一种多孔介质中三维溶质运移的模拟装置及实验方法制造方法及图纸

一种多孔介质中三维溶质运移的模拟装置及实验方法，模拟装置包括砂槽、注入方式调节装置、供液装置、渗透液收集器、隔水板、井管、电导率测量电极、数据采集器和数据处理系统。砂槽水平放置，内部从左至右分为三个子室，子室之间通过挡板分隔，挡板上均匀密布许多透水孔，左室与供液装置相连，中部子室用于填充多孔介质，右室空置，与渗透液收集器相连；井管均匀布设在砂槽内的多孔介质当中，井管周身侧壁布设有密集透水孔，每个空腔室内布设一个电导率测量电极。本发明专利技术可模拟和观测多孔介质中三维溶质运移情况，有助于探究介质非均质性对于污染物迁移的影响。

A simulation device and experimental method of three-dimensional solute transport in porous media

【技术实现步骤摘要】
一种多孔介质中三维溶质运移的模拟装置及实验方法
本专利技术涉及土壤物理学研究领域，特别涉及一种多孔介质中三维溶质运移的模拟装置及实验方法。
技术介绍
随着科学技术水平的不断发展，人类生产活动与自然生态环境之间的矛盾显得愈发尖锐，大量农药试剂的使用和企业污水的排放引发了严重的水体污染，这些污染物会随着地下水的流动不断地进行迁移和扩散，破坏土壤生产力的同时也严重威胁到了人体的健康，因此，揭示多孔介质中溶质运移的迁移规律至关重要。传统的观测溶质运移过程的方法主要有水平土柱法，垂直土柱法和野外示踪试验法。然而，无论是水平土柱法还是垂直土柱法，由于柱体侧壁的限制，水流只能被迫做近一维运动，而在自然界中，由于多孔介质本身的非均质性，水流的运动往往都是三维的，这种运动形式的差异会对实验结果产生较大影响，进而造成观测误差。野外示踪试验法较好地维持了水流的运动形态，但是对于污染物弥散羽的观测往往需要大量的观测井管，观测井的数目太少会影响观测精度，但增多观测井的数目却又会造成巨大的经济压力。
技术实现思路
本专利技术提供了一种多孔介质中三维溶质运移的模拟装置。一种多孔介质中三维溶质运移模拟装置，包括砂槽、注入方式调节装置、供液装置、渗透液收集装器、隔水板、井管、电导率电极、数据采集器和数据处理系统：供液装置包括有示踪剂供液箱、蒸馏水供液箱和蠕动泵；砂槽的砂槽左室、悬空子室、隔水板、第一挡板和密布透水孔的第三挡板构成注入方式调节装置；砂槽水平放置，砂槽内部从左至右分为砂槽左室、中部子室和砂槽右室，砂槽左室中具有悬空子室；中部子室处所占体积最大，中部子室内填充有多孔介质，砂槽右室空置，砂槽右室与渗透液收集器相连，砂槽左室与中部子室之间通过两个第一挡板分割，第一挡板上均匀密布许多透水孔，两个第一挡板之间存具有空隙，用于放置隔水板，隔水板起到开关的作用，当实验开始时，抽出隔水板使水流流动，当实验暂停时，插入隔水板可终止流动，中部子室与砂槽右室之间通过一个密布透水孔的第二挡板分隔；悬空子室内设置有密布透水孔的第三挡板，该密布透水孔的第三挡板贯穿悬空子室，用以缓解注水时造成的液面扰动。砂槽左侧侧壁上交错布设有若干第一进水孔、第二进水孔、第一出水孔和第二出水孔；第一进水孔和第二出水孔与悬空子室连通，第二进水孔和第一出水孔与砂槽左室连通；第一进水孔和第二进水孔在同一水平高度；第一出水孔和第二出水孔在同一水平高度；第一进水孔和第二进水孔的水平高度高于第一出水孔和第二出水孔的水平高度。砂槽右侧侧壁上在不同高度上布设有多组第三出水孔，每组第三出水孔由水平高度相同的两个出水孔组成，第三出水孔的高度皆低于第一出水孔和第二出水孔，用以造成水头差来形成渗流；砂槽内的多孔介质中布设有若干井管，井管底端深入到砂槽底部，井管贯穿整个多孔介质含水层，井管呈空心圆筒状且周身侧壁布设有第三进水孔，井管被均分为若干空腔室，每个空腔室内布设一个电导率测量电极，电导率测量电极通过电极导线与数据采集器连接；腔室数目根据个人要求设定，腔室数目越多，同一井管内能测量的位置也就越多，此外，每个空腔内除了要放置电导率测量电极以外，其余部分要用多孔介质进行填充，避免不同深度处的溶液在井管内进行混溶，进而造成实验观测误差。供液装置的示踪剂供液箱通过蠕动泵、导水管与第一进水孔连通；供液装置的蒸馏水供液箱通过蠕动泵、导水管与第二进水孔连通；示踪剂供液箱用于存储示踪剂溶液，蒸馏水供液箱用于提供蒸馏水，数据采集器一端与电导率测量电极相连接，数据采集器另一端与数据处理系统相连接，电导率测量电极能够检测水溶液中的电导率的变化情况，并将信息传送到数据采集器，数据采集器能够对电极的测量信息进行自动的实时记录并将数据传递到数据处理系统当中，数据处理系统能够将接收到的电导率信息转化为溶液的浓度信息，进而实现对溶质运移情况的实时观测。本专利技术中，所述的中部子室内的多孔介质为土壤或者砂石，根据实验所需进行选择；砂槽制作材料可选用有机玻璃，玻璃板厚度可设定为1.5cm，砂槽体积可设定为155×60×60cm，砂槽左室为10cm，中部子室为140cm，砂槽右室为5cm；第一挡板、第二挡板和第三挡板的厚度为8mm，隔水板厚度为4mm；第一进水孔、第二进水孔、第一出水孔、第二出水孔和第三出水孔的内径均为8mm，其外径均为12mm；悬空子室体积为10×8×8cm，悬空子室侧壁厚度为8mm；示踪剂供液箱、蒸馏水供液箱和渗透液收集器的材质为PVC塑料；导水管选用内径为10mm的橡胶管；井管的材质为有机玻璃材料，井管的内径为4cm，均分为三个子腔室；电导率测量电极选用铂电极，铂电极由两个铂金片组成，两个铂金片与水流方向平行布置，电导率测量电极直径控制在1cm以内；井管内的填充材料可选用直径3mm的玻璃珠。一种多孔介质中三维溶质运移模拟装置的实验方法，该方法包括以下步骤：1)物料填充：用纱布包裹住砂槽的中部子室左右两侧第一挡板和第二挡板，以防止介质颗粒阻塞透水孔，根据需求选择实验所需多孔介质，当介质填充厚度达20～30CM时可进行井管布设工作，完成井管布设后继续装填多孔介质，根据模拟对象的需要，可以选择是否在多孔介质上方覆盖上粘土层，对于潜水含水层，无需设置上覆粘土层，对于承压含水层，则需设置上覆粘土层；2)井管布设：用纱布包裹住井管侧壁，以防介质颗粒阻塞井管侧壁的第三进水孔，井管长度要大于多孔介质的厚度，井管布设工作在物料填充厚度达20～30厘米(井管可以较好地固定在介质当中)开展即可，阻塞井管一端，并将阻塞端插入提前设定好的布孔位置，布孔完成后继续物料填充即可；3)电极布设：将所有电导率测量电极同数据采集器相连，并进行校准，电导率测量电极前缘可用纱布包裹，避免饱水后介质颗粒卡于电极铂片之间，事先设定好每个腔室电导率测量电极布设深度，布设电导率测量电极后用直径3mm的玻璃珠填充腔室剩余部分，避免不同深度的溶液在井管腔室内发生混溶，进而造成测量误差；4)砂槽供水：将砂槽与示踪剂供液箱、蒸馏水供液箱及渗透液收集器17相连，在砂槽左侧的第一出水孔和第二出水孔的高度已经固定的情况下，砂槽右侧第三出水孔高度越低，则渗流速度越大，根据实验选择砂槽右侧的第三出水孔的高度，并将渗透液收集器与砂槽右侧的第三出水孔对接，启动连接蒸馏水供液箱的蠕动泵，将蒸馏水注入到砂槽左室中，不要向悬空子室中注入蒸馏水，整个注入过程需要缓慢，进而排除封闭在多孔介质中的气泡，该过程持续到渗透液收集器收集到蒸馏水为止；5)介质冲洗：对多孔介质进行冲洗，以避免介质本身携带的离子影响观测结果，冲洗的过程就是持续供给蒸馏水，蠕动泵的流速要适当提高，要求在砂槽左侧的第一出水孔和第二出水孔中能形成持续缓慢的溢流，冲洗过程以电导率测量电极观测数据为评判依据，当数据处理系统数据不再发生明显变化时，则表明冲洗过程已完成；6)示踪剂注入：示踪剂以NaCl为例，实验前配置好适当浓度的NaCl溶液，根据实验需要选择示踪剂注入形式(点源/面源)，将隔水板插入到设定位置以阻断水流向多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔介质中三维溶质运移的模拟装置，其特征在于：包括砂槽(5)、注入方式调节装置(B)、供液装置(A)、渗透液收集装器(17)、隔水板(12)、井管(14)、电导率电极(21)、数据采集器(15)和数据处理系统(16)：/n供液装置(A)包括有示踪剂供液箱(1)、蒸馏水供液箱(2)和蠕动泵(3)；砂槽(5)的砂槽左室(11)、悬空子室(10)、隔水板(12)、第一挡板(18)和密布透水孔的第三挡板(25)构成注入方式调节装置(B)；/n砂槽(5)水平放置，砂槽(5)内部从左至右分为砂槽左室(11)、中部子室(22)和砂槽右室(23)，砂槽左室(11)中具有悬空子室(10)；/n中部子室(22)内填充有多孔介质，砂槽右室(23)空置，砂槽右室(23)与渗透液收集器(17)相连，砂槽左室(11)与中部子室(22)之间通过两个第一挡板(18)分割，第一挡板(18)上均匀密布许多透水孔(20)，两个第一挡板(18)之间存具有空隙，用于放置隔水板(12)，隔水板(12)起到开关的作用，当实验开始时，抽出隔水板(12)使水流流动，当实验暂停时，插入隔水板(12)可终止流动，中部子室(22)与砂槽右室(23)之间通过一个密布透水孔的第二挡板(24)分隔；悬空子室(10)内设置有密布透水孔的第三挡板(25)，该密布透水孔的第三挡板(25)贯穿悬空子室(10)，用以缓解注水时造成的液面扰动；/n砂槽(5)左侧侧壁上交错布设有若干第一进水孔(7)、第二进水孔(8)、第一出水孔(6)和第二出水孔(9)；第一进水孔(7)和第二出水孔(9)与悬空子室(10)连通，第二进水孔(8)和第一出水孔(6)与砂槽左室(11)连通；第一进水孔(7)和第二进水孔(8)在同一水平高度；第一出水孔(6)和第二出水孔(9)在同一水平高度；第一进水孔(7)和第二进水孔(8)的水平高度高于第一出水孔(6)和第二出水孔(9)的水平高度；/n砂槽(5)右侧侧壁上在不同高度上布设有多组第三出水孔(19)，每组第三出水孔(19)由水平高度相同的两个出水孔组成，第三出水孔(19)的高度皆低于第一出水孔(6)和第二出水孔(9)，用以造成水头差来形成渗流；/n砂槽(5)内的多孔介质中布设有若干井管(14)，井管(14)底端深入到砂槽(5)底部，井管(14)贯穿整个多孔介质含水层，井管(14)呈空心圆筒状且周身侧壁布设有第三进水孔(141)，井管(14)被均分为若干空腔室，每个空腔室内布设一个电导率测量电极(21)，电导率测量电极(21)通过电极导线(13)与数据采集器(15)连接；每个空腔内除了要放置电导率测量电极(21)以外，其余部分要用多孔介质进行填充；/n供液装置(A)的示踪剂供液箱(1)通过蠕动泵(3)、导水管与第一进水孔(7)连通；供液装置(A)的蒸馏水供液箱(2)通过蠕动泵(3)、导水管与第二进水孔(8)连通；示踪剂供液箱(1)用于存储示踪剂溶液，蒸馏水供液箱(2)用于提供蒸馏水，/n数据采集器(15)一端与电导率测量电极(21)相连接，数据采集器(15)另一端与数据处理系统(16)相连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多孔介质中三维溶质运移的模拟装置，其特征在于：包括砂槽(5)、注入方式调节装置(B)、供液装置(A)、渗透液收集装器(17)、隔水板(12)、井管(14)、电导率电极(21)、数据采集器(15)和数据处理系统(16)：
供液装置(A)包括有示踪剂供液箱(1)、蒸馏水供液箱(2)和蠕动泵(3)；砂槽(5)的砂槽左室(11)、悬空子室(10)、隔水板(12)、第一挡板(18)和密布透水孔的第三挡板(25)构成注入方式调节装置(B)；
砂槽(5)水平放置，砂槽(5)内部从左至右分为砂槽左室(11)、中部子室(22)和砂槽右室(23)，砂槽左室(11)中具有悬空子室(10)；
中部子室(22)内填充有多孔介质，砂槽右室(23)空置，砂槽右室(23)与渗透液收集器(17)相连，砂槽左室(11)与中部子室(22)之间通过两个第一挡板(18)分割，第一挡板(18)上均匀密布许多透水孔(20)，两个第一挡板(18)之间存具有空隙，用于放置隔水板(12)，隔水板(12)起到开关的作用，当实验开始时，抽出隔水板(12)使水流流动，当实验暂停时，插入隔水板(12)可终止流动，中部子室(22)与砂槽右室(23)之间通过一个密布透水孔的第二挡板(24)分隔；悬空子室(10)内设置有密布透水孔的第三挡板(25)，该密布透水孔的第三挡板(25)贯穿悬空子室(10)，用以缓解注水时造成的液面扰动；
砂槽(5)左侧侧壁上交错布设有若干第一进水孔(7)、第二进水孔(8)、第一出水孔(6)和第二出水孔(9)；第一进水孔(7)和第二出水孔(9)与悬空子室(10)连通，第二进水孔(8)和第一出水孔(6)与砂槽左室(11)连通；第一进水孔(7)和第二进水孔(8)在同一水平高度；第一出水孔(6)和第二出水孔(9)在同一水平高度；第一进水孔(7)和第二进水孔(8)的水平高度高于第一出水孔(6)和第二出水孔(9)的水平高度；
砂槽(5)右侧侧壁上在不同高度上布设有多组第三出水孔(19)，每组第三出水孔(19)由水平高度相同的两个出水孔组成，第三出水孔(19)的高度皆低于第一出水孔(6)和第二出水孔(9)，用以造成水头差来形成渗流；
砂槽(5)内的多孔介质中布设有若干井管(14)，井管(14)底端深入到砂槽(5)底部，井管(14)贯穿整个多孔介质含水层，井管(14)呈空心圆筒状且周身侧壁布设有第三进水孔(141)，井管(14)被均分为若干空腔室，每个空腔室内布设一个电导率测量电极(21)，电导率测量电极(21)通过电极导线(13)与数据采集器(15)连接；每个空腔内除了要放置电导率测量电极(21)以外，其余部分要用多孔介质进行填充；
供液装置(A)的示踪剂供液箱(1)通过蠕动泵(3)、导水管与第一进水孔(7)连通；供液装置(A)的蒸馏水供液箱(2)通过蠕动泵(3)、导水管与第二进水孔(8)连通；示踪剂供液箱(1)用于存储示踪剂溶液，蒸馏水供液箱(2)用于提供蒸馏水，
数据采集器(15)一端与电导率测量电极(21)相连接，数据采集器(15)另一端与数据处理系统(16)相连接。


2.根据权利要求1所述的一种多孔介质中三维溶质运移的模拟装置，其特征在于：所述的中部子室(22)内的多孔介质为土壤或砂石。


3.根据权利要求1所述的一种多孔介质中三维溶质运移的模拟装置，其特征在于：所述砂槽(5)的材质为有机玻璃，玻璃板厚度为1.5cm，砂槽(5)体积为155×60×60cm，砂槽左室(11)为10cm，中部子室(22)为140cm，砂槽右室(23)为5cm；第一挡板(18)、第二挡板(24)和第三挡板(25)的厚度为8mm，隔水板(12)厚度为4mm；第一进水孔(7)、第二进水孔(8)、第一出水孔(6)、第二出水孔(9)和第三出水孔(19)的内径均为8mm，其外径均为12mm；悬空子室(10)体积为10×8×8cm，悬空子室(10)的侧壁厚度为8mm。


4.根据权利要求1所述的一种多孔介质中三维溶质运移的模拟装置，其特征在于：所述示踪剂供液箱(1)、蒸馏水供液箱(2)和渗透液收集器(17)的材质为PVC塑料；导水管4选用内径为10mm的橡胶管；井管(14)的材质为有机玻璃材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴振学，马子淇，徐路路，曹玉清，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22