第10讲地下水文学

1、地下水水文学地下水水文学主讲： 刘国东 教授电话mail:第10讲第五章 含水层参数的确定水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 5.3 利用试验资料确定含水层参数u直接测试法确定给水度地中渗透仪法(简测法)试坑法试坑法的基本原理是测量土层的体积饱和含水率和田间持水率，然后计算其差值即为给水度。整个测试分如下5个步骤：第一步是挖一大小适当的试坑，露出欲求给水度的土层，用环刀(一种一端锋利的短圆筒)取土样，烘干称重，测定土样的干容重干式中，V环刀所取土样体积； Gs烘干土样的重量。第二步是将试坑内欲测的土层泡水一定的时间，使其孔隙被水所饱和，然

2、后舀干余水，取土样称重，测定重量含水率 (5-16)(5-17)式中 Gws湿土样重量水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 第三步是将土层用湿物覆盖，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。第四步将所测的重量含水率换算成体积含水率式中 w水的重率， w =1.0； Vw土样中的水体积。最后，用不同时间的值点绘曲线(如图5-4)，在t=0时刻的值是体积饱和含水率s，即容水度或孔隙度，而曲线的水平段，则相当于田间持水率r，即持水度，两者之差为给水度。图5-4中， s =43.3， r =37.3，因此所测土样(亚沙土)的给

3、水度= s-r=43.3% -37.3%6.0。试坑法是一种切实可行的方法，费用不多，但它测得的仅是包气带岩土中某一点的给水度，不能代表整个剖面情况。水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 5.3 利用试验资料确定含水层参数u稳定流抽水试验法抽水试验 抽水试验为现场试验，即在要确定水文地质参数的含水层布置抽水井和观测孔，通过在抽水井进行定流量抽水定流量抽水，同时观测抽水井和观测孔中的水位变化。分为单井抽水试验和群井抽水试验，群井抽水试验往往用于数值模拟，因此一般采用单井抽水试验。对于单井抽水试验，分为单孔抽水试验(仅一个观测孔)和多孔抽水试验(带有观测孔)。根据是否观

4、测水位随时间变化，分为稳定流抽水试验和非稳定流抽水试验。 稳定流抽水试验是进行三次定流量抽水，每次抽水达到稳定(8小时抽水量和水位保持不变)后，记录稳定抽水量和稳定降深Q1和S0,1 。第一次抽水量较小，降深值也小，称为第一落程或小落程抽水；第二次(或第二落程)抽水量较大，获得第二组抽水量和降深值Q2和S0,2 ；第三落程抽水量最大，获得Q3和S0,3。水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 5.3 利用试验资料确定含水层参数单井稳定流抽水试验计算渗透系数K 利用裘布依稳定流公式进行渗透系数计算时，若没有观测孔而只能 首先根据单井内水位下降值S0与相应的出水量Q绘制出

5、QS0关系曲线，如图5-5所示，再按所得曲线类型选择适当的计算公式。根据抽水井的出水量、水位下降等数据，则应消除抽水井附近产生的三维流、紊流的影响即水跃值，特别是在抽水井水位下降值较大的情况下，最好采用下列方法消除水跃值或渗透阻力。图5-5 QS0关系曲线 h2水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 当QS0(或h2)关系曲线为直线时 h2是潜水含水层在自然情况下的厚度H和抽水试验时厚度h0的平方差，即h2 =H2- h02 。 这时适合图5-5中的b型，表明水流通过过滤器及在过滤器内的流动阻力不太大，从而在井壁附近产生的三维流、紊流区的影响不明显，这时可直接应用裘布

6、依公式计算渗透系数。对于承压水完整井)/ln(200rRTSQ002)/ln(SrRQTMTK 对于潜水完整井)/ln(0202rRhHKQ2020)/ln(hHrRQK(5-20)(5-19)5.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 当QS0(或h2)关系曲线为抛物线型时 这时适合图5-5中的a型，表明水流通过过滤器及管内水流阻力太大，在井壁附近水流呈三维流、紊流状态，这时不符合裘布依公式的基本假设条件，不能直接用稳定流公式计算。 为了消除三维流、紊流的影响，计算时应要消除阻力。首先，绘制 Q或 Q关系曲线，如图56所示。其次，根据三

7、次水位下降的Q、S0所做的 Q或 Q关系曲线呈直线时，可以读出直线在纵轴上的截距0值，且QS0Qh2QS0Qh2QS00图5-6 (或 )S0关系曲线QS0Qh25.3 利用试验资料确定含水层参数QSQBQQS0000 0水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 QhHQh20220或 以之分别代入第二章的水井稳定流计算公式，由此可得承压水完整井计算渗透系数K的公式为 0000002)/ln(2)/ln(2)/ln(MrRQSMrRMSrRQK承压水潜水00220220)/ln()/ln()()/ln(rRQhHrRhHrRQK(5-21)(5-22)5.3 利用试验资

8、料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 带观测孔的单井稳定流抽水试验计算K 带观测孔的单井抽水试验是当主井中抽水时，在主井附近至少要另设两个观测孔以取得主井抽水时其附近的水位变化资料。为了避免抽水井附近的三维流、紊流影响，要求最近的观测孔距主井一般为含水层厚度的1.6倍，而最远的观测孔距第一个观测孔的距离也不宜太远，以保证各观测孔内有一定的水位下降值，并使各观测孔的水位下降值在S(或h2)lgr关系曲线的直线段上，如图5-7所示。图5-7 S (或h2) lgr关系曲线对于承压水有两个观测孔时)(2)/ln(2112SSMrrQK(5-23)5.3 利

9、用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 对于潜水有两个观测孔时)()/ln(222112hhrrQK 影响半径R是反映含水层补给能力大小的一个参数，它是一个不受抽水降深S和出水 量Q影响的常数值，一般均通过抽水试验后采用公式计算或图解法确定。实践证明利用具有二个或二个以上观测孔的资料求得的结果较为实用和可靠。具体做法有下列两种。1. 公式计算法对于分布广阔的含水层，求影响半径R时可用下列公式承压水含水层：(5-24)(5-25)影响半径R的确定5.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 潜

10、水含水层：2. 图解法 由于利用裘布依公式进行计算时要求Slgr或h2 lgr呈直线关系，所以在抽水试验时可先确定各观测孔的r值及对应的S或h2值，采用单对数坐标纸以lgr为横坐标，S或 h2为纵坐标，便能求得点子(lgr 、 S)或(lgr 、 h2)，把这些点子连成直线，如图5-7所示，并延长使其交于lgr轴，其截距便是R，这就是理想的圆柱状含水层的半径。 由于影响半径是不随出水量Q和水位下降值S大小而变化的一个常数值，因而各次水位下降值的R，应当是一样的。这样根据第二次水位下降值做成的曲线及第三次水位下降值做成的曲线都应在lgr轴上交于一点，如果不能交于一点则分析其原因，是否在抽水过程中

11、补给条件发生了变化。图5-7 S (或h2) lgr关系曲线(5-26)5.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 经验公式法经验公式法水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 u非稳定流抽水试验法无越流补给时的非稳定流抽水试验 在无越流含水层中进行非稳定流抽水试验，主要是为了确定含水层的导水系数T、释水系数e或压力传导系数a，计算这些参数的方法很多，常用的有配线法(标准曲线对比法或量

12、板法)、直线解析法、恢复水位法、试算法、直线斜率法等，以下介绍前两种方法。 这是通过实测抽水试验曲线与理论曲线对比确定含水层参数的方法，又称标准曲线法(量板法)。 此方法又分为时间t 水位降深S配线法和距离r 水位降深S配线法两种。当只有一个观测井资料时应采用时间t 水位降深S配线法，若有两个以上观测井资料时可采用距离r 水位降深S配线法。1配线法(1)时间降深配线法1)计算原理：计算原理：因承压水完整井的非稳定流公式为5.3利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 由泰斯公式(5-27)(5-28)对(5-27)和(5-28)两式取对数，得(

13、5-29)(5-30)和由于T, Q, r和a均为常数，所以可以令TQA4lgarB4lg2为常数SYlg)(lguWY tXlguX1lg令则(5-29)和(5-30)变为5.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 BYYAXX(5-29)(4uWSQTaaaaeurTt142可见如果不考虑A和B，那么Y=f(X) 与Y =f(X) 的曲线的形状是相同的，只是Y=f(X)相对于Y =f(X)在横坐标方向位移了A，在纵坐标方向位移了B。由此可知lgS=f(lgt)与曲线lgW(u)=f( )曲线的形状也相同，仅仅是其纵、横坐标相差 和 这

14、两个常数。换句话说，这两条曲线在同样模数的双对数坐标纸上，当纵横坐标分别平移 和 之后完全重合。当两条曲线完全重合时，二重叠的坐标上任意一点均满足(5-29)和(5-30)式，即满足泰斯公式。在重叠后的坐标上任取配合点可得 , Wa(u), Sa和ta，按下式计算T和a或e。u1lgTQ4lgar4lg2TQ4ar42au1(5-30)aautra142或5.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 按抽水过程实际观测所得的不同时间的水位降深值，在透明双对数坐标纸上点绘反映tS关系的点子，如图5-8中的小圆圈。将图5-8叠合在坐标模数相同的

15、泰斯标准量板上，并使两图的纵横坐标相互平行，然后移动反映t S关系的透明纸，使实测小圆圈完全重合在泰斯理论曲线上。任意选定配合点A，在标准量板和透明纸上A图5-8 S t配线过程分别读出对应的Wa(u), , Sa和ta值。将Wa(u), , Sa和ta 代入(5-29)和(5-30)，计算出T、a和e。au1au12)计算步骤：计算步骤：5.3利用试验资料确定含水层参数)(4uWSQTaaaautra142水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 (2) 距离降深配线法 如带有多个观测孔抽水试验资料，可采用距离r2降深S配线法，其所求得的参数可代表观测井所控制范围内含

16、水层参数的平均值。 由式(5-28)可以看出，当时间t为定值时，u与r2成正比，即另由式(5-29)可知(5-31)(5-32)TQSuW4lglg)(lg 对照以上两式可知，在透明双对数坐标纸上绘出r2与S的关系曲线，同样它与泰斯标准量板曲线的形状也是一致的。叠合后任选一配合点，并读出对应的W(u)、S和u、r2，以之代回式(5-27)和式(5-31)，即可求出含水层参数T和a值，从而算出e(5-33)5.3 利用试验资料确定含水层参数式中的 为一常数，对式(5-31)两边取对数，得at41水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 lgt=1S(5-34)2直线解析法

17、时，可用雅可布公式计算，即当2225. 2lg183. 025. 2ln4ratTQratTQStTQraTQSlg183. 025. 2ln183. 02常数斜率S lgt是一条直线，其斜率i为TQi183. 0iQT183. 0 先在以S为纵轴、t为横轴的半对数坐标系上，绘制降深历时曲线S lgt (如右图)。然后确定曲线的直线段及其斜率i值。(5-35)5.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 i值可用直线段上任意两点的坐标，按下面公式tSttSSilglglg1212来计算。常用的方法是在对数坐标轴上任取一个对数周期，使lgt=

18、1，则i= S。将所得的i值代入(5-35)，即可求得T值。为了计算e，将直线段延长(见右图)，与横轴相交得t0值。将t0值代入雅可布公式，显然有lgt=1St0025. 2lg183. 020ratTQS125. 220rat于是有0225. 2tra aTe5.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 例例5-1 在一承压含水层中进行抽水。含水层的顶、底板绝对隔水，抽水时侧向边界尚无影响。14号井为完整抽水井，2、15、16、10及9号井为观测孔(图E5-1)。6月8日13时30分开始抽水，抽水量60m3/h，对抽水井的水量及各观测孔的

19、降深进行了观测。6月9日9时15分停止抽水。停抽后进行了恢复水位的观测。各观测结果列于表E5-1中。求含水层参数T与e。图E5-1解解 用2号孔的资料，绘制lgS lgt曲线见图E5-2。然后与lgW(u) lg(1/u)进行配合，选配合点A，A点坐标为Wa(u)=1 1/ua=5Sa=0.64 ta=9.1164. 0460/60)(4uWSQTaa4221088. 45431 . 9124. 0414aaeurTt/dm178/minm124. 0225.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 用直线解析法求解：S=2.3-0.8=1

20、.5m/dm176/minm122. 05 . 160/60183. 0183. 022iQT5 . 11lgSStSi/minm93.273325. 24325. 22202trat0=3min41045. 493.273122. 0aTe5.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 由于有五个观测孔，还可用Sr2配线法确定含水层参数。计算时采用基于400min时的观测资料。首先在双对数坐标纸上绘制400min时的 Sr2曲线，与泰斯标准曲线W(u) u进行配线。图E5-3为配合后的正确位置。 现任选一配合点，确定共坐标：W(u)=1，u

21、=0.01，S=0.5m，r2=17000m2。按下列公式计算得 eSQ45.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 有越流补给时的非稳定流抽水试验 越流含水层进行非稳定流抽水试验，可采用类似于泰斯公式求含水层参数的配线法。由下式两边取对数，得5.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 潜水非稳定流抽水试验aeurTt142(图图2-23)(图图2-25)5.3 利用试验资料确定含水层参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 5.3 利用试验资料确定含水层

22、参数水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 5.4 常用各种含水层参数的经验值u不同降水量的多年平均入渗系数值u不同地区的潜水蒸发系数C值u不同渠床岩性、埋深和衬砌情况下渠系利用系数、补给系数Vu不同地下水埋深田间灌溉回归入渗补给系数m值u不同粒径下的影响半径R经验值第10讲结束水文地质与地下水水文地质与地下水四川大学水电学院四川大学水电学院 抽水井 观 测 孔 井孔号 观测时间 14 2 15 16 10 9 日/月 时 分 累计时间(分) 抽水量(m3/h) 水 位 降 深 (m) 30 0 0 0 0 0 0 40 10 0.73 0.16 0.05 0.04

23、13 50 20 1.28 0.48 0.18 0 30 1.53 0.54 0.28 10 40 1.72 0.65 0.38 0.06 30 60 1.96 0.75 0.52 0.20 14 50 80 2.14 1.00 0.75 0.04 10 100 2.28 1.12 0.76 15 30 120 2.39 1.22 0.85 0.21 0.08 16 0 150 2.54 1.36 0.96 0.24 0.09 17 0 210 2.77 1.55 1.14 0.16 18 0 270 2.99 1.70 1.25 0.53 0.25 19 0 330 3.10 1.83 1.

24、42 0.63 0.34 20 0 400 3.20 1.89 1.45 0.68 0.42 8/6 21 0 450 3.26 1.98 1.50 0.73 0.50 0 15 645 3.47 2.17 1.67 0.98 0.71 4 0 870 3.68 2.38 1.89 1.14 0.87 6 0 990 60 3.77 2.46 1.98 1.24 0.96 15 1185 3.85 2.54 2.09 1.35 1.06 20 1190 3.60 2.42 9 40 1210 3.45 2.18 0 1230 3.13 1.92 10 40 1270 2.75 1.64 0 1290 2.63 1.55 9/6 11 30 1320 停 泵 2.51 1.47