一維非達(dá)西徑向抽水模擬實(shí)驗(yàn)

劉毅

摘 要：文章通過(guò)不同取水條件下一維滲流場(chǎng)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分別改變表面水層水位、含水層結(jié)構(gòu)、豎井降深等條件，分析各要素對(duì)取水量的影響變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)垂向入滲速率小于含水介質(zhì)的飽和滲透系數(shù)而難以維持飽和流運(yùn)動(dòng)時(shí)，部分介質(zhì)開始由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，地下水水位降低導(dǎo)致表層水與地下水脫節(jié)，從而形成非飽和帶。且表水層水位越高，相應(yīng)的取水量越大，越不易出現(xiàn)非飽和帶，運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)；含水層上部存在弱透水層時(shí)，相同豎井降深情況下，對(duì)應(yīng)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(yīng)的取水量越大，但隨著豎井降深的增大，含水層內(nèi)部出現(xiàn)非飽和帶，相應(yīng)的取水量呈下降趨勢(shì)，二者呈線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：區(qū)域地下水流；非飽和帶；土柱實(shí)驗(yàn)；豎井降深

中圖分類號(hào)：TV131 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(qū)域地下水流研究理論已廣泛應(yīng)用于傍河取水、河渠間地下水運(yùn)動(dòng)、繞壩滲流等一系列工程問(wèn)題中。然而在滲濾取水過(guò)程中，當(dāng)取水井設(shè)置于河床下部時(shí)，傳統(tǒng)區(qū)域地下水流研究理論將不再適用，為進(jìn)一步完善區(qū)域地下水流研究理論，對(duì)此類地下水運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行研究便極具意義。

自Theis（1935）建立了非承壓含水蓋層的非穩(wěn)定流方程，針對(duì)非飽和滲流的研究逐漸深入，通過(guò)理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)通過(guò)某種方法計(jì)算獲得的玻璃珠的進(jìn)氣值明顯低于均質(zhì)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(shí)驗(yàn)，得出不同介質(zhì)滲流過(guò)程中水力梯度和滲透流速之間的關(guān)系；李俊亭（1990）等利用砂槽實(shí)驗(yàn)研究了地下水與河水脫節(jié)時(shí)臨界水力坡度及其影響因素，獲得了實(shí)驗(yàn)尺度下臨界水力坡度與河水深度之間的經(jīng)驗(yàn)公式；劉國(guó)東等（1997）通過(guò)砂槽實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)傍河強(qiáng)采地下水在開采強(qiáng)度增大的情況下，地下水與河水將失去飽和水力聯(lián)系，產(chǎn)生脫節(jié)，其脫節(jié)的起始點(diǎn)不在河床面而位于河床下?lián)哟裁嬉欢ǖ暮畬觾?nèi)部；Yamada et al.（2005）在一個(gè)可以調(diào)整傾斜度的條形水槽中進(jìn)行多孔介質(zhì)的滲流實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整水槽的傾斜度來(lái)改變水力梯度，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)生非達(dá)西現(xiàn)象時(shí)水力梯度和滲透流速之間的關(guān)系； Kuang et al.（2011）建立了砂柱模型，中砂上部由一層均質(zhì)細(xì)砂覆蓋。排水過(guò)程中在砂柱的非飽和帶觀察到了明顯的負(fù)的空氣壓力，并且在大多數(shù)排水過(guò)程中累計(jì)出水量明顯低于均質(zhì)砂柱中產(chǎn)生的。鄭羽良（2013）通過(guò)18種滲流井取水砂槽試驗(yàn)方案，總結(jié)了影響模擬試驗(yàn)滲流井取水的主要因素及滲流場(chǎng)特征，利用改進(jìn)滲流井取水計(jì)算模型，對(duì)砂槽物理模擬試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)擬合滲流井出水量，反演了試驗(yàn)中含水層的滲透系數(shù)以及河流滲漏補(bǔ)給能力C值，從而檢驗(yàn)改進(jìn)了滲流井取水計(jì)算模型。靳孟貴（2017）對(duì)脫節(jié)型河流與地下水相互作用研究進(jìn)展作了分析研究，在簡(jiǎn)要分析河流與地下水關(guān)系的基礎(chǔ)上，綜述了河流與含水層之間的飽和連接，經(jīng)過(guò)渡脫節(jié)，演化為完全脫節(jié)系統(tǒng)的物理過(guò)程及機(jī)理和脫節(jié)系統(tǒng)形成的必要條件。endprint

上述研究成果對(duì)區(qū)域地下水的認(rèn)識(shí)與深入作出了較大貢獻(xiàn)，但對(duì)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(chǎng)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，旨在探究含水層下部取水過(guò)程中，探究各因素（改變表面水層水位、含水層結(jié)構(gòu)以及豎井降深）對(duì)取水量影響的基本規(guī)律。進(jìn)而分析其內(nèi)部原因。本文研究意義在于豐富完善區(qū)域地下水流理論，為類似滲濾取水等實(shí)踐工程提供理論技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置由柱體高100cm，外徑20cm，厚5mm的有機(jī)玻璃柱、內(nèi)徑2.5cm的PVC集水豎井組成。有機(jī)玻璃柱左側(cè)開設(shè)三個(gè)10cm等間距孔徑為1cm的溢流口，保證試驗(yàn)過(guò)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(guò)膠管將溢出水流排向集水池。在砂柱側(cè)壁開設(shè)測(cè)壓觀測(cè)孔并安裝測(cè)壓管，以測(cè)量取水過(guò)程中砂柱內(nèi)水頭變化及分布情況。玻璃柱底部中心開設(shè)一直徑2.5cm的取水孔，向下延伸長(zhǎng)度10cm，經(jīng)由水平PVC管與豎井相連，水平PVC管末端安裝取水閥門，試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)試驗(yàn)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(zhǔn)面，以便統(tǒng)一讀取試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)方案

（1）表水層水位高度

試驗(yàn)通過(guò)三個(gè)溢流孔控制三組不同表面水層水位高度，每當(dāng)水位到達(dá)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(guò)取水閥門調(diào)節(jié)取水量來(lái)控制豎井降深，觀測(cè)各表水層水位條件下取水量變化情況。

（2）含水層結(jié)構(gòu)變化

當(dāng)表水層水位高度一定，在含水層上部，用無(wú)低滲透系數(shù)覆蓋層模擬無(wú)弱透含水層結(jié)構(gòu)，通過(guò)取水閥門調(diào)節(jié)取水量來(lái)控制豎井降深，觀測(cè)各表水層水位條件下取水量變化情況；添加低滲透系數(shù)覆蓋層模擬弱透水含水層結(jié)構(gòu)，進(jìn)行上述相同步驟。

（3）豎井降深影響

對(duì)以上兩類方案均設(shè)計(jì)多組降深情況，觀測(cè)各降深條件下取水量及流場(chǎng)的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為減小取水過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差，在測(cè)量過(guò)程中，采用多頻次，求平均等方法測(cè)量取水流量體積，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)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(dǎo)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(shí)，取水井流量會(huì)呈下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本文選取了多個(gè)控制因素進(jìn)行一維下部取水滲流實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)分析表水層水位、含水層結(jié)構(gòu)、豎井降深與取水量的關(guān)系，探尋了含水層下部取水條件下的基本規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)垂向入滲速率小于含水介質(zhì)的飽和滲透系數(shù)而難以維持飽和流運(yùn)動(dòng)時(shí)，部分介質(zhì)開始由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)。地下水水位降低導(dǎo)致表層水與地下水脫節(jié)，從而形成非飽和帶。當(dāng)表水層水位越高，相應(yīng)的取水量越大，越不易出現(xiàn)非飽和帶，運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。

（2）當(dāng)含水層上部存在弱透水層時(shí)，相同豎井降深情況下，對(duì)應(yīng)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(yīng)的取水量越大，但隨著豎井降深的增大，含水層內(nèi)部出現(xiàn)非飽和帶，相應(yīng)的取水量呈下降趨勢(shì)，二者呈線性關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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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