專利名稱：入滲與滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與水文地質(zhì)學(xué)有關(guān)，特別與入滲與滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置有關(guān)。
背景技術(shù)：
地表水的入滲； 地表的水沿著巖土的空隙下滲，是在重力、分子力和毛管力的綜合作用下進(jìn)行的， 其運(yùn)動過程就是尋求各種作用力的綜合平衡過程。整個下滲的物理過程按照作用力的組合 變化及其運(yùn)動特征，可劃分為滲潤、滲漏、滲透三個階段。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)水上升高度與入滲 水向下的滲透力平衡時，水不能滲透到含水層而是沿潛水面以上一定的高度向排泄邊界運(yùn) 移，當(dāng)入滲水向下的滲透力大于毛細(xì)水上升高度后才能滲透進(jìn)入含水層。
潛水穩(wěn)定運(yùn)動； 潛水穩(wěn)定運(yùn)動時水頭分布情況及浸潤曲線(潛水面)的變化特點(diǎn)、滲流空間各點(diǎn) 的運(yùn)動要素、地下水實(shí)際流速與理論公式計算的地下水實(shí)際流速是否吻合？如何求解地下 水平面穩(wěn)定運(yùn)動的流量、滲透系數(shù)、觀察地下水的靜水位、動水位，了解地下水的補(bǔ)給方式、 模擬地下水受到不同污染時應(yīng)采用何種方式處理等都是水文地質(zhì)學(xué)重要的研究及學(xué)習(xí)內(nèi)容。 在科研和教學(xué)中無專用裝置對上述內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、觀察，只能到野外觀察，不直 觀，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種結(jié)構(gòu)合理、可以直觀了解水在地表入滲補(bǔ)給地下水 的物理過程，了解地下水補(bǔ)給方式、地下水穩(wěn)定運(yùn)動的滲流特征、進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)及參數(shù)測定 的多功能的入滲及滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置。
本發(fā)明的目的是這樣來實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明入滲與滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括帶水泵的儲水箱、底板保持水平的模擬箱， 模擬箱內(nèi)有含供水孔的供水腔、有含水層的模擬腔、含排水孔的排水腔，模擬腔與供水腔、 模擬腔與排水腔之間有透水網(wǎng)孔板，位于模擬箱上游端的有溢流槽的定水頭溢流箱中位于 溢流槽外的溢流回水腔有通過溢流管與儲水箱相通的溢流孔，定水頭溢流箱的溢流槽中有 通過管道分別與儲水箱水泵和供水腔相通的進(jìn)水孔、出水孔，位于模似箱下游的有溢流槽 的排水溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通過溢流測流管與儲水箱相通的溢流孔，排 水溢流箱的溢流槽中有通過管道與排水腔中排水孔連通的進(jìn)水孔，至少三組測壓管豎直裝 在模擬腔壁上，分別與測壓管底部連通的測壓軟管的一端穿過模擬腔壁插入含水層中，在 模擬腔中部有裝在模擬箱頂部的入滲裝置，入滲裝置中有底部含入滲降雨板的入滲箱、位 于入滲箱頂部的入滲液供給箱、位于入滲箱中頂部與入滲液供給箱底部連通的入滲液管， 在模擬腔上游端有裝在模擬箱頂部的示蹤劑注入箱，至少三根位于模擬腔含水層內(nèi)的帶控 制閥的示蹤劑控制管的頂部分別與示蹤劑注入箱底部連通。
上述的測壓管為七組，等間距設(shè)置于模擬腔壁上，每組測壓管為三根，與每組測壓
管底部連通的三根測壓軟管的另一端分別插入含水層的同一斷面的上部、中部、下部。 上述的示蹤控制管為三根，等距離分布在模擬腔上游沿寬度方向的同一截面上。
上述的模擬箱上、下游處分別有能調(diào)節(jié)定水頭溢流箱、排水溢流箱高度的水位調(diào) 節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器中有裝在模擬箱上、下端的帶螺紋的螺母、支座，與溢流箱連接的帶螺紋 的支耳，調(diào)節(jié)螺桿一端依次穿過螺母、支耳上的螺紋而伸入支座中且能轉(zhuǎn)動。
上述的裝置中有與溢流測流管連通的流量計。 本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，能直觀了解水在地表滲入的物理過程，了解地下水補(bǔ)給方式。研 究和學(xué)習(xí)地下水穩(wěn)定運(yùn)動的滲流特征、進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)及參數(shù)測定，能大大降低成本。


圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的左視圖。圖3為圖1的俯視圖。圖4為圖1的B-B剖視圖。圖5為圖1的C-C剖視圖。圖6為圖1的D-D剖視圖。圖7為圖1的E-E剖視圖。圖8為圖2的A向視圖。圖9為滲流實(shí)驗(yàn)示意圖。圖10為潛水滲流模擬實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)示意圖。圖11為等水頭線與流線位置示意圖。圖12為理論滲流示意圖。圖13為實(shí)際滲流示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1 圖9，本實(shí)施例入滲與滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括帶水泵1的儲水箱2、底 板保持水平的模擬箱3。模擬箱內(nèi)有含供水孔4的供水腔5、有含水層的模擬腔6、含排水孔 7的排水腔8。模擬腔與供水腔、模擬腔與排水腔之間分別有透水網(wǎng)孔板9。位于模擬箱上 游端的有溢流槽10的定水頭溢流箱11中位于溢流槽外的溢流回水腔12有通過溢流管13 與儲水箱相通的溢流孔14。定水頭溢流箱的溢流槽中有通過管道15、 16分別與儲水箱水 泵和供水腔相通的進(jìn)水孔17、出水孔18。位于模似箱下游端的有溢流槽19的排水溢流箱 20中位于溢流槽外的溢流回水腔21有通過溢流測流管22與儲水箱相通的溢流孔23。排 水溢流箱的溢流槽中有通過管道24與排水腔中排水孔連通的進(jìn)水孔25。七組帶標(biāo)尺26的 測壓管27等間距設(shè)置于模擬腔壁上。 一端與每組三根測壓管底部連通的三根測壓軟管28 的另一端分別插入含水層的同一斷面的上部、中部、下部(參見圖4)。在模擬腔中偏上游部 有裝在模擬箱頂部的入滲裝置29。入滲裝置中有底部含入滲降雨板30(參見圖5)的入滲 箱31，位于入滲箱頂部的入滲液供給箱32，位于入滲箱中的帶控制閥33的入滲液管34的 頂部與入滲液供給箱底部連通。在模擬腔上游端有裝在模擬箱頂部的示蹤劑注入箱35，帶控制閥36的三根示蹤劑控制管37 (參見圖6、圖7)等距離分布在模擬腔上游端含水層沿寬 度方向的同一截面上而其頂部分別與示蹤劑注入箱底部連通。 參見圖1，模擬箱上、下游處分別有能調(diào)節(jié)定水頭溢流箱、排水溢流箱高度的定水
頭溢流箱水位水位調(diào)節(jié)器38和排水溢流箱水位調(diào)節(jié)器39中分別有裝在模擬箱上、下端的
帶螺紋的螺母40、支座41，與溢流箱連接的帶螺紋的支耳42，調(diào)節(jié)螺桿43 —端依次穿過螺
母、支耳上的螺紋而伸入支座中且能轉(zhuǎn)動而另一端上裝有調(diào)節(jié)手柄44。流量計45與溢流測
流管連通的。 入滲實(shí)驗(yàn)； 打開入滲裝置入滲液管控制閥，觀察示蹤劑的入滲情況；1、滲潤階段；入滲初期， 入滲液被巖土顆粒所吸附形成薄膜水。2、滲漏階段；隨著巖土含水率的不斷增大，水在巖土 空隙中作不穩(wěn)定運(yùn)動。3、滲透階段；巖土空隙被水充滿達(dá)到飽和狀態(tài)，水主要受重力作用呈 穩(wěn)定流動，補(bǔ)給含水層。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)；滲潤階段和滲漏階段可以觀察到，但滲透階段時，入滲水 向下的滲透的過程中由于受到毛細(xì)水上升力的阻擋，水不能滲透到含水層而是沿潛水面以 上一定的高度向排泄邊界運(yùn)移，當(dāng)入滲水向下的滲透力大于毛細(xì)水上升高度阻力后才能滲 透進(jìn)入含水層(見圖9，圖中箭頭46所示為毛細(xì)水上升高度)。
潛水滲流模擬實(shí)驗(yàn)； 潛水滲流模擬是以野外滲流的水文地質(zhì)實(shí)體為模型對象，相當(dāng)于模擬實(shí)際滲流區(qū) 的一矩形條塊。 潛水滲流模擬通過對模型中各運(yùn)動要素進(jìn)行觀測，其結(jié)果按一定比例放大，以獲 得與自然界滲流相對應(yīng)的運(yùn)動要素。因此，模型一定要遵循相似模擬的原則，即，幾何相似、 運(yùn)動相似、動力相似、邊界相似的原則。其運(yùn)動規(guī)律都可以用裘布依方程形式來描述，艮卩 流量方程為 2A7—, (D 式中Q——滲流水量(cm3/s); K——滲透系數(shù)(cm/s); b——模擬含水層寬度(cm); h7——最上游端斷面含水層厚度(cm); ^——最下游端斷面含水層厚度(cm); L7—工——上游第7斷面至下游第1斷面的距離(cm)。 水頭方程為A - }72 - i( 2 ) 式中hi——任意斷面的水頭值(cm)。 其它各項(xiàng)同式(1)。因含水底板為水平，式(1)中的含水層厚度讀數(shù)與式(2)中含
水層水頭值相同。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 (1)調(diào)節(jié)上、下游溢流箱水位差為0，此時上、下雜溢流箱水位、各斷面上的上、中、
下測壓管水位相等，表明儀器處于正常狀態(tài)(如圖10中水位線47所示)。 (2)接通電源，打開水控制閥，調(diào)節(jié)上、下游溢流箱水位差(約15cm)，待各測壓管水位穩(wěn)定。
觀察并討論 ①同一鉛垂斷面上各測壓管水位上高下低的原因(因潛水面為曲面，流線與潛水 面平行，等水頭與流線垂直所致，如圖ll所示)。 ②對比分析上、下游不同斷面上相應(yīng)各測壓管水位的差值及下游大于上游的原因 (因下游過水?dāng)嗝孀冃?，流速變大所致，如圖11所示)。圖11中序號48、49分別為等水頭 線水位線。 (3)測定儀器參數(shù)和測壓管水位及流量，根據(jù)公式(1)計算滲透系數(shù)。
⑤測定地下水實(shí)際流速在含水層上游注入紅色示蹤劑，計時，分別觀測到達(dá)第 1 7斷面的時間，分別計算各斷面及1 7斷面的地下水實(shí)際流速，分析實(shí)測地下水實(shí)際 流速與理論計算流速差異巨大的原因(因理論計算是將滲流通道理想為直線，而地下水是 在含水層空隙中運(yùn)動遇到固體顆粒將產(chǎn)生繞行，使地下水實(shí)際滲流通道大大延長所致(如 圖12、圖13)。圖12、圖13中序號50、51分別為地下水理論滲流線、地下水實(shí)際滲流線。
上述實(shí)施例是對本發(fā)明的上述內(nèi)容作進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上 述主題的范圍僅限于上述實(shí)施例。凡基于上述內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
入滲與滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括帶水泵的儲水箱、底板保持水平的模擬箱，模擬箱內(nèi)有含供水孔的供水腔、有含水層的模擬腔、含排水孔的排水腔，模擬腔與供水腔、模擬腔與排水腔之間有透水網(wǎng)孔板，位于模擬箱上游端的有溢流槽的定水頭溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通過溢流管與儲水箱相通的溢流孔，定水頭溢流箱的溢流槽中有通過管道分別與儲水箱水泵和供水腔相通的進(jìn)水孔、出水孔，位于模似箱下游端的有溢流槽的排水溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通過溢流測流管與儲水箱相通的溢流孔，排水溢流箱的溢流槽中有通過管道與排水腔中排水孔連通的進(jìn)水孔，至少三組測壓管豎直裝在模擬腔壁上，分別與測壓管底部連通的測壓軟管的一端穿過模擬腔壁插入含水層中，在模擬腔中有裝在模擬箱頂部的入滲裝置，入滲裝置中有底部含入滲降雨板的入滲箱、位于入滲箱頂部的入滲液供給箱、位于入滲箱中頂部與入滲液供給箱底部連通的入滲液管，在模擬腔上游端有裝在模擬箱頂部的示蹤劑注入箱，至少三根位于模擬腔含水層內(nèi)的帶控制閥的示蹤劑控制管的頂部分別與示蹤劑注入箱底部連通。
2. 如權(quán)利要求1所述的入滲與滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于測壓管為七組，等間距 設(shè)置于模擬腔壁上，每組測壓管為三根，與每組測壓管底部連通的三根測壓軟管的另一端 分別插入含水層的同一斷面的上部、中部、下部。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的入滲與滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于示蹤控制管為三根， 等距離分布在模擬腔上游沿寬度方向的同一截面上。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的入滲與滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于模擬箱上、下游處分 別有能調(diào)節(jié)定水頭溢流箱、排水溢流箱高度的水位調(diào)節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器中有裝在模擬箱上、 下端的帶螺紋的螺母、支座，與溢流箱連接的帶螺紋的支耳，調(diào)節(jié)螺桿一端依次穿過螺母、 支耳上的螺紋而伸入支座中且能轉(zhuǎn)動。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的入滲與滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于有與溢流測流管連 通的流量計。
全文摘要
本發(fā)明入滲與滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括帶儲水箱、底板保持水平的模擬箱，模擬箱內(nèi)有供水腔、有含水層的模擬腔、排水腔，在模擬腔中有裝在模擬箱頂部的入滲裝置，入滲裝置中有底部含入滲降雨板的入滲箱、位于入滲箱頂部的入滲液供給箱，位于入滲箱中的入滲液管的頂部午與入滲液供給箱底部連通，在模擬腔上游端有裝在模擬箱頂部的示蹤劑注入箱，至少三根位于模擬腔含水層內(nèi)的帶控制閥的示蹤劑控制管的頂部分別與示蹤劑注入箱底部連通。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、可以直觀了解水在地表入滲補(bǔ)給地下水的物理過程，了解地下水補(bǔ)給方式、地下水穩(wěn)定運(yùn)動的滲流特征、進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)及參數(shù)測定。
文檔編號G09B23/40GK101763765SQ20101010574
公開日2010年6月30日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者付小敏, 吳宗祥, 張曉超, 蔡國軍, 虞修競, 高涌濤 申請人:成都理工大學(xué)