抽水井周围饱水介质场三维水位动态观测及地下水流运动特征

高宗军，刘晓笛，王 敏，田 红，于 晨

(山东科技大学，山东 青岛 266590)

近些年来，地下水流系统理论得到不断发展，促使地下水科学发生着深刻变化。人们在重新思考和考察以往地下水科学中关于地下水流动问题，并试图在接受地下水流系统理论的同时，能够找到或验证地下水流动的驱动力的来源，或者搞清楚影响地下水流系统形成、演化的主要因素。在自然界，由于受到观测手段、观测密度、观测点空间分布等多项条件的限制，实现上述目标尚有困难。作者基于上述考虑，并且为了直观地模拟现场抽水试验，便于教学，特设计建造了三维抽水试验装置。该装置首创了在室内完成抽水试验主抽水井周围含水介质场三维水位动态观测的先例，而且通过简易的初步的抽水试验，还发现了一些以往不为人知的现象或事实，相信对地下水流运动理论的发展和地下水科学的实践性教学，都是具有重要意义的。

1 三维抽水试验装置

该装置位于山东科技大学S2实验楼一层室内，混凝土结构，通高 3.8 m，其中底座 0.6 m，底盘厚 0.2 m，沙池高 2.0 m，上围栏高1.0 m。水平面积(占地)约90 m2，其中楼梯东西宽 3.7 m，装置平台东西长 6.6 m，南北长8.66 m。观测平台高度2.8 m，平台的东西两侧设有高1 m的围栏，南北靠墙连接。

沙池平面呈正方形，长度5 m，四周0.5 m为钢筋混凝土墙(0.3 m)与供水仓(槽)(0.2 m)，四角有水泥浇筑，围成内方4 m的正方形沙池，形成容积32 m3的立体空间。沙池中心设抽水井，呈垂向，井径100 mm，底部5 cm为实管，其余全部呈花管，外包纱网，内装数字化可视自动液压计探头，由导线连接至外墙的液压读数屏，便于观测。

图1 抽水试验装置平面布置图

井的东南西北四个方向，垂直于供水槽，各均匀设置6个观测孔(见图1)，分别按照所处的与主井的方位，和距离抽水主井的距离由远及近，命名为南1(N1)、南2(N2)，……，东 1(D1)，东 2(D2)，……，西 1(X1)，西 2(X2)，……，北 1(B1)，北2(B2)，……，数字越大，越靠近抽水主井，与抽水主井及其相互之间的间隔为30 cm，第1个观测孔与供水槽距离为20 cm。每个观测孔高度2 m，由上到下以20 cm间距均等设置水位观测点10个(见图2)，分别冠以1#、2#、……，10#。以沙池底部为基点，则由下及上各观测点分别位于沙池以上 10 cm、30 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、170 cm、190 cm。各个观测点突出于沙池内的沙中，有滤水纱网防止沙子进入，其水位会由观测井内的水管导出，并排于整个装置的东西两个立面的测压排上(图4)，故同时可以测得分布于沙池内三维空间的240个点的水位数据。由于数据量大，故建议在进行抽水试验时，各个观测孔不同观测点的水位的观测，要靠视频(摄像)记录下来，尔后进行分析、确定。

图2 抽水试验装置轴向剖面图暨抽水井观测孔测压点位剖面分布图

该装置的供排水系统所示。在四个供水槽的底部中心位置获得供水，供水孔附近设有排水孔，与置于装置外侧四角的“升降平水漏斗”连接。由“升降平水漏斗”的升降，控制四个供水槽的水位高低。

抽水井抽水量的大小，可由水量计量器或水表测得(另设);也可以通过在抽水井底部以放水的形式实现抽水的效果，放水量可由设于底部排水口外的水量表测得。

沙池内充满含水介质，可以是沙，也可以是砂类土，可以是均匀的，也可以设置为非均质的;可进行潜水状态的抽水试验，也可以进行承压水状态的抽水试验，视不同的试验目的，可以对装置沙池内的含水介质进行调整、改造。

沙池内的含水介质充满水达到饱水以后，即可以开展抽水试验的工作。

2 抽水试验结果

本文只介绍特殊的两种情况，即沙池四面供水槽保持等水头供水边界条件下的潜水和承压水定流量抽水试验，且只介绍最后稳定状态下的结果，并做简要分析、讨论，特别是介绍前人未知的创新性结论。

表1 潜水抽水试验开始至稳定期间各观测孔第8观测点水位动态

2.1 潜水抽水试验

沙池内充满沙子，四周供水槽内充满水，并在“升降平水漏斗”控制下保持等水头且稳定。从主孔内抽水，抽水量0.67 L/s，主孔水位在589 s后趋于稳定，稳定水位1 280 mm(本文所指水位，均以沙池底部为基点0 mm，下同)。

所有4个测压排的实际观测结果表明，四周的对应观测孔和对应观测点的水位观测结果相同，具有以抽水井为中心的轴对称水位变化规律。故以下将以主井南侧6个观测孔的水位变化情况为例，说明四周直线定水头补给条件下的潜水抽水的水位空间变化情况。

图3 潜水抽水试验各观测孔第8观测点水位动态曲线

随着抽水主井的水位降低，靠近抽水井的6号观测孔率先降低，然后逐次向外各孔水位出现降低。达到稳定时，围绕抽水主井的水位降落漏斗出现(见表1，图3)。注意，图3中的横坐标是时间段而非时间，时间段与实际时间的对应关系详见表2所示。

由于沙池规模较小，且沙池四周分布有定水头水槽。故抽水进行一定时间后，各点水位区域稳定。稳定后各观测孔的水位情况参见表3所示。

为便于直观了解其情况，将表3的数据作出图表(见图4、图 5)。

综合以上信息，几个有趣的现象就出现了:

表2 图3中的时间段与实际抽水试验历时对应表

表3 潜水抽水试验达到稳定后各观测孔各观测点水位 mm

1)从抽水井至直线供水边界的轴向剖面上可以看出，靠近抽水井的观测孔中的水位先出现降低，之后向外朝供水边界方向逐次出现水位降低，直至最后达到稳定。说明开始的水位变动情况，符合非稳定流抽水情况(更进一步的情况，如水位变化速率等也与泰斯公式所揭示的情况相近或相同)。

图4 潜水抽水试验达到稳定后各观测孔各观测点水位(主井水位1 280 mm)

2)在每个观测孔上，不同的观测点处的水位是不相等的，通常是位置越高，其水位越高。由此判定，在充满水的沙池内的水位分布，空间上是不同的。任何一点的水质点，都同时具有向井、向下两个方向的运动，即水运动是斜下方向的。

3)但是也有例外，即最底部靠近抽水主井的几个观测孔的观测点，其水位出现了比最低水位点(上数第7点)要高的情况。分析认为，可能是由于主井底部5 cm的实管部位，影响了水流的正常运行，而出现了滞流、聚能，进而产生向上的局部上升力造成的。

图5 潜水抽水稳定时的地下水流三维分布图

2.2 承压水抽水试验

同样利用这个装置，把上面的沙子挖掉，露出第5个观测点探头，在由上数第5个观测点之上，铺设隔水薄膜(由于压力差较小，利用塑料纸即可)，并将之上的主井包扎、封闭。本次试验，采用薄膜之上先覆以少量砂土，再由底部注水，将空气由下到上排出沙池，直至将水充满整个试验装置。根据承压含水层定义，此时第5个观测点之下的沙层为承压含水层并且处于承压饱水状态。之后开始进行抽水试验，并观测各个观测点的水位。

同样地，在进行了一段时间的抽水以后，出水量、主井的水位、各个观测点的水位会出现稳定的情况(见表4)。可以发现，隔水薄膜之上的1#、2#、3#和4#观测点的水位均保持了固定不变的状态(因为是充满水状态，其水位与周边4个供水槽是直接连通的自由水体)，而隔水薄膜之下的6个观测点的水位，出现了有规律的变化(见图6，图7)。

表4 承压水抽水试验稳定时的各观测孔各观测点的水位(cm)

图6 承压水抽水试验稳定时的各观测孔各观测点的水位(主井水位137.3 cm)

图7 图6的部分放大效果图(主井水位137.3 cm)

根据同一水平不同观测孔的观测点所测水头值，绘制出在抽水试验中，沙槽内地下水流的三维空间分布特征图(见图8)。

图8 承压抽水稳定时的地下水流三维分布图

与潜水抽水时的情况一样，在抽水井周围出现了以抽水主井为中心的水位降落漏斗;同一观测点水平上的水位，越靠近抽水主井，水位越低，反之亦然。

按照一般的理论，此时地下水流应该是水平向的朝着主井方向运动;然而情况与潜水时的情况一样，在每个观测孔上，由上到下，观测点的水位通常是由高到低的，指示出在承压水状态下，地下水的运动依然是斜下的，即重力仍然起着重要的作用。

与潜水时的差异主要表现在一点，即只有靠近抽水主井的第6观测孔，出现了与上述由上至下水位逐渐递减的情况相反的情况，即第6观测孔的最下部的第10观测点的水位比第9观测点的水位稍高，其余各个观测孔的各个观测点的水位，均遵循上高下低的趋势。

究其原因，得出以下认识:

1)重力的作用不可省却，地下水运动时，向下的作用力时刻起着作用，不容忽视;

2)在承压水含水层顶板处，在靠近补给边界一侧，应该具有比其它位置更加快速的强势水流，其方向是指向抽水井。

3)抽水井底部5 cm的实管，在承压水抽水时，依然能够反映出其阻滞、抬升水流的作用。

3 结语

通过三维的抽水试验装置的运行实践可以发现，该装置可以实现对抽水主井附近的饱水介质的三维水位动态观测，并通过试验，发现了地下水流运动的空间(三维)特征，即地下水在重力与压力的共同作用下，呈现斜下方向的运动特征，这种情况不仅出现在潜水状态，在承压水状态下也同样存在。由此推断出，抽水时承压水含水层顶板附件具有强势水流通过，越靠近补给源，这种强势水流越大。

[1]高宗军.地下水流系统分异的试验演示及其意义[J].山东科技大学学报(自然科学版).2013，32(2):17-24.

[2]GAO Zong-jun，The experimental demonstration and significance of groundwater flow system differentiation[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science).2013.32(2):17-24.