煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统及特征参数测定方法
【专利摘要】煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，包括底部构件、连接在底部构件上的一个或多个串联的土柱实验标准构件以及土柱实验标准构件顶部的煤矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置；模拟系统装土构件为多个标准构件且由计算机自动化控制，并且基于该系统实现四种形态的由煤矸石淋滤液制备的待融源消融入渗特征参数和水动力弥散系数的测定，测定时采用大直径的原状土柱进行室内实验，并给出了测试步骤及计算方法；煤矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置通过调温元件和冷热一体金属元件实现煤矸石淋滤液消融低温入渗模拟过程；具有实用性强，使用效果好，便于推广使用的特点。
【专利说明】
煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统及特征参数测定方法
技术领域
[0001] 本发明属于矿区环境保护领域，特别涉及一种煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系 统及特征参数测定方法。
【背景技术】
[0002] 降水主要是指降雨和降雪，水分以各种形式从大气到达地面，其它形式的降水还 包括露、霜、雹等。降水是水文循环的重要环节，也是人类用水的基本来源。降水资料是分析 合理洪枯水情、流域旱情的基础，也是水资源的开发利用如防洪、发电、灌溉等的规划设计 与管理运用的基础。降水入渗补给地下水的过程是大气水到土壤水到地下水"三水"相互转 换关系中最基本的环节之一，降水入渗对地下水的补给量即为降水补给量，它是地下水的 主要补给方式，同时，也是区域水均衡计算中的一个重要均衡要素。
[0003] 煤矸石是一种混合物，一般将采煤过程和选煤厂生产过程中排出的碳质岩、泥质 岩、砂质岩、粉砂岩和少量石灰石称为煤矸石，它是煤炭开采和加工过程中排放的废弃物。 目前我国煤矸石的处理方式主要是露天堆放，积存量已达41亿吨以上，并且每年仍以亿吨 以上的速度递增。煤矸石在雨水淋滤作用下形成酸性水，使大量的悬浮物、有机物对周围水 环境造成严重污染，是矿区环境污染的主要问题之一。淋滤液中的重金属元素毒性很强、 污染严重，对生物和人类健康均会造成危害，进入土壤后可向浅层地下水迀移。煤矸石淋滤 液入渗运移过程是一个多种组分和多相渗流的问题。
[0004] 土柱实验被广泛应用于农业、林业、地质、土木和环境等研究领域。应用土柱实验 可以在实验室内模拟土壤水分和污染物迀移规律。土柱通常分为原状土柱和扰动土柱两 种。原状土柱能够用来测试土体本身的结构及其物理性质；当前土柱实验一般采用扰动土 柱，扰动土柱是经过筛分形成，或者按照一定比例混合填装所形成的，其不能用来测试土体 本身的结构特性。不管采用哪种土柱进行试验，都存在以下问题:①土柱实验装土构件单节 长度大，便捷性差，以至于土柱安装困难，对仪器的清洗造成不便;②监测设备安装繁琐，需 要对土柱进行钻孔，破坏其结构性;③监测设备一般为人工观测，使得实验精度低、人为性 强。
[0005] 非饱和渗透系数与水动力弥散系数是描述非饱和土壤中水分运移和溶质输送的 重要函数关系，是分析降水条件下土坡稳定性、固体废物填埋场、地下污水的迀移和填土工 程等问题的重要参数。由于在非饱和土中有基质吸力的存在，确定煤矸石淋滤液入渗条件 下的特征参数具有较大的难度。非饱和渗透系数和水动力弥散系数的测定既可在实验室， 也可在现场进行。室内实验的优点是可在设定的水力边界条件下测试原状试样和重塑试样 的特征参数，同时与原位实测相比，室内实验周期短、经济且更成熟。但通常由于非饱和土 的成分、结构以及赋存环境的差异，导致了室内实验所用小试件难以代表真正土体的实际 情况。
[0006] CN103344538A公开了 一种非饱和土多功能渗透仪及其测试方法，其补水装置为马 氏瓶，所述马氏瓶包括上下部均密封的补水瓶和由上至下竖向插入补水瓶内的导管，所述 补水瓶的上部侧壁上开有进水口，补水瓶的底部侧壁上开有排气口和供水口，本专利只能 进行简单的降水渗透模拟，对于更为复杂的煤矸石淋滤液消融入渗模拟该专利不能实现也 没有给出这样的启示。
[0007] CN105181531A公开了一种黄土水分迀移规律室内模拟系统及特征参数测定方法， 其降雨模拟系统包括嵌入安装在室内模拟系统箱体顶部的降雨槽和设置在降雨槽底部的 圆形降雨孔，所述降雨槽的顶部设置有降雨槽内压力控制管和与外部水源连接的进水管， 所述进水管上设置有进水电磁阀、进水水栗和用于对降雨量进行实时检测的第一流量传感 器，所述降雨槽内压力控制管上设置有压力控制电磁阀和压力传感器，所述降雨槽内压力 控制管的端部连接有空气压缩机，所述降雨槽的顶部内壁上设置有用于对降雨槽的水位进 行实时检测的水位传感器，所述降雨孔的直径为〇.5_~1mm;本专利也只能进行降水渗透 模拟，对于煤矸石淋滤液消融入渗的模拟本专利也无法实现。
[0008] CN103604734A公开了一种雨强可控的非饱和土雨水入渗模拟系统，其雨强可控实 现的设备是这样的：所述的供水水箱中设置有供水水栗，供水水栗用供水水管连接溢流水 箱，所述的溢流水箱用溢流水管连接供水水箱，在溢流水箱底部还连接有一个雨滴发生器， 所述的雨滴发生器包括若干个与溢流水箱底部连通的导管，所述的导管上设置有调节阀， 导管的顶端设置有针头，针头固定在固定板上，固定板的下表面还设置有一个漏斗，所述的 漏斗的出料口位于模型箱顶部的开口上方，本专利也只能实现降雨时的雨强可控渗透模 拟，对于煤矸石淋滤液消融入渗的模拟本专利也无法实现。
【发明内容】
[0009] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种煤矸石淋滤液消融入 渗土柱模拟系统及特征参数测定方法，基于大直径的原状土柱进行室内实验，采用煤矸石 淋滤液消融入渗补给模拟系统，能够实现由煤矸石淋滤液制备的整冰块型待融源、粒径为 5cm-10cm的中等冰块型待融源、粒径为小于5cm的小冰块型待融源、以及由不同粒径组合而 成的混合型待融源的消融入渗模拟过程;模拟系统装土构件为多个标准构件且由计算机自 动化控制，并且基于该系统实现了特征参数测定，并给出了测试步骤及计算方法，具有实用 性强，使用效果好，便于推广使用的特点。
[0010] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0011] 煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，包括底部构件（1 )、连接在底部构件（1)上 的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的煤矸石淋滤 液消融入渗补给模拟装置(8);
[0012] 所述的底部构件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水点通过塑 料软管(2)接入出渗量量杯(3 )，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1 )，第三流量传 感器(3-1)接入计算机(7);底座（1-1)的上方设置有承力柱（1-2)，承力柱（1-2)的上部设 置有高进气值陶土板(1-3)，高进气值陶土板(1-3)的四周边沿均与底部构件（1)管件（1-7) 的内壁水平紧贴，高进气值陶土板（1-3)的顶部设置有滤纸（1-4)，滤纸（1-4)的上表面与原 状土样(12)接触;管件（1-7)的顶端设置有外螺纹连接段(1-6)，外螺纹连接段(1-6)通过法 兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；
[0013] 所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土柱实验标 准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁 (4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土柱实验标 准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接;插入件(5)通过橡胶塞(5-7)插入原状土样（12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7);土壤 热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样（12)内，土壤热传导吸力探头(4-7) 内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7) ;X射线荧光光谱探头(4-8)经圆形小孔(4-4)插入原状土样（12)内，X射线荧光光谱探头(4-8)所采集的数据都实时传输给计算机(7); 土柱实验标准构件(4)上固定有多个测压管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形 小孔(4-4)插入原状土样（12)内；所述的插入件（5)在土柱上按照同一列布置，土壤热传导 吸力探头(4-7)在土柱上按照同一列布置，X射线荧光光谱探头(4-8)在土柱上按照同一列 布置，测压管(4-9)在土柱上按照同一列布置；
[0014]所述的煤矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置(8)包括设置在土柱外侧的温度控制 器(8-1)以及通过导线（9)与其所连接的调温元件(8-3)，所述调温元件(8-3)位于顶盖(8-2)下方，顶盖(8-2)的顶部设置有超声波测距传感器(8-4)，顶盖(8-2)位于土柱实验标准构 件(4)上部的圆柱构件（10)的上方且紧密接触，圆柱构件（10)内的原状土样（12)上表面外 侧开有出液口（10-1)，所述出液口（10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯（13)，塑料软管 (2)上设置有第二流量传感器(13-1)，所述第二流量传感器(13-1)通过导线(9)接入计算机 (7)，原状土样(12)上设置有由煤矸石淋滤液制备的待融源(11);
[0015]所述的承力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)以及固定在其上的承力柱主体（1-21)，所述承力柱支座（1-22)与底座（1-1)为一体成型，承力柱支座（1-22)在土柱竖向投影 按照"一个圆心+以底座（1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份"方式布置;承力柱主体（1-21)长度不同使得底座(1 -1)呈现坡度；
[0016]所述的土柱底部构件（1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件（10)均由耐高温玻璃 钢制成；
[0017] 所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处 设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温湿度传感器探 头(4-5)或冷热一体金属元件(4-6)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的 尾部套设有轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的 外侧中段设置有挡板(5-3);
[0018] 所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为:纵 向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布；
[0019] 所述的卡箍(4-30)由两半圆环钢圈（4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡 箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧 程度，使标准圆柱构件紧密结合；
[0020] 所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2); [0021]所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置 有温度探测输入端(7-1)、温湿度探测输出端(7-2)、基质吸力探测输出端(7-3)和重金属离 子浓度监测值输出端(7-4);温度探测输入端(7-1)经导线（9)连接冷热一体金属元件(4-6)，温湿度探测输出端(7-2)经导线(9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端 (7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸力探头(4-7)，重金属离子浓度监测值输出端(7-4)经导 线(9)连接X射线荧光光谱探头(4-8);
[0022]所述的由煤矸石淋滤液制备的待融源（11)包括四种形态，整冰块型待融源、粒径 为5cm-10cm的中等冰块型待融源、粒径为小于5cm的小冰块型待融源、以及由不同粒径组合 而成的混合型待融源;在圆柱构件（10)与由煤矸石淋滤液制备的待融源（11)上表面所处的 水平面相交的圆柱构件（10)外壁上周向六等分设置有六个红外对射报警找平装置(J);煤 矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置(8)的一侧设置有搅碎机(H)，搅碎机(H)的出口连通伸 缩式传送装置(Q)，伸缩式传送装置(Q)的输送段连通至圆柱构件（10)内，在圆柱构件（10) 内且伸缩式传送装置(Q)下方设置有振动筛(R)，振动筛(R)的下方通过风扇固定结构B安装 有由软质塑料制成的三叶风扇(C)，振动筛(R)为可活动的百叶窗形式。
[0023]基于煤矸石淋滤液入渗土柱模拟系统的特征参数测定方法，包括以下步骤：
[0024] 步骤一、组装土柱实验标准构件
[0025]分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标 准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过 扳手上紧套在螺丝杆件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3) 上，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；
[0026]步骤二、安装原状土样
[0027]选取预先准备好的原状土样（12)，将原状土样（12)竖立在地面上，将已经连接好 的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样（12)，将原状土样（12)与土柱实验标准构件(4) 之间密封及防水处理保证后续实验时煤矸石淋滤液不从缝隙直接流下；
[0028]步骤三、组装土柱实验仪器设备
[0029]先将底座（1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体（1-21)套放在对应的承力 柱支座（1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气 值陶土板（1-3)上表面铺设有滤纸（1-4)，所述承力柱主体（1-21)、高进气值陶土板（1-3)、 滤纸（1-4)均位于管件（1-7)内部;在集水处最低位置设置一个出液孔外接塑料软管(2)，将 所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3 )，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传 感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7)，然后将法兰(6)的法兰 螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件 (1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样（12)通过土柱 实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件（1)上端的法兰(6)的法兰螺纹 (6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样（12)位于底 部构件（1)滤纸（1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件（10)进行连接；
[0030] 步骤四、测定原状土样的初始状态
[0031] 原状土样（12)的初始含水率：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样（12) 的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号 通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样 (12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的湿度信号记录为各个测试点处原状 土样(12)的初始含水率0。；
[0032]原状土样（12)的初始温度：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样（12)的 温度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通 过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12) 的温度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的温度信号记录为各个测试点处原状土样 (12)的初始温度T c;
[0033]原状土样（12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样（12) 的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测 信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土 样（12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样（12)的基质吸力信号记录为各个测试 点处原状土样（12)的初始基质吸力?％;
[0034]原状土样（12)的重金属离子浓度本底值:多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对初 始状态的原状土样（12)重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微 控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机 (7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原 状土样(12)的重金属离子浓度信号记录为各个测试点重金属离子浓度本底值c;
[0035]原状土样（12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样（12)的水头高度进 行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h。；
[0036]原状土样（12)的饱和含水率:将原状土样（12)的取样地点带回的其它土样进行饱 和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率;取土样放入称量盒内，为其注水直至水面 浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和称量盒放入烘箱内，
进行烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为ms，之后利用公式 计 算求得原状土样(12)的饱和含水率0sat;
[0037] 步骤五、模拟煤矸石淋滤液消融入渗
[0038] (1 )、当需要模拟由煤矸石淋滤液制备的整冰块型待融源的消融入渗模拟过程时， 只需要将整冰块型待融源（11)放在原状土样（12)上；当需要模拟由煤矸石淋滤液制备的粒 径为5cm-10cm的中等冰块型待融源、粒径为小于5cm的小冰块型待融源、以及由不同粒径组 合而成的混合型待融源的消融入渗模拟过程时，启动搅碎机(H)，由煤矸石淋滤液制备的待 融源（11)在搅碎机(H)中搅碎后通过伸缩式传送装置(Q)输送到振动筛(R)上，伸缩式传送 装置(Q)在圆柱构件（10)内来回伸缩运动，伴随着振动筛自转，从而实现将搅碎的由煤矸石 淋滤液制备的待融源（11)均匀地洒落在振动筛(R)的上表面，保证搅碎后的由煤矸石淋滤 液制备的待融源（11)不成堆聚集在振动筛(R);振动筛(R)设置为可活动的百叶窗形式，能 够随着由煤矸石淋滤液制备的待融源（11)的粒径大小进行自动调节，当进行消融时，百叶 窗的开口设置为最大，以便调温元件(8-3)更好地进行消融加热;三叶风扇(C)扇叶转速较 慢，从而使降下的由煤矸石淋滤液制备的待融源（11)平整;六个红外对射报警找平装置(J) 两两成对构成一组实现对射找平，可全面扫描监测原状土样（12)上的由煤矸石淋滤液制备 的待融源（11)上表面是否水平；
[0039] (2)、计算机(7)发出信号接通温度控制器(8-1)的供电回路，从而控制调温元件 (8-3)加热到预设实验温度h，温度控制器(8-1)对调温元件(8-3)进行实时监测并将监测 到的信号实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的监测值与调温元件(8-3)预设实 验温度Ti相比对，当监测值达到调温元件(8-3)预设实验温度^时，计算机(7)向温度控制器 (8-1)发出信号断开调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)停止加热，当监测值低于调 温元件(8-3)预设实验温度^时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度控制器(8-1)发出信号 接通调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)开始加热，从而使调温元件(8-3)保持为预 设实验温度Ti;预设实验温度1\的范围为0°C~80°C ;
[0040] (3)、计算机(7)发出信号经微控制器(7-0)从温度探测输入端(7-1)经导线(9)到 达冷热一体金属元件(4-6)，控制冷热一体金属元件(4-6)开始工作，使原状土样（12)达到 预设实验温度T2;煤矸石淋滤液消融入渗模拟过程中，埋置于原状土样（12)的温湿度传感 器探头(4-5)对附近土壤的温度进行实时监测并将监测到的信号经导线（9)通过微控制器 (7-0)的温湿度输出端(7-2)实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的温度监测值与 冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度T 2相比对，当温度监测值高于冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度^时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制 冷热一体金属元件(4-6)开始制冷，当温度监测值低于冷热一体金属元件(4-6)预设实验温 度!^时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制冷热一体金属 元件(4-6)开始加热，从而使冷热一体金属元件(4-6)的温度保持为预设实验温度T 2，模拟 出了煤矸石淋滤液消融低温入渗条件;预设实验温度12的范围为-20°C~20°C;
[0041 ] (4)、在模拟煤矸石淋滤液消融入渗的过程中，未渗入原状土样（12)内的煤矸石淋 滤液从所述出液口（10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯（13);渗出原状土样 (12)内的煤矸石淋滤液从所述通液孔（1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量 杯(3);在煤矸石淋滤液消融入渗过程中，当相邻的两个采样时刻的未渗入原状土样（12)内 的煤矸石淋滤液的量的差值小于等于lcm 3时，说明达到了煤矸石淋滤液消融入渗稳定，停 止实验;此时，查看径流量测量量杯（13)内未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量，并 将该读数记录为煤矸石淋滤液消融径流量查看出渗量测量量杯（3)内渗出原状土样 (12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液消融出渗量Q。;根据原状土样 (12)入渗稳定时上表层处的含水率0，结合原状土样（12)上表层处的初始含水率0。，从而换 算出煤矸石淋滤液消融入渗量Q r;煤矸石淋滤液消融入渗量Qr与煤矸石淋滤液消融径流量 Qj的和即为煤矸石淋滤液总消融量Qz;对于由煤矸石淋滤液制备的整冰块型待融源总量Q 、，可将其换算为对应的4°C下煤矸石淋滤液的体积求得;对于由搅碎机(H)产生的待融源 总量Q'z，可由投入搅碎机(H)的煤矸石淋滤液制备的冰块所对应的4°C下煤矸石淋滤液的 体积乂:与搅碎机(H)内所有的剩余由煤矸石淋滤液制备的冰块所对应的4°C下煤矸石淋滤 液的体积V 2之差来确定，所述的冰块是边长为lcm的立方体冰块；
[0042]步骤六、模拟过程中的各参数监测
[0043]多个温湿度传感器探头(4-5)分别对模拟过程中的原状土样（12)的温湿度进行监 测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路 实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的温度、湿度信 号，并将各个测试点处原状土样（12)的温度、湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的 温度h、含水率0 1;多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样（12)的基 质吸力进行监测，将监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信 号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样 (12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样（12)的基质吸力信号记录为各个测试点 记录时刻对应的基质吸力Fa;多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对模拟过程中的原状土样 (12)的重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微控制器(7-0)，微 控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录 多个测试点处原状土样（12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的重 金属离子浓度信号记录为各个测试点记录时刻对应的重金属离子浓度c 1;多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点记录时刻对应的水头高度h1;
[0044] 上述所有的监测，其监测时间频率设置如下:煤矸石淋滤液入渗5分钟内，记录时 间间隔为5秒，煤矸石淋滤液入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，煤矸石淋滤液入渗15-30分钟内，记录时间间隔为15秒，煤矸石淋滤液入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，煤 矸石淋滤液入渗60分钟以后记录时间间隔为60秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上；
[0045] 步骤七、模拟过程中监测结果分析
[0046] 对所记录的某一时刻的温度h、基质吸力Fa和重金属离子浓度(^监测数据做插值 处理，得到某一时刻原状土样（12)所对应的温度云图、基质吸力云图和重金属离子浓度云 图；同时对所记录的某一时刻原状土样（12)所对应的含水率0:监测数据做插值处理，得到 某一时刻原状土样(12)对应的含水率云图；
[0047] 依据含水率云图的变化规律，找出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润 前锋的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位 置连线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律;根据含水率云图，依 据含水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率0 sat的等值线，从而确定完全饱和带， 所述完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋 与完全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率9 sat等值线之间的区 域被定义为煤矸石淋滤液入渗过渡带；
[0048]绘制基质吸力F4P含水率0:的关系图，从而分别得到各土层的土-水特征曲线；
[0049] 步骤八、煤矸石淋滤液消融入渗系数及消融率计算
[0050] 根据公式Qr = Qz_Qj，计算得到煤矸石淋滤液入渗量Qr，单位为cm3;其中Q z为煤矸石 淋滤液总消融量，单位为cm3; Qj为煤矸石淋滤液径流量，单位为cm3;
[0051 ]根据公式AS = Qr-Qc，计算得到煤矸石淋滤液入渗的亏损量AS，单位为cm3;其中 Qi?为煤矸石淋滤液入渗量，单位为cm3; Qc为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm3;
[0052]根据公式Vr = Qr/t计算得到煤矸石淋滤液入渗率Vr，单位为cm3/s;其中Qr为煤矸石 淋滤液入渗量，单位为cm3; t为实验测试时间，单位为S;
[0053]根据公式Vc = Qc/t计算得到煤矸石淋滤液出渗率V。，单位为cm3/s;其中Qc为煤矸石 淋滤液出渗量，单位为cm3; t为实验测试时间，单位为s;
[0054] 根据公式a = Qc/Qz计算得到煤矸石淋滤液消融入渗系数a，单位为无量纲；其中Qc 为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm3; Qz为煤矸石淋滤液总消融量；
[0055] 根据公式a' =QZ/Q、计算得到由煤矸石淋滤液制备的待融源消融率a'，单位为无 量纲;其中Qz为由煤矸石淋滤液制备的待融源总消融量，单位为cn^Q、为由煤矸石淋滤液 制备的待融源总量，单位为cm 3;
[0056]步骤九、非饱和渗透系数计算
[0057]基于土柱实验的煤矸石淋滤液入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下
(1)
[0059] 将Darcy定律代入以上方程（1)得
(2)
[0061]对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式
(3)
[0063] 根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力（o-Ua)和基质吸 力值的变化将会引起体积含水率^的变化，BP
[0064] dBw = j (2^ - (4):
[0065] 式中：〇--总应力；
[0066] miw一一与法向应力(〇_ua)变化有关的水的体积变化系数；
[0067] <--与基质吸力(ua_uw)变化有关的水的体积变化系数；
[0068] 将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作 用，假定在非饱和区气相连续不变，得
[0071]由（3)、（5)式可得 (5) 即土-水特征曲线的斜率；
(6)
[0073]其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲;h为总水头高度，单位为cm;y为土柱测 点高度，单位为cm; y w为水的重度，单位为N/m3; 为土-水特征曲线的斜率，单位为无量 纲;t为时间，单位为s;
[0074]依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制 其分布图；
[0075]步骤十、水动力弥散系数计算
[0076]由水量均衡原理，土柱上任意截面y处的水分通量qy，可表示为
(7) (8)
[0079]式中：qy为任意截面y处的水分通量，cm/d; qo为土柱顶部的进水量，cm/d; 9为体积 含水率，cm3/cm3; A t为时段，A t = t2-ti，d;k为时段数；
[0080] 土柱上任意截面y处的溶质通量Jy由质量守恒原理得 (9； (10)
[0083]式中：Jy为任意截面y处的溶质通量，gAcm2 ? d) ; Jo为土柱顶部的溶质通量，g/ (〇112.(1);(^为土壤溶液浓度，8/〇1113;9为体积含水率，〇111 3/〇1113;八1：为时段，八七=七2-1：1，(1;1^ 为时段数；
[0084]根据水动力弥散原理，溶质通量等于水动力弥散通量与对流通量之和，即
[0087]式中:Dsh为水动力弥散系数，cm2/d;其余符号同前。 (11) 02)
(13)
[0089] 将前面计算出的和jfK代入上式即可计算水动力弥散系数Dsh，若取一系列y 断面则可计算出一系列Dsh，从而将Dsh和对应的非饱和渗透系数k或孔隙流速v拟合成经验 公式。
[0090] 本发明的优点：
[0091] 1.本发明的土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体连接成一个圆柱体，可 以方便地进行原状样和重塑样的实验，同时方便实验仪器的清洗工作，克服目前土柱实验 难以采用原状样进行实验以及后期清洗工作复杂的缺陷。
[0092] 2.橡胶塞(5-7)与插入件(5)的配合使用，克服现有土柱实验测试元件插入时溢水 及水分亏损的缺陷，具有测试结果精确、可靠性高、可重复使用的优点。
[0093] 3. 土柱实验标准构件(4)可根据实验要求多个串联，克服了现有技术中土柱实验 中装土部件单节长度大、操作不便的缺陷;且整个系统的各部件采用标准构件，使得实验标 准化，实验效率大大提尚。
[0094] 4.将模拟系统与计算机连接，实现自动化控制，具有精确性、标准性高的特点，克 服了现阶段大部分的仪器设备人工操作容易出现误差的缺陷。
[0095] 5.本发明的煤矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置(8)通过调温元件(8-3)和冷热 一体金属元件(4-6)实现煤矸石淋滤液消融低温入渗模拟过程。
[0096] 6、基于煤矸石淋滤液入渗土柱模拟系统实现特征参数的测定，并给出了测试步骤 及计算方法，具有实用性强，使用效果好，便于推广使用的特点。
[0097] 7、本发明基于大直径(不小于50cm)的原状土柱进行室内实验，与传统的室内实验 小试件相比，能够更好地代表真正土体的实际情况;与原位实测相比，本发明的大直径原状 土柱实验也具备周期短、花费少、技术手段成熟的特点。
[0098] 8、本发明首次提出由煤矸石淋滤液制备的四种形态下的待融源，即整冰块型待融 源、粒径为5cm-10cm的中等冰块型待融源、粒径为小于5cm的小冰块型待融源、以及由不同 粒径组合而成的混合型待融源，为合理研究煤矸石淋滤液消融入渗提供了可行的途径。
[0099] 9、本发明首次提出多种形式下的煤矸石淋滤液入渗土柱模拟系统及特征参数的 测定，本发明结构新颖合理，能够有效模拟煤矸石淋滤液入渗的多种工况，具有准确度高、 可靠性强。
【附图说明】
[0100] 图1A是本发明的系统总图。
[0101] 图1B是本发明中煤矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置(8)的示意图。
[0102] 图1C是红外对射报警找平装置(J)示意图。
[0103] 图2是土柱实验标准构件(4)与底部构件(1)的装配图。
[0104]图3是土柱实验标准构件(4)中管壁(4-1)示意图，其中图3A是主视图，图3B是后视 图。
[0105] 图4是图2中A处的放大图。
[0106] 图5是底座(1-1)的俯视图。
[0107]图6是插入件(5)的示意图。
[0108]图7是插入件(5)中橡胶塞(5-7)的示意图。
[0109 ]图8是本发明的卡箍(4-30)的拆分示意图。
[0110]图9是法兰(6)的示意图。
【具体实施方式】
[0111] 下面参照附图对本发明做详细叙述。
[0112] 参照图1A，煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，包括底部构件（1 )、连接在底部 构件（1)上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的煤 矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置(8);
[0113] 参照图2,所述的底部构件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水 点通过塑料软管（2)接入出渗量量杯(3)，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1)，第 三流量传感器(3-1)接入计算机(7);底座（1-1)的上方设置有承力柱（1-2)，承力柱(1-2)的 上部设置有高进气值陶土板（1-3)，高进气值陶土板（1-3)的四周边沿均与底部构件（1)管 件（1-7)的内壁水平紧贴，高进气值陶土板（1-3)的顶部设置有滤纸（1-4)，滤纸（1-4)的上 表面与原状土样(12)接触;管件（1-7)的顶端设置有外螺纹连接段(1-6)，外螺纹连接段(1- 6)通过法兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；
[0114] 参照图3,所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过 土柱实验标准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构 件(4)的管壁(4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个 土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接;插入件(5)通过 橡胶塞(5-7)插入原状土样(12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机 (7);土壤热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样（12)内，土壤热传导吸力探 头(4-7)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7) ;X射线荧光光谱探头(4-8)经圆形 小孔(4-4)插入原状土样（12)内，X射线荧光光谱探头(4-8)所采集的数据都实时传输给计 算机(7); 土柱实验标准构件(4)上固定有多个测压管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水 口经圆形小孔(4-4)插入原状土样（12)内；所述的插入件（5)在土柱上按照同一列布置，土 壤热传导吸力探头(4-7)在土柱上按照同一列布置，X射线荧光光谱探头(4-8)在土柱上按 照同一列布置，测压管(4-9)在土柱上按照同一列布置；
[0115] 参照图1B，所述的煤矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置(8)包括设置在土柱外侧 的温度控制器(8-1)以及通过导线(9)与其所连接的调温元件(8-3)，所述调温元件(8-3)位 于顶盖(8-2)下方，顶盖(8-2)的顶部设置有超声波测距传感器(8-4)，顶盖(8-2)位于土柱 实验标准构件（4)上部的圆柱构件（10)的上方且紧密接触，圆柱构件（10)内的原状土样 (12) 上表面外侧开有出液口（10-1)，所述出液口（10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯 (13) ，塑料软管(2)上设置有第二流量传感器（13-1)，所述第二流量传感器（13-1)通过导 线(9)接入计算机(7)，原状土样(12)上设置有由煤矸石淋滤液制备的待融源(11);
[0116] 参照图4、图5,所述的承力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)以及固定在其上的承力 柱主体(1-21)，所述承力柱支座（1-22)与底座（1-1)为一体成型，承力柱支座（1-22)在土柱 竖向投影按照"一个圆心+以底座（1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份"方式布置;承力柱 主体(1-21)长度不同使得底座(1-1)呈现坡度；
[0117]所述的土柱底部构件（1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件（10)均由耐高温玻璃 钢制成；
[0118] 参照图6、图7,所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部 管道的转角处设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温 湿度传感器探头(4-5)或冷热一体金属元件(4-6)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接， 弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5- 5) ，插入件(5)的外侧中段设置有挡板(5-3);
[0119] 所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为:纵 向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布；
[0120] 参照图8,所述的卡箍（4-30)由两半圆环钢圈（4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍 (4-30)的松紧程度，使标准圆柱构件紧密结合；
[0121] 参照图9,所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把 手(6-2);
[0122] 所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置 有温度探测输入端(7-1)、温湿度探测输出端(7-2)、基质吸力探测输出端(7-3)和重金属离 子浓度监测值输出端(7-4);温度探测输入端(7-1)经导线（9)连接冷热一体金属元件(4- 6) ，温湿度探测输出端(7-2)经导线(9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端 (7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸力探头(4-7)，重金属离子浓度监测值输出端(7-4)经导 线(9)连接X射线荧光光谱探头(4-8);
[0123] 参照图1B、图1C，所述的由煤矸石淋滤液制备的待融源（11)设定为四种形态，整冰 块型待融源、粒径为5cm-10cm的中等冰块型待融源、粒径为小于5cm的小冰块型待融源、以 及由不同粒径组合而成的混合型待融源;在圆柱构件（10)与由煤矸石淋滤液制备的待融源 (11)上表面所处的水平面相交的圆柱构件（10)外壁上周向六等分设置有六个红外对射报 警找平装置(J);煤矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置(8)的一侧设置有搅碎机(H)，搅碎机 (H)的出口连通伸缩式传送装置(Q)，伸缩式传送装置(Q)的输送段连通至圆柱构件（10)内， 在圆柱构件（10)内且伸缩式传送装置(Q)下方设置有振动筛(R)，振动筛(R)的下方通过风 扇固定结构B安装有由软质塑料制成的三叶风扇(C)，振动筛(R)为可活动的百叶窗形式。
[0124] 基于煤矸石淋滤液入渗土柱模拟系统的特征参数测定方法，包括以下步骤：
[0125] 步骤一、组装土柱实验标准构件
[0126] 分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标 准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过 扳手上紧套在螺丝杆件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3) 上，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；
[0127] 步骤二、安装原状土样
[0128] 选取预先准备好的原状土样（12)，将原状土样（12)竖立在地面上，将已经连接好 的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样（12)，将原状土样（12)与土柱实验标准构件(4) 之间密封及防水处理保证后续实验时煤矸石淋滤液不从缝隙直接流下；
[0129] 步骤三、组装土柱实验仪器设备
[0130]先将底座（1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体（1-21)套放在对应的承力 柱支座（1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气 值陶土板（1-3)上表面铺设有滤纸（1-4)，所述承力柱主体（1-21)、高进气值陶土板（1-3)、 滤纸（1-4)均位于管件（1-7)内部;在集水处最低位置设置一个出液孔外接塑料软管(2)，将 所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3 )，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传 感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7)，然后将法兰(6)的法兰 螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件 (1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样（12)通过土柱 实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件（1)上端的法兰(6)的法兰螺纹 (6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样（12)位于底 部构件（1)滤纸（1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件（10)进行连接；
[0131]步骤四、测定原状土样的初始状态
[0132] 原状土样（12)的初始含水率:多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样（12) 的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号 通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样 (12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土 样(12)的初始含水率0。；
[0133] 原状土样（12)的初始温度：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样（12)的 温度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通 过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12) 的温度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的温度信号记录为各个测试点处原状土样 (12)的初始温度Tc;
[0134] 原状土样（12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样（12) 的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测 信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土 样（12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样（12)的基质吸力信号记录为各个测试 点处原状土样（12)的初始基质吸力?％;
[0135] 原状土样（12)的重金属离子浓度本底值:多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对初 始状态的原状土样（12)重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微 控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机 (7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原 状土样(12)的重金属离子浓度信号记录为各个测试点重金属离子浓度本底值c;
[0136] 原状土样（12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样（12)的水头高度进 行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h。；
[0137] 原状土样（12)的饱和含水率:将原状土样（12)的取样地点带回的其它土样进行饱 和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率;取土样放入称量盒内，为其注水直至水面 浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和称量盒放入烘箱内， 进行烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为ms，之后利用公式
计 算求得原状土样(12)的饱和含水率0sat;
[0138] 步骤五、模拟煤矸石淋滤液消融入渗
[0139] (1)、当需要模拟由煤矸石淋滤液制备的整冰块型待融源的消融入渗模拟过程时， 只需要将整冰块型待融源（11)放在原状土样（12)上；当需要模拟由煤矸石淋滤液制备的粒 径为5cm-10cm的中等冰块型待融源、粒径为小于5cm的小冰块型待融源、以及由不同粒径组 合而成的混合型待融源的消融入渗模拟过程时，启动搅碎机(H)，由煤矸石淋滤液制备的待 融源（11)在搅碎机(H)中搅碎后通过伸缩式传送装置(Q)输送到振动筛(R)上，伸缩式传送 装置(Q)在圆柱构件（10)内来回伸缩运动，伴随着振动筛自转，从而实现将搅碎的由煤矸石 淋滤液制备的待融源（11)均匀地洒落在振动筛(R)的上表面，保证搅碎后的由煤矸石淋滤 液制备的待融源（11)不成堆聚集在振动筛(R);振动筛(R)设置为可活动的百叶窗形式，能 够随着由煤矸石淋滤液制备的待融源（11)的粒径大小进行自动调节，当进行消融时，百叶 窗的开口设置为最大，以便调温元件(8-3)更好地进行消融加热;三叶风扇(C)扇叶转速较 慢，从而使降下的由煤矸石淋滤液制备的待融源（11)平整;六个红外对射报警找平装置(J) 两两成对构成一组实现对射找平，可全面扫描监测原状土样（12)上的由煤矸石淋滤液制备 的待融源（11)上表面是否水平；
[0140] (2)、计算机(7)发出信号接通温度控制器(8-1)的供电回路，从而控制调温元件 (8-3)加热到预设实验温度h，温度控制器(8-1)对调温元件(8-3)进行实时监测并将监测 到的信号实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的监测值与调温元件(8-3)预设实 验温度Ti相比对，当监测值达到调温元件(8-3)预设实验温度^时，计算机(7)向温度控制器 (8-1)发出信号断开调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)停止加热，当监测值低于调 温元件(8-3)预设实验温度^时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度控制器(8-1)发出信号 接通调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)开始加热，从而使调温元件(8-3)保持为预 设实验温度Ti;预设实验温度1\的范围为0°C~80°C ;
[0141] (3)、计算机(7)发出信号经微控制器(7-0)从温度探测输入端(7-1)经导线(9)到 达冷热一体金属元件(4-6)，控制冷热一体金属元件(4-6)开始工作，使原状土样（12)达到 预设实验温度T 2;煤矸石淋滤液消融入渗模拟过程中，埋置于原状土样（12)的温湿度传感 器探头(4-5)对附近土壤的温度进行实时监测并将监测到的信号经导线（9)通过微控制器 (7-0)的温湿度输出端(7-2)实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的温度监测值与 冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度T2相比对，当温度监测值高于冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度^时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制 冷热一体金属元件(4-6)开始制冷，当温度监测值低于冷热一体金属元件(4-6)预设实验温 度!^时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制冷热一体金属 元件(4-6)开始加热，从而使冷热一体金属元件(4-6)的温度保持为预设实验温度T 2，模拟 出了煤矸石淋滤液消融低温入渗条件;预设实验温度12的范围为-20°C~20°C ;
[0142] (4)、在模拟煤矸石淋滤液消融入渗的过程中，未渗入原状土样（12)内的煤矸石淋 滤液从所述出液口（10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯（13);渗出原状土样 (12)内的煤矸石淋滤液从所述通液孔（1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量 杯(3);在煤矸石淋滤液消融入渗过程中，当相邻的两个采样时刻的未渗入原状土样（12)内 的煤矸石淋滤液的量的差值小于等于lcm 3时，说明达到了煤矸石淋滤液消融入渗稳定，停 止实验;此时，查看径流量测量量杯（13)内未渗入原状土样(12)内的煤矸石淋滤液的量，并 将该读数记录为煤矸石淋滤液消融径流量查看出渗量测量量杯（3)内渗出原状土样 (12)的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液消融出渗量Q。;根据原状土样 (12)入渗稳定时上表层处的含水率0，结合原状土样（12)上表层处的初始含水率0。，从而换 算出煤矸石淋滤液消融入渗量Qr;煤矸石淋滤液消融入渗量Qr与煤矸石淋滤液消融径流量 Qj的和即为煤矸石淋滤液总消融量Qz;对于由煤矸石淋滤液制备的整冰块型待融源总量Q 可将其换算为对应的4°C下煤矸石淋滤液的体积求得;对于由搅碎机(H)产生的待融源 总量Q'z，可由投入搅碎机(H)的煤矸石淋滤液制备的冰块所对应的4°C下煤矸石淋滤液的 体积乂:与搅碎机(H)内所有的剩余由煤矸石淋滤液制备的冰块所对应的4°C下煤矸石淋滤 液的体积V 2之差来确定，所述的冰块是边长为lcm的立方体冰块；
[0143] 步骤六、模拟过程中的各参数监测
[0144] 多个温湿度传感器探头(4-5)分别对模拟过程中的原状土样（12)的温湿度进行监 测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路 实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的温度、湿度信 号，并将各个测试点处原状土样（12)的温度、湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的 温度h、含水率0 1;多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样（12)的基 质吸力进行监测，将监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信 号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样 (12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样（12)的基质吸力信号记录为各个测试点 记录时刻对应的基质吸力Fa;多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对模拟过程中的原状土样 (12)的重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微控制器(7-0)，微 控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录 多个测试点处原状土样（12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的重 金属离子浓度信号记录为各个测试点记录时刻对应的重金属离子浓度c 1;多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点记录时刻对应的水头高度h1;
[0145] 上述所有的监测，其监测时间频率设置如下:煤矸石淋滤液入渗5分钟内，记录时 间间隔为5秒，煤矸石淋滤液入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，煤矸石淋滤液入渗15- 30分钟内，记录时间间隔为15秒，煤矸石淋滤液入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒， 煤矸石淋滤液入渗60分钟以后记录时间间隔为60秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上；
[0146] 步骤七、模拟过程中监测结果分析
[0147] 对所记录的某一时刻的温度h、基质吸力Fa和重金属离子浓度(^监测数据做插值 处理，得到某一时刻原状土样（12)所对应的温度云图、基质吸力云图和重金属离子浓度云 图；同时对所记录的某一时刻原状土样（12)所对应的含水率0:监测数据做插值处理，得到 某一时刻原状土样(12)对应的含水率云图；
[0148] 依据含水率云图的变化规律，找出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润 前锋的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位 置连线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律;根据含水率云图，依 据含水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率0 sat的等值线，从而确定完全饱和带， 所述完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋 与完全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率9 sat等值线之间的区 域被定义为煤矸石淋滤液入渗过渡带；
[0149] 绘制基质吸力F4P含水率0:的关系图，从而分别得到各土层的土-水特征曲线；
[0150] 步骤八、煤矸石淋滤液消融入渗系数及消融率计算
[0151]根据公式Qr = Qz-Qj，计算得到煤矸石淋滤液入渗量Qr，单位为cm3;其中Qz为煤矸 石淋滤液总消融量，单位为cm3; Qj为煤矸石淋滤液径流量，单位为cm3;
[0152] 根据公式AS = Qr-Qc，计算得到煤矸石淋滤液入渗的亏损量AS，单位为cm3;其中 Qi?为煤矸石淋滤液入渗量，单位为cm3; Qc为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm3;
[0153] 根据公式Vr = Qr/t计算得到煤矸石淋滤液入渗率Vr，单位为cm3/s;其中Qr为煤矸石 淋滤液入渗量，单位为cm 3; t为实验测试时间，单位为S;
[0154]根据公式Vc = Qc/t计算得到煤矸石淋滤液出渗率V。，单位为cm3/s;其中Qc为煤矸石 淋滤液出渗量，单位为cm3; t为实验测试时间，单位为s;
[0155] 根据公式a = (k/Qz计算得到煤矸石淋滤液消融入渗系数a，单位为无量纲；其中Q。 为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm 3; Qz为煤矸石淋滤液总消融量；
[0156] 根据公式V =QZ/Q、计算得到由煤矸石淋滤液制备的待融源消融率V，单位为无 量纲;其中Qz为由煤矸石淋滤液制备的待融源总消融量，单位为cn^Q、为由煤矸石淋滤液 制备的待融源总量，单位为cm 3;
[0157] 步骤九、非饱和渗透系数计算
[0158] 基于土柱实验的煤矸石淋滤液入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下
(1)
[0160]将Darcy定律代入以上方程（1)得
(2)
[0162]对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式
⑶
[0164] 根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力（o-Ua)和基质吸 力值的变化将会引起体积含水率^的变化，BP
[0165] = -m,''d(a-ua)- ni) (ua - uu ) (4)
[0166] 式中：〇--总应力；
[0167] miw一一与法向应力(〇_ua)变化有关的水的体积变化系数；
[0168] 蜱--与基质吸力(ua_uw)变化有关的水的体积变化系数；
[0169] 将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作 用，假定在非饱和区气相连续不变，得
(5) 丨即土 -水特征曲线的斜率；
[0172]由（3)、（5)式可得
(6)
[0174] 其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲;h为总水头高度，单位为cm; y为土柱测 点高度，单位为cm; yw为水的重度，单位为N/m3;?r为土-水特征曲线的斜率，单位为无量 纲;t为时间，单位为s;
[0175] 依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘 制其分布图；
[0176]步骤十、水动力弥散系数计算
[0177]由水量均衡原理，土柱上任意截面y处的水分通量qy，可表示为
(7) (8)
[0180]式中：qy为任意截面y处的水分通量，cm/d; qo为土柱顶部的进水量，cm/d; 9为体积 含水率，cm3/cm3; A t为时段，A t = t2-ti，d;k为时段数；
[0181] 土柱上任意截面y处的溶质通量Jy由质量守恒原理得
(10)
[0184] 式中：Jy为任意截面y处的溶质通量，gAcm2 ? d) ; Jo为土柱顶部的溶质通量，g/ (〇112.(1);(^为土壤溶液浓度，8/〇111 3;9为体积含水率，〇1113/〇1113;八1：为时段，八七=七2-1：1，(1 ;1^ 为时段数；
[0185] 根据水动力弥散原理，溶质通量等于水动力弥散通量与对流通量之和，即 (11) (13) 02)
[0188]式中:Dsh为水动力弥散系数，cm2/d;其余符号同前。
[0190]将前面计算出的和代入上式即可计算水动力弥散系数Dsh，若取一系列y 断面则可计算出一系列Dsh，从而将Dsh和对应的非饱和渗透系数k或孔隙流速v拟合成经验 公式。
【主权项】
1. 煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，其特征在于，包括底部构件（1)、连接在底部 构件（1)上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的煤 矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置(8); 所述的底部构件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水点通过塑料软 管（2)接入出渗量量杯（3 )，塑料软管（2)上设置有第三流量传感器(3-1 )，第三流量传感器 (3-1)接入计算机(7);底座（1-1)的上方设置有承力柱（1-2)，承力柱（1-2)的上部设置有高 进气值陶土板(1-3)，高进气值陶土板(1-3)的四周边沿均与底部构件（1)管件（1-7)的内壁 水平紧贴，高进气值陶土板(1-3)的顶部设置有滤纸（1-4)，滤纸（1-4)的上表面与原状土样 (12)接触;管件（1-7)的顶端设置有外螺纹连接段（1-6)，外螺纹连接段（1-6)通过法兰(6) 与土柱实验标准构件(4)连接； 所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土柱实验标准构 件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁(4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土柱实验标准构 件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接;插入件(5)通过橡胶塞(5-7)插 入原状土样（12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7);土壤热传 导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样（12)内，土壤热传导吸力探头(4-7)内传 感器所采集的数据都实时传输给计算机(7) ;X射线荧光光谱探头(4-8)经圆形小孔(4-4)插 入原状土样（12)内，X射线荧光光谱探头(4-8)所采集的数据都实时传输给计算机(7);土柱 实验标准构件(4)上固定有多个测压管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔 (4-4)插入原状土样（12)内；所述的插入件（5)在土柱上按照同一列布置，土壤热传导吸力 探头(4-7)在土柱上按照同一列布置，X射线荧光光谱探头(4-8)在土柱上按照同一列布置， 测压管(4-9)在土柱上按照同一列布置； 所述的煤矸石淋滤液消融入渗补给模拟装置(8)包括设置在土柱外侧的温度控制器 (8-1)以及通过导线(9)与其所连接的调温元件(8-3)，所述调温元件(8-3)位于顶盖(8-2) 下方，顶盖(8-2)的顶部设置有超声波测距传感器(8-4)，顶盖(8-2)位于土柱实验标准构件 (4)上部的圆柱构件（10)的上方且紧密接触，圆柱构件（10)内的原状土样（12)上表面外侧 开有出液口（10-1)，所述出液口（10-1)通过塑料软管（2)接入径流量量杯（13)，塑料软管 (2)上设置有第二流量传感器(13-1)，所述第二流量传感器(13-1)通过导线(9)接入计算机 (7)，原状土样(12)上设置有由煤矸石淋滤液制备的待融源(11)。2. 根据权利要求1所述的煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，其特征在于，所述的承 力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)以及固定在其上的承力柱主体（1-21)，所述承力柱支座 (1-22)与底座（1-1)为一体成型，承力柱支座（1-22)在土柱竖向投影按照"一个圆心+以底 座（1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份"方式布置;承力柱主体（1-21)长度不同使得底座 (1-1)呈现坡度。3. 根据权利要求1所述的煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，其特征在于，所述的土 柱底部构件(1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件(10)均由耐高温玻璃钢制成。4. 根据权利要求1所述的煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，其特征在于，所述的插 入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温湿度传感器探头(4-5)或冷热一体 金属元件(4-6)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹 簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的外侧中段设置有挡 板(5-3)。5. 根据权利要求1所述的煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，其特征在于，所述圆形 小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为:纵向上相隔排列且遵 循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布。6. 根据权利要求1所述的煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，其特征在于，所述的卡 箍(4-30)由两半圆环钢圈(4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡箍(4-30)的另一端 接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧程度，使标准圆柱构 件紧密结合。7. 根据权利要求1所述的煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，其特征在于，所述的法 兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2)。8. 根据权利要求1所述的煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，其特征在于，所述的计 算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置有温度探测输入端 (7-1)、温湿度探测输出端(7-2)、基质吸力探测输出端(7-3)和重金属离子浓度监测值输出 端(7-4);温度探测输入端(7-1)经导线(9)连接冷热一体金属元件(4-6)，温湿度探测输出 端(7-2)经导线（9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连 接土壤热传导吸力探头(4-7)，重金属离子浓度监测值输出端(7-4)经导线(9)连接X射线荧 光光谱探头(4-8)。9. 根据权利要求1所述的煤矸石淋滤液消融入渗土柱模拟系统，其特征在于，所述的由 煤矸石淋滤液制备的待融源（11)包括四种形态，整冰块型待融源、粒径为5cm-10cm的中等 冰块型待融源、粒径为小于5cm的小冰块型待融源、以及由不同粒径组合而成的混合型待融 源;在圆柱构件（10)与由煤矸石淋滤液制备的待融源（11)上表面所处的水平面相交的圆柱 构件（10)外壁上周向六等分设置有六个红外对射报警找平装置(J);煤矸石淋滤液消融入 渗补给模拟装置(8)的一侧设置有搅碎机(H)，搅碎机(H)的出口连通伸缩式传送装置(Q)， 伸缩式传送装置(Q)的输送段连通至圆柱构件（10)内，在圆柱构件（10)内且伸缩式传送装 置(Q)下方设置有振动筛(R)，振动筛(R)的下方通过风扇固定结构B安装有由软质塑料制成 的三叶风扇(C)，振动筛(R)为可活动的百叶窗形式。10. 基于上述任一权利要求书所述的煤矸石淋滤液入渗土柱模拟系统的特征参数测定 方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、组装土柱实验标准构件 分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标准构 件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过扳手 上紧套在螺丝杆件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3)上，然 后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接； 步骤二、安装原状土样 选取预先准备好的原状土样（12)，将原状土样（12)竖立在地面上，将已经连接好的多 个土柱实验标准构件(4)套住原状土样(12)，将原状土样（12)与土柱实验标准构件(4)之间 密封及防水处理保证后续实验时煤矸石淋滤液不从缝隙直接流下； 步骤三、组装土柱实验仪器设备 先将底座（1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体（1-21)套放在对应的承力柱支 座（1-22)上，将高进气值陶土板（1-3)水平放置于承力柱主体（1-21)上方，所述高进气值陶 土板（1-3)上表面铺设有滤纸（1-4)，所述承力柱主体（1-21)、高进气值陶土板（1-3)、滤纸 (1-4)均位于管件（1-7)内部;在集水处最低位置设置一个出液孔外接塑料软管(2)，将所述 塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3 )，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传感器 (3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7)，然后将法兰(6)的法兰螺纹 (6-1)对准外螺纹连接段（1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件（1) 上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样（12)通过土柱实验 标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件（1)上端的法兰(6)的法兰螺纹(6-1) 进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件连同其套住的原状土样（12)位于底部构件 (1)滤纸（1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件（10)进行连接； 步骤四、测定原状土样的初始状态 原状土样（12)的初始含水率：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样（12)的湿 度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过 串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的 湿度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土样（12) 的初始含水率Θ。； 原状土样（12)的初始温度：多个温湿度传感器探头（4-5)分别对原状土样（12)的温度 进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串 口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的温 度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的温度信号记录为各个测试点处原状土样（12)的 初始温度T。； 原状土样（12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样（12)的基 质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号 通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样 (12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样（12)的基质吸力信号记录为各个测试点 处原状土样（12)的初始基质吸力?％; 原状土样（12)的重金属离子浓度本底值:多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对初始状 态的原状土样(12)重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微控制 器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7) 接收并记录多个测试点处原状土样（12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原状土 样(12)的重金属离子浓度信号记录为各个测试点重金属离子浓度本底值c; 原状土样（12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样（12)的水头高度进行监 测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h。； 原状土样（12)的饱和含水率:将原状土样（12)的取样地点带回的其它土样进行饱和含 水率测定，作为原状土样（12)的饱和含水率;取土样放入称量盒内，为其注水直至水面浸没 土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和称量盒放入烘箱内，进行 烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为ms，之后利用公式计算求 得原状土样(12)的饱和含水率0sat; 步骤五、模拟煤矸石淋滤液消融入渗 (1 )、当需要模拟由煤矸石淋滤液制备的整冰块型待融源的消融入渗模拟过程时，只需 要将整冰块型待融源（11)放在原状土样（12)上；当需要模拟由煤矸石淋滤液制备的粒径为 5cm-10cm的中等冰块型待融源、粒径为小于5cm的小冰块型待融源、以及由不同粒径组合而 成的混合型待融源的消融入渗模拟过程时，启动搅碎机(H)，由煤矸石淋滤液制备的待融源 (11)在搅碎机(H)中搅碎后通过伸缩式传送装置(Q)输送到振动筛(R)上，伸缩式传送装置 (Q)在圆柱构件（10)内来回伸缩运动，伴随着振动筛自转，从而实现将搅碎的由煤矸石淋滤 液制备的待融源（11)均匀地洒落在振动筛(R)的上表面，保证搅碎后的由煤矸石淋滤液制 备的待融源（11)不成堆聚集在振动筛(R);振动筛(R)设置为可活动的百叶窗形式，能够随 着由煤矸石淋滤液制备的待融源（11)的粒径大小进行自动调节，当进行消融时，百叶窗的 开口设置为最大，以便调温元件(8-3)更好地进行消融加热;三叶风扇(C)扇叶转速较慢，从 而使降下的由煤矸石淋滤液制备的待融源（11)平整;六个红外对射报警找平装置(J)两两 成对构成一组实现对射找平，可全面扫描监测原状土样（12)上的由煤矸石淋滤液制备的待 融源（11)上表面是否水平； (2) 、计算机(7)发出信号接通温度控制器(8-1)的供电回路，从而控制调温元件(8-3) 加热到预设实验温度h，温度控制器(8-1)对调温元件(8-3)进行实时监测并将监测到的信 号实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的监测值与调温元件(8-3)预设实验温度 h相比对，当监测值达到调温元件(8-3)预设实验温度1^时，计算机(7)向温度控制器(8-1) 发出信号断开调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)停止加热，当监测值低于调温元 件(8-3)预设实验温度^时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度控制器(8-1)发出信号接通 调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)开始加热，从而使调温元件(8-3)保持为预设实 验温度T!;预设实验温度1\的范围为0°C~80°C ; (3) 、计算机(7)发出信号经微控制器(7-0)从温度探测输入端(7-1)经导线（9)到达冷 热一体金属元件(4-6)，控制冷热一体金属元件(4-6)开始工作，使原状土样（12)达到预设 实验温度T 2;煤矸石淋滤液消融入渗模拟过程中，埋置于原状土样（12)的温湿度传感器探 头(4-5)对附近土壤的温度进行实时监测并将监测到的信号经导线(9)通过微控制器(7-0) 的温湿度输出端(7-2)实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的温度监测值与冷热 一体金属元件(4-6)预设实验温度Τ 2相比对，当温度监测值高于冷热一体金属元件(4-6)预 设实验温度Τ2时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制冷热 一体金属元件(4-6)开始制冷，当温度监测值低于冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度Τ 2 时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制冷热一体金属元件 (4-6)开始加热，从而使冷热一体金属元件(4-6)的温度保持为预设实验温度Τ 2,模拟出了 煤矸石淋滤液消融低温入渗条件;预设实验温度^的范围为-20Γ~20°C ; (4) 、在模拟煤矸石淋滤液消融入渗的过程中，未渗入原状土样（12)内的煤矸石淋滤液 从所述出液口（10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯（13);渗出原状土样（12) 内的煤矸石淋滤液从所述通液孔（1 -5)内流出并经过塑料软管（2)流入出渗量测量量杯 (3);在煤矸石淋滤液消融入渗过程中，当相邻的两个采样时刻的未渗入原状土样（12)内的 煤矸石淋滤液的量的差值小于等于lcm3时，说明达到了煤矸石淋滤液消融入渗稳定，停止 实验;此时，查看径流量测量量杯（13)内未渗入原状土样（12)内的煤矸石淋滤液的量，并将 该读数记录为煤矸石淋滤液消融径流量查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样（12) 的煤矸石淋滤液的量，并将该读数记录为煤矸石淋滤液消融出渗量Q。;根据原状土样（12) 入渗稳定时上表层处的含水率Θ，结合原状土样（12)上表层处的初始含水率Θ。，从而换算出 煤矸石淋滤液消融入渗量Q r;煤矸石淋滤液消融入渗量Qr与煤矸石淋滤液消融径流量(^的 和即为煤矸石淋滤液总消融量Q z;对于由煤矸石淋滤液制备的整冰块型待融源总量V z，可 将其换算为对应的4°C下煤矸石淋滤液的体积求得;对于由搅碎机(H)产生的待融源总量 Q、，可由投入搅碎机(H)的煤矸石淋滤液制备的冰块所对应的4°C下煤矸石淋滤液的体积％ 与搅碎机(H)内所有的剩余由煤矸石淋滤液制备的冰块所对应的4°C下煤矸石淋滤液的体 积V 2之差来确定，所述的冰块是边长为lcm的立方体冰块； 步骤六、模拟过程中的各参数监测 多个温湿度传感器探头（4-5)分别对模拟过程中的原状土样（12)的温湿度进行监测， 并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时 传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12)的温度、湿度信号，并 将各个测试点处原状土样（12)的温度、湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的温度 、含水率θ 1;多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样（12)的基质吸 力进行监测，将监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通 过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样（12) 的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样（12)的基质吸力信号记录为各个测试点记录 时刻对应的基质吸力F a;多个X射线荧光光谱探头(4-8)分别对模拟过程中的原状土样（12) 的重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给微控制器(7-0)，微控制 器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个 测试点处原状土样（12)的重金属离子浓度信号，并将各个测试点处原状土样（12)的重金属 离子浓度信号记录为各个测试点记录时刻对应的重金属离子浓度c 1;多个测压管(4-9)分 别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点记录时刻对应的水头高度lu; 上述所有的监测，其监测时间频率设置如下：煤矸石淋滤液入渗5分钟内，记录时间间 隔为5秒，煤矸石淋滤液入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，煤矸石淋滤液入渗15-30分 钟内，记录时间间隔为15秒，煤矸石淋滤液入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，煤矸石 淋滤液入渗60分钟以后记录时间间隔为60秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上； 步骤七、模拟过程中监测结果分析 对所记录的某一时刻的温度、基质吸力Fa和重金属离子浓度(^监测数据做插值处理， 得到某一时刻原状土样（12)所对应的温度云图、基质吸力云图和重金属离子浓度云图；同 时对所记录的某一时刻原状土样（12)所对应的含水率0 1监测数据做插值处理，得到某一时 刻原状土样（12)对应的含水率云图； 依据含水率云图的变化规律，找出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润前锋 的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位置连 线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律;根据含水率云图，依据含 水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率0sat的等值线，从而确定完全饱和带，所述 完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋与完 全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率0 sat等值线之间的区域被 定义为煤矸石淋滤液入渗过渡带； 绘制基质吸力F4P含水率0,的关系图，从而分别得到各土层的土-水特征曲线； 步骤八、煤矸石淋滤液消融入渗系数及消融率计算 根据公式Qr = Qz-Qj，计算得到煤矸石淋滤液入渗量Qr，单位为cm3;其中Qz为煤矸石淋滤 液总消融量，单位为cm3; Qj为煤矸石淋滤液径流量，单位为cm3; 根据公式AS = Qr-Qc，计算得到煤矸石淋滤液入渗的亏损量AS，单位为cm3;其中Q r为煤 矸石淋滤液入渗量，单位为cm3; Qc为煤矸石淋滤液出渗量，单位为cm3; 根据公式Vr = Qr/t计算得到煤矸石淋滤液入渗率Vr，单位为Cm3/S;其中Qr为煤矸石淋滤 液入渗量，单位为cm3; t为实验测试时间，单位为s; 根据公式Vc = Qc/t计算得到煤矸石淋滤液出渗率V。，单位为cm3/s;其中Qc为煤矸石淋滤 液出渗量，单位为cm3; t为实验测试时间，单位为s; 根据公式a = (k/Qz计算得到煤矸石淋滤液消融入渗系数α，单位为无量纲；其中Q。为煤 矸石淋滤液出渗量，单位为cm3; Qz为煤矸石淋滤液总消融量； 根据公式V =QZ/Q、计算得到由煤矸石淋滤液制备的待融源消融率Y，单位为无量纲； 其中Qz为由煤矸石淋滤液制备的待融源总消融量，单位为cn^Q、为由煤矸石淋滤液制备的 待融源总量，单位为cm 3; 步骤九、非饱和渗透系数计算 基于土柱实验的煤矸石淋滤液入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下将Darcy定律代入以上方程(1)得对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力（〇-ua)和基质吸力值 的变化将会引起体积含水率的变化，BP d(K.d(a-uJ-m';[ua-i、、 (4) 式中：σ--总应力； miw--与法向应力(〇_ua)变化有关的水的体积变化系数； 川--与基质吸力(ua_uw)变化有关的水的体积变化系数； 将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作用，假 定在非饱和区气相连续不变，得由（3)、（5)式可得其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲;h为总水头高度，单位为cm; y为土柱测点高 度，单位为cm; γ w为水的重度，单位为N/m3; <为土-水特征曲线的斜率，单位为无量纲;t为 时间，单位为s; 依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制其分 布图； 步骤十、水动力弥散系数计算 由水量均衡原理，土柱上任意截面y处的水分通量qy，可表示为式中：qy为任意截面y处的水分通量，cm/d; qo为土柱顶部的进水量，cm/d; Θ为体积含水 率，cm3/cm3; Δ t为时段，Δ t = t2_ti，d;k为时段数； 土柱上任意截面y处的溶质通量Jy由质量守恒原理得式中：Jy为任意截面y处的溶质通量，g/(cm2 · d);J〇为土柱顶部的溶质通量，g/(cm2 · d) ;ci为土壤溶液浓度，g/cm3;9为体积含水率，cm3/ cm3; Δ t为时段，Δ t = t2_ti，d;k为时段 数； 根据水动力弥散原理，溶质通量等于水动力弥散通量与对流通量之和，即式中:Dsh为水动力弥散系数，cm2/d;其余符号同前；将前面计算出的和乂#代入上式即可计算水动力弥散系数Dsh，若取一系列y断面则 可计算出一系列Dsh，从而将Dsh和对应的非饱和渗透系数k或孔隙流速v拟合成经验公式。
【文档编号】G01N15/08GK105929138SQ201610474363
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月25日
【发明人】毛正君
【申请人】西安科技大学