一維非達西徑向抽水模擬實驗

劉毅

摘 要：文章通過不同取水條件下一維滲流場室內模擬試驗，分別改變表面水層水位、含水層結構、豎井降深等條件，分析各要素對取水量的影響變化。實驗結果表明：當垂向入滲速率小于含水介質的飽和滲透系數而難以維持飽和流運動時，部分介質開始由飽和狀態轉變為非飽和狀態，地下水水位降低導致表層水與地下水脫節，從而形成非飽和帶。且表水層水位越高，相應的取水量越大，越不易出現非飽和帶，運行時間更長；含水層上部存在弱透水層時，相同豎井降深情況下，對應取水量小于不存在弱透水層的情況；飽和取水的條件下，由含水層下部取水，豎井降深越大，相應的取水量越大，但隨著豎井降深的增大，含水層內部出現非飽和帶，相應的取水量呈下降趨勢，二者呈線性關系。

關鍵詞：區域地下水流；非飽和帶；土柱實驗；豎井降深

中圖分類號：TV131 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0010-03

Abstract： Through the laboratory simulation test of one-dimensional seepage field under different water intake conditions， such as surface water level， aquifer structure， shaft depth and so on， the paper analyzes the influence of each factor on the water intake. The experimental results show that when the vertical infiltration rate is smaller than the saturated permeability coefficient of the aqueous medium， it is difficult to maintain the saturated flow movement， and the partial medium begins to change from the saturated state to the unsaturated state. The decrease of groundwater level leads to the disconnection between surface water and groundwater， thus forming unsaturated zone. The higher the water level， the larger the water intake， the more difficult the unsaturated zone is， and the longer the running time is. When there is a weak permeable layer in the upper part of the aquifer， the corresponding water intake is less than that of the weak permeable layer under the condition of the same shaft depth reduction. Under the condition of saturated water intake， the lower the aquifer is， the greater the depth of the shaft is， and the larger the corresponding water intake is， but with the increase of the depth of the shaft， the unsaturated zone appears in the aquifer， and the corresponding amount of water intake tends to decrease. There is a linear relationship between them.

Keywords： regional underground current； unsaturated zone； soil column experiment； depth reduction for shaft

引言

區域地下水流研究理論已廣泛應用于傍河取水、河渠間地下水運動、繞壩滲流等一系列工程問題中。然而在滲濾取水過程中，當取水井設置于河床下部時，傳統區域地下水流研究理論將不再適用，為進一步完善區域地下水流研究理論，對此類地下水運動原理進行研究便極具意義。

自Theis（1935）建立了非承壓含水蓋層的非穩定流方程，針對非飽和滲流的研究逐漸深入，通過理論結合實驗的方法，開展了一系列的研究。Peck，A（1965）建立了豎向兩層砂柱模型，中砂上層由一層玻璃珠覆蓋，研究發現通過某種方法計算獲得的玻璃珠的進氣值明顯低于均質砂柱的；De Veries et al.（1979）開展了兩種不同粒徑的河砂和玻璃球的滲流實驗，得出不同介質滲流過程中水力梯度和滲透流速之間的關系；李俊亭（1990）等利用砂槽實驗研究了地下水與河水脫節時臨界水力坡度及其影響因素，獲得了實驗尺度下臨界水力坡度與河水深度之間的經驗公式；劉國東等（1997）通過砂槽實驗和計算機數值模擬，發現傍河強采地下水在開采強度增大的情況下，地下水與河水將失去飽和水力聯系，產生脫節，其脫節的起始點不在河床面而位于河床下據河床面一定的含水層內部；Yamada et al.（2005）在一個可以調整傾斜度的條形水槽中進行多孔介質的滲流實驗，通過調整水槽的傾斜度來改變水力梯度，并根據實驗分析發生非達西現象時水力梯度和滲透流速之間的關系； Kuang et al.（2011）建立了砂柱模型，中砂上部由一層均質細砂覆蓋。排水過程中在砂柱的非飽和帶觀察到了明顯的負的空氣壓力，并且在大多數排水過程中累計出水量明顯低于均質砂柱中產生的。鄭羽良（2013）通過18種滲流井取水砂槽試驗方案，總結了影響模擬試驗滲流井取水的主要因素及滲流場特征，利用改進滲流井取水計算模型，對砂槽物理模擬試驗進行了數值模擬，通過擬合滲流井出水量，反演了試驗中含水層的滲透系數以及河流滲漏補給能力C值，從而檢驗改進了滲流井取水計算模型。靳孟貴（2017）對脫節型河流與地下水相互作用研究進展作了分析研究，在簡要分析河流與地下水關系的基礎上，綜述了河流與含水層之間的飽和連接，經過渡脫節，演化為完全脫節系統的物理過程及機理和脫節系統形成的必要條件。endprint

上述研究成果對區域地下水的認識與深入作出了較大貢獻，但對于含水層下部取水模式研究比較少。為此本文開展了一維滲流場室內模擬實驗，旨在探究含水層下部取水過程中，探究各因素（改變表面水層水位、含水層結構以及豎井降深）對取水量影響的基本規律。進而分析其內部原因。本文研究意義在于豐富完善區域地下水流理論，為類似滲濾取水等實踐工程提供理論技術支持。

1 實驗設計

1.1 試驗裝置

本實驗裝置由柱體高100cm，外徑20cm，厚5mm的有機玻璃柱、內徑2.5cm的PVC集水豎井組成。有機玻璃柱左側開設三個10cm等間距孔徑為1cm的溢流口，保證試驗過程中在需求水位上始終有水流出，用于控制表面水層水位為定值，高度分別為70cm、80cm、90cm，通過膠管將溢出水流排向集水池。在砂柱側壁開設測壓觀測孔并安裝測壓管，以測量取水過程中砂柱內水頭變化及分布情況。玻璃柱底部中心開設一直徑2.5cm的取水孔，向下延伸長度10cm，經由水平PVC管與豎井相連，水平PVC管末端安裝取水閥門，試驗過程中根據試驗需要不同程度打開閥門，以便得到不同豎井降深與取水量。水平管與取水口上部豎直方向距離約10cm，并以水平管底部作為基準面，以便統一讀取試驗中的數據。

1.2 試驗方案

（1）表水層水位高度

試驗通過三個溢流孔控制三組不同表面水層水位高度，每當水位到達指定溢流孔便自行流出，使表面水層水位保持恒定，水位高度分別為70cm、80cm、90cm。通過取水閥門調節取水量來控制豎井降深，觀測各表水層水位條件下取水量變化情況。

（2）含水層結構變化

當表水層水位高度一定，在含水層上部，用無低滲透系數覆蓋層模擬無弱透含水層結構，通過取水閥門調節取水量來控制豎井降深，觀測各表水層水位條件下取水量變化情況；添加低滲透系數覆蓋層模擬弱透水含水層結構，進行上述相同步驟。

（3）豎井降深影響

對以上兩類方案均設計多組降深情況，觀測各降深條件下取水量及流場的變化。

2 試驗結果分析

為減小取水過程中產生的實驗誤差，在測量過程中，采用多頻次，求平均等方法測量取水流量體積，得到實驗數據如表1所示。

實驗結果分析如下：

圖3為不同表層水位下，豎井取水量與降深之間的關系曲線，從圖中可以看出，降深條件一定的情況下，表層水位越大，由于水頭壓力差增大導致取水量變大；表層水位與豎井降深固定的條件下，抽水井取水量在存在弱透水層的情況明顯不存在弱透水層的情況；圖4中表層水位一定的情況下，隨著豎井降深增大，取水量逐漸上升，但增大到某一降深時，取水井流量會呈下降趨勢。

3 結論

本文選取了多個控制因素進行一維下部取水滲流實驗，并通過分析表水層水位、含水層結構、豎井降深與取水量的關系，探尋了含水層下部取水條件下的基本規律，得出以下結論：

（1）當垂向入滲速率小于含水介質的飽和滲透系數而難以維持飽和流運動時，部分介質開始由飽和狀態轉變為非飽和狀態。地下水水位降低導致表層水與地下水脫節，從而形成非飽和帶。當表水層水位越高，相應的取水量越大，越不易出現非飽和帶，運行時間更長。

（2）當含水層上部存在弱透水層時，相同豎井降深情況下，對應取水量小于不存在弱透水層的情況。

（3）在飽和取水的條件下，由含水層下部取水，豎井降深越大，相應的取水量越大，但隨著豎井降深的增大，含水層內部出現非飽和帶，相應的取水量呈下降趨勢，二者呈線性關系，根據試驗結果可用擬合方程Q=-0.1137S2+17.351S-321.69表示，R2=0.8464，R2>0.8，擬合效果較好。

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