CN103345867B - 承压井抽水动态实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明为承压井抽水动态实验仪，包括位于箱体内平行于演示屏的渗流板与隔水底板和演示屏之间形成的窄缝槽，演示屏上有模拟隔水顶板、模拟含水层，窄缝槽上有隔水密封板，隔水密封板与窄缝槽间形成窄缝槽渗流区，窄缝槽渗流区的中部有模拟承压抽水井，演示屏上相对模拟承压抽水井两侧同一水平面等间距设置有多个承压水位观测接孔，多根承压水位观测管的下端分别穿过对应承压水位观测接孔伸入窄缝槽渗流区，在箱体内有清水渗透箱、示踪剂渗透箱，渗流板上有将清水渗透箱和示踪剂渗透箱与窄缝槽渗流区相通的渗流孔。本发明可直观了解承压含水层抽水时地下水向承压井运动特征和承压水头的动态分布规律，进行相关实验及参数测定。

Description

承压井抽水动态实验仪

技术领域：

本发明与地质学的水文地质学及环境地质学等学科有关，特别与承压井抽水动态过程相关的承压井抽水动态实验仪有关。

背景技术：

当前，随着经济的迅速发展和人口的增多，浅层地下水资源不断受到污染，人类赖以生存的淡水资源日益紧缺，自然界正向人类发起挑战。因而，由浅层地下水的开发利用过渡到深层地下水资源储量的评价、开发和利用将成为必然趋势。承压水则是最为典型的深层地下水。它广泛存在于自然界中。根据其埋藏条件，充满于两个隔水层之间含水层中的地下水即为承压水，上部的隔水层称为隔水顶板，下部的隔水层称为隔水底板。

由于承压水赋存于两个隔水层之间，一般埋藏较深，因此不易受污染，水质良好。地下热水或矿泉水也往往产于承压含水层。在适宜的地质构造条件下，承压水位高于地表时，当钻孔打穿隔水顶板，进入承压含水层时，承压水会喷出地面，形成自流井，给人们使用带来便利。

承压含水层根据在地下产出状态，可分为单斜承压含水层，水平含水层，若呈U形则称为承压盆地。

当井或钻孔揭穿含水层隔水顶板时，承压水位可上升至隔水顶板之上一定的高度稳定，此时测得的水位称为稳定水位，稳定水位的高度便是该点承压水的测压水位。

隔水顶板厚度一般必须大于承压水头高度的一半及以上，否则隔水顶板的承压作用失效，因而承压水一般埋深较大。由于隔水顶板的存在，不仅使承压水具有承压性，还限制了其补给和排泄范围，阻碍了承压水与大气水及地表水的联系，承压水的地质构造是相对封闭的，因此，对承压水的学习和研究，承压水的运动规律研究等带来很大的难度，往往采用勘探、钻探揭露含水层或采用数值模拟的方法，成本高，不直观。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种结构合理、可以直观了解承压含水层抽水时、地下水向承压井运动特征和承压水头的动态分布规律，进行相关实验及参数测定的承压井抽水动态实验仪。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明承压井抽水动态实验仪，包括有隔水底板和与隔水底板连接的演示屏的箱体，位于箱体内平行于演示屏且与隔水底板连接的渗流板，渗流板与隔水底板和箱体两侧面及演示屏间形成宽度为0.5～1.5mm的窄缝槽，演示屏从上到下依次有模拟断面地表层、模拟松散土履盖层、模拟隔水顶板、位于模拟隔水顶板底部与隔水底板间的模拟含水层，窄缝槽上相对模拟顶板的位置有隔水密封板，隔水密封板与窄缝槽间形成窄缝槽渗流区，窄缝槽渗流区的中部有垂直于水平面且底部与隔水底板连接的有透水井壁的模拟承压抽水井，渗流板上相对模拟承压抽水井井壁底部的位置有承压抽水井排水孔，一端与承压抽水井排水孔连接的抽水排水管上装有抽水控制阀，在演示屏上在相对模拟含水层的位置、在相对模拟承压抽水井两侧同一水平面等间距设置有多个承压水位观测接孔，多根承压水位观测管的下端分别穿过对应承压水位观测接孔伸入窄缝槽渗流区，在箱体内位于渗流板的两端分别有第一清水渗透箱、第二清水渗透箱、第一示踪剂渗透箱、第二示踪剂渗透箱，在渗流板上有若干将第一、第二清水渗透箱和第一、第二示踪剂渗透箱分别与窄缝槽渗流区相通的渗流孔，清水连通软管将第一清水渗透箱和第二清水渗透箱连通，示踪剂连通软管将第一示踪剂渗透箱和第二示踪剂渗透箱连通，箱体上部装有清水供给箱和示踪剂供给箱，分别与清水供给箱和示踪剂供给箱连通的带清水流量调节阀及清水流量观测滴瓶的清水供水管和带示踪剂调节阀及示踪剂流量观测滴瓶的供示踪剂管分别向清水渗透箱和示踪剂渗透箱提供清水、示踪剂，承压水位观测管相当于野外承压井抽水时的水位观测孔，有水时，多根承压水位观测管形成观测井。

根据液体在狭小空间运动与液体在含水层孔隙中运动相似的原理，采用两块平行放置、间距0.5～1.5mm形成的狭小空间一窄缝槽渗流区来模拟地下水在承压含水层中的运动；承压含水层抽水时，周边的地下水将以抽水井为圆心流向抽水井，而形成承压水位降落漏斗；承压抽水井动态实验仪的模拟断面就是横切承压水位降落漏斗通过抽水井的水文地质剖面；抽水井下端至隔水底板，上端穿透隔水顶板，形成承压完整井。在含水层区间的井壁为透水井壁；承压水位观测管用于观测抽水前的承压水位及抽水过程中承压水位的变化情况；设置清水渗透箱及示踪剂渗透箱，用于模拟承压井抽水时补给区，提供承压井抽水时的实验用水及通过示踪剂形成的水流迹线来显示水流状态。

上述的窄缝槽的横截面形状为矩形。

上述的箱体上有流量观察孔、示踪剂观察孔。

上述的窄缝槽渗流区上的隔水密封板的厚度至少为模拟承压抽水井中承压水头的一半，抵抗承压水头的穿透力，承压水头是指承压抽水井抽水前，承压抽水井中的水位到隔水顶板的垂直距离。

本发明所模拟的承压完整井抽水动态过程可运用裘布依井流方程来描述其稳定渗流状态，并通过测定观测管的承压水头及抽水井的流量，从而确定模拟承压含水层的水力传导系数。

本发明实验仪工作时，先、后打开清水流量调节阀和示踪剂调节阀，清水供给箱内的清水和示踪剂供给箱内的示踪剂先后流入两侧的清水渗透箱和示踪剂渗透箱，再经渗流板上的渗流孔从两侧进入窄缝槽渗流区，直至充满含水层和抽水井及观测井，此时观测井和抽水井中水位处于同一平面，表明实验仪器正常，再打开抽水水位控制阀，抽水井开始抽水，渗流区内的地下水就会向井中运动，随着抽水时间的延续，抽水井和观测井的动态水位会达到稳定。同时，抽水井的出水量也会达到稳定，此可以观测到抽水井中水位最低，两侧观测井的水位联系，呈现井中倾斜的曲面，即形成了承压水位降位漏斗。这一过程可用承压井抽水稳定运动的裘布依井流方程来描述：

Q=2.732KMs/lg(R/r_w)    （1）

      q_n-q_n-1/q≤2%          （2）

     Q=πLq/10δ           （3）

上述3式中，（1）式为承压井抽水稳定运动的裘布依井流方程，其中：Q为裘布依圆岛模型360°承压井流量（ml/s）；K为模拟承压含水层的水力传导系数（cm/s）；M为模拟承压含水层厚度（cm）；s承压井中水位降深（cm）；R为影响半径（cm）；r_W为抽水井的半径（cm）；（2）式为抽水稳定性判别式，其中：q_n为第n次测定的模拟承压井流量（ml/s）；q_n-1为第n-1次测定的模拟承压井流量（ml/s）；q为第n次与第n—1次所测流量的平均值；（3）式为据裘布依圆岛模型推算而得的Q与q的函数关系式），其中：L为承压含水层边界至抽水井中心的距离（cm）；δ为窄缝渗流槽厚度（mm）,0.5 mm≦δ≦1.5mm。

当承压井中水位降深为s时，可不断的测定承压抽水井的流量，可按（2）式判定抽水后渗流是否稳定，取q即为稳定后的模拟承压井的流量，然后利用（3）式计算360°承压井流量Q。再通过测定这些观测管的承压稳态渗流水位，并将水位用平滑曲线相连从而得到降位漏斗形状。并将降位漏斗形状与初始水平线对比来确定影响半径R，同时，测定模拟承压含水层的厚度M和井半径r_w，并最终确定承压含水层的水力传导系数K。试验过程中，通过抽水井流量控制系统可调节抽水井抽水量及承压水位降位漏斗曲线的坡度，井中水位降深等，从而获取承压井中水位降深s与承压井流量Q之间的关系曲线。通过测定水力传导系数可了解承压含水层的透水性能大小，从而评价污染物在地下水中的径流特征及迁移规律。而Q～s曲线则能用于评价承压含水层的排泄途径的畅通性、富水性，储水性，为区域找水、地下水资源开发利用及评价提供理论依据。

本发明可清晰、直观展现承压井抽水时地下水的运动过程和特征，通过本发明，演示屏上显示的地下水流迹线及承压水位变化特征，可以分析地下水向承压井的流动特征和所遵循的规律，并可熟悉承压井抽水实验的过程和相关的基础概念，学习抽水试验资料整理和分析，为野外实际抽水实验打下良好的基础。本发明根据相似模拟的原理，以水平承压含水层抽水井作为模拟对象，研究承压含水层完整井抽水时，承压水向井中运动的规律，清晰直观的呈现水流运动的状态，为研究承压水向井中运动提供了一种有效手段，可大大降低研究成本。同时，本发明将为环境水文地质领域研究人员研究污染物在地下水的径流特征和迁移规律提供一种全新的、有效的途径，在深层地下水开发利用中具有重要的工程实用价值。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的A向视图。

图3为图2的B-B剖视图。

图4为图2的C向视图。

图5为图4的D—D剖视图。

图6为图4的E—E剖视图。

图7为演示屏、窄缝槽渗流区、渗流板位置图。

图8为承压抽水井未抽水时原始水位置图。

图9为承压抽水井抽水时第一降深水位置图。

图10为承压抽水井抽水时第二降深水位置图。

图11为承压抽水井抽水时第三降深水位置图。

图12为承压抽水井抽水动态平面示意图。

图13为图12中的F—F剖视图。

具体实施方式：

参见图1～图7，本发明承压井抽水动态实验仪，包括有隔水底板5和垂直于隔水底板且与隔水底板连接的演示屏8的箱体9，位于箱体内平行于演示屏且与隔水底板连接的渗流板11。渗流板与隔水底板和箱体两侧面及演示屏间形成长度为260mm、高度300 mm、宽度为1.0 mm的矩形窄缝槽10。演示屏从上到下依次有模拟断面地表层1、模拟松散土履盖层2、模拟隔水顶板3、位于模拟隔水顶板底部与隔水底板间的模拟含水层4。窄缝槽上相对模拟顶板的位置上有隔水密封板13。隔水密封板与窄缝槽间形成窄缝槽渗流区10—1。窄缝槽渗流区的中部有垂直于水平面且底部与隔水底板连接的有由透水网格制成的透水井壁的模拟承压抽水井6。窄缝渗流区上的隔水密封板的厚度为模拟承压抽水井中承压水头的3/5。渗流板上相对模拟承压抽水井井壁底部的位置有承压抽水井排水孔12。一端与承压抽水井排水孔连接的抽水排水管14上装有抽水井控制阀15。在演示屏上在模拟含水层的位置、相对模拟承压抽水井两侧同一水平面等间距设置有多个承压水位观测接孔34。多根承压水位观测管7的下端分别穿过对应承压水位观测接孔伸入窄缝槽渗流区。在箱体内位于渗流板的两端分别有第一清水渗透箱16、第二清水渗透箱17、第一示踪剂渗透箱18、第二示踪剂渗透箱19。在渗流板上有若干将第一、第二清水渗透箱和第一、第二示踪剂渗透箱分别与窄缝槽渗流区相通的渗流孔20。清水连通软管21将第一清水渗透箱和第二清水渗透箱连通。示踪剂连通软管22将第一示踪剂渗透箱和第二示踪剂渗透箱连通。箱体上部装有清水供给箱23和示踪剂供给箱24。箱体顶部与清水供给箱和示踪剂供给箱对应位置分别有清水注水口25、示踪剂注入口26。分别与清水供给箱和示踪剂供给箱连通的带清水流量调节阀27及清水流量观测滴瓶33的清水供水管28和带示踪剂调节阀29及示踪剂流量观测滴瓶30的供示踪剂管31分别向清水渗透箱和示踪剂渗透箱提供清水、示踪剂。如图2所示，箱体上有流量观察孔32、示踪剂观察孔42。

图8为承压抽水井未抽水时原始水位置图。

图9为承压抽水井抽水时第一降深水位置图。

图10为承压抽水井抽水时第二降深水位置图。

图11为承压抽水井抽水时第三降深水位置图。

图12为承压抽水井抽水动态平面示意图。

图13为图12中的F—F剖面示意图。

图12、图13中的序号35、36、37、38、39、40、41分别为水流方向、等水位线、定水头补给边界、原始水位、第一降深水位、第二降升水位、第三降升水位。

通过演示屏可以观测到：抽水前各观测孔水位相同，承压水位连线为一水平线，抽水时，以抽水井为中心，两侧观测孔水位依次降低，形成降落漏斗曲线，抽水水位降深越大，降位漏斗曲线坡度就越大（水力梯度越大），水流速度也越大；在箱体设置清水供给箱和示踪剂供给箱用于补充清水补给箱和示踪剂补给箱的实验用水和示踪剂，两者用软管连通，软管中段分别设置流量控制开关和流量观测滴管，用于控制实验用水和示踪剂流量大小。通过仪器可以了解水平承压含水层及抽水井的构成，仪器工作时可以展现承压水向井中运动的状态特征。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (4)

1.承压井抽水动态实验仪，包括有隔水底板和与隔水底板连接的演示屏的箱体，位于箱体内平行于演示屏且与隔水底板连接的渗流板，渗流板与隔水底板和箱体两侧面及演示屏间形成宽度为0.5～1.5mm窄缝槽，演示屏从上到下依次有模拟断面地表层、模拟松散土履盖层、模拟隔水顶板、位于模拟隔水顶板底部与隔水底板间的模拟含水层，窄缝槽上相对模拟隔水顶板的位置有隔水密封板，隔水密封板与窄缝槽间形成窄缝槽渗流区，窄缝槽渗流区的中部有垂直于水平面且底部与隔水底板连接的有透水井壁的模拟承压抽水井，渗流板上相对模拟承压抽水井井壁底部的位置有承压抽水井排水孔，一端与承压抽水井排水孔连接的抽水排水管上装有抽水控制阀，在演示屏上在相对模拟含水层的位置、在模拟承压抽水井两侧同一水平面等间距设置有多个承压水位观测接孔，多根承压水位观测管的下端分别穿过对应承压水位观测接孔伸入窄缝槽渗流区，在箱体内位于渗流板的两端分别有第一清水渗透箱、第二清水渗透箱、第一示踪剂渗透箱、第二示踪剂渗透箱，在渗流板上有若干将第一、第二清水渗透箱和第一、第二示踪剂渗透箱分别与窄缝槽渗流区相通的渗流孔，清水连通软管将第一清水渗透箱和第二清水渗透箱连通，示踪剂连通软管将第一示踪剂渗透箱和第二示踪剂渗透箱连通，箱体上部装有清水供给箱和示踪剂供给箱，与清水供给箱连通的带清水流量调节阀及清水流量观测滴瓶的清水供水管向清水渗透箱提供清水，与示踪剂供给箱连通的带示踪剂调节阀及示踪剂流量观测滴瓶的供示踪剂管向示踪剂渗透箱提供示踪剂。

2.如权利要求1所述的承压井抽水动态实验仪，其特征在于窄缝槽的横截面形状为矩形。

3.如权利要求1或2所述的承压井抽水动态实验仪，其特征在于箱体上有流量观察孔、示踪剂观察孔。

4.如权利要求1或2所述的承压井抽水动态实验仪，其特征在于窄缝槽渗流区上的隔水密封板的厚度至少为模拟承压抽水井中承压水头的一半。