多功能地下水力模型設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)研究

吳浩群　李志剛　崔燕　孫曉宇　吳昊昊　劉麗紅　柴輝蟬

摘? 要：實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的滲透系數(shù)測(cè)定儀器，無論是定水頭達(dá)西裝置，還是變水頭達(dá)西裝置，僅能一次測(cè)定一種含水層介質(zhì)，工作效率低;傳統(tǒng)的井流模擬裝置設(shè)計(jì)中不能真實(shí)地反映地下水流場(chǎng)的特點(diǎn)以及無限空間的含水層特性，使得現(xiàn)有理論公式不能滿足其要求。為解決傳統(tǒng)滲透系數(shù)測(cè)定工作效率低和傳統(tǒng)井流裝置的缺陷問題，本作品提供了一種多功能地下水力模型設(shè)計(jì)裝置。多功能地下水力模型主要由控制井流邊界水位的給水箱、填充四種介質(zhì)的含水層系統(tǒng)、補(bǔ)給邊界和透水邊界的雙層圓柱、水位與流量觀測(cè)系統(tǒng)和降雨系統(tǒng)等組成。利用多功能地下水力模型裝置，可模擬河流間地下水潛水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、不同介質(zhì)潛水含水層潛水運(yùn)動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)研究、模擬不同介質(zhì)潛水含水層抽水試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)研究、模擬在不同介質(zhì)含水層參數(shù)獲取試驗(yàn)研究。該模型可開展不同條件下地下水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究，且采用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能快速準(zhǔn)確獲取地下水動(dòng)態(tài)變化信息，從而為精準(zhǔn)揭示地下水的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律、對(duì)比分析非均質(zhì)含水層滲透性與水位、流量之間變化關(guān)系提供了快速有效的模型裝置，從而為研究實(shí)際地下水問題提供了有力模擬工具。

關(guān)鍵詞：多功能水力模型;非均質(zhì)含水層;地下水運(yùn)動(dòng);自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集

1.設(shè)計(jì)背景

我國(guó)地下水不合理開采引起的地面沉降、地裂縫、地下水污染等，這些環(huán)境地質(zhì)問題大都與非均質(zhì)松散含水層環(huán)境有關(guān)。因此，研究含水層特性，對(duì)于弄清楚沉降機(jī)理、科學(xué)開采地下水資源具有十分重要的理論與實(shí)際意義。

而目前，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的水力實(shí)驗(yàn)裝置大都是一次試驗(yàn)過程只研究一種含水介質(zhì)的相關(guān)特性，工作量大，工作效率低。常規(guī)的含水層的滲透系數(shù)測(cè)定儀器，無論是定水頭達(dá)西裝置，還是變水頭達(dá)西裝置，僅能一次測(cè)量一種含水層介質(zhì)。

同時(shí)，傳統(tǒng)的井流模擬裝置設(shè)計(jì)，利用井流模型的對(duì)稱性，設(shè)計(jì)了圓弧型井流試驗(yàn)裝置，主體部分一般采用單個(gè)扇形的模擬槽，不能真實(shí)地反映地下水流場(chǎng)的特點(diǎn)以及無限空間的含水層特性，因而參數(shù)存在較大誤差，使得現(xiàn)有理論公式不能滿足其要求;模擬槽在實(shí)驗(yàn)中無法同時(shí)獲取不同介質(zhì)的水文地質(zhì)參數(shù)，工作效率低，實(shí)際對(duì)比性差;

因此，設(shè)計(jì)一種邊界補(bǔ)給條件可控，內(nèi)部可充填不同介質(zhì)，且能同時(shí)獲得不同種介質(zhì)的含水層參數(shù)的地下水井流模擬裝置十分必要。

2.設(shè)計(jì)思路與原理

2.1設(shè)計(jì)依據(jù)

① 依據(jù)地下水滲流原理，從潛水滲流和井流運(yùn)動(dòng)特性設(shè)計(jì)進(jìn)、出水孔口尺寸;

② 考慮到自然條件下大氣降水入滲補(bǔ)給，擬設(shè)計(jì)降水入滲均勻的降水管;

③ 依地下水徑流特征，不同徑向斷面流量相等，設(shè)計(jì)圓柱孔徑大小;

④ 考慮含水層自由水面與隔水底板水平、無限空間含水層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邊界條件;

⑤ 依地下水力模型尺寸，設(shè)計(jì)排泄井徑、觀測(cè)孔間距。

2.2? 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本模型按照由水位控制系統(tǒng)、非均質(zhì)含水層系統(tǒng)、數(shù)據(jù)觀測(cè)與采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和降雨系統(tǒng)等五個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，分述如下：

2.2.1 水位控制系統(tǒng)

水位控制系統(tǒng)通過控制水泵、給水箱高度、抽水井閥門來控制進(jìn)出邊界

2.2.2 非均質(zhì)含水層系統(tǒng)

非均質(zhì)含水層系統(tǒng)為裝有不同砂樣的含水層和邊界補(bǔ)給水源的圓柱形容器，如圖4所示。該容器外側(cè)為密封的圓柱，內(nèi)側(cè)為帶纏絲的孔狀圓柱，中間為抽水井，容器底部除進(jìn)水孔和出水孔外，還有兩排呈十字形交叉分布的測(cè)壓孔。

2.2.3 數(shù)據(jù)觀測(cè)與采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)觀測(cè)與采集分為地下水位采集系統(tǒng)以及流量采集系統(tǒng)，主要由觀測(cè)孔、連接管、水位傳感器、集線器、數(shù)字式流量計(jì)等組成。

3.模型功能

本裝置可以進(jìn)行多方面的物理實(shí)驗(yàn)研究：

1、模擬有（無）大氣降水條件下河流間潛水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;

2、模擬不同介質(zhì)潛水含水層在有（無）大氣降水過程潛水運(yùn)動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)研究;

3、模擬不同介質(zhì)潛水含水層在有（無）大氣降水下抽水試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)研究;

4、模擬在不同介質(zhì)潛水含水層抽水試驗(yàn)過程，及含水層參數(shù)獲取試驗(yàn)研究。

4.模型試驗(yàn)

以非均質(zhì)潛水含水層條件為例，利用模型模擬進(jìn)行綜合試驗(yàn)研究。本次基于多功能地下水力模型設(shè)計(jì)試驗(yàn)，總體分為兩大試驗(yàn)過程，非均質(zhì)潛水含水層抽水試驗(yàn)和非均質(zhì)潛水含水層地下水動(dòng)態(tài)演化過程試驗(yàn)。

4.1試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，按照潛水含水層條件，將不同含水介質(zhì)（粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂）放入隔板分隔的部分，然后開啟潛水泵將砂樣中的空氣排凈。完成非均質(zhì)含水層的填充。具體試驗(yàn)如下：

4.1.1非均質(zhì)潛水含水層抽水試驗(yàn)

接通電源，關(guān)閉抽水井排水管道閥門，調(diào)節(jié)溢流槽高度，控制模型的邊界水位，使溢流槽的水位略低于含水層，然后開啟潛水泵，向砂樣緩緩進(jìn)水，在砂樣體都呈現(xiàn)出飽水狀態(tài)后，點(diǎn)擊電腦軟件“開始記錄”，打開排水管道閥門，開始放水（模擬抽水過程），水流通過數(shù)字式流量計(jì)記錄實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用水位觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄不同位置測(cè)壓孔的水壓數(shù)據(jù)，待水位穩(wěn)定后，同時(shí)關(guān)閉潛水泵和抽水井管道閥門，開始回水，等到水位再次穩(wěn)定，終止試驗(yàn)。重復(fù)以上過程4-5次。

4.1.2非均質(zhì)潛水含水層地下水動(dòng)態(tài)演化過程試驗(yàn)

接通電源，調(diào)節(jié)溢流槽高度，控制模型的邊界水位，使溢流槽的水位略低于含水層。然后開啟潛水泵，向砂樣緩緩進(jìn)水，整個(gè)試驗(yàn)過程中，抽水井底部、進(jìn)水系統(tǒng)以及降雨系統(tǒng)閥門一直都是開啟狀態(tài)，連接水泵的管道上各有一個(gè)閥門，抽水井底部管道也有一個(gè)閥門，該試驗(yàn)就是通過閥門的控制來適當(dāng)控制降雨量的大小和水流的大小進(jìn)而控制水位，從而研究這一試驗(yàn)過程。閥門狀態(tài)調(diào)好的同時(shí)點(diǎn)擊電腦軟件“開始記錄”，水位觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄此過程不同位置測(cè)壓孔的水壓數(shù)據(jù)，待水位穩(wěn)定后，終止試驗(yàn)。重復(fù)以上過程4-5次。然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.2結(jié)果分析

4.2.1非均質(zhì)潛水含水層抽水試驗(yàn)

抽水試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，抽水階段和恢復(fù)階段，當(dāng)抽水井閥門打開時(shí)，水位開始下降，閥門關(guān)閉，水位迅速上升。通過傳感器和流量采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出不同階段的地下水位等值線圖（圖11），在抽水試驗(yàn)過程中，漏斗的形狀體現(xiàn)了含水層的非均質(zhì)，地下水水位降落漏斗空間上呈橢圓形而非對(duì)稱的圓形。

按照介質(zhì)滲透性從大到小對(duì)含水介質(zhì)進(jìn)行編號(hào)，從含水層1到含水層4，填充其中的砂樣由粗變細(xì)。通過地下水漏斗的變化獲得四個(gè)含水層水位動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，利用AquiferTest計(jì)算其非均質(zhì)含水層參數(shù)，如表2所示。

5.創(chuàng)新特色

（1）可單次模擬多種砂樣試驗(yàn)，測(cè)量各砂樣參數(shù)，提高工作效率;

（2）可模擬多種自然條件下有無降水、非均質(zhì)含水層對(duì)補(bǔ)給、排泄現(xiàn)象的研究;

（3）單次試驗(yàn)可獲得數(shù)據(jù)量大，精確度高，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、傳輸和觀測(cè)。

6.應(yīng)用前景

（1）模型可開展多種條件下地下水力試驗(yàn)研究，獲得非均質(zhì)含水層各種參數(shù)，揭示其動(dòng)態(tài)演化過程，為地面沉降預(yù)測(cè)、水量預(yù)測(cè)等相關(guān)研究提供重要試驗(yàn)基礎(chǔ);

（2）可為地下水科學(xué)的研究及試驗(yàn)教學(xué)提供了一種高效便捷的方法與手段。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：吳浩群，男，安徽省安慶市，1999.3，水文與水資源工程，安徽理工大學(xué)。