地下水分水嶺動態模擬裝置及其應用

袁文杰,肖先煊,蔡國軍,胡 強

(1.成都理工大學環境與土木工程學院,四川成都610059；2.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川成都610059)

地下水分水嶺動態模擬裝置及其應用

袁文杰1,肖先煊2,蔡國軍2,胡 強1

(1.成都理工大學環境與土木工程學院,四川成都610059；2.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川成都610059)

以野外河間地塊為模擬對象,在室內建立地質物理模型,模擬河間地塊地下水補、徑、排特征及穩定運動時地下水分水嶺的形態,以及不同水動力條件下的地下水分水嶺的移動特征。試驗表明,當兩側河流水位相平時,分水嶺位于河間地塊中間；一端水位升高,分水嶺會移向高水位一側,直至過了臨界值,分水嶺消失。該方法應用范圍廣,可實施度高,可直接用來解決工程實際問題。

地下水分水嶺；動態裝置；河間地塊；潛水面

0 引 言

地下水分水嶺的研究是水文地質勘察的重要內容之一。因水文地質條件和地貌特征的不同,地下水分水嶺的位置可能隨地下水位的升高或降低而變化[1],分水嶺控制著地下潛水最高水位。研究地下水位變動和分水嶺位置移動規律,可為防止土地鹽漬化或沼澤化[2-5],預防水庫發生泄漏[6-7]等實際問題提供理論依據；城市垃圾填埋場或核廢料埋置點選址及使用期間,也要充分研究地下水可能造成的污染物的泄漏[8]。

地下水動態模擬裝置可完整顯示河間地塊潛水補給、徑流、排泄及空間的分布狀態。大范圍的分水嶺觀測存在一定的局限性,建立實際模型有利于直觀了解不同地質環境中潛水補給、徑流、排泄以及地下水分水嶺的形成、偏移以及消失過程,減少工程量,節約成本。

1 儀器簡介

1.1 儀器工作原理

地下水分水嶺動態模擬裝置是一種模擬和研究降雨時河間地塊分水嶺的變化的物理模型。建立模型過程中,遵循幾何相似原則,即幾何相似、運動相似、動力相似、邊界條件相似[9]。河間地塊是以野外降雨時地下水分水嶺運動的水文地質實體為對象的物理模型。通過對模型中各運動要素進行觀測,將其結果按一定比例放大,獲得與自然界河間地塊相對應的運動要素。

1.2 儀器主體結構

儀器主要由河間地塊模擬箱、降雨系統、測壓管、示蹤劑注入管、穩定溢流箱、排水系統等組成。地下水分水嶺動態裝置見圖1。

圖1 地下水分水嶺動態裝置

河間地塊模擬箱是試驗的主體,放置模型試驗的滲透介質模擬含水層(經過篩選的石英砂),頂部有卵礫石層模擬地面狀況。河間地塊模擬箱兩端設有可控制水位的穩定流供、排水系統,底部裝有模擬河水低水位的排水孔。河間地塊模擬箱一側及底板裝有9根測壓管,可直接測定相應測點的水位,兩根壓管間設有示蹤劑注入管,觀察地下水的流線特征。

試驗時,可通過調節供水降雨系統改變降雨的強度。通過調節穩水箱的高低,控制兩端河流水位。在河間地塊模擬箱底板底部裝有引水管,排泄掉箱體內滲透下來的大氣降水,模擬地面入滲深度。河間地塊模擬箱下部裝有儲水箱,儲存河間地塊的滲出水和兩側可控制水位的穩水箱調節水位時溢出的水。儲水箱底部裝有水泵和排水口,通過水泵可把儲水箱里的水重新轉成大氣降水，形成閉路式水循環系統，可循環利用水資源。

1.3 儀器技術指標

河間地塊潛水模擬箱1.9 m×0.4 m×0.8 m；箱體單側設置測壓管,測壓管φ10、L=1 m；箱體同側裝有8支25 mL的示蹤劑注入管；儲水箱1.8 m×0.5 m×0.35 m；排水系統水泵功率70 W、口徑18 mm、揚程3.2 m、流量3 500 L/h、電壓220 V。模擬裝置整體為閉路式水循環系統,不需另外接供排水管路,可移動。

1.3.1 粒徑級配

潛水地質模型中,河間地塊中填充有石英砂模擬河間地塊。實際使用過程中,可以根據野外場地土質的實際情況進行取樣,以模擬野外實際情況。模型中,石英砂粒徑大多為0.1～1 mm。經過篩分試驗,即可得出石英粒徑級配曲線(見圖2)。

圖2 粒徑級配

1.3.2 給水度與毛細水上升高度

用給水度測定裝置,測得河間地塊系統內的石英砂的給水度為8%,持水度為38%。地下水分水嶺動態裝置中,石英砂毛細水上升高度隨著時間的增加而增大。毛細水上升高度與時間關系見圖3。毛細負壓測定試驗數據可知,毛細水最大上升高度為21.5 cm。

圖3 毛細水上升高度與時間關系

1.3.3 滲透系數

滲透系數k不僅取決于巖石的性質(顆粒排列、充填狀況、裂隙性質及其發育程度),還與滲透液體的物理性質(容重、粘滯性等)有關[10],可根據Darcy定律計算。試驗過程中,通過控制降雨系統使之停止降雨,調節溢流箱的高度，保持左、右兩端河流水位持平,即h1=h2。待水流穩定后,保持給水箱高度不變,調節左側溢流箱,形成水位差,待測壓管水位及流量穩定后,測其水位差及流量。保持給水箱高度不變,重復此試驗過程5次,記錄數據,可求得河間地塊中石英砂的滲透系數。計算結果見表1。

表1 滲透系數計算結果

2 儀器的主要用途

該儀器可用來測地層滲透系數,地下水流速,潛水面的位置、形狀和流線特征,并獲取分水嶺的動態變化規律。

2.1 分水嶺動態變化規律

2.1.1 兩側河流水位相同

打開水閥,調節供水降雨系統,保持中等強度均勻降雨條件,調節溢流箱,使兩側河流保持等水位排水,待測壓管水位及流量穩定后(即測得連續2次流量之差小于3%),同時打開注入示蹤劑器,即可觀察到地下水分水嶺的形成位置。第1次試驗河流水位持平時,測得分水嶺位置a1=74 cm,計算此時分水嶺的理論位置為73.66 cm。此時,分水嶺位于河間地塊試驗箱的中間,無偏移,各測壓管水頭顯示潛水面特征和地下水流向。地下水流線和分水嶺位置見圖4。

圖4 地下水流線和分水嶺位置

圖5 地下水流線和分水嶺位置

2.1.2 左側河流水位高于右側

待示蹤劑排凈后,保持中等強度均勻降雨條件不變,抬高左側河水位(即抬高左側穩水箱),待測壓管水位及流量穩定后,同時打開注入示蹤劑器,觀察地下水分水嶺移動方向。此時,地下水分水嶺左移偏向左岸。第2次試驗抬高左側河流水位,根據示蹤劑流態可判斷出此時分水嶺位置處于偏左側,測出分水嶺位置a2=53 cm,計算此時分水嶺的理論位置54.27 cm。此時,分水嶺位置發生明顯偏移,靠近左側水位高的河渠一端。地下水流線和分水嶺位置見圖5。

2.1.3 左側河流水位遠高于右側

繼續等待示蹤劑排凈,保持降雨強度不變,繼續抬高左側河水位,待測壓管水位及流量穩定后,同時打開注入示蹤劑器,觀察到分水嶺逐漸消失。此時,無地下水分水嶺的形成。繼續抬高左側河流水位,根據示蹤劑流態,可判斷出此時河間地塊模型中沒有分水嶺,分水嶺消失(見圖6)。

圖6 地下水分水嶺消失

通過3次調整左側河流水位試驗,測得相同降雨強度下地下水分水嶺的不同位置。數據記錄結果見表2。從表2可知,有降雨補給時,河間地塊的分水嶺處流量水頭最高、水流流線向兩側延伸,分水嶺的位置總是靠近高水位河渠。

表2 分水嶺位置記錄

2.2 地下水流速測定

試驗中,調節降雨系統,在無降雨補給的情況下,控制溢流箱的高度使其不形成分水嶺。待測壓管水位不變,流量穩定后,打開最左端示蹤劑器注入紅色示蹤劑。同時,以10 cm為單位長度計時,并觀察示蹤劑的流動路徑。可測得地下水流速v與水力坡度i的關系(見圖7)。

圖7 地下水流速與水力坡度的關系

2.3 潛水面形態及流線特征

接通電源,打開水閥,調節降雨系統,使之保持中等強度降雨,兩側河流同等低水位排水,待測壓管水位及流量穩定后,測定各測壓管水位和河水位。打開示蹤劑注入管開關注入示蹤劑,同時觀察流線特征,可分析流網分布規律,繪制流網分布曲線。潛水面的高度變化見圖8。從圖8可知,當兩側河流水位高度相同時,測壓管中間水位最高,分水嶺位于4號測壓管處，即1/2河間地塊處；當左側河流水位高于右側時,左側測壓管水頭明顯高于右側,分水嶺發生偏移至2號測壓管處；左側水位繼續抬高,直至分水嶺消失。

圖8 潛水面高度變化

3 應用前景

3.1 水資源的開發與利用

通過模擬當地環境,可以找出地下水分水嶺的具體位置,分水嶺兩側地下水的水化學類型由于水巖作用的不同往往大不相同[11]。找出分水嶺位置,研究分水嶺兩側的水文地質條件、水動力場、水化學場,給出地下水開采的合理方案,為科學合理地開采地下水的提供依據。

3.2 環境保護工程與防治

城市垃圾填埋場或核廢料埋置點選址時,要充分研究有入滲補給時河渠間地下水分水嶺運移規律,以防止發生泄漏造成污染。確定分水嶺的位置有利于劃分不同的含水巖組,確定污染地層。在排水渠設計中,控制分水嶺的標高,可避免河渠間地塊鹽漬化或沼澤化。

3.3 基礎設施工程鄰河滲漏

水庫巖溶滲漏是碳酸鹽地區水庫建設中常見的工程地質問題之一,其滲漏形式及滲漏量將會直接影響到基礎設施的設計、施工及運營管理。地下水分水嶺的高程是分析判斷水庫是否會產生滲漏的重要依據之一。此外,還可以計算地下水分水嶺高程是否高于正常蓄水水位,若大于水庫正常水位則不會發生鄰谷滲漏。由于地形地貌、地層巖性、地質構造、巖溶發育程度和大氣降水的影響,可通過預測并結合以物探、鉆探、硐探、連通試驗及鉆孔地下水長觀等手段,確定地下水分水嶺的具體位置。

4 結 語

本文介紹了地下水分水嶺動態裝置的工作原理、使用方法和具體操作步驟。該儀器應用于地下水分水嶺變化規律的試驗,與理論值公式計算值基本相吻合,為測量地下水流速提供了新的方法。潛水面在野外不容易找到,應用該儀器可觀測不同水動力條件下的潛水面。該儀器應用前景廣闊,可解決實際工程問題。

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(責任編輯 楊 健)

Groundwater Divide Dynamic Simulation Method and Its Application

YUAN Wenjie1, XIAO Xianxuan2, CAI Guojun2, HU Qiang1

(1. College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China; 2. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu 610059, Sichuan, China)

Taking field interstream block as simulation object and establishing indoor geological geophysical model, the characteristics of groundwater recharge, flow path and discharge and the divide form under stable movement of groundwater in interstream block, and the movement characteristics of groundwater divide under different hydrodynamic conditions are simulated. The tests show that, (a) when the river water levels of both sides are flat, the divide is located in the middle of interstream block; (b) when the water level rises at one end, the divide will move to the side of high water level until exceed the critical value, the divide will disappear. The method has wide application range and high practicability, and can be directly used to solve practical engineering problems．

underground water divide; dynamic device; interstream block; water table

2016-05-12

國家自然科學青年基金項目(41502244,41202209)；成都理工大學中青年骨干教師培養計劃(HG0092)；省級專業綜合改革與實踐教學項目(SZH1103ZX08,16Z0547)

袁文杰(1994—),女,山東日照人,助理工程師,主要從事地下水科學與工程研究；肖先煊(通訊作者)．

P641.73

A

0559-9342(2017)02-0031-04