专利名称：潜水地质模型实验装置的制作方法
技术领域：
本发明与地下水有关，特别与潜水含水层有关的潜水地质模型实验装置有关。
背景技术：
自然界的地下水按其埋藏条件和水动力特征，可分为潜水、承压水和上层滞水。潜水是指地表以下饱水带中第一个具有自由表面，且具有一定规模的含水层中的重力水。潜水面(地下水面)到隔水底板的垂直距离为含水层厚度，潜水面到地表的垂直距离为潜水的埋藏深度，潜水含水层厚度和潜水埋藏深度随潜水面的升降面而变化。潜水面以上不存在隔水层，因此潜水与大气降水及地表水联系紧密，与水文循环密切，对水文气象因素敏感。潜水面以上不存在隔水层，因此在潜水分布的范围都可以接受大气降水和地表水的补给。潜水依所处的地貌位置不同有多种排泄方式，在地形切割强烈的地区，潜水往往以泉的形式溢流于地表或直接排泄于地表水体，也可通过毛细水的形式蒸发排泄，植物蒸腾等。潜水面的形状受地形控制，通常为缓于地形的曲面。潜水在自然界分布广泛，埋藏浅，便于开采和利用，是水文地质学重要的研究对象。要研究和学习有关潜水的知识，主要通过野外现场地质调查，工程勘探等方式进行，往往耗资巨大，野外地质条件复杂，水文地质现象不直观，测试数据不便于观察，可重复性差等缺点，给潜水的研究带来不便，也使初学者难于认识和理解。本发明根据相似模拟的原理，以自然界山区典型的潜水为模拟对象，模拟潜水的构成、补给、径流、排泄、水动力特征等，通过实验以熟悉潜水的基本概念及对潜水进行深入研究的潜水地质模型装置。本发明为学习潜水的有关知识及研究潜水的形成、动态变化特征等提供了一种有效的手段。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种以水文地质模型的方式，模拟潜水的构成要素、潜水的形成、补给、径流、排泄、水动力特征的潜水地质模型实验装置。通过该装置的实验学习，可熟悉有关潜水的基本组成要素，展现与潜水有关的水文地质现象，便于清晰、直观地学习有关潜水的基本知识和开展对潜水的研究。本发明的目的是这样来实现的
本发明潜水地质模型实验装置，包括有水泵的储水箱、模拟箱、位于模拟箱顶部的模拟降雨组件，模拟箱内有平缓山丘状潜水含水层、分别位于潜水含水层上、下游端的第一模拟地表水体、第二模拟地表水体，等距离竖直固定在模拟箱壁上的至少六支测压管伸入潜水含水层中的底端在同一水平面上，沿潜水含水层起伏面竖直安装在模拟箱壁上的至少六支示踪剂注入管的下部分别伸入潜水含水层中且各示踪剂注入管伸入潜水含水层中的深度相等或近似相等，位于模拟箱外上游端的稳定流供水箱中有分别通过管道与储水箱中水泵和模拟箱中的第一模拟地表水体相通的供水腔、通过回水管道与储水箱相通的回流腔，位于模拟箱外下游端的稳定流排水中有通过管道与第二模拟地表水体连通的溢流腔、通过管道与储水箱相通的排水腔，潜水含水层由多孔介质的石英砂模拟，模拟降雨组件用于模拟降雨垂向入渗补给潜水含水层，也可以模拟地表片流的形成(不断增大降雨量，当降雨量大于入渗量时，则形成地表片流)，至少六支测压管，可观测不同状态下的潜水面形状及潜水面峰面形成、迁移特征，沿地形起伏面设置的示踪剂注入管，实验过程中，通过向含水层注入示踪剂，可以观测不同状态时潜水径流时的运动轨迹、分析潜水的水流特征。上述的潜水含水层顶面有地形罩，保持外形稳定。上述的地形罩由S形有机玻璃透水板和与S形有机玻璃透水板成一体的反S形有机玻璃透水板制成。上述的的地形罩底部有尼龙网，过水不透砂。上述的模拟降雨组件中有装于模拟箱顶部的有若干降雨孔的降雨板，装于模拟箱上的降雨供水管一端位于降雨板顶上而另一端通过软管与储水箱中水泵连通，降雨供水管上装有控制阀。上述的模拟箱底部有与模拟箱连通的有控制阀的排水管。上述的模拟箱壁外上、下游端分别有能调节稳定流供水箱、稳定流排水箱高度的水位调节器。上述的水位调节有装在模拟箱上、下的上支座、下支座，与稳定流供水箱或稳定流排水箱连接的带内螺纹的支耳，调节螺杆一端依次穿过上支座、与支耳螺纹配合后伸入下支座中且能转动，水位调节器通过螺杆，可上、下调节高度，根据实验需要调节和稳定地表水的水位。通过调节两端地表水的水位差，可以模拟潜水面峰面的形成，峰面的位置，峰面的转移、消失以及潜水含水层侧向补给。上述的测压管为九支、示踪剂注入管为八支。上述的模拟箱采用透明有机玻璃制成，便于观察。带水泵的储水箱，通过供、排水管路与降雨组件和水位调节器相连，形成闭路循环的供、排水系统，循环使用实验用水，实验装置无需外接供、排水管路，使仪器结构紧凑，占地少，降低了仪器造价及运行费用。本发明是一种以水文地质模型的方式，模拟潜水的构成要素、潜水的形成、补给、 径流、排泄、水动力特征的潜水地质模型实验装置。通过本装置的实验学习，可熟悉有关潜水的基本组成要素，展现与潜水有关的水文地质现象，便于清晰、直观地学习有关潜水的基本知识和开展对潜水的研究。
图1为本发明结构示意图。图2为图1的左视图。图3为地形罩结构示意图。图4为图1中的A— A剖视图。图5为图1的俯视图。图6为本发明潜水面峰面居中时工作状态图。
图7为本发明潜水面峰面向高水位地表水偏移时工作状态图。图8为本发明潜水面峰面消失工作状态图。图9为本发明潜水含水层厚度随潜水面变化时工作状态图。图10为本发明地表水侧向补给潜水含水层工作状态图。
具体实施例方式
参见图1 图5，本实施例潜水地质模型实验装置，包括有水泵1的储水箱2、模拟箱3、 位于模拟箱顶部的模拟降雨组件4。模拟箱内有平缓山丘状潜水含水层5、分别位于潜水含水层上、下游端的第一模拟地表水体6、第二模拟地表水体7。等距离竖直固定在模拟箱壁上的九支测压管8伸入潜水含水层中的底端在同一水平面上。沿潜水含水层起伏面竖直安装在模拟箱壁上的九支示踪剂注入管9的下部分别伸入潜水含水层且各示踪剂注入管伸入潜水深度相等(或近拟相等)。位于模拟箱外上游端的稳定流供水箱10中有分别通过管道11、12与储水箱中水泵和模拟箱中的第一模拟地表水体相通的供水腔13、通过回水管道 14与储水箱相通的回流腔15。位于模拟箱外下游的稳定流排水箱16中有通过管道17与第二模拟地表水体连通的溢流腔18、通过管道19与储水箱相通的排水腔20。参见图1、图3、图4，潜水含水层顶面有地形罩21。地形罩由S形有机玻璃透水板 21—1和与S形有机玻璃透水板成一体的反S形有机玻璃透水板21—2制成。地形罩底部有尼龙网22。参见图1、图5，模拟降雨组件中有装于模拟箱顶部的有若干降雨孔的降雨板23， 装于模拟箱上的降雨供水管M —端位于降雨板顶面而另一端通过软管25与储水箱中水泵连通，降雨供水管上装有控制阀26。参见图1，模拟箱底部有与模拟箱连通的有控制阀的排水管27。参见图1，模拟箱壁外上、下游端分别有能调节稳定流供水箱、稳定流排水箱高度的水位调节器28。水位调节器中有装在模拟箱上、下的上支座四、下支座30，与稳定流供水箱或稳定流排水箱连接的带内螺纹的支耳31，调节螺杆32 —端依次穿过上支座、与支耳螺纹配合后而伸入下支座中且能转动。本发明工作时，
1观测降雨入渗补给及地表片流形成
调节两端地表水位调节器，使其处于较低位置，且高度相同。接通电源，打开降雨供水水阀，使其处于较小供水量，此时降雨形成，通过模拟潜含水层表面入渗补给地下水，由于降水量小于入渗量，降水全部入渗补给地下水。逐渐打开供水水阀，增大降雨量，当降雨量大于入渗量时，沿潜水含水层地形表面形成地表片流。通过观测入渗补给，可以了解潜水垂向补给方式，在降雨量相同时，降雨时间越长，越有利于潜水补给。2观测有降水入渗时，潜水面的形状及地下水流动特征
当有降水入渗时，通过测压管水位连线可以观察到潜水面是与地形起伏一致的曲面， 当两侧地表水位相等时，潜水面的峰面居中，同时打开示踪剂开关，注入示踪剂，通过示踪剂形成的流线，可以观察到入渗水进入含水层后，从潜水面的峰面向两侧运动，排泄于地表水体(图6)。继续保持降雨，升高一端水位，可以发现潜水面的峰面向高水位一端发生偏移，随着地下水峰面向高水位一端偏移，入渗也是与潜水面峰面为界，大部分向低水位一端运动， 排泄于地表水体(图7)。继续升高一端的地表水位，潜水面峰面继续向高水位一端的地表水偏移，直至达到与地表水水位等高，此时潜水面峰面消失，潜水面为一从高水位地表水向低水位地表水的倾斜面。通过示踪剂形成的流线可以观察到入渗水和高水位一端的地表水均通过含水层向低水位一端的地表水运动、排泄(图8)。3无降雨时，观察潜水面形状及潜水补给、径流、排泄特征
停止降水，将两端地表水水位调整为同一高度，此时各测压管水位，两端地表水水位高度相同，表明潜水面为水平面。潜水面至到隔水底板的垂直距离为含水层厚度，潜水面到地表的垂直距离为潜水的埋藏深度，如果同步调节两端地表水水位高度，则潜水含水层厚度和潜水埋藏深度随潜水面的升降面而变化(图9)。升高上游端水位调节器，打开供水开关，随着水位升高，在两端地表水水位差作用下，高水位一端的地表水通过侧向补给含水层，向低水位一端地表水径流、排泄(图10)。图6 图10中序号33为潜水面。通过以上实验，可以认识与潜水有关的基本概念，对潜水形成、补给、径流、排泄特征建立感性认识。上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
权利要求
1.潜水地质模型实验装置，包括有水泵的储水箱、模拟箱、位于模拟箱顶部的模拟降雨组件，模拟箱内有平缓山丘状潜水含水层、分别位于潜水含水层上、下游端的第一模拟地表水体、第二模拟地表水体，等距离竖直固定在模拟箱壁上的至少六支测压管伸入潜水含水层中的底端在同一水平面上，沿潜水含水层起伏面竖直安装在模拟箱壁上的至少六支示踪剂注入管的下部分别伸入潜水含水层且各示踪剂注入管伸入潜水含水层中的深度相等或近似相等，位于模拟箱外上游端的稳定流供水箱中有分别通过管道与储水箱中水泵和模拟箱中的第一模拟地表水体相通的供水腔、通过回水管道与储水箱相通的回流腔，位于模拟箱外下游端的稳定流排水箱中有通过管道与第二模拟地表水体连通的溢流腔、通过管道与储水箱相通的排水腔。
2.如权利要求1所述的潜水地质模型实验装置，其特征在于潜水含水层顶面有地形罩。
3.如权利要求1所述的潜水地质模型实验装置，其特征在于地形罩由S形有机玻璃透水板和与S形有机玻璃透水板成一体的反S形有机玻璃透水板制成。
4.如权利要求3所述的潜水地质模型实验装置，其特征在于地形罩底部有尼龙网。
5.如权利要求1 4之一所述的潜水地质模型实验装置，其特征在于模拟降雨组件中有装于模拟箱顶部的有若干降雨孔的降雨板，装于模拟箱上的降雨供水管一端位于降雨板顶上而另一端通过软管与储水箱中水泵连通，降雨供水管上装有控制阀。
6.如权利要求1 4之一所述的潜水地质模型实验装置，其特征在于模拟箱底部有与模拟箱连通的有控制阀的排水管。
7.如权利要求1 4之一所述的潜水地质模型实验装置，其特征在于模拟箱壁外上、下游端分别有能调节稳定流供水箱、稳定流排水箱高度的水位调节器。
8.如权利要求7所述的潜水地质模型实验装置，其特征在于水位调节器中有装在模拟箱上、下端的上支座、下支座，与稳定流供水箱或稳定流排水箱连接的带内螺纹的支耳，调节螺杆一端依次穿过上支座、与支耳螺纹配合后伸入下支座中且能转动。
9.如权利要求1 4之一所述的潜水地质模型实验装置，其特征在于测压管为九支、示踪剂注入管为八支。
10.如权利要求1 4之一所述的潜水地质模型实验装置，其特征在于模拟箱采用透明有机玻璃制成。
全文摘要
本发明为潜水地质模型实验装置，包括有水泵的储水箱、模拟箱、位于模拟箱顶部的模拟降雨组件，模拟箱内有平缓山丘状潜水含水层、分别位于潜水含水层上、下游端的第一模拟地表水体、第二模拟地表水体，等距离竖直固定在模拟箱壁上的至少六支测压管伸入潜水含水层中的底端在同一水平面上，沿潜水含水层起伏面竖直安装在模拟箱壁上的至少六支示踪剂注入管的下端分别伸入潜水含水层中，位于模拟箱外上游端的稳定流供水箱中有分别与水泵和第一模拟地表水体相通的供水腔、与储水箱相通的回流腔，位于模拟箱外下游的稳定流排水箱有与第二模拟地表水体连通的溢流腔、与储水箱相通的排水腔。通过本发明装置，可熟悉有关潜水的基本组成要素，展现与潜水有关的水文地质现象，便于清晰、直观地学习有关潜水的基本知识和开展对潜水的研究。
文档编号G01M10/00GK102507139SQ20111033413
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月29日 优先权日2011年10月29日
发明者付小敏, 李天斌, 汪旭, 王嘉舜, 肖先煊, 蔡国军, 虞修竟 申请人:成都理工大学