地下水分水岭动态模拟装置及其应用

袁文杰,肖先煊,蔡国军,胡 强

(1.成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都610059；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059)

地下水分水岭动态模拟装置及其应用

袁文杰1,肖先煊2,蔡国军2,胡 强1

(1.成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都610059；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059)

以野外河间地块为模拟对象,在室内建立地质物理模型,模拟河间地块地下水补、径、排特征及稳定运动时地下水分水岭的形态,以及不同水动力条件下的地下水分水岭的移动特征。试验表明,当两侧河流水位相平时,分水岭位于河间地块中间；一端水位升高,分水岭会移向高水位一侧,直至过了临界值,分水岭消失。该方法应用范围广,可实施度高,可直接用来解决工程实际问题。

地下水分水岭；动态装置；河间地块；潜水面

0 引 言

地下水分水岭的研究是水文地质勘察的重要内容之一。因水文地质条件和地貌特征的不同,地下水分水岭的位置可能随地下水位的升高或降低而变化[1],分水岭控制着地下潜水最高水位。研究地下水位变动和分水岭位置移动规律,可为防止土地盐渍化或沼泽化[2-5],预防水库发生泄漏[6-7]等实际问题提供理论依据；城市垃圾填埋场或核废料埋置点选址及使用期间,也要充分研究地下水可能造成的污染物的泄漏[8]。

地下水动态模拟装置可完整显示河间地块潜水补给、径流、排泄及空间的分布状态。大范围的分水岭观测存在一定的局限性,建立实际模型有利于直观了解不同地质环境中潜水补给、径流、排泄以及地下水分水岭的形成、偏移以及消失过程,减少工程量,节约成本。

1 仪器简介

1.1 仪器工作原理

地下水分水岭动态模拟装置是一种模拟和研究降雨时河间地块分水岭的变化的物理模型。建立模型过程中,遵循几何相似原则,即几何相似、运动相似、动力相似、边界条件相似[9]。河间地块是以野外降雨时地下水分水岭运动的水文地质实体为对象的物理模型。通过对模型中各运动要素进行观测,将其结果按一定比例放大,获得与自然界河间地块相对应的运动要素。

1.2 仪器主体结构

仪器主要由河间地块模拟箱、降雨系统、测压管、示踪剂注入管、稳定溢流箱、排水系统等组成。地下水分水岭动态装置见图1。

图1 地下水分水岭动态装置

河间地块模拟箱是试验的主体,放置模型试验的渗透介质模拟含水层(经过筛选的石英砂),顶部有卵砾石层模拟地面状况。河间地块模拟箱两端设有可控制水位的稳定流供、排水系统,底部装有模拟河水低水位的排水孔。河间地块模拟箱一侧及底板装有9根测压管,可直接测定相应测点的水位,两根压管间设有示踪剂注入管,观察地下水的流线特征。

试验时,可通过调节供水降雨系统改变降雨的强度。通过调节稳水箱的高低,控制两端河流水位。在河间地块模拟箱底板底部装有引水管,排泄掉箱体内渗透下来的大气降水,模拟地面入渗深度。河间地块模拟箱下部装有储水箱,储存河间地块的渗出水和两侧可控制水位的稳水箱调节水位时溢出的水。储水箱底部装有水泵和排水口,通过水泵可把储水箱里的水重新转成大气降水，形成闭路式水循环系统，可循环利用水资源。

1.3 仪器技术指标

河间地块潜水模拟箱1.9 m×0.4 m×0.8 m；箱体单侧设置测压管,测压管φ10、L=1 m；箱体同侧装有8支25 mL的示踪剂注入管；储水箱1.8 m×0.5 m×0.35 m；排水系统水泵功率70 W、口径18 mm、扬程3.2 m、流量3 500 L/h、电压220 V。模拟装置整体为闭路式水循环系统,不需另外接供排水管路,可移动。

1.3.1 粒径级配

潜水地质模型中,河间地块中填充有石英砂模拟河间地块。实际使用过程中,可以根据野外场地土质的实际情况进行取样,以模拟野外实际情况。模型中,石英砂粒径大多为0.1～1 mm。经过筛分试验,即可得出石英粒径级配曲线(见图2)。

图2 粒径级配

1.3.2 给水度与毛细水上升高度

用给水度测定装置,测得河间地块系统内的石英砂的给水度为8%,持水度为38%。地下水分水岭动态装置中,石英砂毛细水上升高度随着时间的增加而增大。毛细水上升高度与时间关系见图3。毛细负压测定试验数据可知,毛细水最大上升高度为21.5 cm。

图3 毛细水上升高度与时间关系

1.3.3 渗透系数

渗透系数k不仅取决于岩石的性质(颗粒排列、充填状况、裂隙性质及其发育程度),还与渗透液体的物理性质(容重、粘滞性等)有关[10],可根据Darcy定律计算。试验过程中,通过控制降雨系统使之停止降雨,调节溢流箱的高度，保持左、右两端河流水位持平,即h1=h2。待水流稳定后,保持给水箱高度不变,调节左侧溢流箱,形成水位差,待测压管水位及流量稳定后,测其水位差及流量。保持给水箱高度不变,重复此试验过程5次,记录数据,可求得河间地块中石英砂的渗透系数。计算结果见表1。

表1 渗透系数计算结果

2 仪器的主要用途

该仪器可用来测地层渗透系数,地下水流速,潜水面的位置、形状和流线特征,并获取分水岭的动态变化规律。

2.1 分水岭动态变化规律

2.1.1 两侧河流水位相同

打开水阀,调节供水降雨系统,保持中等强度均匀降雨条件,调节溢流箱,使两侧河流保持等水位排水,待测压管水位及流量稳定后(即测得连续2次流量之差小于3%),同时打开注入示踪剂器,即可观察到地下水分水岭的形成位置。第1次试验河流水位持平时,测得分水岭位置a1=74 cm,计算此时分水岭的理论位置为73.66 cm。此时,分水岭位于河间地块试验箱的中间,无偏移,各测压管水头显示潜水面特征和地下水流向。地下水流线和分水岭位置见图4。

图4 地下水流线和分水岭位置

图5 地下水流线和分水岭位置

2.1.2 左侧河流水位高于右侧

待示踪剂排净后,保持中等强度均匀降雨条件不变,抬高左侧河水位(即抬高左侧稳水箱),待测压管水位及流量稳定后,同时打开注入示踪剂器,观察地下水分水岭移动方向。此时,地下水分水岭左移偏向左岸。第2次试验抬高左侧河流水位,根据示踪剂流态可判断出此时分水岭位置处于偏左侧,测出分水岭位置a2=53 cm,计算此时分水岭的理论位置54.27 cm。此时,分水岭位置发生明显偏移,靠近左侧水位高的河渠一端。地下水流线和分水岭位置见图5。

2.1.3 左侧河流水位远高于右侧

继续等待示踪剂排净,保持降雨强度不变,继续抬高左侧河水位,待测压管水位及流量稳定后,同时打开注入示踪剂器,观察到分水岭逐渐消失。此时,无地下水分水岭的形成。继续抬高左侧河流水位,根据示踪剂流态,可判断出此时河间地块模型中没有分水岭,分水岭消失(见图6)。

图6 地下水分水岭消失

通过3次调整左侧河流水位试验,测得相同降雨强度下地下水分水岭的不同位置。数据记录结果见表2。从表2可知,有降雨补给时,河间地块的分水岭处流量水头最高、水流流线向两侧延伸,分水岭的位置总是靠近高水位河渠。

表2 分水岭位置记录

2.2 地下水流速测定

试验中,调节降雨系统,在无降雨补给的情况下,控制溢流箱的高度使其不形成分水岭。待测压管水位不变,流量稳定后,打开最左端示踪剂器注入红色示踪剂。同时,以10 cm为单位长度计时,并观察示踪剂的流动路径。可测得地下水流速v与水力坡度i的关系(见图7)。

图7 地下水流速与水力坡度的关系

2.3 潜水面形态及流线特征

接通电源,打开水阀,调节降雨系统,使之保持中等强度降雨,两侧河流同等低水位排水,待测压管水位及流量稳定后,测定各测压管水位和河水位。打开示踪剂注入管开关注入示踪剂,同时观察流线特征,可分析流网分布规律,绘制流网分布曲线。潜水面的高度变化见图8。从图8可知,当两侧河流水位高度相同时,测压管中间水位最高,分水岭位于4号测压管处，即1/2河间地块处；当左侧河流水位高于右侧时,左侧测压管水头明显高于右侧,分水岭发生偏移至2号测压管处；左侧水位继续抬高,直至分水岭消失。

图8 潜水面高度变化

3 应用前景

3.1 水资源的开发与利用

通过模拟当地环境,可以找出地下水分水岭的具体位置,分水岭两侧地下水的水化学类型由于水岩作用的不同往往大不相同[11]。找出分水岭位置,研究分水岭两侧的水文地质条件、水动力场、水化学场,给出地下水开采的合理方案,为科学合理地开采地下水的提供依据。

3.2 环境保护工程与防治

城市垃圾填埋场或核废料埋置点选址时,要充分研究有入渗补给时河渠间地下水分水岭运移规律,以防止发生泄漏造成污染。确定分水岭的位置有利于划分不同的含水岩组,确定污染地层。在排水渠设计中,控制分水岭的标高,可避免河渠间地块盐渍化或沼泽化。

3.3 基础设施工程邻河渗漏

水库岩溶渗漏是碳酸盐地区水库建设中常见的工程地质问题之一,其渗漏形式及渗漏量将会直接影响到基础设施的设计、施工及运营管理。地下水分水岭的高程是分析判断水库是否会产生渗漏的重要依据之一。此外,还可以计算地下水分水岭高程是否高于正常蓄水水位,若大于水库正常水位则不会发生邻谷渗漏。由于地形地貌、地层岩性、地质构造、岩溶发育程度和大气降水的影响,可通过预测并结合以物探、钻探、硐探、连通试验及钻孔地下水长观等手段,确定地下水分水岭的具体位置。

4 结 语

本文介绍了地下水分水岭动态装置的工作原理、使用方法和具体操作步骤。该仪器应用于地下水分水岭变化规律的试验,与理论值公式计算值基本相吻合,为测量地下水流速提供了新的方法。潜水面在野外不容易找到,应用该仪器可观测不同水动力条件下的潜水面。该仪器应用前景广阔,可解决实际工程问题。

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[2]张红, 章光新, 杨建锋, 等. 人工控制潜水位下苏打盐渍土水盐动态分析[J]. 干旱区资源与环境, 2008, 22(5)： 149-154．[3]谷奉天, 石东里. 黄河河口区控制城镇潜水位措施及生态效应分析[J]. 滨州教育教育学院学报, 2000, 6(2)： 36-40．

[4]赵海卿. 吉林西部平原区地下水生态水位及水量调控研究[D]. 北京： 中国地质大学(北京), 2012．

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(责任编辑 杨 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

国家自然科学青年基金项目(41502244,41202209)；成都理工大学中青年骨干教师培养计划(HG0092)；省级专业综合改革与实践教学项目(SZH1103ZX08,16Z0547)

袁文杰(1994—),女,山东日照人,助理工程师,主要从事地下水科学与工程研究；肖先煊(通讯作者)．

P641.73

A

0559-9342(2017)02-0031-04