一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验装置

1.本实用新型涉及水文地质学、水文与水资源工程、地下水科学与工程、环境科学与工程、地质工程等技术领域，尤其涉及一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验装置。


背景技术：

2.岩溶水系统中的溶质运移过程十分复杂，其中岩溶管道与裂隙介质间的溶质交换对溶质运移过程具有十分重要的控制作用。在强降雨条件下，来自地表的各种水源常携带岩溶洼地的污染物通过落水洞集中补给进入地下河系统，脉冲式补给过程使得管道水位快速涨落，管道与裂隙介质间的水力关系不断变化，从而产生水流和溶质的交换。这个交换过程增加了污染物在岩溶水系统中的滞留时间，影响着污染物的物理-化学-生物反应变化、污染物浓度衰减过程与延迟释放等，从而影响着水质和生态安全，污染物在复杂岩溶水系统中的运移问题成为目前岩溶水文地质领域非常关注的前沿问题。
3.传统的室内物理模型试验中，基本上都考虑为稳定流试验条件，且多聚焦于水流的交换，而且只单独研究落水洞-裂隙介质或岩溶裂隙-管道的水流运动及溶质运移问题，并未将二者结合研究，这显然与野外实际过程不相符。此外，物理实验装置存在结构单一，水文因素不全面，可操作性弱的缺点。综上所述，有必要开发一种可适用于稳定流和非稳定流条件下的模拟落水洞-岩溶管道与裂隙介质间溶质交换的物理试验装置，以解决上述问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本实用新型提供了一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验装置，它是一种结构完整，空间布局合理、与实际岩溶结构还原度高的岩溶裂隙-管道含水介质试验装置。
5.所述岩溶管道与裂隙介质溶质交换的物理模型包括该物理试验装置包括：岩溶管道与裂隙介质溶质交换的物理模型、压力传感器系统和示踪剂浓度监测装置，所述岩溶管道与裂隙介质溶质交换的物理模型包括进水箱、示踪剂注入装置、稳水箱、砂箱和机架，所述压力传感器系统包括压力监测器和测压装置；
6.在机架的上方设有砂箱，在砂箱侧边设有稳水箱，在砂箱上部设有进水箱及示踪剂注入装置，示踪剂注入装置连接于进水箱，砂箱底部设置一隔板，该隔板和砂箱底部区域作为管道，在该管道的出口处设置出水口控制阀门一和出水口控制阀门二，在出水口阀门二上设置示踪剂浓度监测装置，用于监测出水口处的实时示踪剂浓度变化，在砂箱的背面开有若干测压阀门孔，用于作为压力监测器探头和测压装置的测压孔。
7.进一步地，进水箱、示踪剂注入装置和若干阀门组成进水装置，该若干阀门包括阀门一、阀门二、接口阀门和阀门四，进水箱侧边设置阀门一，进水箱底部连接软管，从上至下，该软管上依次设置有阀门二和阀门四，在阀门二和阀门四之间设置接口阀门，接口阀门
连接示踪剂注入装置，进水箱为该物理试验装置的唯一进水装置，用于控制该物理试验装置的进水量，通过控制进水量的多少来模拟非稳定流条件下岩溶管道与裂隙介质间的溶质交换情况，所述示踪剂注入装置主要由可人为控制速度的注射器组成，该注射器通过一短橡胶管与接口阀门连接。
8.进一步地，所述机架为固定连接的钢材架构，和/或，所述砂箱为顶部敞口的长方形箱体结构，砂箱中填充砖块或者不同粒径的砂粒，用于模拟不同的裂隙情况。
9.进一步地，在砂箱内部距左右两侧边缘10cm位置处设置垂直布置的左挡板和右挡板，左挡板和右挡板上采用激光开孔，孔的半径为0.3mm，相邻孔心距为18mm，后期采用胶带进行隔水处理，和/或，左挡板和右挡板与砂箱及隔板固定连接，围成两个水槽，即左水槽和右水槽，和/或，左水槽和右水槽底部的隔板中心处各开一个直径为40mm的过水孔一和过水孔二，过水孔一和过水孔二可用橡胶塞堵住而不透水。
10.进一步地，砂箱底部距离底面5cm处设置隔板，该隔板为水平隔板，和/或，测压阀门孔的直径为8mm，和/或，管道为方形管道，用于模拟岩溶管道区域，该管道的出口处采用直角出水口装置，和/或，该直接出水口装置包括出水口控制阀门一、电磁流量计、示踪剂浓度监测装置和出水口控制阀门二，管道连接软管，该软管上依次连接出水口控制阀门一、电磁流量计、示踪剂浓度监测装置和出水口控制阀门二。
11.进一步地，所述水平隔板的厚度为15mm，该水平隔板与砂箱所围成的通道作为模拟岩溶管道区域，和/或，所述水平隔板的中间区域采用激光开孔，孔的半径为0.3mm，相邻孔心距为18mm，用来作为裂隙介质和岩溶管道溶质交换的通道。
12.进一步地，左水槽及左挡板用于模拟落水洞处于稳定流及非稳定流条件下，部分水量和溶质进入裂隙介质中，其余水量和溶质通过过水孔一进入水平岩溶管道中，并与裂隙介质间发生溶质交换的现象。
13.进一步地，所述砂箱两侧分别设置有阀门组一和阀门组二，阀门组一下方设置阀门五，和/或，阀门组一对应侧的砂箱顶端延伸设置一支架，该支架连接固定的滑轮，该滑轮通过绳索连接稳水箱，稳水箱内设置有环形溢流板，稳水箱底部设置进水口和出水口，和/或，压力传感器包括压力传感探头、巡检仪和数据采集系统。
14.进一步地，所述电磁流量计为yh-lde-40型电磁流量计，和/或，所述示踪剂浓度监测装置为ltc f30/m10型solinst，用于监测水位和电导率。
15.进一步地，所述测压装置为测压板，该侧压板包括连杆、立柱和刻度板，和/或，所述刻度板竖直布置，且刻度板上有若干水平的刻度线，在刻度板的两侧固定连接立柱，立柱的底端通过连杆固定连接到机架的侧边上，在刻度板的外侧壁上通过上下对称的两排卡座板连接有若干根测压管，测压管的底端与测压软管连接，和/或，测压管为中空管状透明结构，测压管的顶端有敞口。
16.相较于现有技术，本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：可用以模拟非稳定和稳定流条件下落水洞-岩溶管道与裂隙介质受多种补给、径流、排泄条件影响下地下水运动及溶质交换过程，本物理试验装置结构完整，空间布局合理，可操作性强，影响因素可控。
附图说明
17.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
18.图1是本实用新型实施例中一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验装置的结构图。
19.图2是本实用新型实施例中一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验装置的结构细节图。
20.图3是本实用新型实施例中砂箱后视图。
21.图4是本实用新型实施例中砂箱隔板俯视结构图。
22.图5是本实用新型实施例中图2中的a-a剖视图。
23.图6是本实用新型实施例中砂箱底部区域示意图。
24.图7是本实用新型实施例中测压板俯视图及结构图。
25.附图中，1-进水箱，2-阀门一，3-阀门二，4-接口阀门，5-示踪剂注入装置，6-阀门四，7-滑轮，8-软绳，9-稳水箱，10-进水口，11-出水口，12-环形溢流板，13-阀门组一，14-砂箱，15-左挡板，16-过水孔一，17-阀门五，18-机架，19-管道，20-水平隔板，21-右挡板，22-过水孔二，23-阀门组二，24-出水口控制阀门一，25-电磁流量计，26-示踪剂浓度监测装置，27-出水口控制阀门二，28-压力监测器，29-左水槽，30-右水槽，31-测压阀门孔，32-万向脚轮，33-底部阀门，34-测压板，35-测压软管，36-卡座板，37-立柱，38-刻度板，39-测压管，40-连杆。
具体实施方式
26.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
27.本实用新型的实施例提供了一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验装置。本物理试验装置是根据鄂西岩溶区的多年野外地质调查和研究的基础提出来的，基于鄂西野外典型岩溶水系统的结构条件进行概化，可用于探究稳定流和非稳定流条件下岩溶管道与裂隙介质间溶质交换规律，基于该装置的试验成果不仅可以推动岩溶地下水溶质运移理论的发展，也为后期野外研究工作提供重要参考，以此可以检验试验装置与实际情况的还原度，并验证试验成果的正确性，对解决岩溶地下水环境保护问题和工程地质问题有重要作用。
28.请参考图1～5，图1是本实用新型实施例中一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验装置的结构图，图2是本实用新型实施例中一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验装置的结构细节图，图3是本实用新型实施例中砂箱后视图，图4是本实用新型实施例中砂箱隔板俯视结构图，图5是本实用新型实施例中图2中的a-a剖视图，图6是本实用新型实施例中砂箱底部区域示意图，图7是本实用新型实施例中测压板俯视图及结构图，一种模拟岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验装置，它包括：机架18为固定连接的方框结构，在机架18的上部设有试验主体装置-砂箱14，砂箱14为方形箱体结构，其顶部为敞口结构，砂箱14长1200mm，宽150mm，高500mm，砂箱14中可以填充砖块或者石英砂粒来充当岩溶裂隙介质，可以通过填充不同粒径的石英砂粒，不同排列方式的砖块来模拟不同的裂隙情况。
29.在砂箱14的侧边设有稳水装置9和压力监测器28，稳水箱9的高度根据试验需求来具体调节，在砂箱14顶部设有进水箱1和示踪剂注入装置5，示踪剂注入装置5内可以为一定浓度一定量的食盐水，注入过程采用人手动控制注入，避免因示踪剂的注入改变装置中水流的状态。砂箱14内有一块水平隔板20和两块竖直挡板，左右两块竖直挡板位于水平隔板20上方。在砂箱14底部距离底面5cm高度处设置一厚为15mm的水平隔板20，水平隔板20与砂箱底部区域模拟管道区域，在砂箱14内距离其左右两侧砂箱壁100mm处分别竖直设置左挡板15和右挡板21，两个挡板上均匀打孔，其厚度均为10mm，两块挡板、水平隔板20及砂箱14采用固定连接，稳定性良好，结构牢固。两块竖直挡板和水平隔板20将整个砂箱14分为四块区域，分别为左水槽29、中间介质区域、右水槽30及底部管道区域，中间介质区域可以填充砖块或者等粒径的石英砂粒来模拟岩溶裂隙介质。将两块竖直挡板和中间介质区域部分的水平隔板采用激光开孔，孔直径均为6mm，相邻孔心距为18mm，此外，水槽区域长100mm，宽150mm，高450mm，在左右水槽底部水平隔板上采用激光开一大孔，该大孔直径为40mm，与底部管道区域连通。水槽底部的孔可用橡胶塞进行阻水，以模拟多种不同的工况，左水槽29及左挡板15可以用于模拟落水洞处于稳定流及非稳定流条件下，部分水量和溶质进入裂隙介质中，其余水量和溶质通过底部开的过水孔一16进入水平岩溶管道中，并与裂隙介质间发生溶质交换的现象。水槽中和底部管道中的水和介质可通过小孔与岩溶裂隙介质区域发生水量和溶质的交换。右挡板21可用防水胶布进行阻水，模拟泉口不承压的工况。同时本试验装置岩溶管道出口唯一，符合自然条件下岩溶管道出口的情况。同时也可通过橡胶塞来对过水孔一16和过水孔二22的闭合来模拟溶质交换的不同路径的试验。
30.进水箱1、示踪剂注入装置5和若干阀门组成进水装置，进水箱1为一个底部开孔的立方体水箱，底部开孔与直管相连，时直管外接一阀门，阀门起到控制开关的作用，同之后再外接一三叉管，一端与示踪剂注入装置5相连，另一端为砂箱14注入水的端口。进水箱1侧边开口外接阀门一2，作为进水箱1的进水口，底部开口处与阀门二3相接，阀门二3可以用来控制进水箱1出水口的流量大小。示踪剂注入装置5为一大号型注射器，可以通过橡胶软管与阀门三4相接，采用手动控制注入示踪剂的量，连接处有阀门控制，阀门4可以减少外界空气对示踪剂注入的影响，阀门三4与阀门二3通过一个三叉管相接。
31.稳水箱9为顶部敞口中间有环形溢流板分隔的圆柱型玻璃箱结构，圆柱型玻璃箱底部正中央为进水口10，两侧溢流区域有出水口11，稳水箱9通过绳索8与定滑轮7连接，定滑轮7固定在支架顶部，稳水箱9整体中心对称和左右对称，稳水箱9通过可以调节高度的支架相连于砂箱14，稳水箱9可以有效的起到稳定水头和调节稳定水头的大小的作用。
32.砂箱14两侧均有若干个开口阀门，可以分别与稳水箱进行连接，可以以此来进行模拟稳定流条件下岩溶管道与裂隙介质间溶质交换的物理试验。
33.砂箱14底部管道出口处接一内径为30mm的圆管，之后再接一电磁流量计25，电磁流量计25是应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器，可以直接获得流量数据。电磁流量计25可以自动监测和记录砂箱14出口流量的变化，用于分析岩溶管道裂隙介质水流变化规律。之后管道采用直角弯管处理，管道出口可以放置示踪剂浓度监测装置26来实时监测出口示踪剂浓度变化情况，用于研究岩溶管道与裂隙介质溶质交换的结果。示踪剂浓度监测探头26为水位和电导率(示踪剂)为一个监测仪(ltc f30/m10型solinst)，可以通过电脑设置监测频次和时间间隔，然后通过计
算机得到试验时间内出口处示踪剂浓度变化曲线。
34.砂箱14背面管道区域及中间介质区域打孔安装阀门，即布设测压阀门孔31，作为压力传感器探头安装位置，孔径为8mm，在试验前期阶段也可用测压板34来进行试验。压力传感器28包括压力传感探头、巡检仪和数据采集系统，系统实时监测装置内部各测点的水头变化情况。
35.砂箱14、进水箱1和挡板均采用透明亚克力材料制作，亚克力是高质量有机玻璃，具有透明性好，强度高、易加工等特点。砂箱14两侧对称设置阀门组一13和阀门组二23，以此来控制砂箱水槽的水位高度，同时在砂箱14下端单独设置阀门五17，后期可作为示踪剂注入入口。机架18的底端连接有四个可固定的万向脚轮32。所述测压装置可使用压力自动监测装置或测压板34。
36.砂箱14中的水平隔板20如图4所示，隔板厚度为15mm，隔板中间区域采用激光开孔，孔直径6mm，相邻孔心距18mm，同时隔板左右两部分对应的水槽区域也采用激光开孔，两孔分别为过水孔一16和过水孔二22，过水孔一16和过水孔二22的直径均40mm，隔板20与砂箱14底部作为试验装置的管道区域，过水孔一16和过水孔二22也可用橡胶塞来采取封闭措施，以此来模拟不同条件下岩溶管道与裂隙介质间溶质交换情况。
37.两块竖直左挡板15和右挡板21也采用和水平隔板20相同的打孔方式。试验进行过程中可根据试验目的来对这竖直挡板的小孔进行封堵处理。
38.砂箱14底部区域如图6所示，单独开一小孔并安装底部阀门33，可以用来作为试验结束时的排水出口。
39.图3为砂箱14后视图，在砂箱14背面采用激光开若干孔并安装阀门组二23，孔径大小为8mm，阀门组二23可以安装定制的压力监测探头，压力监测探头与巡检仪及数据采集系统连接构成压力传感器系统，可自动监测并记录砂箱中各点水压力情况。
40.测压板34包括连杆40、立柱37和刻度板38，所述刻度板38竖直布置，在刻度板38的两侧固定连接立柱37，立柱37的底端通过连杆40固定连接到机架18的侧边上，在刻度板38的外侧壁上通过上下对称的两排卡座板36连接有若干根测压管39，测压管39的底端与测压软管35连接，测压管39为中空管状透明结构，测压管39的顶端有敞口，刻度板38上有若干水平的刻度线。
41.试验可变量情况：试验中可以进行稳定流条件下变水头和非稳定流条件下试验；试验中可以选取不同裂隙介质来进行试验；试验可以选取单边水槽来进行模拟试验。
42.实施例1：稳定流条件下岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验步骤：
①
试验装置中管道中基流的确定：自来水通过阀门2流入进水箱1中，保持孔16和孔22敞开，并打开阀门6和阀门24，通过控制阀门3和阀门27的大小，进而控制砂箱14的进出口流量，让水量能刚好充满管道，此时流量大小即为岩溶系统出口泉流量的基流量。
②
基流量确定后即可进行不同定水头下的试验。
③
打开阀门13的中的一个，并连接稳水箱9。
④
在基流量的基础上，增大进水箱1的下流水量，并在10s后缓慢注入配好的氯化钠溶液。
⑤
试验持续一段时间，不断检测装置出口的示踪剂浓度变化，当与自来水背景值相同时，即可停止试验。
⑥
每次试验结束，读取电磁流量计25、压力监测器28和示踪剂浓度监测探头的数据。
⑦
打开阀门13中的另一个，与稳水箱9连接，并重复上述步骤。
43.实施例2：非稳定流条件岩溶管道-裂隙介质间溶质交换的物理试验步骤：
①
保持
阀门组一13和阀门组二23的紧闭状态。
②
在进水箱1中蓄入不同的水量进行试验。
③
在进水箱1中蓄入一定体积的水量，调节阀门二3和阀门组二23的大小，控制水流的出口流量，保持阀门二3和阀门组二23的开关程度。
④
示踪剂注入时间在调节阀门后10s后进行，
⑤
试验持续一段时间，不断检测装置出口的示踪剂浓度变化，当与自来水背景值相同时，即可停止试验。
⑥
每次试验结束，读取电磁流量计25、压力监测器28和示踪剂浓度监测探头的数据。
⑦
打开阀门组一13中的任一个，与稳水箱9连接，并重复上述步骤。
44.本试验可以更换裂隙介质区的类型，重复上述稳定流及非稳定流条件下的步骤即可。本试验也可将右挡板21通过阻水胶带封住，进行单水槽模拟竖直落水洞及水平岩溶管道及裂隙介质间的溶质交换，也可模拟双水槽河间地块溶质交换规律。
45.试验可以改变示踪剂的注入时间，模拟不同污染程度下岩溶管道与裂隙介质间溶质交换机制。同时本试验装置岩溶管道出口唯一，符合自然条件下岩溶管道出口的情况。
46.本实用新型的有益效果是：可用以模拟非稳定和稳定流条件下落水洞-岩溶管道与裂隙介质受多种补给、径流、排泄条件影响下地下水运动及溶质交换过程，本物理试验装置结构完整，空间布局合理，可操作性强，影响因素可控。
47.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。