一维非达西径向抽水模拟实验

刘毅

摘 要：文章通过不同取水条件下一维渗流场室内模拟试验，分别改变表面水层水位、含水层结构、竖井降深等条件，分析各要素对取水量的影响变化。实验结果表明：当垂向入渗速率小于含水介质的饱和渗透系数而难以维持饱和流运动时，部分介质开始由饱和状态转变为非饱和状态，地下水水位降低导致表层水与地下水脱节，从而形成非饱和带。且表水层水位越高，相应的取水量越大，越不易出现非饱和带，运行时间更长；含水层上部存在弱透水层时，相同竖井降深情况下，对应取水量小于不存在弱透水层的情况；饱和取水的条件下，由含水层下部取水，竖井降深越大，相应的取水量越大，但随着竖井降深的增大，含水层内部出现非饱和带，相应的取水量呈下降趋势，二者呈线性关系。

关键词：区域地下水流；非饱和带；土柱实验；竖井降深

中图分类号：TV131 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）05-0010-03

Abstract： Through the laboratory simulation test of one-dimensional seepage field under different water intake conditions， such as surface water level， aquifer structure， shaft depth and so on， the paper analyzes the influence of each factor on the water intake. The experimental results show that when the vertical infiltration rate is smaller than the saturated permeability coefficient of the aqueous medium， it is difficult to maintain the saturated flow movement， and the partial medium begins to change from the saturated state to the unsaturated state. The decrease of groundwater level leads to the disconnection between surface water and groundwater， thus forming unsaturated zone. The higher the water level， the larger the water intake， the more difficult the unsaturated zone is， and the longer the running time is. When there is a weak permeable layer in the upper part of the aquifer， the corresponding water intake is less than that of the weak permeable layer under the condition of the same shaft depth reduction. Under the condition of saturated water intake， the lower the aquifer is， the greater the depth of the shaft is， and the larger the corresponding water intake is， but with the increase of the depth of the shaft， the unsaturated zone appears in the aquifer， and the corresponding amount of water intake tends to decrease. There is a linear relationship between them.

Keywords： regional underground current； unsaturated zone； soil column experiment； depth reduction for shaft

引言

区域地下水流研究理论已广泛应用于傍河取水、河渠间地下水运动、绕坝渗流等一系列工程问题中。然而在渗滤取水过程中，当取水井设置于河床下部时，传统区域地下水流研究理论将不再适用，为进一步完善区域地下水流研究理论，对此类地下水运动原理进行研究便极具意义。

自Theis（1935）建立了非承压含水盖层的非稳定流方程，针对非饱和渗流的研究逐渐深入，通过理论结合实验的方法，开展了一系列的研究。Peck，A（1965）建立了竖向两层砂柱模型，中砂上层由一层玻璃珠覆盖，研究发现通过某种方法计算获得的玻璃珠的进气值明显低于均质砂柱的；De Veries et al.（1979）开展了两种不同粒径的河砂和玻璃球的渗流实验，得出不同介质渗流过程中水力梯度和渗透流速之间的关系；李俊亭（1990）等利用砂槽实验研究了地下水与河水脱节时临界水力坡度及其影響因素，获得了实验尺度下临界水力坡度与河水深度之间的经验公式；刘国东等（1997）通过砂槽实验和计算机数值模拟，发现傍河强采地下水在开采强度增大的情况下，地下水与河水将失去饱和水力联系，产生脱节，其脱节的起始点不在河床面而位于河床下据河床面一定的含水层内部；Yamada et al.（2005）在一个可以调整倾斜度的条形水槽中进行多孔介质的渗流实验，通过调整水槽的倾斜度来改变水力梯度，并根据实验分析发生非达西现象时水力梯度和渗透流速之间的关系； Kuang et al.（2011）建立了砂柱模型，中砂上部由一层均质细砂覆盖。排水过程中在砂柱的非饱和带观察到了明显的负的空气压力，并且在大多数排水过程中累计出水量明显低于均质砂柱中产生的。郑羽良（2013）通过18种渗流井取水砂槽试验方案，总结了影响模拟试验渗流井取水的主要因素及渗流场特征，利用改进渗流井取水计算模型，对砂槽物理模拟试验进行了数值模拟，通过拟合渗流井出水量，反演了试验中含水层的渗透系数以及河流渗漏补给能力C值，从而检验改进了渗流井取水计算模型。靳孟贵（2017）对脱节型河流与地下水相互作用研究进展作了分析研究，在简要分析河流与地下水关系的基础上，综述了河流与含水层之间的饱和连接，经过渡脱节，演化为完全脱节系统的物理过程及机理和脱节系统形成的必要条件。endprint

上述研究成果对区域地下水的认识与深入作出了较大贡献，但对于含水层下部取水模式研究比较少。为此本文开展了一维渗流场室内模拟实验，旨在探究含水层下部取水过程中，探究各因素（改变表面水层水位、含水层结构以及竖井降深）对取水量影响的基本规律。进而分析其内部原因。本文研究意义在于丰富完善区域地下水流理论，为类似渗滤取水等实践工程提供理论技术支持。

1 实验设计

1.1 试验装置

本实验装置由柱体高100cm，外径20cm，厚5mm的有机玻璃柱、内径2.5cm的PVC集水竖井组成。有机玻璃柱左侧开设三个10cm等间距孔径为1cm的溢流口，保证试验过程中在需求水位上始终有水流出，用于控制表面水层水位为定值，高度分别为70cm、80cm、90cm，通过胶管将溢出水流排向集水池。在砂柱侧壁开设测压观测孔并安装测压管，以测量取水过程中砂柱内水头变化及分布情况。玻璃柱底部中心开设一直径2.5cm的取水孔，向下延伸长度10cm，经由水平PVC管与竖井相连，水平PVC管末端安装取水阀门，试验过程中根据试验需要不同程度打开阀门，以便得到不同竖井降深与取水量。水平管与取水口上部竖直方向距离约10cm，并以水平管底部作为基准面，以便统一读取试验中的数据。

1.2 试验方案

（1）表水层水位高度

试验通过三个溢流孔控制三组不同表面水层水位高度，每当水位到达指定溢流孔便自行流出，使表面水层水位保持恒定，水位高度分别为70cm、80cm、90cm。通过取水阀门调节取水量来控制竖井降深，观测各表水层水位条件下取水量变化情况。

（2）含水层结构变化

当表水层水位高度一定，在含水层上部，用无低渗透系数覆盖层模拟无弱透含水层结构，通过取水阀门调节取水量来控制竖井降深，观测各表水层水位条件下取水量变化情况；添加低渗透系数覆盖层模拟弱透水含水层结构，进行上述相同步骤。

（3）竖井降深影响

对以上两类方案均设计多组降深情况，观测各降深条件下取水量及流场的变化。

2 试验结果分析

为减小取水过程中产生的实验误差，在测量过程中，采用多频次，求平均等方法测量取水流量体积，得到实验数据如表1所示。

实验结果分析如下：

图3为不同表层水位下，竖井取水量与降深之间的关系曲线，从图中可以看出，降深条件一定的情况下，表层水位越大，由于水头压力差增大导致取水量变大；表层水位与竖井降深固定的条件下，抽水井取水量在存在弱透水层的情况明显不存在弱透水层的情况；图4中表层水位一定的情况下，随着竖井降深增大，取水量逐渐上升，但增大到某一降深时，取水井流量会呈下降趋势。

3 结论

本文选取了多个控制因素进行一维下部取水渗流实验，并通过分析表水层水位、含水层结构、竖井降深与取水量的关系，探寻了含水层下部取水条件下的基本规律，得出以下结论：

（1）当垂向入渗速率小于含水介质的饱和渗透系数而难以维持饱和流运动时，部分介质开始由饱和状态转变为非饱和状态。地下水水位降低导致表层水与地下水脱节，从而形成非饱和带。当表水层水位越高，相应的取水量越大，越不易出现非饱和带，运行时间更长。

（2）当含水层上部存在弱透水层时，相同竖井降深情况下，对应取水量小于不存在弱透水层的情况。

（3）在饱和取水的条件下，由含水层下部取水，竖井降深越大，相应的取水量越大，但随着竖井降深的增大，含水层内部出现非饱和带，相应的取水量呈下降趋势，二者呈线性关系，根据试验结果可用拟合方程Q=-0.1137S2+17.351S-321.69表示，R2=0.8464，R2>0.8，拟合效果较好。

参考文献：

[1]陈崇希，林敏.地下水动力学[M].武汉：中国地质大学出版社，1990，10.

[2]高雅.天然河床滤床地下水流态变化模拟试验及水量计算方法研究[J].成都理工大学，2015，06.

[3]黃辉.具有弱透水盖层的非承压含水层抽水引起负压的机理与模拟研究[D].合肥工业大学，2013.

[4]李俊亭.河流补给机理的试验研究（科研报告）[R].西安：西安地质学院，1990.

[5]刘国东，李俊亭，等.地下水与河水脱节的实验与模拟[J].水文，1997（3）：10-15.

[6]刘凯，文章，等.一维低渗透介质非达西渗流实验[J].水动力研究与进展，2013.

[7]靳孟贵，鲜阳，刘延锋.脱节型河流与地下水相互作用研究进展[J].水科学进展，2017.

[8]薛禹群.地下水动力学[M].北京：地质出版社，1997，09.

[9]杨天行，傅泽周，刘金山，等.地下水向井的非稳定运动的原理和计算方法[M].北京：地质出版社，1980.

[10]郑羽良.渗流井取水物理模拟试验研究[D].长安大学，2013.endprint