地下水在三維狀態(tài)下的流速測定

蔣玄葦 王嘉舜 張野

摘 要:地下水實(shí)際流速在地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)價(jià)和治理、水污染及水治理、區(qū)域環(huán)境監(jiān)測評(píng)價(jià)等相關(guān)領(lǐng)域工作中是一個(gè)重要的參數(shù)。本文以在“潛水完整井模擬裝置”測的地下水流速為例,結(jié)合達(dá)西定律計(jì)算的流速對比,表明二者之間存在一定的差異。通過對實(shí)驗(yàn)過程等方面的分析研究,初步分析造成理論流速和實(shí)際流速二者之間差異的原因。

關(guān)鍵詞:滲流潛水完整井模擬裝置達(dá)西定律

中圖分類號(hào):P64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(c)-0096-01

1 前言

滲流是指地下水受重力、毛細(xì)力等作用,在多孔介質(zhì)空隙中滲透運(yùn)動(dòng)[1]。達(dá)西定律一般可以表示為Q=KIω=ωV(ω為過水?dāng)嗝?V為滲流速度),為研究地下水實(shí)際流速引入有效空隙度概念μ=ω''/ω(ω''為重力水可通過的有效孔隙面積)得通過實(shí)際過水?dāng)嗝姒?'的實(shí)際流速u,u=V/μ[2]。

由于水在途中沿空隙流動(dòng)的實(shí)際路徑十分復(fù)雜,在通過實(shí)際過水?dāng)嗝嫘拚笠膊⒎钦嬲牧魉賉3]。在較大水力坡降下,達(dá)西定律都不適用,但是在工程實(shí)用上,由于和整個(gè)流暢相比,這些超出達(dá)西定律的局部區(qū)域通常不大,故一般仍按照達(dá)西定律處理問題[4]。根據(jù)在“潛水完整井模擬裝置”中測得的地下水實(shí)際流速與理論流速相比存在一定的差異。

2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)裝置的邊框是用角鋼焊接而成的,分為上下兩層。上層為地質(zhì)體模擬箱,呈20°的一扇形條塊體(條塊中裝有中等粒徑的石英砂)。即360°的1/18,下層為水循環(huán)調(diào)節(jié)箱,兩端為穩(wěn)定供水系統(tǒng)。地質(zhì)體模擬箱用有機(jī)玻璃封閉,但保持上端開口。并且在地質(zhì)體模擬箱的側(cè)壁安裝有七排測壓裝置,每排分上中下三根測壓管,用于測量不同位置的水頭。

試驗(yàn)裝置相當(dāng)于360°的1/18,即是20°的一扇形條塊體。地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與在360°井中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律相一至,所測得的流量q乘以18可以代表360°井的流量Q,即[5]:

Q=q×18

潛水完整井流量方程:

Q=1.366K

Q為潛水完整井出水量,K為滲流系數(shù),H為潛水含水層厚度,S為井中水位升降,R為降落漏斗的影響半徑,為井半徑。

根據(jù)達(dá)西公式:

Q=Kω=KωI

Q為滲流水量,ω為過水?dāng)嗝?h為水頭損失,L為滲流途徑,I為水力梯度,K為滲透系數(shù)。

確定地質(zhì)體密實(shí)后,將穩(wěn)定流供排水測流系統(tǒng)的位置調(diào)至最高點(diǎn),向模擬含水層、穩(wěn)定流供排水測流系統(tǒng)中加水,使整個(gè)模擬地質(zhì)體浸沒在水中,記錄加入模擬含水層水的體積。然后將穩(wěn)定流排水測流系統(tǒng)調(diào)至最低點(diǎn),排盡儲(chǔ)水箱、穩(wěn)定流供、排水系統(tǒng)中的水,測定排出水的體積。用表示有效孔隙度,V表示模擬含水層的體積:

實(shí)驗(yàn)測得=0.1192。

使穩(wěn)定流供排水系統(tǒng)處于同一水平面上,觀察每個(gè)測壓管中水面的高度。如果每個(gè)測壓管的高度都處于同一平面上,證明儀器性能良好,否則,需排除系統(tǒng)誤差。保持穩(wěn)定流供水系統(tǒng)高度不變,降低穩(wěn)定流排水測流系統(tǒng),得到一個(gè)水力坡度。裝置內(nèi)流速穩(wěn)定后,用量筒和秒表測算流量,連續(xù)測量兩次,如果連續(xù)兩次測得得流量值誤差小于5%,說明水流已穩(wěn)定。

從插入地質(zhì)體的玻璃管中加入示蹤劑,示蹤劑沿著儀器壁流過約10cm后,開始測量。示蹤劑每過一段距離,記錄時(shí)間和距離,并記錄第一個(gè)截面和最后一個(gè)截面測壓管中水位高度值及兩者之間的水平距離。保持穩(wěn)定流供水系統(tǒng)高度不變,降低穩(wěn)定流排水測流系統(tǒng)的高度,以不同的水力坡度重復(fù)以上步驟。

利用以下公式求地下水實(shí)際流速:

V=s/t

V為實(shí)際流速,S為示蹤劑流過的距離,T為通過某一段距離所經(jīng)歷時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

將由示蹤劑測得的地下水實(shí)際流速和同條件下用理論公式求得的理論流速進(jìn)行對比如表1所示:

由表格可知,地下水流速理論值比用示蹤劑測出的地下水流速實(shí)測值大。經(jīng)過分析,認(rèn)為達(dá)西公式給出的描述的地質(zhì)體模型,認(rèn)為地質(zhì)體中不同斷面上的有效空隙是相互聯(lián)通的,然而在實(shí)際情況下,地下水不同的斷面中流動(dòng)需要繞流,這就增長了流動(dòng)的距離,分析認(rèn)為實(shí)測流速比理論流速慢的原因。

4 實(shí)驗(yàn)過程可靠性分析

模型遵循相似模擬的原則。即,幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、邊界相似。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律都可以用裘布依井流方程形式來描述,實(shí)驗(yàn)可靠。

在實(shí)驗(yàn)過程中,周圍環(huán)境溫度的變化,將影響實(shí)驗(yàn)儀器中水溫的變化,繼而導(dǎo)致水的粘稠度發(fā)生變化。但是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程時(shí)長1-2個(gè)小時(shí),時(shí)間較短,外界溫度的變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響小,可忽略不計(jì)。

為了便于觀測,示蹤劑是依靠著有機(jī)玻璃流動(dòng)的。由于地質(zhì)體邊緣有機(jī)玻璃的限制,使模擬地質(zhì)體邊緣處的孔隙度比模擬地質(zhì)體中間的孔隙度大,流速變大。在此情況下,實(shí)驗(yàn)所得的地下水實(shí)際流速仍然比理論公式算出的流速值小,所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

在地下水在三維流動(dòng)時(shí),滿足層流和穩(wěn)定流條件時(shí)(即符合達(dá)西滲流定律),可知:

(1)改變水力坡度,實(shí)際測得的地下水流速小于理論流速。

(2)改變示蹤劑滴入的位置(實(shí)驗(yàn)儀器中間處和實(shí)驗(yàn)儀器邊壁處),實(shí)際側(cè)地的地下水流速小于理論流速。

(3)在實(shí)際工作中,若僅僅運(yùn)用理論公式,其算得的地下水流速可能大于地下水實(shí)際流速,需結(jié)合實(shí)際情況,在現(xiàn)場做實(shí)驗(yàn),再得出結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

[1] 張?jiān)?施鑫源.地下水水文學(xué)[M].中國水利水電出版社,2006年8月.

[2] 肖明葵,等.水力學(xué)[M].重慶大學(xué)出版社.

[3] 東南大學(xué).浙江大學(xué).湖南大學(xué).蘇州科技學(xué)院合編.土力學(xué)(第二版)[M].中國建筑工業(yè)出版社.

[4] 趙永富,田恩龍,張國棟.達(dá)西定律與滲 流控制[J].黑龍江水利科技,2008年.

[5] 虞修競,等.水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M].西南交通大學(xué)出版社.