深层地下水中溶质迁移转化的一维模拟装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于水文地质、地球科学、环境科学与工程研究技术领域，提供了一种深层地下水中溶质迁移转化的一维模拟装置，安全性高，装置简单。所述深层地下水中溶质迁移转化的一维模拟装置，包括依次串联连接的水箱、增压泵、单向阀、安全阀、具有特殊法兰结构的含水层介质柱、针形阀以及取样装置，具有特殊法兰结构的含水层介质柱至于恒温控制单元工作室内进行控温。使用本装置具有如下效果：实验装置设计简单、易操作和方便维护，温度和水压控制精确、方便调节，装置能模拟的最大水压为10MPa，适用于4~65°C、pH6.5~9的实验环境，可有效模拟深层地下水的水压和低温地热环境、长期稳定操作，并不受环境温度条件的限制。

One-dimensional simulation device for solute transport and transformation in deep groundwater

The invention belongs to the technical field of hydrogeology, geoscience, environmental science and engineering research, and provides a one-dimensional simulation device for solute migration and transformation in deep groundwater with high safety and simple device. The one-dimensional simulation device for solute migration and transformation in deep groundwater includes water tank, booster pump, one-way valve, safety valve, aquifer medium column with special flange structure, needle valve and sampling device connected in series, and aquifer medium column with special flange structure is used for temperature control in the working room of constant temperature control unit. The device has the following effects: simple design, easy operation and maintenance, precise temperature and water pressure control and easy adjustment. The maximum water pressure can be simulated by the device is 10 MPa, which is suitable for the experimental environment of 4-65 degrees C and pH 6.5-9. It can effectively simulate the water pressure of deep groundwater and low temperature geothermal environment, and can operate stably for a long time without the limitation of environmental temperature conditions.

【技术实现步骤摘要】
深层地下水中溶质迁移转化的一维模拟装置
本专利技术属于水文地质、地球科学、环境科学与工程研究
，特别涉及一种在低温地热、高水压作用下，溶质在深层地下水中迁移转化的一维模拟装置。
技术介绍
地下水是我国工业、农业、生活用水的重要水源，不合理的开发利用引起的地下水位不断下降以及地下水赋存环境的改变，使得地下水水质问题正在由浅层向深层转移。溶质的室内土柱模拟实验是研究地下水中溶质迁移转化机理的重要研究手段，目前已有的一维土柱模拟实验装置多局限于浅层地下水中温度和水压条件的模拟。例如，李辉等人设计的“地下水中挥发性有机污染物迁移转化模拟装置及应用”，采用室温22°C，通过调节水箱和柱体间的水头差来模拟地下10m范围内的水力条件来研究有机污染物的运移规律；和树庄等人设计的“地下水渗流模拟试验装置及模拟试验方法”，适用于温度4~45°C、常压的试验环境，所述45°C的温度条件主要是通过环境温度进行调节，装置本身不带温控设施。从前人的研究中反映出目前的地下水中溶质的一维模拟装置存在如下缺陷：其一现阶段所使用的土柱装置，例如马传明等人设计的“温控-压控地下水越流污染模拟系统”，虽然能通过水浴加热的方式进行温度的调节，但是土柱装置、进样管道均需设计为双层管道，水箱也需设计为带有夹套的箱体，以便恒温水能通过在土柱外管、水箱夹套进行循环流动的方式对内管、土柱内的研究物质进行间接换热达到温控的目的，土柱装置设计结构复杂、投资大，并且需要向水浴加热器中定期补水，操作过程繁琐、装置不易维护易损坏，限制了在室内污染模拟中的应用。其二现阶段所使用的土柱装置虽然带有压控装置可精确控压，但是并未明确所能模拟的最大水压，例如马传明等人设计的“温控-压控地下水越流污染模拟系统”，因为设计土柱材料为有机玻璃管，模拟环境局限于常压、低承压的水力条件，所模拟的多为包气带、埋深小于200m的地下水环境系统，模拟装置不能承受高水压如5MPa的压力；其三现阶段所使用的土柱装置，柱体法兰多为平面设计，法兰间的内衬密封垫为纯橡胶材质，耐受不了高水压的作用，易漏水和损坏。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种地下水中最大水压达到10MPa时溶质迁移转化的模拟系统，该系统解决了上述
技术介绍
中的不足，以克服现有技术存在的上述缺陷，能够实现深层地下水中高水压、65°C的低温地热条件的模拟，并可满足模拟包气带、浅层地下水的水压、水温条件。实验装置设计简单，易操作，温度和压力控制精确，安全性高，从而满足了室内模拟深层地下水中溶质迁移转化所需的条件。所述的深层地下水中溶质迁移转化的一维模拟装置，包括水箱、增压泵、单向阀、安全阀、含水层介质柱、针形阀、恒温控制单元以及取样装置，所述含水层介质柱及其和增压泵间的部分连接管道置于恒温控制单元工作室内进行控温，含水层介质柱中装填有含水介质、在柱体两端装填有石英砂，含水层介质柱两端柱体内装有一定厚度的滤毡。所述的恒温控制单元主要通过将工作室内空气经加热或制冷，经风机强制循环，在工作室内与含水层介质柱及输送管道间进行均匀的热量交换，并通过数显温控仪表配套电路控制部件对箱体内的温度进行检测及调节的方式进行控温，在箱体外壳及工作室侧壁开孔作为增压泵和恒温控制单元工作室内含水层介质柱连接管道的通道，含水层介质柱的进样支管、出样支管上分别安装有温度传感器，可通过温度显示电路控制部件及时监控模拟含水层介质柱进样及出样的温度。所述的恒温控制单元设有超温报警装置，密闭箱体工作室和外壳均为不锈钢板材料，箱体工作室和外壳间填充有硅棉或珍珠岩做保温材料，箱内工作室底部设有不锈钢承重层，密闭箱体外壳底部四个角安装有轮子及脚刹，可方便移动并可固定。所述柱体法兰设置有凹槽，法兰盖设置有凸槽，法兰盖的凸槽应能紧密嵌入凹槽内，法兰凹槽底部装有金属缠绕垫圈，法兰凹槽、法兰盖凸槽应与所在法兰或法兰盖一次成型。柱体法兰和法兰盖采用螺栓连接，柱体、法兰、法兰盖进样、出样支管均为耐高压防腐不锈钢材料，可有效防止高水压作用下在法兰、螺栓连接处的漏水及法兰变形、开裂。增压泵出口安装单向阀，防止高压液体回流至增压泵内，含水层介质柱法兰盖中心的进样支管上安装有安全阀和压力表，含水层介质柱法兰盖中心的出样支管上安装有压力表和针型阀，增压泵和含水层介质柱进样支管间的连接管道、含水层介质柱法兰出样支管与取样装置间的连接管道均为耐高压橡胶软管，含水层介质柱中水流的达西流速小于1cm/h。所述含水介质为研究区地下含水层的岩土，通过温控和压控装置所述的模拟装置提供了一种在4~65°C、最大水压10MPa、pH6.5~9条件下，特别是深层地下水中水溶性无机、有机溶质或污染物迁移转化研究的新装置，该装置也可做为研究污染物在包气带、浅层地下水中迁移转化的模拟装置。本专利技术所提供的深层地下水中溶质迁移转化的一维模拟装置与现有技术相比有以下优点：一是设计提出了将含水层介质柱至于恒温控制单元工作室内通过热风或冷风在工作室内循环的方法，来满足模拟实验中含水层介质柱内温度的要求，装置设计简单，操作维护方便，二是对含水层介质柱法兰结构进行了优化设计，将现有使用的法兰平面结构改为带有凹、凸槽的立体结构，通过法兰凹槽、法兰盖凸槽的嵌入式连接、法兰凹槽内装填金属缠绕垫圈、螺栓紧固等措施，有效防止高水压作用下的法兰开裂、变形、漏液等问题，三是解决了现有常规使用的土柱装置法兰橡胶密封圈易变形、不能耐受高压的问题，通过安装增压泵并采用安全阀调节水压、针形阀控制流速，含水层介质柱能够承受的最大水压为10MPa。附图说明附图1为本专利技术的整体结构示意图。附图2为本专利技术的恒温控制单元的内部结构示意图。附图3为本专利技术的含水介质柱法兰结构示意图。附图4为本专利技术的含水介质柱法兰盖底部俯视图。附图5为本专利技术的含水介质柱法兰俯视图。图中：1-水箱，2-硅胶软管，3-增压泵，4-单向阀，5-安全阀，6-高压橡胶软管，7-法兰盖进样支管，8-压力表，9-含水层介质柱支架，10-压力传感器，11-压力显示电路控制部件，12-含水层介质柱，13-含水介质，14-石英砂，15-法兰盖出样支管，16-针型阀，17-高压橡胶软管，18-压力表，19-取样装置，20-滤毡，21-柱体法兰，22-温度传感器，23-恒温控制单元工作室内循环风进口，24-温度显示电路控制部件，25-数显温控仪表，26-恒温控制单元箱体外壳，27-恒温控制单元箱体保温层，28-恒温控制单元工作室，29-恒温控制单元箱体工作室底部承重层，30-轮子及脚刹，31-恒温控制单元箱体侧壁钻孔，32-恒温控制单元箱体工作室内温度传感器，33-恒温控制单元箱体门把手，34-风机，35-电加热器，36-制冷压缩机，37-恒温控制单元工作室背板，38-恒温控制单元工作室内循环风出口，39-恒温控制单元箱体门，40-恒温控制单元工作室底板，41-恒温控制单元工作室顶板，42-柱体法兰凹槽，43-螺栓，44-金属缠绕垫圈，45-法兰盖凸槽，46-法兰盖，47-含水介质柱柱体法兰内壁，48-螺栓孔，49-法兰盖中心钻孔。具体实施方式参见图1和图2，所述的深层地下水中溶质迁移转化的一维模拟装置，包括水箱1、增压泵3、单向阀4、具有特殊法兰结构的含水层介质柱12、安全阀5、恒温控制单元、针型阀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深层地下水中溶质迁移转化的一维模拟装置，其特征在于：至少包括水箱(1)、增压泵(3)、单向阀(4)、具有特殊法兰结构的含水层介质柱(12)、安全阀(5)、针型阀(16)、恒温控制单元、压力表(8)(18)、温度传感器(22)、温度显示电路控制部件(24)、压力传感器(10)、压力显示电路控制部件(11)、滤毡(20)以及取样装置(19)，将装填有含水介质(13)的模拟柱置于恒温控制单元的工作室(28)内，水箱(1)、增压泵(3)、含水层介质柱(12)、取样装置(19)之间通过管道进行串联连接，其中水箱(1)和增压泵(3)间的连接管道为硅胶软管(2)，增压泵(3)、含水层介质柱(12)、取样装置(19)间的连接管道(6)、(17)为高压橡胶软管，含水层介质柱(12)中装填有石英砂(14)、含水介质(13)以及滤毡(20)；含水层介质柱(12)为圆柱形，柱筒壁厚8～12mm，内径50～100mm，长度500～1000mm，柱体两端设法兰(21)，法兰(21)内径和含水层介质柱(12)柱筒内径相等，法兰(21)和法兰盖(46)通过螺栓(43)进行密封连接，法兰盖(46)中心处设进样支管(7)或出样支管(15)，含水层介质柱(12)柱筒、法兰(21)、法兰盖(46)及与法兰盖连接的进样支管(7)和出样支管(15)均为耐高压防腐不锈钢材料；与法兰盖(46)连接的柱体法兰(21)设置有凹槽(42)，凹槽外径小于螺栓处的法兰直径，与柱体法兰(21)连接的法兰盖(46)设有凸槽(45)，法兰盖凸槽(45)紧密嵌入法兰凹槽(42)后凹槽内没有缝隙，法兰盖凸槽(45)的厚度至少与法兰凹槽(42)的深度相等，且不大于1.3倍的法兰凹槽(42)的深度，法兰凹槽(42)底部装有金属缠绕垫圈(44)，金属缠绕垫圈(44)的厚度小于法兰凹槽(42)的深度，法兰凹槽(42)、法兰盖凸槽(45)与所在法兰或法兰盖为一次成型，非焊接或粘接组成。...

【技术特征摘要】
1.一种深层地下水中溶质迁移转化的一维模拟装置，其特征在于：至少包括水箱(1)、增压泵(3)、单向阀(4)、具有特殊法兰结构的含水层介质柱(12)、安全阀(5)、针型阀(16)、恒温控制单元、压力表(8)(18)、温度传感器(22)、温度显示电路控制部件(24)、压力传感器(10)、压力显示电路控制部件(11)、滤毡(20)以及取样装置(19)，将装填有含水介质(13)的模拟柱置于恒温控制单元的工作室(28)内，水箱(1)、增压泵(3)、含水层介质柱(12)、取样装置(19)之间通过管道进行串联连接，其中水箱(1)和增压泵(3)间的连接管道为硅胶软管(2)，增压泵(3)、含水层介质柱(12)、取样装置(19)间的连接管道(6)、(17)为高压橡胶软管，含水层介质柱(12)中装填有石英砂(14)、含水介质(13)以及滤毡(20)；含水层介质柱(12)为圆柱形，柱筒壁厚8～12mm，内径50～100mm，长度500～1000mm，柱体两端设法兰(21)，法兰(21)内径和含水层介质柱(12)柱筒内径相等，法兰(21)和法兰盖(46)通过螺栓(43)进行密封连接，法兰盖(46)中心处设进样支管(7)或出样支管(15)，含水层介质柱(12)柱筒、法兰(21)、法兰盖(46)及与法兰盖连接的进样支管(7)和出样支管(15)均为耐高压防腐不锈钢材料；与法兰盖(46)连接的柱体法兰(21)设置有凹槽(42)，凹槽外径小于螺栓处的法兰直径，与柱体法兰(21)连接的法兰盖(46)设有凸槽(45)，法兰盖凸槽(45)紧密嵌入法兰凹槽(42)后凹槽内没有缝隙，法兰盖凸槽(45)的厚度至少与法兰凹槽(42)的深度相等，且不大于1.3倍的法兰凹槽(42)的深度，法兰凹槽(42)底部装有金属缠绕垫圈(44)，金属缠绕垫圈(44)的厚度小于法兰凹槽(42)的深度，法兰凹槽(42)、法兰盖凸槽(45)与所在法兰或法兰盖为一次成型，非焊接或粘接组成。2.根据权利要求1所述的深层地下水中溶质迁移转化的一维模拟装置，其特征在于：恒温控制单元温控范围为4～65℃，可至少连续工作9999h，主要由风机(34)、电加热器(35)、制冷压缩机(36)、工作室(28)、数显温控仪表(25)、恒温控制单元箱体工作室内温度传感器(32)、箱体外壳(26)、保温层(27)、箱体底部的轮子及脚刹(30)、温度传感器(22)及温度显示电路控制部件(24)组成，其中风机(34)、电加热器(35)、制冷压缩机(36)位于工作室背板(37)和箱体外壳(26)夹层中，数显温控仪表(25)置于箱门上端，恒温控制单元箱体工作室内温度传感器(32)探头伸入工作室(28)作为测温装置，密闭箱体工作室(28)和外壳(26)均为不锈钢板材料，箱体工作室侧壁和外壳间为保温层(27)，填充有硅棉或珍珠岩，箱内工作室底板(40)设有不锈钢承重层(29)，密闭箱体外壳底部四个角安装有轮子及脚刹30，可方便移动并可随时固定，箱门口镶嵌耐高温胶条，恒温控制单元箱体侧壁钻孔(31)，孔径10～20mm，含水层介质柱法兰盖的进样支管(7)、出样支管(15)上分...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丽，张庆，李艳利，邢明飞，田云飞，罗绍河，王心义，王世东，付坤，甄晓歌，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41