一种模拟地下水径向回灌的实验装置及实验方法

1.本发明涉及地下水动力学及地下水溶质运移领域，尤其涉及一种模拟地下水径向回灌的实验装置及其实验方法。


背景技术：

2.地下水回补是将外部水源的水注入地下以补充地下水，在应对地面沉降及海水入侵、利用含水层净化污水及地热资源开采等领域得到广泛应用。地下水回补技术是浅层地温能开发 (例如地源热泵)的关键技术之一，对于该技术的掌握和运用关系到地温能开发的可持续性及生态环境安全。同时，地下水回补也是地下水超采治理、再生水回灌等领域的关键技术，对于防治地面沉降、地面塌陷、海水入侵以及促进污水处理的循环利用等均具有十分显著的应用前景，对促进我国生态文明建设具有重要意义。
3.目前，地下水回补面临着效率低及缺乏成熟的工艺技术标准等问题，这些问题作为瓶颈制约着浅层地温能的开发和利用。由于含水层类型、结构、介质粒径及相邻地表水、地下水水位等水文地质条件对回补效率的影响显著，针对不同水文地质约束条件，如何制定相应的工艺参数优化方案来提高地下水回补效率，成为目前亟待解决的难题。地下水回补过程容易受到各类水文地质条件及堵塞的制约，该影响的内部机理及评价方法仍未得到深刻认识；另外，回补水携带的理化要素在地下水回补驱动过程中的迁移转化过程复杂，其产生的生态环境效应也亟待准确的评估。综上所述，有必要开展地下水回灌室内物理试验对地下水回补水动力及溶质迁移转化过程的影响机理进行深入研究。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供1.一种模拟地下水径向回灌的实验装置，其特征在于：包括注水系统、径向回灌系统、溢流系统和数据监测；
5.所述径向回灌系统包括扇形砂箱和抽注水井；所述抽注水井底部设有多个透水孔，所述抽注水井所述抽注水井竖直设置于扇形砂箱的轴线处；所述扇形砂箱内填充有形成含水层的含水介质，所述抽注水井通过透水孔于含水层连通；
6.所述径向回灌系统包括循环水箱、回灌管和抽水管，所述循环水箱内装有实验溶液，所述抽水管和回灌管均延伸至所述抽注水井内，所述回灌管和抽水管均与循环水箱相连，所述回灌管和抽水管上分别设有注水泵和抽水泵；
7.所述溢流装置包括溢流池和出水管，所述溢流池通过出水管与扇形砂箱底部相连，所述溢流池底部设有溢流口；
8.所述数据监测系统包括测压板，所述测压板上上设有多个测压管；所述扇形砂箱的侧壁设有多个阵列排布的测压孔，其中一列测压孔通过多个测压管分别与多个测压管相连，测压管用于含水层内的水位变化。
9.进一步地，所述溢流池设置于升降装置，所述升降装置用于调节溢流池水平高度。
10.进一步地，该装置还包括一实验台，所述循环水箱和所述循环水箱均设置于所述
实验台上，所述实验台底部还设有多个万向轮。
11.进一步地，所述抽注水井还包括井壁、滤水管、沉淀管和滤料，所述滤水管位于所述井壁内，所述滤水管下端设有沉淀管，滤水管外壁和井壁内壁填充有构成滤水层的过滤料，多个所述透水孔上下等间距分布与所述井壁底部，所述滤水层顶部设有止水层。
12.进一步地，所述扇形砂箱包括两侧板以及弧形端板，两侧板均连接于所述抽注水井上，且二者夹角为20-60
°
，所述弧形端板连接于所述侧板端部。
13.进一步地，两所述侧板均为亚克力板。
14.进一步地，所述扇形砂箱内还设有一弧形的挡板，所述挡板在扇形砂箱内分隔出一位于挡板的挡板之间的稳流槽，所述挡板上分布有多个渗透孔，所述稳流槽内填充有稳流介质。
15.进一步地，所述回灌管和抽水管上均设有阀门和流量计。
16.本发明还提供一种模拟地下水径向回灌的实验方法，该方法使用如权利要求1-8任意一项所述的模拟地下水径向回灌的实验装置，该方法包括如下步骤：
17.s1:观测并检查实验装置功能是否正常，对测压板进行排气操作，连接好整个实验装置；
18.s2:调节溢流装置的水位高低，使得溢流池液面高于含水层的液面高度，通过溢流装置外接水源，先向稳流槽内注入水，水流稳流之后逐步渗入含水介质，对含水介质进行饱水；
19.s3:饱水操作完毕后，开始模拟抽水试验：关闭回灌管上的止水阀一，打开抽水管上的止水阀二和抽水泵，对将含水层内的实验溶液抽至循环水箱，抽水管上的流量计实时监测抽水量，读出测压板上各测压管读数并记录；
20.s4:模拟回灌试验：关闭抽水管上的阀门一，打开回灌管上的阀门二和注水泵，从循环砂箱抽取实验溶液回灌至抽注水井中，实验溶液通过回灌管进入抽注水井，从透水孔流出进入层状含水层，潜水含水层中的水体通过挡板上的渗透孔进入稳流槽，得流场稳定后从出水管流出进入溢流装置，最后从溢流口溢出，在溢流口监测出水量，回灌过程中实时监测测压管的读数并记录；
21.s5:分别单独改变实验溶液成分、含水介质粒径大小、井径大小、滤水管长度和滤料成分，在控制变量的条件下，重复上述步骤s1-s4多次，对比各次实验结果。
22.进一步地，其特征在于：所述含水介质为石英砂，所述稳流介质为石英砂和碎石子的混合物。
23.本发明一种模拟地下水径向回灌的实验装置及其实验方法的有益效果为：本专利与现有技术相比较，采用本发明的实验装置及实验方法，可以模拟地下水径向回灌过程，研究介质粒径、含水层结构、回补水质指标及成井工艺影响下的地下水回补渗流机理以及回补过程中溶质在含水层中的迁移转化过程，本装置结构完整，空间布局合理，可操作性强，影响因素可控。
附图说明
24.图1为本发明的地下水径向回灌的物理模型的结构示意图。
25.图2为抽注水井4的内部结构示意图。
26.上述图中：
27.1-含水层，2-稳流槽，3-循环水箱，4-抽注水井，5-测压板，6-实验台，7-溢流装置，8
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升降装置，9-溢流池，10-抽水管，11-回灌管，12-溢流口，13-出水管，14-阀门一，15-抽水泵，16-流量计，17-阀门二，18-注水泵，19-止水层，20-滤水层，21-滤水管，22-沉淀管。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
29.请参考图1至图2，一种模拟地下水径向回灌的实验装置，包括实验台6、注水系统、径向回灌系统、溢流系统和数据监测。
30.所述实验台6底部设有多个万向轮。
31.所述径向回灌系统包括扇形砂箱1和抽注水井4；所述抽注水井4包括井壁、滤水管21、沉淀管22和过滤料，所述滤水管21位于所述井壁内，所述滤水管21下端设有沉淀管22，滤水管21外壁和井壁内壁填充有构成滤水层的过滤料，所述井壁底部设有多个透水孔，多个透水孔上下等间距分布与所述井壁底部，所述滤水层顶部设有止水层19，所述止水层19由优质球状粘土填充构成。
32.所述扇形砂箱1包括两呈一定夹角的侧板以及弧形的端板，两侧板均为透明的亚克力材质，两侧板夹角范围为20-60
°
，本实施例中，侧板夹角为30
°
，两侧板相互靠近的一侧均连接于所述井壁上，所述端板连接于两侧板相互远离的侧面，从而构成扇形结构的箱体，其中抽注水井4位于扇形砂箱1的轴线上。
33.所述扇形砂箱1内还设有一隔板，所述隔板与所述端板平行，隔板在扇形砂箱内分隔出稳流槽1和含水槽(稳流槽为隔板与端板之间空腔)，所述稳流槽1和含水槽内分别装填有稳流介质和含水介质，所述稳流介质和含水介质分别构成稳流层和和含水层，所述含水层通过透水孔与抽注水井连通，所述隔板上设有多个渗透孔，渗透孔连通稳流层和和含水层。
34.所述径向回灌系统包括循环水箱3、回灌管11和抽水管10，所述循环水箱3内装有实验溶液，所述实验溶液可根据实验需要设置为水、铁、锰离子的溶液等不同液体；所述抽水管 10和回灌管11均延伸至所述抽注水井4内，所述回灌管11和抽水管10均与循环水箱3相连，所述回灌管11和抽水管10上分别设有注水泵18和抽水泵15；所述回灌管11和抽水管 10上均设有阀门和流量计16，其中位于抽水管10上的阀门为阀门一14，位于回灌管11上的阀门为阀门二17。
35.所述溢流系统包括溢流装置7和升降装置8，溢流装置7包括溢流池9和出水管13，所述溢流池9通过出水管13与扇形砂箱1底部相连，所述溢流池9底部设有溢流口12，所述出水管13为软管结构；所述溢流装置7设置于升降装置8上，升降装置8用于带动溢流池9 升降，调节溢流池9水平高度。
36.所述数据监测系统包括测压板5，所述测压板上设有多个测压管5；所述扇形砂箱1的其中与侧板上设有多个阵列排布的测压孔，其中一列测压孔的每一测压孔分别通过连接软管与一测压管相连，其余未于测压管相连的测压孔被封堵，所述测压板5上的多个测压管用于测量位于同一截面上的多个上下排布的测压孔出的水位，从而实时检测整个含水层内
的水位变化。
37.所述径向回灌系统的抽水泵15将抽注水井4内液体抽出至循环水箱3内，所述注水泵 18用于将循环水箱3内液体灌注入抽注水井4内，抽水管10和回灌管11上的流量计分别用以测定径向回灌系统的抽水量的回灌量。
38.所述抽注水井4底部的透水孔用于使抽注水井4内流体能均匀进入含水层里，提高含水层介质的的饱水效率。
39.所述扇形砂箱1内稳流槽2内稳流介质可以发挥稳流作用，使得液体均匀流出，确保流场的稳定，避免影响实验效果。
40.所述升降装置8用于调节溢流池7的水平高度，保证补给扇形砂箱1内的水头稳定。
41.所述测压板5上的多个测压管用于测量位于同一截面上的多个上下排布的测压孔处的水位，从而实时检测整个含水层内的水位变化，所述测压板5结构具有操作简单，采集的数据可行性高的优点。
42.进一步地，所述含水介质优选为石英砂，所述稳流介质优选为石英砂和碎石子的混合物。
43.采用上述模拟地下水径向回灌的实验装置的实验方法包括如下步骤：
44.s1:观测并检查实验装置功能是否正常，对测压板5进行排气操作，连接好整个实验装置；
45.s2:调节溢流装置7的水位高低，使得溢流池7液面高于含水层的液面高度，通过溢流装置7外接水源，先向稳流槽2内注入水，水流稳流之后逐步渗入含水介质内，对含水介质进行饱水；
46.s3:饱水操作完毕后，开始模拟抽水试验：关闭回灌管11上的阀门二17，打开抽水管10 上的阀门一14和抽水泵15，对将含水层内的液体抽至循环水箱3，抽水管10上的流量计实时监测抽水量，读出测压板5上各测压管读数并记录；
47.s4:模拟回灌试验：关闭抽水管10上的阀门一14，打开回灌管11上的阀门二17和注水泵18，从循环砂箱3抽取实验溶液回灌至抽注水井1中，实验溶液通过回灌管11进入抽注水井4，从透水孔流出进入层状含水层，含水层中的水体通过挡板上的渗透孔进入稳流槽2，待流场稳定后从出水管13流出进入溢流装置7，最后从溢流口12溢出，在溢流口12监测出水量，回灌过程中实时监测测压管5的读数并记录；
48.s5:分别单独改变实验溶液成分、含水介质粒径大小、改变井径大小、滤水管长度和滤料成分，在控制变量的条件下，重复上述步骤s1-s4多次，对比各次实验结果。
49.其中将循环水箱3中的实验溶液由水更换为成含有铁、锰离子的溶液(即改变实验溶液成分)，可以分析回灌过程中铁、锰离子浓度在回灌渗流过程中的迁移变化过程，记录其时间和空间变化特征，同时分析铁、锰离子溶液对抽注水井造成的堵塞作用。
50.通过改变填充介质粒径用于模拟不同渗透系数的含水层对回灌试验的影响，
51.通过改变井径大小，滤水管长度和滤料成分，用于研究回灌井结构对回灌试验的影响。
52.本发明一种模拟地下水径向回灌的实验装置及其实验方法的有益效果为：本专利与现有技术相比较，采用本发明的实验装置及实验方法，可以模拟地下水径向回灌过程，研究介质粒径、含水层结构、回补水质指标及成井工艺影响下的地下水回补渗流机理以及回
补过程中溶质在含水层中的迁移转化过程，本装置结构完整，空间布局合理，可操作性强，影响因素可控。
53.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
54.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
55.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。