非管井集水建筑物取水机理的物理模拟及计算模型研究

非管井集水建筑物在供水、控制地面沉降、基坑降水、尾矿坝排渗及水土污染治理中大量应用，取得了令人瞩目的成效。同时也迫切需要有科学且便于使用的计算模型对非管井集水建筑物的应用进行指导，并对计算模型也提出了更高的要求。现有计算模型未能考虑非管井集水建筑物范围内非饱和流对模型求解的影响，也未考虑在"井管"系统内的明渠流条件下的水头损失。以渗流理论为指导，在分析大量非管井集水建筑物工程结构、水文地质条件及取水效果的基础上，选择若干典型非管井集水建筑物，通过砂槽物理模拟与计算机数值模拟相结合的方法，探索取水机理，研建"饱和、非饱和渗流-管流-明渠流耦合模型"，并在此基础上，建立非管井集水建筑物的通用计算模型，探索非管井集水建筑物计算模型应用中的多层次耦合模型实现技术。项目研究成果不但将从机理上深化对非管井集水建筑物取水过程的认识，而且对于非管井集水建筑物在工程应用方面具有重要指导意义。

以渗流理论为指导，在分析大量非管井集水建筑物实例工程结构、水文地质条件、河流特征及取水效果的基础上，采用工程实例现场抽水试验、砂槽物理模拟试验与计算机数值模拟相结合的研究方法，对非管井集水建筑物取水机理、影响因素进行了不同井类型、不同井结构、不同埋深、不同竖井降深、不同河流补给能力等条件下的砂槽物理模拟实验研究；揭示了非管井集水建筑物工作机理，确定了井结构及安装方式对其取水效果的影响。在此基础上建立了能够反映非管井集水建筑物取水条件下多种流态并存、有压管流与明渠流并存、非饱和渗流与饱和渗流并存、基于“变饱和渗流–管流–明渠流耦合模型”理论的科学的非管井集水建筑物取水通用计算模型，实现了非管井集水建筑物计算模型中的多物理场、多层次耦合；并利用物理模拟实验结果及工程实例进一步验证了该计算模型的可靠性；探索了非管井集水建筑物作用下，河流入渗水的迁移特征。成功地把理论研究成果应用到了陕北能源基地多个非管井集水建筑物取水方式下的地下水资源合理开发利用研究中，较好地解决了黄河岸边、秃尾河下游、乌兰木伦河河谷区等水源地非管井集水建筑物取水方式地下水允许开采量计算评价等实际问题，同时也进一步验证了所研建计算模型的正确性和可靠性。