CN205538581U - 间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于水文地质学试验装置，具体涉及间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置，矩形模拟箱内包括大腔室和小腔室，大腔室后端与小腔室前端通过有机玻璃透水挡板连接，大腔室前端安装有前水头溢流箱，小腔室后端安装有后水头溢流箱；大腔室内有平缓山丘状含水层，平缓山丘状含水层上方靠近大腔室前端有地表水体；平缓山丘状含水层中设置一倒梯形污染物堆积体；大腔室的侧壁上等间距竖直安装三排测压管，小腔室内有地下水供水水体。该装置通过调节河水位和地下水位分别模拟河流在充水和停水的过程中河水与地下水的演化规律，有助于对内陆干旱地区的沿河地带多孔介质中的渗流模式、水分运移机制及渗流基本规律的认识。

Description

间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置

技术领域

本实用新型属于水文地质学试验装置，具体涉及间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置。

背景技术

在水文地质学中，地下水通过补给和排泄与外界交换物质与能量，保持循环交替，支撑相关水文系统和生态环境系统的运行。

地下水的研究主要涉及补给来源、机制、影响因素以及补给量。地下水补给来源包括大气降水、地表水等。

河水在空间上是现状补给且在时间上为连续或经常性补给源。由于上中游水资源的过多开发利用，我国西北干旱区有些内陆河下游水量骤减，故常年性河流逐渐转变成间歇性河流。

间歇性河流具有河流河道充水和停水过程周期性重复出现的水文特征。汛期，由于河流长期断流，地下水位处于河床以下一定深度，出现水力联系脱节现象，河床下出现非饱和带，故河道充水后，河水以非饱和流方式垂向入渗补给地下水。下渗水到达地下水面形成补给，河下形成条状地下水丘。一段时间后，地下水位升高并与河水衔接连成一体，此时河水位与地下水位具有统一的浸润曲线。当河道停水时，河流无水补给地下水，河道渗漏量等于零，条状地下水丘向两侧消散，太高一定范围内的地下水位。

当间歇性河流充水补给地下水使其水位上升到最大高度并稳定时，若附件存在污染物堆积体，污染物可能进入地下水中从而污染地下水，使得可利用的地下水资源因水质恶化而减少。

河道充水和停水过程使河水与地下水的演化过程复杂化，研究难度较大。采用野外调查方法不便于直观、清晰的认识到该演化过程，并且需要搜集至少一个水文年的资料，历时长，耗资大。而采用数值模拟作为研究手段，无法观察到演化过程中某些重要的水文地质现象与信息，并且概化水文地质模型时存在如何利用有限的野外数据获得较多的模型运转所需的参数，计算结果较为模糊，初学者学习和研究河流补给地下水的过程具有一定的难度。

实用新型内容

本实用新型通过一种间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置，为学习河流与地下水之间关系演化的动力学机制以及演化规律等提供了一种有效的研究手段。

具体技术方案为：

间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置，包括有储水箱、矩形模拟箱；矩形模拟箱内包括大腔室和小腔室，所述的大腔室后端与小腔室前端通过有机玻璃透水挡板连接，大腔室前端通过升降螺杆安装有前水头溢流箱，小腔室后端通过升降螺杆安装有后水头溢流箱；

所述的大腔室内有平缓山丘状含水层，平缓山丘状含水层上方靠近大腔室前端有地表水体；平缓山丘状含水层中设置中等渗透介质模拟自然界中的松散孔隙介质，并且渗透介质中设置一倒梯形污染物堆积体；大腔室底部有排水口与储水箱连接；

大腔室的侧壁上等间距竖直安装三排测压管，各排测压管底端伸入平缓山丘状含水层的在同一水平面上；所述三排测压管分别为第一测压管、第二测压管、第三测压管，第一测压管的底端设置在污染物堆积体下方；

所述小腔室内有地下水供水水体；

所述的前水头溢流箱包括前进水箱和前排水箱；所述的前进水箱与储水箱的水泵连接，前排水箱通过管道与储水箱连接；所述的地表水体与前进水箱通过管道连接；

所述的后水头溢流箱包括后进水箱和后排水箱；所述的后进水箱与地下水供水水体通过管道连接；所述的后排水箱通过管道与储水箱连接，所述的地下水供水水体与储水箱的水泵连接。

平缓山丘状含水层靠近大腔室前端处有地形罩；所述地形罩与平缓山丘状含水层表面的起伏相匹配。

本实用新型提供的间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置，根据相似原理设计出间歇性河流控制下的实验装置，通过调节河水位和地下水位分别模拟河流在充水和停水的过程中河水与地下水的演化规律。通过该装置的实验学习，有助于对内陆干旱地区的沿河地带多孔介质中的渗流模式、水分运移机制及渗流基本规律的认识，了解河水补给地下水的过程，深化认识沿河地段水资源的形成。

附图说明

图1是本实用新型的主视结构示意图；

图2是本实用新型的俯视结构示意图；

图3是本实用新型实施例河道停水期地下水位分布示意图；

图4是本实用新型实施例河道充水初始阶段未形成统一浸润曲线的地下水位分布示意图；

图5是本实用新型实施例河道充水一段时间后形成统一浸润曲线的地下水位分布示意图。

具体实施方式

结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1和图2所示，间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置，包括有储水箱2、矩形模拟箱3；矩形模拟箱3内包括大腔室6和小腔室7，所述的大腔室6后端与小腔室7前端通过有机玻璃透水挡板5连接，大腔室6前端通过升降螺杆4安装有前水头溢流箱12，小腔室7后端通过升降螺杆4安装有后水头溢流箱13；

矩形模拟箱3的尺寸为长1.4m，宽0.2m，高0.6m，矩形模拟箱3采用角钢包边的有机玻璃制成。矩形模拟箱3下方的储水箱2尺寸为长1.4m，宽0.2m，高0.3m。有机玻璃透水挡板5尺寸为高0.6m，宽0.2m，厚10mm，有机玻璃透水挡板5上的透水孔孔径为3mm。

所述的大腔室6内有平缓山丘状含水层9，平缓山丘状含水层9上方靠近大腔室6前端有地表水体8；平缓山丘状含水层9中设置中等渗透介质模拟自然界中的松散孔隙介质，并且渗透介质中设置一倒梯形污染物堆积体10；大腔室6底部有排水口19与储水箱2连接；

大腔室6的侧壁上等间距竖直安装三排测压管，各排测压管底端伸入平缓山丘状含水层9的在同一水平面上；所述三排测压管分别为第一测压管161、第二测压管162、第三测压管163，第一测压管161的底端设置在污染物堆积体10下方；

测压管为有机玻璃管，管径为10mm。第一测压管161有3支，用于观测河水位上升到最大高度时污染物堆积体10下方的地下水水位；第二测压管162有11支、第三测压管163有13支，用于观测河水对地下水补给过程中地下水位的变化情况。

所述小腔室7内有地下水供水水体11；

所述的前水头溢流箱12包括前进水箱14和前排水箱15；所述的前进水箱14与储水箱2的水泵1连接，前排水箱15通过管道与储水箱2连接；所述的地表水体8与前进水箱14通过管道连接；

所述的后水头溢流箱13包括后进水箱17和后排水箱18；所述的后进水箱17与地下水供水水体11通过管道连接；所述的后排水箱18通过管道与储水箱2连接，所述的地下水供水水体11与储水箱2的水泵1连接。

平缓山丘状含水层9靠近大腔室6前端处有地形罩28；所述地形罩28与平缓山丘状含水层9表面的起伏相匹配。

用于以下试验时具体使用方法为：

1.河道停水期地下水埋藏分布特征

枯水期，河流断流，河道中无水补给地下水，故将前水头溢流箱12的前进水箱14进水阀关闭。通过升降螺杆4将前水头溢流箱12调至最低位置，将后水头溢流箱13调至初始位置，该初始位置低于河床底部但高于第三测压管163底部。关闭大腔室6底部排水口19的排水阀，打开小腔室7内地下水供水水体11与储水箱2的进水阀。储水箱2内的水进入小腔室7，矩形模拟箱3内地下水位逐渐升高，一段时间后，形成稳定的潜水含水层，如图3所示，水位线以下为饱水带，水位线以上为包气带，第三测压管163中液面在同一水平面上，第一测压管161和第二测压管162中无水。

2.河道充水期地下水位变化特征

汛期，河道充水将会补给地下水，故将前水头溢流箱12的前进水箱14进水阀打开，将前水头溢流箱12调至一定高度，且高于第二测压管162底部，储水箱2内的水进入大腔室6的地表水体8，地表水体8即为模拟的河水。河水以非饱和流的方式入渗补给地下水，下渗水流到达地下水面形成补给，河床底部的地下水面逐渐形成条状地下水丘，如图4所示。继续下渗补给，地下水丘不断抬升，最后与河水连成一体，此时地下水与河水具有统一的浸润曲线，此时河水以饱和流方式入渗补给地下水，使得地下水位不断上升，且距离河道越近，地下水位的上升幅度也越大，如图5所示，通过矩形模拟箱3侧壁上的第二测压管162与第三测压管163可观察到该现象，并通过刻度尺量测测压管液面高度可得到该过程的地下水位上升速率变化特征。当河水位足够高时，地下水位会不断抬升到最大高度，并趋于稳定，通过第一测压管161可观察到该现象。若该高度到达污染物堆积体10附近，污染物溶解在地下水中，会恶化地下水水质，造成地下水污染，影响下游地下水的开发利用。

本实用新型采用相似原理，以我国西北干旱内陆盆地的间歇性河流为模拟对象，通过实验直观的呈现了间歇性河流在停水和充水期河水与地下水的关系，以及充水过程中地下水位的变化特征，如地下水位上升高度、上升速率等，同时可研究地下水对河流充水的响应是否会造成地下水污染以及影响地表的生态环境。本实用新型为水文地质专业的学生研究间歇性河流补给地下水的机理及地下水位恢复等问题提供了一种科学、有效的技术手段，同时通过更换渗流介质可研究不同渗流介质中河流与地下水的演化特征，为不同地区污染物处置场地的选址和设计提供一定的理论依据，具有实际工程意义。

Claims (2)

1.间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置，其特征在于：包括有储水箱(2)、矩形模拟箱(3)；矩形模拟箱(3)内包括大腔室(6)和小腔室(7)，所述的大腔室(6)后端与小腔室(7)前端通过有机玻璃透水挡板(5)连接，大腔室(6)前端通过升降螺杆(4)安装有前水头溢流箱(12)，小腔室(7)后端通过升降螺杆(4)安装有后水头溢流箱(13)；

所述的大腔室(6)内有平缓山丘状含水层(9)，平缓山丘状含水层(9)上方靠近大腔室(6)前端有地表水体(8)；平缓山丘状含水层(9)中设置中等渗透介质模拟自然界中的松散孔隙介质，并且渗透介质中设置一倒梯形污染物堆积体(10)；大腔室(6)底部有排水口(19)与储水箱(2)连接；

大腔室(6)的侧壁上等间距竖直安装三排测压管，各排测压管底端伸入平缓山丘状含水层(9)的在同一水平面上；所述三排测压管分别为第一测压管(161)、第二测压管(162)、第三测压管(163)，第一测压管(161)的底端设置在污染物堆积体(10)下方；

所述小腔室(7)内有地下水供水水体(11)；

所述的前水头溢流箱(12)包括前进水箱(14)和前排水箱(15)；所述的前进水箱(14)与储水箱(2)的水泵(1)连接，前排水箱(15)通过管道与储水箱(2)连接；所述的地表水体(8)与前进水箱(14)通过管道连接；

所述的后水头溢流箱(13)包括后进水箱(17)和后排水箱(18)；所述的后进水箱(17)与地下水供水水体(11)通过管道连接；所述的后排水箱(18)通过管道与储水箱(2)连接，所述的地下水供水水体(11)与储水箱(2)的水泵(1)连接。

2.根据权利要求1所述的间歇性河流控制下的包气带与饱水带渗流实验装置，其特征在于：所述的平缓山丘状含水层(9)靠近大腔室(6)前端处有地形罩(28)；所述地形罩(28)与平缓山丘状含水层(9)表面的起伏相匹配。