复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置及方法

1.本发明涉及潜水资源利用研究技术领域，具体涉及复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置及方法。


背景技术：

2.潜水是按照地下水埋藏条件来划分的地下水类型之一，是地表以下第一个具有自由表面的地下水。潜水广泛分布在第四纪松散堆积层、表层基岩的空隙中。随我国经济发展和人们生活水平的提高，对淡水资源的需求和利用日益增强，充分认识自然界潜水的分布、埋藏特征，查明潜水补给、径流和排泄特征，可为区域水文地质勘察提供基础数据，也可为合理开发、利用和管理地下水资源提供重要保障。
3.潜水赋存在自然界岩石空隙、裂隙、松散岩土体中，它具有统一的自由液面，称之为潜水面。潜水面受地形地貌、岩性、地质构造、水系、大气降水、人类工程活动等因素的影响下，可发生变化。当潜水面变化时，可依据潜水面的变化情况推断地下水的流动方向，在获取相关重要参数后，可根据理论公示计算水文地质参数，为工程设计和水文地质评价提供重要依据。潜水面至其底部稳定隔水顶板的垂直距离为含水层厚度。单位渗流长度上消耗的水头值称为水力坡度，它的大小取决于渗流区上游与下游的水势差和渗透途径的长短，水力坡度越大，代表潜水面的形状变化梯度越大，而潜水含水层的地下水总是向着水力坡度变化最大的方向运动，形成流动的潜水，称为潜水流，潜水流的发生需要可让重力水通过的介质中连通的空隙或裂隙、管道等，同时应具备水力坡度大于0。
4.在特定的水文地质条件下，当水力坡度为0时，潜水面可以是水平的，这时潜水面处于静止状态，这时，静止的潜水面与潜水面之下各处稳定且连续的隔水边界所围成的地下水体称为潜水湖。潜水湖的形成往往与盆地地质构造有关，这样的构造可称为潜水盆地。值得注意的是，仅有当地下水没有充满潜水盆地时才能形成潜水湖，当潜水湖逐渐接受补给并当地下水充满潜水盆地后，静止潜水面消失，从而形成潜水流和潜水面。而当周围地下水补给条件较弱或无补给时，潜水流逐渐减弱，潜水面坡度逐渐减缓，最终变为水平而静止的潜水面，恢复为潜水湖，因此，受到气象、水文循环交替的影响，潜水湖与潜水流可以相互转化。
5.潜水湖和潜水流由于水循环交替的特殊性并受地质构造的影响，其在不同时段表现出不同的水文地质特征，如何深入认识潜水流与潜水湖的相互转化，转化前后潜水流与潜水湖的水文地质特征，这给水文地质初学者对潜水湖的学习和研究，潜水湖水量计算等带来很大的难度。往往采用勘探、钻探揭露潜水湖，具有成本高，不直观等缺点。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置及方法，可清晰直观的呈现潜水流-潜水湖的形成和相互转化。
7.本发明通过下述技术方案实现：
8.复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置，包括透明的模拟箱；
9.所述模拟箱内设置有模拟区域，所述模拟区域包括含水层和相对隔水层，所述相对隔水层设置在模拟箱的底部，相对隔水层具有弱透水性；所述含水层铺设在相对隔水层上部，含水层具有透水性，所述含水层为上宽下窄、自上而下逐渐收敛的结构；
10.所述模拟区域的两侧分别设置有给水槽和排水槽，所述给水槽用于向含水层供水，所述排水槽用于接收含水层的出水，所述给水槽和排水槽与相对隔水层接触的侧壁不透水；所述给水槽的内水位高度大于排水槽内的水位高度，以实现含水层上游端和下游端的水头差。
11.本发明的含水层和相对隔水层共同构成模拟地质体，本发明通过合理设计给水槽和排水槽的结构，能够实现含水层内渗流，通过透明的模拟箱可直观展示模拟地质体在渗流作用下如何形成潜水流、潜水湖和潜水流-潜水湖和相互转化。
12.进一步地，模拟箱内还设置有蓄水箱，所述蓄水箱与给水槽之间通过供水管连接，所述供水管设置有供水阀。
13.进一步地，蓄水箱与给水槽相邻设置。
14.进一步地，具体实现水头差的方式可以是在所述给水槽和排水槽内分别设置有用于溢流的给水隔板和排水隔板，且给水隔板的高度大于排水隔板的高度。
15.进一步地，给水槽内设置有给水隔板，所述给水隔板将给水槽的下部分隔成左右两部分，其中，靠近模拟区域的一侧用于导入供水，另一侧底部设置有第三排水管。
16.进一步地，排水槽内设置有排水隔板，所述排水隔板将排水槽的下部分隔成左右两部分，其中，靠近模拟区域的一侧用于接受出水，另一侧底部设置有第一排水管，所述排水隔板的顶部与含水层和相对隔水层的接触面出水侧齐平。
17.进一步地，还包括第二排水管，所述第二排水管一端与含水层的底部连通，另一端设置在模拟箱外。
18.进一步地，含水层内设置有若干压力传感器，所述压力传感器用于测量潜水流区对应测压点的压水头，若干压力传感器成排设置，使若干压力传感器均匀分布含水层在内，所述压力传感器与无纸记录仪电连接。
19.进一步地，相对隔水层采用粒径小于0.075mm的粘土堆积而成；含水层采用粒径为0.1～1mm的石英砂堆积而成。
20.基于上述复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置的实验方法，包括以下步骤：
21.s1、向给水槽靠近模拟区域一侧注入水，当给水槽内的水位达到含水层与相对隔水层的接触面时，此时，给水槽靠近模拟区域一侧的水位为h
1cr
，给水槽中的水进入含水层；
22.s2、继续向给水槽靠近模拟区域一侧注入水，含水层中水位逐渐上升，直至含水层的水位处于排水槽一侧含水层与相对隔水层的接触面时，含水层中的水向排水槽内排泄，直到排水槽靠近模拟区域一侧的水位位于排水隔板顶部，通过排水隔板溢流，此时，排水槽靠近模拟区域一侧的水位为h2；
23.s3、继续向给水槽靠近模拟区域一侧注入水，给水槽内水位上升，并最终稳定在最高水位h1，给水槽靠近模拟区域一侧的水通过给水隔板溢流，此时，排水槽中水位仍保持在h2,在h
1-h2》0所形成的水头差作用下，在含水层中存在稳定的潜水面，此时，可清晰地观察
到含水层中存在稳定的潜水流。
24.进一步地，还包括以下步骤：
25.s4、通过排水槽的出水口测定堰上水头值(即三角堰测定流量时，三角堰的堰上水头)，采用堰板法计算流量；然后基于流量、潜水含水层平均厚度、模拟箱的净宽和渗透途径计算渗透系数；
26.s5、通过含水层底部的出水管获取重力水体积，基于重力水体积和潜水湖总体积计算获得重力给水度，所述重力给水度为重力水体积和潜水湖总体积的比值。
27.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
28.1、本发明不仅可清晰直观的呈现潜水流-潜水湖的形成和相互转化，并可定量测定潜水流中砂层的渗透系数、重力给水度；基于渗透系数、重力给水度了解该地层的透水性能，孔隙连通性及有效孔隙度，为分析水文地质问题提供重要依据。
29.2、本发明可通过布置的压力传感器和无纸化记录仪生成潜水流-潜水湖渗流条件下该时刻的压力水头分布图。
附图说明
30.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
31.图1为本发明山区潜水流-潜水湖可视化模拟实验装置的结构示意图；
32.图2为图1a向侧视图；
33.图3为图1b-b剖面图；
34.图4为山区潜水流-潜水湖可视化模拟实验装置的俯视图。
35.附图中标记及对应的零部件名称：
36.1-蓄水箱；2-给水槽；3-含水层；4-潜水面；5-排水槽；6-压力传感器；7-排水隔板；8-第一排水管；9-相对隔水层；10-第二排水管；11-第三排水管；12-供水管；13-给水隔板；14-压力测试接头；100-模拟箱；200-无纸记录仪。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
38.实施例1：
39.如图1-4所示，复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置，包括透明的模拟箱100，具体可以是透明的有机玻璃，采用透明有机玻璃材料制作的模拟区显示屏，用于观察潜水湖的形态特征。
40.模拟箱100内设置有模拟区域，模拟区域包括含水层3和相对隔水层9；
41.所述相对隔水层9设置在模拟箱100的底部，相对隔水层9具有弱透水性；所述含水层3铺设在相对隔水层9上部，含水层3具有透水性，具体地，相对隔水层9采用粒径小于0.075mm的粘土堆积而成；含水层3采用粒径为0.1～1mm的石英砂堆积而成，当地下水进入石英砂中并形成稳定水面后，便形成所模拟的潜水含水层，含水层3为上宽下窄、自上而下
逐渐收敛的结构，即含水层3的中部向下凹陷形成底部缩小结构，如图1所示，由于下层为相对隔水层9，当含水层3层受到侧向补给后，在石英砂层中，当两侧存在稳定水头差时，一定时间能在砂层下部形成潜水流，潜水流的表面形成潜水面4，潜水面4以下，相对隔水层9以上的区域则为潜水流模拟区，在无侧向补给条件下，静止潜水面(即附图1中潜水面4下方，以相对隔水层9较低端面对应的水平面或中潜水面4下方，以排水槽5水位的对应的水平面)以下，相对隔水层9以上的区域为潜水湖模拟区。
42.模拟区域的两侧分别设置有给水槽2和排水槽5，所述给水槽2用于向含水层3供水，所述排水槽5用于接收含水层3的出水，给水槽2的内水位高度大于排水槽5内的水位高度。所述给水槽2和排水槽5与相对隔水层9接触的侧壁不透水，具体地，给水槽2和排水槽5均包括左隔板和右隔板，左隔板和右隔板与模拟箱100的侧壁共同构成了给水槽2或排水槽5，其中，构成给水槽2的右隔板即靠近模拟区域的隔板，上部与含水层3接触的部分设置有若干透水孔，用于透水，构成排水槽5的左隔板即靠近模拟区域的隔板，上部与含水层3接触的部分设置有若干透水孔，用于透水。
43.示例性地，为了实现给水槽2的内水位高度大于排水槽5内的水位高度，提供一种能够确保含水层3上游端和下游端的压头差的具体实现方式：给水槽2和排水槽5内分别设置有用于溢流的给水隔板13和排水隔板7，且给水隔板13的高度大于排水隔板7的高度。
44.具体地，给水槽2内设置有给水隔板13，所述给水隔板13将给水槽2的下部分隔成左右两部分，其中，靠近模拟区域的一侧用于导入供水，另一侧底部设置有第三排水管11，第三排水管11上设置有阀门a，当给水槽2靠近模拟区域的一侧的水位至给水隔板13顶部时，溢流至另一侧，由第三排水管11排出。排水槽5内设置有排水隔板7，所述排水隔板7将排水槽5的下部分隔成左右两部分，其中，靠近模拟区域的一侧用于接受出水，另一侧底部设置有第一排水管8，第一排水管8上设置有阀门d，所述排水隔板7的顶部与含水层3和相对隔水层9的接触面出水侧齐平，当排水槽5内靠近模拟区域的一侧水位至排水隔板7顶部时，溢流至另一侧。
45.示例性地：模拟箱100的尺寸：长1200mm，宽500mm，高1000mm。采用6块厚10mm的有机玻璃材料围成的长方体箱体，同时为保证地质体模拟箱的强度，12条棱边用5cm的角钢包边。给水槽2和排水槽5的宽度均为0.2～0.4m，透水孔的孔径为0.5mm。
46.优选地，为了便于向给水槽2内稳定供水，模拟箱100内还设置有蓄水箱1，所述蓄水箱1与给水槽2之间通过供水管12连接，具体地，供水管12一端与储水箱1下部相连，另一端与给水槽2内给水隔板13右侧下部相连，并在供水管12上设置了供水阀，，进一步优选地，蓄水箱1与给水槽2相邻设置，即模拟箱100内通过多个隔板从左到右依次形成蓄水箱1、给水槽2、模拟区域和排水槽5。
47.示例性地：储水箱1位于模拟箱100左侧，储水箱1的尺寸：0.5m
×
0.5m
×
1.0m。厚10mm的有机玻璃板材料制作，用厚50mm的角钢包边。供水管12的管径200mm～300mm。
48.优选地，还包括第二排水管10，所述第二排水管10一端与含水层3的底部连通，另一端设置在模拟箱100外，优选地，第二排水管10垂直设置在含水层3的底部，且在第二排水管10上设置有两个阀门，分别记为阀门b和阀门c，其中，阀门b位于模拟箱100内，阀门c位于模拟箱100外。
49.本实施例的模拟方法包括以下步骤：
50.s1、向给水槽2靠近模拟区域一侧即右侧分水槽注入水，当给水槽2的右侧分水槽内的水位达到含水层3与相对隔水层9的接触面时，此时，给水槽2的右侧分水槽的水位为h
1cr
，给水槽2的右侧分水槽中的水进入含水层3；
51.s2、继续向给水槽2的右侧分水槽注入水，含水层3中水位逐渐上升，直至含水层3的水位处于排水槽5一侧含水层3与相对隔水层9的接触面时，含水层3中的水向排水槽5内的左侧分水槽排泄，直到排水槽5内的左侧分水槽的水位位于排水隔板7顶部，通过排水隔板7溢流，此时，排水槽5内的左侧分水槽的水位为h2；
52.s3、继续向给水槽2的右侧分水槽注入水，给水槽2的右侧分水槽内水位上升，并最终稳定在最高水位h1，给水槽2的右侧分水槽的水通过给水隔板13溢流，此时，排水槽5的左侧分水槽中水位仍保持在h2,在h
1-h2》0所形成的水头差作用下，在含水层3中存在稳定的潜水面4，此时，可清晰地观察到含水层3中存在稳定的潜水流。
53.实施例2：
54.本实施例基于实施例1，为了生成潜水流-潜水湖渗流条件下该时刻的压力水头分布图，含水层3内设置有若干压力传感器6，若干压力传感器6成排设置，使若干压力传感器6均匀分布含水层3内，所述压力传感器6与无纸记录仪200电连接。
55.优选地，相邻上下两排的压力传感器6错位设置，即下排的压力传感器6位于上排与之最近两个压力传感器6的中点所在的铅锤线上，三点连线形成等腰三角形状。
56.优选地，静止潜水面以上布置2～3排压力传感器6，静止潜水面以下布置3～4排压力传感器6；根据隔水层的边界来均匀布置，仍依照静止潜水面以上的布置方式。
57.示例性地：如图1所示，设置有6排压力传感器6，静止潜水面以上布置2排，静止潜水面以下布置4排；自上而下的压力传感器6个数分别为9，9，7，5，3，2，共35处。其中，第一排和第二排各9处位于潜水湖静止水面之上，第三至第六排处于水湖静止水面之下。这些压力传感器6的量程为：-10kpa～10kpa，测试精度为2
‰
，压力传感器6一端与压力水头测试点相连，另一端与无纸记录仪200电相接，这些压力传感器6在工作状态下可实时测定对应位置处的压力水头，压力传感器6包括数据转换单元。
58.作为优选的，压力水头测试点除了安装有压力传感器6(孔隙水压力传感器)，还安装有测压管，测压管通过设置在模拟箱100侧壁上的压力测试接头14与无纸记录仪200电连接。压力传感器6的探头埋设在砂槽中埋设点的水头压力。压力传感器6与测压管相互配合使用，相互验证。
59.通过本实施例可以观测到：供水前后潜水流形成、潜水流向潜水湖转化、潜水湖形成全过程中地下水的补给、径流和排泄特征。通过储水箱1供水后，侧向地下水补给进入砂层中，充填了砂层中的孔隙，从而使得潜水面以下的砂层处于饱水状态，由于左右两端存在水位差，储水箱1持续供水作用下，能在潜水流模拟区内形成稳定的潜水面4。压力传感器6可清晰展现潜水面的形态特征和实时变化特点，储水箱1停止供水后，给水槽2中的水位逐渐降低，潜水面4出现下降和变化，潜水流减弱，直至水位处于砂层与相对隔水层9相接触的部位，这样，当砂层中多余水位排出后，潜水流消失，在砂层中形成了静止水面，这时潜水湖形成。
60.实验人员可利用潜水流-潜水湖模拟实验装置清晰观察潜水流和潜水湖的形成、演化和消失。此外还可测算砂层的渗透系数，潜水湖水量、潜水湖砂层的给水度等重要水文
地质参数。
61.本实施例的实验过程为：
62.工作时，先将阀门a、阀门b、阀门c处于关闭状态，阀门d处于开启状态，并同时将供水管12上的供水阀关闭。通过外接水泵抽水向储水箱1中供水，直至储水箱1中水位稳定在h0的位置。
63.(1)打开无纸记录仪200电源，确保所有压力传感器6与无纸记录仪200正常连通，并读取其初始数据作为背景值。
64.(2)打开供水管12上的供水阀，让储水箱1中的水经供水管12缓缓注入给水槽2中，给水槽2的右侧分水槽(给水隔板13右侧区域)水位逐渐上升，当右侧分水槽水位(h
1cr
)到达黏土层与砂层接触面时(即打有透水孔的透水板下界面时)，右侧分水槽中的水可进入砂层中，一定时间后，砂层中水位逐渐上升，直至水位处于排水槽5的左侧分水槽(排水隔板7左侧区域)最高水位h2，此时，出现地下水向排水槽5的右侧分水槽(排水隔板7右侧区域)排泄。随储水箱1对给水槽2的右侧分水槽持续供水，右侧分水槽中水位逐渐上升，并最终稳定在最高水位h1，此时，给水槽2的左侧分水槽中水位仍保持在h2,在h
1-h2》0的所形成的水头差作用下，在砂层中存在稳定的潜水面4此时，实验人员可清晰地观察到砂层中存在稳定的潜水流。这时，可通过布置在侧壁的测压管或压力传感器6测量水位，并绘制潜水面形状，并在潜水面以下，隔水层边界以上的区域根据水位信息绘制信手流网图，判定潜水流中的任意两点的水势大小关系。另外，通过压力传感器6实时测定的对应位置处的压力水头，所采集的压力水头以电压信号形式自动传送至数据转换单元，数据转换单元可将电压信号的数据换算成压力水头值，并传送至可视化的数据界面，无纸化记录仪200将所采集的压力水头数据显示在显示屏上后，经图像处理软件直接生成孔隙水压力～时间关系曲线(p-t曲线)，实验人员可实时观测这些压力水头分布信息，并提取任意时刻处于无纸化记录仪200中的压力水头数据，数据保存至txt01文件中。实验人员可根据txt01文件中的同一时刻的35处压力水头值绘制成平面图，生成潜水流-潜水湖渗流条件下该时刻的压力水头分布图。
65.同时，实验人员可采用堰板法(三角堰)在阀门d出水口测定堰上水头值，便可用三角堰流量计算公式来得到实时流量。其流量计算公式为
66.q＝0.014√δh5(1)
67.式(1)中q为流量(l/s)，δh为堰顶水头(cm)。在获取阀门d出口流量的条件下，根据所读取的上下游测压管水头值h
1-h2，上下游测压管的渗透距离l等即可根据公式(2)计算渗透系数。
68.k＝ql/(h1-h2)mb(2)
69.式中，q为流量(m3/s)，m为潜水含水层平均厚度(m)，b为地质模拟箱净宽(m)，l为渗透途径(m),k为砂层渗透系数(m/s)。
70.(3)关闭供水管12上的供水阀后，给水槽2的右侧分水槽中水位将逐渐下降(由h1降至h
1cr
)，而排水槽5的左侧分水槽水位保持不变，此时，潜水面将发生变化，但仍可通过布置在侧壁的测压管或压力传感器6测量水位，从而观察潜水流强度减弱现象。当给水槽2的右侧分水槽中水位下降至黏土层与砂层接触面(h
1cr
)时，处于侧壁的低于h2的所有测压管或压力传感器6测量水位将保持相同，并处于同一水平面上；高于h
1cr
的所有测压管或压力传感器6因测不到真实水头而处于失效状态；测压管安装点高程h介于两者之间(h2《h《h1cr)
的测压管或压力传感器6，其水头值正在逐渐下降。一定时间后，给水槽5的水位虽保持在h2,但无排泄现象。这时，测压管或压力传感器6安装点高程h介于两者之间(h2《h《h
1cr
)的测压管无法测量真实水位，而低于h2的测压管水头值相同，且该水头值代表了潜水湖的静止水面高程，静止水面以下隔水边界以上的砂层中形成了潜水湖。
71.(4)提取处于无纸化记录仪200中的压力水头数据，数据保存至txt02文件中。实验人员可根据txt02文件中的同一时刻的35处(其中潜水湖静止水面以上两排的压力水头为0)压力水头值绘制成平面图，生成所需要的潜水湖形成后的压力水头分布图。
72.(5)准备量筒，打开阀门c后，打开阀门b，此时排出的地下水全部流入
×
盛水容器内，直至潜水湖中的所有重力水全部排净，量测到的水的体积记为v1，计算潜水湖的总体积为v0,则可用(v1/v0)
×
100％计算得到潜水湖的重力给水度μ。
73.通过测定砂层的渗透系数和潜水湖砂层的重力给水度，有助于了解该地层的透水性能，孔隙连通性及有效孔隙度，为分析水文地质问题提供重要依据。更为重要的是，本实施例实现了受侧向补给后，潜水流的形成、演化和消失等特征，还可观察潜水流转化为潜水湖时水位变化特点，为水文地质工作者深入理解潜水湖的形成条件、构造盆地中潜水流的流动状态和水头分布特点，也有益于提高人们对潜水补给、径流和排泄过程的认识。潜水湖还为研究潜水含水层富水性，储水性等提供技术支撑，为区域地下水资源开发利用及评价提供理论依据。由于本发明可清晰、直观展现潜水含水层中地下水活动的特征，这为野外实际潜水湖的形成机理和地下水特征的研究开展打下良好的理论基础。
74.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
75.需要注意的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

技术特征：
1.复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置，其特征在于，包括透明的模拟箱(100)；所述模拟箱(100)内设置有模拟区域，所述模拟区域包括含水层(3)和相对隔水层(9)，所述相对隔水层(9)设置在模拟箱(100)的底部，相对隔水层(9)具有弱透水性；所述含水层(3)铺设在相对隔水层(9)上部，含水层(3)具有透水性，所述含水层(3)为上宽下窄、自上而下逐渐收敛的结构；所述模拟区域的两侧分别设置有给水槽(2)和排水槽(5)，所述给水槽(2)用于向含水层(3)供水，所述排水槽(5)用于接收含水层(3)的出水，所述给水槽(2)和排水槽(5)与相对隔水层(9)接触的侧壁不透水；所述给水槽(2)的内水位高度大于排水槽(5)内的水位高度。2.根据权利要求1所述的复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置，其特征在于，所述模拟箱(100)内还设置有蓄水箱(1)，所述蓄水箱(1)与给水槽(2)之间通过供水管(12)连接，所述供水管(12)上设置有供水阀。3.根据权利要求1所述的复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置，其特征在于，所述给水槽(2)和排水槽(5)内分别设置有用于溢流的给水隔板(13)和排水隔板(7)，且给水隔板(13)的高度大于排水隔板(7)的高度。4.根据权利要求3所述的复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置，其特征在于，给水槽(2)内设置有给水隔板(13)，所述给水隔板(13)将给水槽(2)的下部分隔成左右两部分，其中，靠近模拟区域的一侧用于导入供水，另一侧底部设置有第三排水管(11)。5.根据权利要求3所述的复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置，其特征在于，所述排水槽(5)内设置有排水隔板(7)，所述排水隔板(7)将排水槽(5)的下部分隔成左右两部分，其中，靠近模拟区域的一侧用于接受出水，另一侧底部设置有第一排水管(8)，所述排水隔板(7)的顶部与含水层(3)和相对隔水层(9)的接触面出水侧齐平。6.根据权利要求1所述的复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置，其特征在于，还包括第二排水管(10)，所述第二排水管(10)一端与含水层(3)的底部连通，另一端设置在模拟箱(100)外。7.根据权利要求1所述的复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置，其特征在于，含水层(3)内设置有若干压力传感器(6)，若干压力传感器(6)成排设置，使若干压力传感器(6)均匀分布含水层(3)内，所述压力传感器(6)与无纸记录仪(200)电连接。8.根据权利要求1-7任一项所述的复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置，其特征在于，所述相对隔水层(9)采用粒径小于0.075mm的粘土堆积而成；含水层(3)采用粒径为0.1～1mm的石英砂堆积而成。9.基于权利要求1-8任一项所述复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、向给水槽(2)内注入水，当给水槽(2)内的水位达到含水层(3)与相对隔水层(9)的接触面时，此时，给水槽(2)内的水位为h
1cr
，给水槽(2)中的水进入含水层(3)；s2、继续向给水槽(2)内注入水，含水层(3)中水位逐渐上升，直至含水层(3)的水位处于排水槽(5)一侧含水层(3)与相对隔水层(9)的接触面时，含水层(3)中的水向排水槽(5)内排泄，直到排水槽(5)内的水位稳定至h2；s3、继续向给水槽(2)内注入水，给水槽(2)内水位上升，并最终稳定在最高水位h1，此
时，排水槽(5)中水位仍保持在h2,在h
1-h2>0所形成的水头差作用下，在含水层(3)中存在稳定的潜水面(4)，此时，可清晰地观察到含水层(3)中存在稳定的潜水流。10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，还包括以下步骤：s4、通过排水槽(5)的出水口测定堰上水头值，采用堰板法计算流量；然后基于流量、潜水含水层平均厚度、模拟箱(100)的净宽和渗透途径计算渗透系数；s5、通过含水层(3)底部的出水管获取重力水体积，基于重力水体积和潜水湖总体积计算获得重力给水度，所述重力给水度为重力水体积和潜水湖总体积的比值。

技术总结
本发明公开了复杂山区潜水流-潜水湖渗流可视化模拟装置及方法，实验装置包括透明的模拟箱；所述模拟箱内设置有模拟区域，模拟区域包括含水层和相对隔水层，相对隔水层设置在模拟箱的底部，相对隔水层具有弱透水性；含水层铺设在相对隔水层上部，含水层具有透水性，所述含水层为上宽下窄、自上而下逐渐收敛的结构；模拟区域的两侧分别设置有给水槽和排水槽，所述给水槽和排水槽与相对隔水层接触的侧壁不透水；所述给水槽和排水槽内分别设置有用于溢流的给水隔板和排水隔板，且给水隔板的高度大于排水隔板的高度，使给水槽的内水位高度大于排水槽内的水位高度。本发明可清晰直观的呈现潜水流-潜水湖的形成和相互转化。潜水湖的形成和相互转化。潜水湖的形成和相互转化。


技术研发人员：范荣全 胡正 韩爱果 董斌 唐扬 任光明 周先平 向军 任志超 肖先煊 黄利坷 王必杨
受保护的技术使用者：国网四川省电力公司甘孜供电公司 成都理工大学
技术研发日：2022.11.25
技术公布日：2023/7/11