一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置的制造方法
【專利摘要】一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置，包括供水裝置、水頭控制裝置、滲流裝置和流體加熱部。所述供水裝置包括第一供水瓶和第二供水瓶。所述滲流裝置包括模擬潛水系統的第一滲流柱和模擬承壓水的第二滲流柱，所述第一滲流柱和第二滲流柱的底部通過管道連通，且所述滲流部的下部設置有流體加熱部。所述第一滲流柱和第二滲流柱內分別填充有介質。所述第二滲流柱的上端設置有出水口；且所述的出水口上設置有測壓管。所述第一滲流柱的上部設置有溢流口，且所述溢流口通過管道與溢流瓶連通。本實用新型通過模擬人工開發利用地熱資源誘發的溫度場、水化學場的變化，研究分析地熱開采對地熱田水質和水溫的影響，從而指導地熱田的合理開發利用。
【專利說明】
一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及模擬裝置及模擬方法，具體地說是一種研究熱傳導型地熱田的開 發與保護的模擬裝置及模擬方法。
【背景技術】
[0002] 地熱資源為地球內部的可再生熱能，全球地熱能的儲量與資源潛量十分巨大，每 年從地球內部傳到地面的熱能相當100PW ? h(1PW = 1 o15w)，地熱能是儲存在地下的可再生 無害的綠色能源，目前地熱能在全球很多地區的應用相當廣泛，其社會、經濟和環境效益均 很顯著。尤其是21世紀以來，地熱在發電、采暖、溫室、養殖、醫療、旅游、提取化工原料以及 瓶裝礦泉水等方面已獲得廣泛利用。
[0003] 隨著地熱資源利用領域的拓寬和社會需求的增加，人們對地熱的開采也是不斷的 增加，但是人們對地熱資源的自然屬性和社會屬性認識尚不足。地熱資源并非取之不竭，這 是因為地熱資源是在特定的地質、構造、水文地質條件和水文地球化學環境條件下形成的， 且埋藏深，補給途徑遠，再生能力弱，其資源量是有限的。因此大部分地熱田在開發利用之 后，隨之出現了資源枯竭、水溫下降等問題。該實用新型可以模擬地溫場的演化，為地熱田 保護提供技術支撐。 【實用新型內容】
[0004] 為了研究人工開發利用地熱資源誘發的溫度場的變化，為地熱資源的可持續利用 提供科學依據，本實用新型提供一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置及模擬方法，通 過實驗監測承壓地熱水水質、水位、水溫變化，研究地下水回灌引起承壓地熱水水質、水溫 變化，該裝置取得的實驗數據可以揭示地熱田內部系統發生的水文地球化學作用，并通過 實測數據進而分析研究人工回灌對地熱田水動力場和水化學場所產生的影響，指導地熱田 的合理開發利用。
[0005] 本實用新型解決其技術問題所采取的技術方案是：
[0006] -種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置，包括供水部、水頭控制部、滲流部和流 體加熱部；
[0007] 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；
[0008] 盛放在所述第一供水瓶內的供試液為雨水，盛放在所述第二供水瓶內的供試液為 巖溶水；
[0009] 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；
[0010] 所述第一滲流柱的水平高度高于第二滲流柱；
[0011] 所述第一滲流柱內自上而下依次為砂質粉土層和石灰巖層，所述第二滲流柱內填 充的滲流介質為石灰巖；
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 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;
[0016] 所述第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口、第五取水口和出水口上 均分別設置有閥門和測壓管，其中所述第四取水口、第五取水口和出水口上還分別設置有 第四流量計、第五流量計和第六流量計；
[0017] 所述流體加熱部包括設置于所述第一滲流柱和第二滲流柱的底部的連通管道以 及第二滲流柱的下部的加熱絲，所述的設置于第二滲流柱下部的加熱絲的外部包覆有保溫 層；
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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。
[0021] 根據本實用新型的一個【具體實施方式】，所述的第一滲流柱的高度均為1500mm，直 徑為300mm，所述第二滲流柱的高度為1500mm，直徑為300mm;
[0022]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;
[0023]所述巖溶水入口與第一滲流柱的管口之間的距離為300mm;
[0024] 所述第一取水口與巖溶水入口之間的距離為200mm;
[0025] 所述第一取水口與第二取水口之間的距離為400mm;
[0026] 所述第二取水口與第三取水口之間的距離為400mm;
[0027] 所述出水口與第二滲流柱的管口之間的距離為50mm-100mm;
[0028] 所述出水口與第五取水口之間的距離為400mm;
[0029] 所述第五取水口與第四取水口之間的距離為400mm;
[0030]所述砂質粉土層的厚度為50mm;
[0031]所述第二滲流柱下部的加熱絲纏繞高度為200mm;
[0032] 所述連通第一滲流柱底部和第二滲流柱底部的管道直徑為10_。
[0033] 根據本實用新型的另一個【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50mm。
[0034] 根據本實用新型的又一個【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] 根據本實用新型的又一個【具體實施方式】，所述測壓管采用醫用軟管制作而成。
[0036] 根據本實用新型的又一個【具體實施方式】，所述加熱絲采用硅膠碳纖維發熱線，所 述保溫層采用石棉材料制作而成。
[0037] 一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬方法，包括以下步驟，
[0038]第一步，制備供試水樣和滲流介質，具體操作如下：
[0039] al、將砂質粉土和石灰巖分別烘干，然后分別將砂質粉土和石灰巖敲擊破碎至粒 徑〈0.2cm，然后分別對其稱重，然后將烘干后的石灰巖和砂質粉土先后依次裝填到第一滲 流柱內，將石灰巖填裝到第二滲流柱內；
[0040] a2、將雨水和巖溶水分別用0.45um微孔濾膜過濾除雜。
[0041 ]第二步，組裝實驗裝置，并測定滲流柱的內徑。
[0042]第三步，打開第二供水瓶的閥門，使供水部持續向第一滲流柱內供水，直至第一滲 流柱和第二滲流柱均達到飽和狀態。
[0043]第四步，調整加熱絲的工作電壓，使測溫口測得的溫度為30°C。
[0044] 第五步，打開第一供水瓶和第二供水瓶的閥門，調整雨水與巖溶水的供水比例，具 體操作如下：
[0045] bl、讀取第一流量計的讀數記為A1，第二流量計的讀數記為A2,第三流量計的讀數 記為A3，且第三流量計的讀數A3不能為零；
[0046] 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(Al-A3)/A2 = 3/5 〇
[0047] 第六步，關閉所有取水口的閥門，使流經滲流柱的供試液只能從第二滲流柱上端 的出水口流出，待該出水口流量穩定后根據需要對供試液進行取樣和檢測，具體操作如下：
[0048] cl、保持所有取水口的閥門為關閉的狀態，每隔4小時通過窄口瓶上的刻度讀取 滲出水的體積和水頭，并測定滲出水的電導率、溫度、PH值，測定硝酸根、硫酸根、氯離子、重 碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，讀取測溫口的溫度計的示數，并記錄；
[0049] c2、按照雨水與巖溶水比例為3/5的比例配制供試水樣，并測定供試水樣的硝酸 根、硫酸根、氯離子、重碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，并記錄；
[0050] C3、依次打開第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口和第五取水口的 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n，水樣m，水樣iv 和水樣V，記錄取樣時間；
[0051] c4、分別測定c3中所取水樣的電導率、溫度、PH值，測定硝酸根、硫酸根、氯離子、重 碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，讀取測溫口的溫度計的示數，并記錄；
[0052] c5、調整雨水與巖溶水比例為1/2,然后重復cl_c4的操作；
[0053] c6、調整雨水與巖溶水比例為2/5,然后重復cl_c4的操作；
[0054] c7、調整雨水與巖溶水比例為3/10,然后重復cl_c4的操作；
[0055] c8、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4小時記錄 一次滲出體積；
[0056] c9、打開第四取水口的閥門，并保持第四取水口的閥門為常開狀態，其余取水口以 及出水口為關閉狀態，設定第四取水口的流量分別為Ql、Q2和Q3，并測定第四取水口流量分 別為Ql、Q2和Q3時，各個取水口以及出水口的水頭、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、鎂離子的離子濃度，讀取測溫口的溫度計的示數，并記 錄；
[0057] clO、打開第五取水口的閥門，并保持第五取水口的閥門為常開狀態，其余取水口 以及出水口為關閉狀態，設定第五取水口的流量分別為Ql、Q2和Q3，并測定第五取水口流量 分別為Q1、Q2和Q3時，各個取水口以及出水口的水頭、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、鎂離子的離子濃度，讀取測溫口的溫度計的示數，并 記錄；
[0058] cll、打開出水口的閥門，并保持出水口的閥門為常開狀態，各個取水口為關閉狀 態，設定出水口的流量分別為Ql、Q2和Q3，并測定出水口流量分別為Ql、Q2和Q3時，各個取水 口以及出水口的水頭、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、鎂離子的離子濃度，讀取測溫口的溫度計的示數，并記錄；
[0059] cl2、為了模擬更深的開采深度，調整加熱絲的工作電壓，使測溫口測得的溫度為 40°C，然后重復c9-cll的操作；
[0060] C13、為了進一步模擬更深的開采深度，調整加熱絲的工作電壓，使測溫口測得的 溫度為50°C，然后重復c9-cll的操作。
[0061 ]本實用新型的有益效果是：
[0062]本實用新型通過模擬人工開發利用地熱資源誘發的溫度場、水化學場的變化， [0063]第一、可以研究分析地熱開采對地熱田水質和水溫的影響，從而指導地熱田的合 理開發利用；
[0064]第二、可以模擬反演地熱田內部系統發生的水文地球化學作用；
[0065] 第三、可以揭示不同的回灌率對地熱田地下水動力場、水化學場、溫度場的影響； [0066]第四、可以用于教育教學。
【附圖說明】
[0067]圖1為本模擬裝置的結構示意圖；
[0068] 圖2為本模擬裝置中第一滲流柱的結構示意圖；
[0069] 圖3為本模擬裝置中第二滲流柱的結構示意圖；
[0070] 圖4為圖3中A部分的放大結構示意圖。
[0071 ]圖中：1-第一供水瓶，11-第一流量計，2-第二供水瓶，21-第二流量計，3-溢流瓶， 31-第三流量計，4-第一滲流柱，41-第一取水口，42-第二取水口，43-第三取水口，44-溢流 口，45-巖溶水入口，5-第二滲流柱，51-第四取水口，511-第四流量計，52-第五取水口，521-第五流量計，53-出水口，531-第六流量計，54-第一密封塞，61-加熱絲，62-保溫層，63-測溫 口，631-溫度計，632-第二密封塞，7-窄口瓶，81-砂質粉土層，82-石灰巖層，9-閥門，10-測 壓管。
【具體實施方式】
[0072]如圖1所示，所述的一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置包括供水部、水頭控 制部、滲流部、取水部和流體加熱部。
[0073]所述的供水部包括第一供水瓶1和第二供水瓶2,所述的第一供水瓶1內裝有雨水， 用于模擬遠處降水入滲，且所述第一供水瓶1的下部設置有出水管，所述出水管上設置有閥 門9.所述第二供水瓶2內裝有巖溶水，用于供給地下巖溶水，且所述第二供水瓶2的下部設 置有出水管，所述出水管上設置有閥門9。
[0074]所述的滲流部包括用于模擬潛水流動系統的第一滲流柱4和用于模擬承壓水流動 系統的第二滲流柱5,如圖1所示，所述第一滲流柱4內的潛水與第二滲流柱5內的承壓水的 水位差為AH，所述的AH的值為50mm。所述的第一滲流柱4和第二滲流柱5均呈上端開口下 端封閉的圓柱體筒狀結構，如圖2所示，所述的第一滲流柱的直徑為D1，高度為H1，所述D1的 值為300mm，所述H1的值為1500mm;所述的第二滲流柱的直徑為D2,高度為H2,所述D2的值為 300mm，所述H2的值為1500mm。優選的，所述的第一滲流柱4和第二滲流柱5均采用有機玻璃 制備而成。如圖1所示，所述的第一滲流柱4和第二滲流柱5的底部通過直徑為10_的管道連 通，且二者之間的水平距離為L，所述L的值為1000mm。所述第一滲流柱4為敞口設置，在所述 的第一滲流柱4內，上部填充有厚度為50mm的砂質粉土層81，模擬第四系地層，下部填充有 石灰巖層82,模擬灰巖地層。所述的供水部分別通過第一供水瓶1和第二供水瓶2向第一滲 流柱4內供給雨水和巖溶水，其中由第一供水瓶供1給的雨水從第一滲流柱4的頂部開口處 流入第一滲流柱4內，模擬遠處降水入滲，由第二供水瓶2供給的巖溶水從第一滲流柱4上部 的巖溶水入口 45流入，所述巖溶水入口 45與管口之間的距離為h4，所述h4的取值為300mm。 所述第二滲流柱5為封閉設置，如圖1所示，其頂部開口處設置有第一密封塞54。在所述第二 滲流柱5內，填充有石灰巖層82，模擬灰巖地層，所述第二滲流柱5的上端設置有出水口 53， 所述出水口上設置有閥門9和第六流量計531，為了方便測定出水口的水頭，所述的出水口 53上還通過三通并聯有測壓管10,進一步地，所述的測壓管10采用醫用軟管制作而成。這樣 分別由第一供水瓶1和第二供水瓶2提供的雨水和巖溶水從開放體系的第一滲流柱4的上部 流入，依次流經模擬第四系地層的砂質粉土層81和模擬灰巖地層的石灰巖層82,然后通過 連接第一滲流柱4和第二滲流柱5底部的管道從第二滲流柱5的下端進入到第二滲流柱5,由 于第二滲流柱5的上端是封閉的，且所述第二滲流柱5內的承壓水水位要低于第一滲流柱4 內潛水水位，因此在水位差AH的作用下，供試液會經過石灰巖層82從設置于第二滲流柱5 上部的出水口53流出，然后通過設置于出水口53下方的窄口瓶7對流出的供試液進行收集 采樣，并通過設置于出水口 53的測壓管10測定出水口 53處的水頭。所述的窄口瓶7上設置有 刻度，不僅可以減少供試液的蒸發，還可以及時的讀取水量值，從而保證實驗數據的準確 性。
[0075]所述滲流部的下端設置有模擬地熱源的流體加熱部，如圖1和圖3所示，所述的流 體加熱部包括加熱絲61，所述加熱絲61纏繞在所述第一滲流柱4底部與第二滲流柱5底部之 間的管道上，并向第二滲流柱5底部延伸，然后圍著所述第二滲流柱5向上纏繞，如圖3所示， 所述第二滲流柱5底部的加熱絲61的纏繞高度為h8,所述h8的取值為200mm。為了模擬地層 的保溫作用，所述的設置于第二滲流柱5底部的加熱絲61的外側包覆有保溫層62。優選的， 所述的加熱絲61采用3K硅膠碳纖維發熱線，所述的保溫層62采用石棉材料，所述的加熱絲 61的工作電壓可調。為了能夠實時觀測模擬地熱源的流體加熱部的溫度，所述的第二滲流 柱5的底部設置有測溫口 63，所述測溫口 63的開口端通過第二密封塞632密封，所述第二密 封塞632上設置有溫度計631，所述溫度計631的測溫端插入到測溫口 63的滲出液中。
[0076]為了保證供水的水頭恒定，所述的一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置還設 置有水頭控制部，所述的水頭控制部包括溢流瓶3,所述的第一滲流柱1的頂端設置有溢流 口 44，且所述溢流口 44設置于砂質粉土層81的上方，在實驗過程中，始終保持雨水的供給處 于供大于求的狀態，這樣通過第一供水瓶1流入到第一滲流柱4內的多余的雨水會通過溢流 口 44經管道流入到溢流瓶3內，從而保證供水的水頭恒定。
[0077]為了揭示地熱田地下水動力場、水化學場、溫度場的變化，所述的一種熱傳導型地 熱田開發與保護模擬裝置還設置有取水部，以便在供試液在流經模擬潛水流動系統的第一 滲流柱4和模擬承壓水流動系統的第二滲流柱2的過程中，進行采樣，分析流經不同距離時 供試液的水溫及理化特征，從而為揭示地熱田地下水動力場、水化學場、溫度場的變化提供 實驗依據。所述的取水部包括第一取水口 41、第二取水口 42、第三取水口 43、第四取水口 51 和第五取水口 52，且所述第一取水口 41、第二取水口 42、第三取水口 43、第四取水口 51和第 五取水口 52上均設置有閥門9。如圖2所示，所述第一取水口 41、第二取水口 42和第三取水口 43從上到下依次設置于第一滲流柱4的側壁上，所述第一取水口 41與巖溶水入口之間的距 離為hi，第一取水口 41與第二取水口 42之間的距離為h2，第二取水口 42與第三取水口 43之 間的距離為h3，所述hi的取值為200mm，所述h2的取值為400mm，所述h3的取值為400mm。所 述的第四取水口 51和第五取水口 52從下到上依次設置于第二滲流柱5的側壁上，且所述的 第四取水口 51和第五取水口 52同側設置于出水口 53的下方，所述出水口與管口之間的距離 為h5,出水口與第五取水口之間的距離為h6,第五取水口與第四取水口之間的距離為h7,所 述h5的取值為50mm-100mm，所述h6的取值為400mm，所述h7的取值為400mm。為了模擬不同深 度的地熱開采，所述的設置于第二滲流柱上的第四取水口、第五取水口和出水口上均設置 分別設置有第四流量計511、第五流量計521和第六流量計531。進一步地，為了測試各取水 口的水頭，所述的第一取水口 41、第二取水口 42、第三取水口 43、第四取水口 51和第五取水 口 52均通過三通并連有測壓管10,進一步地，所述測壓管10采用醫用軟管制作而成。
[0078]為了模擬不同回灌率對地熱田水溫、水化學場和水動力場的影響，所述的第一供 水瓶1的出水管上設置有第一流量計11，所述的第二供水瓶2的出水管上設置有第二流量計 21，所述的連接溢流口的管道上設置有第三流量計31。這樣就可以通過控制供水部的流量， 進而控制供試液中雨水和巖溶水的比例。
[0079] 一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬方法包括以下幾個步驟：
[0080]第一步，制備供試水樣和滲流介質，具體操作如下：
[00811 al、將砂質粉土和石灰巖分別烘干，然后分別將砂質粉土和石灰巖敲擊破碎至粒 徑〈0.2cm(目的是增大水-巖接觸的表面積），然后分別對其稱重，然后將烘干后的石灰巖和 砂質粉土先后依次裝填到第一滲流柱內，將石灰巖填裝到第二滲流柱內；
[0082] a2、將雨水和巖溶水分別用0.45um微孔濾膜過濾除雜。
[0083]第二步，按照圖1所示的模擬裝置結構示意圖，組裝實驗裝置，并測定滲流柱的內 徑。
[0084]第三步，打開第二供水瓶的閥門，使供水部持續向第一滲流柱內供水，直至第一 滲流柱和第二滲流柱均達到飽和狀態。
[0085]第四步，調整加熱絲的工作電壓，使測溫口測得的溫度為30°C。
[0086]第五步，打開第一供水瓶和第二供水瓶的閥門，調整雨水與巖溶水的供水比例，具 體操作如下：
[0087] bl、讀取第一流量計的讀數記為A1，第二流量計的讀數記為A2,第三流量計的讀數 記為A3，且第三流量計的讀數A3不能為零；
[0088] 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(Al-A3)/A2 = 3/5 〇
[0089] 第六步，關閉所有取水口的閥門，使流經滲流柱的供試液只能從第二滲流柱上端 的出水口流出，待該出水口流量穩定后根據需要對供試液進行取樣和檢測，具體操作如下：
[0090] cl、保持所有取水口的閥門為關閉的狀態，每隔4小時通過窄口瓶上的刻度讀取滲 出水的體積和水頭，并測定滲出水的電導率、溫度、PH值，測定硝酸根、硫酸根、氯離子、重碳 酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，讀取測溫口的溫度計的示數，并記錄；
[0091] c2、按照雨水與巖溶水比例為3/5的比例配制供試水樣，并測定供試水樣的硝酸 根、硫酸根、氯離子、重碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，并記錄；
[0092] c3、依次打開第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口和第五取水口的 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n，水樣m，水樣iv 和水樣V，記錄取樣時間；
[0093] C4、分別測定c3中所取水樣的電導率、溫度、PH值，測定硝酸根、硫酸根、氯離子、重 碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，讀取測溫口的溫度計的示數，并記錄；
[0094] c5、調整雨水與巖溶水比例為1/2,然后重復cl_c4的操作；
[0095] c6、調整雨水與巖溶水比例為2/5,然后重復cl_c4的操作；
[0096] c7、調整雨水與巖溶水比例為3/10,然后重復cl_c4的操作；
[0097] c8、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4小時記錄 一次滲出體積；
[0098] c9、打開第四取水口的閥門，并保持第四取水口的閥門為常開狀態，其余取水口以 及出水口為關閉狀態，設定第四取水口的流量分別為Ql、Q2和Q3，并測定第四取水口流量分 別為Ql、Q2和Q3時，各個取水口以及出水口的水頭、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、鎂離子的離子濃度，讀取測溫口的溫度計的示數，并記 錄；
[0099] clO、打開第五取水口的閥門，并保持第五取水口的閥門為常開狀態，其余取水口 以及出水口為關閉狀態，設定第五取水口的流量分別為Ql、Q2和Q3，并測定第五取水口流量 分別為Ql、Q2和Q3時，各個取水口以及出水口的水頭、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、鎂離子的離子濃度，讀取測溫口的溫度計的示數，并 記錄；
[0100] cll、打開出水口的閥門，并保持出水口的閥門為常開狀態，各個取水口為關閉狀 態，設定出水口的流量分別為Ql、Q2和Q3，并測定出水口流量分別為Ql、Q2和Q3時，各個取水 口以及出水口的水頭、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、鎂離子的離子濃度，讀取測溫口的溫度計的示數，并記錄；
[0101] cl2、為了模擬更深的開采深度，調整加熱絲的工作電壓，使測溫口測得的溫度為 40°C，然后重復c9-cll的操作；
[0102] cl3、為了進一步模擬更深的開采深度，調整加熱絲的工作電壓，使測溫口測得的 溫度為50°C，然后重復c9-cll的操作。
[0103]第七步，對實驗數據進行分析
[0104] dl、計算不同時間的石灰巖的滲透系數K
[0105]由達西公式
，可推導出.
[0106] 式中，Q為出水口滲流量(m3/s);
[0107] A為過流斷面面積(m2);
[0108] &11為水頭差(111);
[0109] L為供試液流經距離(m);
[0110] 通過步驟c8可計算每個時間段第三取水口的滲流量Q和水頭差A H，通過第二步所 測得的滲流柱的內徑可計算過流斷面面積A，通過量取巖樣上表面到第三取水口之間的距 離可以得到供試液流經距離L，這樣通過上述數據便可計算滲透系數。
[0111] d2、根據步驟〇1、(：5、(36、(37得到的滲出水的電導率、溫度和步驟(11得到的不同時間 的石灰巖的滲透系數，繪制滲透系數、電導率、水溫歷時關系曲線。
[0112] d3、根據步驟(31、(35、(：6、(37得到的不同時間的滲出水中硝酸根、硫酸根、氯離子、重 碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度和步驟c2得到的供試水樣中硝酸根、硫酸根、氯 離子、重碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，繪制離子濃度歷時變化曲線。
[0113] d4、根據步驟(31、(35、(：6、(37得到的不同時間的滲出水中硝酸根、硫酸根、氯離子、重 碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，通過phreeqc模擬軟件模擬供試液在流經滲流 柱時隨時間所發生的的水文地球化學作用。
[0114] d5、根據步驟c3、c4、c5、c6、c7得到的不同取水口處的滲出水中硝酸根、硫酸根、氯 離子、重碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，通過phreeqc模擬軟件反演供試液在 分別流經第一滲流柱和第二滲流柱的過程中所發生的水文地球化學作用。
[0115] d6、根據步驟〇1、(：5、(36、(37得到的不同時間的滲出水中硝酸根、硫酸根、氯離子、 重碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，通過分析軟件分析得到Piper三線圖和離子 毫克當量與礦化度相關性曲線圖，從而為分析成因提供依據。
[0116] d7、計算彌散系數Dl
[0117]彌散系數的計算公式為
[0119] 式中，x為供試液在柱體中運移的距離m;
[0120] U為C/Co為0.5時對應的滲流速度m/s;
[0121] to. 1587，to.84i3 分別為 C/Co為0.1587,0.8413 時對應的時間s;
[0122] d8、根據步驟〇9、(310、(311、(：12和(313得到的不同開采深度下的各個取水口處的滲 出水的電導率、溫度和PH值，繪制在相同開采深度下電導率、溫度和PH值隨流量(模擬開采 量)的變化曲線，以及在相同的流量(模擬開采量)下電導率、溫度和PH值隨開采深度的變化 曲線；
[0123] d9、根據步驟〇9、(310、(311、(：12和(313得到的不同開采深度下各個取水口處的滲出 水中硝酸根、硫酸根、氯離子、重碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子的離子濃度，通過phreeqc 模擬軟件反演在不同的開采條件下，供試液在分別流經第一滲流柱和第二滲流柱的過程中 所發生的的水文地球化學作用；
[0124] dlO、根據步驟cl_cl3得到的不同開采深度下各個取水口處的滲出水溫度，可以計 算地熱田的地溫梯度。
[0126] 式中，L為承壓柱體任意兩個出水口的距離（100m);
[0127] 1^為承壓柱體上兩出水口中位于下方的出水口的水溫（°C);
[0128] Tt為承壓柱體上兩出水口中位于上方的出水口的水溫（°C);
[0129] 第八步，根據第七步對數據的分析進一步探討分析，
[0130] (1)、不同的地熱開采條件對水質和水溫的影響；
[0131] (2)、地熱田系統的水文地球化學作用；
[0132] (3)、不同的回灌率對地熱田系統地下水動力場、溫度場和水化學場的影響。
【主權項】
1. 一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置，其特征在于： 包括供水部、水頭控制部、滲流部和流體加熱部； 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； 盛放在所述第一供水瓶內的供試液為雨水，盛放在所述第二供水瓶內的供試液為巖溶 水； 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； 所述第一滲流柱的水平高度高于第二滲流柱； 所述第一滲流柱內自上而下依次為砂質粉土層和石灰巖層，所述第二滲流柱內填充的 滲流介質為石灰巖； 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； 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； 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 P； 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、第五取水口和出水口； 所述第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口、第五取水口和出水口上均分 別設置有閥門和測壓管，其中所述第四取水口、第五取水口和出水口上還分別設置有第四 流量計、第五流量計和第六流量計； 所述流體加熱部包括設置于所述第一滲流柱和第二滲流柱的底部的連通管道以及第 二滲流柱的下部的加熱絲，設置于第二滲流柱下部的所述加熱絲的外部包覆有保溫層； 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； 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； 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。2. 根據權利要求1所述的一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置，其特征在于:所述 的第一滲流柱的高度均為1500mm，直徑為300mm，所述第二滲流柱的高度為1500mm，直徑為 300mm； 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; 所述巖溶水入口與第一滲流柱的管口之間的距離為300mm; 所述第一取水口與巖溶水入口之間的距離為200mm; 所述第一取水口與第二取水口之間的距離為400mm; 所述第二取水口與第三取水口之間的距離為400mm; 所述出水口與第二滲流柱的管口之間的距離為50mm-100mm; 所述出水口與第五取水口之間的距離為400mm; 所述第五取水口與第四取水口之間的距離為400mm; 所述砂質粉土層的厚度為50mm; 所述第二滲流柱下部的加熱絲纏繞高度為200mm; 所述連通第一滲流柱底部和第二滲流柱底部的管道直徑為10mm。3. 根據權利要求1所述的一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置，其特征在于:所述 第一滲流柱內的水位比第二滲流柱內的水位高50mm。4. 根據權利要求1所述的一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置，其特征在于:所述 第一滲流柱和第二滲流柱為透明的有機玻璃材質。5. 根據權利要求1所述的一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置，其特征在于:所述 測壓管采用醫用軟管制作而成。6. 根據權利要求1所述的一種熱傳導型地熱田開發與保護模擬裝置，其特征在于:所述 加熱絲采用硅膠碳纖維發熱線，所述保溫層采用石棉材料制作而成。
【文檔編號】G01D21/02GK205561895SQ201620018374
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年1月8日
【發明人】邢立亭, 張鳳娟, 邢學睿, 趙振華
【申請人】濟南大學