[发明专利]毛细饱和带横向渗流演示仪及演示方法

说明书

本发明涉及一种毛细饱和带横向渗流演示仪，以及一种采用该毛细饱和带横向渗流演示仪进行实施的方法。本发明以自然界松散孔隙介质中毛细水的运动和分布为模拟对象，模拟潜水运动，毛细饱和带的支持毛细水从潜水面爬升、分布和迁移规律，降雨入渗过程中非饱和带中水的运动过程，从而揭示毛细饱和带的横向渗流的机理。同时为研究毛细饱和带水横向渗流、支持毛细水上升现象、上升速率、最大上升高度等提供一种可靠的方法，也为毛细饱和带中的水的迁移和转化的研究提供技术支撑。本发明为支持毛细水横向渗流、污染物从地表进入含水层或在包气带中的迁移规律提供一套全新的技术手段，具有良好的经济实用价值和应用前景。

技术领域

本发明涉及一种毛细饱和带横向渗流演示仪，以及一种采用该毛细饱和带横向渗流演示仪进行实施的方法，属于水文地质学研究技术领域。

背景技术

潜水面是指在供水后，孔隙介质内部形成稳定的、无压的水位面。潜水面以下的含水部位即为潜水含水层。潜水面以上的孔隙介质内，由细小颗粒组成的毛细管，在液体表面张力作用下，地下水将转化为支持毛细水向上爬升，并最终达到最大上升高度。液体表面张力与孔隙介质所构成的毛细管径成反比，即P_c＝4α/D，P_c为表面张力，α为表面张力系数，D为毛细管径。因此，固相介质所组成的毛细管越小，支持毛细水上升高度越大，毛细水上升速率也越快；粗颗粒介质所组成的毛细管径越大，产生的毛细上升高度则越小，毛细水上升速率越慢。对于特定的孔隙介质而言，支持毛细水的最大上升高度是确定的。

在有垂向入渗(如降雨)条件下，地表水可通过松散介质中的孔隙，进入到地表以下，甚至穿越包气带，进入潜水含水层，补给地下水。在潜水面以上，一般能形成稳定的毛细水带。潜水面以下的地下水，受到上游水压、地形、介质渗透性的影响，产生沿水力梯度最大的方向运动，一定透水面积和渗透途径上，地下水运动会趋于稳定，单位时间和单位面积上渗出的水量不再变化。由于潜水面以下地下水的横向渗流，潜水面以上分布了一定高度的支持毛细水，适宜的条件下，地表降雨入渗不一定能穿透包气带，进入含水层。通常而言，降雨入渗分为三个物理(阶段)过程。第一个阶段为渗润，代表降雨侵湿地表，水全部以毛细水的形式存在于地表或浅部；第二个阶段为渗漏，雨水部分以毛细水形式存在，另一部分转化成重力水发生垂向入渗；第三个阶段则为渗透，雨水全部以重力水的形式，从地表通过孔隙通道渗入深部，补给地下水。上述三个阶段中，是否全部能出现主要取决于降雨量、孔隙介质通道的透水能力和支持毛细水的上升高度。

某种特定的孔隙介质，其孔隙通道是一定的，潜水面以上的支持毛细水也已经达到其最大上升高度，产生一个垂直向上的作用力，这个作用力将对降雨下渗的水产生阻滞作用，同时，由于潜水面以下的地下水横向渗流，可致使潜水面上方的毛细饱和带产生横向渗流。因此，如果支持毛细水作用小，下渗水重力较大，雨水则能进入并穿透毛细饱和带横向渗流层，并最终补给并汇入潜水含水层中的地下水。如果支持毛细水最大上升高度较大，加之毛细饱和带的横向渗流作用，足以抵抗下渗水的重力作用，则下渗水只能位于毛细饱和带上方或毛细饱和带内部发生横向渗流，而与潜水面以下的地下水无水力联系。

在查明工程区水文地质条件，如面对新建机场地面水文地质勘查、滑坡灾害与地下水关系、边坡稳定性、土壤盐碱化现象等工程水文地质问题时，对毛细水的分布和支持毛细水运动特征和上升高度等的调查是必不可少的环节。又如在城市周边地下水环境评价时，地表排污是否进入到潜水面以下的饱水带中，关系到地下水的污染评价问题。这些要求人们从机理上去理解支持毛细水的分布和横向渗流问题。因此，毛细饱和带横向渗流的研究具有重要的科学意义。

毛细水在自然界分布广泛，毛细饱和带的横向渗流问题是开展地下水基础、地质工程、环境地质学等学科领域的重要问题。在对区域水文地质条件的查明过程中，往往采用野外现场地质调查，工程勘探、水文地质实验等进行研究，往往耗资大，耗时长。野外水文地质调查工作具有现象不直观、测试数据不便于观察、可重复性差等缺点，这给支持毛细水迁移转化、分布特征等研究和认识带来不便，为工程场地适宜性评价带来难题，也使初学者难以认识和理解。因此，在室内开发可观测毛细水运动和毛细饱和带渗流的实验演示仪是一种极其有效的方法。