7水文地质参数计算讲解

专门水文地质学（水文地质勘察）主讲教师：张卫民2010年学位课程第七章水文地质参数计算§7.1概述§7.2给水度的确定方法§7.3渗透系数和导水系数§7.4储水率和储水系数§7.5越流系数和越流因素§7.6降水入渗补给系数§7.7潜水蒸发强度（自学）§7.8灌溉入渗补给系数（自学）第七章水文地质参数计算§1概述一、参数概念1、水文地质参数是表征含水介质水文地质性能的数量指标，是地下水资源评价的重要基础资料，主要包括含水层的渗透系数K和导水系数T、承压含水层的储水系数S（也叫弹性给水度μe）、潜水含水层的给水度μ（重力给水度μd）、弱透水层的越流系数σ及含水介质的水动力弥散系数D等。2、水文参数是表征与岩土性质、水文气象等因素的数量指标，主要包括降水入渗系数α、潜水蒸发强度ε、灌溉水回渗补给系数m等。水文地质参数和水文参数统称为水文地质参数第七章水文地质参数计算§1概述二、参数确定方法确定水文地质参数的方法可以概括为两类：1、一类是用水文地质试验法如野外现场抽水试验、注水试验、渗水试验及室内渗压试验、达西试验、弥散试验等，这种方法可以在较短的时间内求出含水层参数而得到广泛应用；2、二类是地下水动态观测利用地下水动态观测资料来确定，是一种比较经济的水文地质参数测定方法，并且测定参数的范围比前者更为广泛，可以求出一些用抽水试验不能求得的一些参数。第七章水文地质参数计算§1概述小结一、参数概念二、参数确定方法第七章水文地质参数计算§7.1概述§7.2给水度的确定方法§7.3渗透系数和导水系数§7.4储水率和储水系数§7.5越流系数和越流因素§7.6降水入渗补给系数§7.7潜水蒸发强度（自学）§7.8灌溉入渗补给系数（自学）第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法一、给水度的概念1、含义给水度是表征潜水含水层给水或储水能力的一个指标，在数值上等于单位面积的潜水含水层柱体，当潜水位下降一个单位时，在重力作用下自由排出的水量体积。2、影响因素饱水带的岩性、潜水埋深、排水时间、水位变化幅度等。第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法利用多孔非稳定流抽水试验观测孔的水位下降资料计算确定，或采用野外试验和室内试验的方法确定，但必须保持含水层的天然结构。1、非稳定流抽水试验法利用非稳定流抽水试验确定潜水含水层的给水度，必须选择合适的数学模型，并且观测孔离抽水井的距离和深度、抽水延续时间、抽水量的控制和动水位的观测等都必须满足一定的技术要求，才能取得较好的结果。第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法1、非稳定流抽水试验法（1）井流公式求解潜水含水层中完整井定流量抽水井流问题的主要方法就是利用博尔顿模型和纽曼模型，参考《地下水动力学》。（2）求解水文地质参数通常根据抽水试验的s～t曲线，进行解析推断，求出给水度，主要有两种方法。第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法1、非稳定流抽水试验法（2）求解水文地质参数标准曲线法（配线法）：配线法的具体步骤见《地下水动力学》，为了求取给水度值，主要是拟合抽水试验的lgs～lgt曲线的后半部分曲线，所以抽水试验延续的时间应足够长，使得较好的拟合。拟合好后，选拟合点，按下列公式计算再进行计算：sBruQWTdD4,24rTtudd第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法1、非稳定流抽水试验法（2）求解水文地质参数直线图解法：将实测的降深资料在单对数坐标上作s～lgt直线。对于潜水来说，降深前期和降深后期的曲线为大致平行的两条直线，中间为一条近乎水平的线相连。求给水度时，利用降深后期的直线。求出该直线斜率m（相当于一个对数周期的降深差）和该直线在横轴上的截距t０。按下列公式计算：mQT183.02025.2rTtd第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法2、漏斗疏干法在潜水面平缓、天然地下径流量很小的地区，抽水井所抽出的水主要来自降落漏斗疏干的水量，随着抽水时间的延长，降落漏斗在不断扩展，只要将某一时刻以前抽出的水量，除以该时段的降落漏斗体积，即可得到给水度，计算公式如下：降落漏斗的形状一般为不规则的漏斗形。当观测孔较多时，可根据实测的降落漏斗形状和漏斗内降深等值线，算出漏斗体积V。VtQ第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法3、筒测法筒测法是使用一种特制的简易测筒，筒内盛入原状土，然后设法让筒内原状土达到饱和，进而使之在重力作用下自由排水，从而测定排除的水量，借以推求原状土的给水度。筒测法示意图第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法图7-1筒测法装置示意图1—试验测筒；2—滤料池；3—排水阀；4—供水阀；5—供水水箱；6—测压管；7—排水口；8—法兰盘第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法4、试坑法试坑法的基本原理是测量土层的体积饱和含水量和田间持水量，然后计算其差值即为给水度。测试分析步骤如下：（1）挖掘一大小适当的试坑，露出欲求给水度的土层，用环刀取土样，测定土样的干容重：（2）将试坑内欲测的土壤泡水一定的时间，使其孔隙被水饱和，然后舀干余水，取土样测定重量含水率：干VGs干%100sswsgGGG第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法4、试坑法（3）将土层用湿物覆盖，防止土层水分蒸发。这时，饱和含水量中的重力水下渗，每隔一定时间取土测定土样的重量含水率；（4）将测得的重量含水率换算成体积含水率；（5）将不同的值点绘曲线（如图7-2），在t=0时刻的值为体积饱和含水率（容水度），而曲线的水平段相当与田间持水率（持水度）。gsswswswswswGGGGGGVVw干干干sr第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法图7-2土壤含水率变化曲线第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法5、根据抽水前后包气带土层天然湿度的变化来确定μ值抽水前包气带内土层的天然湿度分布应如图7—3中的oacd线所示。抽水后，潜水面由A下降到B(下降水头高度为△h)，此时的土层天然湿度分布线则变为图中的oabd。对比抽水前后的两条湿度分布线可知，由于抽水水位下降，水位变动带将会给出一定量的水。按水均衡原理，抽水前后包气带内湿度之差，应等于潜水位下降△h时包气带所给出的水量。第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法△h第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法5、根据抽水前后包气带土层天然湿度的变化来确定μ值式中：△Zi—包气带天然湿度测定分段长度；△h—抽水产生的潜水面下移深度；W1i，W2i—抽水前后△Zi段内的土层天然湿度；n—取样数。土层的天然湿度，可采取原状土样在实验室测定，或利用中子水分计在钻孔中直接测定土层的含水率。第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法二、给水度的确定方法6、根据潜水水位动态观测资料用有限差分法确定μ值如果潜水为单向流动，隔水层水平，含水层均质，可沿流向布置3个地下水水位动态观测孔(图7—3)，然后根据水位动态观测资料，按下式计算μ值：式中：h1,t,h2,t,h3,t—观测孔t时刻水位及含水层厚度；△h2—△t时段内2号孔水位变幅；ω—垂向流入和流出量之和称综合补给强度；K—渗透系数；△x—观测孔间距。第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法第七章水文地质参数计算§7.2给水度的确定方法小结一、给水度的概念二、给水度的确定方法第七章水文地质参数计算§7.1概述§7.2给水度的确定方法§7.3渗透系数和导水系数§7.4储水率和储水系数§7.5越流系数和越流因素§7.6降水入渗补给系数§7.7潜水蒸发强度（自学）§7.8灌溉入渗补给系数（自学）第七章水文地质参数计算§7.3渗透系数和导水系数一、渗透系数和导水系数的概念1、渗透系数又称水力传导系数，是描述介质渗透能力的重要水文地质参数。渗透系数代表当水力坡度为1时，水在介质中的渗流速度，单位是m/d或cm/s。渗透系数大小与介质的结构（颗粒大小、排列、空隙充填等）和水的物理性质（液体的粘滞性、容重等）有关。2、导水系数即含水层的渗透系数与其厚度的乘积。其理论意义为水力梯度为1时，通过含水层的单宽流量，常用单位是m2/d。导水系数只适用于平面二维流和一维流，而在三维流及剖面二维流中无意义。第七章水文地质参数计算§7.3渗透系数和导水系数二、渗透系数和导水系数的确定方法利用抽水试验资料求取含水层的渗透系数及导水系数方法视具体的抽水试验情况而定，下面就各种情况下的计算公式加以简述，其原理及具体计算步骤可参考地下水动力学相关教材。1.单孔稳定流抽水试验，抽水孔水位下降资料求渗透系数（1）当Q～s（或Δh2）关系曲线呈直线1）承压水完整孔：rRsMQKln2第七章水文地质参数计算§7.3渗透系数和导水系数二、渗透系数和导水系数的确定方法1.单孔稳定流抽水试验，抽水孔水位下降资料求渗透系数（1）当Q～s（或Δh2）关系曲线呈直线2）承压水非完整孔：当M﹥150r，l/M﹥0.1时，当过滤器位于含水层的顶部或底部时)12.1ln(ln2rMllMrRsMQK)]2.01ln([ln2rMllMrRsMQK第七章水文地质参数计算§7.3渗透系数和导水系数二、渗透系数和导水系数的确定方法1.单孔稳定流抽水试验，抽水孔水位下降资料求渗透系数（1）当Q～s（或Δh2）关系曲线呈直线3）潜水完整孔：4）潜水非完整孔：当﹥150r，l/﹥0.1时，当过滤器位于含水层的顶部或底部时，rRhHQKln)(22)12.1ln(ln)(22rhllhrRhHQK)]2.01ln([ln)(22rhllhrRhHQKhh第七章水文地质参数计算§7.3渗透系数和导水系数二、渗透系数和导水系数的确定方法1.单孔稳定流抽水试验，抽水孔水位下降资料求渗透系数（2）当Q～s（或Δh2）关系曲线呈曲线采用插值法得出Q～s代数多项式，即：式中a1、a2……an—待定系数。a1宜按均差表求得，可相应地将前述公式中的Q/s和公式中的以1/a1代换，分别进行计算。（3）当（或）～Q关系曲线呈直线可采用作图截距法求出a1后，按上述方法计算。nnQaQaQas22122hHQQs/Qh/2第七章水文地质参数计算§7.3渗透系数和导水系数二、渗透系数和导水系数的确定方法2、多孔稳定流抽水试验，观测孔水位下降资料求渗透系数若观测孔中的值s（或Δh2）在s（或Δh2）～lgr关系曲线上连成直线，可采用下列公式：（1）承压水完整孔：（2）潜水完整孔：1221ln)(2rrssMQK122221ln)(rrhhQK第七章水文地质参数计算§7.3渗透系数和导水系数二、渗透系数和导水系数的确定方法3、在没有补给条件下，多孔非稳定流抽水水位下降资料求渗透系数多孔非稳定流抽水试验，在没有补给条件下，利用抽水孔或观测孔的水位下降资料计算渗透系数时，可采用下列公式：（1）配线法1）承压水完整孔：trKMSu24)(08.0uWMsQK第七章水文地质参数计算§7.3渗透系数和导水系数二、渗透系数和导水系数的确定方法3、在没有补给条件下，多孔非稳定流抽水水位下降资料求渗透系数（1）配线法2）潜水完整孔：或（2）直线法当（或）0.01时，可采用下列公式：)(159.02uWhQKtrKHu24)(08.0uWshQKtrhKu24KMtSr42thKr42第七章水文地质参数计算§7.3渗透系数和导水系数二、渗透系数和导水系数的确定方法3、在没有补给条件下，多孔非稳定流抽水水位下降资料求渗透系数（2）直线法1）承压水完整孔：2）潜水完整孔：利用s（Δh2）～lgt关系曲线的直线段上任意两点的纵坐标值1212ln)(4ttssMQK