一种岩溶地下河水循环转化模拟装置的制作方法

本发明涉及水文地质研究工具技术领域，特别涉及一种岩溶地下河水循环转化模拟装置。

背景技术：

我国西南地区岩溶分布极为广泛，西南地区的岩溶面积占西南地区幅员面积的三分之一以上，其主要分布在贵州、广西、云南、湖南、广东、湖北、四川、重庆八个省(区、市)。岩溶地貌中碳酸盐岩层溶蚀作用强烈，大气降水和地表水通过溶蚀孔道快速渗漏到地下，形成地表水系不发育，地下河水系四通八达的水文特征。

地下河具有重要供水意义，但由于其埋藏于地下，发育与分布规律较为复杂，具有如下的特点：1、介质由孔、隙、缝、管、洞构成，具有多重性；2、分布受地质、地貌、水文多因素控制，具有非均一性；3、水流运动由快速流、慢速流构成，具有多相性。

这些特点影响了地下河水资源的有效开发利用，面对地下河系统复杂的水文地质条件及水资源难以有效利用的情况，岩溶地下河水循环转化机理模拟已经成为科学工作者科学研究的重要方向。物理模拟是揭示岩溶地下河水循环转化机理的重要途径和必要手段，对岩溶地区的水资源开发利用具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明提出一种岩溶地下河水循环转化模拟装置，该装置能模拟地下河系统水循环转化以及管道水与裂隙水流交换，可监测转化和交换过程中地下水位和流量动态变化，便于对岩溶地下河的研究。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案解决上述问题：

一种岩溶地下河水循环转化模拟装置，包括降水补给系统、物理水箱、管道系统、地下河出口控制系统和水位监测系统，其中物理水箱至少两个，每个物理水箱配置有降水补给系统；所述物理水箱通过管道系统连接，管道系统包括从物理水箱引出的主管道和若干条支管道，以及设置于管道中的若干阻力元件，所述支管道汇入主管道中；所述地下河出口控制系统位于主管道下方，包括与主管道连接的出水管道，设置于出水管道上的阀门i和电磁流量计i；所述水位监测系统包括设置于物理水箱内的水箱压力传感器和设置于管道系统内的管道压力传感器。

上述方案中，降水补给系统控制进入物理水箱的水量，进而控制地下河系统的降雨补给强度。降雨进入物理水箱后，与水箱中原有水流共同构成裂隙水，通过主管道和若干支管道与管道系统中的水体进行水量交换；水流沿管道向下游流动，最后通过地下河出口控制系统排出。在整个模拟实验过程中，通过控制阀门、阻力元件可对模拟装置中的变量进行控制，通过传感器、电磁流量计对裂隙水和管道水水位变化、降雨量变化以及地下河出口流量变化情况进行在线监控，可较好的研究岩溶地下河水循环转化的运动规律。

为较好的实现地下河系统降雨补给强度的控制，所述降水补给系统包括降雨水箱，从降雨水箱底部接出的补给水管，以及设置于补给水管管路上的阀门ii和电磁流量计ii，补给水管出水端接入物理水箱的上部。

进一步的，所述补给水管、出水管道为pvc材料制成的管道。

进一步的，所述物理水箱为两个，包括上游水箱和下游水箱，上游水箱容积大于下游水箱。

为直观观察模拟装置内水体的流动情况，所述物理水箱、主管道、支管道由有机玻璃制作。为便于改变管道系统内的实验条件，所述阻力元件为工作长度可调的玻璃塞。

作为本发明的进一步改进，所述管道压力传感器和阻力元件配套设于主管道和支管道内，主管道和每条支管道内至少设置一套管道压力传感器和阻力元件。

进一步的，所述主管道近两侧端口位置各设有一套管道压力传感器和阻力元件，可对主管道两端的水体运动状态进行更好的观测。

为实现对降水补给系统、管道系统、地下河出口控制系统和水位监测系统的控制，监测收集模拟数据。所述模拟装置中的传感器、电磁流量计、阀门与控制器电连接，控制器可显示数据或传输给其他控制端。

本发明的优点与效果是：

1、模拟全程可视化，便于理解和观测水体运动状态。与传统模拟设备相比，本发明的模拟过程全程可视化、透明化，可以向科研工作者全面的、清楚的阐述岩溶地下河中降水-裂隙水-管道水三者之间的水循环转化关过程，对解释岩溶地下河水循环转化机理给出了明确的答案。

2、模拟数值准确，数值记录收集简便。装置通过传感器、流量计等元件对模拟过程在线监控，与传统人工测量、记录方式相比，在线自动化监测方式可以更准确的获取了降雨、水位、流量等数据，可以更好的分析不同岩溶含水介质水位及出口流量与降雨的响应关系。

3、模拟条件可调节，实验数据更具有说服力。装置能够改变和控制补给水量、管道阻力等实验条件，可根据科研工作者的实际需求，针对地下河系统复杂的水文地质条件，进行特定条件下对比实验分析研究，具有灵活的模拟适用性。管道内设置阻力元件，可以更加逼真的模拟管道内水流的紊流状态，更为真实的反映管道水流运动规律。

附图说明

图1为一种岩溶地下河水循环转化模拟装置的结构示意图；

图2为地下河出口流量与降雨响应过程图。

图号标识：1、降水补给系统，11、降雨水箱，12、补给水管，13、阀门ii，14、电磁流量计ii，2、物理水箱，21、上游水箱，22、下游水箱，3、管道系统，31、主管道，32、支管道，33、阻力元件，4地下河出口控制系统，41、出水管道，42、阀门i，43、电磁流量计i，5、水位监测系统，51、水箱压力传感器，52、管道压力传感器。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

本实施例所述的一种岩溶地下河水循环转化模拟装置，如附图1所示，其主体包括降水补给系统1、物理水箱2、管道系统3、地下河出口控制系统4和水位监测系统5。装置中设置了两个物理水箱2，采用上游水箱21和下游水箱22来构建地下河的水循环模型，具有代表性。上游水箱21的尺寸规格为0.8m×0.8m×1m，下游水箱22尺寸规格为0.6m×0.6m×1m，物理水箱2由有机玻璃制作，可便于观测水体的运动状态。

如附图1所示，每个物理水箱2都配置有降水补给系统1，降水补给系统1设置于物理水箱2的上部，由降雨水箱11、补给水管12、阀门ii13、电磁流量计ii14构成。补给水管12从降雨水箱11的底部接出，补给水管12上依次设置阀门ii13、电磁流量计ii14，补给水管12出水端接入物理水箱2的上部。通过阀门ii13、电磁流量计ii14可对地下河系统的降雨补给强度进行控制。

上游水箱21和下游水箱22通过管道系统3连接，管道系统3包括从两个物理水箱2引出的主管道31和若干条支管道32，两水箱引出的支管道32数量、支管道32间高度差可不同，可更好的模拟地下河复杂的水文特点。支管道32汇入主管道31中，构成上游水和下游水的通路。主管道31近两端位置各设有一个阻力原件33，每个支管道32各设有一个阻力元件33，阻力元件33采用工作长度可调的玻璃塞。

地下河出口控制系统4设于主管道31下方，包括与主管道31连接的出水管道41，设置于出水管道41上的阀门i42和电磁流量计i43。通过阀门i42和电磁流量计i43可对出水管道41内水体流量进行控制。补给水管12、出水管道41为pvc材料制成的管道。

水位监测系统5包括设置于物理水箱2内的水箱压力传感器51和设置于管道系统3内的管道压力传感器52。管道压力传感器52和阻力元件33配套设置，可准确测量阻力对管道内水体的影响。物理水箱2内的水箱压力传感器51能准确测量箱体内水体的水量和水位。

模拟装置中的传感器、电磁流量计、阀门与控制器电连接，控制器将数据传输给计算机，通过对收集到的数据进行处理，可绘制形成地下河出口流量、管道水位、裂隙水位与降雨的响应过程线，对岩溶地下河水循环转化研究具有重要的研究意义。

本发明的工作原理和操作步骤为：

1、通过阀门ii13和电磁流量计ii14的控制补给水管12的水流量，向上游水箱21和下游水箱22持续注水，出水管道41上的阀门i42，控制出水管道41出口的流量，使主管道31内充满水。

2、关闭补给水管12上的阀门ii13，同时控制出水管道41上的阀门i42，使物理水箱2内水位和出水管道41出口流量缓慢下降，持续时间460s。

3、第一次打开上游水箱21上方降水补给系统1的阀门ii13，控制降雨水箱11均匀补给(流量为400ml/s，持续10s)，调节出水管道41上的阀门i42。

4、关闭上游水箱21上方降水补给系统1的阀门ii13，关闭时间为420s。

5、第二次打开上游水箱21上方降水补给系统1的阀门ii13，控制降雨水箱11均匀补给(流量为200ml/s，持续10s)。

6、再次关闭上游水箱21上方降水补给系统1的阀门ii13。当出水管道41出口流量恢复至降雨补给前数值时，本次实验结束。

将地下河出口控制系统4的电磁流量计i43数据和降水补给系统1的电磁流量计ii14数据进行整理后，可绘制地下河出口流量与降雨响应过程线，如附图2所示。

以上结合附图对本发明的实施方式详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。