模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统，其包括气体注入泵、水注入泵、水气混合器、可视模型、差压传感器和管路；可视模型包含进水侧和出水侧；气体注入泵向管路中注入气体，水注入泵向管路中注入水，注入的气体和注入的水在混合器中混合产生水气混合物；水气混合物从可视模型的进水侧进入从出水侧流出；差压传感器用于测量可视模型的进水侧和出水侧的压力差；可视模型包括透明的微细孔道，用于模拟地下含水层孔隙，微细孔道的孔径为0.1‑100μm。本实用新型专利技术利用差压传感器监测可视模型两侧的压力差，定量监测计算堵塞程度，利用显微镜高速图像采集系统对可视模型的微细孔道内气体聚集、累积过程进行采集，分析孔隙结构对气相堵塞程度的影响。

【技术实现步骤摘要】
模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统
本技术涉及多相流渗流实验
，尤其涉及一种模拟地下水回灌过程中气泡堵塞含水层孔隙的微观可视化渗流实验系统。
技术介绍
地下水人工回灌是地下水超采治理和实现余水调蓄的行之有效的办法。注水入井时，水中携带大量气泡，同时水中的溶解气体可能会因为压力和温度的改变而得到释放；再者，当水从井口经回灌管受到重力垂直跌落时，重力加速度使回灌管内水流不连续，产生负压导致回灌水产生严重的汽化并且一定程度上释放水中的溶解性气体；回灌水中还可能存有大量的微生物，这些微生物在一定条件下会发生反硝化反应，也会产生气体，主要包括氮氧化合物和氮气。回灌水中的气体在运移过程中会占据含水层孔隙，使含水层渗透性降低，导致回灌效率降低。因此，气相堵塞问题是制约人工回灌技术发展和推广的最重要因素之一。现有关于气相堵塞的研究主要分为两类，一类是基于柱槽实验计算气相堵塞对渗透系数的影响，一类是基于场地试验观测气相堵塞对地下水回灌速率影响，两类研究方法对于直接观察含水层中气泡的运移和堵塞的发生都是非常困难的。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于现有技术的上述缺点、不足，本技术提供一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统，用于实现气液两相微观可视化渗流实验，借助该实验，可以非常直观地获得地下水回灌过程中气液两相在含水层中的渗流特征及气体堵塞含水层孔隙的微观机理。(二)技术方案为了达到上述目的，本技术采用的主要技术方案包括：第一方面，本技术提供一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统，其包括气体注入泵、水注入泵、水气混合器、可视模型、差压传感器和管路；所述可视模型包含进水侧和出水侧；所述气体注入泵向管路中注入气体，所述水注入泵向管路中注入水，所述管路上设有所述水气混合器，所述气体注入泵注入的气体和所述水注入泵注入的水在所述水气混合器中混合产生水气混合物；水气混合物由管路从所述可视模型的进水侧进入所述可视模型中，并从出水侧流出；所述差压传感器两端分别连接在所述可视模型的进水侧和出水侧，用于测量所述可视模型的进水侧和出水侧的压力差；所述可视模型包括透明的微细孔道，所述微细孔道的孔径为0.1μm-100μm；所述微细孔道的两端分别连接所述进水侧和出水侧。根据本技术的较佳实施例，所述可视模型采用玻璃、PMMA或PDMS制成；或者所述可视模型包含玻璃块，在所述玻璃块内部蚀刻有所述微细孔道。根据本技术的较佳实施例，所述可视模型包含叠合粘接的两片玻璃，所述两片玻璃分别为底板和面板；所述面板上有进水孔和出水孔，所述底板设有被腐蚀出来的凹槽；所述底板和面板叠合粘接后，所述凹槽形成所述微细孔道，所述微细孔道的起始端和末端分别连接所述面板上的进水孔和出水孔。根据本技术的较佳实施例，所述微细孔道为连续连通的I字形、U字形、Y字形等任意形状，具体可根据需求进行设计。根据本技术的较佳实施例，所述水气混合器内带有用于细化气泡的筛网，使气体注入泵注入的气体被细化成若干微米级气泡，并混合到水中；所述水气混合器位于所述可视模型的进水侧前端。根据本技术的较佳实施例，所述微细孔道内填充待考察区域地下砂土或岩心薄片。根据本技术的较佳实施例，所述实验系统还包含气源和水源，所述气源向所述气体注入泵供应气体，所述水源向所述水注入泵供应水。根据本技术的较佳实施例，所述气源为储气瓶，所述水源为水槽。根据本技术的较佳实施例，所述储气瓶与所述气体注入泵以管路连接，所述管路上设有气体减压阀和气压表。根据本技术的较佳实施例，所述实验系统还包含气水分离器，设于所述可视模型的出水侧，且位于所述差压传感器的检测点的后端；从所述可视模型出来的水气混合物进入所述气水分离器中实现分离，水气分离器的上部以管路连接一个密封罐的顶部，所述密封罐内装有水或非水液体，所述密封罐的底部设有一个排液管的一端，该排液管的另一端从所述密封罐的顶部连接至排液槽，所述排液槽底部设有重量传感器，用于监测可视模型出口侧气体的流出量。根据本技术的较佳实施例，所述气水分离器的底部设有排水口，所述排水口连接至集水槽，所述集水槽底部设有重量传感器，用于监测可视模型出口侧水的流出量。根据本技术的较佳实施例，所述气体注入泵为双柱塞泵，所述水注入泵为双柱塞泵；以根据实验需求调节气体或水的注入速度。根据本技术的较佳实施例，所述可视模型的出水侧还设有回压管路，所述回压管路的一端连接在所述差压传感器的检测点的后端、并在所述气水分离器的前端；所述回压管路的另一端连接至气源；所述回压管路上设有回压阀和压力表。该回压管路用于避免可视模型的两端压差过大(使可视模型的两端压差可控)，导致气水混合物过快流经所述可视模型的微细孔道，难以采集到所需的实验数据。根据本技术的较佳实施例，还包括控制及计算模块，用于控制气体注入泵和水注入泵的工作参数(功率大小和启停时间)、采集重量传感器、差压传感器、气压表、压力表等的数据，控制各阀的开闭和开度。本技术提供的模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统，利用所述差压传感器监测所述可视模型的进水侧和出水侧的压力差，定量监测计算堵塞程度；利用显微镜高速图像采集系统对气体在所述可视模型的微细孔道内聚集、累积过程进行实时采集，分析孔隙结构对气相堵塞程度的影响。根据本技术的较佳实施例，还包括对水进行染色。其中，染色优先采用对水的密度、粘度、表面张力等影响非常小的水溶性无机颜料，便于提高显微镜高速图像采集系统采集图像数据的清晰度。(三)有益效果本技术的模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统，可将微量气体与水的均匀混合注入，利用微细孔道模拟地下水回灌的孔隙，由于微细孔道为透明的，实现了水气两相在孔隙内运移过程的全程可视化实验，并借助差压传感器监测可视模型两端的压力差，用压力差定量监测微细孔道(孔隙)的堵塞程度，再利用显微镜高速图像采集系统对气体在微细孔道内聚集、累积过程进行实时采集，分析孔隙结构对气相堵塞程度的影响。本技术的实验系统可以非常直观的获得地下水回灌过程中气液两相在含水层中的渗流特征及气体堵塞含水层孔隙的微观机理。结合理想与实际含水层特征条件，还可以通过调节气体的注入速度和注入量、调节水的注入速度和注入量的方式，进行不同气液比例、不同注入速率的渗流实验，考察孔隙结构、回灌方式等对回灌效率的影响，以及气液混合运移过程中气液在孔隙内分布特征与气相堵塞发生的机理。附图说明图1为本技术模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统的示意图。图2为本技术的实验系统中可视模型的一个实施例的示意图。具体实施方式为了更好的解释本技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本技术作详细描述。如图1所示，为本技术实施例提供的一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统，其包括储气瓶1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统，其特征在于，其包括气体注入泵、水注入泵、水气混合器、可视模型、差压传感器和管路；所述可视模型包含进水侧和出水侧；/n所述气体注入泵向管路中注入气体，所述水注入泵向管路中注入水，所述气体注入泵注入的气体和所述水注入泵注入的水在所述水气混合器中混合产生水气混合物；水气混合物从所述可视模型的进水侧进入所述可视模型中并从出水侧流出；所述差压传感器用于测量所述可视模型的进水侧和出水侧的压力差；/n所述可视模型包括透明的微细孔道，所述微细孔道的孔径为0.1μm-100μm；所述微细孔道的两端分别连接所述进水侧和出水侧。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟地下水回灌过程中气相堵塞的实验系统，其特征在于，其包括气体注入泵、水注入泵、水气混合器、可视模型、差压传感器和管路；所述可视模型包含进水侧和出水侧；
所述气体注入泵向管路中注入气体，所述水注入泵向管路中注入水，所述气体注入泵注入的气体和所述水注入泵注入的水在所述水气混合器中混合产生水气混合物；水气混合物从所述可视模型的进水侧进入所述可视模型中并从出水侧流出；所述差压传感器用于测量所述可视模型的进水侧和出水侧的压力差；
所述可视模型包括透明的微细孔道，所述微细孔道的孔径为0.1μm-100μm；所述微细孔道的两端分别连接所述进水侧和出水侧。


2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述可视模型采用玻璃、PMMA或PDMS制成；或者所述可视模型包含玻璃块，在所述玻璃块内部蚀刻有所述微细孔道。


3.根据权利要求2所述的实验系统，其特征在于，所述可视模型包含叠合粘接的两片玻璃，所述两片玻璃分别为底板和面板；所述面板上有进水孔和出水孔，所述底板设有被腐蚀出来的凹槽；所述底板和面板叠合粘接后，所述凹槽形成所述微细孔道；所述微细孔道的起始端和末端分别连接所述面板上的进水孔和出水孔。


4.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述水气混合器内带有用于细化气泡的筛网，使气体注入泵注入的气体被细化成若干微米级气泡，并混合到水中；所述水气混合器位于所述可视模型的进水侧前端。


5.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述微细孔道内填充待考察...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓媛，岳高凡，郭帅，
申请(专利权)人：中国地质科学院水文地质环境地质研究所，
类型：新型
国别省市：福建;35