CN105571992A - 一种非点源侵入的溶质运移实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非点源侵入的溶质运移实验装置，包括：多功能非点源侵入柱状多孔介质模型、数据采集***和流速控制***；数据采集***包括分光光度计、液体收集器、测压管和计算机；流速控制***包括蠕动泵、阀门；多功能非点源侵入柱状多孔介质模型包括进水空腔和多孔介质容器；在溶质进入多孔介质容器之前，先通入密封的进水空腔中，进水空腔起到调控溶液浓度和非点源释水的作用。本发明的优点在于设计新颖，结构简单，极大提高准确性，并有两大创新：其一做到了开启空腔出水口时，即时进入饱和介质中的溶液浓度即为预设浓度；其二采用进水空腔进行非点源释水，解决传统装置点源侵入的问题，充分模拟真实水流条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种非点源侵入的溶质运移实验装置，属于地下水探测技术领域。
背景技术
地下水中溶质的迁移过程也被称为溶质运移。溶解在地下水中的溶质通过两种方式迁移。弥散导致溶质沿着浓度梯度方向运动——也就是说，从浓度高的地方向浓度低的地方迁移，这种迁移即使在地下水不流动的情况下也能发生，同时也是低渗透性地质材料中物质迁移的主要因素。溶质也通过对流方程来迁移。当流动的地下水携带着溶解的溶质就会发生对流迁移。在几个孔隙直径的尺度上，地下水会以不同的速度平行于流线而运动，取决于孔隙尺寸。这导致溶质污染羽沿着流线方向扩展，该过程称为纵向弥散。当流线沿着矿物颗粒分叉时溶质污染羽也会横向扩展，该过程称为横向弥散。在实验室圆筒尺度上，污染物通过均匀多孔介质的运动能够用对流—弥散方程来描述，该方程说明了对流、扩散和孔隙尺度的弥散。在饱和介质溶质运移的过程中，其运移表现形式通常与多孔介质、流体自身特性有关，因此其表现形式是多种多样的。如何在实验室内有效控制与运移表现形式相关的特性以及观测是十分重要的问题，解决该问题可以更客观地了解饱和介质溶质运移的机理。近年来，随着人们对地下水污染问题的极大关注，研究人员在物质迁移理论上做了大量的工作，部分实验研究限定在一维尺度上，而且对于溶质进入饱和介质时的点源侵入问题难以得到解决。因此，开发一种在圆筒尺度上的非点源侵入的溶质运移试验装置具有重大的现实意义。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种非点源侵入的溶质运移实验装置，设计新颖、结构简单，极大提高准确性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：包括多功能非点源侵入柱状多孔介质模型、数据采集***和流速控制***；其中，
所述多功能非点源侵入柱状多孔介质模型，通过导流管与流速控制***相连，并由数据采集***采集溶液时间—浓度数据；
数据采集***：用于采集在多功能非点源侵入柱状多孔介质模型中运移后的溶液时间—浓度数据并存储；
流速控制***：用于控制供给多功能非点源侵入柱状多孔介质模型中液相的注入速率。
所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述多功能非点源侵入柱状多孔介质模型包括进水空腔、多孔介质容器，进水空腔和多孔介质容器为直径相同的中空圆柱体结构，进水空腔和多孔介质容器腔体各自密封，进水空腔与多孔介质容器之间通过紧固装置连接并紧固。
所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述进水空腔包括圆柱形的侧壁、用于封闭的顶板和底板；所述进水空腔顶部开设有流体进口和循环出口，进水空腔顶部还设置有用于实现储水与释水功能的旋柄；进水空腔内部设置圆形孔板，圆形孔板与旋柄之间通过传力杆联接，实现对旋柄施加扭力转动圆形孔板；圆形孔板和底板上开设透水孔，底板外侧设置紧固装置，将进水空腔与多孔介质容器连接并紧固。
所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：圆形孔板/底板上透水孔的形状为扇形，且透水孔面积之和小于圆形孔板/底板面积的一半；所述圆形孔板覆设在底板上，通过转动圆形孔板调整底板透水孔中流水截面大小。
所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述多孔介质容器顶部开设有与进水空腔相连通的开口，多孔介质容器底部开设流体出口；多孔介质容器的侧壁及底部分别开设一号测压管孔和二号测压管孔，分别用于安装一号测压管和二号测压管，测定溶液进入与离开多孔介质容器的水头，一号测压管和二号测压管的进水端设置滤网，另一端固定；作为优选方案，二号测压管孔设置在多孔介质容器底部的中心位置，多孔介质容器底部开设四个流体出口，呈十字形均匀布置在二号测压管孔周围。
所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：还包括置放装置，置放装置包括三脚架以及架设于三脚架之上的承台，用于支撑和固定所述多功能非点源侵入柱状多孔介质模型。
所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述数据采集***包括分光光度计、液体收集器、监视器、一号测压管、二号测压管和计算机，液体收集器中采集的试样通过分光光度计检测，分光光度计通过存储介质与计算机、监视器相连。
所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述流速控制***包括储液箱和蠕动泵，蠕动泵与多功能非点源侵入柱状多孔介质模型之间设有阀门，蠕动泵用于将液体从储液箱供给多功能非点源侵入柱状多孔介质模型。
作为优选方案，所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述进水空腔和多孔介质容器的材质为有机玻璃。
作为优选方案，所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述流体进口、循环出口、流体出口、一号测压管孔和二号测压管孔均安装有相配合的密封接头。
有益效果：本发明提供的一种非点源侵入的溶质运移实验装置，在流速控制***启动后，计算机内部计时***同时启动，数据采集***开启准备采集状态，实现了较好的数字化信息采集；多功能非点源侵入柱状多孔介质模型进水空腔的设计，以保证调控溶液浓度和溶质非点源侵入的作用；本实验装置流速控制***中使用的是恒流量泵，通过设定蠕动泵转速可以保证恒定的流量注入多功能人工柱状介质模型；本发明进一步的技术方案是多功能非点源侵入柱状多孔介质模型组合形式多样，可填充多种多孔介质，例如：多孔介质可以是原状土、砂，也可以是自然相对规则的人工介质。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为进水空腔和多孔介质容器的装配示意图；
图3为进水空腔剖面图；
图4为进水空腔底板的示意图；
图5为进水空腔中圆形孔板的示意图；
图6为多孔介质容器剖面图；
图7为多孔介质容器的俯视图；
图8为多孔介质容器的底部示意图；
图中：进水空腔1、多孔介质容器2、置放装置3、液体收集器4、计算机5、分光光度计6、监视器7、储液箱8、蠕动泵9、阀门10、旋柄11、紧固装置12、一号测压管13、二号测压管14、流体进口15、循环出口16、流体出口17、底板18、圆形孔板19。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1至图2所示，一种非点源侵入的溶质运移实验装置，包括多功能非点源侵入柱状多孔介质模型、数据采集***和流速控制***。所述多功能非点源侵入柱状多孔介质模型，通过导流管与流速控制***相连，并由数据采集***采集溶液时间—浓度数据；数据采集***：用于采集在多功能非点源侵入柱状多孔介质模型中运移后的溶液时间—浓度数据并存储；流速控制***：用于控制供给多功能非点源侵入柱状多孔介质模型中液相的注入速率。
所述数据采集***包括分光光度计6、液体收集器4、监视器7、一号测压管13、二号测压管14和计算机5，液体收集器中采集的试样通过分光光度计检测，分光光度计5通过存储介质与计算机5、监视器7相连。
所述流速控制***包括储液箱8和蠕动泵9，蠕动泵与多功能非点源侵入柱状多孔介质模型之间设有阀门10，蠕动泵用于将液体从储液箱8供给多功能非点源侵入柱状多孔介质模型。
如图2所示，所述多功能非点源侵入柱状多孔介质模型，包括进水空腔1、多孔介质容器2，进水空腔1和多孔介质容器2通过置放装置3支撑和固定，进水空腔1与多孔介质容器2为直径相同的空心圆柱，进水空腔和多孔介质容器腔体各自密封，两者呈直线对接并用紧固装置12连接；所述置放装置3包括三脚架以及架设于三脚架之上的承台。
如图3至图5所示，所述进水空腔1包括圆柱形的侧壁、用于封闭的顶板和底板18；所述进水空腔顶部开设有流体进口15和循环出口16，为实现空腔的储水与释水功能，进水空腔顶部还设置有用于实现储水与释水功能的旋柄11；进水空腔内部设置圆形孔板19，圆形孔板19与旋柄11之间通过传力杆联接，实现对旋柄11施加扭力转动圆形孔板19；圆形孔板19和底板18上开设透水孔，底板周边设置紧固装置，将进水空腔与多孔介质容器连接并紧固。
如图4和图5所示，圆形孔板/底板上透水孔的形状为扇形，且透水孔面积之和小于圆形孔板/底板面积的一半；所述圆形孔板覆设在底板上，通过转动圆形孔板调整底板透水孔中流水截面大小。
储液箱8通过蠕动泵9为多功能非点源侵入柱状多孔介质模型提供各种介质。在蠕动泵9和进水空腔1之间设有阀门10。
如图6至图8所示，所述多孔介质容器2顶部开设有与进水空腔相连通的开口，多孔介质容器底部开设流体出口17；为测定多孔介质容器的水头，多孔介质容器的侧壁及底部分别开设一号测压管孔和二号测压管孔，分别用于安装一号测压管13和二号测压管14，测定溶液进入与离开饱和介质的水头，一号测压管13和二号测压管14的进水端设置滤网，另一端固定。
作为优选方案，二号测压管孔设置在多孔介质容器底部的中心位置，多孔介质容器底部开设四个流体出口17，呈十字形均匀布置在二号测压管孔周围。
作为优选方案，所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述进水空腔1和多孔介质容器2的材质为有机玻璃。有机玻璃框架厚度1cm，流体进口15、循环出口16、流体出口17的半径为0.5cm。
作为优选方案，所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述流体进口15、循环出口16、流体出口17、一号测压管孔和二号测压管孔均安装有相配合的密封接头。
作为优选方案，所述紧固装置12为螺栓和螺母。
本发明的工作过程如下：
（1）标定流速：关闭进水空腔1顶部循环出口16，打开进水空腔下出水阀门，用蠕动泵9分别以不同的转速抽取蒸馏水并由进水空腔流体进口15进入，在多孔介质容器2流体出口17处接收，并根据出水量标定该介质中不同转速抽水对应流速；
（2）在进水空腔积蓄待测溶液：确定一个流速，测得该流速下一号测压管孔和二号测压管孔的水头；关闭进水空腔下出水阀门，打开进水空腔顶部循环出口16，不断通入待测溶液并排出进水空腔中的水，至进水空腔顶部循环出口16处测得的溶液浓度与预设浓度相同时即该阶段完成；
（3）开启阀门，向多孔介质容器2中通入溶液：维持进水口流速不变，在关闭进水空腔顶部循环出口16的同时打开下出水阀门，使溶液进入饱和介质中，此时开始记录时间，并在多孔介质容器出水口处保存各时段水样。
（4）试验结束后通水清洗介质：当试验结束后，由进水口重新通水至多孔介质容器出水口处试样浓度为零。
以多功能非点源侵入柱状多孔介质模型的多孔介质被水饱和为例，不同注入速率的条件下，非点源侵入多孔介质容器中测压管水头稳定时，可得该多孔介质的渗透系数。溶液的时间—浓度数据可由分光光度计分析得出，据此完成溶质运移实验中时间—浓度曲线的测定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：包括多功能非点源侵入柱状多孔介质模型、数据采集***和流速控制***；其中，
所述多功能非点源侵入柱状多孔介质模型，通过导流管与流速控制***相连，并由数据采集***采集溶液时间—浓度数据；
数据采集***：用于采集在多功能非点源侵入柱状多孔介质模型中运移后的溶液时间—浓度数据并存储；
流速控制***：用于控制供给多功能非点源侵入柱状多孔介质模型中液相的注入速率。
2.根据权利要求1所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述多功能非点源侵入柱状多孔介质模型包括进水空腔、多孔介质容器，进水空腔和多孔介质容器为直径相同的中空圆柱体结构，进水空腔和多孔介质容器腔体各自密封，进水空腔与多孔介质容器之间通过紧固装置连接并紧固。
3.根据权利要求2所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述进水空腔包括圆柱形的侧壁、用于封闭的顶板和底板；所述进水空腔顶部开设有流体进口和循环出口，进水空腔顶部还设置有用于实现储水与释水功能的旋柄；进水空腔内部设置圆形孔板，圆形孔板与旋柄之间通过传力杆联接，实现对旋柄施加扭力转动圆形孔板；圆形孔板和底板上开设透水孔，底板外侧设置紧固装置，将进水空腔与多孔介质容器连接并紧固。
4.根据权利要求3所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：圆形孔板/底板上透水孔的形状为扇形，且透水孔面积之和小于圆形孔板/底板面积的一半；所述圆形孔板覆设在底板上，通过转动圆形孔板调整底板透水孔中流水截面大小。
5.根据权利要求2所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述多孔介质容器顶部开设有与进水空腔相连通的开口，多孔介质容器底部开设流体出口；多孔介质容器的侧壁及底部分别开设一号测压管孔和二号测压管孔，分别用于安装一号测压管和二号测压管，测定溶液进入与离开多孔介质容器的水头，一号测压管和二号测压管的进水端设置滤网，另一端固定；二号测压管孔设置在多孔介质容器底部的中心位置，多孔介质容器底部开设四个流体出口，呈十字形均匀布置在二号测压管孔周围。
6.根据权利要求1所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：还包括置放装置，置放装置包括三脚架以及架设于三脚架之上的承台，用于支撑和固定所述多功能非点源侵入柱状多孔介质模型。
7.根据权利要求1所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述数据采集***包括分光光度计、液体收集器、监视器、一号测压管、二号测压管和计算机，液体收集器中采集的试样通过分光光度计检测，分光光度计通过存储介质与计算机、监视器相连。
8.根据权利要求1所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述流速控制***包括储液箱和蠕动泵，蠕动泵与多功能非点源侵入柱状多孔介质模型之间设有阀门，蠕动泵用于将液体从储液箱供给多功能非点源侵入柱状多孔介质模型。
9.根据权利要求2所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述进水空腔和多孔介质容器的材质为有机玻璃。
10.根据权利要求5所述的非点源侵入的溶质运移实验装置，其特征在于：所述流体进口、循环出口、流体出口、一号测压管孔和二号测压管孔均安装有相配合的密封接头。
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