CN112146845B - 地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用模拟承压含水层实验装置进行地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数测试的方法。确定承压含水层物理参数，装填实验土柱；制作无气水，并用无气水将实验土柱完全饱和；土柱饱和后，封闭上边界和下边界；向土柱内注入未压缩体积为V的空气后封闭上边界，测量下边界陶瓷多孔板排出的水量和承压含水层内的温度；根据下边界排水量确定气体压入承压含水层的水势Hp及水势Hp条件下的气体压缩后的体积Vp，确定承压含水层在水势Hp条件下的水体密度和承压含水层在水势Hp条件的储水量；进一步压入气体增加承压含水层的水势Hp，并确定的不同承压含水层水势Hp～储水量关系；确定承压含水层的瞬时弹性释水系数和完全释水系数。
Description
技术领域
本发明属于地下水动力参数测试方法领域，尤其涉及一种模拟承压含水层实验装置及应用其测试地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法。
背景技术
弹性释水系数是地下水承压含水层的重要水动力参数，对承压含水层地下水资源量评估、承压含水层地下水运动及其伴生(伴生)过程模拟都具有的意义。由于实验方法和测试理论的制约，目前该参数仅能在现场条件下，通过抽水试验获得，而无法在实验室模拟条件下进行测定。
与非承压地下水(潜水)含水层不同，承压含水层并没有明确的地下水位，承压含水层结构体包括土壤骨架与压缩水体之间复杂的力学关系和相互作用是的难以直接测定其水势。承压含水层在水势增大的情况下，其储水量由于水体密度的增加而增大，然而，对于承压含水层在水势变化条件下的压缩水体和土壤骨架之间的水势再均衡机理目前尚不完全清楚，也在很大程度上制约了测试方法的发展。
此外，在承压含水层的水势范围内(<20MPa)，承压含水层水体密度的变化通常较为微小，需要通过精确的测量手段才能够实现准确的测量。从测量误差控制角度的角度，采用等效的方法，对监测对象进行等效方法，在常规测试方法条件下实现准确测量，也是实现承压含水层弹性释水系数测试的所需要解决的问题。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种模拟承压含水层实验装置及应用其测试地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法，在实验理论和测试手段上提出了具有完备物理性的测试方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法，包括模拟承压含水层实验装置，所述模拟承压含水层实验装置包括：
实验土体，其用于位模拟原位土体，其物理参数与原位条件一致；
实验土柱，其用于装填所述实验土体；
法兰，其用于封闭实验土柱的上边界和下边界；
下边界陶瓷多孔板，其用于在实验土柱下边界形成渗透面边界；
温度传感器，其设置于所述实验土柱内用于测量承压含水层的温度；
下边界集水收集测量装置，其设置在所述实验土柱下边界法兰下方，用于收集和测量从下边界陶瓷多孔板中渗透的排水量；
加压装置，其用于在实验土柱上边界对所述实验土体进行加压；
利用所述模拟承压含水层实验装置进行地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法具体包括如下步骤：
S1.根据测量区域水文质地条件确定承压含水层的物理参数，其包括粒径分布、孔隙率和容重，装填实验土柱，装填后的土壤物理参数与和容重与原位条件一致；
S2.用真空泵在630kPa负压条件下抽取水中气体，制作无气水，并用无气水以下边界渗流的方法将实验土柱完全饱和，饱和过程中，将土壤孔隙中的气体完全排出；
S3.完成土柱饱和后，以法兰连接的形式封闭上边界和下边界，其中上边界在高压气体传输管道关闭的情况下为不透水边界，下边界采用透水不透气的多孔陶瓷板形成渗透面边界；
S4.通过高压气泵向土柱内注入未压缩体积为V的空气后，封闭上边界，测量下边界陶瓷多孔板排出的水量，通过埋设在承压含水层内的温度传感器测量温度；
S5.根据下边界排水量确定气体压入后承压含水层的水势Hp，以及水势Hp条件下的气体压缩后的体积Vp；
S6.确定承压含水层在水势Hp条件下的水体密度、则承压含水层在水势Hp条件的储水量M＝零水势条件下的饱和含水量+水势Hp条件水体密度ρp与Vp的乘积-排水水量Q；
S7.在实验土柱不发生弹性形变的压力范围内，进一步压入气体增加承压含水层的水势Hp，并通过步骤S4和步骤S5确定不同承压含水层水势Hp～储水量M关系；
S8.确定承压含水层的瞬时弹性释水系数和完全释水系数。
进一步，所述步骤S5中，承压含水层水势-多孔陶瓷板渗透-渗漏面渗出情况下的渗出面排水量～承压含水层水势关系为：
其中，
其中Rc反映孔陶瓷板的相对渗透性，Kp为多孔陶瓷板的渗透系数(单位水势梯度下的渗流通量)，l为多孔陶瓷的渗流长度(陶瓷的厚度)，Ks为承压含水层的饱和水力传导度，K为承压含水层和多孔陶瓷串联条件下的等效水力传导度,
ls为土壤的渗流长度,A为陶瓷板与含水层的接触面积。
进一步，所述步骤S5中，承压水含水层水势HP～气体压缩后的气体体积Vp的关系为：
其中，a＝0.4278R2Tc 2.5/Hc，b＝0.0867R2Tc/Hc，Tc和Hc分别为临界温度和临界压力，对于空气，分别为140.7K和3.72MPa，R为气体常数即R＝8.31J/(mol·K))，T为承压含水层的测定温度。
进一步，所述步骤S8中，其中瞬时弹性释水系数为承压含水层水势Hp～储水量关系曲线的Hp水势位置的一阶导数，完全弹性释水系数为承压含水层水势Hp情况下单位水势所释放出的总水量，计算瞬时弹性释水系数的差分方法为:
其中，i为步骤S7中测量水势的数量，Hp为承压含水层水势，M为承压含水层储水量。
进一步，所述加压装置包括依次连接的高压气泵、压缩空气传输管道以及设置在所述压缩空气传输管道上的高压气泵阀门，通过高压气泵向土柱内注入未压缩体积的空气后封闭上边界，进一步压入气体增加承压含水层水势，确定不同承压含水层水势Hp～储水量关系。
进一步，用于封闭实验土柱上边界的法兰之间采用橡胶防止水分和气体的逸出。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：目前地下水承压含水层弹性释水系数这一重要的的水动力参数仅有现场原位测量方法，本项范明则提出了具有完备物理基础的实验室模拟条件下测量方法。
附图说明
图1为本发明承压含水层测试装置示意图；
图2为本发明连续增压条件下测定的承压含水层水势～储水量关系图；
其中，1-实验土柱，2-法兰，3-压缩空气传输管，4-高压气泵阀门，5-实验土体，6-下边界多孔陶瓷板，7-下边界集水收集测量装置，8-高压气泵，9-测量土样温度传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，本实施例提供一种模拟承压含水层实验装置，包括：实验土体，其用于位模拟原位土体，其物理参数与原位条件一致；实验土柱，其用于装填所述实验土体；法兰，其用于封闭实验土柱的上边界和下边界；下边界陶瓷多孔板，其用于在实验土柱下边界形成渗透面边界；温度传感器，其设置于所述实验土柱内用于测量承压含水层的温度,采用Pt100的温度传感器；下边界集水收集测量装置，其设置在所述实验土柱下边界法兰下方，用于收集和测量从下边界陶瓷多孔板中渗透的排水量；加压装置，其用于在实验土柱上边界对所述实验土体进行加压，加压装置包括依次连接的高压气泵、压缩空气传输管道以及设置在所述压缩空气传输管道上的高压气泵阀门，通过高压气泵向土柱内注入未压缩体积的空气后封闭上边界，进一步压入气体增加承压含水层水势，确定不同承压含水层水势Hp～储水量关系。
进一步优选的实施例中，用于封闭实验土柱上边界的法兰之间采用橡胶防止水分和气体的逸出。
本实施例采用的实验装置如图1所示，实验土柱的柱体长度为40cm，采用直径(外径)和壁厚分别为226mm和8mm的标准无缝不锈钢钢管制作，其中实验土体选择砂粒含量为100％，容重为1.44g/cm的完全砂性含水层进行测试。将上述实验土体装填进实验土柱中，用真空泵在630kPa负压条件下抽取水中气体，制作无气水，并用无气水以下边界渗流的方法将实验土柱完全饱和，饱和过程中，将土壤孔隙中的气体完全排出。完成土柱饱和后，以法兰连接的形式封闭上边界和下边界，法兰之间采用橡胶防止水分和气体的逸出。上边界在高压气体传输管道关闭的情况下为不透水边界，下边界采用透水不透气的多孔陶瓷板形成渗透面边界。通过高压气泵向土柱内注入未压缩体积为1.2L的空气后，封闭上边界，测量下边界陶瓷多孔板排出的水量，通过埋设在承压含水层内的温度传感器测量温度，其中，此步骤中采用压缩空气方法等效压力变化条件下的含水层由于土壤结构和水体密度变化造成的体积变化，在测量手段条件下，能够控制测量误差，满足测试精度的要求。
承压含水层水势-多孔陶瓷板渗透-渗透面渗出情况下的渗出面排水量～承压含水层水势关系采用解析求解的方法获得，首先采用拉普拉斯变换的方法将多孔介质(承压含水层和多孔陶瓷板)连续流动条件下的偏微分数值方程转换为常微分方程，并通过积分方法求解，然后将边界条件(水势压力梯度下的渗透面渗出)求解积分常数后，采用拉普拉斯逆变化的方法获得解析解为：
基于
根据下边界排水量，确定气体压入后承压含水层的水势Hp。其中，
其中其中Rc反映孔陶瓷板的相对渗透性反映孔陶瓷板的相对渗透性，A为陶瓷板与含水层的接触面积(内径为19.4mm)，根据承压含水层和多孔陶瓷板的材料性质，其渗透系数Ks和Kp分别为1.24×10- 4m/s和4.57×10-7m/s，多孔陶瓷板厚度l为2.4cm，K为承压含水层和多孔陶瓷串联条件下的等效水力传导度，
承压含水层水势Hp和承压含水层内压缩气体体积Vp的关系为：
其中，a＝0.4278R2Tc 2.5/Hc，b＝0.0867R2Tc/Hc，Tc和Hc分别为临界温度和临界压力，对于空气，分别为140.7K和3.72MPa，R为气体常数(8.31J/(mol·K))，T为承压含水层的测定温度。
承压含水层在温度T、水势Hp条件下的水体密度根据表1确定,其具体测定结果如下表所示：
表1测试温度、不同水势下的水体密度
承压含水层在水势Hp条件的储水量M＝零水势条件下的饱和含水量+水势Hp条件水体密度ρp与Vp的乘积-排水水量Q，在实验土柱(不锈钢柱)不发生弹性形变的压力范围内，进一步压入气体增加承压含水层的水势Hp，确定不同承压含水层水势Hp～储水量关系，其中，M为步骤S2中渗流进入实验土柱中无气水的量，测试结果如图2所示。
确定承压含水层的瞬时弹性释水系数和完全释水系数。其中瞬时弹性释水系数为承压含水层水势Hp～储水量关系曲线的Hpi水势位置的一阶导数，完全弹性释水系数为承压含水层水势Hp情况下单位水势所释放出的总水量。
计算瞬时弹性释水系数的差分方法为
其中，i为测量水势的数量，Hp为承压含水层水势，M为承压含水层储水量，实验条件下弹性释水系数和完全释水系数的计算结果如表2所示。
表2承压含水层完全弹性释水系数和瞬时弹性释水系数测试结果
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。
Claims (6)
1.一种地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法，其特征在于，包括模拟承压含水层实验装置，所述模拟承压含水层实验装置包括：
实验土体，其用于模拟原位土体，其物理参数与原位条件一致；
实验土柱，其用于装填所述实验土体；
法兰，其用于封闭实验土柱的上边界和下边界；
下边界陶瓷多孔板，其用于在实验土柱下边界形成渗透面边界；
温度传感器，其设置于所述实验土柱内用于测量承压含水层的温度；
下边界集水收集测量装置，其设置在所述实验土柱下边界法兰下方，用于收集和测量从下边界陶瓷多孔板中渗透的排水量；
加压装置，其用于在实验土柱上边界对所述实验土体进行加压；
利用所述模拟承压含水层实验装置进行地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法具体包括如下步骤：
S1.根据测量区域水文质地条件确定承压含水层的物理参数，其包括粒径分布、孔隙率和容重，装填实验土柱，装填后的土壤物理参数与和容重与原位条件一致；
S2.用真空泵在630kPa负压条件下抽取水中气体，制作无气水，并用无气水以下边界渗流的方法将实验土柱完全饱和，饱和过程中，将土壤孔隙中的气体完全排出；
S3.完成土柱饱和后，以法兰连接的形式封闭上边界和下边界，其中上边界在高压气体传输管道关闭的情况下为不透水边界，下边界采用透水不透气的多孔陶瓷板形成渗透面边界；
S4.通过高压气泵向土柱内注入未压缩体积为V的空气后，封闭上边界，测量下边界陶瓷多孔板排出的水量，通过埋设在承压含水层内的温度传感器测量温度；
S5.根据下边界排水量确定气体压入后承压含水层的水势Hp，以及水势Hp条件下的气体压缩后的体积Vp；
S6.确定承压含水层在水势Hp条件下的水体密度、则承压含水层在水势Hp条件的储水量M＝零水势条件下的饱和含水量+水势Hp条件水体密度ρp与Vp的乘积-排水水量Q；
S7.在实验土柱不发生弹性形变的压力范围内，进一步压入气体增加承压含水层的水势Hp，并通过步骤S4和步骤S5确定不同承压含水层水势Hp～储水量M关系；
S8.通过承压含水层水势Hp～储水量M关系确定承压含水层的瞬时弹性释水系数和完全释水系数。
2.根据权利要求1所述的地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法，其特征在于，所述步骤S5中，承压含水层水势-多孔陶瓷板渗透-渗漏面渗出情况下的渗出面排水量～承压含水层水势关系为：
3.根据权利要求1所述的地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法，其特征在于，所述步骤S5中，承压水含水层水势HP～气体压缩后的气体体积Vp的关系为：
其中，a＝0.4278R2Tc 2.5/Hc，b＝0.0867R2Tc/Hc，Tc和Hc分别为临界温度和临界压力，对于空气，分别为140.7K和3.72MPa，R为气体常数即R＝8.31J/(mol·K)，T为承压含水层的测定温度。
4.根据权利要求1所述的地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法，其特征在于，所述步骤S8中，其中瞬时弹性释水系数为承压含水层水势Hp～储水量关系曲线的Hp水势位置的一阶导数，完全弹性释水系数为承压含水层水势Hp情况下单位水势所释放出的总水量，计算瞬时弹性释水系数的差分方法为:
其中，i为S7步骤中测量水势的数量，Hp为承压含水层水势，M为承压含水层储水量。
5.根据权利要求1所述的地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法，特征在于：所述加压装置包括依次连接的高压气泵、压缩空气传输管道以及设置在所述压缩空气传输管道上的高压气泵阀门，通过高压气泵向土柱内注入未压缩体积的空气后封闭上边界，进一步压入气体增加承压含水层水势，确定不同承压含水层水势Hp～储水量关系。
6.根据权利要求1所述的地下水瞬时弹性释水系数和完全弹性释水系数的测试方法，其特征在于：用于封闭实验土柱上边界的法兰之间采用橡胶防止水分和气体的逸出。
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2020
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