水资源基础实验指导书

1、指导书目 录序 言i第一篇 水文地质学基础实验1实验一 岩石孔隙度测定2实验二 达西实验6实验三 渗压实验13实验四 毛细水上升高度的测定19实验五 持水度的测定24实验六 含水率剖面测定28实验七 给水度的测定34第二篇 水力学实验39实验八 静水压强40实验九 伯努力方程实验43实验十 雷诺实验48实验十一 沿程阻力系数测定54第三篇 地下水动力学实验58实验十二 渗流槽60实验十三 水电比拟64序 言水文水资源专业基础实验指导书是按吉林大学教学改革项目水资源基础实验室开放式教学模式研究课题的要求编写的，本书由水文地质学基础实验、水力学实验及地下水动力学实验三部分组成，共有十三项实验内容。

2、水资源基础实验是水文地质学基础、水力学和地下水动力学三门专业基础课程不可缺少的重要教学环节。灵活掌握这些基础实验的目的、原理、方法、过程及数据处理方法，可以促进学生对课堂理论教学的深入理解，启发学生进行独立思考、培养学生的动手能力和创新意识。结合吉林大学教学改革的目标和培养创新型人才的思想定位，我们运用现代化的媒体技术，采用多种表现手段和方法，编写了本指导书。力求详细、直观地将各个实验的整个内容体系和操作过程完整地呈现给学生，使学生能够利用该指导书在实验室老师的帮助下独立进行实验，从而提高实验室的利用效率和实验教学效果，改善现有的上实验课时人多拥挤、多人共用一台仪器、实验效果不理想，而平时大量

3、时间空闲的不合理运行模式。良好的运行模式必须要依靠有力的制度规范。为了保证开放式实验教学模式的顺利运行，特别制定了开放式实验教学要求：（1）做实验前必须认真阅读实验指导书、观看相关课件，明确实验目的、实验原理、实验方法步骤、数据记录等。了解实验设备的基本结构、工作原理和使用方法。（2）提前与实验室老师联系，了解仪器的空闲时间，严格按照预约的时间到实验室进行实验。（3）实验需分小组进行，并指定组长，按实验要求进行实验。（4）遵守实验室的规章制度，爱护实验室的仪器设备。（5）实验过程中，如果仪器设备发生故障，应立即向指导教师报告，以便及时排除故障，保证实验正常进行。（6）实验完毕后，将仪器设备恢复

4、原状，清理实验过程中产生的废弃物，保持实验台的整洁卫生状况。然后将实验原始记录交指导教师审阅。并填写实验登记表。（7）实验报告应书写工整、图表清晰，成果正确，按时交给指导教师批阅。编写本教材的目的是促进学生实验的主动性和积极性，为学生提供优越的实验环境和宽松的实验条件，培养学生动手能力、分析能力、与创新能力，提高实验室仪器设备的利用率，改善实验室的运行模式。本教材在编写过程中，对实验目的、实验原理、仪器结构、实验步骤、资料整理及思考题等内容均作了清楚地介绍，并配合有清晰的彩色实验仪器结构示意照片和实验操作过程的视频材料，有利于学生自学，使学生能够根据自己的实际空闲时间状况，以灵活的方式（包括网

5、络）完成实验理论学习，了解实验的整体过程，并能到实验室进行实验。本教材编写过程中得到了水资源系曹剑峰教授、肖长来教授、卞建民副教授、鲍新华副教授的大力支持，在此表示感谢。参加编写的还有姜纪沂博士。由于编者的水平有限，书中疏漏之处请使用者给予批评指正。 编 者 2005年11月于长春第一篇 水文地质学基础实验水文地质学是研究地下水的科学。水文地质学基础作为水文地质学的基础课程，主要介绍与地下水形成、分布、赋存、运移有关的基本概念和基本原理。对这些基本概念和基本原理的深入理解，和对基本原理和基本理论的灵活运用，是学好水文地质学这门课程的基础，也是运用水文地质学的理论解决实际水文地质问题的关键。水文

6、地质学基础实验通过室内实验的方式，使学生能够亲自操作，获得多项重要的水文地质参数，如孔隙度、给水度、持水度、渗透系数，以及含水量剖面、毛细上升高度，验证地下水渗流的基本定律达西定律等。通过这些基本的实验，可以加深学生对所学的基本概念的理解，和对基本理论的掌握。因此，水文地质学基础实验，已经成为水文地质学基础教学中不可缺少的一个重要的环节。学生在熟练掌握已有的常规实验的基础上，可以发挥自己的主观能动性，结合专业问题，自己进行实验设计，进行专门的实验，进而达到在实验中培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，促进学生的动手能力、设计能力，培养学生的创新意识的目的。实验一 岩石孔隙度测定发作为人类

7、生存不可缺少的水资源由两大部分组成，一是地表水，另外一部分是广泛分布于地下的地下水资源。那么，作为水资源的重要组成部分的地下水又是怎样赋存于地下空间的呢？其实，岩石中存在着不同大小和规模的空隙，这些空隙为地下水储存和运动提供了场所和通道。岩石的空隙（松散岩石的孔隙、坚硬岩石的裂隙、可溶岩石的溶穴）空间越大，则可以容纳的地下水就越多。为了定量描述岩石空隙空间的大小，提出了空隙度的概念。对于不同性质的岩石（松散岩、坚硬基岩、可溶岩），分别用孔隙度、裂隙率、岩溶率来表示。裂隙率、岩溶率大多是通过野外调查获得，孔隙度一般在实验室通过仪器测定得到。下面就让我们在实验室内来测量一下岩石的孔隙度。一、实验目

8、的通过实验进一步理解岩石空隙度的物理性质，掌握实验室测定岩石孔隙度的方法。二、实验原理我们都知道，衡量土的孔隙（包括裂隙在内）多少的定量指标是用孔隙度来表示的。孔隙度(n)=100 （11）土的孔隙是地下水储容和运动的空间和场所，对于饱水岩石其孔隙的多少直接反映了含水量的多少，同时无论是饱水带或包气带的岩石，孔隙的多少和性质都直接控制、影响着地下水分布和运动规律，因此，研究岩石孔隙的性质和测定岩石孔隙的多少具有十分重要的意义。测定岩石孔隙度的方法很多，有注水法、比重法、野外直接测定法等。我们所采用的是气压平衡法来测定岩石的孔隙度，这种方法适用于坚硬岩石和松散岩石，其特点是操作简单、迅速、精确度

9、高。三、仪器结构实验所用的仪器是“kc2型气体法岩石孔隙度仪”，它的结构如图1所示。岩心室毛细管岩心上盖密封压帽水银腔岩心杯活动金属板水平轴仪器固定底板硬质玻璃半透隔板考克标尺图1 岩石孔隙度仪实验方法是根据气压平衡的原理，当仪器平卧时，密封容器内腔与毛细管均为常压。当关闭岩心室上盖的考克后，将仪器沿水平轴竖起时，则毛细管内的水银流入空腔，使密封容器内气体压缩，其压缩量的大小取决于试样骨架体积的大小，反映在水银柱高上，在刻度尺上可读出数值。骨架体积越大，反映在水银柱高度上越高，反之相反。骨架体积的数值可在由标准体积砝码测定的vh标准曲线上查得。因此，首先就要利用已知的一套砝码去测定孔隙度，并绘

10、制出标准的vh曲线。四、实验步骤1.绘制vh标准曲线标准曲线是利用体积已知的一套砝码代替样品绘制而成，具体步骤：(1)打开考克（放气）和岩心室上盖，将体积为0.5cm3的砝码放入岩心室中，然后拧紧上盖（每次拧紧程度相同），关闭考克。(2)用食指适量的堵住毛细管的扩大开口一端，抬起活动金属板，沿水平轴竖起，使毛细管中的水银慢慢地流入岩心室底部（水银下降速度太快会导致毛细管破裂，或使水银柱断开），当活动板架恢复原位时，也要注意这个问题。(3)立起活动板架后，待水银柱稳定后，读出水银柱高（cm）。每一个砝码读三次，取其平均值。如果当活动板架立起后水银柱持续下降，说明有漏气现象，这时可将密封圈、上盖螺

11、旋、考克涂上少量的凡士林油进行处理。(4)增加砝码，重复测出不同体积砝码所对应的水银柱高度，将数值列入表11中，并以体积v为横坐标，水银柱高度h为纵坐标，绘制v-h标准曲线，如果测得准确，做出的曲线非常光滑而有规律。作出标准曲线后，就要测岩样骨架的体积（vs）。2.岩样骨架体积vs的测定将砝码取出，将待测岩样放入岩心室中，仍按上述方法进测量。岩样的骨架体积用所对应的水银柱高度，从标准曲线上查出。3.岩样总体积v的测定可用排开水银法，蜡封排水法，直接测量等方法求得。4.计算孔隙度n用vn代表孔隙体积，则： （12） （13）五、资料整理及思考题（1）将数据，计算结果列入表11。表11岩样水银柱平

12、均高度h(cm)岩样骨架体积vs(cm3)岩样总体积v(cm3)孔隙体积vn(cm3)孔隙度n(%)（2）绘制vh标准曲线。（3）结合本次测量结果说明孔隙度大小与那些因素有关，为什么?（4）对于疏松岩石为什么颗粒越粗，孔隙度越小?（5）研究岩石孔隙度的水文地质意义有那些? 实验二 达西实验前面我们已经知道了地下水储存在岩石的空隙中，那么地下水在岩石空隙中是怎样运动（渗流或渗透）的呢？也就是地下水运动的基本规律是什么呢？早在1856年，法国水力学家达尔西（darcy）通过大量的实验，得到了水在孔隙介质中运动的线性渗透定律达西定律。达西定律表述的是通过过水断面的流量与水力梯度、过水断面面积和介质的

13、渗透性质之间的关系。为了定量描述岩石的渗透性质，提出了渗透系数的概念。岩石渗透系数是定量描述岩石透水性能的物理指标，岩石空隙越大、连通性越好，则渗透系数越大，单位时间内通过过水断面的水量越多。渗透系数在数值上等于水力坡度为1时的渗流速度。所以渗透系数具有速度的单位。渗透系数是诸多有关水文计算问题（水井涌水量、矿坑涌水量及水库、渠道渗流量等）中不可缺少的、重要的水文地质参数。渗透系数可以通过抽水试验、物理模拟、数值模拟等不同的方法求得。现在我们来进行达西实验。一、实验目的（1）掌握实验室测定孔隙介质渗透系数的方法，加深对岩石渗透系数的认识。（2）验证达西定律，从而提高对直线渗透定律的理解。在野外

14、确定渗透系数常用的方法有：井孔抽水、注水及试坑渗水、压水试验等方法。这些方法所得资料可靠，精度高，但效率低，成本高。在室内常用达西仪、戚姆仪及渗压仪、渗流槽等实验方法测定。现在我们采用达西仪来测定岩石的渗透系数。二、实验原理达西通过大量实验，得到圆筒过水断面的渗流量q与圆筒断面f和水力坡度i成正比，并和土壤的透水性能有关，所建立基本关系式如下： ； 或式中：v-为渗流简化模型的断面平均流速；k-为岩石的渗透系数，反映了孔隙介质透水性能。三、仪器结构马氏瓶试样筒测压板测压管供水管排水管排水孔水槽量筒吸球过滤板测压孔达西仪共由四部分组成（见图2）图2 达西仪1.供水器装置（马氏瓶）：以法国物理学家

15、mariotte的马利奥特瓶装置，是一种能控制水位又能自动连续补给水的量测装置。2.渗透装置（试样筒）：有机玻璃圆筒，上部设有进水孔，底部装有过滤板，下端有出水孔，供测量渗流量用。侧面有三个测压孔。3.测压装置（测压板和测压管）：在测压板上装有三根58mm带刻度的玻璃管，分别与试样筒上的三个测压孔连接，用于测定三个断面上的测压水位。三个测压管用胶管分别与试样筒相应的管孔连结。4.排水装置：在测压板上均匀分布有一系列的圆孔，用于调节排水水位。其它设备有：100m1的量筒、水槽、漏斗、捣捧、装样杯、秒表、温度计、管夹、胶皮管及吸气球等。达西仪适用于砂土的渗透系数测定。四、实验步骤1.检查仪器设备是

16、否齐全、完好。胶管与仪器连结处是否漏气漏水或堵塞。2.装样：岩样有两种，即原状样和扰动样。原状样就是在野外取来土柱直接装到渗透装置（有机玻璃圆筒）内；扰动样则要按天然容重分层捣实，尽量接近天然状态，否则就没有实验意义了。装样前，在过滤筛板上放二层铜丝网，然后装样，每装35cm厚时，用捣捧轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重，使其结构尽量符合实际状态。重复上述过程，直至试样超过最上一个测压孔以上5cm为止。3.饱和试样（因达西定律是饱水带重力水运动的基本定律）：先将排水水位调节高于试样水面，饱和试样时要自上而下进行注水（便于排气），打开供水管夹，待试样表面出现水膜时（即饱和了），立即关闭供水夹，观

17、察试样筒及三个侧压管水位是否在同一水平面上（因此时试样筒与测压管是u型连通器），如果测压管水位不在同一水平面上，则说明有气泡存在或测压管被堵塞，这时需要排气，排气的方法有两种，即将测压板倾斜或用吸耳气球从偏高或偏低水位的管中吸出气泡，达到水平，各测压管水位差1mm为准。4.实验测定：打开供水管夹（实验过程中保持常水头供水），调节排水水位（不能高于供水水位），当测压管水位稳定后(30秒钟内水位变动o/t键，预热2030分钟。2.称铝盒重（待取样用）。3.装样：试样最好是取直径稍大于土柱仪的原状试样，边削边装入圆筒中。扰动试样要分层装，每装35cm厚时，用捣棒轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重，使

18、其结果尽量符合实地的状态(否则是没有生产或科研意义)。重复上述过程直至试样与土柱仪筒口一样高为止。4.饱水和释水：打开供水夹。自下而上向土柱中充水。待试样表面出水膜时，立即停止供水。打开排水管夹，排水24小时，排尽土柱仪中自由重力水。冲水与排水过程均要缓慢进行。5.取样秤重：24小时排水稳定后，记录最终水位，分别在2、4、6、8、10、12、14及16号孔取试样1030g左右，装入已知重量()的铝盒内；立即盖好盒盖(盖及盒号应相符)，擦净盒外余土杂物，用天秤称得盒及湿土重量(g1)，然后打开盒盖放入烘箱，在105温度下恒温4小时以上，烘干。6.将烘干后的铝盒分别盖好相应的盒盖，放入干燥器，冷却

19、至室温，称得盒和干样重量(g2)。五、资料整理及思考题1将称得盒重、盒及湿样重、盒及干样重量按孔号分别填入记录表（51）。并按公式计算含水率()，100%将各孔试样计算的含水率填入表(51)。表51孔号盒号盒重g0(克)盒及湿样重g1(克)盒及干样重g2(克)水分重g1-g2干样重g2-g0含水率2468101214162.绘制剖面水分分布曲线h，首先分别测得取样各孔至释水后最终静止水位的距离(cm)，设水位为原点，以距离为纵座标，以含水率()为横座标，绘制h曲线。曲线上值变化不大的孔段范围内，的平均值即为持水度。3.分析h一曲线的特征和拐点，确定持水度(最大分子持水度)、毛管水及支持毛管水带

20、的分布高度(cm)。实验六 含水率剖面测定岩土中的水分含量多少是随着深度而发生变化的。含水率剖面是描述某一时刻包气带中，水分分布规律的土壤水分剖面。具有实际意义的含水率剖面，常常是在野外用中子水分仪沿中子测孔测得。一、实验目的1.掌握用中子水分仪测定含水率剖面的方法。2.学会整理资料，能绘制出含水率剖面图并进行分析。根据中子水分仪在野外测得水分分布规律，将土壤水分剖面分为四个带。1.土壤表层带：位于土壤表层，含水量受外界影响变化很大，当降雨或有水源补给时，含水率会明显增大。当干旱蒸发时，水分减少，甚至形成土壤表层干裂。2.持水带：土壤含水量随深度变化不大，接近田间持水量。3.支持毛管水带：土壤

21、水几乎全为毛管水，含水量随深度变化很大，其大小受颗粒大小级配影响。4.饱水带：位于潜水面之下，与支持毛细水带紧密连接，土壤孔隙基本被自由重力水充满，含水率不再增加，达到饱和。二、实验原理中子水分仪的工作原理：利用中子源发出快中子，这些快中子与土壤中构成物质的原子核相互碰撞，便慢化成慢中子和热中子。不同物质的慢化能力是不同的。原子核质量越大的物质，慢化能力越差。氢是所有原子核中质量最小的，因此慢化能力较别的物质大得多。土壤中含氢越多，中子就慢化得越快。这样，在中子源周围形成一个随着土壤含氢量增多，体积变小，但热中子密度变大的“热中子云球”。探则这个“热中子云球”的密度，就能知道土壤含氢量的多少，

22、而土壤中绝大部分的氢存在于水中，这样就间接地测出土壤含水量了。中子源旁有一块体积确定的热中子探测器，它能将进入探测器的热中子转换成光电信号并通过电子线路将其个数记录下来，这样土壤中含氢量大，仪器记录到的计数就多。我们知道每一个水分子含有二个氢原子，而土壤中的氢大部分来自水中，这样热中子计数和土壤含水量之间就存在着一种确定的关系，我们在标定中通过回归的方法找出这种关系，就能计算出含水量。为了适应土壤的多样性和复杂性，我们采用了如下三种典型的土壤率定曲线。用于砂质、粉砂质、砾石质土壤时为：用于壤土时为； 用于粘土时为：式中：土壤体积含水率(以小数计)；r实测土壤中的检测器计数(每秒计数)；rw在水

23、中的标准计数(每秒计数)；rrw称为计数比。使用中子水分仪测定土壤水分剖面时，首先要选有代表性的地点，正确地埋置铝导管，尽量使导管外壁与土壤紧密接触。过四、五天，待土壤情况稳定后再进行测量。铝管内千万不能进水，以防探头损坏。利用中子水分仪求得的土壤水分含量，并不是一个测位的点值，在一般情况下是半径为1015cm球体内的平均值，显然测点的间距越小越能比较真实地反映土壤水分的连续变化。但间距太小对测试精度来说也没有太大的意义。因此，实验中测点间距采用10cm制，既可以保证测试球体的部分重合，使结果成为一个相当平滑的剖面，测量时间也不致拖得太长。当测点距地表埋深较浅时，乃至小于作用球体半径的情况下，

24、中子会逸出土壤而损失，测得的土壤水分含量偏小。此时可以采用烘干法测定030cm土层的含水率。图61 智能中子土壤水分仪三、仪器结构（见图6-1）l520型智能中子土壤水分仪是集多种高技术于一体的野外土壤含水量测量仪器。测量时只要将探头放入预先埋设好的导管内，半分钟左右就能得到一个土壤层的含水量值。整个测量过程不用取样，精确、快速，测深不限，不受水分物理状态(如冰冻)的影响。该仪器主要用于田间土壤水分测量，观察水分分层分布情况及动态变化，作物的需水量研究，节水灌溉研究，严寒地区冻土水分测量，及某些部门的长期土壤水分资料积累等方面，也可用于其他物料的水分测量。仪器内部采用单片计算机系统，直接显示含

25、水量值，所有计算贮存自动完成，可根据被测量的土壤状况输入10条多项式标定曲线供计算用，并可随意调用。测量的结果可显示或打印出来，并可和微机联机通讯。主要结构有：图62 中子水分仪示意图1探头中子源：l520型中子水分仪使用30mci(11gbq)241镅铍三层不锈钢封装柱状同位素中子源。锂玻璃探测器：其外形象一块 圆形玻璃，用硅脂粘合在光电倍增管前端，每当热中子和探测器中锂发生核反应时，便会产生很弱的闪光，它对热中子的探测效率很高，不易损坏，而且寿命极长。光电倍增管：光电倍增管是光电转换器件，探测器接受到热中子并发出闪光时，光子会在光阴极上打出一些电子，这些电子在光电倍增管内经过多级放大，便输

26、出一个个脉冲信号，最后被电子线路接收记录。光电倍增管外壳是由玻璃制造，所以要注意防止猛烈震动而受到损坏。2标准防护容器：它是由含氢量很高的复合聚乙烯材料制成。有两个作用：快中子经过它时大部分已被慢化和吸收了，容器外的剂量率低于国家允许标准，保证了使用者的身体健康。 做标准计数。如果外界原因(温度影响等)使测量计数率减小或增加，那么标准计数率也会以相同的比率变化，其计数率比应不受外界因素影响，采用计数率比可减小系统误差，提高测量的准确性。3主机面板各键功能。主机面板共有21个键，现将其功能简述如下：09数字键、小数点键、正负号键:用于数据输入和应答仪器的提示。在测量态时，当出平均值提示符p，按数

27、字键选择曲线方程。复位键:用于整机恢复初态，这时提示hello。监控键:在监控态时提示pp，它是各种状态的出入口。当欲从一种状态变成另一种状态，必须通过监控键来转换。标定键:在标定态可查看和修改曲线方程系数。测量键:在初态按测量进入标准态，测量标准计数，在监控态，按测量进入测量态，提示输入测量次数、测量管号、测量深度并进行测量。重复键: 在重复态时将做无限重复计数。清零键:将所有水分值存贮单元变为零，其他系数不变，连按两次有效。显示键:提示输入管号，深号，然后显示测量得到的水分值。打印键:提示输入打印机类型代号和打印范围，然后将测量值打印输出。结束键:关机前按结束键能使所有的信息可靠地保存。四

28、、实验步骤开机：输入曲线方程系数，一次输入后即自动贮存，以后不必再输。注意输入值要精确到小数点后二位，否则可能会影响到计算精度。如采用直线方程，只要将2次项以上的系数置为0即可。由于技术原因，再次显示系数时负号不再出现。清零：根据情况决定是否清除上次测量的结果。测标准计数：按复位键，仪器回到初态，这时将探头放置在防护容器中，下垫聚乙烯垫板，测量地点最好每次都相同，并且1米内含氢物质(植物，水等)尽量要少，这样不会因环境因素影响到标准计数。将探头置于容器内测标准计数，一般半天一次即可。测量计数：用脚轻轻踩住垫板使之和仪器分开，将仪器放在导管上，打开线夹将探头顺着导管放至欲测深度，这时即可进行测量

29、了。将探头置于欲测深度进行测量，之后自动计算，显示并存贮在相应的存贮器单元。将探头放至另一深度，重复上述步骤，直至完成测量。为了使电缆线上的深度标记和实际深度一致，我们规定导管露出地面的高度为10厘米，这时电缆线上指示的深度就是实测的深度。每一根管测完以后，将探头拉回容器，这时如听到”咔嗒”一声，说明探头已自动锁好，可转移至其他测管去测量关机。显示或打印出测量的结果。打印是一组组输出的，如80行打印输出是10个一组。五、资料整理及思考题1. 填写实验记录表（61）2.绘制含水率剖面图（以深度为纵坐标，体积含水量为横坐标），并进行分带。实验七 给水度的测定给水度是衡量含水层所能够给出水的能力的一个指标，是地下水资源评价、动态预报、水文地质计算及渗流研究中十分重要的水文地质参数。给水度的确定方法有数值模拟方法、物理实验方法和水文分析计算方法。此处，我们将通过实验室物理实验的方法确定给水度。一、实验目的1.掌握实验室测定给水度的方法，加深对给水度概念的理解。2.掌握岩石容水度、持水度、给水度三者之间的关系。二、实验原理给水度是衡量潜水含水层给水性能大小的一个重要指标。早在二十世纪四十年代，苏联学者就提出：在重力作用下，单位体积饱水岩石所排出重力水的体积，称为重力给水度。即： (71)；七十年代，著名的地下水水力学家j.bear提出新概念潜水水位下降单