一种模拟寒区矿泉水水质形成过程的水岩实验装置

摘要

本发明涉及一种模拟寒区矿泉水水质形成过程的水岩实验装置，其特征在于：包括大气降水模拟装置、土壤样品存放釜、碎屑岩石存放釜、块状岩石存放胶套、冻融模块、温度控制模块、高温高压控制模块和集液瓶；用软管连接好实验各装置，调节温控水箱中的水至指定的温度，用流量控制阀调整流量，打开流量控制阀，开始淋滤实验，实验开始前用蒸馏水对实验装置进行淋滤，在土壤与松散岩石填充过程中保证均匀并避免周边出现较大孔隙，以防止水流短路，块状岩体为圆柱体，以利于氟橡胶套管在水压作用下紧密包覆致密岩体岩样外表面；取不同位置、不同淋滤时间或不同降雨强度的淋滤液进行测试，探究淋滤过程中，不同因素影响下，岩土中物质进入水中的情况。

说明书

技术领域

本发明涉及地下水科学与工程技术领域，尤其涉及一种模拟寒区矿泉水水质形成过程的水岩实验装置。

背景技术

水岩相互作用是岩土中矿物演化和地下水离子变化之间的媒介，两者通过水岩之间的反应达到水岩体系的平衡，地下水的水化学特征很大程度上取决于水岩作用过程。水岩实验可以获得水岩作用反应特征与参数，探究地下水流动过程中的水化学演变过程。水岩作用受岩土特征与地下水特征的共同支配，地下水特征主要包括水化学特征与水动力特征。

自然条件下的地下水初始水化学特征为大气降水淋滤地表土壤后所形成的，初始淋滤水的不同会导致水岩作用特征发生重大变化，对岩石矿物溶解及地下水水化学组分变化有重大影响。自然条件下水岩作用初始液的形成机制很复杂，大气降水淋滤地表的土壤，在土壤中向下运移，最终进入岩层形成地下水与岩石发生水岩作用。大气降水的水化学特征、温度、降落地面时的速度与降雨量；地表土壤中含有的腐殖质等物质、温度、土层的厚度、土壤的空间结构，特别在寒区条件下部分降水转化为冰雪暂时滞留于地表，在升温过程中地表冰雪融化渗入土壤层中，冰雪融水的温度一般接近0℃，低于大气降水温度。以上因素都会对渗入岩石中的初始地下水的水化学组分产生影响，并影响后续的水岩作用。

以前广泛应用的是利用蒸馏水或人为调节pH值的蒸馏水作为初始溶液对水岩作用进行研究水岩实验，这种实验方式中蒸馏水无法满足实际的淋虑要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种模拟寒区矿泉水水质形成过程的水岩实验装置，能够解决目前忽视地表土壤层对水岩作用影响的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种模拟寒区矿泉水水质形成过程的水岩实验装置，其创新点在于：包括大气降水模拟装置、土壤样品存放釜、碎屑岩石存放釜、块状岩石存放胶套、冻融模块、温度控制模块、高温高压控制模块和集液瓶；

所述大气降水模拟装置包括温控水箱和流量控制阀，所述温控水箱内设置有模拟雨水，温控水箱上设置有出水口且出水口通过软管与流量控制阀的输入端相连，所述流量控制阀的输出端通过软管连接在土壤样品存放釜的顶端；

所述冻融模块包括冻融箱、第一温度传感器和第一控制单元；所述冻融箱内设置有冻融介质，且冻融箱的底端设置有容纳土壤样品存放釜输出端穿过的通孔，所述冻融箱与第一控制单元相连通过第一控制单元控制冻融箱的温度；所述土壤样品存放釜设置在冻融箱的冻融介质内，所述土壤样品存放釜内填充有土壤样品，土壤样品存放釜具有一设置有喷淋口的釜盖，且该釜盖上的喷淋口与流量控制阀的输出端通过软管导通；所述土壤样品存放釜的侧壁上自上而下等间距设置有若干第一渗水口；所述土壤样品存放釜的底端设置有第一排水口；所述第一温度传感器设置在土壤样品存放釜内且通过线缆与第一控制单元相连；

所述温度控制模块包括温控箱、第二温度传感器和第二控制单元；所述温控箱内设置有温控介质，且温控箱的底端设置有容纳碎屑岩石存放釜输出端穿过的通孔，所述温控箱与第二控制单元相连通过第二控制单元控制温控箱的温度；所述碎屑岩石存放釜设置在温控箱的温控介质内，所述碎屑岩石存放釜内填充有碎屑岩石样品，碎屑岩石存放釜具有一设置有喷淋口的釜盖，且该釜盖上的喷淋口与土壤样品存放釜的第一排水口通过软管导通；所述碎屑岩石存放釜的侧壁上自上而下等间距设置有若干第二渗水口；所述碎屑岩石存放釜的底端设置有第二排水口；所述第二温度传感器设置在碎屑岩石存放釜内且通过线缆与第二控制单元相连；

所述高温高压控制模块包括高温高压箱、第三温度传感器和压力传感器和第三控制单元；所述高温高压箱内设置有高温高压介质，高温高压箱的底端设置有块状岩石存放胶套输出端穿过的通孔，所述高温高压箱与第三控制单元相连通过第三控制单元控制高温高压箱的温度和压力；所述块状岩石存放胶套设置在高温高压箱的高温高压介质内，所述块状岩石存放胶套内填充有块状岩石样品，且块状岩石存放胶套的顶端与第二排水口通过软管相连，所述块状岩石存放胶套的底端设置有第三排水口；所述第三温度传感器与压力传感器设置在块状岩石存放胶套内且通过线缆与第三控制单元相连。

进一步的，所述第一排水口的上方且位于土壤样品存放釜内设置有第一多孔隔板；所述第二排水口的上方且位于碎屑岩石存放釜内设置有第二孔隔板。

进一步的，所述块状岩石存放胶套为氟橡胶套，所述块状岩石存放胶套的外壁与高温高压箱的内壁之间形成容纳高温高压介质的压力池。

本发明的优点在于：

1）本发明中的装置模拟自然条件下大气降水及冰雪融水淋滤土壤的过程；将地表原状土壤在扰动少的情况下放置在淋滤柱中，利用冻融设备调节土壤的温度，通过流量计控制水量，模拟冰雪融水及大气降水淋滤地表土壤，获得淋滤后的淋滤液。

2）本发明中随着季节的变化及深度的增加地表土壤及浅层破碎岩石所受的温度有所变化；利用控温设备对土壤及碎屑岩石的温度进行调节，保证初始水与土壤及碎屑岩石温度符合研究区的客观条件。

3）本发明中随着深度的增加地下岩体受地应力及地温梯度的影响，所受的压力及温度都有所增大，压力较大及风化作用程度较低使得岩石致密；利用高温高压控制模块对致密岩体增温，及对利用水力增压系统对围压加压,在紧贴致密岩体外侧设置具有弹性且耐高温的氟橡胶套管,时水力压力可以转化为岩石的侧向压应力；以土壤淋滤液作为后续水岩实验的初始液，对自然条件下不同埋深的岩石特点，对水岩作用过程进行最大程度的还原，并可探究地表土壤层对地下水水化学组分形成的影响机制与程度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的一种模拟寒区矿泉水水质形成过程的水岩实验装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示的一种模拟寒区矿泉水水质形成过程的水岩实验装置，包括大气降水模拟装置1、土壤样品存放釜2、碎屑岩石存放釜3、块状岩石存放胶套4、冻融模块5、温度控制模块6、高温高压控制模块7和集液瓶8。

大气降水模拟装置1包括温控水箱11和流量控制阀12，温控水箱内设置有模拟雨水，温控水箱11上设置有出水口且出水口通过软管与流量控制阀12的输入端相连，流量控制阀12的输出端通过软管连接在土壤样品存放釜2的顶端。

冻融模块5包括冻融箱51、第一温度传感器52和第一控制单元53；冻融箱51内设置有冻融介质，且冻融箱51的底端设置有容纳土壤样品存放釜2输出端穿过的通孔，冻融箱51与第一控制单元53相连通过第一控制单元53控制冻融箱51的温度；土壤样品存放釜2设置在冻融箱51的冻融介质内，土壤样品存放釜2内填充有土壤样品，土壤样品存放釜2具有一设置有喷淋口的釜盖，且该釜盖上的喷淋口与流量控制阀12的输出端通过软管导通；土壤样品存放釜2的侧壁上自上而下等间距设置有若干第一渗水口21；土壤样品存放釜2的底端设置有第一排水口22；第一温度传感器52设置在土壤样品存放釜内2且通过线缆与第一控制单元53相连。

温度控制模块6包括温控箱61、第二温度传感器62和第二控制单元63；温控箱61内设置有温控介质，且温控箱61的底端设置有容纳碎屑岩石存放釜3输出端穿过的通孔，温控箱61与第二控制单元63相连通过第二控制单元63控制温控箱61的温度；碎屑岩石存放釜3设置在温控箱61的温控介质内，碎屑岩石存放釜3内填充有碎屑岩石样品，碎屑岩石存放釜3具有一设置有喷淋口的釜盖，且该釜盖上的喷淋口与土壤样品存放釜2的第一排水口22通过软管导通；碎屑岩石存放釜3的侧壁上自上而下等间距设置有若干第二渗水口31；碎屑岩石存放釜3的底端设置有第二排水口32；第二温度传感器62设置在碎屑岩石存放釜3内且通过线缆与第二控制单元62相连。

高温高压控制模块7包括高温高压箱71、第三温度传感器72和压力传感器73和第三控制单元74；高温高压箱71内设置有高温高压介质，高温高压箱71的底端设置有块状岩石存放胶套4输出端穿过的通孔，高温高压箱71与第三控制单元74相连通过第三控制单元74控制高温高压箱的温度和压力；块状岩石存放胶套4设置在高温高压箱71的高温高压介质内，块状岩石存放胶套4内填充有块状岩石样品，且块状岩石存放胶套4的顶端与第二排水口32通过软管相连，块状岩石存放胶套4的底端设置有第三排水口41；第三温度传感器72与压力传感器73设置在块状岩石存放胶套4内且通过线缆与第三控制单元74相连。

第一排水口22的上方且位于土壤样品存放釜2内设置有第一多孔隔板；第二排水口32的上方且位于碎屑岩石存放釜3内设置有第二孔隔板。

块状岩石存放胶套4为氟橡胶套，块状岩石存放胶套4的外壁与高温高压箱71的内壁之间形成容纳高温高压介质的压力池。

本发明的工作原理是：用软管连接好实验各装置，调节温控水箱中的水至指定的温度，用流量控制阀调整流量，打开流量控制阀，开始淋滤实验，实验开始前用蒸馏水对实验装置进行淋滤，在土壤与松散岩石填充过程中保证均匀并避免周边出现较大孔隙，以防止水流短路，块状岩体应该为圆柱体，以利于氟橡胶套管在水压作用下紧密包覆致密岩体岩样外表面；取不同位置、不同淋滤时间或不同降雨强度的淋滤液进行测试，探究淋滤过程中，不同因素影响下，岩土中物质进入水中的情况。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。