一种用于实验室竖向高效抽取低渗透含水介质中地下水的井管及使用方法

摘要

本发明公开了一种用于实验室竖向高效抽取低渗透含水介质中地下水的井管及使用方法，通过对普通PVC井管进行改进，管口加带双孔的橡胶塞，一个孔作为进、出气口；一个孔作为抽水软管插入孔；井管下部的花管部分，内部做双层，圆柱环内部填充洗水棉，内环贴大孔滤膜。花管的外部做成不均与、不对称的孔状分布。在竖向放置之后因为存在一个地下水流向，对称式分布会造成水的流速快，相比之下，不对称分布可以在抽水时增加累积量，减缓流速，而且还增加了接触水面的面积，增大压力从而增加软管自身的虹吸作用。

说明书

技术领域

本发明属于地下水系统技术领域，更加具体地说，涉及地下水系统室内研究装置竖向 井管安装使用技术领域。

背景技术

由于场地状况、条件、设备、工程造价、方便程度等多方面因素的影响，经常会用室 内模拟装置来模拟一个区域的地下水流动情况，以近似研究该区域的水量水质状况，对 水流及溶质进行数值模拟，在研究时需要对含水介质中的水质进行取样分析，含水介质 为粗砂等粗颗粒介质时，使用一般的小孔径竖向井管(PVC管)配合蠕动抽水泵即可一 次性抽出用于国标分析实验要求的水量。但是，在滨海地区尤其是围海造陆形成的区域， 地下水含水层多赋存于第四系粉质、淤泥质等低渗透介质内，研究该类介质中的水质及 污染溶质运移情况对于海岸带地下水系统以及联系密切的近海海水状况有重要意义，但 在室内进行二维或三维的原状土水流、溶质运移模拟试验时，由于介质颗粒非常小，赋 水性差，很难用常规的竖向井管抽出水样测试，给研究工作带来很大的难度，布设探针 的成本又很高，因此，需要发明一种经济适用的竖向井管以供研究使用。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，改造常规的竖向井管，以增大和加快二维或 三维室内模拟实验中抽取低渗透含水介质中的地下水需求量，供实验研究使用。

本发明技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种用于实验室竖向高效抽取低渗透含水介质中地下水的井管及使用方法，具体来 说如下：

井管，通过对实验室常用的普通PVC井管进行改进，在所述井管的一端开口处设置 有双孔橡胶塞，一个孔作为进、出气口；一个孔作为抽水软管插入孔。

在所述井管的下部设置有花管段，所述花管段的井管的外部圆周上设置有孔，优选 做成不均与、不对称的孔状分布。在竖向放置之后因为存在一个地下水流向，对称式分 布会造成水的流速快，相比之下，不对称分布可以在抽水时增加累积量，减缓流速，而 且还增加了接触水面的面积，增大压力从而增加软管自身的虹吸作用。

在所述井管下部花管段的井管内部圆周上设置有吸水层圆环体，内部填充有吸水材 料，外部包裹有滤膜，以起到透水和组个含水介质作用。

在井管花管段的下部设置有过滤层并进行封口，过滤层上壁用大孔硬质塑料，下壁 用小孔硬质塑料，上下口孔径尺寸以放入的粗砂为准，中间放置大孔径砂粒。

所述PVC管的内径Φ＝14mm；抽水软管使用与蠕动泵配套的16#软管；花管段网孔 孔径：2mm，设置高度：5cm，孔间距：3-7mm随机设置；抽气孔孔径：5mm；吸水材 料层包裹的滤膜孔径20μm，厚80μm，可以防止侧面的含水介质进入井管内部并被抽出； 花管下部过滤层层高：2cm，上壁大孔径：3mm，下壁小孔径：1mm，上下壁面用硬质塑 料制作；中间填充粗砂粒，粒径2-4mm左右，较大粒径先填充在下部，之后用较小粒径 填充。这样可起到防止井管下端含水介质进入井管内部并被抽水管抽出。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和效果：

1、在测试实验中发现与普通竖向插入的PVC井管相比，抽水率从5ml/min提高至 25ml/min，抽水效果明显，而且抽出的水要比普通井管的浊度低很多，大大降低的低渗透 介质进入水样的程度，保证了水样的清洁。

2、井管底部加一段2cm厚度的填充粗砂的封地后，使底部不易被介质堵塞，而且有 一定的过滤效果。

3、吸水棉吸水饱和后通过井管抽真空，可以较快恢复吸水能力，能够持续使用。

4、抽水细软管在井管内部存在毛细负压作用，不需外力水样即有一定程度的上升。

将上述井管用于人工岸带污染物迁移转化室内模拟装置中，作为预埋井，具体来说 结构如下：

人工岸带污染物迁移转化室内模拟装置，包括反应槽、降水模拟装置、造波器，其 中：

所述反应槽的两端通过隔板分别隔出槽首、槽身以及槽尾三个部分，其中槽首和槽 尾分别与淡水供给系统、海水供给系统相连，并通过液位仪和调节装置实现侧向水位及 水流流速的实时调控。

所述槽身部位装填有土壤层，并在装填过程中预设有不同深度的预埋井，所述预埋 井采用上述改进的井管结构，通过抽取预埋井中的液体可测试其中的污染物以及其他指 标，为后期数值模拟提供数据基础；所述预埋井为3行8列，共计24个。

所述造波器与海水供给系统相连，通过控制装置进行控制，从而真实反映海浪对咸 淡水相互作用的影响。

所述降水模拟装置设置在模拟装置的上方，通过喷淋装置和控制装置实现控制流量 研究降水对污染物迁移转化的影响。

从槽首、槽身到槽尾，沿着水流流动方向，在装置一侧的上、中、下游分别安置连 通器，通过连通器反应装置内部的水位高度。

所述隔板为带有孔的有机玻璃板，并采用编织物进行覆盖，以实现装置两侧的淡水、 海水穿透土壤在土壤中发生交互作用而防止土壤堵塞进出水口。

所述反应槽框体选用加厚不锈钢板，例如340型不锈钢。

然后分析普洛斯的天津市临港工业区岩土工程勘察报告可发现：在临港经济区，从 土壤表层到土壤表层以下十米分别为素填土(0～0.5m高度)、冲填土(0.5～5.5m高度)、 淤泥质粘土(5.5～8.7m高度)、粉土(8.7～10.5m高度)。素填土和冲填土为吹填土， 其高度共为6m，这两层土是由吹填土形成的土层结构；淤泥质粘土和粉土为岸体的原始 底质土层结构。10m以下的土层结构有淤泥质粘土、粉质粘土、粉土、粉质粘土、粘土等， 从水文地质学的角度考虑，其作用主要为隔水底板。根据几何相似原理，基于天津市临 港工业区的地层结构，在室内物理模拟装置中按如下方式填土：

基于临港经济区的实际情况与本次实验条件，室内装置所填土层将模拟真实情况下 表层到表层以下十米的土层结构，装置底层的不锈钢板可起到十米以下土层结构的隔水 底板作用。将实际土层等比例缩小之后确定装置所填的4个土层：装置底层至20cm高 度装填粉土，20cm～50cm装填淤泥质粘土，50cm～120cm装填冲填土、120cm～140cm 装填素填土，土层结构如图3所示。

为了真实模拟场区的土层构造，取土选自天津市临工工业区，根据岩土工程勘察报 告，取土的类型主要分为淤泥质粘土、粉质粘土、粉土以及沙土。取土完成后先对土壤 进行暴晒，尽可能将土著微生物去除，通过筛选去除混入土壤中的杂质，然后将土壤粉 碎以备装填。填土之前先在装置中添加一半深度的水量，检验装置是否漏水。检漏完成 后进行填土，为了使装置水位连通管真正反映装置内潜水位的高度，先在装置底层铺5cm 厚粗砂，水位连通管底段接口连PVC管插入底层砂的中间位置，在PVC管末端裹纱布(防 堵塞)，在粗砂上装填粉土，装填高度为20cm，视为第一层土；第二层为淤泥质粘土， 装填高度30cm；第三层为冲填土，所装土壤为淤泥质粘土、贝壳土、粉质粘土的混合 土，混合比例为1∶1∶1，装填高度为70cm；第四层为素填土，其主要成分是建筑废料， 上部用细沙覆盖，装填高度为20cm。在整个装填过程中，为保证填土均匀、不人为造 成土壤裂隙，在每添加土层20cm时夯实，并布洒自来水，静置一段时间后，使其自然 沉降，然后再次填土夯实，反复这一过程，直至20cm土层无变化，再进行下一层装填， 直至装填完毕。在土壤装填完毕后，通水一段时间，确认土层无沉降，最终确定土层填 充高度为1.4m。填土完成后在其中设置预埋井，在本研究方法中设置一排预埋井，其高 度设置为100cm。为了便于采样，可在预埋井中插入软管，软管另一端通过橡皮管伸至井 外，通过蠕动泵抽取水样，从左至右预埋井依次编号为1-8号，如图2所示。

第三步，填土完成后，开始注水。为了尽可能真实的模拟天津市临港工业区的实际 情况，分析人工岸带吹填区的水质，进而配置水溶液在装置的进出水口端各自注入配制 的地下水和海水。在本次研究方法中，控制淡水进水端水位高度为120cm，咸水端出水口 80cm。通过测定出水口的流量确定水位是否稳定。

待水位稳定后，在室内物理模拟装置采取土样，对土样进行浸提实验。分析发现人 工岸带吹填区域土壤营养盐含量丰富。因此，人工岸带的土壤将会与地下水和咸水之间 将发生复杂的地球化学变化，进而污染地下水以及近海海水，因此需要就其迁移规律进 行分析，为下一步的地下水修复工作奠定基础。

为了能够真实天津市临港工业区人工岸带的真实情况，在装置上方30cm处用三角刚 固定一个不锈钢水箱，在水箱下面平均分布两排8个喷头，喷头连上转子流量计，通过 控制流量大小和喷口大小模拟降雨过程。在本次方法研究中控制装置上方的降水量为 10mm。为了真实反应波浪对污染物的迁移规律的影响，在本次实验中，造波机的最大行 程为15cm，最大速度为38cm/s，最大负载功率为1200W，最大水深0.6m，最大波高0.2m， 波浪周期为1.5s

物理模拟装置的各变量控制之后，通过图2所示的蠕动泵装置抽取水样进行分析。 通过对临港工业区的土壤进行浸提实验发现营养盐相对较高，因此在本次方法研究中确 定装置中的营养盐为特征污染物。为了探究咸淡水界面上各种形态氮的迁移规律，本实 验沿模拟装置内地下水流动方向，利用蠕动泵抽取同一深度采样孔中的水样，所取预埋 井为图中预埋井，共计8个。五天一测，共测定5个周期，测定水样中的各种形态的氮 浓度。

为达到对人工滨海岸带的真实模拟，本发明的突出点主要表现为以下三个方面。

1、在三维渗流槽的侧向补给方向上，水流流动一侧补给地下水模拟场区地下水流动的 边界条件，另一侧补给合理配比的溶液模拟滨海岸带的海水，咸淡水的交互作用实现 了海陆水了相互作用的真实模拟。

2、在水流流动的海水一侧添置造波器，根据控制原理实现海水一侧波浪振荡周期以及 振幅的控制，改变波浪的振荡周期及振幅可实现海浪对海陆水中污染迁移转化的影响 研究。

3、此三维反应器上方布置外源污染源释放器，实现不同污染物迁移转化规律的研究。

为了真实模拟人工滨海岸带污染物迁移转化，首先查阅场区的水文地质等相关资料并 在场区开展野外实地考察，根据几何相似原理将场区缩小为室内物理模拟装置尺度。考 虑到物理模拟装置中填充土对装置的高压，因此用有机玻璃板制造此模拟装置，并在装 置的两侧分别设置进出水口，进水口与高度可调节的连通器相连接。在装置两侧靠近进 水口端分别安置带孔的用编织物覆盖有机玻璃板，从而实现装置两侧的淡水、海水穿透 土壤在土壤中发生交互作用而防止土壤堵塞进出水口。沿着水流流动方向，在装置一侧 的上、中、下游分别安置连通器，通过连通器反应装置内部的水位高度。根据模拟场区 的水文地质条件以及土层结构在装置内填土，并在土壤上方设置可移动的外源污染释放 器，模拟不同污染物在人工滨海岸带中的迁移转化规律，同时沿着水流流动方向在土壤 中设置不同深度的预埋井，通过抽取预埋井中的液体可测试其中的污染物以及其他指标， 为后期数值模拟提供数据基础。为了能够真实反映场区的降雨条件，在装置上方设置喷 淋装置，通过控制其流量研究降水对污染物迁移转化的影响。更为重要的是，此模拟装 置主要用于模拟人工滨海岸带，因此主要考虑咸淡水间交互作用，因此在装置的海水一 次安置造波器，通过控制装置控制动力装置，从而真实反映海浪对咸淡水相互作用的影 响。因此，此模拟装置在考虑可调的侧向、顶部的给排水条件的基础上，充分考虑了外 源污染、咸淡水之间的交互作用以及波浪的影响，能够在一定程度上准确反映污染物在 人工滨海岸带中的迁移转化规律。

采用本发明装置可最大程度上实现人工滨海岸带的物理模拟，在几何相似理论的指 导下将大尺度的人工滨海岸带场区缩小为小尺度的室内物理模拟装置。综合考虑了可调 的水位高度、咸淡水交互作用、波浪、降水以及外源污染物的综合影响，保证了人工滨 海岸带的真实模拟，为人工滨海岸带的数值模拟及后期的污染治理奠定了基础。采用本 专利的研究方法可以在几何相似理论的指导下在室内构建物理模拟装置，根据土壤浸提 实验确定人工岸带的特征污染物类型，并通过实验数据耦合数学模型的方法确定人工岸 带特征污染物的迁移规律。

附图说明

图1是室内物理模拟装置剖面图，图中1：淡水进水口液位仪，2：有机玻璃槽，3： 土壤，4：淡水水位，5：海水水位，6：海水进水口液位仪，7：污染源释放盒，8：降水 模拟装置，9：造波器，10：淡水端出水口，11：海水端出水口。

图2是室内物理模拟装置预埋井示意图。

图3是室内物理模拟装置土层结构图。

图4是室内物理模拟装置隔板示意图。

图5是人工岸带污染物迁移转化室内模拟装置总体设计图。

图6是实验室普通竖向PVC井管，图中12-PVC塑料管。

图7是新型井管竖向剖面图(管厚忽略)，图中13-带孔橡胶塞；14-抽气孔；15-抽 水软管(16#)；16-井管下部花管段；17-吸水层(吸水棉)；18-大孔滤膜；19-过滤层 上壁；20-过滤中间层(砂粒)；21-过滤层下壁。

图8是新型井管花管段展开后平面视图，图中22-花管段上不均匀、不对称分布的小 网孔。

图9是新型井管下部过滤层下壁面，图中23-过滤层下壁面上的小孔。

图10是新型井管下部过滤层上壁面，图中24-过滤层上壁面上的大孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

此人工岸带污染物迁移转化室内模拟装置采用10mm厚的有机玻璃板搭建，模拟装置 尺寸为：长×宽×高＝4.2m×0.9m×1.5m。在距淡水口进水口和海水进水口20cm处各设 有带孔隔板(如图1所示)，隔板为10mm厚有机玻璃(如图4所示)，隔板一侧覆盖 编织物，把整个物理模拟装置分为槽首、槽身以及槽尾三个部分。在装置的侧向各装有 一个液位仪，通过调节连通器下方的高度调节装置可实现侧向水位及水流流速的实时调 控(如图1所示)。在装置的水流流动方向安装有连通器，实时监控装置中各点的水位 高度(如图5所示)。此装置在室内进行现场组装。

在装置内部填土之前，首先分析人工滨海岸带模拟场区的岩土工程勘察报告，根据 几何相似原理将大尺度的场区缩小为室内物理模型。为了准确的模拟污染物在咸淡水界 面的运移规律，本装置内部所填土取自天津市临港工业区吹填现场，取土完成后首先对 土壤暴晒、筛除杂质，将晒干的土壤进行筛分，筛分后装入渗流槽的槽身，在填充过程 中一边填土一边洒水夯实，最终填成如图1所示形状。同时，在填土过程中在土壤中设 置三排预埋井(如图3所示)，分别对应为三个高度，土壤中预埋井剖面图如图2所示。 填土完成后，在渗流槽首一端的淡水口进水口充水，使得淡水穿透土壤从出水口流出。 测量出水口的流速，待出水口出水流速不变后，在海水进水口端注入咸水，关闭淡水端、 海水端出水口，保证淡水端的水位高度为1.2m海水端液位保持在0.8m。

为了实现有效模拟人工滨海岸带的水流补给调节，在装置上方设置有降水的喷头装 置。在本装置中，在装置上方30cm处用三角刚固定一个不锈钢水箱，在水箱下面平均分 布两排8个喷头，喷头连上转子流量计，通过控制流量大小和喷口大小模拟降雨过程。 水箱上方与自来水管相连，保证水箱中水量充足，喷淋的降水量为10mm。其中喷头由天 津埃尼斯阀门有限公司制造，以简易模拟人工降雨；转子流量计为东台市东兴仪表厂生 产，型号为LZB-10，以显示水流流量。

以上装置搭建完成后，在装置的咸水端槽尾位置安置推板式造波机。该造波机选用 伺服电机驱动，采用数字式低惯量交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠旋转，并经丝杠螺母 副将转动转化为推波板的往复直线运动，从而推动水体产生波浪。在本实验装置中，通过 调试确定造波机参数如下：造波机的最大行程为15cm，最大速度为38cm/s，最大负载功 率为1200W，最大水深0.6m，最大波高0.2m，波浪周期为1.5s。其中伺服电机由天津市 默瑞克自动化技术有限公司生产，滚珠丝杠由天津多飞科技有限公司生产。

构建完毕人工岸带污染物迁移转化室内模拟装置后，内部填充分层土体，该土体近似 模拟现场土层结构，现场土壤表层到土壤表层以下十米分别为素填土(0-0.5m高度)、 冲填土(0.5-5.5m高度)、淤泥质粘土(5.5-8.7m高度)、粉土(8.7-10.5m高度)。素 填土和冲填土为吹填土，其高度共为6m，这两层土是由吹填土形成的土层结构；淤泥质 粘土和粉土为岸体的原始底质土层结构。10m以下的土层结构有淤泥质粘土、粉质粘土、 粉土、粉质粘土、粘土等。基于上述实际情况与本次实验条件，室内装置所填土层将模 拟真实情况下表层到表层以下十米的土层结构，装置底层的不锈钢板可起到十米以下土 层结构的隔水底板作用。将实际土层等比例缩小之后确定装置所填的4个土层：装置底 层至20cm高度装填粉土，20cm-50cm装填淤泥质粘土，50cm-120cm装填冲填土、120 cm-140cm装填素填土。

主体部分为粉土、淤泥质粘土成分，夹杂少量砂土，上部为贝壳土，此土层结构主要 为低渗透性土体。通过两侧水位控制装置进行水位控制，分别调节淡水位和海水位的高 度，使该系统保持稳定的地下水与海水流速，并用于后续的实验测定。

将该发明井管插入低渗透介质含水层后，透过橡胶塞将细软管插入井管中，注意软管 底部进入下部花管段，但不要碰及底部上封口，留有一定间距，以保证抽水量。然后将 图7中14号孔接真空泵，15号抽水软管孔接蠕动抽水泵，下部圆柱环内由于存在洗水棉， 能吸引周边范围内的水进入吸水棉，下部进行封口，里面装有粗砂，一方面可以防止淤 泥介质进入井管，另一方面可增大下部的进水量，通过开启真空泵将井管的空气抽出形 成管内负压，然后开启抽水泵，这时，洗水棉内的水受到外侧的水压作用就会不断的进 入井管内部，而且洗水棉因为释水还会继续的吸收周围的水量，从而可以使细的抽水软 管能够不断的抽出介质中的水量，以用于实验分析，不会因为吸水量不足而需要多次抽 水才能达到用水量要求。

在主体结构及井管全部构建完毕并测试稳定之后，进行地下水与海水交互作用模拟， 通过该井进行抽水测试并取抽出水样进行水质分析，测试结果如下：

井管中氯离子浓度(mol/L)测定结果：

井管中抽出水样水质分析(三氮)结果如下：

根据以上所搭建的室内物理模拟装置，确定该装置的水文地质参数并概化其水文地 质模型，建立相应的数学模型。运用Visual Modflow地下水模拟软件对地下水中的溶质 运移进行模拟，在本次研究方法中选取的溶质为各种形态的氮，用已测得的数据对数学 模型进行识别验证，并通过Visual Modflow的可视化界面反应人工岸带中各种形态的氮 的迁移规律。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下， 任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落 入本发明的保护范围。