潛水地質模型實驗裝置的製作方法
2023-06-01 21:07:26 1
專利名稱：潛水地質模型實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明與地下水有關，特別與潛水含水層有關的潛水地質模型實驗裝置有關。
背景技術：
自然界的地下水按其埋藏條件和水動力特徵，可分為潛水、承壓水和上層滯水。潛水是指地表以下飽水帶中第一個具有自由表面，且具有一定規模的含水層中的重力水。潛水面(地下水面)到隔水底板的垂直距離為含水層厚度，潛水面到地表的垂直距離為潛水的埋藏深度，潛水含水層厚度和潛水埋藏深度隨潛水面的升降面而變化。潛水面以上不存在隔水層，因此潛水與大氣降水及地表水聯繫緊密，與水文循環密切，對水文氣象因素敏感。潛水面以上不存在隔水層，因此在潛水分布的範圍都可以接受大氣降水和地表水的補給。潛水依所處的地貌位置不同有多種排洩方式，在地形切割強烈的地區，潛水往往以泉的形式溢流於地表或直接排洩於地表水體，也可通過毛細水的形式蒸發排洩，植物蒸騰等。潛水面的形狀受地形控制，通常為緩於地形的曲面。潛水在自然界分布廣泛，埋藏淺，便於開採和利用，是水文地質學重要的研究對象。要研究和學習有關潛水的知識，主要通過野外現場地質調查，工程勘探等方式進行，往往耗資巨大，野外地質條件複雜，水文地質現象不直觀，測試數據不便於觀察，可重複性差等缺點，給潛水的研究帶來不便，也使初學者難於認識和理解。本發明根據相似模擬的原理，以自然界山區典型的潛水為模擬對象，模擬潛水的構成、補給、徑流、排洩、水動力特徵等，通過實驗以熟悉潛水的基本概念及對潛水進行深入研究的潛水地質模型裝置。本發明為學習潛水的有關知識及研究潛水的形成、動態變化特徵等提供了一種有效的手段。
發明內容
本發明的目的是為了提供一種以水文地質模型的方式，模擬潛水的構成要素、潛水的形成、補給、徑流、排洩、水動力特徵的潛水地質模型實驗裝置。通過該裝置的實驗學習，可熟悉有關潛水的基本組成要素，展現與潛水有關的水文地質現象，便於清晰、直觀地學習有關潛水的基本知識和開展對潛水的研究。本發明的目的是這樣來實現的
本發明潛水地質模型實驗裝置，包括有水泵的儲水箱、模擬箱、位於模擬箱頂部的模擬降雨組件，模擬箱內有平緩山丘狀潛水含水層、分別位於潛水含水層上、下遊端的第一模擬地表水體、第二模擬地表水體，等距離豎直固定在模擬箱壁上的至少六支測壓管伸入潛水含水層中的底端在同一水平面上，沿潛水含水層起伏面豎直安裝在模擬箱壁上的至少六支示蹤劑注入管的下部分別伸入潛水含水層中且各示蹤劑注入管伸入潛水含水層中的深度相等或近似相等，位於模擬箱外上遊端的穩定流供水箱中有分別通過管道與儲水箱中水泵和模擬箱中的第一模擬地表水體相通的供水腔、通過回水管道與儲水箱相通的回流腔，位於模擬箱外下遊端的穩定流排水中有通過管道與第二模擬地表水體連通的溢流腔、通過管道與儲水箱相通的排水腔，潛水含水層由多孔介質的石英砂模擬，模擬降雨組件用於模擬降雨垂向入滲補給潛水含水層，也可以模擬地表片流的形成(不斷增大降雨量，當降雨量大於入滲量時，則形成地表片流)，至少六支測壓管，可觀測不同狀態下的潛水面形狀及潛水面峰面形成、遷移特徵，沿地形起伏面設置的示蹤劑注入管，實驗過程中，通過向含水層注入示蹤劑，可以觀測不同狀態時潛水徑流時的運動軌跡、分析潛水的水流特徵。上述的潛水含水層頂面有地形罩，保持外形穩定。上述的地形罩由S形有機玻璃透水板和與S形有機玻璃透水板成一體的反S形有機玻璃透水板製成。上述的的地形罩底部有尼龍網，過水不透砂。上述的模擬降雨組件中有裝於模擬箱頂部的有若干降雨孔的降雨板，裝於模擬箱上的降雨供水管一端位於降雨板頂上而另一端通過軟管與儲水箱中水泵連通，降雨供水管上裝有控制閥。上述的模擬箱底部有與模擬箱連通的有控制閥的排水管。上述的模擬箱壁外上、下遊端分別有能調節穩定流供水箱、穩定流排水箱高度的水位調節器。上述的水位調節有裝在模擬箱上、下的上支座、下支座，與穩定流供水箱或穩定流排水箱連接的帶內螺紋的支耳，調節螺杆一端依次穿過上支座、與支耳螺紋配合後伸入下支座中且能轉動，水位調節器通過螺杆，可上、下調節高度，根據實驗需要調節和穩定地表水的水位。通過調節兩端地表水的水位差，可以模擬潛水面峰面的形成，峰面的位置，峰面的轉移、消失以及潛水含水層側向補給。上述的測壓管為九支、示蹤劑注入管為八支。上述的模擬箱採用透明有機玻璃製成，便於觀察。帶水泵的儲水箱，通過供、排水管路與降雨組件和水位調節器相連，形成閉路循環的供、排水系統，循環使用實驗用水，實驗裝置無需外接供、排水管路，使儀器結構緊湊，佔地少，降低了儀器造價及運行費用。本發明是一種以水文地質模型的方式，模擬潛水的構成要素、潛水的形成、補給、 徑流、排洩、水動力特徵的潛水地質模型實驗裝置。通過本裝置的實驗學習，可熟悉有關潛水的基本組成要素，展現與潛水有關的水文地質現象，便於清晰、直觀地學習有關潛水的基本知識和開展對潛水的研究。
圖1為本發明結構示意圖。圖2為圖1的左視圖。圖3為地形罩結構示意圖。圖4為圖1中的A— A剖視圖。圖5為圖1的俯視圖。圖6為本發明潛水面峰面居中時工作狀態圖。
圖7為本發明潛水面峰面向高水位地表水偏移時工作狀態圖。圖8為本發明潛水面峰面消失工作狀態圖。圖9為本發明潛水含水層厚度隨潛水面變化時工作狀態圖。圖10為本發明地表水側向補給潛水含水層工作狀態圖。
具體實施例方式
參見圖1 圖5，本實施例潛水地質模型實驗裝置，包括有水泵1的儲水箱2、模擬箱3、 位於模擬箱頂部的模擬降雨組件4。模擬箱內有平緩山丘狀潛水含水層5、分別位於潛水含水層上、下遊端的第一模擬地表水體6、第二模擬地表水體7。等距離豎直固定在模擬箱壁上的九支測壓管8伸入潛水含水層中的底端在同一水平面上。沿潛水含水層起伏面豎直安裝在模擬箱壁上的九支示蹤劑注入管9的下部分別伸入潛水含水層且各示蹤劑注入管伸入潛水深度相等(或近擬相等)。位於模擬箱外上遊端的穩定流供水箱10中有分別通過管道11、12與儲水箱中水泵和模擬箱中的第一模擬地表水體相通的供水腔13、通過回水管道 14與儲水箱相通的回流腔15。位於模擬箱外下遊的穩定流排水箱16中有通過管道17與第二模擬地表水體連通的溢流腔18、通過管道19與儲水箱相通的排水腔20。參見圖1、圖3、圖4，潛水含水層頂面有地形罩21。地形罩由S形有機玻璃透水板 21—1和與S形有機玻璃透水板成一體的反S形有機玻璃透水板21—2製成。地形罩底部有尼龍網22。參見圖1、圖5，模擬降雨組件中有裝於模擬箱頂部的有若干降雨孔的降雨板23， 裝於模擬箱上的降雨供水管M —端位於降雨板頂面而另一端通過軟管25與儲水箱中水泵連通，降雨供水管上裝有控制閥26。參見圖1，模擬箱底部有與模擬箱連通的有控制閥的排水管27。參見圖1，模擬箱壁外上、下遊端分別有能調節穩定流供水箱、穩定流排水箱高度的水位調節器28。水位調節器中有裝在模擬箱上、下的上支座四、下支座30，與穩定流供水箱或穩定流排水箱連接的帶內螺紋的支耳31，調節螺杆32 —端依次穿過上支座、與支耳螺紋配合後而伸入下支座中且能轉動。本發明工作時，
1觀測降雨入滲補給及地表片流形成
調節兩端地表水位調節器，使其處於較低位置，且高度相同。接通電源，打開降雨供水水閥，使其處於較小供水量，此時降雨形成，通過模擬潛含水層表面入滲補給地下水，由於降水量小於入滲量，降水全部入滲補給地下水。逐漸打開供水水閥，增大降雨量，當降雨量大於入滲量時，沿潛水含水層地形表面形成地表片流。通過觀測入滲補給，可以了解潛水垂向補給方式，在降雨量相同時，降雨時間越長，越有利於潛水補給。2觀測有降水入滲時，潛水面的形狀及地下水流動特徵
當有降水入滲時，通過測壓管水位連線可以觀察到潛水面是與地形起伏一致的曲面， 當兩側地表水位相等時，潛水面的峰面居中，同時打開示蹤劑開關，注入示蹤劑，通過示蹤劑形成的流線，可以觀察到入滲水進入含水層後，從潛水面的峰面向兩側運動，排洩於地表水體(圖6)。繼續保持降雨，升高一端水位，可以發現潛水面的峰面向高水位一端發生偏移，隨著地下水峰面向高水位一端偏移，入滲也是與潛水面峰面為界，大部分向低水位一端運動， 排洩於地表水體(圖7)。繼續升高一端的地表水位，潛水面峰面繼續向高水位一端的地表水偏移，直至達到與地表水水位等高，此時潛水面峰面消失，潛水面為一從高水位地表水向低水位地表水的傾斜面。通過示蹤劑形成的流線可以觀察到入滲水和高水位一端的地表水均通過含水層向低水位一端的地表水運動、排洩(圖8)。3無降雨時，觀察潛水面形狀及潛水補給、徑流、排洩特徵
停止降水，將兩端地表水水位調整為同一高度，此時各測壓管水位，兩端地表水水位高度相同，表明潛水面為水平面。潛水面至到隔水底板的垂直距離為含水層厚度，潛水面到地表的垂直距離為潛水的埋藏深度，如果同步調節兩端地表水水位高度，則潛水含水層厚度和潛水埋藏深度隨潛水面的升降面而變化(圖9)。升高上遊端水位調節器，打開供水開關，隨著水位升高，在兩端地表水水位差作用下，高水位一端的地表水通過側向補給含水層，向低水位一端地表水徑流、排洩(圖10)。圖6 圖10中序號33為潛水面。通過以上實驗，可以認識與潛水有關的基本概念，對潛水形成、補給、徑流、排洩特徵建立感性認識。上述實施例是對本發明的上述內容作進一步的說明，但不應將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於上述實施例。凡基於上述內容所實現的技術均屬於本發明的範圍。
權利要求
1.潛水地質模型實驗裝置，包括有水泵的儲水箱、模擬箱、位於模擬箱頂部的模擬降雨組件，模擬箱內有平緩山丘狀潛水含水層、分別位於潛水含水層上、下遊端的第一模擬地表水體、第二模擬地表水體，等距離豎直固定在模擬箱壁上的至少六支測壓管伸入潛水含水層中的底端在同一水平面上，沿潛水含水層起伏面豎直安裝在模擬箱壁上的至少六支示蹤劑注入管的下部分別伸入潛水含水層且各示蹤劑注入管伸入潛水含水層中的深度相等或近似相等，位於模擬箱外上遊端的穩定流供水箱中有分別通過管道與儲水箱中水泵和模擬箱中的第一模擬地表水體相通的供水腔、通過回水管道與儲水箱相通的回流腔，位於模擬箱外下遊端的穩定流排水箱中有通過管道與第二模擬地表水體連通的溢流腔、通過管道與儲水箱相通的排水腔。
2.如權利要求1所述的潛水地質模型實驗裝置，其特徵在於潛水含水層頂面有地形罩。
3.如權利要求1所述的潛水地質模型實驗裝置，其特徵在於地形罩由S形有機玻璃透水板和與S形有機玻璃透水板成一體的反S形有機玻璃透水板製成。
4.如權利要求3所述的潛水地質模型實驗裝置，其特徵在於地形罩底部有尼龍網。
5.如權利要求1 4之一所述的潛水地質模型實驗裝置，其特徵在於模擬降雨組件中有裝於模擬箱頂部的有若干降雨孔的降雨板，裝於模擬箱上的降雨供水管一端位於降雨板頂上而另一端通過軟管與儲水箱中水泵連通，降雨供水管上裝有控制閥。
6.如權利要求1 4之一所述的潛水地質模型實驗裝置，其特徵在於模擬箱底部有與模擬箱連通的有控制閥的排水管。
7.如權利要求1 4之一所述的潛水地質模型實驗裝置，其特徵在於模擬箱壁外上、下遊端分別有能調節穩定流供水箱、穩定流排水箱高度的水位調節器。
8.如權利要求7所述的潛水地質模型實驗裝置，其特徵在於水位調節器中有裝在模擬箱上、下端的上支座、下支座，與穩定流供水箱或穩定流排水箱連接的帶內螺紋的支耳，調節螺杆一端依次穿過上支座、與支耳螺紋配合後伸入下支座中且能轉動。
9.如權利要求1 4之一所述的潛水地質模型實驗裝置，其特徵在於測壓管為九支、示蹤劑注入管為八支。
10.如權利要求1 4之一所述的潛水地質模型實驗裝置，其特徵在於模擬箱採用透明有機玻璃製成。
全文摘要
本發明為潛水地質模型實驗裝置，包括有水泵的儲水箱、模擬箱、位於模擬箱頂部的模擬降雨組件，模擬箱內有平緩山丘狀潛水含水層、分別位於潛水含水層上、下遊端的第一模擬地表水體、第二模擬地表水體，等距離豎直固定在模擬箱壁上的至少六支測壓管伸入潛水含水層中的底端在同一水平面上，沿潛水含水層起伏面豎直安裝在模擬箱壁上的至少六支示蹤劑注入管的下端分別伸入潛水含水層中，位於模擬箱外上遊端的穩定流供水箱中有分別與水泵和第一模擬地表水體相通的供水腔、與儲水箱相通的回流腔，位於模擬箱外下遊的穩定流排水箱有與第二模擬地表水體連通的溢流腔、與儲水箱相通的排水腔。通過本發明裝置，可熟悉有關潛水的基本組成要素，展現與潛水有關的水文地質現象，便於清晰、直觀地學習有關潛水的基本知識和開展對潛水的研究。
文檔編號G01M10/00GK102507139SQ20111033413
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月29日 優先權日2011年10月29日
發明者付小敏, 李天斌, 汪旭, 王嘉舜, 肖先煊, 蔡國軍, 虞修竟 申請人:成都理工大學