CN112577855A - 一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置 - Google Patents

一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置 Download PDF

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周志国
谢谚
杨洋洋
张福良
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Abstract

本发明公开了一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，涉及地下水水位变化研究技术领域，包括：实验槽，用于模拟地下水的不同含水层；活动水槽，用于控制实验槽的左侧水头；固定水槽，用于控制实验槽的右侧水头；模拟水井，模拟抽水条件下的地下水流场变化。本发明的有益效果是，实验装置操作简单，通过调节实验槽两边设置的固定水槽、活动水槽来改变地下水不同流场，并且通过水泵的开启来改变模拟水井的水位，以模拟抽水条件下的地下水流场变化，能直观地观察不同含水层地下水水位高度变化，可模拟抽水井周边非均质含水层水位变化，实验可重复性和操作性强，具有较好的应用前景。

Description

一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的 实验装置
技术领域
本发明涉及地下水水位变化研究技术领域，尤其涉及一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置。
背景技术
随着地表水资源的日益枯竭和经济社会的快速发展，大规模抽取地下水的情况屡见不鲜，地下水资源快速消耗极易形成了地下水漏斗，地下水侧向流动会对地下水漏斗区有明显的补给作用，严重影响地下水流场，地下水水位在距离漏斗中心不同的地方也有不同程度的下降，在平原地区表现尤为明显。含水层大多为非均质，不同的透水度对抽水等人工干扰有不同的响应度，因此探究地下漏斗附近非均质含水层水位因抽水造成的水位变化对日后选择抽水井打井位置至关重要。
目前，对于抽水等人工干扰对含水层水位高度影响的研究较少，大多集中于研究地下水中污染物运移或污染土壤修复，中国专利(例如CN105152393B)介绍了利用模拟井等曝气装置研究了曝气条件下受污染的地下水和土壤中污染物的去除效果，但是无法直观监测曝气装置对含水层水位的变化；中国专利(例如CN108447376A)介绍了纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验装置，装置内设置监测井，但是无地下含水层的水位变化观察孔，无法直观观测水位变化；中国专利(CN104483240A、CN105300843A等)也都没有实现直观了解抽水活动对含水层水位变化影响。而抽水井的使用必定会引起周围含水层水位变化，且不同种类或不同透水度的含水层必定对应不同的水位变化，因此急需一种开发一种能够研究抽水井周边非均质含水层地下水位变化的实验室装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，包括：
实验槽，用于模拟地下水的不同含水层；
活动水槽，用于控制实验槽的左侧水头；
固定水槽，用于控制实验槽的右侧水头；
模拟水井，模拟抽水条件下的地下水流场变化。
作为本发明的进一步优选，所述实验槽为阶梯形结构，且在实验槽底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关。
作为本发明的进一步优选，所述实验槽内设置一个模拟水井，模拟水井的底部四周均匀开设若干个开孔。
作为本发明的进一步优选，模拟水井采用PVC-U材质制成，模拟水井底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径。
作为本发明的进一步优选，所述实验槽的内部侧壁上间隔地设置多个竖直的观察柱。
作为本发明的进一步优选，所述观察柱均采用有机玻璃制成，其直径小于实验槽底边长度的1/20。
作为本发明的进一步优选，在所述活动水槽、所述固定水槽与实验槽相连通处均设置有多孔板或紊流器。
作为本发明的进一步优选，所述活动水槽安装于实验槽的左侧，其高度可调节。
作为本发明的进一步优选，所述活动水槽、固定水槽的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵，所述模拟水井的外部还设置一注水或排水用的水泵。
作为本发明的进一步优选，所述实验槽中的模拟地下水的含水层选用粒径适宜的石英砂填充，含水层与包气带之间通过薄纱布隔开。
本发明的有益效果是，
1、在模拟地下水的实验槽中填充不同粒径大小的酸洗、碱洗后的石英砂进行不同含水度含水层的模拟，并通过水泵抽水的方式来模拟取水，通过实验槽侧壁上设置的有机玻璃观察柱可直观地观察含水层液面的变化，记录含水层的水位高度，能在一定程度上模拟抽水背景下的地下水流场变化，进而研究在抽水井周边非均质含水层地下水水位变化。
2、实验装置操作简单，通过调节实验槽两边设置的固定水槽、活动水槽来改变地下水不同流场，并且通过水泵的开启来改变模拟水井的水位，以模拟抽水条件下的地下水流场变化，能直观地观察不同含水层地下水水位高度变化，可模拟抽水井周边非均质含水层水位变化，实验可重复性和操作性强，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中的模拟水井示意图
图3为本发明中的多孔板示意图
其中，1、活动水槽；2、多孔板；3、实验槽；4、观察柱；5、出水开关；6、蠕动泵；7、模拟水井；8、固定水槽；9、透水孔。
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。
如图1所示，一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，包括：
实验槽3，用于模拟地下水的不同含水层；选取不同粒径的石英砂，根据实验目的按照不同厚度不同位置均匀铺到实验槽3底层，作为孔隙度良好的含水层。
活动水槽1，用于控制实验槽3的左侧水头；
固定水槽，用于控制实验槽3的右侧水头；
模拟水井7，模拟抽水条件下的地下水流场变化。
特别的，上述实验槽3为阶梯形结构，且在实验槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关5，可将排出模拟水槽1的水进行收集并循环使用。
特别的，上述实验槽3内设置一个模拟水井7，模拟水井7的底部四周均匀开设若干个开孔，便于从模拟水井7的顶部向实验槽3中注入水。
特别的，模拟水井7采用PVC-U材质制成，模拟水井7底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径，以防石英砂从开孔处进入到模拟水井7中。
特别的，上述实验槽3的内部侧壁上间隔地设置多个竖直的观察柱4，便于观察实验过程中的液面高度变化。
特别的，上述观察柱4均采用有机玻璃制成，其直径小于实验槽3底边长度的1/20，以降低观察柱4对原流场造成影响。
特别的，在上述活动水槽1、上述固定水槽与实验槽3相连通处均设置有多孔板2或紊流器。
特别的，上述活动水槽1安装于实验槽3的左侧，其高度可调节。
特别的，上述活动水槽1、固定水槽的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵6，上述模拟水井7的外部还设置一注水或排水用的水泵。
特别的，上述实验槽3中的模拟地下水的含水层选用粒径适宜的石英砂填充，含水层与包气带之间通过薄纱布隔开。
该实验装置实验过程：
安装过程中，将经酸洗、碱洗过的某一粒径石英砂均匀填充在实验槽3中，装填时适当抖动，保证填充均匀；在该层填充好后放入一层薄纱布层，防止相邻两层石英砂混合；根据实验要求，在纱布上均匀放置另一粒径的石英砂层，厚度根据实验安排定；将模拟水井7置于合适的位置，其周围可用石英砂等填充物进行包裹和固定；启动连接固定水槽和活动水槽1的两个蠕动泵6向实验槽3中注水，可打开出水开关5，将排出的水收集并循环使用，调节两侧水槽高度，水头差达到一定的数值，并持续稳定3h后，体系形成稳定的流场；将与模拟水井7连通的水泵打开，以一定流速模拟抽水或注水的人工干扰，等待30min后流场稳定，以一定流速模拟抽水或注水的人工干扰，保持该速度30min后流场稳定；观察观察柱4的液面，等待液面稳定，记录液面高度。
实施例1
一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，包括：
实验槽3，用于模拟地下水的不同含水层；上述实验槽3中的模拟地下水的含水层选用粒径适宜的石英砂填充，含水层与包气带之间通过薄纱布隔开；上述实验槽3为阶梯形结构，且在实验槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关5，可将排出模拟水槽1的水进行收集并循环使用；上述实验槽3内设置一个模拟水井7，模拟水井7的底部四周均匀开设若干个开孔，便于从模拟水井7的顶部向实验槽3中注入水；上述实验槽3的内部侧壁上间隔地设置多个竖直的观察柱4，便于观察实验过程中的液面高度变化；上述观察柱4均采用有机玻璃制成，其直径小于实验槽3底边长度的1/20，以降低观察柱4对原流场造成影响。
活动水槽1，用于控制实验槽3的左侧水头；上述活动水槽1安装于实验槽3的左侧，其高度可调节。
固定水槽，用于控制实验槽3的右侧水头；在上述活动水槽1、上述固定水槽与实验槽3相连通处均设置有多孔板2，多孔板上均匀布设若干个透水孔9；上述活动水槽1、固定水槽的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵6，上述模拟水井7的外部还设置一注水或排水用的水泵。
模拟水井7，模拟抽水条件下的地下水流场变化；模拟水井7采用PVC-U材质制成，模拟水井7底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径，以防石英砂从开孔处进入到模拟水井7中。
将粒径分别为为200nm、300nm、400nm的石英砂进行酸洗、碱洗处理，过夜后烘干，将不同粒径的石英砂由下往上分层均匀到实验槽3中，装填时适当抖动，保证填充均匀，每两层石英砂之间放置一层薄纱布，防止石英砂互串；将底部四周开孔的模拟水井7放在实验槽3中，周围用石英砂等填充物包裹固定；待填充完毕后，启动两个蠕动泵6，调节两侧模拟水槽的高度，使二者水头差为5cm，固定水槽高度后，持续3h，体系形成稳定的流场；打开与模拟水井7相连的水泵，以0.1mL/min的流速模拟抽水，保持该速度3h后流场稳定。观察有机玻璃观察柱4里的液面高度，待液面高度不变时，开始记录液面高度并绘图。
实施例2
一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，包括：
实验槽3，用于模拟地下水的不同含水层；上述实验槽3中的模拟地下水的含水层选用粒径适宜的石英砂填充，含水层与包气带之间通过薄纱布隔开；上述实验槽3为阶梯形结构，且在实验槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关5，可将排出模拟水槽1的水进行收集并循环使用；上述实验槽3内设置一个模拟水井7，模拟水井7的底部四周均匀开设若干个开孔，便于从模拟水井7的顶部向实验槽3中注入水；上述实验槽3的内部侧壁上间隔地设置多个竖直的观察柱4，便于观察实验过程中的液面高度变化；上述观察柱4均采用有机玻璃制成，其直径小于实验槽3底边长度的1/20，以降低观察柱4对原流场造成影响。
活动水槽1，用于控制实验槽3的左侧水头；上述活动水槽1安装于实验槽3的左侧，其高度可调节。
固定水槽，用于控制实验槽3的右侧水头；在上述活动水槽1、上述固定水槽与实验槽3相连通处均设置有紊流器；上述活动水槽1、固定水槽的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵6，上述模拟水井7的外部还设置一注水或排水用的水泵。
模拟水井7，模拟抽水条件下的地下水流场变化；模拟水井7采用PVC-U材质制成，模拟水井7底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径，以防石英砂从开孔处进入到模拟水井7中。
将粒径分别为为200nm、300nm的石英砂进行酸洗、碱洗处理，过夜后烘干，将不同粒径的石英砂由下往上按照3:1的厚度铺到实验槽3中，装填时适当抖动，保证填充均匀，两层石英砂之间放置一层薄纱布，防止石英砂互串；将底部四周开孔的模拟水井7放在实验槽3中，周围用石英砂等填充物包裹固定；待填充完毕后，启动两个蠕动泵6，调节两侧模拟水槽的高度，使二者水头差为5cm，固定水槽高度后，持续3h，体系形成稳定的流场；打开与模拟水井7相连的水泵，以0.3mL/min的流速模拟抽水，保持该速度3h后流场稳定。观察有机玻璃观察柱4里的液面高度，待液面高度不变时，开始记录液面高度并绘图。
实施例3
一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，包括：
实验槽3，用于模拟地下水的不同含水层；上述实验槽3中的模拟地下水的含水层选用粒径适宜的石英砂填充，含水层与包气带之间通过薄纱布隔开；上述实验槽3为阶梯形结构，且在实验槽3底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关5，可将排出模拟水槽1的水进行收集并循环使用；上述实验槽3内设置一个模拟水井7，模拟水井7的底部四周均匀开设若干个开孔，便于从模拟水井7的顶部向实验槽3中注入水；上述实验槽3的内部侧壁上间隔地设置多个竖直的观察柱4，便于观察实验过程中的液面高度变化；上述观察柱4均采用有机玻璃制成，其直径小于实验槽3底边长度的1/20，以降低观察柱4对原流场造成影响。
活动水槽1，用于控制实验槽3的左侧水头；上述活动水槽1安装于实验槽3的左侧，其高度可调节。
固定水槽，用于控制实验槽3的右侧水头；在上述活动水槽1、上述固定水槽与实验槽3相连通处均设置有多孔板2，多孔板上均匀布设若干个透水孔9；上述活动水槽1、固定水槽的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵6，上述模拟水井7的外部还设置一注水或排水用的水泵。
模拟水井7，模拟抽水条件下的地下水流场变化；模拟水井7采用PVC-U材质制成，模拟水井7底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径，以防石英砂从开孔处进入到模拟水井7中。
将粒径分别为为300nm、400nm的石英砂进行酸洗、碱洗处理，过夜后烘干，将不同粒径的石英砂由下往上按照1:1的厚度铺到实验槽3中，装填时适当抖动，保证填充均匀，两层石英砂之间放置一层薄纱布，防止石英砂互串；将底部四周开孔的模拟水井7放在实验槽3中，周围用石英砂等填充物包裹固定；待填充完毕后，启动两个蠕动泵6，调节两侧模拟水槽的高度，使二者水头差为5cm，固定水槽高度后，持续3h，体系形成稳定的流场；打开与模拟水井7相连的水泵，以0.2mL/min的流速模拟抽水，保持该速度3h后流场稳定。观察有机玻璃观察柱4里的液面高度，待液面高度不变时，开始记录液面高度并绘图。
本实验装置应用时，根据实验目的将酸洗、碱洗过夜的石英砂在实验槽3中均匀填充一定厚度，之后再在上方根据实验要求填充一定厚度不同粒径的石英砂，形成上下两层不同含水度的含水层，为保证含水层间分割明显，可用纱布在连接处进行分隔，填砂过程中把模拟水井7固定于一定的位置上；然后调节控制水头的蠕动泵6，将水注入活动水槽1中，超过水槽界面的水会溢出并排出，打开出水开关5可将排出的水及时收集，并循环使用。水位高度稳定3h后，流场已基本稳定后，将与模拟水井7相连的水泵打开，以一定的流速模拟抽水工作，观察有机玻璃观察柱4中的水位变化，绘制水位变化图。
本发明中，用不同粒径的石英砂模拟不同类型的含水层，再通过调整实验槽3两侧的固定水槽和活动水槽1的位置，来模拟水井7的使用情况，模拟抽水背景下的地下水流场，弥补了现有实验装置不能直观地模拟地下水水位变化，无法直观地研究抽水背景下地下水水位变化的空白，为实验室内研究抽水井周边非均质含水层地下水水位变化提供了一个很好的实验教学装置。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，其特征在于，包括：实验槽，用于模拟地下水的不同含水层；
活动水槽，用于控制实验槽的左侧水头；
固定水槽，用于控制实验槽的右侧水头；
模拟水井，模拟抽水条件下的地下水流场变化。
2.如权利要求1所述的一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，其特征在于，所述实验槽为阶梯形结构，且在实验槽底部的左侧、右侧分别设置一个出水开关。
3.如权利要求2所述的一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，其特征在于，所述实验槽内设置一个模拟水井，模拟水井的底部四周均匀开设若干个开孔。
4.如权利要求3所述的一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，其特征在于，模拟水井采用PVC-U材质制成，模拟水井底部开孔的孔径小于含水层石英砂的粒径。
5.如权利要求3所述的一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，其特征在于，所述实验槽的内部侧壁上间隔地设置多个竖直的观察柱。
6.如权利要求5所述的一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，其特征在于，所述观察柱均采用有机玻璃制成，其直径小于实验槽底边长度的1/20。
7.如权利要求1所述的一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，其特征在于，在所述活动水槽、所述固定水槽与实验槽相连通处均设置有多孔板或紊流器。
8.如权利要求7所述的一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，其特征在于，所述活动水槽安装于实验槽的左侧，其高度可调节。
9.如权利要求7所述的一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，其特征在于，所述活动水槽、固定水槽的外部还分别设置一个泵水用的蠕动泵，所述模拟水井的外部还设置一注水或排水用的水泵。
10.如权利要求8所述的一种研究抽水井周边的非均质含水层地下水水位变化情况的实验装置，其特征在于，所述实验槽中的模拟地下水的含水层选用粒径适宜的石英砂填充，含水层与包气带之间通过薄纱布隔开。
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