本发明涉及一种试验装置，特别是涉及一种覆盖型岩溶水运动及溶质运移过程的模块化试验装置，属于岩溶水运动及溶质运移研究装置领域。
背景技术
我国岩溶地貌分布广泛，全国岩溶区总面积约3.44×106平方公里，约占国土面积的1/3，其中覆盖岩溶区面积2.533×106平方公里，占岩溶区总面积的73.6%。岩溶含水系统是一个多重复杂的系统，含水介质通常由管道暗河、大裂隙、微小裂隙、孔隙等多重空隙构成，具有高度的非均质性和各向异性，水动力参数呈现出显著的尺度效应。其中的水流包括孔隙达西流、裂隙流、地下暗河的管道流等，水流运动极其复杂，具有多相水流混合的特点。同时，岩溶水环境污染趋势正在加剧，社会发展与环境的矛盾冲突愈演愈烈，人民生命财产安全受到严重威胁。由于岩溶地区裂隙与管道并存且二者相互连通的特殊地质条件，导致岩溶水污染具有扩散迅速，影响范围广的特点，从而导致处理岩溶地下水污染十分困难。因此探索岩溶水运动及溶质运移变化规律对岩溶水环境保护具有重要意义。
物理试验作为研究岩溶含水系统水流及溶质运移的一种重要方法已经被广泛运用，而目前针对覆盖型岩溶水运动及溶质运移变化规律的物理试验研究多以裂隙管道介质上覆松散沉积物为介质，其存在如下几个方面缺点：介质参数变化工作量大；更换裂隙管道区介质时，难以避免对覆盖层介质扰动。
所以，通过室内建立覆盖型岩溶水运动及溶质运移过程试验装置，对岩溶介质空隙结构、研究尺度进行定量刻画，探究岩溶含水系统内部结构对岩溶水运动及溶质运移过程的影响，并揭示其物理机制，不仅可推动岩溶水运动及溶质运移过程的理论发展，也为实际地区复杂岩溶地下水的研究提供佐证，对岩溶水资源开发及环境保护有着重要的意义。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种覆盖型岩溶水运动及溶质运移过程的模块化试验装置，不仅结构简单、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强，而且可弥补现阶段岩溶水运动试验研究领域存在的诸多不足，可促进覆盖型岩溶水运动及溶质运移规律研究，可为岩溶水资源合理调控和保护提供科学依据。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种覆盖型岩溶水运动及溶质运移过程的模块化试验装置，包括覆盖区试验槽，设置于覆盖区试验槽上方的降雨补给系统，设置于覆盖区试验槽下方的岩溶区介质，并排设置于覆盖区试验槽侧边的上游水箱，以及数据采集系统；
所述覆盖区试验槽包括槽体和填充于槽体中的覆盖区介质，所述槽体由模块板拼接而成覆盖区边界，槽体轴长方向的一侧边与上游水箱相连通、由上游水箱为覆盖区介质补给边界水流；
所述降雨补给系统沿着覆盖区试验槽轴长方向平行设置，用于为覆盖区介质提供面状的降雨补给；
所述岩溶区介质包括岩溶区裂隙-管道网络、落水洞和岩溶管道，所述岩溶区裂隙-管道网络由模块板经有机溶剂粘合而成岩溶区空间；所述岩溶区裂隙-管道网络通过若干处连接管道与槽体的槽底相连、并与槽体的覆盖区介质保持水力连通，岩溶区裂隙-管道网络的入水端与连接管道相连、出水端与岩溶管道相连；所述槽体轴长方向的另一侧边的底端开设有试验槽泉口，所述岩溶管道的出水端设置有岩溶泉口；
所述上游水箱的箱底通过落水洞与岩溶管道相连，由上游水箱为岩溶区裂隙-管道网络补给边界水流，上游水箱通过与水位控制器相连获得水位高度调节；
所述数据采集系统包括依次相连的监测平台和计算机平台，所述监测平台用于对试验过程及环境进行监测、并将监测获得的监测数据传输给计算机平台，所述计算机平台用于对监测平台采集的监测数据进行数据处理。
本发明进一步设置为：所述槽体为方形槽。
本发明进一步设置为：所述方形槽为长方体槽。
本发明进一步设置为：所述模块板为有机玻璃板。
本发明进一步设置为：所述覆盖区介质为石英砂。
本发明进一步设置为：所述降雨补给系统包括供水管和若干个喷头，所述供水管通过支架与外设供水装置相连，若干个喷头等间距设置在供水管的管体上。
本发明进一步设置为：所述连接管道与槽体通过螺栓依次贯穿槽底、止水垫片、连接管道的顶端边沿和螺母进行锁紧。
本发明进一步设置为：所述试验槽泉口和岩溶泉口均设置有调节阀门。
本发明进一步设置为：所述监测平台包括设置于不同监测位置的液位及电导率传感器、超声波流量计、流速仪、水样取样孔，以及设置于试验所在位置的自动气象站。
本发明进一步设置为：所述自动气象站包括自动雨量计、气压计、湿度计、温度计和蒸发皿。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
通过覆盖区试验槽、降雨补给系统、岩溶区介质、上游水箱和数据采集系统的设置，提供覆盖型岩溶水运动及溶质运移过程的模块化试验装置；其中，覆盖区试验槽包括槽体和覆盖区介质，用于模拟覆盖区；岩溶区介质包括岩溶区裂隙-管道网络、落水洞和岩溶管道，用于模拟岩溶区；降雨补给系统用于模拟降雨补给，数据采集系统用于试验过程监测及数据处理。本发明提供的试验装置，采用模块化设计，将覆盖区与岩溶区分离，可保证岩溶区介质结构的变化对覆盖区无扰动；而且，可模拟不同研究尺度、不同边界条件下岩溶水运动及溶质运移过程。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明一种覆盖型岩溶水运动及溶质运移过程的模块化试验装置的结构示意图；
图2为本发明一种覆盖型岩溶水运动及溶质运移过程的模块化试验装置中连接管道与槽体的部件连接分解图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示的一种覆盖型岩溶水运动及溶质运移过程的模块化试验装置，包括覆盖区试验槽，设置于覆盖区试验槽上方的降雨补给系统1，设置于覆盖区试验槽下方的岩溶区介质，并排设置于覆盖区试验槽侧边的上游水箱5，以及数据采集系统。
所述覆盖区试验槽包括槽体12和填充于槽体12中的覆盖区介质2，所述槽体12由模块板拼接而成覆盖区边界，槽体12轴长方向的一侧边与上游水箱5相连通、由上游水箱5为覆盖区介质2补给边界水流。
所述槽体12为方形槽，如长方体槽；所述覆盖区介质2为石英砂，所述模块板为有机玻璃板，将有机玻璃板通过螺栓拼接而成槽体12，槽体12可通过增减及改变模块板来实现试验尺度及覆盖区边界条件的改变。
所述降雨补给系统1沿着覆盖区试验槽轴长方向平行设置，用于为覆盖区介质2提供面状的降雨补给；所述降雨补给系统1包括供水管和若干个喷头，所述供水管通过支架与外设供水装置相连，若干个喷头等间距设置在供水管的管体上。降雨补给系统1可通过改变喷头处的阀门开度实现不同降雨强度，为覆盖区介质2提供稳定均匀的垂向水量补给。
所述岩溶区介质包括岩溶区裂隙-管道网络4、落水洞7和岩溶管道8，所述岩溶区裂隙-管道网络4由模块板经有机溶剂粘合而成岩溶区空间；所述模块板为有机玻璃板，将有机玻璃板经有机溶剂粘合成岩溶区裂隙-管道网络4，可根据需要构建不同裂隙宽度和管道尺寸的岩溶区裂隙-管道网络4，从而模拟不同裂隙宽度、管道尺寸条件下岩溶水运动及溶质运移过程。
所述岩溶区裂隙-管道网络4通过若干处连接管道10与槽体12的槽底相连、并与槽体12的覆盖区介质2保持水力连通，岩溶区裂隙-管道网络4的入水端与连接管道10相连、出水端与岩溶管道8相连；所述槽体12轴长方向的另一侧边的底端开设有试验槽泉口3，所述岩溶管道8的出水端设置有岩溶泉口9；所述试验槽泉口3和岩溶泉口9均设置有调节阀门。
所述上游水箱5的箱底通过落水洞7与岩溶管道8相连，由上游水箱5为岩溶区裂隙-管道网络4补给边界水流，上游水箱5通过与水位控制器6相连获得水位高度调节。
如图2所示，所述连接管道10与槽体12通过螺栓11依次贯穿槽底、止水垫片13、连接管道10的顶端边沿和螺母14进行锁紧。
所述数据采集系统包括依次相连的监测平台和计算机平台，所述监测平台用于对试验过程及环境进行监测、并将监测获得的监测数据传输给计算机平台，所述计算机平台用于对监测平台采集的监测数据进行数据处理。
所述监测平台包括设置于不同监测位置的液位及电导率传感器、超声波流量计、流速仪、水样取样孔，以及设置于试验所在位置的自动气象站；所述自动气象站包括自动雨量计、气压计、湿度计、温度计和蒸发皿。监测平台用于监测试验槽内水流及溶质运移状态，并采集试验气温、水温、湿度、气压等环境资料的水文和气象资料。不同监测位置包括试验槽泉口3和岩溶泉口9处。所述计算机平台包括配套的计算机数据采集软件。
试验装置的使用，通过降雨补给系统进行垂向水量补给和上游水箱进行补给边界水流，水介质通过石英砂覆盖区介质和岩溶区裂隙-管道网络调蓄后，经试验槽泉口和岩溶泉口排泄，设置于不同监测位置的液位及电导率传感器等可实时动态监测水流和溶质运动过程。
本发明的创新点在于，采用模块化设计，将覆盖区与岩溶区分离，可保证岩溶区介质结构的变化对覆盖区无扰动；而且，可模拟不同研究尺度、不同边界条件下岩溶水运动及溶质运移过程。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。