潛水井注水試驗(yàn)裝置的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:
[0002]本實(shí)用新型與地質(zhì)學(xué)的水文地質(zhì)學(xué)科相關(guān)，特別與潛水含水層及潛水井注水試驗(yàn)裝置有關(guān)。
[0003]【背景技術(shù)】:
[0004]潛水是廣泛存在于自然界中的地下水，根據(jù)其埋藏條件，潛水是指飽水帶中第一個(gè)具有自由表面的且有一定規(guī)模的含水層中的重力水。潛水面(地下水面)到隔水底板的垂直距離為潛水含水層厚度。潛水面至地表的垂直距離為潛水埋藏深度，潛水含水層厚度和潛水埋藏深度隨著地下水面的變化而變化。
[0005]潛水面以上不存在穩(wěn)定的隔水地層，使得潛水與地表水、大氣降水等聯(lián)系密切，潛水對(duì)區(qū)域氣象、水文因素響應(yīng)敏感，水位、水質(zhì)及水量發(fā)生季節(jié)性和多年性變化。由于潛水面以上無(wú)連續(xù)性隔水層，潛水的全部分布范圍可接受大氣降水的補(bǔ)給，也可接受地表水體的補(bǔ)給，還能接受下伏地層的越流補(bǔ)給等。
[0006]由于潛水分布廣，多數(shù)地區(qū)埋深淺，水循環(huán)快、交替迅速、水量穩(wěn)定再生性強(qiáng)等特點(diǎn)，潛水常被人類(lèi)開(kāi)采利用。在不同的地形條件下，潛水的循環(huán)交替、水質(zhì)水量都將發(fā)生變化。當(dāng)井或鉆孔揭穿潛水含水層直至隔水底板時(shí)，潛水含水層的水位會(huì)逐漸穩(wěn)定，穩(wěn)定水位的高度便是該點(diǎn)潛水的測(cè)壓水位。由于隔水底板的存在，一方面，它限制了補(bǔ)給和排泄范圍，使?jié)撍畬幽艹蔀橐粋€(gè)獨(dú)立的地下水系統(tǒng)。
[0007]由于潛水面以上不存在隔水層，在缺少科學(xué)、有效的管理下，潛水資源不斷受到污染，因而，在人類(lèi)工程活動(dòng)的過(guò)程中，對(duì)一個(gè)地區(qū)的地下水環(huán)境評(píng)價(jià)具有重要意義。地下水環(huán)境評(píng)價(jià)中，要確定污染時(shí)間、污染范圍及污染程度等時(shí)，一些重要的水文地質(zhì)參數(shù)的確定將是前提。如:滲透系數(shù)，它表征了含水層或透水層的透水性能大小的指標(biāo)，可以通過(guò)注水試驗(yàn)來(lái)確定。
[0008]為研究一個(gè)地區(qū)的潛水在地層中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，尤其是在確定地下水在地層中的滲流速度時(shí)，除了利用抽水試驗(yàn)來(lái)確定外，有些時(shí)候需要開(kāi)展注水試驗(yàn)。如在野外，鉆孔中的地下水位埋深較大或試驗(yàn)層透水卻不含水時(shí)，可以用注水試驗(yàn)來(lái)代替抽水試驗(yàn)，從而近似獲取地層滲透系數(shù)。又如，在研究地下水人工補(bǔ)給或廢水地下處置的效率及庫(kù)壩滲漏時(shí)，也需進(jìn)行鉆孔注水試驗(yàn)。
[0009]在測(cè)定潛水含水層中地下水的實(shí)際流速時(shí)，對(duì)于均質(zhì)各向同性的含水介質(zhì)而言，可用滲透流速與有效孔隙度之比來(lái)求得，但往往這種方法測(cè)算的流速與其實(shí)際流速之間存在差異，這是由于地下水的運(yùn)動(dòng)路徑復(fù)雜，遇到固相介質(zhì)繞流而致。
[0010]野外開(kāi)展?jié)撍⑺囼?yàn)具有時(shí)間長(zhǎng)、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)，不利于水文地質(zhì)試驗(yàn)教學(xué)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011]本實(shí)用新型的目的是為了提供一種結(jié)構(gòu)合理、可以直觀了解向潛水井中穩(wěn)定注水過(guò)程中，井中水向潛水含水層中運(yùn)動(dòng)的特征及水頭分布規(guī)律，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)及參數(shù)測(cè)定的潛水井注水試驗(yàn)裝置。
[0012]本實(shí)用新型的目的是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0013]本實(shí)用新型潛水井注水試驗(yàn)裝置，包知帶水泵的儲(chǔ)水箱、有水平隔水底板的模擬箱，模擬箱中有橫截面形狀為圓心角至少為30°的扇形槽、與扇形槽上的圓弧透水壁相通的排水腔，位于扇形槽中的底部固定在隔水底板上且與圓弧透水壁同圓心的圓弧透水井壁將扇形槽分隔成潛水注水井、有含水層的模擬腔，位于模擬箱潛水注水井端的能上、下升降的有溢流槽的定水頭溢流箱中的位于溢流槽外的溢流回水腔通過(guò)管道與儲(chǔ)水箱相通，定水頭溢流箱中的溢流槽通過(guò)管道分別與儲(chǔ)水箱水泵和潛水注水井相通，位于模擬箱排水腔處的能上、下升降的有排水溢流槽的排水箱中位于排水溢流槽外的排水回水腔通過(guò)管道與儲(chǔ)水箱相通，排水溢流槽通過(guò)管道與排水腔相通，在模擬箱頂部相對(duì)模擬腔靠近注水井的位置裝有注示蹤劑水箱，注示蹤劑水箱通過(guò)帶控制閥的管道與儲(chǔ)水箱相通，注示蹤劑水箱底板上均勻分布有若干模擬雨孔，注示蹤劑水箱頂部有示蹤劑箱，示蹤劑箱上有伸入注示蹤劑水箱中的示蹤劑管，至少五組測(cè)壓管等距離豎直裝在模擬腔壁上，每組測(cè)壓管為四根，與每組測(cè)壓管底部連通的四根測(cè)壓軟管的另一端分別插入含水層中同一斷面的上部，中部、下部、底部。
[0014]上述的模擬箱上相對(duì)潛水注水井、排水腔的位置分別設(shè)置有升降調(diào)節(jié)裝置，升降調(diào)節(jié)裝置中有裝在模擬箱上、下端的帶螺紋的螺母、支座，與定水頭溢流箱或排水箱連接的帶螺紋的支耳，調(diào)節(jié)螺桿一端依次穿過(guò)螺母、支耳上的螺紋而伸入支座中且能轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0015]上述的扇形槽中的圓心角為35°。
[0016]根據(jù)相似原理，將自然界中的潛水含水層及鉆孔(井)按照一定比例縮小制作成注水試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用砂槽模擬潛水含水層來(lái)模擬注水時(shí)井中水向潛水含水層滲流及地下水在潛水含水層中的運(yùn)動(dòng)。為了使模型與原型各物理量成一定的比例關(guān)系，本實(shí)用新型遵從以下4個(gè)條件:①幾何相似；模型的長(zhǎng)度因次物理量與原型應(yīng)相似，設(shè)X*為相似常數(shù)，X*=XP/Xffl,即為原型(P)與模型(m)的相似比，本實(shí)用新型模型的長(zhǎng)度(L)、寬度(B)、含水層厚度(M)、及水頭值(H)符合關(guān)系式:L*=B*=M*=H*。②動(dòng)力相似；模型和原型滲流相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)所作用的性質(zhì)相同的力保持了一定的比例關(guān)系。本實(shí)用新型中地下水滲流符合線性滲透定律，其滲透流速(V)和滲透系數(shù)(K)符合關(guān)系式:v*=K*。③運(yùn)動(dòng)相似；時(shí)間(t)和有效孔隙度(Iiei)滿足如下關(guān)系:t*= nd ;④邊界條件相似。地表水水頭及入滲量等相似。
[0017]本實(shí)用新型工作時(shí)，先將扇形槽兩端的定水頭溢流箱、排水箱分別通過(guò)升降裝置保持在同一高度，打開(kāi)水泵抽水，當(dāng)發(fā)現(xiàn)扇形槽兩側(cè)的穩(wěn)定流溢流系統(tǒng)開(kāi)始溢出時(shí)，關(guān)閉水泵電源，待多余的水排出后，扇形槽一側(cè)的6排測(cè)壓管水頭值都在同一水平面上，即模擬注水前潛水含水層的天然地下水位。此時(shí)，將位于注水井一側(cè)的定水頭溢流箱通過(guò)升降裝置升值一定高度后，接通水泵電源，進(jìn)行定流量注水，同時(shí)打開(kāi)與注示蹤水箱和儲(chǔ)水箱連接的管道上的控制閥，使帶示蹤劑的水流流經(jīng)注示蹤劑水箱底部的若干模擬雨孔形成降雨，隨著注水時(shí)間的延續(xù)，潛水注水井和排水腔的動(dòng)水位會(huì)達(dá)到穩(wěn)定。待注水井中水位與溢流箱中水位一致時(shí)，在潛水含水層中以模擬注水井為中心，測(cè)壓管的水頭逐漸降低，形成了穩(wěn)定的反向充水漏斗。這一過(guò)程可用潛水井抽水穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的裘布依井流方程來(lái)描述:
[0018]Q=JiK (h2- H2) /ln(R/rw) (I)
[0019]^ 2%(2)
[0020]Q=12q(3)
[0021]上述3式中，(I)式為注水時(shí)井中水向潛水含水層穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的裘布依數(shù)學(xué)方程，其中:Q為360°潛水井注水量(ml/s) ；K為模擬潛水含水層的滲透系數(shù)(cm/s)出為注水前的天然地下水位(cm) ；h為潛水注水井的動(dòng)水位(cm) ;R為注水影響半徑(cm) ;rw為注水井的半徑(cm) ；(2)式為潛水井注水量穩(wěn)定性判別式，其中:qn為第η次測(cè)定的潛水井注水量(ml/s) -11為第η-l次測(cè)定潛水井注水量(ml/s) ；q為第η次與第η_1次所測(cè)注水量的平均值。(3)式為扇形槽穩(wěn)定注水量與360°井穩(wěn)定注水量的關(guān)系。
[0022]當(dāng)潛水井中的動(dòng)水位為h時(shí)，可通過(guò)溢流排水箱不斷的測(cè)定潛水井的穩(wěn)定注水量，可按(2)式判定注水后滲流是否穩(wěn)定，取q即為穩(wěn)定后的模擬潛水井穩(wěn)定注水量，然后利用(3)式計(jì)算360°潛水井注水量Q。再測(cè)定這些觀測(cè)管的潛水水位，并將水位用平滑曲線相連從而得到反向充水漏斗。并將充水漏斗與初始水平線對(duì)比來(lái)確定影響半徑R，同時(shí)，測(cè)定模擬注水前的天然地下水位和井半徑rw，并最終確定潛水含水層的滲透系數(shù)K。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)靠近井一端的升降裝置控制潛水井注水量，從而控制反向充水漏斗的形狀及潛水井中的動(dòng)水位h等，這樣便可獲取潛水井注水后動(dòng)水位與潛水井注水量Q之間的關(guān)系，也能確定潛水井注水后動(dòng)水位與影響半徑的關(guān)系曲線。通過(guò)測(cè)定滲透系數(shù)可了解潛水含水層的透水性能大小，從而評(píng)價(jià)污染物在地下水中的滲流特征及遷移規(guī)律。而R?h曲線則能用于評(píng)價(jià)潛水含水層的排泄的暢通性、富水性，儲(chǔ)水性，為區(qū)域地下水資源開(kāi)發(fā)利用及評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。
[0023]當(dāng)潛水井中的動(dòng)水位為h，打開(kāi)示蹤劑注入系統(tǒng)，待示蹤劑在合水層中形成穩(wěn)定的流線時(shí)，可關(guān)閉示蹤劑注入閥。
[0024]地下水實(shí)際流速可采用如下公式來(lái)測(cè)算，
[0025]U1=VifAie(4)
[0026]U2=L/ Δ t(5)
[0027](4)為第理論公式計(jì)算的實(shí)際流速U1, Vit為地下水滲透流速，\為試樣的有效孔隙度；(5)式為示蹤劑法所得地下水實(shí)際流速u(mài)2，為地下水跡線長(zhǎng)，Δ t為地下水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)L長(zhǎng)度的耗時(shí)。試驗(yàn)后，通過(guò)對(duì)比(4)式及(5)式的地下水實(shí)際流速測(cè)定結(jié)果，可合理確定地下水在含水層中的真實(shí)流速，評(píng)價(jià)潛水含水層中地下水的徑流、排泄特點(diǎn)。
[0028]沿流線的切線方向均勻布置待測(cè)點(diǎn)，以測(cè)產(chǎn)地下水實(shí)際流速。
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