一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置及其实验方法

1.本发明涉及地下水动力学及化学堵塞研究技术领域，尤其涉及一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置及其实验方法。

背景技术：

2.目前，尽管地下水回灌在理论和应用上均有显著突破，堵塞作用仍然制约着回灌效率的提高。地下水化学成分的差异会产生不同程度的堵塞作用。铁和锰化学性质相似，广泛分布在地下水中，往往受到氧化还原环境和酸碱环境的影响。当研究区水质条件较差，地下水中铁、锰离子含量偏高，进行地下水回灌工作时，铁锰离子会与含水层中的介质发生化学反应并生成物质从而造成回灌井的堵塞。因此，研究不同浓度回灌水质对堵塞作用的影响对地下水回灌效率的提高具有重要意义。

技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置，包括注水系统、径向回灌系统、溢流系统和数据监测；
4.所述径向回灌系统包括扇形砂箱和抽注水井；所述抽注水井底部设有多个透水孔，所述抽注水井所述抽注水井竖直设置于扇形砂箱的轴线处；所述扇形砂箱内填充有形成含水层的含水介质，所述抽注水井通过透水孔于含水层连通；所述扇形砂箱内还设有三口取样井，每一取样井内设有一竖直设置的取水管，取水管用于抽取含水层内水样以测定水样的水化学特征；
5.所述径向回灌系统包括抽水箱、溶质箱、回灌管和抽水管，所述溶质箱内装有实验溶液，所述抽水管和回灌管均延伸至所述抽注水井内，所述回灌管和抽水管分别与溶质箱和抽水箱相连，所述回灌管和抽水管上分别设有注水泵和抽水泵；
6.所述溢流装置包括溢流池和出水管，所述溢流池通过出水管与扇形砂箱底部相连，所述溢流池底部设有溢流口；
7.所述数据监测系统包括测压板，所述测压板上上设有多个测压管；所述扇形砂箱的侧壁设有多个阵列排布的测压孔，其中一列测压孔通过多个测压管分别与多个测压管相连，测压管用于含水层内的水位变化；
8.进一步地，所述溢流池设置于升降装置，所述升降装置用于调节溢流池水平高度。
9.进一步地，三口取样井沿扇形砂箱的半径线布置，相邻的取样井间距相等，相邻的取样井间的间距为60cm。
10.进一步地，所述抽注水井还包括井壁、滤水管、沉淀管和滤料，所述滤水管位于所述井壁内，所述滤水管下端设有沉淀管，滤水管外壁和井壁内壁填充有构成滤水层的过滤料，多个所述透水孔上下等间距分布于所述井壁底部，所述滤水层顶部设有止水层。
11.进一步地，所述扇形砂箱包括两侧板以及弧形端板，两侧板均连接于所述抽注水井上，且二者夹角为20-60
°
，所述弧形端板连接于所述侧板端部。
12.进一步地，两所述侧板均为亚克力板。
13.进一步地，所述扇形砂箱内还设有一弧形的挡板，所述挡板在扇形砂箱内分隔出一稳流槽，所述挡板上分布有多个渗透孔，所述稳流槽内填充有稳流介质。
14.进一步地，所述回灌管和抽水管上均设有阀门和流量计。
15.本发明还提供一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验方法，该方法使用上述模拟地下水径向回灌的实验装置，该方法包括如下步骤：
16.s1:观测并检查实验装置功能是否正常，对测压板进行排气操作，连接好整个实验装置；
17.s2:用含水介质填充扇形砂箱并压实，在含水介质内埋设吸水软管；
18.s3:配制特定浓度的铁锰离子溶液、锰离子溶液或二者混合溶液，以研究不同浓度实验回灌水对地下水回灌堵塞的影响，
19.s4:节溢流装置的水位高低，使得溢流池液面高于含水层的液面高度，通过溢流装置外接蒸馏水水源，先向稳流槽内注入蒸馏水，待水流稳流之后逐步渗入含水层内的石英砂内，对含水介质进行饱水并排气，测定此时砂样的渗透系数，待其值趋于稳定后再进行回灌试验；
20.s5:饱水操作完毕后，打开回灌管上的阀门二和注水泵，将溶质箱里配制好的实验溶液通过注水泵注入回灌井内，实验过程中，用流量计实时监测回灌量和溢流口出水流量，读出测压板上各测压管读数并记录，同时每隔一段时间，抽取含水层中水样并进行水质分析，检测铁锰离子浓度及水质参数。
21.s6：模拟回灌试验：关闭注水泵和阀门二，打开抽水泵和阀门一，将砂箱内溶液抽至抽水箱内，抽取过程中，通过溢流装置外接水源，将蒸馏水均匀注入稳流槽，通过渗透孔进入含水层，监测砂箱内水样浓度，待其浓度与饱水阶段溶液浓度一致时，结束一次回灌试验；
22.s7：分别单独改变实验溶液成分，在控制变量的条件下，重复上述步骤s1-s6多次，对比各次实验结果。
23.进一步地，上述步骤s7中，重复上述步骤s1-s6三次，四次回灌试验中配成四组对比实验溶液的浓度为：fe
2+
：0mg/l，mn
2+
：3mg/l；fe
2+
：4mg/l，mn
2+
：2mg/l；fe
2+
：8mg/l，mn
2+
：1mg/l；fe
2+
：12mg/l，mn
2+
：0mg/l。
24.本发明一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置及其实验方法的有益效果为：该实验方法可以模拟地下水径向回灌过程，研究回灌水样中不同铁锰离子含量可以研究回灌水化学组分对回灌井的堵塞作用，通过改变实验溶液的化学性质，模拟地下水回灌化学堵塞过程中溶液浓度的时空变化；并同归该实验溶液的化学组分的迁移变化揭示地下水回灌化学堵塞机制，为地下水回灌效率的提高提供科学依据。并且该装置结构完整，空间布局合理，可操作性强，影响因素可控。
附图说明
25.图1为本发明的地下水径向回灌的物理模型的结构示意图。
26.图2为抽注水井4的内部结构示意图。
27.上述图中：
28.1-扇形砂箱，2-稳流槽，3-实验台，4-抽注水井，5-抽水箱，6-溶质箱，7-测压板，8-溢流装置，9-溢流池，10-溢流口，11-出水管，12-升降装置，13-抽水管，14-回灌管，15-流量计，16-抽水泵，17-注水泵，18-阀门一，19-阀门二，20-吸水软管，21-止水层，22-滤水层，23-滤水管，24-沉淀管。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
30.请参考图1至图2，一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置，包括实验台3、注水系统、径向回灌系统、溢流系统和数据监测。
31.所述实验台3底部设有多个万向轮。
32.所述径向回灌系统包括扇形砂箱1和抽注水井4；所述抽注水井4包括井壁、滤水管23、沉淀管24和过滤料，所述滤水管23位于所述井壁内，所述滤水管23下端设有沉淀管24，滤水管23外壁和井壁内壁填充有构成滤水层22的过滤料；所述井壁底部设有多个透水孔，多个透水孔上下等间距分布于所述井壁底部，所述滤水层22顶部设有止水层21，所述止水层21由优质球状粘土填充构成。
33.所述扇形砂箱1包括两呈一定夹角的侧板以及弧形的端板，两侧板均为透明的亚克力材质，两侧板夹角范围为20-60
°
，本实施例中，侧板夹角为30
°
，两侧板相互靠近的一侧均连接于所述井壁上，所述端板连接于两侧板相互远离的侧面，从而构成扇形结构的箱体，其中抽注水井4位于扇形砂箱1的轴线上。
34.所述扇形砂箱1内还设有一隔板，所述隔板与所述端板平行，隔板在扇形砂箱1内分隔出稳流槽2和含水槽(稳流槽2为隔板与端板之间空腔)，所述稳流槽2和含水槽内分别装填有稳流介质和含水介质，所述稳流介质和含水介质分别构成稳流层和和含水层，所述含水层通过透水孔与抽注水井4连通，所述隔板上设有多个渗透孔，渗透孔连通稳流层和和含水层，本实施例中，所述含水介质为粒径为0.5mm的石英砂，所述稳流介质优选为石英砂和碎石子的混合物。
35.所述扇形砂箱1内还设有三口取样井，每一取样井内设有一吸水软管20，吸水软管20上端延伸出止水层21，三口取样井沿扇形砂箱1的半径线布置，相邻的取样井间距相等，本实施例中，相邻的取样井的间距为60cm；吸水软管20用于在实验过程中抽取取样井内水样，从而测定水样的水化学特征。
36.所述径向回灌系统包括抽水箱5、溶质箱6、回灌管14和抽水管13，所述溶质箱6内装有实验溶液，所述实验溶液可根据实验需要设置为铁、锰离子溶液(铁离子溶液、锰离子溶液、铁、锰离子混合溶液)；所述抽水管13和回灌管14均延伸至所述抽注水井4内，所述回灌管14和抽水管13分别与抽水箱5和溶质箱6相连，所述回灌管13和抽水管13上分别设有注水泵17和抽水泵16；所述回灌管14和抽水管13上均设有阀门和流量计15，其中位于抽水管13上的阀门为阀门一18，位于回灌管14上的阀门为阀门二19。
37.所述溢流系统包括溢流装置8和升降装置12，溢流装置8包括溢流池9和出水管11，所述溢流池9通过出水管11与扇形砂箱1底部相连，所述溢流池9底部设有溢流口10，所述出水管11为软管结构；所述溢流装置8设置于升降装置12上，升降装置12用于带动溢流池9升
降，调节溢流池9水平高度。
38.所述数据监测系统包括测压板7，所述测压板7上设有多个测压管5；所述扇形砂箱1的背面设有多个阵列排布的测压孔，其中一列测压孔的每一测压孔分别通过连接软管与一测压管相连，其余未于测压管相连的测压孔被封堵，所述测压板7上的多个测压管用于测量位于同一截面上的多个上下排布的测压孔出的水位，从而实时检测整个含水层内的水位变化。
39.所述径向回灌系统的抽水泵16将抽注水井4内液体抽出至抽水箱5内，所述注水泵17用于将溶质箱6内液体注入抽注水井4内，抽水管13和回灌管14上的流量计15分别用以测定径向回灌系统的抽水量和回灌量。
40.所述抽注水井4底部的透水孔用于使抽注水井4内流体能均匀进入含水层里，提高含水层介质的的饱水效率。
41.所述扇形砂箱1内稳流槽2内稳流介质可以发挥稳流作用，使得液体均匀流出，确保流场的稳定，避免影响实验效果。
42.所述升降装置12用于调节溢流池7的水平高度，保证补给扇形砂箱1内的水头稳定。
43.所述测压板7上的多个测压管用于测量位于同一截面上的多个上下排布的测压孔处的水位，从而实时检测整个含水层内的水位变化，所述测压板7结构具有操作简单，采集的数据可行性高的优点。
44.采用上述地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置的地下水回灌化学堵塞作用模拟实验方法包括如下步骤：
45.s1：观测并检查实验装置功能是否正常，对测压板7进行排气操作，连接好整个实验装置；
46.s2：用粒径为0.5mm的石英砂对扇形砂箱1进行填充并压实形成含水层，在含水层内设置取样井，并埋设吸水软管20，用于在实验过程中收集水样并测定水样的水化学特征；
47.s3:配制特定浓度的铁锰离子溶液、锰离子溶液或二者混合溶液，将其注入溶质箱6内，以研究不同浓度实验回灌水对地下水回灌堵塞的影响；
48.s4：节溢流装置的水位高低，使得溢流池9液面高于含水层的液面高度，通过溢流装置外接蒸馏水水源，先向稳流槽内注入蒸馏水，待水流稳流之后逐步渗入含水层内的石英砂内，对含水介质进行饱水并排气，测定此时砂样的渗透系数，待其值趋于稳定后再进行回灌试验；
49.s5：饱水操作完毕后，打开回灌管上的阀门二19和注水泵17，将溶质箱6里配制好的实验溶液通过注水泵17注入回灌井内，实验过程中，用流量计15实时监测回灌量和溢流口10出水流量，读出测压板7上各测压管读数并记录，同时每隔一段时间，通过吸水软管20抽取含水层中水样并进行水质分析，检测铁锰离子浓度及水质参数；
50.s6：模拟回灌试验：关闭注水泵17和阀门二19，打开抽水泵16和阀门一18，将扇形砂箱1内溶液抽至抽水箱5内，抽取过程中，通过溢流装置外接水源，将蒸馏水均匀注入稳流槽2，通过渗透孔进入含水层，监测扇形砂箱1内水样浓度，待其浓度与饱水阶段溶液浓度一致时，结束一次回灌试验；
51.s7：改变实验溶液成分，在控制变量的条件下，重复上述步骤s1-s6多次，对比各次
实验结果。
52.本实施例中，重复上述步骤s1-s6三次(即共进行四次回灌试验)，四次回灌试验中配成四组对比实验溶液的浓度为：(1)fe2+：0mg/l，mn2+：3mg/l；(2)fe2+：4mg/l，mn2+：2mg/l；(3)fe2+：8mg/l，mn2+：1mg/l；(4)fe2+：12mg/l，mn2+：0mg/l。
53.本发明一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置及其实验方法的有益效果为：该实验装置及方法可以模拟地下水径向回灌过程，研究回灌水样中不同铁锰离子含量可以研究回灌水化学组分对回灌井的堵塞作用，通过改变补给水的化学性质，模拟地下水回灌化学堵塞过程中溶液浓度的时空变化；并通过该实验溶液的化学组分的迁移变化揭示地下水回灌化学堵塞机制，为地下水回灌效率的提高提供科学依据。并且该装置结构完整，空间布局合理，可操作性强，影响因素可控。
54.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
55.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置，其特征在于：包括注水系统、径向回灌系统、溢流系统和数据监测；所述径向回灌系统包括扇形砂箱和抽注水井；所述抽注水井底部设有多个透水孔，所述抽注水井所述抽注水井竖直设置于扇形砂箱的轴线处；所述扇形砂箱内填充有形成含水层的含水介质，所述抽注水井通过透水孔于含水层连通；所述扇形砂箱内还设有三口取样井，每一取样井内设有一吸水软管，吸水软管用于抽取含水层内水样以测定水样的水化学特征；所述径向回灌系统包括抽水箱、溶质箱、回灌管和抽水管，所述溶质箱内装有实验溶液，所述抽水管和回灌管均延伸至所述抽注水井内，所述回灌管和抽水管分别与溶质箱和抽水箱相连，所述回灌管和抽水管上分别设有注水泵和抽水泵；所述溢流装置包括溢流池和出水管，所述溢流池通过出水管与扇形砂箱底部相连，所述溢流池底部设有溢流口；所述数据监测系统包括测压板，所述测压板上上设有多个测压管；所述扇形砂箱的侧壁设有多个阵列排布的测压孔，其中一列测压孔通过多个测压管分别与多个测压管相连，测压管用于测定含水层内的水位变化。2.根据权利要求1所述的一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置，其特征在于：所述溢流池设置于升降装置，所述升降装置用于调节溢流池水平高度。3.根据权利要求1所述的一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置，其特征在于：三口取样井沿扇形砂箱的半径线布置，相邻的取样井间的间距相等，相邻的取样井均间距为60cm。4.根据权利要求1所述的一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置，其特征在于：所述抽注水井还包括井壁、滤水管、沉淀管和滤料，所述滤水管位于所述井壁内，所述滤水管下端设有沉淀管，滤水管外壁和井壁内壁填充有构成滤水层的过滤料，多个所述透水孔上下等间距分布与所述井壁底部，所述滤水层顶部设有止水层。5.根据权利要求1所述的一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置，其特征在于：所述扇形砂箱包括两侧板以及弧形端板，两侧板均连接于所述抽注水井上，且二者夹角为20-60
°
，所述弧形端板连接于所述侧板端部。6.根据权利要求5所述的一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置，其特征在于：两所述侧板均为亚克力板。7.根据权利要求6所述的一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置，其特征在于：所述扇形砂箱内还设有一弧形的挡板，所述挡板在扇形砂箱内分隔出一稳流槽，所述挡板上分布有多个渗透孔，所述稳流槽内填充有稳流介质。8.根据权利要求1所述的一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置，其特征在于：所述回灌管和抽水管上均设有阀门和流量计。9.一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验方法，其特征在于：该方法使用如权利要求1-8任意一项所述的模拟地下水径向回灌的实验装置，该方法包括如下步骤：s1：观测并检查实验装置功能是否正常，对测压板进行排气操作，连接好整个实验装置；s2：用含水介质填充扇形砂箱并压实，在含水介质内埋设吸水软管；
s3：配制特定浓度的铁锰离子溶液、锰离子溶液或二者混合溶液，以研究不同浓度实验回灌水对地下水回灌堵塞的影响，s4：调节溢流装置的水位高低，使得溢流池液面高于含水层的液面高度，通过溢流装置外接蒸馏水水源，先向稳流槽内注入蒸馏水，待水流稳流之后逐步渗入含水层内的石英砂内，对含水介质进行饱水并排气，测定此时砂样的渗透系数，待其值趋于稳定后再进行回灌试验；s5：饱水操作完毕后，打开回灌管上的阀门二和注水泵，将溶质箱里配制好的实验溶液分别通过注水泵注入回灌井内，实验过程中，用流量计实时监测回灌量和溢流口出水流量，读出测压板上各测压管读数并记录，同时每隔一段时间，抽取含水层中水样并进行水质分析，检测铁锰离子浓度及水质参数。s6：模拟抽水试验：关闭注水泵和阀门二，打开抽水泵和阀门一，将砂箱内溶液抽至抽水箱内，抽取过程中，通过溢流装置外接水源，将蒸馏水均匀注入稳流槽，通过渗透孔进入含水层，监测砂箱内水样浓度，待其浓度与饱水阶段溶液浓度一致时，结束一次回灌试验；s7：实验溶液成分，在控制变量的条件下，重复上述步骤s1-s6多次，对比各次实验结果。10.根据权利要求1所述的一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验方法，其特征在于：上述步骤s7中重复s1-s6三次，四次回灌试验中配成四组对比实验溶液的浓度为：fe
2+
：0mg/l，mn
2+
：3mg/l；fe
2+
：4mg/l，mn
2+
：2mg/l；fe
2+
：8mg/l，mn
2+
：1mg/l；fe
2+
：12mg/l，mn
2+
：0mg/l。

技术总结

本发明公开一种地下水回灌化学堵塞作用模拟实验装置及其实验方法，该实验装置包括注水系统、径向回灌系统、溢流系统和数据监测；径向回灌系统包括扇形砂箱和抽注水井；所述扇形砂箱内填充有含水介质，含水介质内还设有三口取样井，每一取样井内设有一吸水软管，吸水软管用于抽取含水层内水样以测定水样的水化学特征。本发明的有益效果为：该实验方法可以模拟地下水径向回灌过程，研究回灌水化学组分对回灌井的堵塞作用，通过改变实验溶液的化学性质，模拟地下水回灌化学堵塞过程中溶液浓度的时空变化，揭示地下水回灌化学堵塞机制，为地下水回灌效率的提高提供科学依据。并且该实验装置结构完整，空间布局合理，可操作性强，影响因素可控。因素可控。因素可控。