多功能地下水力模型设计及其试验研究

吴浩群　李志刚　崔燕　孙晓宇　吴昊昊　刘丽红　柴辉蝉

摘  要：实验室现有的渗透系数测定仪器，无论是定水头达西装置，还是变水头达西装置，仅能一次测定一种含水层介质，工作效率低;传统的井流模拟装置设计中不能真实地反映地下水流场的特点以及无限空间的含水层特性，使得现有理论公式不能满足其要求。为解决传统渗透系数测定工作效率低和传统井流装置的缺陷问题，本作品提供了一种多功能地下水力模型设计装置。多功能地下水力模型主要由控制井流边界水位的给水箱、填充四种介质的含水层系统、补给边界和透水边界的双层圆柱、水位与流量观测系统和降雨系统等组成。利用多功能地下水力模型装置，可模拟河流间地下水潜水的运动规律、不同介质潜水含水层潜水运动对比试验研究、模拟不同介质潜水含水层抽水试验对比试验研究、模拟在不同介质含水层参数获取试验研究。该模型可开展不同条件下地下水动力学试验研究，且采用自动化数据采集系统，能快速准确获取地下水动态变化信息，从而为精准揭示地下水的动态演化规律、对比分析非均质含水层渗透性与水位、流量之间变化关系提供了快速有效的模型装置，从而为研究实际地下水问题提供了有力模拟工具。

关键词：多功能水力模型;非均质含水层;地下水运动;自动化数据采集

1.设计背景

我国地下水不合理开采引起的地面沉降、地裂缝、地下水污染等，这些环境地质问题大都与非均质松散含水层环境有关。因此，研究含水层特性，对于弄清楚沉降机理、科学开采地下水资源具有十分重要的理论与实际意义。

而目前，实验室现有的水力实验装置大都是一次试验过程只研究一种含水介质的相关特性，工作量大，工作效率低。常规的含水层的渗透系数测定仪器，无论是定水头达西装置，还是变水头达西装置，仅能一次测量一种含水层介质。

同时，传统的井流模拟装置设计，利用井流模型的对称性，设计了圆弧型井流试验装置，主体部分一般采用单个扇形的模拟槽，不能真实地反映地下水流场的特点以及无限空间的含水层特性，因而参数存在较大误差，使得现有理论公式不能满足其要求;模拟槽在实验中无法同时获取不同介质的水文地质参数，工作效率低，实际对比性差;

因此，设计一种边界补给条件可控，内部可充填不同介质，且能同时获得不同种介质的含水层参数的地下水井流模拟装置十分必要。

2.设计思路与原理

2.1设计依据

① 依据地下水渗流原理，从潜水渗流和井流运动特性设计进、出水孔口尺寸;

② 考虑到自然条件下大气降水入渗补给，拟设计降水入渗均匀的降水管;

③ 依地下水径流特征，不同径向断面流量相等，设计圆柱孔径大小;

④ 考虑含水层自由水面与隔水底板水平、无限空间含水层结构设计边界条件;

⑤ 依地下水力模型尺寸，设计排泄井径、观测孔间距。

2.2  模型结构设计

本模型按照由水位控制系统、非均质含水层系统、数据观测与采集系统、显示系统和降雨系统等五个模块进行设计，分述如下：

2.2.1 水位控制系统

水位控制系统通过控制水泵、给水箱高度、抽水井阀门来控制进出边界

2.2.2 非均质含水层系统

非均质含水层系统为装有不同砂样的含水层和边界补给水源的圆柱形容器，如图4所示。该容器外侧为密封的圆柱，内侧为带缠丝的孔状圆柱，中间为抽水井，容器底部除进水孔和出水孔外，还有两排呈十字形交叉分布的测压孔。

2.2.3 数据观测与采集系统

数据观测与采集分为地下水位采集系统以及流量采集系统，主要由观测孔、连接管、水位传感器、集线器、数字式流量计等组成。

3.模型功能

本装置可以进行多方面的物理实验研究：

1、模拟有（无）大气降水条件下河流间潜水的运动规律;

2、模拟不同介质潜水含水层在有（无）大气降水过程潜水运动对比试验研究;

3、模拟不同介质潜水含水层在有（无）大气降水下抽水试验对比试验研究;

4、模拟在不同介质潜水含水层抽水试验过程，及含水层参数获取试验研究。

4.模型试验

以非均质潜水含水层条件为例，利用模型模拟进行综合试验研究。本次基于多功能地下水力模型设计试验，总体分为两大试验过程，非均质潜水含水层抽水试验和非均质潜水含水层地下水动态演化过程试验。

4.1试验过程

试验前，按照潜水含水层条件，将不同含水介质（粗砂、中砂、细砂、粉砂）放入隔板分隔的部分，然后开启潜水泵将砂样中的空气排净。完成非均质含水层的填充。具体试验如下：

4.1.1非均质潜水含水层抽水试验

接通电源，关闭抽水井排水管道阀门，调节溢流槽高度，控制模型的边界水位，使溢流槽的水位略低于含水层，然后开启潜水泵，向砂样缓缓进水，在砂样体都呈现出饱水状态后，点击电脑软件“开始记录”，打开排水管道阀门，开始放水（模拟抽水过程），水流通过数字式流量计记录实时流量数据。同时，利用水位观测系统实时记录不同位置测压孔的水压数据，待水位稳定后，同时关闭潜水泵和抽水井管道阀门，开始回水，等到水位再次稳定，终止试验。重复以上过程4-5次。

4.1.2非均质潜水含水层地下水动态演化过程试验

接通电源，调节溢流槽高度，控制模型的边界水位，使溢流槽的水位略低于含水层。然后开启潜水泵，向砂样缓缓进水，整个试验过程中，抽水井底部、进水系统以及降雨系统阀门一直都是开启状态，连接水泵的管道上各有一个阀门，抽水井底部管道也有一个阀门，该试验就是通过阀门的控制来适当控制降雨量的大小和水流的大小进而控制水位，从而研究这一试验过程。阀门状态调好的同时点击电脑软件“开始记录”，水位观测系统实时记录此过程不同位置测压孔的水压数据，待水位稳定后，终止试验。重复以上过程4-5次。然后对试验结果进行分析。

4.2结果分析

4.2.1非均质潜水含水层抽水试验

抽水试验分为两个阶段，抽水阶段和恢复阶段，当抽水井阀门打开时，水位开始下降，阀门关闭，水位迅速上升。通过传感器和流量采集的数据进行分析，绘制出不同阶段的地下水位等值线图（图11），在抽水试验过程中，漏斗的形状体现了含水层的非均质，地下水水位降落漏斗空间上呈椭圆形而非对称的圆形。

按照介质渗透性从大到小对含水介质进行编号，从含水层1到含水层4，填充其中的砂样由粗变细。通过地下水漏斗的变化获得四个含水层水位动态变化数据，利用AquiferTest计算其非均质含水层参数，如表2所示。

5.创新特色

（1）可单次模拟多种砂样试验，测量各砂样参数，提高工作效率;

（2）可模拟多种自然条件下有无降水、非均质含水层对补给、排泄现象的研究;

（3）单次试验可获得数据量大，精确度高，实现了自动化数据采集、传输和观测。

6.应用前景

（1）模型可开展多种条件下地下水力试验研究，获得非均质含水层各种参数，揭示其动态演化过程，为地面沉降预测、水量预测等相关研究提供重要试验基础;

（2）可为地下水科学的研究及试验教学提供了一种高效便捷的方法与手段。

参考文献

[1]  薛禹群，朱学愚.地下水动力学[M].北京：地质出版社l，1997.

[2]  陈崇希，林敏.地下水动力学[M].武汉：中国地质大学出版社，1999：116- 140.

[3]  王大純，张人权.水文地质学基础[M].北京：地质出版社，1995：36 -43.

作者简介：吴浩群，男，安徽省安庆市，1999.3，水文与水资源工程，安徽理工大学。