CN216209117U - 一种实验室裂隙含水层模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种实验室裂隙含水层模拟装置，包括用于模拟海岸含水层的砂槽，所述砂槽两端设有盐水区和淡水区，所述砂槽内填充多孔介质，并内设用于模拟含水层裂隙的不锈钢冲孔管；所述盐水区和淡水区的结构一致；所述盐水区包括：盐水水槽，与砂槽端部通过滤网连通；盐水水箱，通过胶管和水泵向盐水水槽供水；栅栏式溢流槽，作为潮汐发生器，设于盐水水槽内，向盐水水箱引流；潮波控制***，连接并控制栅栏式溢流槽上下移动，实现水槽内水位高度调整。本实用新型可以在实验室内有效重建裂隙含水层，弥补了现有技术的不足，对在实验室内进行裂隙含水层地下水流运动和溶质运移实验具有借鉴意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及地下水模拟技术领域，尤其是涉及一种实验室裂隙含水层模拟装置。
背景技术
海水入侵现象在我国滨海地区频繁出现，不仅造成了地下水水质恶化和土壤盐渍化等生态环境问题，还给人类的生产生活带来了很大的影响。研究表明，全球四分之一的人口依赖于从裂隙含水层中抽取淡水，并且裂隙含水层比其他类型的含水层更容易受到海水入侵的威胁。因此，对裂隙含水层中的海水入侵现象进行研究十分必要。目前许多学者已经对裂隙含水层中的海水入侵现象进行过数值模拟研究。
就现阶段而言，对于裂隙含水层海水入侵的研究，前人只停留在数值模拟阶段，缺乏室内实验支撑，且没有考虑海洋潮汐作用的影响。此外，多数实验模型主要集中在对均质含水层或分层含水层的研究上，而缺少考虑裂隙和潮汐作用影响下，沿海含水层中海水入侵现象的研究。
所以亟待开发一种实验室裂隙含水层模拟装置，可以同时将裂隙和潮汐作用进行耦合实验，无需现场调研，可以在实验室内有效重建裂隙含水层，弥补现有技术的不足。
实用新型内容
实用新型目的：为了克服背景技术的不足，本实用新型公开了一种实验室裂隙含水层模拟装置。
技术方案：本实用新型所述的实验室裂隙含水层模拟装置，包括用于模拟海岸含水层的砂槽，所述砂槽两端设有盐水区和淡水区，所述砂槽内填充多孔介质，并内设用于模拟含水层裂隙的不锈钢冲孔管；
所述盐水区和淡水区的结构一致；
所述盐水区包括：
盐水水槽，与砂槽端部通过滤网连通；
盐水水箱，通过胶管和水泵向盐水水槽供水；
栅栏式溢流槽，作为潮汐发生器，设于盐水水槽内，向盐水水箱引流；
潮波控制***，连接并控制栅栏式溢流槽上下移动，实现水槽内水位高度调整。
进一步的，所述滤网为丙烯酸网，丙烯酸网化学性质稳定，成本低，提高实验装置的可靠性。
进一步的，所述多孔介质为石英砂。
进一步的，所述栅栏式溢流槽为中空结构，包括槽底板、溢流槽外缘、溢流槽内缘及设于槽底板下方的引流管。栅栏式溢流槽的设置，便于用户根据需要调整水槽水位高度，便于将水槽中超过预设水位高度的水通过栅栏式溢流槽排出水槽，提高水槽水位的控制精准度。
进一步的，所述潮波控制***包括参数控制器及与其连接的伺服直线滑台。潮波控制***用于准确模拟潮汐信号，能够客观反映滨海地区的潮汐现象以及在潮波作用下的水盐运移。
进一步的，所述伺服直线滑台包括伺服电机、与伺服电机连接的联轴器、直线滑台及与直线滑台连接的伺服滑块；所述栅栏式溢流槽与伺服滑块连接。伺服直线滑台受参数控制器控制，是潮波控制***的主要结构，为模拟潮汐信号提供保障。
进一步的，所述不锈钢冲孔管为矩形截面的方形长管，宽度与砂槽宽度相等，表面分布细孔。
进一步的，所述不锈钢冲孔管在砂槽内任意位置布设任意数量，以准确模拟海岸带的裂隙分布。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型可以在实验室内有效重建裂隙含水层，弥补了现有技术的不足，对在实验室内进行裂隙含水层地下水流运动和溶质运移实验具有借鉴意义。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。
如图1所述的实验室裂隙含水层模拟装置，包括用于模拟海岸含水层的砂槽1，所述砂槽1两端设有盐水区和淡水区，所述砂槽1内填充多孔介质，并内设用于模拟含水层裂隙的不锈钢冲孔管2；
所述盐水区和淡水区的结构一致；
所述盐水区包括：盐水水槽302，与砂槽1端部通过滤网301连通；盐水水箱303，通过胶管304和水泵305向盐水水槽302供水；栅栏式溢流槽306，作为潮汐发生器，设于盐水水槽302内，向盐水水箱303引流；潮波控制***，连接并控制栅栏式溢流槽306上下移动，实现水槽内水位高度调整。
无需现场调研，可以在实验室内有效重建裂隙含水层，弥补了现有技术的不足，对在实验室内进行裂隙含水层地下水流运动和溶质运移实验具有借鉴意义。
所述滤网301为丙烯酸网。
所述多孔介质为石英砂。
所述栅栏式溢流槽306为中空结构，包括槽底板、溢流槽外缘、溢流槽内缘及设于槽底板下方的引流管。
所述潮波控制***包括参数控制器307及与其连接的伺服直线滑台。所述伺服直线滑台包括伺服电机308、与伺服电机308连接的联轴器309、直线滑台310及与直线滑台310连接的伺服滑块311；所述栅栏式溢流槽306与伺服滑块311连接。
所述不锈钢冲孔管2为矩形截面的方形长管，宽度与砂槽1宽度相等，表面分布细孔。
所述不锈钢冲孔管2在砂槽1内任意位置布设任意数量，以准确模拟海岸带的裂隙分布。
裂隙含水层中的海水入侵是滨海含水层海水入侵的常见形式之一。本实用新型实施例提出用不锈钢冲孔管模拟实际含水层中的裂隙，其表面分布有细孔，用以建立裂隙与周围基质的水力交换。首先探讨了不同水力梯度条件下单条裂隙对稳态海水入侵的动力学影响，然后深入分析了裂隙的作用；随后探讨了潮汐作用下裂隙含水层对非稳态海水入侵的影响。利用地下水饱和/非饱和数值模拟软件SUTRA对实验数据进行了一致性评价，并考察了裂隙对各种实验参数的敏感性。结果表明，裂隙的存在导致盐水楔形态发生明显改变，裂隙所在位置对盐水楔产生了抑制效果；裂隙下方的盐水向裂隙靠近，形成独特的盐水楔形态。不同的水力梯度对海水入侵的影响程度不同，临界水头差是判断入侵程度的关键指标。与没有裂隙存在的均质含水层相比，裂隙含水层中盐水楔入侵长度明显增加，盐水体积分数明显增大。加入潮汐振荡之后，咸淡水混合带宽度明显增加，盐水楔入侵长度发生明显变化。敏感性分析表明，裂隙的长度、位置、方向、密度等是揭示裂隙对海水入侵影响机理的关键变量。这意味着，与没有裂隙存在的均质含水层相比，裂隙含水层能显著影响海水入侵性质。
裂隙含水层普遍存在于世界许多沿海地区，在裂隙含水层中发生的海水入侵也在世界多国滨海地区频繁出现。随着海平面的上升和人为不受控制的地下水开采，海水入侵现象会越来越严重，污染地下淡水资源。由于裂隙成因的多样性、裂隙空间分布规律的复杂性，使得裂隙水的补给、循环、***、储存和水动力特征等具有独特的规律，并构成了一个复杂的水文地质课题。为了理解裂隙对海水入侵的影响机制，需要建立有效的室内模拟裂隙含水层的实验装置，以便更直观地反映裂隙含水层中盐水楔形态，揭示其地下水动力学规律。
本实用新型实施例的主要目的是探讨裂隙对海水入侵的影响机制。这是通过实验室实验和数值模拟实现的。实验是在实验室内使用石英砂充填进砂槽，并将不锈钢冲孔管放置于砂槽内模拟裂隙。利用SUTRA软件进行数值模拟，SUTRA是一种饱和带/非饱和带运移模型。随后进行了敏感性分析，以检查不同长度、位置、方向、密度等变量对海水入侵程度的影响。
实验在尺寸为长度4m，高度0.8m，宽度0.02m的砂槽中完成。砂槽宽度较窄以便于模拟非承压含水层横截面的二维***。该砂槽内填充有多孔介质，两侧设有供水水槽，多孔介质为粒径0.8-1mm的石英砂。石英砂应在饱和条件下填充进砂槽，以避免分层和空气污染。实验模型高度为0.6m，近海侧边界高度0.4m，海岸带斜率1:6。所得到的多孔介质区域假设满足均匀各向同性条件。在填砂过程中，将不锈钢冲孔管准确放置于预定位置。利用两个丙烯酸细网将砂槽与两侧水箱分离。左侧为盐水区，用于向砂槽输送盐水；右侧为淡水区，用于向砂槽输送淡水。多孔介质的渗透系数为6.4×10^(-3)m/s，孔隙度为0.46。实验用模拟海水是将氯化钠加入到清水中，不断搅拌直至完全溶解，用电子密度计测量盐水密度，使盐水密度准确稳定在1025kg/m^3。为了区分盐水和淡水以便更直观地观察，在海水溶液中再加入诱惑红染色剂，诱惑红染色剂与氯化钠的配比为1:34。
通过改变盐水水位来模拟地下水的波动。实验开始时，盐水侧水位设置为0.51m，淡水侧水位设置为0.55m，水头差dH＝0.04m。12小时后***达到准稳态，将盐水侧水位调至0.53，此时水头差dH＝0.02m。12小时后***再次达到准稳态，再将盐水侧水位调至0.52m，此时水头差dH＝0.03m，12小时后***再次达到准稳态。此实验总共包含两个过程，水头差从dH＝0.04m减小至dH＝0.02m模拟了海水入侵过程，水头差从dH＝0.02m增加至dH＝0.03m模拟了海水回退过程。实验结果表明，水头差越小，盐水楔入侵长度越大。此外，裂隙显著改变了盐水楔的形态，裂隙所在位置对盐水楔起到了抑制效果；由于裂隙内淡水流速远大于周围多孔介质，因此，裂隙下方的盐水入侵距离明显增加，且向裂隙靠近，形成了独特的盐水楔形态。
实验达到稳定后，通过盐水侧的参数控制器设置潮汐条件，即振幅和周期，振幅设定为A＝0.04m，周期设定为T＝62s，使栅栏式溢流槽上下移动做周期性正弦运动。实验过程中，上盐水羽在形成后逐渐向裂隙方向靠近，盐水体积增大；上盐水羽与下盐水楔之间的淡水***通道变宽。实验结果表明，裂隙显著改变了潮汐作用影响下的海水入侵性质，上盐水羽和下盐水楔的形态有明显变化。
地下水饱和/非饱和数值模拟软件SUTRA被广泛用于解决各种地下水基准问题，包括盐水水头边界变化的海水实验。本文利用SUTRA软件对潮汐作用下裂隙含水层海水入侵实验进行敏感性分析，内容包括水平裂隙的水平位置、水平裂隙的垂直位置、垂直裂隙的水平位置以及裂隙的长度、方向、密度等；研究变量包括盐水楔入侵距离、混合带宽度以及盐水体积分数等。
Claims (8)
1.一种实验室裂隙含水层模拟装置，其特征在于：包括用于模拟海岸含水层的砂槽(1)，所述砂槽(1)两端设有盐水区和淡水区，所述砂槽(1)内填充多孔介质，并内设用于模拟含水层裂隙的不锈钢冲孔管(2)；
所述盐水区和淡水区的结构一致；
所述盐水区包括：
盐水水槽(302)，与砂槽(1)端部通过滤网(301)连通；
盐水水箱(303)，通过胶管(304)和水泵(305)向盐水水槽(302)供水；
栅栏式溢流槽(306)，作为潮汐发生器，设于盐水水槽(302)内，向盐水水箱(303)引流；
潮波控制***，连接并控制栅栏式溢流槽(306)上下移动，实现水槽内水位高度调整。
2.根据权利要求1所述的实验室裂隙含水层模拟装置，其特征在于：所述滤网(301)为丙烯酸网。
3.根据权利要求1所述的实验室裂隙含水层模拟装置，其特征在于：所述多孔介质为石英砂。
4.根据权利要求1所述的实验室裂隙含水层模拟装置，其特征在于：所述栅栏式溢流槽(306)为中空结构，包括槽底板、溢流槽外缘、溢流槽内缘及设于槽底板下方的引流管。
5.根据权利要求1所述的实验室裂隙含水层模拟装置，其特征在于：所述潮波控制***包括参数控制器(307)及与其连接的伺服直线滑台。
6.根据权利要求5所述的实验室裂隙含水层模拟装置，其特征在于：所述伺服直线滑台包括伺服电机(308)、与伺服电机(308)连接的联轴器(309)、直线滑台(310)及与直线滑台(310)连接的伺服滑块(311)；所述栅栏式溢流槽(306)与伺服滑块(311)连接。
7.根据权利要求1所述的实验室裂隙含水层模拟装置，其特征在于：所述不锈钢冲孔管(2)为矩形截面的方形长管，宽度与砂槽(1)宽度相等，表面分布细孔。
8.根据权利要求1所述的实验室裂隙含水层模拟装置，其特征在于：所述不锈钢冲孔管(2)在砂槽(1)内任意位置布设任意数量，以准确模拟海岸带的裂隙分布。
Priority Applications (1)
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| CN202122426632.2U CN216209117U (zh) | 2021-10-09 | 2021-10-09 | 一种实验室裂隙含水层模拟装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114814164A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-29 | 河海大学 | 一种模拟海水沿河道上溯入侵滨海含水层的装置及方法 |
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2021
- 2021-10-09 CN CN202122426632.2U patent/CN216209117U/zh active Active
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| CN114814164A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-29 | 河海大学 | 一种模拟海水沿河道上溯入侵滨海含水层的装置及方法 |
| CN114814164B (zh) * | 2022-04-06 | 2023-03-14 | 河海大学 | 一种模拟海水沿河道上溯入侵滨海含水层的装置及方法 |
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