一种测定三维水动力弥散系数的地下水污染模拟装置的制作方法

1.本发明涉及水动力模拟测量装置领域，尤其涉及一种测定三维水动力弥散系数的地下水污染模拟装置。


背景技术：

2.在研究地下水溶质运移问题中，水动力弥散系数是一个很重要的参数，现在尤其是针对地下水污染弥散的研究中，水动力弥散系数是表征在一定流速下，多孔介质对某种污染物质弥散能力的参数，它在宏观上反映了多孔介质中地下水流动过程和空隙结构特征对溶质运移过程的影响。
3.现有水动力弥散系数多通过一维砂柱水动力弥散实验装置进行，由于地下水的流态和流速复杂，现有一维流测量方式无法完整反应地下水污染物运移过程的空间特征，同样无法反映溶质在三维空间内的弥散情况，传统水动力测量模拟装置无法支撑三维状态下的水动力弥散系数的关系，并且采用现有测量装置对水动力弥散系数进行测量时，溶液移动至装置边缘会转为蓄水状态，进而影响溶液在装置内部的移动速度，会影响水动力弥散系数的测量。
4.因此，针对现有技术的缺点，设计一种通过模拟地下水流动状态的测定三维水动力弥散系数的地下水污染模拟装置。


技术实现要素：

5.为了克服现有实验装置无法模拟地下水流动态，进而无法实现三维水动力弥散系数的测量和装置会影响溶液移动速度的缺点，本发明的技术问题：提供一种通过模拟地下水流动状态的测定三维水动力弥散系数的地下水污染模拟装置。
6.技术方案为：一种测定三维水动力弥散系数的地下水污染模拟装置，包括有收纳保护壳体，收纳保护壳体的左右两侧壁上分别设置有两个支撑弯杆，收纳保护壳体内通过四个支腿固定安装有测量实验壳体，测量实验壳体前后两侧和下侧壁均为通水的材料，收纳保护壳体和左侧的支撑弯杆上固定安装有下水箱，下水箱与外部存水装置连通，收纳保护壳体和右侧的支撑弯杆上固定安装有上水箱，上水箱位于下水箱的右上方，收纳保护壳体右后部固定安装有水泵，下水箱和上水箱与水泵分别通过通水管道连通，测量实验壳体左右两侧面分别开设有限位滑槽，测量实验壳体左右贯穿设置有水流模拟部件，水流模拟部件与支撑弯杆固接，水流模拟部件用于模拟地下水的流动状态和营造向周围土壤环境弥散的环境，测量实验壳体内分布设置有弥散测量组件，弥散测量组件用于配合测量实验土壤内的水动力弥散系数，水流模拟部件营造的土壤中地下水三维流动环境，通过空间内均匀分布的弥散测量组件进行测量，进而得到模拟地下水流动的三维水动力弥散系数，收纳保护壳体的左侧通过安装板固定安装有控制面板，控制面板分别与水流模拟部件和水泵电连接。
7.优选的技术方案，下水箱内上下两侧面均设置有第一引流板，两个第一引流板均
为由左至右向下倾斜设置，上水箱内左右两侧面上均设置有若干个第二引流板，左右两侧的若干个第二引流板为交错向下倾斜设置，上水箱上侧的通水管道为若干个分支设置。
8.优选的技术方案，水流模拟部件包括有旋钮，旋钮设置有两个，两个旋钮分别转动安装在前侧的支撑弯杆上，两个旋钮的内侧分别固接有自锁动力传递件，此处自锁动力传递件为蜗轮蜗杆传递件，两个自锁动力传递件输出端均固接有链轮，测量实验壳体左右两侧分别设置有一组螺杆，一组螺杆设置有两个，两组螺杆分别通过限位块转动安装在测量实验壳体上，每个螺杆的前端均固定安装有链轮，相邻的三个链轮之间绕设有链条，每个螺杆上均螺纹配合有两个螺纹限位环，左右同侧的每个螺纹限位环上均通过安装杆固定安装有一组通水组件，四组通水组件分别与测量实验壳体的限位滑槽滑动连接，通水组件用于模拟溶液流通的通道，测量实验壳体的限位滑槽内滑动设置有挡板，通水组件通过挡板与测量实验壳体滑动密封配合。
9.优选的技术方案，螺杆前后两部的螺纹为相反设置，上侧螺杆的螺纹间距比其下侧的螺纹间距密集。
10.优选的技术方案，通水组件包括有进水口，进水口滑动设置在测量实验壳体右侧的限位滑槽内，进水口通过弹性软管与上水箱下侧面连通，进水口与挡板固定连接，进水口左侧周向固接有四个第一滑杆，四个第一滑杆左端固接有圆形挡板，四个第一滑杆上均匀固定设置有若干个第一固定环，相邻两个第一滑杆之间分别固定安装有第一通水网，挡板、第一滑杆、第一固定环和第一通水网形成进水腔体，四个第一滑杆外侧均限位滑动连接有第二滑杆，四个第二滑杆上均匀固定设置有若干个第二固定环，相邻两个第二滑杆之间分别固定安装有第二通水网，第二滑杆、第二固定环和第二通水网形成弥散腔体，四个第二滑杆左端固接有出水口，出水口通过弹性软管与下水箱上侧面连通，出水口与下水箱连通的软管内均设置有流速感应器，出水口与下水箱软管内的流速感应器均与控制面板电连接。
11.优选的技术方案，第一通水网的孔径为均匀设置，第二通水网的孔径设置有三个直径，右部第二通水网的孔径最小，左部第二通水网的孔径最大。
12.优选的技术方案，弥散测量组件包括有数据采集器，数据采集器固定安装在收纳保护壳体左侧的安装板上，测量实验壳体内设置有六个固定杆，两个前后对称的固定杆为一组，三组固定杆左右均匀分布，固定杆上分别均匀固定安装有土壤基质势传感器，一组内的土壤基质势传感器与一个数据采集器电连接，测量实验壳体的土壤内与三组固定杆对应，均匀埋设有三组土壤溶质浓度传感器，一组内的土壤溶质浓度传感器分别与一个数据采集器电连接，相邻组的土壤基质势传感器和土壤溶质浓度传感器均与同一个数据采集器电连接。
13.优选的技术方案，一组内的土壤基质势传感器为不同高度设置，三组之间的土壤基质势传感器高度设定相同，一组内的土壤溶质浓度传感器为同一截面上周向设置，周向的土壤溶质浓度传感器绕中心的通水组件相同间距均匀设置。
14.优选的技术方案，还包括有水环境保持部件，水环境保持部件设置于收纳保护壳体和测量实验壳体之间，水环境保持部件包括有吸水保持件，吸水保持件固定安装在测量实验壳体的前后两侧面和下侧面上，两个左右对称的第一限位轨为一组设置有两组，两组第一限位轨前后对称分别限位滑动设置在测量实验壳体上，每个第一限位轨下端分别设置有楔形块，测量实验壳体下部前后对称限位滑动设置有第二限位轨，相邻的第一限位轨与
第二限位轨之间通过楔形块限位滑动配合，一组内两个第一限位轨对向侧分别开设有t形滑槽，两个第二限位轨对向侧分别开设有t形通槽，每个第一限位轨上部外侧设置有旋紧固定件，每组第一限位轨的t形滑槽之间限位滑动设置有两个转辊，两个第二限位轨之间分别贯穿滑动设置有四个转辊，每个转辊的两端分别设置有齿轮，每个第一限位轨的t形滑槽外侧部分别固定设置有齿条，两个第二限位轨的t形滑槽下表面分别固定设置有齿条，每个转辊的齿轮分别与相邻的齿条啮合，第一限位轨上的转辊中部转动设置有t形限位环，前后两侧的两个t形限位环之间滑动设置有v形限位框，收纳保护壳体前后两侧面上分别固定安装有电动液压杆，两个电动液压杆均与控制面板电连接，v形限位框的中部与电动液压杆的推杆端部固接，电动液压杆的推杆端部固接有t形限位杆，t形限位杆的外侧端与收纳保护壳体滑动连接，下侧的四个转辊前后两端分别固定安装有连接杆，两个连接杆的外侧面中部分别固接有滑动限位框，t形限位杆的内侧端与相邻的滑动限位框滑动连接，两个第二限位轨的左右两端之间分别固接有固定板，两个固定板与测量实验壳体之间分别固接有若干个拉簧。
15.优选的技术方案，吸水保持件采用保水率高且可形变的材料。
16.与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明通过水流模拟部件模拟地下水的流动状态，通过滑动设置的进水口和出水口，使水流模拟部件实现流道方向变化功能，且水流模拟部件内的进水腔体实现对水流冲力的减缓，同时通过弥散腔体模拟溶液流动态的弥散过程，通过弥散测量组件测量实验所需参数，通过土壤基质势传感器和不同方向上相同间距的土壤溶质浓度传感器，感应示踪剂的浓度和时间变化等数据，计算溶液在土壤中的三维水动力逸散系数，通过水环境保持部件对测量实验壳体的保水效果进行改变，以此控制外部环境对水动力弥散的影响，通过高保水率的吸水保持件实现对溶液在外界弥散速度的把控。
附图说明
17.图1为本发明的立体结构示意图。
18.图2为本发明的部分立体结构示意图。
19.图3为本发明的部分放大立体结构剖面图。
20.图4为本发明的另一部分放大立体结构剖面图。
21.图5为本发明水流模拟部件的部分立体结构放大图。
22.图6为本发明水流模拟部件一部分的立体结构剖面图。
23.图7为本发明弥散测量组件的立体结构示意图。
24.图8为本发明水环境保持部件的立体结构剖面图。
25.图9为本发明水环境保持部件的部分立体结构示意图。
26.附图标记说明：1-收纳保护壳体，101-支撑弯杆，2-测量实验壳体，3-下水箱，301-第一引流板，4-上水箱，401-第二引流板，5-水泵，501-通水管道，6-水流模拟部件，601-旋钮，602-自锁动力传递件，603-链轮，604-螺杆，605-螺纹限位环，606-进水口，607-挡板，608-第一滑杆，609-第一固定环，610-第一通水网，611-第二滑杆，612-第二固定环，613-第二通水网，614-出水口，7-弥散测量组件，701-数据采集器，702-固定杆，703-土壤基质势传感器，704-土壤溶质浓度传感器，8-水环境保持部件，801-吸水保持件，802-第一限位轨，
803-第二限位轨，804-旋紧固定件，805-转辊，806-齿条，807-t形限位环，808-v形限位框，809-电动液压杆，810-t形限位杆，811-连接杆，812-滑动限位框，813-固定板，814-拉簧，9-控制面板。
具体实施方式
27.以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
28.实施例1
29.一种测定三维水动力弥散系数的地下水污染模拟装置，如图1-图3所示，包括有收纳保护壳体1，收纳保护壳体1的左右两侧壁上分别设置有两个支撑弯杆101，收纳保护壳体1内通过四个支腿固定安装有测量实验壳体2，测量实验壳体2前后两侧和下侧壁均为通水的材料，通水材料用于溶液的排出，收纳保护壳体1和左侧的支撑弯杆101上固定安装有下水箱3，下水箱3与外部存水装置连通，下水箱3内上下两侧面均设置有第一引流板301，两个第一引流板301均为由左至右向下倾斜设置，下水箱3内的第一引流板301起到对溶液阻挡的作用，使刚进入下水箱3内的溶液进行阻挡并引流混合，防止溶液配比不均情况的发生，收纳保护壳体1和右侧的支撑弯杆101上固定安装有上水箱4，上水箱4位于下水箱3的右上方，收纳保护壳体1右后部固定安装有水泵5，下水箱3和上水箱4与水泵5分别通过通水管道501连通，上水箱4内左右两侧面上均设置有若干个第二引流板401，左右两侧的若干个第二引流板401为交错向下倾斜设置，上水箱4上侧的通水管道501为若干个分支设置，上水箱4内的第二引流板401减缓溶液向下落的速度，配合通水管道501的多分支，防止进入水流模拟部件6溶液的量不均匀，测量实验壳体2左右两侧面分别开设有限位滑槽，测量实验壳体2左右贯穿设置有水流模拟部件6，水流模拟部件6与支撑弯杆101固接，水流模拟部件6用于模拟地下水的流动状态和营造向周围土壤环境弥散的环境，测量实验壳体2内分布设置有弥散测量组件7，弥散测量组件7用于配合测量实验土壤内的水动力弥散系数，水流模拟部件6营造的土壤中地下水三维流动环境，通过空间内均匀分布的弥散测量组件7进行测量，进而得到模拟地下水流动的三维水动力弥散系数，收纳保护壳体1的左侧通过安装板固定安装有控制面板9，控制面板9分别与水流模拟部件6和水泵5电连接。
30.当使用者通过本装置对某类土壤环境下内地下水的水动力弥散系数进行测量时，首先针对模拟的地下水流动环境通过水流模拟部件6进行调整布设，其次使用者在测量实验壳体2内填入土壤，以实现对应土壤环境的营造，同样在填补土壤的过程中完成弥散测量组件7的配合布设，在土壤填入过程中根据需求通过塑料膜将土壤从左到右分为三部分，之后经过对测量实验壳体2的密封以后，减少测量实验壳体2内水分挥发情况的产生，之后通过存水装置向下水箱3内注入一定浓度示踪剂的溶液，然后使用者通过控制面板9启动水泵5工作，水泵5将下水箱3内的溶液通过通水管道501向上水箱4内递送，上水箱4内的溶液通过水流模拟部件6返回至下水箱3，以此形成一个水循环，以此实现对地下水持续流动状态的模拟，水循环的流速状态通过调整水泵5的工作状态实现，在水循环过程中，溶液通过水流模拟部件6向土壤中弥散，以此实现对地下水弥散情况的模拟，之后通过弥散测量组件7对三维的水动力弥散系数进行测量，使用者通过弥散测量组件7记录相关数据参数之后进行测算，在测量过程中随着溶液的减少，通过存水装置及时向下水箱3内补充循环所需的溶液，当测量完成后，通过控制面板9关闭水泵5。
31.实施例2
32.在实施例1的基础之上，如图2和图4-图6所示，水流模拟部件6包括有旋钮601，旋钮601设置有两个，两个旋钮601分别转动安装在前侧的支撑弯杆101上，两个旋钮601的内侧分别固接有自锁动力传递件602，此处自锁动力传递件602为蜗轮蜗杆传递件，两个自锁动力传递件602输出端均固接有链轮603，测量实验壳体2左右两侧分别设置有一组螺杆604，一组螺杆604设置有两个，两组螺杆604分别通过限位块转动安装在测量实验壳体2上，螺杆604前后两部的螺纹为相反设置，上侧螺杆604的螺纹间距比其下侧的螺纹间距密集，每个螺杆604的前端均固定安装有链轮603，相邻的三个链轮603之间绕设有链条，每个螺杆604上均螺纹配合有两个螺纹限位环605，左右同侧的每个螺纹限位环605上均通过安装杆固定安装有一组通水组件，四组通水组件分别与测量实验壳体2的限位滑槽滑动连接，通水组件用于模拟溶液流通的通道，测量实验壳体2的限位滑槽内滑动设置有挡板607，通水组件通过挡板607与测量实验壳体2滑动密封配合。
33.如图5和图6所示，通水组件包括有进水口606，进水口606滑动设置在测量实验壳体2右侧的限位滑槽内，进水口606通过弹性软管与上水箱4下侧面连通，进水口606与挡板607固定连接，进水口606左侧周向固接有四个第一滑杆608，四个第一滑杆608左端固接有圆形挡板，四个第一滑杆608上均匀固定设置有若干个第一固定环609，第一固定环609用于加强第一滑杆608的支撑强度，相邻两个第一滑杆608之间分别固定安装有第一通水网610，第一通水网610的孔径为均匀设置，挡板607、第一滑杆608、第一固定环609和第一通水网610形成进水腔体，四个第一滑杆608外侧均限位滑动连接有第二滑杆611，四个第二滑杆611上均匀固定设置有若干个第二固定环612，第二固定环612用于加强第二滑杆611的支撑强度，相邻两个第二滑杆611之间分别固定安装有第二通水网613，第二通水网613的孔径设置有三个直径，右部第二通水网613的孔径最小，左部第二通水网613的孔径最大，第二滑杆611、第二固定环612和第二通水网613形成弥散腔体，四个第二滑杆611左端固接有出水口614，出水口614通过弹性软管与下水箱3上侧面连通，出水口614与下水箱3连通的软管内均设置有流速感应器，出水口614与下水箱3软管内的流速感应器均与控制面板9电连接，通过流速感应器反馈出水口614的溶液流速。
34.水流模拟部件6用于模拟地下水的流动状态，由于地下水流道和流速不同且存在变化，因此设置有流道方向变化功能的水流模拟部件6来模拟地下水流动，每一组通水组件组成水流模拟部件6的一条流道，在测量实验壳体2填入土壤之前，使用者根据情况对两侧的旋钮601进行转动，以此调节进水口606和出水口614的方向，使用者转动旋钮601时，旋钮601通过自锁动力传递件602使链轮603发生转动，通过链轮603和链条的传递，螺杆604发生转动，螺杆604前后两部双向的螺纹带动其上的两个螺纹限位环605背向移动，螺纹限位环605带动同侧的进水口606或出水口614移动，以此实现对流道方向的调整，在流道调整过程中，下侧的进水口606和出水口614移动距离更远，以此实现水流模拟部件6四个流道的分散和聚拢。
35.水泵5启动之后溶液开始通过进水口606进入挡板607、第一滑杆608、第一固定环609和第一通水网610形成的进水腔体内，溶液通过第一通水网610进入第二滑杆611、第二固定环612和第二通水网613形成的弥散腔体内，弥散腔体内的溶液通过第二通水网613进入土壤内扩散，第二通水网613左部、中部和右部的不同直径设置，增加了流道对溶液通过
量实验变量的控制，使试验数据更为全面，进水腔体起到对初步进入水流模拟部件6流道溶液的缓冲作用，防止流态过快的溶液将土壤冲散或冲实，避免水流冲击影响溶液的弥散，进水腔体进入弥散腔体后，弥散腔体内的溶液同样具有左流动的趋势，以此实现实时状态下地下水的流态模拟。
36.如图2和图7所示，弥散测量组件7包括有数据采集器701，数据采集器701固定安装在收纳保护壳体1左侧的安装板上，测量实验壳体2内设置有六个固定杆702，两个前后对称的固定杆702为一组，三组固定杆702左右均匀分布，固定杆702上分别均匀固定安装有土壤基质势传感器703，一组内的土壤基质势传感器703与一个数据采集器701电连接，一组内的土壤基质势传感器703为不同高度设置，三组之间的土壤基质势传感器703高度设定相同，测量实验壳体2的土壤内与三组固定杆702对应，均匀埋设有三组土壤溶质浓度传感器704，一组内的土壤溶质浓度传感器704为同一截面上周向设置，周向的土壤溶质浓度传感器704绕中心的通水组件相同间距均匀设置，一组内的土壤溶质浓度传感器704分别与一个数据采集器701电连接，相邻组的土壤基质势传感器703和土壤溶质浓度传感器704均与同一个数据采集器701电连接。
37.弥散测量组件7用于测量实验所需参数，本装置采用的为连续注入示踪剂的方式对水动力弥散参数进行测量，通过土壤基质势传感器703测量土壤水的基质势的变化，通过土壤溶质浓度传感器704测量溶液浓度的变化，测得的数据通过电信号传递至数据采集器701，使用者通过数据采集器701获得不同时刻的数据变化，土壤溶质浓度传感器704根据流道的变化合理布设，当流道处于聚拢的状态下，不同方向上相同间距的土壤溶质浓度传感器704感应示踪剂的浓度和时间变化等数据，以此计算溶液在土壤中的三维水动力逸散系数。
38.实施例3
39.在实施例2的基础之上，如图2、图8和图9所示，还包括有水环境保持部件8，水环境保持部件8设置于收纳保护壳体1和测量实验壳体2之间，水环境保持部件8包括有吸水保持件801，吸水保持件801固定安装在测量实验壳体2的前后两侧面和下侧面上，吸水保持件801采用保水率高且可形变的材料，材料的保水效果好时，当水的吸收量极限后会降低对水的吸收速度，两个左右对称的第一限位轨802为一组设置有两组，两组第一限位轨802前后对称分别限位滑动设置在测量实验壳体2上，每个第一限位轨802下端分别设置有楔形块，测量实验壳体2下部前后对称限位滑动设置有第二限位轨803，相邻的第一限位轨802与第二限位轨803之间通过楔形块限位滑动配合，一组内两个第一限位轨802对向侧分别开设有t形滑槽，两个第二限位轨803对向侧分别开设有t形通槽，每个第一限位轨802上部外侧设置有旋紧固定件804，每组第一限位轨802的t形滑槽之间限位滑动设置有两个转辊805，两个第二限位轨803之间分别贯穿滑动设置有四个转辊805，每个转辊805的两端分别设置有齿轮，每个第一限位轨802的t形滑槽外侧部分别固定设置有齿条806，两个第二限位轨803的t形滑槽下表面分别固定设置有齿条806，每个转辊805的齿轮分别与相邻的齿条806啮合，第一限位轨802上的转辊805中部转动设置有t形限位环807，前后两侧的两个t形限位环807之间滑动设置有v形限位框808，收纳保护壳体1前后两侧面上分别固定安装有电动液压杆809，两个电动液压杆809均与控制面板9电连接，v形限位框808的中部与电动液压杆809的推杆端部固接，电动液压杆809的推杆端部固接有t形限位杆810，t形限位杆810的外侧端
与收纳保护壳体1滑动连接，下侧的四个转辊805前后两端分别固定安装有连接杆811，两个连接杆811的外侧面中部分别固接有滑动限位框812，t形限位杆810的内侧端与相邻的滑动限位框812滑动连接，两个第二限位轨803的左右两端之间分别固接有固定板813，两个固定板813与测量实验壳体2之间分别固接有若干个拉簧814。
40.由于装置内土壤环境面积有限，因此在测量过程中，若溶液向外运动且通过测量实验壳体2向外界排出时，测量实验壳体2通水材料的保水效果与土壤环境的保水效果不同时，会对土壤内溶液的运动速度造成影响，因此通过水环境保持部件8对测量实验壳体2的保水效果进行改变，以此控制外部环境对水动力弥散的影响，当材料的保水效果好时，当水的吸收量极限后会降低对水的吸收速度，因此本装置采用保水率高且可形变的材料，例如海绵等通过含水率控制对溶液的吸收速度，以此实现外部环境与溶液在土壤环境下逸散速度相同的效果，本装置此处使用海绵制得的吸水保持件801，在实验开始前需要使用者对实验土壤的保水率进行测量，然后提前设定对应的海绵内保水率相同的水环境，当溶液通过测量实验壳体2后被相同的保水率吸水保持件801吸收，之后吸水保持件801的吸水速度会逐渐降低，使用者通过控制面板9开启电动液压杆809工作，电动液压杆809带动v形限位框808和t形限位杆810同步左右往复移动，v形限位框808通过t形限位环807带动前后同侧的转辊805上下对向滑动，在转辊805滑动过程中，转辊805的齿轮沿齿条806发生转动，以此带动转辊805发生向外侧的转动，相应的t形限位杆810通过滑动限位框812带动连接杆811移动，连接杆811带动下侧的转辊805左右往复移动，下侧转辊805的齿轮沿第二限位轨803的齿条806转动，以此将三个吸水保持件801内的多余水份挤出，以此保持吸水保持件801稳定的吸水速度，实现对溶液在土壤内弥散速度的把控，对应不同的土壤弥散速度，拧松旋紧固定件804后，通过第一限位轨802上的把手调整转辊805与吸水保持件801配合的距离，第一限位轨802下端的楔形块拖动第二限位轨803向下或向上移动，然后通过旋紧固定件804对第一限位轨802与测量实验壳体2进行固定，以此调整前后同侧和下侧的转辊805与相邻吸水保持件801的配合距离，进而实现对吸水保持件801内含水量的把控，通过调整吸水保持件801的含水率对其吸水速度完成调整。
41.上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。