CN110196151A - 潜水运动能量损失测定仪及测定方法 - Google Patents

潜水运动能量损失测定仪及测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种潜水运动能量损失测定仪，以及一种采用该潜水运动能量损失测定仪进行实施的方法。本发明在实验室建立了物理模型，以自然界平原地区第四系松散层孔隙水为模拟对象，模拟潜水的形成、补给、径流、排泄、水动力特征等，通过实验观测潜水在运动过程中的能量损失大小，并深入研究潜水面的分布形态。本发明为如何测定流体在松散孔隙介质中的能量损失大小、沿途能量分布、流量、渗透流速等等问题提供了一套全新的实验方法和技术手段，为区域水文地质条件调查、地下水位资源评价、工程建设的地下水补给、径流、排泄等问题提供了重要的基础信息；具有良好的经济实用价值和应用前景。

Description

潜水运动能量损失测定仪及测定方法
技术领域
本发明涉及一种潜水运动能量损失测定仪，以及一种采用该潜水运动能量损失测定仪进行实施的方法，属于水文地质学研究技术领域。
背景技术
自然界的松散介质内，因孔隙的存在，为地下水的储存提供了有利的空间。孔隙介质内部的任意两点，如果存在水势的差异，地下水在孔隙介质中则无法处于静止状态，地下水将始终沿着水力梯度最大的方向运动。
潜水是松散孔隙介质中最为常见的一种地下水类型。是指地表以下饱和带中第一个具有自由表面，且具有一定规模的含水层中的重力水，具有流动性。潜水面到下部隔水底板的垂直方向上的距离可称为潜水含水层厚度，地表至潜水面的垂距称为潜水的埋藏深度，潜水含水层的厚度D和潜水埋藏深度H是变化的。受大气降水及地表水体的影响，潜水面出现变化，不同区域、不同的地下水动力条件下，潜水面的形状各异，如何有效确定潜水面形状，进而确定水力梯度，确定单位面积上、单位时间里的流量是进行水文地质条件分析的基础。
在潜水分布地带可以接受降雨及地表水体的侧向或垂向补给。潜水赋存地带的地貌地形决定了潜水的排泄形式多样化，地形被强切割地带，潜水一般以点状排泄的形式溢流于地表或汇入地表水体，也可通过毛细管传导到达地面，以蒸发形式排泄等，缓坡地带，潜水则以线状或面状排泄为主。潜水面的形状受控于地形，潜水等水位线形成的坡度通常缓于地形坡度。
在工程场地内开展人类工程活动(房屋建筑工程、城市地下工程、高铁、高速公路等)，一个首要的问题则是查明场地内的水文地质条件，包括地貌地形、地层岩性、地质构造、新构造运动、区域地下水类型、地下水补给、径流及排泄条件等。如前所述，潜水面的形状与区内两点或上下游的水势密切相关。潜水在松散孔隙介质内流动过程中，流体质点与固相介质发生碰撞、固相介质阻挡流体顺利通过，产生了能量损失，能量损失的大小则表现于水位的差异，从而决定了潜水面的形状，决定了潜水的流速、流量。因此，对流体在孔隙介质中能量损失过程的研究是个十分有科学意义的课题。
潜水在自然界分布广泛，埋藏浅，便于开采和利用，是水文地质学重要的研究对象。潜水面的形状是了解区域水文地质条件的重要要素，其中，对流体在孔隙介质中能量损失的观测显得尤为重要。以往的对第四系覆盖层中地下水的学习和研究中，主要采用野外现场地质调查，工程勘探、水文地质试验等方式进行，往往耗资大，耗时长。但野外工作中面临着工程场地条件复杂、水文地质现象不直观、测试数据不便于观察、可重复性差等缺点，这给潜水等水位线、判定地下水流向、潜水埋深等研究和认识带来不便，也使初学者难以认识和理解。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种潜水运动能量损失测定仪，可以较方便地在室内进行潜水运动能量损失的相关实验研究。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：潜水运动能量损失测定仪，包括地质体模拟箱、能量损失测定系统及注排水系统；
地质体模拟箱在其箱体内设置有竖向放置的两件隔板，隔板沿着地质体模拟箱的长度方向间隔布置，使得地质体模拟箱沿其长度方向分隔为三个箱体，隔板上均布有多个小孔，使得三个箱体相互连通；位于地质体模拟箱两端位置的箱体分别为地表水体进水模拟箱、地表水体排水模拟箱，位于地质体模拟箱中间位置的箱体为孔隙介质模拟箱；
能量损失测定系统包括测压器，测压器设于地质体模拟箱的外侧壁，测压器的测量端穿透孔隙介质模拟箱的侧壁板与孔隙介质模拟箱接通，测压器沿着孔隙介质模拟箱的长度方向间隔布置多件，相邻两件测压器布置点的水平间距，在地表水体进水模拟箱指向地表水体排水模拟箱的方向，呈逐渐增大的趋势；
注排水系统包括储水箱、供水箱、排水箱及水泵，水泵的进水口连通储水箱，水泵的出水口通过第一管道连通供水箱的进水口，供水箱的出水口通过第二管道连通地表水体进水模拟箱；排水箱底部的进水口通过第三管道连通地表水体排水模拟箱的底部；供水箱配设有用于驱动其竖向升降的第一升降系统；排水箱配设有用于驱动其竖向升降的第二升降系统。
进一步的是：供水箱在其箱体内设置有竖向布置的第一分隔板，供水箱四周侧壁板的顶面均高于第一分隔板的顶面，第一分隔板将供水箱一分为二，一侧为第一进水箱、另一侧为第一溢流箱，第一进水箱的底部设置两个连接口，一个连接口用于连接第一管道、另一个连接口用于连接第二管道；第一溢流箱的底部设置溢流排水口；
排水箱在其箱体内设置有竖向布置的第二分隔板，排水箱四周侧壁板的顶面均高于第二分隔板的顶面，第二分隔板将排水箱一分为二，一侧为第二进水箱、另一侧为第二溢流箱，第二进水箱的底部设置有用于连接第三管道的连接口；第二溢流箱的底部设置溢流排水口。
进一步的是：第一溢流箱的溢流排水口设于其底板上，并通过第四管道连接至储水箱；
第一进水箱底部的两个连接口均设于其底板上；
第二溢流箱的溢流排水口设于其底板上，并通过第五管道连接至储水箱；
用于连接第三管道的连接口设于第二进水箱的底板上；
第一管道和第二管道上均设置有阀门。
进一步的是：第一升降系统包括相互配合的第一滑块与第一滑轨，第一滑块与供水箱固定相连接，第一滑轨固定设置在地质体模拟箱的外侧壁，地质体模拟箱的外侧壁还设置有与第一滑轨平行设置的第一螺纹杆，第一螺纹杆与第一滑块螺纹连接，通过驱动第一螺纹杆旋转来使得第一滑块沿着第一滑轨作升降运动；
第二升降系统包括相互配合的第二滑块与第二滑轨，第二滑块与排水箱固定相连接，第二滑轨固定设置在地质体模拟箱的外侧壁，地质体模拟箱的外侧壁还设置有与第二滑轨平行设置的第二螺纹杆，第二螺纹杆与第二滑块螺纹连接，通过驱动第二螺纹杆旋转来使得第二滑块沿着第二滑轨作升降运动。
进一步的是：地质体模拟箱的底板上还连接有排水管道，排水管道的出水端连接至储水箱，排水管道上设置有排水阀；地质体模拟箱及隔板均采用透明有机玻璃板制作，地质体模拟箱设置于储水箱的顶板上。
进一步的是：孔隙介质模拟箱内充填粒径为0.1mm～1mm之间的石英砂作为孔隙介质；隔板上均布有多个直径为4mm～6mm的小孔。
进一步的是：测压器的测量端沿水平向呈直线布置，相邻两件测压器布置点的水平间距设定为δn,δn＝2n·d，其中n取整数，依次为0,1,2,3,…，n；测压器采用90°折弯的透明有机玻璃折管，折管短边设于孔隙介质模拟箱的侧壁板底部、并且其端部伸入孔隙介质模拟箱内，折管长边设于孔隙介质模拟箱外侧、与外界大气相通，折管长边的外壁设有用于测量水位或水压的刻度。
进一步的是：排水箱在其箱体内设置有竖向布置的第二分隔板，排水箱四周侧壁板的顶面均高于第二分隔板的顶面，第二分隔板将排水箱一分为二，一侧为第二进水箱、另一侧为第二溢流箱，第二进水箱的底部设置有用于连接第三管道的连接口；第二溢流箱的底部设置溢流排水口，该溢流排水口通过第四管道连接测流系统，测流系统包括水槽，水槽的进水端具有封闭板，水槽内沿着水的流向依次设置有消能板、过流堰板，消能板上具有多个过流孔，过流堰板的顶部具有V型缺口；第四管道连通于封闭板与消能板之间的区域。
以上述的潜水运动能量损失测定仪为实验装置，本发明还提供一种潜水运动能量损失测定方法，包括如下步骤：
一、将实验用水注入储水箱中；将孔隙介质装填入孔隙介质模拟箱中，孔隙介质采用分层饱水-排水装填；
二、通过第一升降系统和第二升降系统使得供水箱和排水箱处于设定的相同高度位置，接通水泵的电源开始供水，直至孔隙介质中的地下水位与两端的地表水体模拟箱水位一致；观测测压器所测到的水压情况，当孔隙介质中的地下水位与两端的地表水体模拟箱水位一致时，各个测压器所测到的水压相同；
三、通过第二升降系统降低排水箱的高程至设定高度，孔隙介质中的地下水往地表水体排水模拟箱运动；测压器测得的水头开始发生变化，待所有测压器测得的水头稳定后，再进入下一步骤；
四、读取测压器的测量数据，并作好记录；不断读取测流系统中过流堰板的堰上水头，直至堰上水头不再变化，并记录这些数据；
五、整理设备及实验数据，结束实验；根据步骤四得到的数据，分段计算地下水在孔隙介质中的能量损失；相邻两件测压器所测得的水头差Δh为两测压管间距δn上消耗的能量，其对应的水力梯度为Δh与δn的比值；根据过流堰板的堰高计算其流量后，测定其渗透流速V；，渗透流速按公式Q＝VA来确定，已知测压器4中最上游的那一根测压器4中的水位为H1，最下游的那一根测压器4中的水位为H2，孔隙介质模拟箱102内腔的净宽为d，过水断面面积A＝(H1+H2)d/2；V＝Q/A＝2Q/d(H1+H2)；再根据公式确定沿程水头损失系数和局部损失系数之和，其中，λ为沿程水头损失系数，ζ为局部水头损失系数，α为动能修正系数，α＝1。
本发明的有益效果是：在实验室建立了物理模型，以自然界平原地区第四系松散层孔隙水为模拟对象，模拟潜水的形成、补给、径流、排泄、水动力特征等，通过实验观测潜水在运动过程中的能量损失大小，并深入研究潜水面的分布形态。本发明为学习和掌握测量地下水在孔隙介质中运动能量损失提供了一种有效的技术手段。本发明为如何测定流体在松散孔隙介质中的能量损失大小、沿途能量分布、流量、渗透流速等等问题提供了一套全新的实验方法和技术手段。能量分布直接决定了潜水面的形状，流量大小取决于水压和孔隙介质的孔隙度和连通性；潜水面的形状则为区域水文地质条件调查、地下水位资源评价、工程建设的地下水补给、径流、排泄等问题提供重要的基础信息；具有良好的经济实用价值和应用前景。
本发明的目的如何实现，参见具体实施方式，在这里不重复赘述。
附图说明
图1是本发明中潜水运动能量损失测定仪的正视图；
图2是本发明中潜水运动能量损失测定仪的俯视图；
图3是本发明中潜水运动能量损失测定仪的左视图；
图4是图1的A-A剖视图；
图5是图1的B-B剖视图。
图中标记：1-地质体模拟箱、101-地表水体进水模拟箱、102-孔隙介质模拟箱、103-地表水体排水模拟箱、2-隔板、3-潜水面、4-测压器、5-测流系统、51-水槽、52-消能板、53-过流堰板、6-供水箱、61-第一分隔板、62-第一进水箱、63-第一溢流箱、7-储水箱、71-第一管道、72-第二管道、73-第三管道、74-第四管道、75-第五管道、76-排水管道、77-排水阀、81-第一升降系统、82-第二升降系统、9-排水箱、91-第二分隔板、92-第二进水箱、93-第二溢流箱、10-水泵。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1～图5所示，本发明中的潜水运动能量损失测定仪，包括地质体模拟箱1、能量损失测定系统及注排水系统。
地质体模拟箱1在其箱体内设置有竖向放置的两件隔板2，隔板2沿着地质体模拟箱1的长度方向间隔布置，使得地质体模拟箱1沿其长度方向分隔为三个箱体，隔板2上均布有多个小孔，使得三个箱体相互连通；位于地质体模拟箱1两端位置的箱体分别为地表水体进水模拟箱101、地表水体排水模拟箱103，位于地质体模拟箱1中间位置的箱体为孔隙介质模拟箱102。
能量损失测定系统包括测压器4，测压器4设于地质体模拟箱1的外侧壁，测压器4的测量端穿透孔隙介质模拟箱102的侧壁板与孔隙介质模拟箱102接通，测压器4沿着孔隙介质模拟箱102的长度方向间隔布置多件，相邻两件测压器4布置点的水平间距，在地表水体进水模拟箱101指向地表水体排水模拟箱103的方向，呈逐渐增大的趋势。
注排水系统包括储水箱7、供水箱6、排水箱9及水泵10，水泵10的进水口连通储水箱7，水泵10的出水口通过第一管道71连通供水箱6的进水口，供水箱6的出水口通过第二管道72连通地表水体进水模拟箱101；排水箱9底部的进水口通过第三管道73连通地表水体排水模拟箱103的底部；供水箱6配设有用于驱动其竖向升降的第一升降系统81；排水箱9配设有用于驱动其竖向升降的第二升降系统82。
为使得供水箱6和排水箱9稳定工作，本发明在供水箱6和排水箱9设置有稳定溢流结构，具体实施方式如下：供水箱6在其箱体内设置有竖向布置的第一分隔板61，供水箱6四周侧壁板的顶面均高于第一分隔板61的顶面，第一分隔板61将供水箱6一分为二，一侧为第一进水箱62、另一侧为第一溢流箱63，第一进水箱62的底部设置两个连接口，一个连接口用于连接第一管道71、另一个连接口用于连接第二管道72；第一溢流箱63的底部设置溢流排水口；排水箱9在其箱体内设置有竖向布置的第二分隔板91，排水箱9四周侧壁板的顶面均高于第二分隔板91的顶面，第二分隔板91将排水箱9一分为二，一侧为第二进水箱92、另一侧为第二溢流箱93，第二进水箱92的底部设置有用于连接第三管道73的连接口；第二溢流箱93的底部设置溢流排水口。
当水泵7接通电源抽水后，水先进入第一进水箱62，第一进水箱62水位逐渐升高，水满后就稳定了，多余的水从上部溢流至第一溢流箱63中，而大部分试验用水则通过第一进水箱62底部的第二管道72流至地表水体进水模拟箱101中。这样地表水体进水模拟箱101中的水位逐渐上升，模拟了孔隙介质受到补给后地下水位上升。反之，如果将供水箱6通过第一升降系统81任意调节至某个较低位置，地表水体进水模拟箱101的水就通过底部软管倒流至供水箱6中，一定时间后，地表水体进水模拟箱101中的水位会与供水箱6中的水位保持一致，这样便实现了地表水体进水模拟箱101中水位下降。排水箱9的水位控制原理与供水箱6相同。排水箱9中的第二进水箱92水位与地表水体排水模拟箱103的水位保持一致，通过控制排水箱9的位置高度，则可控制地表水体排水模拟箱103的水位。
为了方便收集溢流水：第一溢流箱63的溢流排水口设于其底板上，并通过第四管道74连接至储水箱7；第二溢流箱93的溢流排水口设于其底板上，并通过第五管道75连接至储水箱7。为了方便实现水位调节，第一进水箱62底部的两个连接口均设于其底板上；用于连接第三管道73的连接口设于第二进水箱92的底板上；第一管道71和第二管道72上均设置有阀门。
升降系统优选采用如下方式实施：第一升降系统81包括相互配合的第一滑块与第一滑轨，第一滑块与供水箱6固定相连接，第一滑轨固定设置在地质体模拟箱1的外侧壁，地质体模拟箱1的外侧壁还设置有与第一滑轨平行设置的第一螺纹杆，第一螺纹杆与第一滑块螺纹连接，通过驱动第一螺纹杆旋转来使得第一滑块沿着第一滑轨作升降运动；第二升降系统82包括相互配合的第二滑块与第二滑轨，第二滑块与排水箱9固定相连接，第二滑轨固定设置在地质体模拟箱1的外侧壁，地质体模拟箱1的外侧壁还设置有与第二滑轨平行设置的第二螺纹杆，第二螺纹杆与第二滑块螺纹连接，通过驱动第二螺纹杆旋转来使得第二滑块沿着第二滑轨作升降运动。该方式制作成本低，同时实验时操作较为方便。第一螺纹杆和第二螺纹杆可电动驱动，也可手动驱动，本实施例中采用转动手轮进行手动操作的方式。
地质体模拟箱1的底板上还连接有排水管道76，排水管道76的出水端连接至储水箱7，排水管道76上设置有排水阀77。为方便操作，实验结束后，地质体模拟箱1可通过排水管道76进行排水。
为方便制作，节约占地空间，同时方便实验操作与观测，地质体模拟箱1及隔板2均采用透明有机玻璃板制作，地质体模拟箱1设置于储水箱7的顶板上。本实施例中的储水箱7采用矩形箱结构，尺寸：长×宽×高＝1900mm×420mm×350mm，采用厚度为10mm的PVC材料制作，用一定强度的角钢包边，水泵10采用潜水泵，设于储水箱7内，用于试验给水。地质体模拟箱1的箱体尺寸为长1900mm，宽100mm，高780mm；箱体为5块厚度均为10mm的有机玻璃组成的矩形箱体；箱体的边界及棱角采用14根厚50mm的角钢包边，以保证箱体的强度。
孔隙介质模拟箱102内用于填充满足实验要求的孔隙介质，隔板2上均布的小孔直径应与孔隙介质的渗透性相匹配，确保实验过程中地表水体不会产生壅高，顺利进入孔隙介质中。本发明中优选采用在孔隙介质模拟箱102内充填粒径为0.1mm～1mm之间的石英砂作为孔隙介质；隔板2上均布有多个直径为4mm～6mm的小孔。本实施例中的石英砂在填充完成后，其顶表面位置低于地质体模拟箱1的顶面100mm，隔板2上均布有多个直径为5mm的小孔。
为使得能量损失测定系统简单可靠，本发明中的测压器(4)的测量端沿水平向呈直线布置，相邻两件测压器(4)布置点的水平间距呈指数式增大趋势，即相邻两件测压器(4)布置点的水平间距设定为δn,δn＝2n·d，其中n取整数，依次为0,1,2,3,…，n。此外，测压器4采用90°折弯的透明有机玻璃折管，折管短边设于孔隙介质模拟箱102的侧壁板底部、并且其端部伸入孔隙介质模拟箱102内，折管长边设于孔隙介质模拟箱102外侧、与外界大气相通，折管长边的外壁设有用于测量水位或水压的刻度，为方便直接观测，通常优选采用设置用于测量水位的刻度；在本实施例中，测压器4也可称作地下水位观测管。本实施例中，对于折管长边的外壁设置的用于测量水位的刻度，其精度为1mm。
为了更全面地研究潜水运动能量损失，用于测定实验过程中不同时刻的从石英砂层中排泄水的流量和渗透流速，本发明还设定有测流系统5，具体实施方式如下：排水箱9在其箱体内设置有竖向布置的第二分隔板91，排水箱9四周侧壁板的顶面均高于第二分隔板91的顶面，第二分隔板91将排水箱9一分为二，一侧为第二进水箱92、另一侧为第二溢流箱93，第二进水箱92的底部设置有用于连接第三管道73的连接口；第二溢流箱93的底部设置溢流排水口，该溢流排水口通过第四管道74连接测流系统5，测流系统5包括水槽51，水槽51的进水端具有封闭板，水槽51内沿着水的流向依次设置有消能板52、过流堰板53，消能板52上具有多个过流孔，过流堰板53的顶部具有V型缺口；第四管道74连通于封闭板与消能板52之间的区域。本实施例中，为简化装置，测流系统5设置于储水箱7顶部，水槽51进水端的封闭板为储水箱7的端面板。消能板52可以为多件，本实施例中消能板52为两件，与过流堰板53组成三角堰结构的测流系统5，水在经过过流堰板53顶部的V型缺口后，最后流回储水箱7。
以上述的潜水运动能量损失测定仪为实验装置，本发明还提供一种潜水运动能量损失测定方法，包括如下步骤：
一、将实验用水注入储水箱7中；将孔隙介质装填入孔隙介质模拟箱102中，孔隙介质采用分层饱水-排水装填；在实验过程中应注意检查仪器的完整性和可靠性，盛水体积大约为箱体总体积的2/3。
二、通过第一升降系统81和第二升降系统82使得供水箱6和排水箱9处于设定的相同高度位置(箱体顶面位置通常应略低于石英砂层的顶表面)，接通水泵10的电源开始供水，直至孔隙介质中的地下水位与两端的地表水体模拟箱水位一致；观测测压器4所测到的水压情况，当孔隙介质中的地下水位与两端的地表水体模拟箱水位一致时，各个测压器4所测到的水压相同。在本实施例中，此时，所有测压器4测得的水位保持在同一水平面上。
三、通过第二升降系统82降低排水箱9的高程至设定高度，孔隙介质中的地下水往地表水体排水模拟箱103运动；测压器4测得的水头开始发生变化，待所有测压器4测得的水头稳定后，再进入下一步骤。本实施例中，逆时针旋转手柄可降低排泄端的排水箱9的高程，记地表水体模拟箱1底板高程为Z＝0，使排水箱9内第二进水箱92中水面高程Z1＝30cm，进而调低地表水体排水模拟箱103的水位，使得地质体模拟箱1两端形成了一定的水位差，孔隙介质中的地下水因而会往地表水体排水模拟箱103运动。待所有测压器4测得的水头稳定后，即形成了稳定的潜水面3。在这里需要说明的是：本领域技术人员均可知晓，潜水面3的形状是由孔隙介质的性质参数以及孔隙介质两端的地表水体的水位确定的。本实施例中，在充填好孔隙介质后，依靠地表水体进水模拟箱101、地表水体排水模拟箱103的水位不同；在地表水体进水模拟箱101高度在整个实验过程中都是恒定不变的(由第一升降系统81控制)，而地表水体排水模拟箱102的高度是预先设定的(由第二升降系统82控制)，两侧则能形成稳定的水头差，因为孔隙介质填好后性状不再发生变化，则在两个水头差作用下的水流稳定后，所形成的潜水面3是不会变化的。因此，本发明保证了这种布置方式的合理性。
四、读取测压器4的测量数据，并作好记录；不断读取测流系统5中过流堰板53的堰上水头，直至堰上水头不再变化，并记录这些数据。
五、整理设备及实验数据，结束实验；根据步骤四得到的数据，分段计算地下水在孔隙介质中的能量损失；相邻两件测压器所测得的水头差Δh为两测压管间距δn上消耗的能量，其对应的水力梯度为Δh与δn的比值；根据过流堰板53的堰高计算其流量Q后，测定其渗透流速V，渗透流速按公式Q＝VA来确定，已知测压器4中最上游的那一根测压器4中的水位为H1，最下游的那一根测压器4中的水位为H2，孔隙介质模拟箱102内腔的净宽为d(净宽d也就是指孔隙介质在宽度方向的垂直厚度)，过水断面面积A＝(H1+H2)d/2；V＝Q/A＝2Q/d(H1+H2)；再根据公式确定沿程水头损失系数和局部损失系数之和，其中，λ为沿程水头损失系数，ζ为局部水头损失系数，α为动能修正系数，α＝1。

Claims (10)

1.潜水运动能量损失测定仪，其特征在于：包括地质体模拟箱(1)、能量损失测定系统及注排水系统；
地质体模拟箱(1)在其箱体内设置有竖向放置的两件隔板(2)，隔板(2)沿着地质体模拟箱(1)的长度方向间隔布置，使得地质体模拟箱(1)沿其长度方向分隔为三个箱体，隔板(2)上均布有多个小孔，使得三个箱体相互连通；位于地质体模拟箱(1)两端位置的箱体分别为地表水体进水模拟箱(101)、地表水体排水模拟箱(103)，位于地质体模拟箱(1)中间位置的箱体为孔隙介质模拟箱(102)；
能量损失测定系统包括测压器(4)，测压器(4)设于地质体模拟箱(1)的外侧壁，测压器(4)的测量端穿透孔隙介质模拟箱(102)的侧壁板与孔隙介质模拟箱(102)接通，测压器(4)沿着孔隙介质模拟箱(102)的长度方向间隔布置多件，相邻两件测压器(4)布置点的水平间距，在地表水体进水模拟箱(101)指向地表水体排水模拟箱(103)的方向，呈逐渐增大的趋势；
注排水系统包括储水箱(7)、供水箱(6)、排水箱(9)及水泵(10)，水泵(10)的进水口连通储水箱(7)，水泵(10)的出水口通过第一管道(71)连通供水箱(6)的进水口，供水箱(6)的出水口通过第二管道(72)连通地表水体进水模拟箱(101)；排水箱(9)底部的进水口通过第三管道(73)连通地表水体排水模拟箱(103)的底部；供水箱(6)配设有用于驱动其竖向升降的第一升降系统(81)；排水箱(9)配设有用于驱动其竖向升降的第二升降系统(82)。
2.如权利要求1所述的潜水运动能量损失测定仪，其特征在于：供水箱(6)在其箱体内设置有竖向布置的第一分隔板(61)，供水箱(6)四周侧壁板的顶面均高于第一分隔板(61)的顶面，第一分隔板(61)将供水箱(6)一分为二，一侧为第一进水箱(62)、另一侧为第一溢流箱(63)，第一进水箱(62)的底部设置两个连接口，一个连接口用于连接第一管道(71)、另一个连接口用于连接第二管道(72)；第一溢流箱(63)的底部设置溢流排水口；
排水箱(9)在其箱体内设置有竖向布置的第二分隔板(91)，排水箱(9)四周侧壁板的顶面均高于第二分隔板(91)的顶面，第二分隔板(91)将排水箱(9)一分为二，一侧为第二进水箱(92)、另一侧为第二溢流箱(93)，第二进水箱(92)的底部设置有用于连接第三管道(73)的连接口；第二溢流箱(93)的底部设置溢流排水口。
3.如权利要求2所述的潜水运动能量损失测定仪，其特征在于：第一溢流箱(63)的溢流排水口设于其底板上，并通过第四管道(74)连接至储水箱(7)；
第一进水箱(62)底部的两个连接口均设于其底板上；
第二溢流箱(93)的溢流排水口设于其底板上，并通过第五管道(75)连接至储水箱(7)；
用于连接第三管道(73)的连接口设于第二进水箱(92)的底板上；
第一管道(71)和第二管道(72)上均设置有阀门。
4.如权利要求1所述的潜水运动能量损失测定仪，其特征在于：第一升降系统(81)包括相互配合的第一滑块与第一滑轨，第一滑块与供水箱(6)固定相连接，第一滑轨固定设置在地质体模拟箱(1)的外侧壁，地质体模拟箱(1)的外侧壁还设置有与第一滑轨平行设置的第一螺纹杆，第一螺纹杆与第一滑块螺纹连接，通过驱动第一螺纹杆旋转来使得第一滑块沿着第一滑轨作升降运动；
第二升降系统(82)包括相互配合的第二滑块与第二滑轨，第二滑块与排水箱(9)固定相连接，第二滑轨固定设置在地质体模拟箱(1)的外侧壁，地质体模拟箱(1)的外侧壁还设置有与第二滑轨平行设置的第二螺纹杆，第二螺纹杆与第二滑块螺纹连接，通过驱动第二螺纹杆旋转来使得第二滑块沿着第二滑轨作升降运动。
5.如权利要求1所述的潜水运动能量损失测定仪，其特征在于：地质体模拟箱(1)的底板上还连接有排水管道(76)，排水管道(76)的出水端连接至储水箱(7)，排水管道(76)上设置有排水阀(77)；地质体模拟箱(1)及隔板(2)均采用透明有机玻璃板制作，地质体模拟箱(1)设置于储水箱(7)的顶板上。
6.如权利要求1所述的潜水运动能量损失测定仪，其特征在于：孔隙介质模拟箱(102)内充填粒径为0.1mm～1mm之间的石英砂作为孔隙介质；隔板(2)上均布有多个直径为4mm～6mm的小孔。
7.如权利要求1所述的潜水运动能量损失测定仪，其特征在于：测压器(4)的测量端沿水平向呈直线布置，相邻两件测压器(4)布置点的水平间距设定为δn,δn＝2n·d，其中n取整数，依次为0,1,2,3,…，n；测压器(4)采用90o折弯的透明有机玻璃折管，折管短边设于孔隙介质模拟箱(102)的侧壁板底部、并且其端部伸入孔隙介质模拟箱(102)内，折管长边设于孔隙介质模拟箱(102)外侧、与外界大气相通，折管长边的外壁设有用于测量水位或水压的刻度。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的潜水运动能量损失测定仪，其特征在于：排水箱(9)在其箱体内设置有竖向布置的第二分隔板(91)，排水箱(9)四周侧壁板的顶面均高于第二分隔板(91)的顶面，第二分隔板(91)将排水箱(9)一分为二，一侧为第二进水箱(92)、另一侧为第二溢流箱(93)，第二进水箱(92)的底部设置有用于连接第三管道(73)的连接口；第二溢流箱(93)的底部设置溢流排水口，该溢流排水口通过第四管道(74)连接测流系统(5)，测流系统(5)包括水槽(51)，水槽(51)的进水端具有封闭板，水槽(51)内沿着水的流向依次设置有消能板(52)、过流堰板(53)，消能板(52)上具有多个过流孔，过流堰板(53)的顶部具有V型缺口；第四管道(74)连通于封闭板与消能板(52)之间的区域。
9.潜水运动能量损失测定方法，其特征在于，采用如权利要求1至7中任意一项所述的潜水运动能量损失测定仪，并包括如下步骤：
一、将实验用水注入储水箱(7)中；将孔隙介质装填入孔隙介质模拟箱(102)中，孔隙介质采用分层饱水-排水装填；
二、通过第一升降系统(81)和第二升降系统(82)使得供水箱(6)和排水箱(9)处于设定的相同高度位置，接通水泵(10)的电源开始供水，直至孔隙介质中的地下水位与两端的地表水体模拟箱水位一致；观测测压器(4)所测到的水压情况，当孔隙介质中的地下水位与两端的地表水体模拟箱水位一致时，各个测压器(4)所测到的水压相同；
三、通过第二升降系统(82)降低排水箱(9)的高程至设定高度，孔隙介质中的地下水往地表水体排水模拟箱(103)运动；测压器(4)测得的水头开始发生变化，待所有测压器(4)测得的水头稳定后，再进入下一步骤；
四、读取测压器(4)的测量数据，并作好记录；
五、根据步骤四得到的数据，分段计算地下水在孔隙介质中的能量损失；相邻两件测压器所测得的水头差Δh为两测压管间距δn上消耗的能量，其对应的水力梯度为Δh与δn的比值。
10.潜水运动能量损失测定方法，其特征在于：采用如权利要求8所述的潜水运动能量损失测定仪，并包括如下步骤：
一、将实验用水注入储水箱(7)中；将孔隙介质装填入孔隙介质模拟箱(102)中，孔隙介质采用分层饱水-排水装填；
二、通过第一升降系统(81)和第二升降系统(82)使得供水箱(6)和排水箱(9)处于设定的相同高度位置，接通水泵(10)的电源开始供水，直至孔隙介质中的地下水位与两端的地表水体模拟箱水位一致；观测测压器(4)所测到的水压情况，当孔隙介质中的地下水位与两端的地表水体模拟箱水位一致时，各个测压器(4)所测到的水压相同；
三、通过第二升降系统(82)降低排水箱(9)的高程至设定高度，孔隙介质中的地下水往地表水体排水模拟箱(103)运动；测压器(4)测得的水头开始发生变化，待所有测压器(4)测得的水头稳定后，再进入下一步骤；
四、读取测压器(4)的测量数据，并作好记录；不断读取测流系统(5)中过流堰板(53)的堰上水头，直至堰上水头不再变化，并记录这些数据；
五、整理设备及实验数据，结束实验；根据步骤四得到的数据，分段计算地下水在孔隙介质中的能量损失；相邻两件测压器所测得的水头差Δh为两测压管间距δn上消耗的能量，其对应的水力梯度为Δh与δn的比值；根据过流堰板(53)的堰高计算其流量后，测定其渗透流速V；，渗透流速按公式Q＝VA来确定，已知测压器4中最上游的那一根测压器4中的水位为H1，最下游的那一根测压器4中的水位为H2，孔隙介质模拟箱102内腔的净宽为d，过水断面面积A＝(H1+H2)d/2；V＝Q/A＝2Q/d(H1+H2)；再根据公式确定沿程水头损失系数和局部损失系数之和，其中，λ为沿程水头损失系数，ζ为局部水头损失系数，α为动能修正系数，α＝1。
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