的取值为200mm，所述h2的取值为400mm，所述h3的取值为400mm。所述的第四取水口51和第五取水口52从下到上依次设置于第二渗流柱5的侧壁上，且所述的第四取水口51和第五取水口52同侧设置于出水口53的下方，所述出水口与管口之间的距离为h5，出水口与第五取水口之间的距离为h6，第五取水口与第四取水口之间的距离为h7，所述h5的取值为50mm-100mm，所述h6的取值为400mm，所述h7的取值为400mm。为了模拟不同深度的地热开采，所述的设置于第二渗流柱上的第四取水口、第五取水口和出水口上均设置分别设置有第四流量计511、第五流量计521和第六流量计531。进一步地，为了测试各取水口的水头，所述的第一取水口41、第二取水口42、第三取水口43、第四取水口51和第五取水口52均通过三通并连有测压管10，进一步地，所述测压管10采用医用软管制作而成。
为了模拟不同回灌率对地热田水温、水化学场和水动力场的影响，所述的第一供水瓶1的出水管上设置有第一流量计11，所述的第二供水瓶2的出水管上设置有第二流量计21，所述的连接溢流口的管道上设置有第三流量计31。这样就可以通过控制供水部的流量，进而控制供试液中雨水和岩溶水的比例。
一种热传导型地热田开发与保护模拟方法包括以下几个步骤：
第一步，制备供试水样和渗流介质，具体操作如下：
a1、将砂质粉土和石灰岩分别烘干，然后分别将砂质粉土和石灰岩敲击破碎至粒径<0.2cm(目的是增大水-岩接触的表面积)，然后分别对其称重，然后将烘干后的石灰岩和砂质粉土先后依次装填到第一渗流柱内，将石灰岩填装到第二渗流柱内；
a2、将雨水和岩溶水分别用0.45um微孔滤膜过滤除杂。
第二步，按照图1所示的模拟装置结构示意图，组装实验装置，并测定渗流柱的内径。
第三步，打开第二供水瓶的阀门，使供水部持续向第一渗流柱内供水，直至第一渗流柱和第二渗流柱均达到饱和状态。
第四步，调整加热丝的工作电压，使测温口测得的温度为30℃。
第五步，打开第一供水瓶和第二供水瓶的阀门，调整雨水与岩溶水的供水比例，具体操作如下：
b1、读取第一流量计的读数记为A1，第二流量计的读数记为A2，第三流量计的读数记为A3，且第三流量计的读数A3不能为零；
b2、分别调整第一供水瓶出水管和第二供水瓶出水管上的阀门，使(A1-A3)/A2＝3/5。
第六步，关闭所有取水口的阀门，使流经渗流柱的供试液只能从第二渗流柱上端的出水口流出，待该出水口流量稳定后根据需要对供试液进行取样和检测，具体操作如下：
c1、保持所有取水口的阀门为关闭的状态，每隔4小时通过窄口瓶上的刻度读取渗出水的体积和水头，并测定渗出水的电导率、温度、PH值，测定硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c2、按照雨水与岩溶水比例为3/5的比例配制供试水样，并测定供试水样的硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，并记录；
c3、依次打开第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口和第五取水口的阀门，并依次记录各个取水口的水头后对其进行采样，记为水样Ⅰ，水样Ⅱ，水样Ⅲ，水样Ⅳ和水样Ⅴ，记录取样时间；
c4、分别测定c3中所取水样的电导率、温度、PH值，测定硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c5、调整雨水与岩溶水比例为1/2，然后重复c1-c4的操作；
c6、调整雨水与岩溶水比例为2/5，然后重复c1-c4的操作；
c7、调整雨水与岩溶水比例为3/10，然后重复c1-c4的操作；
c8、打开第三取水口，通过带刻度的窄口瓶收集渗出的供试液，且每隔4小时记录一次渗出体积；
c9、打开第四取水口的阀门，并保持第四取水口的阀门为常开状态，其余取水口以及出水口为关闭状态，设定第四取水口的流量分别为Q1、Q2和Q3，并测定第四取水口流量分别为Q1、Q2和Q3时，各个取水口以及出水口的水头、电导率、温度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c10、打开第五取水口的阀门，并保持第五取水口的阀门为常开状态，其余取水口以及出水口为关闭状态，设定第五取水口的流量分别为Q1、Q2和Q3，并测定第五取水口流量分别为Q1、Q2和Q3时，各个取水口以及出水口的水头、电导率、温度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c11、打开出水口的阀门，并保持出水口的阀门为常开状态，各个取水口为关闭状态，设定出水口的流量分别为Q1、Q2和Q3，并测定出水口流量分别为Q1、Q2和Q3时，各个取水口以及出水口的水头、电导率、温度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c12、为了模拟更深的开采深度，调整加热丝的工作电压，使测温口测得的温度为40℃，然后重复c9-c11的操作；
c13、为了进一步模拟更深的开采深度，调整加热丝的工作电压，使测温口测得的温度为50℃，然后重复c9-c11的操作。
第七步，对实验数据进行分析
d1、计算不同时间的石灰岩的渗透系数K
由达西公式 可推导出
式中，Q为出水口渗流量(m3/s)；
A为过流断面面积(m2)；
△H为水头差(m)；
L为供试液流经距离(m)；
通过步骤c8可计算每个时间段第三取水口的渗流量Q和水头差△H，通过第二步所测得的渗流柱的内径可计算过流断面面积A，通过量取岩样上表面到第三取水口之间的距离可以得到供试液流经距离L，这样通过上述数据便可计算渗透系数。
d2、根据步骤c1、c5、c6、c7得到的渗出水的电导率、温度和步骤d1得到的不同时间的石灰岩的渗透系数，绘制渗透系数、电导率、水温历时关系曲线。
d3、根据步骤c1、c5、c6、c7得到的不同时间的渗出水中硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度和步骤c2得到的供试水样中硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，绘制离子浓度历时变化曲线。
d4、根据步骤c1、c5、c6、c7得到的不同时间的渗出水中硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，通过phreeqc模拟软件模拟供试液在流经渗流柱时随时间所发生的的水文地球化学作用。
d5、根据步骤c3、c4、c5、c6、c7得到的不同取水口处的渗出水中硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，通过phreeqc模拟软件反演供试液在分别流经第一渗流柱和第二渗流柱的过程中所发生的水文地球化学作用。
d6、根据步骤c1、c5、c6、c7得到的不同时间的渗出水中硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，通过分析软件分析得到Piper三线图和离子毫克当量与矿化度相关性曲线图，从而为分析成因提供依据。
d7、计算弥散系数DL
弥散系数的计算公式为
式中，x为供试液在柱体中运移的距离m；
U为C/C0为0.5时对应的渗流速度m/s；
t0.1587,t0.8413分别为C/C0为0.1587,0.8413时对应的时间s；
d8、根据步骤c9、c10、c11、c12和c13得到的不同开采深度下的各个取水口处的渗出水的电导率、温度和PH值，绘制在相同开采深度下电导率、温度和PH值随流量(模拟开采量)的变化曲线，以及在相同的流量(模拟开采量)下电导率、温度和PH值随开采深度的变化曲线；
d9、根据步骤c9、c10、c11、c12和c13得到的不同开采深度下各个取水口处的渗出水中硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，通过phreeqc模拟软件反演在不同的开采条件下，供试液在分别流经第一渗流柱和第二渗流柱的过程中所发生的的水文地球化学作用；
d10、根据步骤c1-c13得到的不同开采深度下各个取水口处的渗出水温度，可以计算地热田的地温梯度。
式中，L为承压柱体任意两个出水口的距离(100m)；
Tl为承压柱体上两出水口中位于下方的出水口的水温(℃)；
Tt为承压柱体上两出水口中位于上方的出水口的水温(℃)；
第八步，根据第七步对数据的分析进一步探讨分析，
(1)、不同的地热开采条件对水质和水温的影响；
(2)、地热田***的水文地球化学作用；
(3)、不同的回灌率对地热田***地下水动力场、温度场和水化学场的影响。
Claims (7)
1.一种热传导型地热田开发与保护模拟装置，其特征在于：
包括供水部、水头控制部、渗流部和流体加热部；
所述供水部包括第一供水瓶和第二供水瓶，且所述第一供水瓶和第二供水瓶的下部均设置有出水管；
盛放在所述第一供水瓶内的供试液为雨水，盛放在所述第二供水瓶内的供试液为岩溶水；
所述渗流部包括第一渗流柱和第二渗流柱，所述第一渗流柱上端开口下端封闭，所述第二渗流柱的上下两端均封闭，且所述第一渗流柱和第二渗流柱的底部通过管道连通；
所述第一渗流柱的水平高度高于第二渗流柱；
所述第一渗流柱内自上而下依次为砂质粉土层和石灰岩层，所述第二渗流柱内填充的渗流介质为石灰岩；
所述第一供水瓶的出水管与第一渗流柱的上端开口连通，并设有阀门；
所述第二供水瓶的出水管与设置于第一渗流柱的上部的岩溶水入口连通，并设有阀门；
所述的第一渗流柱的侧壁上自上而下依次设置有第一取水口、第二取水口和第三取水口；
所述第二渗流柱的侧壁上自下而上依次设置有第四取水口、第五取水口和出水口；
所述第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口、第五取水口和出水口上均分别设置有阀门和测压管，其中所述第四取水口、第五取水口和出水口上还分别设置有第四流量计、第五流量计和第六流量计；
所述流体加热部包括设置于所述第一渗流柱和第二渗流柱的底部的连通管道以及第二渗流柱的下部的加热丝，设置于第二渗流柱下部的所述加热丝的外部包覆有保温层；
所述水头控制部包括溢流口，以及设置于第一供水瓶出水管上的阀门；
所述溢流口设置于第一渗流柱的顶端，且所述溢流口通过管道与溢流瓶连通；
所述第一供水瓶的出水管上设置有第一流量计，所述第二供水瓶的出水管上设置有第二流量计，所述的连接溢流口的管道上设置有第三流量计。
2.根据权利要求1所述的一种热传导型地热田开发与保护模拟装置，其特征在于：所述的第一渗流柱的高度均为1500mm，直径为300mm，所述第二渗流柱的高度为1500mm，直径为300mm；
所述第一渗流柱轴线和第二渗流柱轴线之间的水平距离为1300mm；
所述岩溶水入口与第一渗流柱的管口之间的距离为300mm；
所述第一取水口与岩溶水入口之间的距离为200mm；
所述第一取水口与第二取水口之间的距离为400mm；
所述第二取水口与第三取水口之间的距离为400mm；
所述出水口与第二渗流柱的管口之间的距离为50mm-100mm；
所述出水口与第五取水口之间的距离为400mm；
所述第五取水口与第四取水口之间的距离为400mm；
所述砂质粉土层的厚度为50mm；
所述第二渗流柱下部的加热丝缠绕高度为200mm；
所述连通第一渗流柱底部和第二渗流柱底部的管道直径为10mm。
3.根据权利要求1所述的一种热传导型地热田开发与保护模拟装置，其特征在于：所述第一渗流柱内的水位比第二渗流柱内的水位高50mm。
4.根据权利要求1所述的一种热传导型地热田开发与保护模拟装置，其特征在于：所述第一渗流柱和第二渗流柱为透明的有机玻璃材质。
5.根据权利要求1所述的一种热传导型地热田开发与保护模拟装置，其特征在于：所述测压管采用医用软管制作而成。
6.根据权利要求1所述的一种热传导型地热田开发与保护模拟装置，其特征在于：所述加热丝采用硅胶碳纤维发热线，所述保温层采用石棉材料制作而成。
7.一种利用权利要求1-6任意一项权利要求所述一种热传导型地热田开发与保护模拟方法，其特征在于：
包括以下步骤，
第一步，制备供试水样和渗流介质，具体操作如下：
a1、将砂质粉土和石灰岩分别烘干，然后分别将砂质粉土和石灰岩敲击破碎至粒径<0.2cm，然后分别对其称重，然后将烘干后的石灰岩和砂质粉土先后依次装填到第一渗流柱内，将石灰岩填装到第二渗流柱内；
a2、将雨水和岩溶水分别用0.45um微孔滤膜过滤除杂。
第二步，组装实验装置，并测定渗流柱的内径。
第三步，打开第二供水瓶的阀门，使供水部持续向第一渗流柱内供水，直至第一渗流柱和第二渗流柱均达到饱和状态。
第四步，调整加热丝的工作电压，使测温口测得的温度为30℃。
第五步，打开第一供水瓶和第二供水瓶的阀门，调整雨水与岩溶水的供水比例，具体操作如下：
b1、读取第一流量计的读数记为A1，第二流量计的读数记为A2，第三流量计的读数记为A3，且第三流量计的读数A3不能为零；
b2、分别调整第一供水瓶出水管和第二供水瓶出水管上的阀门，使(A1-A3)/A2＝3/5；
第六步，关闭所有取水口的阀门，使流经渗流柱的供试液只能从第二渗流柱上端的出水口流出，待该出水口流量稳定后根据需要对供试液进行取样和检测，具体操作如下：
c1、保持所有取水口的阀门为关闭的状态，每隔4小时通过窄口瓶上的刻度读取渗出水的体积和水头，并测定渗出水的电导率、温度、PH值，测定硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c2、按照雨水与岩溶水比例为3/5的比例配制供试水样，并测定供试水样的硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，并记录；
c3、依次打开第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口和第五取水口的阀门，并依次记录各个取水口的水头后对其进行采样，记为水样Ⅰ，水样Ⅱ，水样Ⅲ，水样Ⅳ和水样Ⅴ，记录取样时间；
c4、分别测定c3中所取水样的电导率、温度、PH值，测定硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c5、调整雨水与岩溶水比例为1/2，然后重复c1-c4的操作；
c6、调整雨水与岩溶水比例为2/5，然后重复c1-c4的操作；
c7、调整雨水与岩溶水比例为3/10，然后重复c1-c4的操作；
c8、打开第三取水口，通过带刻度的窄口瓶收集渗出的供试液，且每隔4小时记录一次渗出体积；
c9、打开第四取水口的阀门，并保持第四取水口的阀门为常开状态，其余取水口以及出水口为关闭状态，设定第四取水口的流量分别为Q1、Q2和Q3，并测定第四取水口流量分别为Q1、Q2和Q3时，各个取水口以及出水口的水头、电导率、温度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c10、打开第五取水口的阀门，并保持第五取水口的阀门为常开状态，其余取水口以及出水口为关闭状态，设定第五取水口的流量分别为Q1、Q2和Q3，并测定第五取水口流量分别为Q1、Q2和Q3时，各个取水口以及出水口的水头、电导率、温度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c11、打开出水口的阀门，并保持出水口的阀门为常开状态，各个取水口为关闭状态，设定出水口的流量分别为Q1、Q2和Q3，并测定出水口流量分别为Q1、Q2和Q3时，各个取水口以及出水口的水头、电导率、温度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子的离子浓度，读取测温口的温度计的示数，并记录；
c12、为了模拟更深的开采深度，调整加热丝的工作电压，使测温口测得的温度为40℃，然后重复c9-c11的操作；
c13、为了进一步模拟更深的开采深度，调整加热丝的工作电压，使测温口测得的温度为50℃，然后重复c9-c11的操作。
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