CN101046438A - 一种模拟抽水井附近非达西流动的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟抽水井附近非达西流动的试验装置，其特征在于，它包括：一升降装置；一恒定水头水箱连接在所述升降装置的下部，恒定水头水箱通过溢流挡板保持定水头；一扇形水槽由一圆弧形水槽壁和形成夹角的两侧壁拼接而成，靠近所述夹角以及所述圆弧形水槽壁处分别设置一多孔板，在所述夹角与多孔板之间空间模拟一抽水井，在所述圆弧形水槽壁设一进水口，多孔板之间填充介质；所述两个侧壁设有压力和盐分浓度传感器螺孔；一回收水槽，通过回水水泵回水至所述恒定水头水箱上水水口；所述数据采集系统采用导线连接一电流巡检仪收集传感器电流信号并存储于一与其连接的计算机。本发明可模拟抽水井附近的含水层，对其水流流动过程进行试验。

Description

一种模拟抽水井附近非达西流动的试验装置

技术领域

本发明涉及一种水流流动的试验装置，特别是关于一种模拟抽水井附近非达西流动的试验装置。

背景技术

达西定律(Darcy’s Law 1856)已被广泛应用于多孔介质和裂隙介质中的流体流动研究中，是研究和计算抽水井附近的水流流动的基础理论，但在大量实验与实际问题的研究过程中，达西定律表现出其明显的局限性：达西定律只适用于描述水力梯度较小的中粗颗粒均质介质中的层流问题，而对于较粗粒的介质(尤其是强非均质介质)、具有大孔隙的土壤介质以及裂隙介质中的水流(如优先流)往往难于用达西定律描述，且随着水流通量q的增大，水流通量q与水力梯度i的线性关系便不再成立，这种q与i不再服从线性关系的水流现象为非达西现象。在上述情况下，如果仍然采用达西定律来作为研究抽水井附近的水流流动的基础理论，就会造成结果与实际情况偏差很大，例如在定水头条件下，实际的抽水井的流量往往与计算的理论流量相差很大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种分别对承压和非承压条件下模拟抽水井附近非达西流动的试验装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种模拟抽水井附近非达西流动的试验装置，其特征在于，它包括：一升降装置；一恒定水头水箱连接在所述升降装置的下部，所述恒定水头水箱通过一定水头挡板将其分隔成左、右两箱室，所述右箱室的顶部设置有一外界水源进水口和一循环水上水口；一扇形水槽包括一圆弧形水槽壁，从两侧连接所述弧形水槽壁、且连接形成一夹角的两侧壁，靠近所述两个侧壁的夹角以及靠近所述圆弧形水槽壁处分别设置一多孔板，在所述夹角和靠近其的多孔板之间形成一模拟抽水井，在所述圆弧形水槽壁和另一多孔板之间形成一进水口，在所述两个多孔板之间填充有含水介质；所述两个侧壁上分别插设有连接压力传感器和盐分浓度传感器螺孔；一回收水槽，其通过回水水泵和回水管道连接所述抽水井，所述回收水槽通过上供水水泵和上供水管道连接所述恒定水头水箱右箱室顶部的循环水上水口，所述回收水槽通过一循环管道连接所述恒定水头水箱左箱室的底部，所述恒定水头水箱右箱室的底部通过一下供水管道连接所述扇形水槽的进水口；所述数据采集系统包括连接在所述扇形水槽侧壁螺孔中的压力传感器和盐分浓度传感器，压力传感器和盐分浓度传感器分别通过导线连接一电流巡检仪，所述电流巡检仪连接一计算机。

所述升降装置为钢架和设置在钢架上的一升降滑轮组。

所述圆弧形水槽壁和两侧壁的顶部设置一顶盖。

在所述扇形水槽的一侧壁设置所述压力传感器，另一侧壁设置盐分浓度传感器。

在所述扇形水槽的两个多孔板之间设置的含水介质为石英砂、河砂、壤土和砂壤土中的任意一种或一种以上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提供了一种能够模拟达西和非达西流动的水流试验装置，对抽水井附近水流的流量计算和降深曲线的预测等理论研究具有一定的指导意义。2、本发明设置了一扇形水槽，在扇形水槽的夹角附近设置了一块多孔板，在靠近扇形水槽的另一端设置一块多孔板，并在两多孔板之间填充含水介质，因此有效地模拟了抽水井附近的含水层，为在各种条件下进行水流实验创造了条件。3、本发明由于在恒定水头水箱上设置了升降装置，因此可以通过调整恒定水头水箱的高度调整进水水头差，通过的水流的大小来模拟达西和非达西流动。4、本发明可以通过压力传感器来自动采集水流流动过程的试验数据，实现了试验的全自动化；同时本发明也可以用来采集盐分浓度等数据。5、本发明结构简单，成本较低，使用的水可以全部循环再利用，有效地节约了试验用水。本发明可以广泛用于对承压和非承压条件下模拟抽水井附近达西和非达西流动的试验装置中。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图

图2是本发明恒定水头水箱的结构示意图

图3是本发明扇形水槽的立体结构示意图

图4是图3的俯视示意图

图5是本发明扇形水槽两侧壁上的螺栓孔示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明装置由进水装置、扇形水槽、回水装置和数据采集系统组成。

如图1所示，本发明的进水装置包括一钢架1，在钢架1上设置有一升降装置，升降装置可以是一升降滑轮组(俗称电葫芦)2，也可以是其它机构。升降滑轮组2的下部连接一恒定水头水箱3。操作升降滑轮组2的控制板4，可以通过升降滑轮组2调整恒定水头水箱3的高低位置。如图2所示，恒定水头水箱3的顶部具有一循环水上水口31和一外界水源进水口32，水箱3内设置有一将水箱3内分为左右两个箱室的定水头挡板33。定水头挡板33的高度低于恒定水头水箱3四壁的高度，使定水头挡板33的上沿与水箱3顶板之间具有一间隙；循环水上水口31和外界水源进水口32均设置在右箱室的顶部，当右箱室内的水头高度超过定水头挡板33的高度时，右箱室内的水将由定水头挡板33的上沿处的间隙溢流到左箱室内，以保证水箱3右箱室内恒定的水头高度。在恒定水头水箱3的下方设置一回收水槽5，回收水槽5通过一上供水水泵6和一上供水管道7与恒定水头水箱3的循环水上水口31连接。

如图3、图4所示，本发明的扇形水槽8包括一圆弧形水槽壁801，圆弧形水槽壁801的左右两端分别与两个侧壁802、803的一端连接，两个侧壁802、803的各另一端相互连接形成一夹角，该夹角为水槽壁801的圆弧形所对应的圆心角。两侧壁802、803和圆弧水槽壁801的顶端分别沿水平方向向外延伸一宽度(比如10cm，不限于此)的翼缘804，翼缘804上设置有多个螺栓孔，用于扇形水槽8的顶盖(图中未示出)通过螺栓连接，顶盖可以根据实验要求密封或开敞。在两个侧壁802、803靠近夹角处和距离圆弧形水槽壁801内侧10cm处(距离仅以此为例)，各设置一多孔板805、806，在两个多孔板805、806之间充满石英砂、河砂、壤土或砂壤土中的一种或一种以上作为模拟抽水井附近含水层的介质。多孔板805、806可以防止水对扇形水槽8内的介质产生直接冲刷，进而将多孔板805与夹角顶部之间模拟成一直半径为3cm(仅以此半径为例)的抽水井9，将多孔板805与多孔板806之间模拟成一围绕抽水井附近的含水层，扇形水槽8未加顶盖时可用于模拟非承压含水层，若加顶盖密封时，可用于模拟承压含水层。

如图1、图5所示，在扇形水槽8的两个侧壁802、803上分别设置有许多螺孔807，同时在扇形水槽8两侧壁802、803与多孔板805围成的抽水井9空间处也设置螺孔808，在两侧壁802、803与多孔板806围成的进水口也设置螺孔809。将多个压力传感器810和盐分浓度传感器密封旋设在一些螺栓孔807、808、809中，将不使用的螺孔807密封起来。压力传感器810或盐分浓度传感器可以分别测量抽水井9、扇形水槽8进水口811和介质层的压力值或溶质浓度值，以分析扇形水槽8进水端和出水端的压力值和溶质浓度值。

如图1、图2所示，本发明的回收水槽5一端通过上述的上供水水泵6和上供水管道7与恒定水头水箱3的右箱室连通，回收水槽5另一端通过一回水水泵13及一回水管道14与模拟的抽水井9连通，同时恒定水头水箱3左箱室的底部通过一循环管道15与回收水槽5连通，在重力作用下，恒定水头水箱3中保持定水头后的多余废水将通过循环管道15回流到回收水槽5中。在恒定水头水箱3右箱室的底部还通过一下供水管道12与扇形水槽8的圆弧形水槽壁801的进水口811连通，以由此向水槽8内供水。上述恒定水头水箱3、上供水水泵6、上供水管道7和下供水管道12组成了本发明的进水装置；回收水槽5、回水水泵13、回水管道14和循环管道15组成了本发明的回水装置。

本发明的数据采集系统包括多个压力传感器810和盐分浓度传感器，一电流巡检仪16和一计算机17。压力传感器810和盐分浓度传感器的输出端通过导线连接电流巡检仪16，电流巡检仪16的输出端连接计算机17。压力传感器810或盐分浓度传感器采集到的电信号通过巡检仪16转化为(数字信号)压力或浓度值，再由计算机17中的软件进行处理和记录。可以在本发明扇形水槽8的一侧壁802(或803)的螺孔807、808、809中设置压力传感器810，测量沿抽水井9径向方向压力水头的变化趋势；在扇形水槽8的另一侧壁803(或802)的螺孔807、808、809中设置盐分浓度传感器，将溶质运移在非达西条件下的规律记录下来。也可以在两侧壁802、803上都设置压力传感器810和盐分浓度传感器。

本发明装置的操作试验步骤如下：

1、首先将本发明装置中所有的管道和线路连接好；

2、打开计算机17和巡检仪16，使整个采集记录系统处于工作状态；

3、从外界水源向恒定水头水箱3中供水，并向扇形水槽8内进行缓慢供水，以使水头逐步上升饱和扇形水槽8内的介质；

4、待抽水井9中的水头上升到一定高度后，选定一参考面，测量抽水井9中的水头高度，此时将传感器810均标定到以参考面为准，读数为抽水井9中的水头高度值，即所有传感器810的读数在同一水位高度时读数一致；

5、将恒定水头水箱3的进水通路全部打开，回水水泵13开始抽水，待到回收水槽5中的水量达到可以满足上供水水泵6抽水要求后，上供水水泵6开始抽水，将水送到恒定水头水箱3的右箱室内，整个循环系统开始运行(系统开始循环的同时截断向恒定水头水箱3内供水的外界水源)；

6、计算机17将整个系统的压力变化和盐分浓度变换等水流流动情况记录下来。

在本发明中，主要是将水槽8设计成扇形，用来模拟抽水井9附近的含水层，通过传感器810连接电脑17记录数据，通过升降装置的驱动改变进水水头高度，调整水头差来实现非达西条件下的水流试验。任何采用类似本发明方案的模拟水流流动的试验装置均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种模拟抽水井附近非达西流动的试验装置，其特征在于，它包括：

一升降装置；

一恒定水头水箱连接在所述升降装置的下部，所述恒定水头水箱通过一定水头挡板将其分隔成左、右两箱室，所述右箱室的顶部设置有一外界水源进水口和一循环水上水口；

一扇形水槽包括一圆弧形水槽壁，从两侧连接所述弧形水槽壁、且连接形成一夹角的两侧壁，靠近所述两个侧壁的夹角以及靠近所述圆弧形水槽壁处分别设置一多孔板，在所述夹角和靠近其的多孔板之间形成一模拟抽水井，在所述圆弧形水槽壁和另一多孔板之间形成一进水口，在所述两个多孔板之间填充有含水介质；所述两个侧壁上分别插设有连接压力传感器和盐分浓度传感器螺孔；

一回收水槽，其通过回水水泵和回水管道连接所述抽水井，所述回收水槽通过上供水水泵和上供水管道连接所述恒定水头水箱右箱室顶部的循环水上水口，所述回收水槽通过一循环管道连接所述恒定水头水箱左箱室的底部，所述恒定水头水箱右箱室的底部通过一下供水管道连接所述扇形水槽的进水口；

所述数据采集系统包括连接在所述扇形水槽侧壁螺孔中的压力传感器和盐分浓度传感器，压力传感器和盐分浓度传感器分别通过导线连接一电流巡检仪，所述电流巡检仪连接一计算机。

2、如权利要求1所述的一种模拟抽水井附近非达西流动的试验装置，其特征在于：所述升降装置为钢架和设置在钢架上的一升降滑轮组。

3、如权利要求1所述的一种模拟抽水井附近非达西流动的试验装置，其特征在于：所述圆弧形水槽壁和两侧壁的顶部设置一顶盖。

4、如权利要求2所述的一种模拟抽水井附近非达西流动的试验装置，其特征在于：所述圆弧形水槽壁和两侧壁的顶部设置一顶盖。

5、如权利要求1或2或3或4所述的一种模拟抽水井附近水流流动的试验装置，其特征在于：在所述扇形水槽的一侧壁设置所述压力传感器，另一侧壁设置盐分浓度传感器。

6、如权利要求1或2或3或4所述的一种模拟抽水井附近水流流动的试验装置，其特征在于：在所述扇形水槽的两个多孔板之间设置的含水介质为石英砂、河砂、壤土和砂壤土中的任意一种或一种以上。

7、如权利要求5所述的一种模拟抽水井附近水流流动的试验装置，其特征在于：在所述扇形水槽的两个多孔板之间设置的含水介质为石英砂、河砂、壤土和砂壤土中的任意一种或一种以上。

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