模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置的制作方法

本发明涉及地下水科学研究工具，特别涉及一种模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置。

背景技术：

1、地下水回灌是调节水资源时空分布不均和控制及修复地下水超采的工程手段，也是解决区域地下水短缺的有效工程措施，同时还是地下水源热泵等工程运行的必要措施。地下水回灌工程实践中的堵塞长期以来严重制约了地下水回灌技术的广泛应用，以颗粒堵塞为主要形式的物理堵塞是地下水回灌工程中堵塞的主要发生形式。据统计，世界主要国家地下水回灌工程中发生的堵塞有50％以上的堵塞形式是颗粒堵塞，所以颗粒堵塞是对地下水回灌效率影响最大的因素。

2、影响地下水回灌过程中颗粒堵塞发生发展的因素有介质孔隙空间结构、孔隙壁粗糙程度、颗粒级配、颗粒形状、水流渗透速度、离子强度、ph乃至重力、温度等。其中孔隙的空间结构是影响颗粒堵塞的最直接因素，因其直接影响介质内部孔隙中的微观流场和随水流运动的颗粒的受力情况，进而对颗粒的运动轨迹以及颗粒与孔隙壁的碰撞概率产生影响。已有的关于介质孔隙结构对地下水回灌颗粒堵塞影响的研究多偏向颗粒沉积机理机制，试验设计与饱和入渗状态下地下水入渗池回灌工程实践场景中的定水头、相对恒定颗粒浓度、垂直下渗、堵塞深度较大、回灌时间长达数日等情况有一定区别。

技术实现思路

1、本发明提供了一种模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，目的是针对地下水回灌颗粒堵塞发生发展的工程现象和物理机制，提供一种具备系统性和可拓展性的模拟地下水回灌介质内部渗流及颗粒堵塞的试验装置。该装置能够模拟分析不同因素对地下水回灌过程中介质渗流以及颗粒堵塞发生发展的影响，便于开展地下水回灌颗粒堵塞的机理机制研究。

2、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：

3、一种模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，其特征在于：该装置包括能够进行颗粒投放的定水头回灌补给系统，定水头回灌补给系统的下部设置通过蠕动泵连接的试验砂柱，试验砂柱内自上而下依次布置砾石颗粒层、砂柱介质体，试验砂柱的上端部设置溢流口，溢流口通过溢流水箱与蠕动泵连接；试验砂柱的下端侧壁设置出流口，出流口与电子流量计连接；试验砂柱的侧壁设置若干个观测孔、测压孔，各个测压孔均与压力传感器连接。

4、进一步的，本发明试验砂柱的下部设置出流缓冲区。

5、进一步的，本发明的试验砂柱为有机玻璃柱体，有机玻璃柱体内壁涂有凡士林。

6、进一步的，本发明的试验砂柱为高80cm、内径9cm、外径10cm的圆柱体。

7、进一步的，本发明的试验砂柱下部设置有出流缓冲区和出流口，通过橡胶管连接电子流量计进行测量，并利用脉冲式无纸记录仪进行记录，结合人工测量，记录试验全过程中的出流流量。

8、进一步的，本发明的定水头回灌补给系统内部设置搅拌器。

9、进一步的，本发明的砂柱介质体为多种类型和粒径分布的介质颗粒，组成地下水人工回灌工程场景中的饱和多孔介质。

10、一种模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，通过改变定水头回灌补给系统投放的水体和颗粒设置不同回灌水和回灌颗粒条件的试验场景，通过改变填充砂柱的介质进行不同饱和多孔介质条件下的地下水回灌颗粒堵塞试验场景；试验开始前对压力传感器和电子流量计进行人工标定，试验过程中的流量监测采用量筒和秒表进行人工测量；脉冲式无纸记录仪实时记录压力传感器数据，脉冲式无纸记录仪实时记录电子流量计数据，均传输给计算机单元。

11、本发明以地下水人工回灌工程实践为基础，充分考虑了回灌入渗池的实地物理场景，设计了契合地下水回灌工程实践条件的一维砂柱定水头回灌物理试验装置，该装置能够研究地下水回灌过程中的介质内部渗流过程和颗粒堵塞发生发展情况，能够为防治地下水人工回灌堵塞提供理论参考。

12、与现有技术相比，本发明的优点与效果是：

13、1、本发明的试验装置充分考虑到地下水回灌工程实践中的颗粒堵塞基本发生在距地表50cm深度范围，以及地表覆盖的砾石层。同时通过装置设置避免了柱体边界影响下的边界流和介质内部二维流场出现的可能性。试验系统中的搅拌池和搅拌器能够避免投放的悬浮颗粒沉底，并维持回灌水颗粒浓度的恒定。

14、2、试验装置具备可调节行性，可以改变试验条件以实现多个物理场景的实验研究，研究者可以改变回灌水头、回灌水颗粒浓度、回灌水温度、介质体、介质颗粒、覆盖层、覆盖层颗粒、回灌颗粒等，能够开展丰富的对比试验，具有广泛的适用范围。

15、3、测量数据较准确，试验结果可靠。试验装置系统的定水头控制系统稳定，在介质体不同深度处均匀布设了观测孔，砂柱下游出流口接入了电子流量计，并结合人工测量标定出流量数据，通过无纸记录仪实现了对试验全过程压力水头和出流量的实时监控。

技术特征：

1.一种模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，其特征在于：该装置包括能够进行颗粒投放的定水头回灌补给系统，定水头回灌补给系统的下部设置通过蠕动泵连接的试验砂柱，试验砂柱内自上而下依次布置砾石颗粒层、砂柱介质体，试验砂柱的上端部设置溢流口，溢流口通过溢流水箱与蠕动泵连接；试验砂柱的下端侧壁设置出流口，出流口与电子流量计连接；试验砂柱的侧壁设置若干个观测孔、测压孔，各个测压孔均与压力传感器连接。

2.根据权利要求1所述的模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，其特征在于：试验砂柱的下部设置出流缓冲区。

3.根据权利要求1所述的模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，其特征在于：试验砂柱为有机玻璃柱体，有机玻璃柱体内壁涂有凡士林。

4.根据权利要求1所述的模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，其特征在于：试验砂柱为高80cm、内径9cm、外径10cm的圆柱体。

5.根据权利要求1所述的模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，其特征在于：试验砂柱下部设置有出流缓冲区和出流口，通过橡胶管连接电子流量计进行测量，并利用脉冲式无纸记录仪进行记录，结合人工测量，记录试验全过程中的出流流量。

6.根据权利要求1所述的模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，其特征在于：定水头回灌补给系统内部设置搅拌器。

7.根据权利要求1所述的模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，其特征在于：砂柱介质体为多种类型和粒径分布的介质颗粒，组成地下水人工回灌工程场景中的饱和多孔介质。

8.根据权利要求1～7任一项所述的模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，其特征在于：通过改变定水头回灌补给系统投放的水体和颗粒设置不同回灌水和回灌颗粒条件的试验场景，通过改变填充砂柱的介质进行不同饱和多孔介质条件下的地下水回灌颗粒堵塞试验场景；试验开始前对压力传感器和电子流量计进行人工标定，试验过程中的流量监测采用量筒和秒表进行人工测量；脉冲式无纸记录仪实时记录压力传感器数据，脉冲式无纸记录仪实时记录电子流量计数据，均传输给计算机单元。

技术总结
一种模拟地下水回灌过程中介质渗流及颗粒堵塞的试验装置，试验砂柱底部为出流缓冲区，预留有出流口；回灌补给系统由蠕动泵和溢流水箱组成；介质覆盖层模拟地下水回灌工程实际中地表的第四系松散沉积物和植被；介质体为均质中粗砂填充形成；水位监测系统包含压力传感器和无纸记录仪；流量监测系统包括电子流量计和脉冲式无纸记录仪。该装置可以研究实验室砂柱尺度下的地下水人工回灌，并获取饱和多孔介质砂柱内部的颗粒堵塞发生发展过程。可以改变介质以及回灌水头，以进行控制变量的对照试验。本装置充分考虑地下水人工回灌工程中的入渗池工程实际，分析介质不同深度处的渗流情况与颗粒堵塞发生发展过程，便于对地下水回灌颗粒堵塞进行分析研究。

技术研发人员：王诏楷,张卫,汪慧芳,龙昶宇,彭栋
受保护的技术使用者：安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院（安徽省水利工程质量检测中心站）
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27