專利名稱：承壓完整井抽水模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明與研究地下水運動規(guī)律的承壓完整井抽水模擬裝置有關。
背景技術：
在研究地下水運動時，往往采用數(shù)學方法，其前提是對含水層或含水系統(tǒng)作了一系列概化和限制條件下所求解的，如果這些概化和限制條件尚能反映出實際含水層的主要特征，那么數(shù)學解析解是可用的。
但是對實際含水層，如果它的非均勻性、各向異性以及復雜的邊界幾何形狀不允許作過多的概化，那么，數(shù)學方法就難于應用，并且數(shù)學方法比較抽象，使初學者難于理解。故而采用模擬方法來研究復雜條件下的地下水運動規(guī)律。其中物理模擬是常采用的方法。近些年來，由于生產單位忙于完成自身的生產任務，很難接收院校師生科研和現(xiàn)場教學實習，且野外現(xiàn)場抽水試驗耗資巨大，因此有必要加強實驗室的科學研究和實踐教學，以彌補野外現(xiàn)場試驗、實習的不足。特別是一些相似模擬文水地質實體以及地下水滲流方面的實驗。
抽水試驗是水文地質領域重要的工作內容之一，可以確定水文地質參數(shù)，計算含水層出水量。以上參數(shù)和含水層的出水量是對地下水進行資源評價，地下水環(huán)境容量及污染預測評價教學模型建立是必不可少的重要資料。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了提供一種模擬和研究地下承壓水在抽水時向完整井穩(wěn)定滲流的物理模型，即能確定水文地質參數(shù)和計算含水層出水量，清晰展現(xiàn)自然界無法觀測到的地下水滲流狀態(tài)、含水層及抽水井結構的承壓完整井抽水模擬裝置。
本發(fā)明承壓完整井抽水模擬裝置，包括帶水泵的儲水箱、底板保持水平的模擬箱，模擬箱內有含供水孔的供水腔、有含水層的模擬腔、含抽水孔的抽水井，在含水層頂面有與底板平行的隔水頂板，模擬腔的橫截面形狀為扇形，模擬腔與供水腔、模擬腔與抽水井底板間有透水網(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管路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水孔、出水孔，位于模似箱下游端的有溢流槽的抽水溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通過抽水溢流測流管與儲水箱相通的溢流孔，抽水溢流箱的溢流槽中有通過管道與抽水井中抽水孔連通的進水孔，至少三組測壓管豎直即鉛垂裝在模擬腔壁上，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，供水腔、模擬腔、抽水井間采用透水網(wǎng)孔板隔離，透水不透砂。
上述的模擬腔橫截面形狀為圓心角為18°或20°的扇形，使模擬箱長、寬結構合理，可以顯示地下水的滲流狀態(tài)，且便于觀察，根據(jù)需要，圓心角可適當放大或縮小。
上述的測壓管為七組，等間距設置于模擬腔壁上，每組測壓管為二根，與每組測壓管底部連通的二根測壓軟管的另一端分別插入含水層的同一斷面的上部、下部，可以顯示抽水時承壓水頭面的形態(tài)。
上述的模擬箱上、下游處分別有能調節(jié)定水頭溢流箱、抽水溢流箱高度的水位調節(jié)器，從而可調節(jié)滲透水流的水力坡度。
上述的水位調節(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，調節(jié)螺桿一端依次穿過螺母、支耳上的螺紋而與伸入支座。
上述的含水層厚度至少為40cm，最高承壓水頭為75cm，可滿足實驗中求得水文地質參數(shù)的要求。
上述的模擬裝置中有與抽水溢流、測流管連通的流量計。
上述的抽水井側壁裝有標尺，便于觀測抽水井中的水位。
上述的模擬箱采用透明材料制成，便于觀察含水層結構、地下水的滲流狀態(tài)。
本發(fā)明裝置可用粒徑為0.5～1mm的標準石英砂(也可根據(jù)需要采用野外含水層的樣品)模擬均質、各向同性含水層。
定水頭溢流箱位于模擬箱的上游外側，可調節(jié)定水溢流高度，以滿足實驗中不同的水頭要求，其中溢流槽通過管道與供水腔相連而形成統(tǒng)一的水動力場，溢流槽又通過管道與儲水箱中水泵相連。多余的實驗用水通過溢流管返回儲水箱，通過該供水系統(tǒng)，可以獲得不同水頭的穩(wěn)定水流，以滿足實驗中需求。
抽水井位于模擬腔下游，流經(jīng)模擬含水層的地下水可以均勻地進入抽水井中，同時抽水井側面有標尺，可隨時測讀水位。
抽水溢流箱位于模擬腔的下游外側，其中溢流槽通過管道與抽水井連通形成統(tǒng)一的水力動場，抽出的地下水通過與溢流回水腔連通的溢流測流管回到儲水箱中，也可引入容器測定其流量或連接低水頭高精度流量計測定流量，抽水溢流箱可上下調節(jié)高度，以滿足實驗中穩(wěn)定抽水井的水位和流量。
本發(fā)明中用水位調節(jié)器可以調控模型中的承壓水頭面為水平面和不同傾角傾斜面。
本發(fā)明中用測壓管顯示井流實驗區(qū)內各相應測壓斷面的承壓水頭值，同時測壓管也相當于抽水井沿滲流方向布設的水位觀測孔。
無論是自然界的地下水向承壓完整井運動還是模型中的地下水向承壓完整井的運動規(guī)律都符合裘布依承壓水井流理論，都可以用裘布依承壓水井流公式求解相關參數(shù)。
本發(fā)明承壓完整井抽水模擬裝置嚴格遵循裘布依承壓水井流理論(1)采用粒徑為0.5～1mm的標準石英砂(也可根據(jù)需要采用野外含水層的樣品)模擬均質、各向同性含水層。隔水頂板和隔水底板水平。
(2)用定水頭水位調節(jié)器和抽水井水位調節(jié)器的水位控制承壓水頭面為水平面和傾斜面。
(3)在試驗過程中，沿途無水量的補給和排泄，各過水斷面流量不變，在影響半徑的圓周上由可溢流的水位調節(jié)器控制供水腔為定水頭補給邊界。
(4)設計的含水層厚度至少為40cm，最高承壓水頭為75cm，可進行至少3次水位降深試驗，每次降深5cm-10cm，這樣可以保證含水層始終為承壓水。
本發(fā)明裝置遵循相似模擬的原則；(1)幾何相似本發(fā)明裝置和自然界滲流區(qū)域中所有的長度元素成比例。
若以al表示長度比例系數(shù)，則有al=LNLM=BNBM=MNMM=HNHM]]>其中LN、BN、MN表示自然界滲流區(qū)域的長度、寬度和厚度，LM、BM、MM表示滲流模型的長度、寬度和厚度，HN為自然界的滲流水頭，HM為滲流模型的水頭。
滿足式上的本發(fā)明裝置，將與自然界滲流區(qū)域保持幾何相似。
(2)動力相似即本發(fā)明裝置和自然界滲流中相應液體質點所受到的力的性質相同，且保持一定比例。
由于自然界的滲流絕大部份為層流，地下水的流動是粘滯力在起主要作用，而慣性力比粘滯力要小得多，可以忽略不計。因此，只要使模型中的滲流亦保持層流即可。
(3)邊界條件一致在自然界承壓完整井抽水時，水流從360°方向流入井內，如在實驗室建一個360°的模擬井，則占地面積大，造價高，可視性不好，而且試驗難于調控，為了便于觀測及實驗的可行性，切取了360°井的1/18或1/20，即20°或18°的一扇形條塊作為模擬對象，地下水在其中運動的規(guī)律是與在360°井中運動的規(guī)律是一致的，而且還便于觀察含水層及抽水井的結構、地下水循環(huán)途徑及運動要素、并且可以方便的調控實驗水流，形成承壓完整井抽水時地下水的滲流狀態(tài)。所測得的流量乘以18或20即可代表360°井的流量。
(4)運動規(guī)律相似即本發(fā)明裝置和自然界滲流中相應液體質點的跡線相似，而且流體質點流經(jīng)相應跡線段所需時間應成一定比例。承壓完整井抽水模擬裝置，模擬了鉆井打穿隔水頂板和含水層至含水層底板(隔水層)水流從井的四周流入井內，根據(jù)裘布依的穩(wěn)定流理論，當在承壓完整井中進行較長時間抽水之后，井中的動水位和出水量都會達到穩(wěn)定狀態(tài)，同時在抽水井的周圍也會形成有規(guī)則的穩(wěn)定的承壓水位降落漏斗，漏斗的R稱為影響半徑，井中的水面下降值S叫水位降深，從井中抽水的水量Q稱單井出水量。
因此無論是自然界的地下水向承壓完整井的運動還是模型中的地下水向承壓完整井的運動規(guī)律都符合裘布依承壓水井流理論，都可以用裘布依承壓水井流公式求解相關參數(shù)。
承壓水抽水時向完整井穩(wěn)定運動的規(guī)律可用裘布依承壓水井流公式來描述
Q=2.732KMSlgRrw]]>式中K—滲透系數(shù)(cm/s)M—承壓含水層厚度(cm)S—井中水位下降值(cm)R—影響半徑(cm)rw—井半徑(cm)本發(fā)明承壓完整井抽水模擬裝置就是將野外承壓完整井抽水試驗，按一定比例縮小制成的物理模型，模型可以再現(xiàn)承壓完整井抽水的過程，模擬了承壓地下水向完整井運動的狀態(tài)，然后對模型中各運動要求素進行觀測，再將觀測到的結果按一定比例放大，就可得到與自然界承壓完整井抽水時相對應的運動要素。本發(fā)明裝置能測定相關的水文地質參數(shù)和計算含水層出水量，清晰展現(xiàn)自然界無法觀測到的滲流狀態(tài)，含水層和抽水井的結構。為研究地下水向承壓完整井運動提供了一種有效的手段，


圖1為本發(fā)明結構示意圖。
圖2為圖1的A向視圖。
圖3為圖1的B向視圖。
圖4為圖1的C-C剖面圖。
具體實施例方式參見圖1～圖4，儲水箱1中裝有水泵2。模擬箱3裝于位于儲水箱頂部的支架上且底板始終保持水平。模擬箱四壁用有機玻璃制成。二透水網(wǎng)孔板4將模擬箱分隔成位于上、下游的供水腔5、抽水井6，位于供水腔5與抽水井6間的模擬腔7。模擬腔7的橫截面形狀如圖3所示為圓心角α＝20°的扇形，其中有厚度40cm的含水層8。在含水層的頂面有與底板平行的隔水頂板36，隔水頂板上有隔水層37。七組帶標尺33的測壓管9等距離的豎直裝于模擬腔壁上，可測定7個含水層斷面的水位。每組二根等徑測壓管，與每組中測壓管底端連通的二根測壓軟管10的另一端分別穿過模擬腔壁而插入含水層同一斷面的上部和底部從而可測定每個含水層斷面上部、下部的承壓水頭值。位于模擬箱上、下游處的調節(jié)定水頭溢流箱水位調節(jié)器11、抽水溢流箱水位調節(jié)器12中分別有裝在模擬箱上、下端的螺母13、支座14，與定水頭溢流箱26或抽水溢流箱27連接的帶螺紋的支耳15，調節(jié)螺桿16的下端依次螺紋穿過螺母、支耳而伸入支座中且能轉動，調節(jié)螺桿的上端裝有手輪17。正反轉動手輪帶動調節(jié)螺桿轉動從而使支耳沿調節(jié)螺桿上、下轉動，而調節(jié)水位調節(jié)器的高度。溢流板40將定水頭溢流箱26分隔成溢流槽18、溢流回水腔23。溢流槽18底部有分別通過抽水管19、供水管20與儲水箱水泵和供水腔相通的進水孔21、出水孔22。溢流槽外的溢流回水腔23底部有溢流孔24，與溢流孔24連通的定水溢流管25的另一端伸入儲水箱中。抽水井側壁上裝有標尺而其底部有抽水孔34。抽水溢流板41將抽水溢流箱27分隔成溢流槽42和溢流回水腔28。溢流槽進水孔35通過管道38與抽水井中抽水孔連通，溢流槽的溢流回水腔28底部有溢流孔29，與溢流孔29連通的溢流測流管30的另一端伸入儲水箱中。溢流測流管30的另一端測流管31插入低水頭高精度流量計32中以測流量。圖4中序號39為水位檢測點。閉路循環(huán)的給排水系統(tǒng)由儲水箱、水泵，可升降的定水頭的供、抽水溢流箱組成。通過該系統(tǒng)可使模擬含水層獲得不同水頭穩(wěn)定的實驗用水。實驗用水經(jīng)回水管路回流至儲水箱，實驗用水可循環(huán)使用，不需外接供水、排水管路，使裝置結構緊驟，占地少，移動方便，并可節(jié)約修建高位水塔和供水、排水管線的土建費用以及節(jié)約大量實驗用水。使裝置的造價和運行費用大大降低。此系統(tǒng)水位揚程3米，流量為1L/s。
本實施例裝置以野外抽水時地下水向承壓完整穩(wěn)定運動的水文地質實體為模型對象的一種物理模型，相當于模似了360°井的1/18，即20°的一扇形條塊體。地下水在其中運動的規(guī)律，是與在360°井中運動的規(guī)律是一致的，還便于觀察含水層及抽水井的結構、地下水循環(huán)途徑及運動要素、并且可以方便的調控實驗水流，形成承壓完整井抽水時地下水的滲流狀態(tài)。所測得的流量q乘以18即可代表360°井的流量Q即Q＝18＝×q式中Q——承壓完整360°井出水量(cm3/s)q——承壓完整20°井出水量(cm3/s)
承壓完整井抽水模擬是通過對模型中各運動要素進行觀測，其結果按一定比例放大，以獲得與自然界承壓完整井相對應的運動要素。本發(fā)明遵循了相似模擬的原則。即，幾何相似、運動相似、動力相似、邊界相似的原則。
采用本實施例裝置作抽水試驗時1、接通電源，打開水閥，調節(jié)上游定水頭溢流箱的高度，使供水腔的水位略低于模擬箱頂面，試驗過程中始終保持供水腔的水位不變。
2、降低抽水溢流箱，使第一次形成井中較小水位降深S，約5cm-10cm。待測壓管水位及流量穩(wěn)定后(注意測壓管中不能有氣泡或死水位)，觀察；(1)水流過程中各斷面水位變化及同一鉛垂斷面上各測壓管水位上高下低的原因。
(2)對比分析上、下游不同斷面上相應各測壓管水位的差值，下游大于上游的原因。
3、測定儀器參數(shù)和測壓管水位及流量。
(1)測量抽水井半徑rw、各斷面到抽水井中心距離L1～L7，并記錄。
(2)讀出各測壓管水位并記錄。
(3)保持供水箱腔抽水井溢流箱位置不移動，在抽水井溢流箱的出水口測定流量，記錄數(shù)據(jù)。
(4)測定流量保持供水腔水位不變，降低抽水井水位兩次，每次5cm-10cm，重復(2)及(3)的操作。
(5)測定地下水實際流速在供水腔注入紅色示蹤劑，分別觀察到達第7～第1斷面的時間，并記錄。
4、依據(jù)實測流量Q、承壓含水層厚度M、井中水位下降值S及影響半徑R，采用裘布依承壓水井流公式來求解滲透系數(shù)，并記錄。
裘布依井流公式為；Q=2.732KMSlgRrw]]>式中式中K—滲透系數(shù)(cm/s)M—承壓含水層厚度(cm)S—井中水位下降值(cm)
R—影響半徑(cm)rw—井半徑(cm)Q——承壓完整井出水量(cm3/s)5、根據(jù)h7、h1斷面觀測孔平均水位，用水頭方程計算第6～第2斷面的承壓水頭值并記錄。
水頭方程為hi=(h72-h12)ln(ri/r1)ln(r7-r1)+h1(cm)]]>式中h1——任意斷面的承壓水頭值h7——最上游斷面含水層承壓水頭值h1——最下游端斷面含水層承壓水頭值(cm)r7——最上游斷面觀測孔至抽水井中心距離(cm)r1——最下游斷面觀測孔至抽水井中心距離(cm)通過本實施例裝置能求觀察抽水過程中地下水的滲流狀態(tài)，驗證裘布依承壓水井流公式。通過實測數(shù)據(jù)求解含水層的相關參數(shù)。
上述實施例是對本發(fā)明的上述內容作進一步的說明，但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于上述實施例。凡基于上述內容所實現(xiàn)的技術均屬于本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.承壓完整井抽水模擬裝置，其特征在于包括帶水泵的儲水箱、底板保持水平的模擬箱，模擬箱內有含供水孔的供水腔、有含水層的模擬腔、含抽水孔的抽水井、在含水層頂面有與底板平行的隔水頂板，模擬腔的橫截面形狀為扇形，模擬腔與供水腔、模擬腔與抽水井之間有透水網(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水孔、出水孔，位于模似箱下游的有溢流槽的抽水溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通過抽水溢流測流管與儲水箱相通的溢流孔，抽水溢流箱的溢流槽中有通過管道與抽水井中抽水孔連通的進水孔，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。
2.如權利要求1所述的承壓完整井抽水模擬裝置，其特征在于模擬腔橫截面形狀為圓心角為18°或20°的扇形。
3.如權利要求1或2所述的承壓完整井抽水模擬裝置，其特征在于測壓管為七組，等間距設置于模擬腔壁上，每組測壓管為二根，與每組測壓管底部連通的二根測壓軟管的另一端分別插入含水層的同一斷面的上部、下部。
4.如權利要求1或2所述的承壓完整井抽水模擬裝置，其特征在于模擬箱上、下游處分別有能調節(jié)定水頭溢流箱、抽水溢流箱高度的水位調節(jié)器。
5.如權利要求4所述的承壓完整井抽水模擬裝置，其特征在于水位調節(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動。
6.如權利要求1或2所述的承壓完整井抽水模擬裝置，其特征在于含水層厚度至少為40cm，最高承壓水頭為75cm。
7.如權利要求1或2所述的承壓完整井抽水模擬裝置，其特征在于有與抽水溢流、測流管連通的流量計。
8.如權利要求1或2所述的承壓完整井抽水模擬裝置，其特征在于抽水井側壁裝有標尺。
9.如權利要求1或2所述的承壓完整井抽水模擬裝置，其特征在于模擬箱采用透明材料制成。
全文摘要
本發(fā)明承壓完整井抽水模擬裝置，包括帶水泵的儲水箱、底板保持水平的模擬箱，模擬箱內有供水腔、有含水層的模擬腔、抽水井，在含水層頂面有與底板平行的隔水頂板，模擬腔的橫截面形狀為扇形，模擬腔與供水腔、模擬腔與抽水井之間有透水網(wǎng)孔板，位于上游端的定水頭溢流箱中的溢流回水腔與儲水箱相通而溢流槽分別與儲水箱水泵和供水腔相通，位于下游端的抽水溢流箱中的溢流回水腔與儲水箱相通而溢流槽與抽水井中連通，至少三組測壓玻璃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。能確定水文地質參數(shù)和計算含水層出水量，清晰展現(xiàn)自然界無法觀測到的地下水滲流狀態(tài)、含水層及抽水井結構。
文檔編號G09B25/00GK1937005SQ2006100220
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月18日 優(yōu)先權日2006年10月18日
發(fā)明者虞修竟, 付小敏, 黃潤秋, 許強, 裴鉆, 蔡國軍, 徐德敏 申請人:成都理工大學