CN209894806U - 一种地下水回补模拟实验平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种地下水回补模拟实验平台，实验平台包括动态水位模拟装置、包气带模拟装置、降雨灌溉模拟装置和地下水回补模拟装置。通过在包气带模拟装置中添加不同污染源，模拟回补过程中地下水流场演变，在污染关联模拟装置中模拟地下水回补过程中各种潜在污染地下水水质的影响因素，获取多种关键参数。
Description
技术领域
本实用新型涉及地下水水质安全与回补技术领域，特别是涉及一种地下水回补模拟实验平台。
背景技术
在水文地质上，包气带是指潜水面至地表间的地质空间。它在地下水资源的形成与变化中的作用十分重要，既具有贮存水分的能力，又有传输地表入渗水的机能。包气带是阻隔地下水污染的重要屏障，但其中也存在大量的潜在污染源，主要包括：①地表污水通过包气带下渗污染地下水，这在有大量污水排放的城市、工矿地区及农田灌溉地区是非常普遍的现象；②被污染的包气带土体在大气降水或灌溉水的入渗下导致地下水的污染，由于农田喷撤农药、化肥，污水灌概，大气中污染尘埃的降落等等原因，均可导致包气带土体的污染，这些被污染土体中的污染质，在后期入渗水的作用下，进入水中而使地下水污染；③垃圾处理场、废尾矿及矿渣堆放场中的污染物，由降雨及其他水流拥带经过包气带污染地下水。但随着压采工程的实施，及地下水回补工程的开展，地下水水位持续上升，包气带中的污染物将成为地下水的重要污染源之一，高度还原模拟地下水水位回升对包气带污染源的影响显得尤为重要。
人工回补过程中引起地下水质变化的原因是多方面的：不同回补水源携带的溶质不同；含水层矿物与注入水或原生地下水之间产生水岩相互作用；回补水与潜在污染物相互作用。在华北平原类似的超采地区，持续超采已经造成了浅层区长期处于疏干状态，一旦实施地下水回补工程地下水位止降并回升，将引起浅层地下水流场、化学场及蓄量的突变；由于回补区所在平原区域包气带及相应舒干层中的潜在污染源点多面广，不同地区污染源在包气带中迁移特征各异，在回补入渗与水位回升过程中对地下水环境风险水平不明。因此建立一种基于包气带-地下水污染关联模拟实验平台的地下水回补模拟实验平台，高度还原模拟地下水回补过程，实时监测，获取多种关键参数，为实际地下水回补工程提供技术支持。
实用新型内容
本实用新型的目的就是提供一种基于包气带--地下水污染关联模拟实验平台的地下水回补模拟实验平台，以解决地下水回补模拟装置的模拟实验保真度低的问题。
本实用新型的地实验平台包括动态水位模拟装置、包气带模拟装置、降雨灌溉模拟装置和地下水回补模拟装置。
所述动态水位模拟装置的主体为截面为长方形的箱式壳体，所述箱式壳体采用有机玻璃加工而成，外围采用不锈钢支架加固和支撑；在所述箱式壳体的内部设置两块平行的多孔透水板，两块多孔透水板分别靠近且平行于一面箱式壳体的壁板，且多孔透水板与其靠近的壁板距离为80～120mm；所述多孔透水板的板面上密布有孔径为1～3mm的过水孔眼；所述多孔透水板的下沿与所述箱式壳体的底板密封接触，上沿与所述箱式壳体的上口相平齐，且多孔透水板另外两边沿与箱式壳体的两平行壁板垂直、密封接触；所述多孔透水板与其平行且靠近的壁板间形成地下水自由潜水面，自由水面可更好的模拟地下水水头压力差，避免注水孔形成的单独水丘。
自由潜水面上方用有机玻璃板密闭，所述玻璃板上开设有进气孔和排气孔，所述进气孔和排气孔直径均为8～12mm；进气孔连接外径与其直径相等的进气管，进气管伸入箱式壳体底部，所述进气管插入箱式壳体部分的管壁上设置直径1～2mm的孔；所述进气管外接氮气存储装置，排气孔排出多余气体。进气孔连续注入氮气，避免空气对地下水Eh值得影响。
在箱式壳体与多孔透水板平行的壁板上设置多个进水口，在与该壁板平行的另一侧壁板上设置多个出水口；所述进水口和出水口均分为上下共三层，均匀分布，孔径为10～30mm，上下及左右间距为200～300mm，进水口连接水箱，水箱下方配备高度可调装置，从而达到调节自由潜水面，进水口和出水口均设置有流量计、阀门；依据水位高低开关相应的进出水孔，均匀多个进出水孔与箱体内自由水面的设计能更有效模拟地下水径流与排泄；同时，进水口与出水口相互调节实现对水文地质单元的含水层介质中地下水的流量、流速等参数的模拟和调控。
与多孔透水板垂直的箱式壳体的两面壁板上均匀设置多个采样口，所述采样口直径为10～20mm；所述采样口由玻璃管制成；每个采样口上安装有原位监测仪器或者密封膜；采样口可用于采样或者连接原位监测仪器；采样口的密封方式为，两侧粘贴密封胶膜，孔内填充石英砂与纯净水，隔绝空气，从而保持模拟装置内部不受干扰。
在所述箱式壳体内装填用于模拟水文地质单元的含水层介质，在含水层顶部覆盖黏土层，模拟含水层顶板，同时起到隔绝空气的作用；所述黏土层厚度为80～120mm。
所述包气带模拟装置包括有机玻璃柱及其内部填充介质；有机玻璃柱插入黏土层内且与箱式壳体顶面垂直；有机玻璃柱利用不锈钢支架与主体支架相连，有机玻璃柱内不含黏土层，且有机玻璃柱底部与含水层介质接触；有机玻璃柱内部装填模拟包气带岩性结构的填充介质，有机玻璃柱柱体上均匀分布有采样口，采样口规格与箱式壳体上设置的采样口相同，采样口可用于取样与原位监测设备的安置；所述有机玻璃柱的直径均为280～320mm；
在箱式壳体中与有机玻璃柱平行设置若干有机玻璃管；所述有机玻璃管管径为50～80mm，管壁设置直径1～3mm的孔；有机玻璃管用于模拟监测井，监测井上方黏土层段无渗水孔，上端密封，设置进气孔、排气孔，下端与箱式壳体底部连接；进气孔连接进气管，所述进气管位于有机玻璃管内的管壁上设置有直径1～2mm的孔，进气管伸入箱式壳体底部；所述进气管外接氮气存储装置；氮气有助于保持模拟装置的氧化还原环境。
有机玻璃柱内部装填模拟包气带岩性结构的填充介质时，可在不同深度放置多种污染源，同时埋设相关原位监测探头，所述监测探头为水质监测探头、水位监测探头、pH监测探头、氧化还原电位监测探头、电导率监测探头、温度监测探头及溶解氧监测探头中的一种或数种。
所述降雨灌溉模拟装置包括水箱、输水管道、流量计、阀门和花洒。通过调控水箱中水源性质，可以实现不同pH值、各种离子含量模拟酸雨、污灌等不同外来水源对包气带及其中污染源迁移转化的影响。
所述回补模拟装置包括水箱、高度可调装置、阀门、流量计以及井灌式回补模拟装置或河道入渗式回补模拟装置。
所述井灌式回补模拟装置包括垂直埋设于动态水位模拟装置中的、且顶端密封的玻璃井，所述玻璃井直径为80～120mm，直接深入动态水位模拟装置底部，且玻璃井插入动态水位模拟装置部分的井壁上设置有直径1～3mm的孔；所述玻璃井外围缠绕不锈钢网，避免含水层介质进入井管内。
所述河道入渗式回补模拟装置包括垂直于动态水位模拟装置顶部的立方体玻璃罩，玻璃罩内不含有黏土层，且玻璃罩底部直接接触含水层介质上方，且玻璃罩底部设置直径1～3mm的渗水孔，所述玻璃罩高度为100～200mm。
所述玻璃井或玻璃罩顶部均设置有注水孔，并由注水孔深入注水管；所述玻璃井的注水管深入至动态水位模拟装置底部，所述玻璃罩的注水管深入至含水层介质上方；所述注水管与水箱连接，并设置有阀门和流量计。
回补模拟装置中的回补水源可选多种水源(再生水、雨洪水、外来水源)，回补水源在总管道排出时设置流量计、阀门，控制给水量，注入到模拟渗井或模拟河道中；开始注水后密切监测回补水源的流场演化，尤其是水丘波动带的水位变幅及对包气的影响；随着整体水位的回升，需调节地下水水源的水箱高度，防止回灌；随着水位的回升，监测地下水水质演变，主要是回补水源与地下原水及含水层介质作用对水质的影响；监测回补过程整个流场的演变与污染物迁移转化的关系，推算回补速率与水位变幅的关系，避免包气带污染物对地下水的污染；总体上可获取一系列关键参数，有效避免地下水水质恶化。
本实用新型技术方案的优异效果如下：
1)本实用新型通过在所述包气带模拟装置上的添加各种污染源，立体监测包气带中污染源的迁移转化，及进入含水层后的迁移转化，形成一个完整的包气带垂直入渗与含水层水平迁移的立体污染模拟装置；在所述污染关联模拟装置中通过在模拟包气带入渗装置中添加不同污染源，模拟回补过程中地下水流场演变，在所述污染关联模拟装置中模拟地下水回补过程中各种潜在污染地下水水质的影响因素，获取多种关键参数
2)本实用新型构成一种完善的包气带含水层的立体水文地质单元模型，可模拟在地下水回补条件下，回补水源与地下水共同作用对包气带污染源的影响，模拟污染物从垂向到水平方向的迁移转化过程，及相关环境参数的搜集，可清晰地观测污染物在包气带土壤及含水层中的运移过程，便于深入分析污染物在包气带土壤及含水层中的溶质运移及迁移转化规律。
3)本实用新型改变了原有物理模拟装置的组成、结构和工作原理，实现包气带、饱水带、含水层、回补过程水丘的有机结合，能满足包气带土壤非饱和渗流模拟，而且具有多维流动模拟、立体监测能力，高度还原包气带中污染物迁移至地下水并进一步扩散的迁移转化途径。
4)本实用新型结构简单，测量数据精确，用途广泛；可模拟不同污染物、不同降雨条件、不同地下水流场条件下污染物在包气带-含水层的迁移转化途径；本实用新型有效避免了空气进入模拟装置内部，高度还原了包气带含水层环境特征；本实用新型可模拟污染物在包气带中的垂向迁移，在水位波动带的扩散迁移，在含水层的水平迁移模拟。
附图说明
图1：本实用新型涉及的井灌式地下水回补模拟实验平台侧视示意图
图2：本实用新型涉及的井灌式地下水回补模拟实验平台俯视示意图
图3：本实用新型涉及的河道入渗式地下水回补模拟实验平台侧视示意图
图4：本实用新型涉及的河道入渗式地下水回补模拟实验平台俯视示意图
附图标记说明：
1-动态水位模拟装置、2-包气带模拟装置、3-降雨灌溉模拟装置、4-多孔透水板、5-有机玻璃板、6-进气孔、7-排气孔、8-进气管、9-氮气存储装置、10-水箱、11-高度可调装置、12-流量计、13-阀门、14-进水口、15-出水口、16-采样口、17-黏土层、18-有机玻璃柱、19-有机玻璃管、20-输水管道、21-花洒、22-井灌式回补模拟装置、23-河道入渗式回补模拟装置、24-玻璃井、25-玻璃罩、26-渗水孔、27-注水孔
具体实施方式
下面结合说明书和具体实施例对本实用新型做进一步详细、完整地说明，但并非限制本实用新型，本实用新型也并非仅局限于下属实施例的内容，下述所使用的试验方法若无特殊说明，均为本技术领域现有的常规方法。
本实用新型的地下水回补模拟实验平台包括动态水位模拟装置1、包气带模拟装置2、降雨灌溉模拟装置3和地下水回补模拟装置。
所述动态水位模拟装置1的主体为截面为长方形的箱式壳体，所述箱式壳体采用有机玻璃加工而成，外围采用不锈钢支架加固和支撑；在所述箱式壳体的内部设置两块平行的多孔透水板4，两块多孔透水板4分别靠近且平行于一面箱式壳体的壁板，且多孔透水板4与其靠近的壁板距离为100mm；所述多孔透水板4的板面上密布有孔径为2mm的过水孔眼；所述多孔透水板4的下沿与所述箱式壳体的底板密封接触，上沿与所述箱式壳体的上口相平齐，且多孔透水板4另外两边沿与箱式壳体的两平行壁板垂直、密封接触；所述多孔透水板4与其平行且靠近的壁板间形成地下水自由潜水面，自由水面可更好的模拟地下水水头压力差，避免注水孔形成的单独水丘。
自由潜水面上方用有机玻璃板5密闭，所述玻璃板上开设有进气孔6和排气孔7，所述进气孔6和排气孔7直径均为10mm；进气孔6连接外径与其直径相等的进气管8，进气管8伸入箱式壳体底部，所述进气管8插入箱式壳体部分的管壁上设置直径1mm的孔；所述进气管8外接氮气存储装置9，排气孔7排出多余气体。进气孔6连续注入氮气，避免空气对地下水Eh值得影响。
在箱式壳体与多孔透水板4平行的壁板上设置多个进水口14，在与该壁板平行的另一侧壁板上设置多个出水口15；所述进水口14和出水口15均分为上下共三层，均匀分布，孔径为20mm，上下及左右间距为250mm，进水口14连接水箱10，水箱10下方配备高度可调装置11，从而达到调节自由潜水面，进水口14和出水口15均设置有流量计12、阀门13；依据水位高低开关相应的进出水孔，均匀多个进出水孔与箱体内自由水面的设计能更有效模拟地下水径流与排泄；同时，进水口14与出水口15相互调节实现对水文地质单元的含水层介质中地下水的流量、流速等参数的模拟和调控。
与多孔透水板4垂直的箱式壳体的两面壁板上均匀设置多个由有机玻璃管19制成的采样口16，所述有机玻璃管19直径为10mm；每个采样口16上安装有原位监测仪器或者密封膜；采样口16可用于采样或者连接原位监测仪器；采样口16的密封方式为，两侧粘贴密封胶膜，采样口内填充石英砂与纯净水，隔绝空气，从而保持模拟装置内部不受干扰。
在所述箱式壳体内装填用于模拟水文地质单元的含水层介质，在含水层顶部覆盖黏土层17，模拟含水层顶板，同时起到隔绝空气的作用；所述黏土层17厚度为100mm。
所述包气带模拟装置2包括有机玻璃柱18及其内部填充介质；有机玻璃柱18插入黏土层17内且与箱式壳体顶面垂直；有机玻璃柱18利用不锈钢支架与主体支架相连，有机玻璃柱18内不含黏土层17，且有机玻璃柱18底部与含水层介质接触；有机玻璃柱18内部装填模拟包气带岩性结构的填充介质，有机玻璃柱18柱体上均匀分布有采样口，采样口规格与箱式壳体上设置的采样口相同，采样口可用于取样与原位监测设备的安置；所述有机玻璃柱18的直径均为300mm；
在箱式壳体中与有机玻璃柱18平行设置若干有机玻璃管19；所述有机玻璃管19管径为70mm，管壁设置直径2mm的孔；有机玻璃管19用于模拟监测井，监测井上方黏土层17段无渗水孔26，上端密封，设置进气孔6、排气孔7，下端与箱式壳体底部连接；进气孔6连接进气管8，所述进气管8位于有机玻璃管19内的管壁上设置有直径1mm的孔，进气管8伸入箱式壳体底部；所述进气管8外接氮气存储装置9；氮气有助于保持模拟装置的氧化还原环境。
有机玻璃柱18内部装填模拟包气带岩性结构的填充介质时，可在不同深度放置多种污染源，同时埋设相关原位监测探头，所述监测探头为水质监测探头、水位监测探头、pH监测探头、氧化还原电位监测探头、电导率监测探头、温度监测探头及溶解氧监测探头中的一种或数种。
所述降雨灌溉模拟装置3包括水箱10、输水管道20、流量计12、阀门13和花洒21。通过调控水箱10中水源性质，可以实现不同pH值、各种离子含量模拟酸雨、污灌等不同外来水源对包气带及其中污染源迁移转化的影响。
所述回补模拟装置包括水箱10、高度可调装置11、阀门13、流量计12以及井灌式回补模拟装置22或河道入渗式回补模拟装置23。
所述井灌式回补模拟装置22包括垂直埋设于动态水位模拟装置1中的、且顶端密封的玻璃井24，所述玻璃井24直径为100mm，直接深入动态水位模拟装置1底部，且玻璃井24插入动态水位模拟装置1部分的井壁上设置有直径2mm的孔；所述玻璃井24外围缠绕不锈钢网，避免含水层介质进入井管内。
所述河道入渗式回补模拟装置23包括垂直于动态水位模拟装置1顶部的立方体玻璃罩25，玻璃罩25内不含有黏土层17，且玻璃罩25底部直接接触含水层介质上方，且玻璃罩25底部设置直径2mm的渗水孔26，所述玻璃罩25高度为150mm。
所述玻璃井24或玻璃罩25顶部均设置有注水孔27，并由注水孔27深入注水管；所述玻璃井24的注水管深入至动态水位模拟装置1底部，所述玻璃罩25的注水管深入至含水层介质上方；所述注水管与水箱10连接，并设置有阀门13和流量计12。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种地下水回补模拟实验平台，其特征在于，所述实验平台包括动态水位模拟装置、包气带模拟装置、降雨灌溉模拟装置和地下水回补模拟装置；
所述动态水位模拟装置的主体为截面为长方形的箱式壳体，在箱式壳体内部设置两块平行的多孔透水板，所述多孔透水板分别靠近且平行于箱式壳体的一面壁板，且多孔透水板与其靠近的壁板距离为80～120mm；所述多孔透水板的板面上设置有孔径为1～3mm的过水孔眼；所述多孔透水板的下沿与箱式壳体的底板密封接触，上沿与箱式壳体的上口相平齐，且多孔透水板另外两边沿与箱式壳体的两平行壁板垂直、密封接触；所述箱式壳体内填有用于模拟水文地质单元的含水层介质，在箱式壳体顶部覆盖用于模拟含水层顶板的黏土层；所述黏土层厚度为80～120mm；
所述包气带模拟装置包括有机玻璃柱及其内部填充介质；所述有机玻璃柱插入黏土层内且与箱式壳体顶面垂直；所述有机玻璃柱内不含黏土层，且有机玻璃柱底部与含水层介质接触；
所述降雨灌溉模拟装置包括水箱、输水管道、流量计、阀门和花洒；
所述地下水回补模拟装置包括水箱、高度可调装置、阀门、流量计以及井灌式回补模拟装置或河道入渗式回补模拟装置。
2.如权利要求1所述的实验平台，其特征在于，所述多孔透水板与其平行且靠近的壁板间形成地下水自由潜水面，自由潜水面上方用有机玻璃板密闭，有机玻璃板开设有进气孔和排气孔；所述进气孔和排气孔直径均为8～12mm；所述进气孔连接外径与其直径相等的进气管，进气管伸入箱式壳体底部；所述进气管插入箱式壳体部分的管壁上设置直径为1～2mm的孔；所述进气管外接氮气存储装置。
3.如权利要求1或2所述的实验平台，其特征在于，所述箱式壳体与多孔透水板平行的壁板上设置有多个进水口，与该壁板平行的另一侧壁板上设置多个出水口；所述进水口连接水箱，水箱下方配备高度可调装置，进水口和出水口均设置有流量计、阀门。
4.如权利要求3所述的实验平台，其特征在于，与所述多孔透水板垂直的箱式壳体的两面壁板上均匀设置多个采样口，所述采样口直径为10～20mm；每个采样口上有密封膜，采样口内填充石英砂和纯净水。
5.如权利要求4所述的实验平台，其特征在于，所述有机玻璃柱的内部填充介质为模拟包气带岩性结构的填充介质；所述有机玻璃柱柱体上均匀分布有采样口；所述有机玻璃柱的直径为280～320mm。
6.如权利要求5所述的实验平台，其特征在于，所述箱式壳体中设置有与有机玻璃柱平行的有机玻璃管；所述有机玻璃管管径为50～80mm，管壁设置直径为1～3mm孔；所述有机玻璃管上端密封，设置进气孔、排气孔，下端与箱式壳体底部连接；所述进气孔连接进气管，进气管位于有机玻璃管内的管壁上设置直径1～2mm的孔，进气管伸入箱式壳体底部；所述进气管外接氮气存储装置。
7.如权利要求6所述的实验平台，其特征在于，所述有机玻璃柱内部填充介质的不同深度设置有污染源和原位探测头。
8.如权利要求7所述的实验平台，其特征在于，所述井灌式回补模拟装置包括垂直埋设于动态水位模拟装置中的、且顶端密封的玻璃井，所述玻璃井直径为80～120mm，直接深入动态水位模拟装置底部，且玻璃井插入动态水位模拟装置部分的井壁上设置有直径1～3mm的孔。
9.如权利要求8所述的实验平台，其特征在于，所述河道入渗式回补模拟装置包括垂直于动态水位模拟装置顶部的立方体玻璃罩；所述玻璃罩内不含有黏土层，且玻璃罩底部直接接触含水层介质上方；所述玻璃罩底部设置直径1～3mm的渗水孔；所述玻璃罩高度为100～200mm。
10.如权利要求9所述的实验平台，其特征在于，所述玻璃井或玻璃罩顶部均设置有注水孔，并由注水孔深入注水管；所述玻璃井的注水管深入至动态水位模拟装置底部；所述玻璃罩的注水管深入至含水层介质上方；所述注水管与水箱连接，并设置有阀门和流量计。
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|---|---|---|---|
| CN201920437791.2U CN209894806U (zh) | 2019-04-02 | 2019-04-02 | 一种地下水回补模拟实验平台 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111289419A (zh) * | 2020-03-24 | 2020-06-16 | 中南大学 | 重金属污染场地中工程屏障膜效应的测定装置 |
| CN111665180A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-09-15 | 中国地质大学（武汉） | 慢速多批次溶滤基岩含水层岩石样品的实验系统和方法 |
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2019
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