一种多场耦合作用下含水层水文地质参数测试装置及方法

本发明涉及一种多场耦合作用下含水层水文地质参数测试装置及方法，属于水文地质参数测试。

背景技术：

1、随着全球水资源的不断紧张，地下水作为重要的水源之一，其管理和可持续利用变得尤为重要。研究人员需要深入了解地下水流动、热传导以及污染物传输机制，发展有效的地热资源开发手段和污染防控措施，以及开展地下水污染的监测和修复技术研究。地下水系统是一个多场耦合的系统，包括水动力场、温度场和化学场等。然而，这些场之间的相互作用和复杂性使得研究更具挑战性。现有技术在获取关键水文地质参数时存在局限，例如水动力场的渗透系数、化学场的弥散系数、温度场的导热系数等。需要发展多场耦合模型分析方法，以揭示不同场之间的相互关系，并更好地理解地下水系统的行为。

2、具体而言，传统的水文地质调查方法难以全面高效地获取这些参数。比如实地取样研究受到采样点有限、采样不均匀的限制，难以全面、高效地捕捉地下水系统的复杂性。地球物理勘测也可用来推断地下水系统的特性，但是该方法有时分辨率较低，不能提供详细的参数值。遥感技术可以提供大范围的信息，且具有覆盖广泛区域的能力，但是对于深层地下水系统的参数获取相对有限，精确度受到限制。数值模拟可用于揭示系统的动态变化，并提供详细的参数数据，但是模型的准确性受到输入数据和模型假设的影响，需要验证和校准。

3、解决研究区各场水文地质参数的获取是一个关键问题，但是利用传统的水文地质调查方法很难高效准确的了解到这些水文地质参数。这些参数的准确获取将有助于深入理解地下水系统的复杂行为，为地下水污染防治和管理提供科学依据。通过克服现有技术的限制，本专利有望为地热资源开发及地下水污染防治等研究和管理提供更科学的依据。

4、但是现有的测试技术和方法有时分辨率较低，不能提供详细的参数值；对于深层地下水系统的参数获取相对有限，精确度受到限制；模型的准确性受到输入数据和模型假设的影响，需要验证和校准。而且这些方法均未考虑多场耦合因素的影响，均无法实现通过一次试验同时测定含水层的渗透系数、导热系数和弥散系数。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多场耦合作用下含水层水文地质参数测试装置及方法，解决现有技术中无法通过一次试验同时测定多个水文地质参数的缺陷。

2、为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种多场耦合作用下含水层水文地质参数测试装置，包括砂柱主体、主孔系统、主孔激发系统、数据采集系统和水位调节管；

4、砂柱主体包括砂柱外筒、砂柱内筒和承压板，砂柱内筒固定在砂柱外筒中，砂柱内筒的侧壁上均匀开设有多个孔且通过透水纱布包裹，承压板固定于砂柱内筒的中部；

5、主孔系统固定于所述砂柱内筒中且底部连通所述主孔激发系统，主孔系统包括主孔花管和主孔套管，主孔套管位于主孔花管中且能够在主孔花管中上下活动，主孔花管的侧壁上均匀开设有多个孔且通过透水纱布包裹；

6、主孔激发系统用于向所述主孔系统中输送不同状态的水从而实现主孔系统中线状水动力场、温度场和/或化学场的激发；

7、数据采集系统包括探头、数据传输线和数据发射器，探头固定在主孔花管/砂柱内筒中的预设位置，通过数据传输线和位于砂柱外筒外的数据发射器连接；

8、水位调节管和所述砂柱外筒可旋转连接，用于调节砂柱内筒中含水层的水位。

9、结合第一方面，进一步的，还包括测压管和测压管连接管，测压管固定于砂柱外筒的外侧壁，通过测压管连接管连通至砂柱内筒中；所述水位调节管和所述砂柱外筒之间设有第一阀门。

10、结合第一方面，进一步的，所述主孔套管上设有卡箍，手动调整主孔套管的高度后通过所述卡箍固定在所述主孔花管中。

11、结合第一方面，进一步的，所述探头为ltc三参数探头，设置有19根，其中3根固定于所述主孔花管中的三个不同高度位置，另外16根固定于砂柱内筒中含水层的16个观测点处，所述探头通过透水纱布包裹。

12、结合第一方面，进一步的，所述承压板上开设有主孔和多个探头穿线孔，所述主孔用于容纳所述主孔系统，所述探头穿线孔供所述数据传输线穿过。

13、结合第一方面，进一步的，所有装置的材质均采用隔热效果好且耐腐蚀的材料，包括：聚乙烯管、交联聚乙烯管、氯化聚氯乙烯管、纤维增强塑料、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、矿物纤维和气凝胶。

14、结合第一方面，进一步的，所述主孔激发系统包括水位调节箱、第五阀门、第六阀门和隔热水管，所述水位调节箱通过所述隔热水管连通到主孔系统中，所述第五阀门是所述水位调节箱的放水口，所述第六阀门是所述水位调节箱的进水口，通过控制第五阀门和第六阀门的流量来维持水位调节箱的水位稳定。

15、第二方面，本发明还提供了一种多场耦合作用下含水层水文地质参数测试方法，采用第一方面任一项所述装置进行测试，包括：

16、s1、向砂柱内筒中填砂并安装测压管和数据采集系统；

17、s2、安装承压板构造室内承压含水层；

18、s3、通过主孔激发系统对测试装置多次灌排水对承压含水层中的砂土进行饱和并冲洗出含水层内部杂质，饱和完全后旋转水位调节管的角度调节含水层的水位，形成稳定的含水层；

19、s4、激活数据采集系统；

20、s5、通过主孔激发系统将配置好的预设温度预设浓度的盐水向主孔系统中输送，完成线状水动力场、温度场和化学场的激发；

21、s6、通过数据采集系统采集各观测点的水位、温度和电导率随时间变化的数据；

22、s7、重复步骤s3至s6，完成对不同激发方式和激发强度的微示踪试验；

23、s8、导出步骤s4至s7中水位、温度和电导率随时间变化的数据，据此得到无量纲水位、无量纲温度及无量纲浓度变化与时间的实测曲线，根据微示踪试验理论得到的无量纲水位、无量纲温度及无量纲浓度变化与无量纲时间的标准曲线，将实测曲线与标准曲线进行配线拟合，选取匹配点记录对应的坐标值，结合所述坐标值和实测曲线的中间值通过数值解/解析解方法求得多场耦合作用下含水层的渗透系数、导热系数和弥散系数。

24、结合第二方面，进一步的，所述向砂柱内筒中填砂并安装测压管和数据采集系统，包括：将均质砂土均匀填充至砂柱内筒中，填砂的同时将与测压管连接管相连的软管以及16根ltc三参数探头固定于砂柱内筒的观测点处，填砂至砂柱内筒中间位置处停止填砂。

25、结合第二方面，进一步的，所述安装承压板构造室内承压含水层，包括：在砂柱内筒中加盖承压板，将主孔系统中的主孔花管及主孔套管通过承压板中间的主孔露出，数据采集系统中16个观测点的数据传输线通过承压板周围的探头穿线孔将ltc三参数探头与外部的数据发射器相连，将承压板周围的缝隙密封堵死，并在承压板上部放置重物以抵消后期试验过程中承压板的下部水压力，构造出室内承压含水层。

26、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

27、本发明提供的一种多场耦合作用下含水层水文地质参数测试装置及方法，通过主孔激发系统对主孔的水动力场、温度场及化学场进行激发，通过数据采集系统采集试验过程中主孔及观测点处水位、温度及电导率随时间的变化情况，研究变化规律，计算多场耦合情况下含水层水文地质参数，能够通过一组试验同时确定渗透系数、导热系数和弥散系数等多场水文地质参数，实现多场耦合参数测定，试验可控性强，操作简单，可重复性高。