CN107957383B - 模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟非饱和带瞬态流‑稳态流转化机理的试验装置及方法，包括用于模拟土体的敞口玻璃瓶以及设置在其上方的供水装置，供水装置底部设置有出口正对玻璃瓶顶部的出水管，出水管上设置流速控制阀门；玻璃瓶底部开设玻璃瓶出水口，玻璃瓶出水口设置有橡皮塞；供水装置底部还设置有一排水管和进水水管，排水管顶端伸入供水装置容腔内，进水管连接在水闸与供水装置之间；将水在非饱和土中的流动概化为在重力作用下水在垂向排列的开孔容器中流动的一维流模型，利用水量平衡原理和伯努利方程，进行水力计算和推导，得到任意时刻任意容器单元的流速和水位关系，并通过试验对该模型进行了验证，结果符合理论设想，也符合非饱和土渗流规律。
Description
技术领域
本发明涉及水文地质与工程地质技术领域，具体涉及一种模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置及方法。
背景技术
非饱和带是地下水与大气降水、地表水进行交换的必经通道，是衔接地表水和地下水的纽带，在地下水科学、环境科学、农林水利工程以及地质灾害防治工程中非饱和带起着举足轻重的作用，且在我国西北干旱半干旱地区，荒漠化与水土流失严重，生态环境极其脆弱，因此，进行非饱和带水分运移规律的研究，对该区地下水资源的定量评价、地表植被的生态效应问题以及工程地质问题的研究意义重大。
目前常用的模拟非饱和带入渗的方法可以总结为一维土柱瞬态入渗法，其原理是将水在柱状土体中的流动概化为一维流入渗，在上部边界施加一定的补给量，通过观测不同时刻不同深度土体中水份的含量，利用达西定律、能量守恒原理等数学手段，得到重力作用下水份在所研究土体中的迁移规律，从而预测出一定补给条件下不同时刻非饱和土的含水率或不同含水率下土壤的持水能力。其中，构成土柱的方式有直接取原状土柱样、将土夯填在柱状容器中或将环刀样按一定顺序垒成柱状等手段，观测土体含水率的方式有直接称重法、插水分计、电阻法、γ射线法等。经过大量验证，这些方式得到的土水特征曲线是可信的，然而水在非饱和土中的流动是抽象的，无法像地表水一样直观地呈现出来；且一维土柱瞬态入渗法在研究不同渗透特性、不同深度的土的渗透性变化时耗力、耗时难以操作，在实验过程中测含水率的成本也会随测量精度的提高而大大增加。理论推导瞬态流-稳态流转化机理一般借助非饱和土力学的公式，但是计算过程是相对复杂的。
因此，为了直观、方便、简单且经济地模拟出水在非饱和带从瞬态到稳态的变化过程，有必要提出一套新的模型以及试验方案来补充现有的室内模拟试验，为研究非饱和带水份的迁移规律提供新的思路。
发明内容
为了解决现有理论模型繁琐，室内模拟不直观、难以灵活控制入渗条件等问题，本发明提供了一种模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置及模拟方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，包括用于模拟土体的敞口玻璃瓶以及设置在玻璃瓶上方的供水装置，供水装置的底部设置有出口正对玻璃瓶顶部开口的出水管，出水管上设置有流速控制阀门；玻璃瓶底部开设有玻璃瓶出水口，还包括用来密封玻璃瓶出水口的橡皮塞；供水装置底部还设置有一排水管和用于给供水装置加水的进水水管，排水管顶端伸入供水装置容腔内，进水管连接在水闸与供水装置之间。
玻璃瓶至少为一个，当玻璃瓶数量大于时，玻璃瓶之间同轴竖直设置，供水装置设置在顶级玻璃瓶的正上方。
还包括设置在末级玻璃瓶下方用于容纳末级玻璃瓶出水的水槽，水槽上设有刻度。
玻璃瓶内径为3.6cm、高19cm、出口孔径小于2mm、最大容积165mL；玻璃瓶上设有刻度；用紧固螺丝将玻璃瓶用金属管卡固定在墙面上，相邻两玻璃瓶之间的间隔为1cm，金属管卡直径75cm。
供水装置放置在由固定螺丝固定的面板上，进水管一端与水闸相连，另一端设置在供水装置的上部敞口处。
排水管直径为2cm，出水管的直径为0.5cm，进水管直径为1.5cm。
本发明还提供了一种模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的方法，包括以下步骤：
步骤1，根据所要模拟的土体的渗透速率选择玻璃瓶，将玻璃瓶纵向安装在供水装置的下方，在最下端的玻璃瓶底部放置一个带有刻度的水槽，水槽用来承接由玻璃瓶组成的水流系统中流出的余水；
步骤2、用橡皮塞封闭每个玻璃瓶的出水口；
步骤3、关闭流速控制阀门，打开水闸，通过进水管为供水装置加水，当水面到达排水管上端口处时，水就会沿排水管流出，供水装置中的水位保持在与排水管上端平齐的恒定水位处，排水管上端可以外接硬管来实现供水装置中不同高度的恒定水位；
当进行恒水头试验时，供水装置加水完毕后将流速控制阀门打开，微调整水闸使得供水装置中水位恒定；当进行变水头试验时，供水装置加水完毕后将水闸关闭，打开流速控制阀门，直至供水装置中的水流尽后再打开水闸向供水装置中加水至排水管上端口处后关闭水闸，以此循环至实验结束；
步骤4、用温度计测量出供水装置中的水温并进行记录；记录好每个瓶子的初始水位，同时打开流速控制阀门和橡皮塞，并开始计时，试验开启；每隔10秒，对所有玻璃瓶中的水位进行观察并记录，直至最后一个玻璃瓶内的水位不再变化，各个玻璃瓶的供给与排泄达到平衡，系统达到稳定状态试验结束，试验结束时测取供水装置中的的水温；
步骤5、将试验数据录入到电脑中生成t-h曲线，计算出设计条件下的系统的稳定时间、稳定水位、影响深度、稳定净补给量。
所述步骤中还包括在供水装置的溶液中添加有色溶剂。
所述步骤中还包括向玻璃瓶中加入初始水量，初始水量根据玻璃瓶所模拟的土体的含水率进行添加。
本发明的水力模型建立过程如下，在理论上，水力模型由若干开孔容器上下相接组成，均为敞口容器，可接受上层容器从底部开孔处流下的水份补给。开孔大小代表容器的容水能力，用来模拟土层的渗透系数。试验设计图见说明书附图1，水力计算示意图见图2，得到任意开孔容器的流速和水位的关系如下：
其中，vi为第i个开孔容器的流速，g为重力加速度，t为时间，Δt为时间间隔，h为第i个开孔容器内的水位，Q为Δt时间内流入到第i个开孔容器的水量，R为第i个开孔容器的半径，ri为第i个开孔容器底部开孔的半径，ri-1为第i-1个开孔容器即第i个容器上端容器的底部开孔的半径。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，其中用底部带有出水孔的玻璃瓶组成渗水系统来模拟非饱和土的水份入渗过程简单而直观，且符合非饱和土渗透规律和水力学规律，为研究非饱和带渗透规律提供了新思路，整个试验装置可操作性高，能灵活安装不同个数、不同过水能力以及不同材料的容器单元，可以多角度进行对比研究，供水装置利用较大半径出水管能够将超过出水管的水及时排出，使供水瓶在持续供水中还能保持恒定水位，克服了马氏瓶不能持续供水的缺点和现有恒水头供水装置安装复杂成本高的弊端。
附图说明
图1是理论模型的理想试验设计图；
附图中：1-供水装置，2-固定螺丝，3-面板，4-出水管，5-流速控制阀门，6-进水管，7-排水管，8-金属管卡，9-水闸，10-紧固螺丝，11-玻璃瓶，12-玻璃瓶出水口，13-水池，14-橡皮塞，15-水槽。
图2是图1水力计算的示意图；
附图中：i-某开孔容器，a-a为上部液面，b-b为下部液面，a’-a’为水位变化后的上部液面，h为初始水位，Δh为水位变化量，Qi为流入开孔容器i内的水量，Qi-1为流出开孔容器i内的水量。
图3是理论计算—定水头供给下各水力单元水位随时间的变化。
图4是理论计算—变水头供给下各水力单元水位随时间的变化。
图5是试验验证—定水头供给下各玻璃瓶内水位随时间的变化。
图6是试验验证—变水头供给下各玻璃瓶内水位随时间的变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
水在土体中的流动受土壤类型、粒度特征、孔隙大小及其分布等影响，关于这些因素对水流动的影响研究不胜其数，也不能给出一个简单明了的解释。本发明认为，不论有多种控制因素，都可以将水在土体中的流动简化为水在可容纳一定量水的容器中的流动的传递，这种传递随着时间的推移从波动传递变成稳定传递，最终整个传递系统呈现出符合力学规律的稳定状态，这与水在非饱和土中的流动特征是完全吻合的，具体为三个阶段(假设未形成地表径流，水份全部下渗)，第一阶段为渗润阶段，这个阶段土壤入渗能力较大，而随着土体中含水量的增加，入渗能力迅速递减；第二阶段为渗漏阶段，下渗能力的递减速率减缓；第三阶段即为渗透阶段，土体中的体积含水量已将达到田间持水量，水分仅在重力作用下运动，而重力是一个稳定的作用力，因此水的下渗达到一个稳定的状态。前两个过程就是水的瞬态流动过程，第三个过程为水的稳态流动。
本发明直接用一种底部开孔、上部敞口的容器来代替实际中的土体，用开孔的大小即该容器允许水通过的快慢程度来对应土壤中毛细作用、短程吸附作用、渗透作用等阻碍水份下渗的特征，用不同的开孔容器来表示不同渗透能力或持水能力的土壤，将不同的开孔容器按一定规律垂直相接，构成一个水份的垂直传递系统，将水在非饱和土中的渗流概化为水在重力作用下的一维流模型，利用水量平衡原理和伯努利方程，科学地进行水力计算。具体计算推导如下：
计算示意图见图2，取容器内液面为a-a剖面，容器下方出口处为b-b剖面，并将其作为参考平面。由于是理想流体，沿程不考虑能量损失，根据理想流体的伯努利方程，上下游两个断面间总水头(或者机械能)保持守恒：
由于P0＝P1，原式简化为：
对最上部容器：
则可推出v1：
对其他容器由vi到vi+1的进行迭代依次求解：
根据连续性方程可得：
即：
所以每时步容器i流出的水量，即容器i+1的流入量为qi+1：
容器i进入的水量qi，即第i-1个容器的流出量：
可得模型中间任意位置的容器水位和时间的关系：
对第一层：
综上所述：
其中，vi为第i个开孔容器的流速，v0为流入到第一个开孔容器内水流的速度即系统的补给速度，ρ为开孔容器内水的密度，g为重力加速度，h为第i个开孔容器内的水位，Δh为第i个开孔容器内的水位的变化量，t为时间，Δt为时间间隔，P0为大气压力，P1为第一个开孔容器上液面上的大气压力，Qin＝Qi为流入到第i个开孔容器的水量，Qout＝Qi+1为第i个开孔容器流出的水量也就是流入到第i+1个开孔容器的水量，Q为供给的水量，Ri为第i个开孔容器的半径，R为供给容器的半径，ri为第i个开孔容器底部开孔的半径，ri-1为第i-1个开孔容器即第i个容器上端容器的底部开孔的半径。
对上述理论解释的进行试验验证，如图1所示，本发明包括用于模拟土体的敞口五个玻璃瓶11以及设置在玻璃瓶11上方的供水装置1，玻璃瓶11之间同轴竖直设置，供水装置1设置在顶级玻璃瓶的正上方；供水装置1放置在由固定螺丝2固定的面板3上，进水管6一端与水闸9相连，另一端设置在供水装置1的上部敞口处，供水装置1的底部设置有出口正对玻璃瓶顶部开口的出水管4，出水管4上设置有流速控制阀门5；玻璃瓶11底部开设有玻璃瓶出水口12，还包括用来密封玻璃瓶出水口12的橡皮塞14；供水装置1底部还设置有一排水管7和用于给供水装置1加水的进水水管6，排水管7顶端伸入供水装置7容腔内，进水管6连接在水闸9与供水装置1之间；
还包括设置在末级玻璃瓶下方用于容纳末级玻璃瓶出水的水槽15，水槽15上设有刻度；在本实施例中，玻璃瓶11内径为3.6cm、高19cm、出口孔径小于2mm、最大容积165mL；玻璃瓶11上设有刻度；用紧固螺丝10将玻璃瓶11用金属管卡8固定在墙面上，相邻两玻璃瓶11之间的间隔为1cm，金属管卡8直径75cm；排水管7直径为2cm，出水管4的直径为0.5cm，进水管6直径为1.5cm。
如图3、4、5和6所示：通过理论和试验数据的初步对比，用本发明模拟的非饱和带瞬态流到稳态流的转化是可行的，值得在现有研究的基础上继续深入研究非饱和带的渗流规律。理论和试验的部分成果曲线，图3和图4是本发明理论计算下的结果，单元1、2、3、4、5表示的是从上到下垂向排列的不同开孔半径的水力单元，结果显示，在定水头供给条件下，水力单元1、2、3、4、5内的水位从零开始依次增加，最上层的水力单元1首先达到稳定状态，最底层的水力单元5最后达到稳定状态，这之后，尽管系统仍在持续供水，但各个水力单元内的水位不再发生变化；在变水头供给条件下，单元1首先响应变水头供水的波动，并在100秒左右时波动达到一个稳定变化状态，单元2对变水头供水的波动的响应略迟，且水位波动程度明显弱于单元1，在150秒左右时单元2的水位波动也达到了一个稳定变化状态，这之后，单元3、4、5内的水位与定水头供水相类似，水位依次增加到稳定状态，没有波动。
图5和图6是本发明的试验验证，图1中玻璃瓶由上到下依次为1—5，瓶1、2、3、4、5表示试验装置中从上到下垂向排列的不同开孔半径的玻璃瓶，玻璃瓶内的水位变化规律与理论计算的结果相符，即定水头供给条件下，瓶1、2、3、4、5内的水位从零开始依次增加，最上层的瓶1首先达到稳定状态，最底层的瓶5最后达到稳定状态，这之后，尽管系统仍在持续供水，但各个瓶内的水位不再发生变化；在变水头供给条件下，瓶1首先响应变水头供水的波动，瓶2对变水头供水的波动的响应略迟，且水位波动程度明显弱于瓶1，在瓶2的水位波动也达到了稳定变化状态后，瓶3、4、5内的水位与定水头供水相类似，水位依次增加到稳定状态，且没有波动。
理论计算和试验验证的规律与非饱和带渗流特征相似，在自然状态中，非饱和带一定深度处，水份迁移会达到稳定状态时，渗流区内的含水率将保持恒定；在这一深度之上，土壤内的水份会随着降雨、灌溉、蒸发等外界干扰的程度的大小发生不同的变化。
Claims (6)
1.模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，其特征在于，包括用于模拟土体的敞口玻璃瓶（11）以及设置在玻璃瓶（11）上方的供水装置（1），供水装置（1）的底部设置有出口正对玻璃瓶顶部开口的出水管（4），出水管（4）上设置有流速控制阀门（5）；玻璃瓶（11）底部开设有玻璃瓶出水口（12），还包括用来密封玻璃瓶出水口（12）的橡皮塞（14）；供水装置（1）底部还设置有一排水管（7）和用于给供水装置（1）加水的进水水管（6），排水管（7）顶端伸入供水装置（7）容腔内，进水管（6）连接在水闸（9）与供水装置（1）之间；
玻璃瓶（11）至少为一个，当玻璃瓶（11）数量大于一时，玻璃瓶（11）之间同轴竖直设置，供水装置（1）设置在顶级玻璃瓶的正上方；
还包括设置在末级玻璃瓶下方用于容纳末级玻璃瓶出水的水槽（15），水槽（15）上设有刻度；
玻璃瓶（11）内径为3.6 cm、高19 cm、出口孔径小于2 mm、最大容积165 mL；玻璃瓶（11）上设有刻度；用紧固螺丝（10）将玻璃瓶（11）用金属管卡（8）固定在墙面上，相邻两玻璃瓶（11）之间的间隔为1cm，金属管卡（8）直径75 cm。
2.根据权利要求1所述的模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，其特征在于，供水装置（1）放置在由固定螺丝（2）固定的面板（3）上，进水管（6）一端与水闸（9）相连，另一端设置在供水装置（1）的上部敞口处。
3.根据权利要求1所述的模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，其特征在于，排水管（7）直径为2cm，出水管（4）的直径为0.5cm，进水管（6）直径为1.5cm。
4.模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，包括以下步骤：
步骤1，根据所要模拟的土体的渗透速率选择玻璃瓶（11），将玻璃瓶（11）纵向安装在供水装置（1）的下方，在最下端的玻璃瓶底部放置一个带有刻度的水槽（15），水槽（15）用来承接由玻璃瓶组成的水流系统中流出的余水；
步骤2、用橡皮塞（14）封闭每个玻璃瓶（11）的出水口（12）；
步骤3、关闭流速控制阀门（5），打开水闸（9），通过进水管（6）为供水装置（1）加水，当水面到达排水管（7）上端口处时，水就会沿排水管（7）流出，供水装置（1）中的水位保持在与排水管（7）上端平齐的恒定水位处，排水管（7）上端可以外接硬管来实现供水装置（1）中不同高度的恒定水位；
当进行恒水头试验时，供水装置（1）加水完毕后将流速控制阀门（5）打开，微调整水闸（9）使得供水装置中水位恒定；当进行变水头试验时，供水装置（1）加水完毕后将水闸（9）关闭，打开流速控制阀门（5），直至供水装置（1）中的水流尽后再打开水闸（9）向供水装置（1）中加水至排水管（7）上端口处后关闭水闸（9），以此循环至实验结束；
步骤4、用温度计测量出供水装置（1）中的水温并进行记录；记录好每个瓶子的初始水位，同时打开流速控制阀门（5）和橡皮塞（14），并开始计时，试验开启；每隔10秒，对所有玻璃瓶中的水位进行观察并记录，直至最后一个玻璃瓶内的水位不再变化，各个玻璃瓶的供给与排泄达到平衡，系统达到稳定状态试验结束，试验结束时测取供水装置（1）中的水温；
步骤5、将试验数据录入到电脑中生成t-h曲线，计算出设计条件下的系统的稳定时间、稳定水位、影响深度、稳定净补给量。
5.根据权利要求4所述的模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的方法，其特征在于，所述步骤1中还包括在供水装置（1）的溶液中添加有色溶剂。
6.根据权利要求4所述的模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的方法，其特征在于，所述步骤2中还包括向玻璃瓶（11）中加入初始水量，初始水量根据玻璃瓶（11）所模拟的土体的含水率进行添加。
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