[实用新型]模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置

说明书

本实用新型公开了一种模拟非饱和带瞬态流‑稳态流转化机理的试验装置，包括用于模拟土体的敞口玻璃瓶以及设置在其上方的供水装置，供水装置底部设置有出口正对玻璃瓶顶部的出水管，出水管上设置流速控制阀门；玻璃瓶底部开设玻璃瓶出水口，玻璃瓶出水口设置有橡皮塞；供水装置底部还设置有一排水管和进水水管，排水管顶端伸入供水装置容腔内，进水管连接在水闸与供水装置之间；将水在非饱和土中的流动概化为在重力作用下水在垂向排列的开孔容器中流动的一维流模型，利用水量平衡原理和伯努利方程，进行水力计算和推导，得到任意时刻任意容器单元的流速和水位关系，并通过试验对该模型进行了验证，结果符合理论设想，也符合非饱和土渗流规律。

技术领域

本实用新型涉及水文地质与工程地质技术领域，具体涉及一种模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置。

背景技术

非饱和带是地下水与大气降水、地表水进行交换的必经通道，是衔接地表水和地下水的纽带，在地下水科学、环境科学、农林水利工程以及地质灾害防治工程中非饱和带起着举足轻重的作用，且在我国西北干旱半干旱地区，荒漠化与水土流失严重，生态环境极其脆弱，因此，进行非饱和带水分运移规律的研究，对该区地下水资源的定量评价、地表植被的生态效应问题以及工程地质问题的研究意义重大。

目前常用的模拟非饱和带入渗的方法可以总结为一维土柱瞬态入渗法，其原理是将水在柱状土体中的流动概化为一维流入渗，在上部边界施加一定的补给量，通过观测不同时刻不同深度土体中水份的含量，利用达西定律、能量守恒原理等数学手段，得到重力作用下水份在所研究土体中的迁移规律，从而预测出一定补给条件下不同时刻非饱和土的含水率或不同含水率下土壤的持水能力。其中，构成土柱的方式有直接取原状土柱样、将土夯填在柱状容器中或将环刀样按一定顺序垒成柱状等手段，观测土体含水率的方式有直接称重法、插水分计、电阻法、γ射线法等。经过大量验证，这些方式得到的土水特征曲线是可信的，然而水在非饱和土中的流动是抽象的，无法像地表水一样直观地呈现出来；且一维土柱瞬态入渗法在研究不同渗透特性、不同深度的土的渗透性变化时耗力、耗时难以操作，在实验过程中测含水率的成本也会随测量精度的提高而大大增加。理论推导瞬态流-稳态流转化机理一般借助非饱和土力学的公式，但是计算过程是相对复杂的。

因此，为了直观、方便、简单且经济地模拟出水在非饱和带从瞬态到稳态的变化过程，有必要提出一套新的模型以及试验方案来补充现有的室内模拟试验，为研究非饱和带水份的迁移规律提供新的思路。

实用新型内容

为了解决现有理论模型繁琐，室内模拟不直观、难以灵活控制入渗条件等问题，本实用新型提供了一种模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，模拟非饱和带瞬态流-稳态流转化机理的试验装置，包括用于模拟土体的敞口玻璃瓶以及设置在玻璃瓶上方的供水装置，供水装置的底部设置有出口正对玻璃瓶顶部开口的出水管，出水管上设置有流速控制阀门；玻璃瓶底部开设有玻璃瓶出水口，还包括用来密封玻璃瓶出水口的橡皮塞；供水装置底部还设置有一排水管和用于给供水装置加水的进水水管，排水管顶端伸入供水装置容腔内，进水管连接在水闸与供水装置之间。

玻璃瓶至少为一个，当玻璃瓶数量大于时，玻璃瓶之间同轴竖直设置，供水装置设置在顶级玻璃瓶的正上方。

还包括设置在末级玻璃瓶下方用于容纳末级玻璃瓶出水的水槽，水槽上设有刻度。

玻璃瓶内径为3.6cm、高19cm、出口孔径小于2mm、最大容积165mL；玻璃瓶上设有刻度；用紧固螺丝将玻璃瓶用金属管卡固定在墙面上，相邻两玻璃瓶之间的间隔为1cm，金属管卡直径75cm。

供水装置放置在由固定螺丝固定的面板上，进水管一端与水闸相连，另一端设置在供水装置的上部敞口处。

排水管直径为2cm，出水管的直径为0.5cm，进水管直径为1.5cm。

本实用新型装置的使用过程包括以下步骤：