专利名称：基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪的制作方法
技术领域：
本发明提供了一种基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟装置，主要用于模拟地下水流系统溶质运移，属于水文地质研究领域。
背景技术：
随着地下水过度开采，人类活动日益加剧，海水入侵、垃圾渗出液下渗、上层咸水体入侵下层淡水、污水回灌等因素所引发的地下水污染问题日益严重，地下水污染的预测和防治显得尤为重要。作为此类问题的重要研究方法，室内物理模拟仪具有很多优点，做为物理模拟的主要工具，地下水模拟装置影响着物理模拟研究领域的发展，近年来，国内外涌现了一大批这类的装置。例如，由前人研制的二维水动力弥散槽，它可以模拟污染物在含水层中的对流弥散情况，能测定弥散系数，但是该仪器只能模拟单个含水层；又如由前人研制的地下水污染模拟槽，该装置可以模拟多个含水层，但是不能单独的调节各个含水层的水动力条件。从前人的研究中反映出目前的地下水污染模拟仪存在如下几个缺陷其一在模拟野外含水层方面，现阶段所使用的物理模拟装置只能调节一个含水层或者不能单独控制水动力条件的多含水层，而野外情况大多为多层含水层系统，以致实验结果很难与野外情况吻合；其二现阶段所有砂槽模型都是类似海水入侵的平面模型，而缺少能研究垂向入渗的模拟装置。近年来，各个领域都尝试运用系统理论分析解决实际问题。而地下水系统理论是研究和解决水文地质环境地质问题的核心理论基础，运用地下水系统理论分析地下水污染问题，构建更接近野外真实水文地质条件的复杂物理模型是地下水污染物理模拟发展的趋势。
发明内容
本发明提供了一种基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，不仅解决了上述现有技术中的不足，而且其测定方便，误差小。实现本发明上述目的所采用的技术方案为一种基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，至少包括模拟槽、测压装置、水头调节装置以及降雨装置，所述的模拟槽包括渗流槽和位于渗流槽两侧的上游水箱和下游水箱，三者的高度一致，上游水箱和下游水箱与渗流槽之间均由固定有致密纱网的多孔板隔开，上游水箱和下游水箱内分别设有对应的3 7个能够独立调节渗流槽中的含水层厚度的隔层，上游水箱的各隔层均设有进水孔，下游水箱的各隔层均设有出水孔，进水孔和出水孔均与水头调节装置连接；渗流槽的正反两面分别设有均勻分布的取样孔和测压孔，测压孔与测压装置连接，测压装置包括测压器和与测压孔连通的水管；水头调节装置设有两个，分别与上游水箱和下游水箱对应，水头调节装置包括支架、溢水盒、水管以及升降杆，溢水盒安装于升降杆上并能够沿着升降杆上下滑动，溢水盒的数量与隔层相对应为3 7个，溢水盒的底部设有通过水管与各隔层的进水孔相连通的进水口 ；降雨装置位于渗流槽的上方，降雨装置的管道上均勻分布有降雨孔，管道的一端封闭，另一端与水源连接。上游水箱和下游水箱内的隔层设有5个；所述的水头调节装置上还设有蠕动泵， 蠕动泵通过水管与溢水盒连通，溢水盒的底部还设有排水口。降雨装置的管道呈栅栏状，管道的一端通过橡胶塞封闭，管道的另一端通过水管和玻璃转子流量计与水源连接，呈栅栏状的管道由2根直径为20mm的管道和5根直径为 IOmm的管道构成，降雨孔的直径为0. 5mm，均勻分布在直径为IOmm的管道上。所述的取样孔的数量为60个，呈6X10矩阵分布，取样孔的内侧连接有宝塔接头， 外侧连接有外丝直通，外丝直通上安装有带有硅胶垫圈的堵头，宝塔接头上通过硅胶管连接有玻璃管，宝塔接头与玻璃管之间用不锈钢卡箍和铝皮固定，玻璃管的另一端通过固定有双层纱网。所述的测压孔的数量为30个，呈6)(5矩阵分布。渗流槽上还设有监测孔，所述的监测孔的内侧连接有宝塔接头，外侧连接有外丝直通，宝塔接头上连接有玻璃管，玻璃管的一端通过硅胶管固定有用来采集信息的电极，电极的导线穿过玻璃管、宝塔接头以及外丝直通与外部的仪器连接，玻璃管、宝塔接头以及外丝直通内均通过玻璃胶或者硅橡胶密封。所述的渗流槽上还设有流场观察孔，流场观察孔的内侧连接有宝塔接头，外侧连接有外丝直通，外丝直通上固定有盛装有红墨水的橡胶套。所述的模拟槽、多孔板以及管道的材质均采用有机玻璃，所述的水管为硅胶管。本发明提供的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪有以下优点1、 它可以模拟多个含水层和弱透水层系统，并且可灵活设置各含水层和弱透水层厚度，可独立控制各含水层和弱透水层的水动力条件。2、渗流槽上设有的取样孔和监测孔，能够同时采用取样监测和在线监测。3、该装置既可以模拟横向污染，又可以模拟垂向越流污染，既可用于水质演化机理探讨，又可以用于弥散系数等参数测定，具有广泛的应用价值和继续开发的功能。
图1为本发明提供的地下水污染模拟仪的整体结构示意图；图2为降雨装置的结构示意图；图3为水头调节装置的结构示意图；图4为取样孔的结构示意图；图5为监测孔的结构示意图；图6为观察孔的结构示意图；图中1-上游水箱，2-下游水箱，3-渗流槽，4-多孔板，5-降雨管道，6_测压器， 7-橡胶塞，8-玻璃转子流量计，9-角钢架，10-升降杆，11-溢水盒，12-蠕动泵，13-进水口， 14-排水口，15-进水孔，16-测压孔，17-宝塔接头，18-外丝直通，19-堵头，20-有机玻璃管，21-电极，22-橡胶套。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细具体的说明。
本发明提供的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪的结构如图1 所示，包括模拟槽、测压装置、水头调节装置以及降雨装置，模拟槽由渗流槽3和位于渗流槽3两侧的上游水箱1和下游水箱2组成，三者的高度一致，上游水箱1和下游水箱2与渗流槽3之间均由固定有致密纱网的多孔板4隔开，所述的模拟槽和多孔板4的材质均为有机玻璃。上游水箱1和下游水箱2内分别设有对应的3 7个能够独立调节渗流槽中的含水层厚度的隔层，在本实施例中，隔层设有5个。上游水箱1的各隔层均设有进水孔15，下游水箱2的各隔层均设有出水孔，进水孔15和出水孔均与水头调节装置连接。渗流槽3的正反两面分别设有均勻分布的取样孔和测压孔16，其中取样孔位于渗流槽3的反面，数量为60个，呈6X10矩阵分布，且其横向间距是纵向间距的2倍。取样孔的结构如图4所示，其内侧连接有宝塔接头17，外侧连接有外丝直通18，外丝直通18上安装有带有硅胶垫圈的堵头19，宝塔接头17上通过硅胶管连接有玻璃管，本实施例中所述的玻璃管均为有机玻璃管。各取样孔上的有机玻璃管20的长度为10 20cm不等，宝塔接头 17与有机玻璃管20之间用不锈钢卡箍和铝皮固定，有机玻璃管20的另一端通过硅胶管和氯仿固定有双层纱网。渗流槽3的反面还设有在线监测孔，监测孔的结构如图5所示，其内侧连接有宝塔接头17，外侧连接有外丝直通18，宝塔接头17上连接有机玻璃管20，有机玻璃管20的一端通过硅胶管固定有用来采集信息的电极21，电极21的导线穿过有机玻璃管20、宝塔接头17 以及外丝直通18与外部的仪器连接，电极21的导线与玻璃管、宝塔接头和外丝直通之间均通过玻璃胶或者硅橡胶密封。测压孔16均勻分布于渗流槽3的正面，数量为30个，呈6)(5矩阵分布。测压孔16 与测压装置连接，测压装置包括测压器6和与测压孔16连通的水管，本实施例中所用的水管均为硅胶管。渗流槽3的正面还设有流场观察孔，观察孔的结构如图6所示，其内侧连接有宝塔接头17，外侧连接有外丝直通18，外丝直通18上固定有盛装有红墨水的橡胶套22。将橡胶套22内的红墨水通过宝塔接头挤进渗流槽内即可观察装置内的流场状况。水头调节装置设有两个，分别与上游水箱1和下游水箱2对应，水头调节装置的结构如图3所示，包括支架、蠕动泵12、溢水盒11、水管以及升降杆10，所述的支架为角钢架 9，升降杆10焊接固定在角钢架9上。溢水盒11通过螺丝扭杆安装于升降杆10上并能够沿着升降杆10上下滑动，溢水盒11的数量与隔层相对应为3 7个，在本实施例中与隔层对应设有5个。溢水盒11的底部设有两个进水口 13，进水口 13通过水管与各隔层的进水孔15或出水孔相连通，溢水盒11的底部还设有排水口 13。蠕动泵12通过水管与溢水盒 11连通。降雨装置位于渗流槽的上方，降雨装置的降雨管道5上均勻分布有降雨孔，降雨管道5的一端封闭，另一端与水源连接。降雨装置的结构如图2所示，降雨管道5呈栅栏状， 管道的一端通过橡胶塞7封闭，管道的另一端通过水管和玻璃转子流量计8与水源连接。呈栅栏状的管道由2根直径为20mm的管道和5根直径为IOmm的管道构成，降雨孔的直径为 0. 5mm，均勻分布在直径为IOmm的管道上，本实施例中所述的管道均为有机玻璃管。本发明所提供的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪的工作原理如下，现举例说明。
地下水的流动系统并不是由单一的含水层组成的，而是由复杂的多个含水层并存的，本例中模拟华北平原咸水入侵深层淡水。选择沧州地质剖面，将含水层概化为三层，由下而上依次是细沙粉砂层、黏性土层、细沙层，取相应土样一层一层的均勻装入渗流槽。为了更符合野外实际情况，本发明将上游水箱和下游水箱内分别设置有5个隔层，每个隔层与对应的溢水盒相连，通过蠕动泵可以灵活多变的控制每个含水层的流量，以及独立控制水动力条件。将下层含水层对应的三个溢水盒高度调节为一致，通过蠕动泵控制溢水盒的进水量，由下往上缓慢通入淡水，并逐渐调节三个溢水盒的高度，使下游水箱对应的溢水盒的高度略低上游的溢水盒高度，待黏土层全部饱水后，将上层咸水所对应的溢水盒的高度调节一致，按照同样的方法对渗流槽的上含水层通入咸水，待饱水完后保持水头稳定。本发明可以模拟多层含水层系统的地下水污染情况，通过水头调节装置调节上下游水头高度，两水头存在一定的水头差，从下往上使细沙粉砂层、黏土层、粉砂层饱水，黏土层作为弱透水层将渗流槽内部分成三层，分别有三个水头对应控制三层含水层厚度，从而模拟多层地下水系统水污染情况。在本例中设下层为淡水，上层为咸水，从而模拟咸淡水入侵的状况。实验开始后， 每隔5个小时选取一定数量的取样孔，从中取少量溶液于试管中，通过电导率仪测其电导率并记录；同时每隔2小时记录与监测孔中的电极所连接的电导率仪上的数据，直到数据变化不明显为止，根据以上数据即可绘制出等浓度线图。同时每隔2小时记录测压器上的数据。从以上得出的数据以及根据数据所绘制出得图形中即可分析出实验结果。本发明提供的装置不仅能够进行弥散系数、渗透系数等参数测定，同时能够模拟在水岩相互作用、人为大量抽取地下水等条件对水质演化的影响，其测定方便、误差小。
权利要求
1.一种基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，其特征在于至少包括模拟槽、测压装置、水头调节装置以及降雨装置，所述的模拟槽包括渗流槽和位于渗流槽两侧的上游水箱和下游水箱，三者的高度一致，上游水箱和下游水箱与渗流槽之间均由固定有致密纱网的多孔板隔开，上游水箱和下游水箱内分别设有对应的3 7个能够独立调节渗流槽中的含水层厚度的隔层，上游水箱的各隔层均设有进水孔，下游水箱的各隔层均设有出水孔，进水孔和出水孔均与水头调节装置连接；渗流槽的正反两面分别设有均勻分布的取样孔和测压孔，测压孔与测压装置连接，测压装置包括测压器和与测压孔连通的水管；水头调节装置设有两个，分别与上游水箱和下游水箱对应，水头调节装置包括支架、溢水盒、 水管以及升降杆，溢水盒安装于升降杆上并能够沿着升降杆上下滑动，溢水盒的数量与隔层相对应为3 7个，溢水盒的底部设有通过水管与各隔层的进水孔相连通的进水口 ；降雨装置位于渗流槽的上方，降雨装置的管道上均勻分布有降雨孔，管道的一端封闭，另一端与水源连接。
2.根据权利要求1所述的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，其特征在于上游水箱和下游水箱内的隔层设有5个。
3.根据权利要求1所述的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，其特征在于所述的水头调节装置上还设有蠕动泵，蠕动泵通过水管与溢水盒连通，溢水盒的底部还设有排水口。
4.根据权利要求1所述的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，其特征在于降雨装置的管道呈栅栏状，管道的一端通过橡胶塞封闭，管道的另一端通过水管和玻璃转子流量计与水源连接。
5.根据权利要求4所述的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，其特征在于呈栅栏状的管道由2根直径为20mm的管道和5根直径为IOmm的管道构成，降雨孔的直径为0. 5mm，均勻分布在直径为IOmm的管道上。
6.根据权利要求1或2所述的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，其特征在于取样孔的数量为60个，呈6X10矩阵分布，取样孔的内侧连接有宝塔接头，外侧连接有外丝直通，外丝直通上安装有带有硅胶垫圈的堵头，宝塔接头上通过硅胶管连接有玻璃管，宝塔接头与玻璃管之间用不锈钢卡箍和铝皮固定，玻璃管的另一端通过固定有双层纱网。
7.根据权利要求1或2所述的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，其特征在于测压孔的数量为30个，呈6)(5矩阵分布。
8.根据权利要求1或2所述的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，其特征在于渗流槽上还设有监测孔，所述的监测孔的内侧连接有宝塔接头，外侧连接有外丝直通，宝塔接头上连接有玻璃管，玻璃管的一端通过硅胶管固定有用来采集信息的电极，电极的导线穿过玻璃管、宝塔接头以及外丝直通与外部的仪器连接，玻璃管、宝塔接头以及外丝直通内均通过玻璃胶或者硅橡胶密封。
9.根据权利要求1或2所述的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，其特征在于所述的渗流槽上还设有流场观察孔，流场观察孔的内侧连接有宝塔接头，外侧连接有外丝直通，外丝直通上固定有盛装有红墨水的橡胶套。
10.根据权利要求1或2所述的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，其特征在于所述的模拟槽、多孔板以及管道的材质均采用有机玻璃，所述的水管为硅胶管。
全文摘要
本发明提供了一种基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪，包括模拟槽、测压装置、水头调节装置以及降雨装置，所述的模拟槽包括渗流槽和位于渗流槽两侧的上游水箱和下游水箱；渗流槽的正反两面分别设有均匀分布的取样孔和测压孔，测压孔与测压装置连接；水头调节装置设有两个，分别与上游水箱和下游水箱对应，水头调节装置包括支架、溢水盒、水管以及升降杆；降雨装置位于渗流槽的上方，降雨装置的管道上均匀分布有降雨孔，管道的一端封闭，另一端与水源连接。本发明所提供的基于多层含水层地下水流系统的地下水污染模拟仪不仅可以模拟多个含水层和弱透水层的地下水流系统，而且其测定方便，误差小。
文档编号G01N13/00GK102520131SQ20111040646
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者和泽康, 张亚男, 张垲苡, 张长城, 彭浩, 成建梅, 李仲夏, 杨添程, 杨逸君, 沈丹萍, 潘欢迎, 王珺瑜, 粟烨, 鲁涛涛 申请人:中国地质大学(武汉)