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一种滨海非承压含水层中咸水盐锥的模拟装置

2021-04-25 20:30:22

一种滨海非承压含水层中咸水盐锥的模拟装置

  技术领域

  本实用新型涉及淡水资源研究领域,尤其涉及一种滨海非承压含水层中咸水盐锥的模拟装置。

  背景技术

  滨海地下水的科学管理通常需要对开采条件下含水层中咸水运移过程有准确认识,这也是这一领域内的核心研究内容。通常,咸淡水之间的密度差会产生一个倾斜的咸淡水界面,而更深的咸水会被淡水覆盖。在这种条件下开采地下淡水可能会造成咸水垂直上升进入抽水井,这一过程被称为“咸水上升锥”(也称咸水盐锥)。其发展速度和程度是由很多因素控制的,包括含水层的水力特性,地下水开采的速度和持续时间,与咸淡水界面相关的抽水井的渗透率,流体密度差异和其他因素,比如盐分扩散效应,地下水补给,井的结构和含水层几何形态等。以往对咸水上升锥的认识主要是基于地下水开采条件下盐分和水流运移响应的理论研究,以及有限的野外尺度和实验室尺度的调查。滨海地区含水层中地下水开采很多时候都会不可避免产生咸水上升锥。虽然有许多关于咸水上升锥的解析解和数值解的例子,但在受控的实验室条件下咸水上升锥的图像鲜有被清晰刻画。

  实用新型内容

  本实用新型所要解决的技术问题是提供一种滨海非承压含水层中咸水盐锥的模拟装置,以解决上述技术问题的至少一种。

  本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下:一种滨海非承压含水层中咸水盐锥的模拟装置,包括主槽体和用于对所述主槽体内进行摄像的拍摄装置,所述主槽体相对的两侧面上由上至下均匀设有多个用于进水或出水的侧连接管,所述侧连接管上设有阀门;所述主槽体外设有用于向所述主槽体内注入咸水的咸水供入系统和用于向所述主槽体内注入淡水的淡水供入系统,所述咸水供入系统和所述淡水供入系统分别与所述侧连接管连接,所述主槽体内填充了多孔介质;所述主槽体内插设有竖直设置的淡水抽出管,所述淡水抽出管的底端向下延伸至所述主槽体内的中部,所述淡水抽出管的顶端连接有用于抽出所述主槽体内的液体的抽吸泵。

  本实用新型的有益效果是:本申请基于不同的地下水开采率和咸水密度进行混合对流的范围测试,咸水上升锥的动态发展是根据咸淡水界面的形态,咸水污染羽的宽度以及开采井中的盐度变化来进行刻画的,本申请在可控的实验室条件下产生咸水上升锥,并利用摄影技术来捕获图像,量化抽水井附近的高密度咸水羽流的路径和过程。

  在上述技术方案的基础上,本实用新型还可以做如下改进。

  进一步,所述淡水抽出管的底部设有滤管,所述滤管竖直设置且顶端与所述淡水抽出管的底端连通。

  采用上述进一步方案的有益效果是:滤管的设置能对多孔介质内的水进行过滤,避免对抽吸泵造成损坏。

  进一步,所述滤管上均匀设有多个过滤孔,所述滤管的底端封堵,且所述滤管外包裹有用于防止所述多孔介质进入到过滤孔内的细网布。

  采用上述进一步方案的有益效果是:通过设置细网布,对多孔介质进行阻挡,避免多孔介质进入到过滤管内对过滤管造成堵塞。

  进一步,所述侧连接管内设有用于防止所述多孔介质堵塞所述侧连接管的金属网。

  采用上述进一步方案的有益效果是:金属网的设置能避免多孔介质进入到侧连接管内造成堵塞。

  进一步,所述主槽体的底端设有与所述主槽体内部连通的底连接管,所述底连接管上设有阀门。

  采用上述进一步方案的有益效果是:设置底连接管,便于主槽体的排水。

  进一步,所述主槽体内的底部铺设有用于防止所述多孔介质进入到所述底连接管的尼龙网。

  采用上述进一步方案的有益效果是:尼龙网的设置防止所述多孔介质进入到所述底连接管造成堵塞。

  进一步,所述主槽体的前壁为透明材质制成,所述拍摄装置设在所述主槽体的前侧。

  采用上述进一步方案的有益效果是:主槽体的前壁采用透明材质制成便于拍摄装置对主槽体内进行拍摄。

  进一步,所述咸水供入系统和所述淡水供入系统均为马里奥特瓶。

  采用上述进一步方案的有益效果是:咸水供入系统和淡水供入系统采用马里奥特瓶,能确保在淡水和咸水供入的过程中水流速度不变。

  进一步,还包括用于对所述咸水供入系统和所述淡水供入系统进行支撑的可调节高度的支架。

  采用上述进一步方案的有益效果是:采用可调节高度的支架对咸水供入系统和淡水供入系统进行制成,能根据需要调节咸水供入系统和淡水供入系统的高度,从而可以调节咸水和淡水的供入速度。

  进一步,还包括压力计,所述压力计与所述侧连接管连通。

  采用上述进一步方案的有益效果是:压力计的设置能测量边界水头。

  附图说明

  图1为本实用新型的结构示意图;

  附图中,各标号所代表的部件列表如下:

  1、主槽体,2、侧连接管,3、咸水供入系统,4、淡水供入系统,5、淡水抽出管,6、滤管,7、底连接管。

  具体实施方式

  以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本实用新型,并非用于限定本实用新型的范围。

  如图1所示,本实用新型的实施包括主槽体1和用于对所述主槽体1内进行摄像的拍摄装置,所述主槽体1的为矩形结构,所述主槽体1相对的两侧面上由上至下均匀设有多个用于进水或出水的侧连接管2,所述侧连接管 2上设有阀门,所述侧连接管2内设有用于防止所述多孔介质堵塞所述侧连接管2的金属网,金属网的设置能避免多孔介质进入到侧连接管2内造成堵塞,为了通过金属网对多孔介质进行阻挡,所述金属网上的网孔小于所述多孔介质的大小;所述主槽体1外设有用于向所述主槽体1内注入咸水的咸水供入系统3和用于向所述主槽体1内注入淡水的淡水供入系统4,所述咸水供入系统3和所述淡水供入系统4分别与所述侧连接管2连接,所述主槽体 1内填充了多孔介质;所述主槽体1内插设有竖直设置的淡水抽出管5,所述淡水抽出管5的底端向下延伸至所述主槽体1内的中部,所述淡水抽出管 5的顶端连接有用于抽出所述主槽体1内的液体的抽吸泵。本实施例在可控的实验室条件下产生咸水上升锥,并利用摄影技术来捕获图像,量化抽水井附近的高密度咸水羽流的路径和过程。

  在本实施例中,所述淡水抽出管5的底部设有滤管6,所述滤管6竖直设置且顶端与所述淡水抽出管5的底端连通,滤管6的设置能对多孔介质内的水进行过滤,避免对抽吸泵造成损坏。并且,所述滤管6上均匀设有多个过滤孔,所述滤管6的底端封堵,且所述滤管6外包裹有用于防止所述多孔介质进入到过滤孔内的细网布,通过设置细网布(本申请中所述的细网布指的是网孔小于多孔介质大小的网布,例如,如果多孔介质采用粒径为 0.2-0.6mm的中砂,则所述细网布的网孔小于0.2mm即可),对多孔介质进行阻挡,避免多孔介质进入到过滤管6内对过滤管6造成堵塞。

  优选的,所述主槽体1的底端设有与所述主槽体1内部连通的底连接管 7,所述底连接管7上设有阀门,所述主槽体1内的底部铺设有用于防止所述多孔介质进入到所述底连接管7的尼龙网,尼龙网的设置防止所述多孔介质进入到所述底连接管7造成堵塞。本申请中所述的阀门可以是手动阀,也可以是电动阀。

  在本实用新型的一种具体实施例中,主槽体1正面和背面据采用1.5厘米厚的浮板玻璃制成,侧面和底部用不锈钢支架构成。所述主槽体1的内部的尺寸为长120cm,高120cm,宽5cm。所述主槽体1的两个所述侧面上由下至上依次均匀设置有12个侧连接管2,所述主槽体1的底部沿其长度方向方向均匀设置有12个底连接管7。所述主槽体1两侧均设置有5个20升的马里奥特瓶,其中4个为淡水供入系统4,1个为咸水供入系统3,放置在可调节高度的支架(可调节高度的支架为本领域的现有技术,采用本领域的现有技术即可,在此对其具体结构不做具体描述)上,淡水抽出管5为12mm内径的金属管,放在主槽体1内的正中(即中间宽度和中间厚度),从主槽体 1顶部往下深度为65cm,让水沿淡水抽出管5下部10cm长的滤管6(均布孔洞)流入,所述抽吸泵采用内径为3mm的硅橡胶管连接蠕动泵 (Masterflex,07519-25泵头),通过12根Masterflex管(Naroprene food,L/S 14,内径1.6mm)调节流量,蠕动泵为本领域的常规技术手段,具体结构在此不做具体描述。

  在本具体实施例中,所述多孔介质为粒径为0.2-0.6mm(平均粒径0.45) 的中砂。其孔隙度(n)可由水饱和法得到,为0.38。为了使主槽体1内被填充均匀,中砂在被饱和之前要在一个干净的搅拌机中混合充分,然后人工导入主槽体1,从主槽体1底部逐渐逐层浸湿,手动夯实,直到看不到任何截留的气泡。

  计算出主槽体1内垂直和水平的渗透系数分别为0.16cm/s和0.17 cm/s。采用K的各向同性值0.16cm/s。在脱气水中溶解氯化钙(CaCl22H2O) 可得到三种不同的盐水溶液:低盐度(16g/L)、中等盐度(35g/L)和高盐度 (140g/L)。高盐度情况代表了与盐滩和其他蒸发浓缩条件相关的高盐浓度条件,比如莱州湾南岸的卤水情况。水密度由体积(用比重计测定)和重量来估算。密度测量是根据脱气和添加盐水颜色示踪剂的情况进行的,以说明盐水密度的任何相关变化。用于上升锥计算的水密度值为:淡水(996kg/m3)、低盐度(1011kg/m3)、中等盐度(1025kg/m3)和高盐度(1096kg/m3)。盐水溶液用罗丹明红色染色剂着色,以保证视觉可以监测咸水上升锥过程。本装置中使用了500mg/L的染色剂溶液浓度。实验是在一个黑暗的房间里进行的,用800万像素的数码相机拍摄了一组延时照片。除了对咸水羽运移进行延时摄影外,还监测了下列实验参数:井水盐度(通过手动采样测试电导率(EC))、井水温度、井的抽水率、边界水头(通过压力计测量)和水箱水体体积的临时测量。

  通过调整淡水供入系统4和咸水供入系统3(马里奥特瓶)(马里奥特瓶为本领域的常规技术手段,在此不做具体的描述)的高度设置初始水头边界。淡水供入系统4的位置比咸水供入系统3的位置高,通过等效淡水水头计算来初步确定标高差,然后通过反复试验调整来利用压力计响应边界水头变化来平衡咸淡水边界水头。实验用水网的设计是为了避免管道摩擦损失的任何不一致性,即从水箱到端口的流入管长度和管径都是相同的。

  本申请基于不同的地下水开采率和咸水密度进行混合对流的范围测试,咸水上升锥的动态发展是根据咸淡水界面的形态,咸水污染羽的宽度以及开采井中的盐度变化来进行刻画的,本申请在可控的实验室条件下产生咸水上升锥,并利用摄影技术来捕获图像,量化抽水井附近的高密度咸水羽流的路径和过程。

  以上所述仅为本实用新型的较佳实施例,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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