CN104952326A - 双层介质水气二相流模拟实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明双层介质水气二相流模拟实验装置，包括模拟槽，其被分成三个腔室，分别为两侧的地表水体模拟腔、模拟箱；模拟箱内自下而上为强渗透介质和弱渗透介质，模拟箱外壁上有数个观测管和插管，每个插管对应一根观测管，其底部通过软管与插管连通，插管位于强渗透介质侧面不同部位。插管插入地下水位以上强渗透介质中观测气压变化，中下部插管观测地下水位变化；模拟槽外安装升降装置，并在其上设置定水头溢流箱控制地表水体水位，强渗透介质中有示踪剂注入管，观测毛细水上升规律。本发明根据稳定后的U型测压管水头差测定包气带中的气压，捕捉气压随时间的变化规律，根据地下水位观测管的水头变化观测地下水位受气压变化后的动态特征，研究水-气作用机理。

Description

双层介质水气二相流模拟实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及水文地质学的地下水动力学技术领域，尤其是涉及一种双层介质水气二相流模拟实验装置。

背景技术

在水文地质领域，双层介质一般被认为是上层透水性较弱而下层透水性相对较强的复合水文地质结构，它广泛存在自然界中。如平原区河流两侧的阶地，上覆为薄层粘土下伏为砂卵砾石层，形成典型的二元结构；如中生界侏罗系、白垩系地层，由于特殊的沉积环境，形成泥岩覆盖在砂岩上的典型双层结构；又如城市路面填土，也可形成上弱下强渗透的双层结构。地下水可赋存于双层介质中。

自然界中地下水以重力水、结合水、毛细水等多种形式赋存于双层介质中。通过水文地质调查、勘测、试验等技术手段可掌握地下水的动态特征。而在气象、水文等因素的影响下，地下水位反复升降。自然界中的潜水面一般指地表以下，第一个具有自由表面的地下水位面。这个地下水位面是可以变化的，最高的地下水位面与最低的地下水位面的范围称为地下水位变动带。如果潜水面上部包气带的空气与大气始终处于自由连通状态，保持大气压不变，从而不影响饱和水流的运动。在多数情况下，包气带的确与外界大气保持很强的连通性。而对于具有弱渗透盖层包气带中，地下水位升降可导致包气带中的气压变化(出现真空或正压)，气压的变化过程则反作用于地下水位的升降过程，影响地下水位升降的速率及升降幅度，在这个过程中，水气相互作用强烈。同时，这个过程将直接影响包气带降雨入渗条件，直接改变降雨入渗路径、速率及入渗率等。

对于双层介质而言，一定时间后，支持毛细水的分布稳定，毛细水的上升高度达到最大值。而地下水位变动后，下层强渗透介质中的气压变化(出现真空或正压)后，这直接破坏了原有的支持毛细水的分布，致使支持毛细水重分布。一方面，这对非饱和带中溶质的迁移和转化有直接影响，此外，支持毛细水的再分布将改变介质性质参数(如含水量、渗透性、给水度等)，也改变了介质的土水特征曲线，这对工程建设可研阶段的工程地质问题的研究具有重要意义。

双层介质中地下水位变化后，水-气相互驱动过程复杂，研究难度大，如果采用计算机模拟作为研究手段，不便于认识介质中空气压力随时间演化的全过程，无法量测和捕捉重要的试验现象和水文地质信息，对水文地质概念模型进行概化后，计算结果模棱两可，给人们对包气带水-气相互作用机理的认识和研究带来很大的难度。

发明内容

本发明同时兼顾了空气流对注、排水过程的影响，将为水-气二相流的研究提供直接的实验数据。通过对试验数据深入分析，结合本学科相关理论，揭示包气带中水气二相流的动力学规律，探究双层介质中地下水变动过程对空气流的压力变化规律，水-气作用对毛细上升高度、上升速率等的影响。本发明根据相似模拟的原理，以自然界的双层介质作为模拟对象，研究地下水位升降下，双层介质包气带中水-气相互驱动的机理和过程，研究在这个过程中支持毛细水的重分布过程，这为研究双层介质的水-气相互作用提供了一种有效的技术手段，对水文地质学科的发展有一定的推动作用。

本发明提供的一种双层介质水气二相流模拟实验装置，其特征在于：包括具有开口的容器，所述容器为模拟槽，所述模拟槽中对称设置有两块与所述模拟槽的槽底垂直的第一隔板，所述第一隔板下部有透水孔；两个所述第一隔板将所述模拟槽分割成三个腔室，两侧的腔室为地表水体模拟腔，中间的腔室为模拟箱；

所述模拟箱内，自下而上设置有强渗透介质和弱渗透介质，所述强渗透介质和所述弱渗透介质用于模拟自然界中的双层松散孔隙介质；

在所述模拟箱外壁上，设置数个间隔设置的观测管，所述观测管包括两端具有开口的U型测压管、地下水位观测管，其中一根U型测压管和两根地下水位观测管形成一组观测管组，所述两根地下水位观测管分别为第一水位观测管、第二水位观测管，同时数个插管穿透模拟箱外壁安装在模拟箱上，且每个插管分别对应一个U型测压管和第一地下水位观测管，其中与U型测压管对应的插管其一端插入在强渗透介质的上部，另一端通过连接管与U型测压管底部连通，同时与第一地下水位观测管对应的插管其一端插入在强渗透介质底部地下水位位置，插管另一端通过连接管与第一地下水位观测管底部连通，而在模拟箱底部也插入一根插管，其中插管的一端插入强渗透介质内，另一端通过连接管与第二观测管底部连通，观测管上没有设置连接管的一端与大气连通；

地下水位观测管测量强渗透介质中的地下水位的变化；

所述模拟槽外，对称安装有升降装置，所述升降装置上均设置有定水头溢流箱，所述定水头溢流箱中设置有第二隔板，第二隔板将定水头溢流箱分成进水箱和排水箱，所述进水箱用于向地表水体模拟腔中供水，所述排水箱用于排水。

本发明提供的实验装置，根据稳定后的U型测压管水头差可测定包气带中的气压，并可确定其气压变化规律；同时根据地下水位观测管的水头变化可观测地下水位受气压变化后的动态特征，以研究水-气作用的机理。此外，根据示踪剂注入管也可观测不同时刻的毛细水分布特征、爬升速率和最大上升高度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例主视图；

图2为图1的后视图

图3为B-B方向示意图

图4为A-A方向示意图

图5为本发明俯视图

图6位图1局部放大图

附图序号说明：模拟箱1、第一隔板1-3、地表水体模拟腔1-4、模拟箱1-5、强渗透介质1-1、弱渗透介质1-2、储水箱2、模拟地表河流及水位3、U型测压管4、0.9g/cm3的酒精和水混合物5、地下水位观测管6、进水阀7、管道8、主管一81、主管二82、主管分支一81-1、主管分支二81-2、主管分支三82-1、主管分支四82-2、定水头溢流箱9、升降系统10、量筒11、水泵12、排水阀13、第二隔板14、第一插管15、软管16、第二插管17、第三插管18、连接夹19、示踪剂注入管20

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供双层介质水气二相流模拟实验装置的示意图。如图1所示，本实施例提供的一种双层介质水气二相流模拟实验装置，包括：具有开口的容器，所述容器为模拟槽1，模拟槽1中对称设置有两块与模拟槽1的槽底垂直的第一隔板1-3，第一隔板1-3下部有透水孔；两个第一隔板1-3将模拟槽1分隔成三个腔室，两侧的腔室为地表水体模拟腔1-4，中间的腔室为模拟箱1-5，其中两侧的地表水体模拟腔1-4内充满水介质，水介质用来模拟地表河流及水位，因此地表水体模拟腔1-4内的水根据需要具有最高地下水位线和最低地下水位线，使用最高地下水位线和最低地下水位线来表示地下水位的位置高度，地表水体模拟腔1-4内的水会从第一隔板1-3的透水孔进入模拟箱1-5；模拟箱1-5内，自下而上设置有强渗透介质1-1和弱渗透介质1-2，强渗透介质1-1和弱渗透介质1-2用于模拟自然界中的双层松散孔隙介质；在模拟箱1-5外侧壁上，设置数个两端都开口的观测管，观测管垂直放置，所述观测管分别为U形测压管4和普通的直形的地下水位观测管6，其中一根U形测压管4和两根地下水位观测管6为一组，形成观测管组，每组观测管组的观测管间隔均匀的排列，且每组的观测管通过连接夹19固定在模拟箱1-5外侧壁上，优选在模拟箱1-5外侧壁上共设置六组观测管组，六组观测管组间隔均匀的安装在模拟箱1-5外侧壁上，其中每根观测管的下端连接一根软管16，为了方便下述的描述，将一组观测管组中的两根地下水位观测管6分别区分为第一地下水位观测管6-1、第二地下水位观测管6-2。可以根据地下水位观测管的水头变化观测地下水位受气压变化后的动态特征，以研究水-气作用的机理。

其中位于强渗透介质的范围内、且处于最高地下水位以上，在模拟箱1-5上设置数个第一插管15，第一插管15穿透模拟箱1-5侧壁插入强渗透介质中，且数个第一插管15位于同一高度，每根第一插管15对应一根U形测压管4，与U形测压管4底部连接的连接管另一端连接第一插管15的一端，且第一插管15的另一端插入高于最高地下水位之上的强渗透介质中，第一插管15插入最高地下水位线以上的强渗透介质中可观测强渗透介质中非饱和带中的气压变化，连接管为软管16。

而位于地下水位变动带，即最高地下水位及最低地下水位之间的强渗透介质范围中，在模拟箱1-5上设置数个第二插管17，其中第二插管17穿透模拟箱1-5侧壁插入强渗透介质中，且数个第二插管17位于同一高度，每根第二插管17对应一根第一地下水位观测管6-1，与第一地下水位观测管6-1底部连接的软管16另一端连接第二插管17的一端，且第二插管17的另一端插入最高地下水位及最低地下水位之间的强渗透介质范围中，第二插管17的位置不能低于最低地下水位线的位置，位于强渗透介质范围中下部的插管观测地下水位的变化。

在模拟箱1-5的底部插入数根第三插管18，每根第三插管18对应一根第二地下水位观测管6-2，其中第三插管18穿透模拟箱1-5的底部伸入含水层底部，即强渗透介质的底部中。第三插管18其一端插入位于底部的强渗透介质中，另一端连接软管16，而软管16同时连接在第二地下水位观测管6-2的底部。

本发明中最低地下水位线以下始终都是饱水状态，实验装置中的最低地下水位和最高地下水位是指可通过升降装置来调节的水位下限和上限，从而形成地下水位变动带。

地下水位观测管用于测量强渗透介质中的地下水位的变化，需要注意的是第二插管位于最高地下水位及最低地下水位之间，因为设备在运行过程中，两端的地表水体模拟箱水位下降或上升都直接导致强渗透介质中地下水的下降或上升。需要注意的是图1中，当两侧地表水位位于图1中最低地下水位线时，第二插管处将测不到地下水位，此时仅需观测模拟箱最底部第三插管(第二地下水位观测管)所监测的地下水位即可。

同组观测管组中第一插管15、第二插管17、第三插管18间隔的位于同一竖直(即垂直于水平线的方向)方向上。

为了观测毛细上升现象，在竖直方向的任意两排管之间设置一根示踪剂注入管20，且示踪剂注入管插入在地下水位变动带，其中示踪剂注入管的自由端与大气连通，优选按照从左向右的方向在第一组观测管组与第二条观测管组中间位置插入踪剂注入管23，优选示踪剂注入管20管径为8mm，为了方便观察示踪剂注入管内的变化，在示踪剂注入管内加入示踪剂，方便观测毛细水上升现象，不同时刻毛细水分布特征、爬升速率和最大上升高度。

每个所述地下水位观测管的一端通过插管与所述模拟箱1-5中的强渗透介质1-1连通，另一端与外界大气连通；模拟槽1外，对称安装有升降装置10，升降装置10上均通过连接件安装定水头溢流箱9，定水头溢流箱9控制两侧地表水体水位，定水头溢流箱9中设置有第二隔板14，第二隔板14将定水头溢流箱9分成进水箱9-1和排水箱9-2，进水箱用于向地表水体模拟腔1-4中供水，排水箱用于排水。模拟槽1的下端设置储水箱2，储水箱2内安装水泵12，水泵12优选恒流量水泵，其中定水头溢流箱9的底部设置有两根主管道8，分别为主管一81、主管二82，其中主管一81与进水箱连通，主管二82与出水箱连通，且主管一81、主管二82下端具有数根管道分支，但是模拟槽1两侧的管道分支数并不对称，以附图1为基准，在模拟槽1左侧的主管一81下端分离出两根主管分支，分别为主管分支一81-1、主管分支二82-2，主管分支一81-1的自由端与地表水体模拟腔1-4的底部连通，主管分支二81-2与水泵12连通，主管分支二81-2主要抽取储水箱2内的水；左侧的主管二82也分离出两根主管分支，分别为主管分支三82-1、主管分支四82-2，主管分支三82-1自由端放置在储水箱内，用来回流从模拟槽1内出来的水，主管分支四82-2自由端连接有一个量筒11，用来回收部分从模拟槽内流出的水。

模拟槽右边的主管二82与左侧的管道对称。右边的主管一81没有分支管道，只是与地表水体模拟腔1-4的底部连通。为了控制每个管道上的水流大小，在左侧的主管分支二81-2、主管分支三82-1、主管分支四82-2上分别安装进水阀7。而右侧的管道上，只有主管一81没有安装排水阀13。

在本发明的实施例中，根据相似原理，将自然界中的双层介质及钻孔(井)按照一定比例缩小制作成水-气相互驱动试验模型，采用砂槽模拟技术来模拟双层介质中地下水位升降过程中水-气相互驱动过程。为了使模型与原型各物理量成一定的比例关系，本发明遵从以下4个条件：①几何相似，模型的长度因次物理量与原型应具备如下相似关系，设x*为相似常数，x*＝x_p/x_m，即为原型(p)与模型(m)的相似比n，本发明的长度(l)、宽度(w)、含水层厚度(H)、及水头值(h_n)符合关系式：l*＝w*＝H*＝h_n*＝n；②动力相似，在地下水位升降过程中，双层介质包气带中的气压将发生变化(出现正负压)，应使地质原型的地下水升降幅度(Δh)与模型符合相似关系，即Δh*＝n；③运动相似，在地下水位升降过程中，双层介质包气带中的气压变化，应使地质原型的地下水升降速率(V)与模型符合相似关系，即原型包气带中的空气流速也与模型存在一定相似关系，且空气流流速应与水位下降速率保持一致；④边界条件相似，即地表水水头等的相似。

根据几何相似，模拟槽1长1.5m，宽0.3m，高0.8m，第一隔板2为高0.8m，宽0.3m，厚15mm的有机玻璃板，第一隔板1-3的下部有透水孔，透水孔孔径为5mm，透水孔占板面积应小于等于第一隔板1-3总面积的1/4。模拟槽1采用厚10mm透明有机玻璃材料制作，为满足装置的刚度及强度，有机玻璃均用厚50mm的角钢包边。第一隔板1-3将地表水体模拟腔1-4与强渗透介质1-1隔开，地表水体模拟腔1-4水位直接改变强渗透介质1-1的水位，从而模拟自然界中的地下水位升降过程。

根据动力相似，上层弱渗透介质1-2选用粒径0.075～0.5mm的中细砂，厚约0.3m，下层强渗透介质1-1选用粒径为1～2mm的粗砂，以模拟自然界中的双层松散孔隙介质，即模拟潜水含水层。

为了便于观测，优选U型测压管5为管径10mm的有机玻璃管，管内盛有密度为0.9g/cm3的酒精水混合物5，并添加显色剂以便肉眼观测箱体内的气压变化。模拟箱1-5外侧的地下水位观测管用于观测地下水位升降过程中潜水面的形态。

模拟槽1外，对称安装有升降装置10，升降装置10上均设置有定水头溢流箱9，定水头溢流箱9中设置有第二隔板14，将定水头溢流箱9分成进水箱9-1和排水箱9-2，进水箱用于向地表水体模拟腔1-4中供水，排水箱用于排水。升降装置10可以由常见的螺纹杆及摇柄组成，当摇柄逆时针旋转时，升降装置10带动定水头溢流箱9逐渐降低，从而实现地表水位下降；反之升降装置10带动定水头溢流箱9逐渐升高，从而实现向地表水体模拟腔1-4中注水使地下水位上升。

在上述实施例的基础上，进一步地，在每组观测管组的一侧都设置刻度尺，用于观测支持毛细水的上升速率υ及最大上升高度hc_max。

在上述实施例的基础上，进一步地，为了更好的向模拟箱中注水，如图1所示，拟制的水气二相流实验装置还包括储水箱2，储水箱2位于模拟槽1的下方，尺寸为1.5m×0.5m×0.3m，用厚10mm的PVC材料制作，以厚50mm的角钢包边。储水箱2内有恒流量水泵，用于在试验过程中供水给进水箱。

在上述实施例的基础上，进一步地，如图1所示，拟制的水气二相流实验装置还包括量筒11，用于测量在实验过程中排水箱排出的水量，我们可以通过秒表同时检测，计算出排水速率。

通过以上实施方式，可以观测到注排水前各地下水位观测管水位相同，潜水面连线为一水平线，注水后，地表水位上升，地下水位升高，包气带中的气压不能及时与大气保持相通，气压瞬时增大。排水后，地表水位下降，地下水位降低，包气带中的气压不能及时与大气保持相通，气压瞬时减少，出现真空。根据稳定后的U型测压管水头差可测定包气带中的气压，并可确定其气压变化规律，同时根据示踪剂注入管也可观测不同时刻的毛细水分布特征、爬升速率和最大上升高度。

本发明工作时，①地下水位上升：先将模拟槽1两端的定水头溢流箱9通过升降装置10降到最低位置，且使两侧定水头溢流箱9处于同一高程，接通电源使水泵12抽取储水箱2内的水，待定水头溢流箱9开始溢水后，关闭水泵电源，多余的水排出后，关闭定水头溢流箱底部水泵出水管上的进水阀，这时模拟槽一侧的上下两排地下水位观测管水头值都处于同一水平面上，这时强渗透介质1-1中的地下水位即为天然地下水位，所有U型测压管内液面相平，表示潜水面以上与大气保持良好的连通性。在示踪剂管中加入示踪剂，待毛细水达到最大上升高度时，将两侧定水头溢流箱9升高某一高度(该高度应小于任意U型测压管节点高度，这个节点高度就是第一插管的高度)，打开水泵，打开管道中控制出水的管道上的进水阀，箱体内地表水位逐渐升高，强渗透介质中地下水位也持续上升，待稳定后，潜水面以下地下水位观测管液面相平，而U型测压管在整个地下水位变化过程中持续出现液面差，液面差先增大，后趋于稳定，最后液面差逐渐减小，最后消失。同时，在模拟箱侧面可以观察支持毛细水的上升高度先减小，后逐渐增大，最后趋于初始最大上升高度处。②地下水位下降：先将模拟槽1两端的定水头溢流箱9调至较高位置(该高度应小于任意U型测压管节点高度，即第一插管的高度)，且使两侧定水头溢流箱9处于同一高度，接通电源使水泵12抽水，待定水头溢流箱9开始溢水后，关闭水泵电源，多余的水排出后，关闭负责出水的管道上的进水阀，这时模拟槽一侧的上下两排地下水位观测管水头值都处于同一水平面上，这时强渗透介质1-1中的地下水位即为天然地下水位，所有U型测压管内液面相平，表示潜水面以上与大气保持良好的连通性。在示踪剂注入管中加入示踪剂，待毛细水达到最大上升高度时，将两侧定水头溢流箱降低至模拟箱底部，打开负责出水的管道上的排水阀，箱体内地表水位逐渐下降，强渗透介质中地下水位也持续下降，待稳定后，潜水面以下地下水位观测管液面相平，而U型测压管在整个地下水位变化过程中持续出现反向液面差，液面差先增大，后趋于稳定，最后液面差逐渐减小，最后消失。同时，在模拟箱侧面可以观察支持毛细水的上升高度先增大，后逐渐减小，最后趋于初始最大上升高度处。双层介质地下水位升降过程中包气带中的相对压强、空气流速可用如下公式描述：

P_u＝|P-P_a|/γ_水         (1)

$q_a=-{\mathrm{kk}}_{ra}(\frac{\∂P_a}{\∂z}+{\mathrm{\γ}}_a)/{\mathrm{\μ}}_a---\left(2\right)$

上述(1)式中，P_u为包气带中的空气相对压强(N/cm²)；P为砂槽水位面以上的空气绝对压强(N/cm²)；P_a为大气压强(N/cm²)；γ_水为水的重度(N/cm³)；(2)式中，q_a为空气流速，向下为正，(cm/s)；k为介质的绝对渗透率(cm²)；k_ra为介质中空气的相对渗透率(cm²)，假定其为常数；μ_a为空气的动力粘度(N/(cm.s))；P_a为大气压强(N/cm²)；γ_a为空气重度(N/cm³)；如忽略重力对气流的影响，则上层介质上下表面由于空气压差引起的空气流速可简化描述为

q_a＝K_aP_u/D           (3)

K_a＝kk_raγ_水/μ_a          (4)

上述(3)、(4)式中，D为上盖层厚度(cm)，K_a为等效透气系数；kk_ra为盖层的空气绝对渗透率；

利用本发明开展试验后，一方面可以测定自然界中不同结构的双层孔隙介质中地下水位升降过程不同升降幅度、升降速率下的包气带中空气相对压强P_u随时间的演化过程，即包气带中的正压、真空形成、稳定与消失的完整过程，同时可以测定双层介质中不同厚度的覆盖层的等效透气系数Ka，从而测算不同时刻的空气流速q_a。且在这个过程中毛细水的上升高度(h_c)与时间t的关系曲线也能通过监测而获取。这为研究自然界的双层介质中污染物迁移、转化规律的研究奠定基础。同时，这为研究双层介质的水-气相互作用提供了一种有效的技术手段，对水文地质学科的发展有一定的推动作用。

本发明根据相似模拟的原理，以自然界的双层介质为模拟对象，通过试验可清晰、直观展现双层介质中地下水位升降所形成的包气带中空气压强变化、空气流速的变化，清晰直观的呈现在包气带中气压变化导致的支持毛细水的上升速率及重分布特征，为包气带中的水-气相互驱动机理的研究一种科学、有效的技术手段，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溶质在非饱和带中的入渗和迁移规律提供了方法，本发明可为地表水与地下水的转化机制研究、区域地下水资源调节、储存及动态变化提供评价依据，同时，对低中放废物处置场和固体废物填埋场的设计等领域都具有实际工程意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种双层介质水气二相流模拟实验装置，其特征在于：包括具有开口的容器，所述容器为模拟槽，所述模拟槽中对称设置有两块与所述模拟槽的槽底垂直的第一隔板，所述第一隔板下部有透水孔；两个所述第一隔板将所述模拟槽分割成三个腔室，两侧的腔室为地表水体模拟腔，中间的腔室为模拟箱；

所述模拟箱内，自下而上设置有强渗透介质和弱渗透介质，所述强渗透介质和所述弱渗透介质用于模拟自然界中的双层松散孔隙介质；地表水体模拟腔内根据水位的升降具有最低地下水位和最高地下水位；

在所述模拟箱外壁上，设置数个间隔设置的观测管，所述观测管包括两端具有开口的U型测压管、地下水位观测管，其中一根U型测压管和两根地下水位观测管形成一组观测管组，所述两根地下水位观测管分别为第一水位观测管、第二水位观测管，同时数个插管穿透模拟箱外壁安装在模拟箱上，且每个插管分别对应一个U型测压管和第一地下水位观测管，其中与U型测压管对应的插管其一端插入在强渗透介质的上部，另一端通过连接管与U型测压管底部连通，同时与第一地下水位观测管对应的插管其一端插入在强渗透介质底部地下水位位置，插管另一端通过连接管与第一地下水位观测管底部连通，而在模拟箱底部也插入一根插管，其中插管的一端插入强渗透介质内，另一端通过连接管与第二观测管底部连通，且观测管上没有设置连接管的一端与大气连通；

地下水位观测管用于测量强渗透介质中的地下水位的变化；

所述模拟槽外，对称安装有升降装置，所述升降装置上均设置有定水头溢流箱，所述定水头溢流箱中设置有第二隔板，第二隔板将定水头溢流箱分成进水箱和排水箱，所述进水箱用于向地表水体模拟腔中供水，所述排水箱用于排水。

2.根据权利要求1所述的双层介质水气二相流模拟实验装置，其特征在于：模拟箱外壁上设置六组观测管组，每组间隔均匀的安装在模拟箱外壁上，其中与U型测压管对应的插管连线在一条水平线上；

与第一地下水位观测管对应的插管连线在一条水平线上；

与第二地下水位观测管对应的插管连线在一条水平线上；

且同组观测管组中的与U型测压管和第一地下水位观测管对应的插管连线在一条竖直线上。

3.根据权利要求2所述的双层介质水气二相流模拟实验装置，其特征在于：在任意两组观测管组中间从上往下插入示踪剂注入管，示踪剂注入管插入强渗透介质的最高地下水位线以下，而示踪剂注入管的自由端与大气连通，同时在示踪剂注入管内加入示踪剂。

4.根据权利要求1所述的双层介质水气二相流模拟实验装置，其特征在于：还包括储水箱，所述储水箱设置在所述模拟槽的下方；所述储水箱内设置有水泵，所述水泵与所述进水箱连通，所述排水箱与所述储水箱连通。

5.根据权利要求3所述的双层介质水气二相流模拟实验装置，其特征在于：还包括量筒；

其中定水头溢流箱的底部设置有两根主管道，分别为主管一、主管二，其中主管一与进水箱连通，主管二与出水箱连通，且主管一、主管二下端具有数根管道分支，所述管道分支分别单独与水泵、量筒、储水箱、模拟箱底部连通；

所述量筒用于测量在实验过程中所述排水箱排出的水量。

6.根据权利要求1所述的双层介质水气二相流模拟实验装置，其特征在于：所述模拟槽和所述第一隔板、第二隔板均采用透明有机玻璃材料制成。

7.根据权利要求1-6任一项所述的双层介质水气二相流模拟实验装置，其特征在于：所述U型测压管为有机玻璃U型管，其管径直径φ的范围为：20mm≤φ≤5mm，管内有密度为0.9g/cm3的酒精水混合物，并添加显色剂。

8.根据权利要求1-6任一项所述的双层介质水气二相流模拟实验装置，其特征在于：所述弱渗透介质为粒径0.075～0.5mm的中细砂，厚约0.3m；所述强渗透介质为粒径1～2mm的粗砂。

9.双层介质水气二相流模拟实验装置的使用方法，其特征在于：地下水位上升：先将模拟槽两端的定水头溢流箱通过升降装置降到最低位置，且使两侧定水头溢流箱处于同一高度，接通电源使水泵抽取储水箱内的水，待定水头溢流箱开始溢水后，关闭水泵电源，多余的水排出后，关闭水泵管道上的进水阀，这时模拟槽一侧的上下两排地下水位观测管水头值都处于同一水平面上，这时强渗透介质中的地下水位即为天然地下水位，所有U型测压管内液面相平，表示潜水面以上与大气保持良好的连通性；在示踪剂管中加入示踪剂，待毛细水达到最大上升高度时，将两侧定水头溢流箱升高，所述升高的高度小于与任意U型测压管相对应的第一插管的高度，打开水泵，打开水泵管道上的进水阀，模拟槽内地表水位逐渐升高，强渗透介质中地下水位也持续上升，待稳定后，潜水面以下地下水位观测管液面相平，而U型测压管在整个地下水位变化过程中持续出现液面差，液面差先增大，后趋于稳定，最后液面差逐渐减小，最后消失；同时在模拟箱侧面观察支持毛细水的上升高度先减小，后逐渐增大，最后趋于初始最大上升高度处；

地下水位下降：先将模拟槽两端的定水头溢流箱调至一个位置，其调制的高度小于与任意U型测压管相对应的第一插管的高度，且使两侧定水头溢流箱处于同一高度，接通电源使水泵抽水，待定水头溢流箱开始溢水后，关闭水泵电源，多余的水排出后，关闭水泵出水管上的进水阀，这时模拟槽一侧的的地下水位观测管水头值都处于同一水平面上，这时强渗透介质中的地下水位即为天然地下水位，所有U型测压管内液面相平，表示潜水面以上与大气保持良好的连通性；

在示踪剂管中加入示踪剂，待毛细水达到最大上升高度时，将两侧定水头溢流箱降低至模拟箱底部，打开水泵出水管上的排水阀，模拟箱体内地表水位逐渐下降，强渗透介质中地下水位也持续下降，待稳定后，潜水面以下地下水位观测管液面相平，而U型测压管在整个地下水位变化过程中持续出现反向液面差，液面差先增大，后趋于稳定，最后液面差逐渐减小，最后消失；同时在模拟箱侧面观察支持毛细水的上升高度先增大，后逐渐减小，最后趋于初始最大上升高度处。