抽水井周圍飽水介質(zhì)場三維水位動態(tài)觀測及地下水流運(yùn)動特征

高宗軍，劉曉笛，王 敏，田 紅，于 晨

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

近些年來，地下水流系統(tǒng)理論得到不斷發(fā)展，促使地下水科學(xué)發(fā)生著深刻變化。人們在重新思考和考察以往地下水科學(xué)中關(guān)于地下水流動問題，并試圖在接受地下水流系統(tǒng)理論的同時(shí)，能夠找到或驗(yàn)證地下水流動的驅(qū)動力的來源，或者搞清楚影響地下水流系統(tǒng)形成、演化的主要因素。在自然界，由于受到觀測手段、觀測密度、觀測點(diǎn)空間分布等多項(xiàng)條件的限制，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)尚有困難。作者基于上述考慮，并且為了直觀地模擬現(xiàn)場抽水試驗(yàn)，便于教學(xué)，特設(shè)計(jì)建造了三維抽水試驗(yàn)裝置。該裝置首創(chuàng)了在室內(nèi)完成抽水試驗(yàn)主抽水井周圍含水介質(zhì)場三維水位動態(tài)觀測的先例，而且通過簡易的初步的抽水試驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)了一些以往不為人知的現(xiàn)象或事實(shí)，相信對地下水流運(yùn)動理論的發(fā)展和地下水科學(xué)的實(shí)踐性教學(xué)，都是具有重要意義的。

1 三維抽水試驗(yàn)裝置

該裝置位于山東科技大學(xué)S2實(shí)驗(yàn)樓一層室內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)，通高 3.8 m，其中底座 0.6 m，底盤厚 0.2 m，沙池高 2.0 m，上圍欄高1.0 m。水平面積(占地)約90 m2，其中樓梯東西寬 3.7 m，裝置平臺東西長 6.6 m，南北長8.66 m。觀測平臺高度2.8 m，平臺的東西兩側(cè)設(shè)有高1 m的圍欄，南北靠墻連接。

沙池平面呈正方形，長度5 m，四周0.5 m為鋼筋混凝土墻(0.3 m)與供水倉(槽)(0.2 m)，四角有水泥澆筑，圍成內(nèi)方4 m的正方形沙池，形成容積32 m3的立體空間。沙池中心設(shè)抽水井，呈垂向，井徑100 mm，底部5 cm為實(shí)管，其余全部呈花管，外包紗網(wǎng)，內(nèi)裝數(shù)字化可視自動液壓計(jì)探頭，由導(dǎo)線連接至外墻的液壓讀數(shù)屏，便于觀測。

圖1 抽水試驗(yàn)裝置平面布置圖

井的東南西北四個(gè)方向，垂直于供水槽，各均勻設(shè)置6個(gè)觀測孔(見圖1)，分別按照所處的與主井的方位，和距離抽水主井的距離由遠(yuǎn)及近，命名為南1(N1)、南2(N2)，……，東 1(D1)，東 2(D2)，……，西 1(X1)，西 2(X2)，……，北 1(B1)，北2(B2)，……，數(shù)字越大，越靠近抽水主井，與抽水主井及其相互之間的間隔為30 cm，第1個(gè)觀測孔與供水槽距離為20 cm。每個(gè)觀測孔高度2 m，由上到下以20 cm間距均等設(shè)置水位觀測點(diǎn)10個(gè)(見圖2)，分別冠以1#、2#、……，10#。以沙池底部為基點(diǎn)，則由下及上各觀測點(diǎn)分別位于沙池以上 10 cm、30 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、170 cm、190 cm。各個(gè)觀測點(diǎn)突出于沙池內(nèi)的沙中，有濾水紗網(wǎng)防止沙子進(jìn)入，其水位會由觀測井內(nèi)的水管導(dǎo)出，并排于整個(gè)裝置的東西兩個(gè)立面的測壓排上(圖4)，故同時(shí)可以測得分布于沙池內(nèi)三維空間的240個(gè)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量大，故建議在進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)，各個(gè)觀測孔不同觀測點(diǎn)的水位的觀測，要靠視頻(攝像)記錄下來，爾后進(jìn)行分析、確定。

圖2 抽水試驗(yàn)裝置軸向剖面圖暨抽水井觀測孔測壓點(diǎn)位剖面分布圖

該裝置的供排水系統(tǒng)所示。在四個(gè)供水槽的底部中心位置獲得供水，供水孔附近設(shè)有排水孔，與置于裝置外側(cè)四角的“升降平水漏斗”連接。由“升降平水漏斗”的升降，控制四個(gè)供水槽的水位高低。

抽水井抽水量的大小，可由水量計(jì)量器或水表測得(另設(shè));也可以通過在抽水井底部以放水的形式實(shí)現(xiàn)抽水的效果，放水量可由設(shè)于底部排水口外的水量表測得。

沙池內(nèi)充滿含水介質(zhì)，可以是沙，也可以是砂類土，可以是均勻的，也可以設(shè)置為非均質(zhì)的;可進(jìn)行潛水狀態(tài)的抽水試驗(yàn)，也可以進(jìn)行承壓水狀態(tài)的抽水試驗(yàn)，視不同的試驗(yàn)?zāi)康?，可以對裝置沙池內(nèi)的含水介質(zhì)進(jìn)行調(diào)整、改造。

沙池內(nèi)的含水介質(zhì)充滿水達(dá)到飽水以后，即可以開展抽水試驗(yàn)的工作。

2 抽水試驗(yàn)結(jié)果

本文只介紹特殊的兩種情況，即沙池四面供水槽保持等水頭供水邊界條件下的潛水和承壓水定流量抽水試驗(yàn)，且只介紹最后穩(wěn)定狀態(tài)下的結(jié)果，并做簡要分析、討論，特別是介紹前人未知的創(chuàng)新性結(jié)論。

表1 潛水抽水試驗(yàn)開始至穩(wěn)定期間各觀測孔第8觀測點(diǎn)水位動態(tài)

2.1 潛水抽水試驗(yàn)

沙池內(nèi)充滿沙子，四周供水槽內(nèi)充滿水，并在“升降平水漏斗”控制下保持等水頭且穩(wěn)定。從主孔內(nèi)抽水，抽水量0.67 L/s，主孔水位在589 s后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定水位1 280 mm(本文所指水位，均以沙池底部為基點(diǎn)0 mm，下同)。

所有4個(gè)測壓排的實(shí)際觀測結(jié)果表明，四周的對應(yīng)觀測孔和對應(yīng)觀測點(diǎn)的水位觀測結(jié)果相同，具有以抽水井為中心的軸對稱水位變化規(guī)律。故以下將以主井南側(cè)6個(gè)觀測孔的水位變化情況為例，說明四周直線定水頭補(bǔ)給條件下的潛水抽水的水位空間變化情況。

圖3 潛水抽水試驗(yàn)各觀測孔第8觀測點(diǎn)水位動態(tài)曲線

隨著抽水主井的水位降低，靠近抽水井的6號觀測孔率先降低，然后逐次向外各孔水位出現(xiàn)降低。達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，圍繞抽水主井的水位降落漏斗出現(xiàn)(見表1，圖3)。注意，圖3中的橫坐標(biāo)是時(shí)間段而非時(shí)間，時(shí)間段與實(shí)際時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系詳見表2所示。

由于沙池規(guī)模較小，且沙池四周分布有定水頭水槽。故抽水進(jìn)行一定時(shí)間后，各點(diǎn)水位區(qū)域穩(wěn)定。穩(wěn)定后各觀測孔的水位情況參見表3所示。

為便于直觀了解其情況，將表3的數(shù)據(jù)作出圖表(見圖4、圖 5)。

綜合以上信息，幾個(gè)有趣的現(xiàn)象就出現(xiàn)了:

表2 圖3中的時(shí)間段與實(shí)際抽水試驗(yàn)歷時(shí)對應(yīng)表

表3 潛水抽水試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定后各觀測孔各觀測點(diǎn)水位 mm

1)從抽水井至直線供水邊界的軸向剖面上可以看出，靠近抽水井的觀測孔中的水位先出現(xiàn)降低，之后向外朝供水邊界方向逐次出現(xiàn)水位降低，直至最后達(dá)到穩(wěn)定。說明開始的水位變動情況，符合非穩(wěn)定流抽水情況(更進(jìn)一步的情況，如水位變化速率等也與泰斯公式所揭示的情況相近或相同)。

圖4 潛水抽水試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定后各觀測孔各觀測點(diǎn)水位(主井水位1 280 mm)

2)在每個(gè)觀測孔上，不同的觀測點(diǎn)處的水位是不相等的，通常是位置越高，其水位越高。由此判定，在充滿水的沙池內(nèi)的水位分布，空間上是不同的。任何一點(diǎn)的水質(zhì)點(diǎn)，都同時(shí)具有向井、向下兩個(gè)方向的運(yùn)動，即水運(yùn)動是斜下方向的。

3)但是也有例外，即最底部靠近抽水主井的幾個(gè)觀測孔的觀測點(diǎn)，其水位出現(xiàn)了比最低水位點(diǎn)(上數(shù)第7點(diǎn))要高的情況。分析認(rèn)為，可能是由于主井底部5 cm的實(shí)管部位，影響了水流的正常運(yùn)行，而出現(xiàn)了滯流、聚能，進(jìn)而產(chǎn)生向上的局部上升力造成的。

圖5 潛水抽水穩(wěn)定時(shí)的地下水流三維分布圖

2.2 承壓水抽水試驗(yàn)

同樣利用這個(gè)裝置，把上面的沙子挖掉，露出第5個(gè)觀測點(diǎn)探頭，在由上數(shù)第5個(gè)觀測點(diǎn)之上，鋪設(shè)隔水薄膜(由于壓力差較小，利用塑料紙即可)，并將之上的主井包扎、封閉。本次試驗(yàn)，采用薄膜之上先覆以少量砂土，再由底部注水，將空氣由下到上排出沙池，直至將水充滿整個(gè)試驗(yàn)裝置。根據(jù)承壓含水層定義，此時(shí)第5個(gè)觀測點(diǎn)之下的沙層為承壓含水層并且處于承壓飽水狀態(tài)。之后開始進(jìn)行抽水試驗(yàn)，并觀測各個(gè)觀測點(diǎn)的水位。

同樣地，在進(jìn)行了一段時(shí)間的抽水以后，出水量、主井的水位、各個(gè)觀測點(diǎn)的水位會出現(xiàn)穩(wěn)定的情況(見表4)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隔水薄膜之上的1#、2#、3#和4#觀測點(diǎn)的水位均保持了固定不變的狀態(tài)(因?yàn)槭浅錆M水狀態(tài)，其水位與周邊4個(gè)供水槽是直接連通的自由水體)，而隔水薄膜之下的6個(gè)觀測點(diǎn)的水位，出現(xiàn)了有規(guī)律的變化(見圖6，圖7)。

表4 承壓水抽水試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)的各觀測孔各觀測點(diǎn)的水位(cm)

圖6 承壓水抽水試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)的各觀測孔各觀測點(diǎn)的水位(主井水位137.3 cm)

圖7 圖6的部分放大效果圖(主井水位137.3 cm)

根據(jù)同一水平不同觀測孔的觀測點(diǎn)所測水頭值，繪制出在抽水試驗(yàn)中，沙槽內(nèi)地下水流的三維空間分布特征圖(見圖8)。

圖8 承壓抽水穩(wěn)定時(shí)的地下水流三維分布圖

與潛水抽水時(shí)的情況一樣，在抽水井周圍出現(xiàn)了以抽水主井為中心的水位降落漏斗;同一觀測點(diǎn)水平上的水位，越靠近抽水主井，水位越低，反之亦然。

按照一般的理論，此時(shí)地下水流應(yīng)該是水平向的朝著主井方向運(yùn)動;然而情況與潛水時(shí)的情況一樣，在每個(gè)觀測孔上，由上到下，觀測點(diǎn)的水位通常是由高到低的，指示出在承壓水狀態(tài)下，地下水的運(yùn)動依然是斜下的，即重力仍然起著重要的作用。

與潛水時(shí)的差異主要表現(xiàn)在一點(diǎn)，即只有靠近抽水主井的第6觀測孔，出現(xiàn)了與上述由上至下水位逐漸遞減的情況相反的情況，即第6觀測孔的最下部的第10觀測點(diǎn)的水位比第9觀測點(diǎn)的水位稍高，其余各個(gè)觀測孔的各個(gè)觀測點(diǎn)的水位，均遵循上高下低的趨勢。

究其原因，得出以下認(rèn)識:

1)重力的作用不可省卻，地下水運(yùn)動時(shí)，向下的作用力時(shí)刻起著作用，不容忽視;

2)在承壓水含水層頂板處，在靠近補(bǔ)給邊界一側(cè)，應(yīng)該具有比其它位置更加快速的強(qiáng)勢水流，其方向是指向抽水井。

3)抽水井底部5 cm的實(shí)管，在承壓水抽水時(shí)，依然能夠反映出其阻滯、抬升水流的作用。

3 結(jié)語

通過三維的抽水試驗(yàn)裝置的運(yùn)行實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，該裝置可以實(shí)現(xiàn)對抽水主井附近的飽水介質(zhì)的三維水位動態(tài)觀測，并通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了地下水流運(yùn)動的空間(三維)特征，即地下水在重力與壓力的共同作用下，呈現(xiàn)斜下方向的運(yùn)動特征，這種情況不僅出現(xiàn)在潛水狀態(tài)，在承壓水狀態(tài)下也同樣存在。由此推斷出，抽水時(shí)承壓水含水層頂板附件具有強(qiáng)勢水流通過，越靠近補(bǔ)給源，這種強(qiáng)勢水流越大。

[1]高宗軍.地下水流系統(tǒng)分異的試驗(yàn)演示及其意義[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2013，32(2):17-24.

[2]GAO Zong-jun，The experimental demonstration and significance of groundwater flow system differentiation[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science).2013.32(2):17-24.