一種巖溶區(qū)天窗越流系統(tǒng)模擬裝置及模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種模擬裝置和模擬方法，具體地說是一種模擬巖溶區(qū)天窗越流系統(tǒng) 水文地質過程的裝置及模擬方法。
【背景技術】
[0002] 從上世紀70年代以來，出現(xiàn)世界范圍內的水危機，尤其是對地下水的大量開采引 發(fā)一系列地質災害，諸如地面沉降、巖溶塌陷。地下水資源的過量開采造成巖溶塌陷直接危 及人們生命財產(chǎn)，因此亟需提出控制巖溶天窗區(qū)水位的科學方法。
[0003] 另一方面，由于人類活動加劇，造成地下水水質惡化呈現(xiàn)加劇趨勢，鑒于地下水污 染具有隱蔽性，目前含水層的污染治理恢復尚無好的科學方法，尤其是巖溶含水系統(tǒng)具有 管道流、裂隙流并存的特點，巖溶介質高度復雜，巖溶水污染治理是世界性難題。因此，模擬 巖溶天窗區(qū)越流的水文地質過程可望揭示巖溶水接受補給時的污染迀移與凈化機理。
[0004] 巖溶地區(qū)大氣降水、地表水、地下水的"三水"轉化關系極其密切，可以設立地表水 與地下水聯(lián)合調蓄技術，科學的利用這一轉化關系可以使巖溶天窗區(qū)興利除害，如采用天 窗區(qū)人工調蓄補源可以有效的防止巖溶水系統(tǒng)資源枯竭，利用天窗區(qū)砂礫石層調蓄可凈化 水源、改善地下水質量。
[0005] 基于以上思路，本發(fā)明充分利用巖溶水系統(tǒng)天窗越流區(qū)地層結構進行人工調蓄補 源，防止地下水資源枯竭和巖溶塌陷發(fā)生、阻滯污染物的迀移以凈化巖溶水水質的技術方 法，提出是一種模擬巖溶區(qū)天窗越流系統(tǒng)水文地質過程的裝置及模擬方法。該發(fā)明具有重 要理論和現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內容】

[0006] 為防止巖溶水系統(tǒng)天窗越流區(qū)巖溶塌陷災害發(fā)生、阻滯天窗區(qū)污染物迀移和凈化 巖溶水水質、防止巖溶水水位下降，本發(fā)明提供一種巖溶區(qū)天窗越流系統(tǒng)模擬裝置及模擬 方法，本發(fā)明充分利用巖溶水系統(tǒng)天窗越流區(qū)地層結構進行人工調蓄補源，防止地下水資 源枯竭和巖溶塌陷發(fā)生、阻滯污染物的迀移以凈化巖溶水水質的技術方法，提出是一種模 擬巖溶區(qū)天窗越流系統(tǒng)水文地質過程的裝置及模擬方法具有重要理論和現(xiàn)實意義，實現(xiàn)了 中國北方巖溶區(qū)越流系統(tǒng)的物理模擬，從而為探究巖溶區(qū)三水轉化關系及巖溶含水層保護 提供科學依據(jù)。
[0007] 本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案是：
[0008] -種巖溶區(qū)天窗越流系統(tǒng)模擬裝置，包括供水部、水頭控制部和滲流部；
[0009] 所述供水部包括第一供水瓶和第二供水瓶，且所述第一供水瓶和第二供水瓶的下 部均設置有出水管；
[0010] 盛放在所述第一供水瓶內的供試液為地表水，盛放在所述第二供水瓶內的供試液 為巖溶水；
[0011] 所述滲流部包括第一滲流柱和第二滲流柱，所述第一滲流柱上端開口下端封閉， 所述第二滲流柱的上下兩端均封閉，且所述第一滲流柱和第二滲流柱的底部通過管道連 通；
[0012] 所述第一滲流柱的水平高度高于第二滲流柱；
[0013] 所述第一滲流柱內自上而下依次為砂質粉土層和砂礫石層，所述第二滲流柱內填 充的滲流介質為石灰?guī)r；
[0014] 所述第一供水瓶的出水管與第一滲流柱的上端開口連通，并設有閥門；
[0015] 所述第二供水瓶的出水管與設置于第一滲流柱的上部的巖溶水入口連通，并設有 閥門；
[0016] 所述的第一滲流柱的側壁上自上而下依次設置有第一取水口、第二取水口和第三 取水口；
[0017] 所述第二滲流柱的側壁上自下而上依次設置有第四取水口、第五取水口和出水 P；
[0018] 所述第一滲流柱和第二滲流柱的底部的連通管道上設置有第六取水口；
[0019] 所述第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口和第五取水口上均分別設 置有閥門和測壓管，所述第六取水口上設置有閥門，所述出水口上設置有測壓管，且在所述 出水口的下方設置有收集瓶；
[0020] 所述水頭控制部包括溢流口，以及設置于第一供水瓶出水管上的閥門；
[0021] 所述溢流口設置于第一滲流柱的頂端，且所述溢流口通過管道與溢流瓶連通；
[0022] 所述第一供水瓶的出水管上設置有第一流量計，所述第二供水瓶的出水管上設置 有第二流量計，所述的連接溢流口的管道上設置有第三流量計。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個【具體實施方式】，所述的第一滲流柱的高度為1500mm，直徑為 300mm，所述第二滲流柱的高度為1500mm，直徑為300mm;
[0024] 所述第一滲流柱軸線和第二滲流柱軸線之間的水平距離為1300mm;
[0025] 所述巖溶水入口與第一滲流柱的管口之間的距離為300mm;
[0026] 所述第一取水口與巖溶水入口之間的距離為200mm;
[0027] 所述第一取水口與第二取水口之間的距離為400mm;
[0028] 所述第二取水口與第三取水口之間的距離為400mm;
[0029] 所述出水口與第二滲流柱的管口之間的距離為50mm-100mm;
[0030] 所述出水口與第五取水口之間的距離為400mm;
[0031] 所述第五取水口與第四取水口之間的距離為400mm;
[0032] 所述砂質粉土層的厚度為50mm。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的另一個【具體實施方式】，所述第一滲流柱內的水位比第二滲流柱內的 水位高50_。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的又一個【具體實施方式】，所述第一滲流柱和第二滲流柱為透明的有機 玻璃材質。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明的又一個【具體實施方式】，所述測壓管采用醫(yī)用軟管制作而成。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明的又一個【具體實施方式】，設置于所述出水口下方的收集瓶采用窄口 瓶，且所述窄口瓶上設置有刻度。
[0037] -種巖溶區(qū)天窗越流系統(tǒng)模擬方法，包括以下步驟：
[0038] 第一步，制備供試水樣和滲流介質，具體為，
[0039] al、將砂質粉土、砂礫石和石灰?guī)r分別烘干，然后分別將砂質粉土、砂礫石和石灰 巖敲擊破碎至粒徑〈〇. 2cm，然后分別對其稱重，然后將烘干后的砂礫石和砂質粉土先后依 次裝填到第一滲流柱內，將石灰?guī)r填裝到第二滲流柱內；
[0040] a2、將地表水和巖溶水分別用0. 45um微孔濾膜過濾除雜；
[0041] 第二步，組裝并形成模擬裝置，并測定滲流柱的內徑；
[0042] 第三步，打開第一供水瓶閥門，使供水部持續(xù)向第一滲流柱內供水，直至第一滲流 柱和第二滲流柱內均達到飽和狀態(tài)；然后打開第二供水瓶的閥門；
[0043] 第四步，調整地表水與巖溶水的供水比例，具體為，
[0044] bl、讀取第一流量計的讀數(shù)記為A1，第二流量計的讀數(shù)記為A2,第三流量計的讀 數(shù)記為A3,且第三流量計的讀數(shù)A3不能為零；
[0045] b2、分別調整第一供水瓶出水管和第二供水瓶出水管上的閥門，使（A1_A3)/A2 = 2/5;
[0046] 第五步，關閉所有取水口的閥門，使流經(jīng)滲流柱的供試液只能從第二滲流柱上端 的出水口流出，待該出水口流量穩(wěn)定后根據(jù)需要對供試液進行取樣和檢測，具體為，
[0047] cl、保持所述取水口的閥門為關閉的狀態(tài)，每隔30min通過窄口瓶上的刻度讀取 滲出水的體積和水頭差，并實時測定滲出水的電導率、溫度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯離 子、重碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子等的離子濃度，并記錄；
[0048] c2、按照地表水與巖溶水比例為2/5的比例配制供試水樣，并測定供試水樣的電 導率、溫度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯離子、重碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子等的離子 濃度，并記錄；
[0049] c3、依次打開第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口、第五取水口以及 第六取水口的閥門，并依次記錄各個取水口的水頭后對其進行采樣，記為水樣I，水樣II， 水樣III，水樣IV，水樣V和水樣VI;
[0050] c4、分別測定c3中所取水樣的電導率、溫度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯離子、重 碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子等的離子濃度，并記錄；
[0051] c5、打開第三取水口，通過帶刻度的窄口瓶收集滲出的供試液，且每隔30min記錄 一次滲出體積和取樣時間；
[0052] c6、調整地表水與巖溶水比例，然后重復cl_c5的操作且所述比例范圍為1/5至 2/5。
[0053] 本發(fā)明的有益效果是：
[0054] 本發(fā)明通過模擬巖溶區(qū)天窗越流系統(tǒng)，
[0055] 第一、通過測定第一滲流柱各部位出水量及理化指標特征，研究地表水調蓄補源 過程中第四系砂礫石對地表水的凈化作用；
[0056] 第二、通過對第二滲流柱各部位出水理化指標特征的測定，分析地表水與地下水 聯(lián)合調蓄過程中，劣質地表水經(jīng)過砂礫石的凈化過濾作用后，對巖溶水水質的影響；
[0057] 第三、通過對第一滲流柱和第二滲流柱各部位出水理化指標特征的測定，研究巖 溶區(qū)越流系統(tǒng)的水文地球化學作用；
[0058]第四、通過供試水流經(jīng)分別代表潛水系統(tǒng)和承壓水系統(tǒng)的兩柱體，同時模擬潛水 系統(tǒng)與承壓水系統(tǒng)地下水流場、水化學場的變化。實現(xiàn)了中國北方巖溶區(qū)越流系統(tǒng)的物理 豐吳擬；
[0059]