[發明專利]毛細飽和帶橫向滲流演示儀及演示方法

有效

• 申請號: 201910483145.4
• 申請日: 2019-06-04
• 公開（公告）號: CN110197611B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 肖先煊;許模;張強;夏強;郭健;蔡國軍
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: G09B23/40
• 分類號: G09B23/40
• 代理公司: 成都虹橋專利事務所(普通合伙) 51124
• 代理人: 成杰

本發明涉及一種毛細飽和帶橫向滲流演示儀，以及一種采用該毛細飽和帶橫向滲流演示儀進行實施的方法。本發明以自然界松散孔隙介質中毛細水的運動和分布為模擬對象，模擬潛水運動，毛細飽和帶的支持毛細水從潛水面爬升、分布和遷移規律，降雨入滲過程中非飽和帶中水的運動過程，從而揭示毛細飽和帶的橫向滲流的機理。同時為研究毛細飽和帶水橫向滲流、支持毛細水上升現象、上升速率、最大上升高度等提供一種可靠的方法，也為毛細飽和帶中的水的遷移和轉化的研究提供技術支撐。本發明為支持毛細水橫向滲流、污染物從地表進入含水層或在包氣帶中的遷移規律提供一套全新的技術手段，具有良好的經濟實用價值和應用前景。

技術領域

本發明涉及一種毛細飽和帶橫向滲流演示儀，以及一種采用該毛細飽和帶橫向滲流演示儀進行實施的方法，屬于水文地質學研究技術領域。

背景技術

潛水面是指在供水后，孔隙介質內部形成穩定的、無壓的水位面。潛水面以下的含水部位即為潛水含水層。潛水面以上的孔隙介質內，由細小顆粒組成的毛細管，在液體表面張力作用下，地下水將轉化為支持毛細水向上爬升，并最終達到最大上升高度。液體表面張力與孔隙介質所構成的毛細管徑成反比，即P_c＝4α/D，P_c為表面張力，α為表面張力系數，D為毛細管徑。因此，固相介質所組成的毛細管越小，支持毛細水上升高度越大，毛細水上升速率也越快；粗顆粒介質所組成的毛細管徑越大，產生的毛細上升高度則越小，毛細水上升速率越慢。對于特定的孔隙介質而言，支持毛細水的最大上升高度是確定的。

在有垂向入滲(如降雨)條件下，地表水可通過松散介質中的孔隙，進入到地表以下，甚至穿越包氣帶，進入潛水含水層，補給地下水。在潛水面以上，一般能形成穩定的毛細水帶。潛水面以下的地下水，受到上游水壓、地形、介質滲透性的影響，產生沿水力梯度最大的方向運動，一定透水面積和滲透途徑上，地下水運動會趨于穩定，單位時間和單位面積上滲出的水量不再變化。由于潛水面以下地下水的橫向滲流，潛水面以上分布了一定高度的支持毛細水，適宜的條件下，地表降雨入滲不一定能穿透包氣帶，進入含水層。通常而言，降雨入滲分為三個物理(階段)過程。第一個階段為滲潤，代表降雨侵濕地表，水全部以毛細水的形式存在于地表或淺部；第二個階段為滲漏，雨水部分以毛細水形式存在，另一部分轉化成重力水發生垂向入滲；第三個階段則為滲透，雨水全部以重力水的形式，從地表通過孔隙通道滲入深部，補給地下水。上述三個階段中，是否全部能出現主要取決于降雨量、孔隙介質通道的透水能力和支持毛細水的上升高度。

某種特定的孔隙介質，其孔隙通道是一定的，潛水面以上的支持毛細水也已經達到其最大上升高度，產生一個垂直向上的作用力，這個作用力將對降雨下滲的水產生阻滯作用，同時，由于潛水面以下的地下水橫向滲流，可致使潛水面上方的毛細飽和帶產生橫向滲流。因此，如果支持毛細水作用小，下滲水重力較大，雨水則能進入并穿透毛細飽和帶橫向滲流層，并最終補給并匯入潛水含水層中的地下水。如果支持毛細水最大上升高度較大，加之毛細飽和帶的橫向滲流作用，足以抵抗下滲水的重力作用，則下滲水只能位于毛細飽和帶上方或毛細飽和帶內部發生橫向滲流，而與潛水面以下的地下水無水力聯系。

在查明工程區水文地質條件，如面對新建機場地面水文地質勘查、滑坡災害與地下水關系、邊坡穩定性、土壤鹽堿化現象等工程水文地質問題時，對毛細水的分布和支持毛細水運動特征和上升高度等的調查是必不可少的環節。又如在城市周邊地下水環境評價時，地表排污是否進入到潛水面以下的飽水帶中，關系到地下水的污染評價問題。這些要求人們從機理上去理解支持毛細水的分布和橫向滲流問題。因此，毛細飽和帶橫向滲流的研究具有重要的科學意義。

毛細水在自然界分布廣泛，毛細飽和帶的橫向滲流問題是開展地下水基礎、地質工程、環境地質學等學科領域的重要問題。在對區域水文地質條件的查明過程中，往往采用野外現場地質調查，工程勘探、水文地質實驗等進行研究，往往耗資大，耗時長。野外水文地質調查工作具有現象不直觀、測試數據不便于觀察、可重復性差等缺點，這給支持毛細水遷移轉化、分布特征等研究和認識帶來不便，為工程場地適宜性評價帶來難題，也使初學者難以認識和理解。因此，在室內開發可觀測毛細水運動和毛細飽和帶滲流的實驗演示儀是一種極其有效的方法。