专门水文地质学 06 水文地质参数的计算

水文地质参数的计算概述给水度渗透系数和导水系数降水入渗补给系数和潜水蒸发强度灌溉入渗补给系数（自学）水动力弥散系数概述1、水文地质参数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。概述3、参数确定的主要方法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；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。水文地质参数的计算概述给水度渗透系数和导水系数降水入渗补给系数和潜水蒸发强度灌溉入渗补给系数（自学）水动力弥散系数1、概念

给水度（μ）是表征潜水含水层给水能力的一个重要指标，在数值上等于单位面积的岩层柱体，当潜水位下降一个单位时，在重力作用下自由排出的体积含水量（贝尔）。2、影响因素饱水带的岩性、排水时间、潜水埋深、水位变化幅度等。给水度的确定方法思考：比较粘土、砂土的孔隙度、饱和含水量、给水度和持水度！3、确定给水度的常用方法有：（1）室内参数测定法装样：最好原状试样；扰动试样要分层装，每装3—5cm厚时，均用捣棒轻击数次，并测定试样的容重使其结果尽量符合实地的状态。重复上述过程直至试样与土柱仪筒口一样高为止。饱水：打开供水夹，向土柱中充水。待试样表面出观水膜时立即停止供水；量测并记录饱和干燥试样所用的水体积Vn。释水：充分饱水后，打开排水夹开始释水，排尽土柱仪中自由重力水，采用量杯量测并记录所排出的水体积Vw。给水度的确定方法给水度的确定方法筒测法装置示意图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—法兰盘思考：与室内测定法相比，筒测法的优势在哪里？（2）根据抽水前后包气带上层天然湿度的变化来确定μ值据包气带中非饱和水流的运移和分带规律知，抽水前包气带内土层的天然湿度分布应如图中的oacd线所示。抽水后，潜水面由A下降到B（下降水头高度为己Δh），故毛细水带将下移，由aa’段下移至bb’段，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。给水度的确定方法θszw按水均衡原理，抽水前后包气带内湿度（含水量）之差（阴影面积），应等于潜水位下降Δh时包气带（主要是水位下降带）所给出之水量（μΔh），即：故给水度：式中：ΔZi––––包气带湿度测定分段长度(空间步长)；Δh––––抽水产生的潜水面下移深度（水位降深）；W1i，W2i––––抽水前后ΔZi段内的土层天然湿度（含水量）；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（中子仪）在钻孔中直接测定土层的含水量。给水度的确定方法

（3）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（一维流），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，然后根据水位动态观测资料，按下式计算μ值：给水度的确定方法式中：h1,t，h2,t，h3,t––––1，2，3号观测孔t时刻水位;Δh2––––Δt时段内2号孔水位变幅；ω––––垂向流入和流出量之和；K––––渗透系数；Δx––––观测孔间距（空间步长）；Δt––––时间步长。水文地质参数的计算概述给水度渗透系数和导水系数降水入渗补给系数和潜水蒸发强度灌溉入渗补给系数（自学）水动力弥散系数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。渗透系数和导水系数的概念室内试验法渗透系数和导水系数的确定方法3、参数确定的主要方法

利用达西定律计算岩层的渗透系数。

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，由抽水孔水位下降资料求渗透系数（1）当Q～s关系曲线呈直线

1）承压水完整孔：

渗透系数和导水系数的确定方法计算法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

渗透系数和导水系数的确定方法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，渗透系数和导水系数的确定方法（2）当Q～s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～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。渗透系数和导水系数的确定方法2、多孔稳定流抽水试验，由观测孔水位下降资料求渗透系数

若观测孔中的值s在s～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：渗透系数和导水系数的确定方法水文地质参数的计算概述给水度渗透系数和导水系数降水入渗补给系数和潜水蒸发强度灌溉入渗补给系数（自学）水动力弥散系数

降水入渗补给系数α是指降水渗入量与降水总量的比值，α值的大小取决于地表土层的岩性和土层结构、地形坡度、植被覆盖以及降水量的大小和降水形式等，一般情况下，地表土层的岩性对α值的影响最显著。降水入渗系数可分为次降水入渗补给系数、年降水入渗补给系数、多年平均降水入渗补给系数，它随着时间和空间的变化而变化。降水入渗系数是一个无量纲系数，其值变化于0～1之间。降水入渗补给系数的概念

潜水蒸发是在热力作用下水分从潜水面上升到土壤表面进入大气的过程。在浅水埋藏较浅的地区，潜水蒸发量很大，在地下水平衡中是主要支出项。

潜水蒸发量与蒸发强度、地下水埋深、土壤质地和气候条件等有密切关系。蒸发强度主要决定于水分蒸发能力，潜水埋藏深度决定水分输送到地面的距离，土壤质地决定毛细管上升高度，即水分输送的高度。当地下水位埋藏深度达到一定深度时，潜水蒸发量将减少到很小或接近于零。该深度称为潜水的极限蒸发深度。

潜水蒸发强度的概念1．地中渗透仪（或蒸渗仪lysimeter）测定法

这是较老但又是唯一可直接测到降水入渗补给量和潜水蒸发量的方法。整个装置由左方的地中渗透计、右方的给水观测装置构成。地中渗透计的圆筒内装有均衡地段的标准土柱，土柱下方为砂砾和滤网组成的外滤层。给水观测部分由供水（盛水）用的有刻度的马利奥特瓶和控制地中渗透计筒内水位高度的盛水漏斗及量简组成。两部分以导水管连结，将两端构成统一的连通管。降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法其工作原理如下：首先调整盛水漏斗的高度，使漏斗中的水面与渗透计中的设计地下水面（相当潜水埋深）保持在同一高度上。当渗透计中的土柱接受降水入渗和凝结水补给时，其补给水量将会通过连通管和水管流入量筒内，可直接读出补给水量；当土柱内的水面产生蒸发时，便可由漏斗供给水量，再从马利奥特瓶读出供水水量（此即潜水蒸发消耗量）。在测定凝结补给量时，应在该渗透计上方加棚，以隔离降水。此法装置可用多个不同岩性和不同水位埋深的土柱，分别观测其降水补给和蒸发值。本方法缺陷是，很难如实模拟天然的入渗补给条件，故其结果的可靠性有时值得商榷。思考：地中渗透仪测得降雨入渗补给系数的结果是偏大还是偏小？降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法2．零通量面法

包气带土壤水分运动所遵循的基本规律是非饱和水流运动的达西定律（Darcy’slaw或Richardsequation）和质量守恒原理（conservationofmass）。在实际应用中，可以直接应用达西定律和质量守恒原理分析或解决水量均衡问题。

田间土壤水分运动，可近似视为一维垂向的流动。于是，连续方程可简化为：土壤含水率的分布θ（z，t）在田间可用中子测水仪（或其他方法）监测。若测得某一断面z*处的土壤水分运动通量q（z*）（单位时间，通过单位面积的量：cm3/cm2·s）或单位面积上的水量Q（z*）（通量已知的断面），土壤中任一断面z处的通量q（z）及单位面积上的水量Q（z）（通量未知的断面）便可由上式计算出。确定某一断面z*处的通量，主要应用达西定律，其方法有零通量面法、表面通量法和定位通量法，统称为土壤水分运动通量法。降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法土壤水的重力势ψg由垂直坐标z决定，若用负压计测得土壤剖面各点的基质势ψm，则可得到总水势ψ＝ψm＋z的分布。土壤中任一点的土壤水分通量由达西定律给出。当水势梯度为零时，该处的通量，则称该处的水平面为零通量面ZFP（zerofluxplane），位置记为z0。降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法土壤剖面中出现零通量面时，可根据水势的分布特点，区分为以下几种类型：a．单一聚合型零通量面。若在降雨（或灌溉）前，土壤长期处于蒸发状态，上层土壤的水分只由潜水补给，水分自下而上在土壤中运移，水势ψ自潜水面向上是逐渐减小的。在连续降雨过程中，由于水分不断入渗，上部土壤的水势ψ将随之增加。如果水分的入渗尚未对下部的土壤产生明显的影响。在此情况下，土壤中某处水势ψ出现最小值。该处，即为零通量面ZFP，也可视其为入渗前锋面。由于这种情况下土壤水分由上下两侧向零通量面处迁移，故称为聚合型。降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法b．单一发散型零通量面。当降雨停止且入渗锋面已下移到潜水面以后，上部土壤开始蒸发，水分自下向上迁移。与此同时，下部土壤水分继续处于向下入惨状态。在此情况下，土壤中某处水势达最大值，该处，即为零通量面ZFP。由于这种情况下土壤水分自零通量面处分别向上、向下运动，故称为发散型。降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法c．具有多个零通量面。发生在间隔降雨、入渗和蒸发交替出现的情况下，具有多个零通量面。降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法零通量面的位置不变时：

i．地表处蒸发量：ii.潜水蒸发量

当零通量面存在时，该断面即为通量已知的断面z*。若由t1至t2这一时段内（Δt），零通量面的位置不变，测得t1和t2时刻的土壤含水率θ（z，t1）和θ（z，t2）。可计算出Δt时段内任一断面处单位面积上所流过的土壤水的水量Q（z）。如果只是为了监测潜水的入渗补给量或蒸发消耗量，则可将定位点选在邻近潜水面处。由于潜水面以上一定范围内含水率变化很小，故定位点处测得的通量便可近似为潜水面处的通量。因此，可不必进行土壤剖面含水率的测定，此方法变得更为简单。通量法的优点：由于该方法仅以钻孔中子水分仪测定的土壤含水率为依据，故与地中渗透仪法相比，成本较低，可在多处设点观测。所测值的精度比经验公式和动态观测法要高。降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法3．近似计算法（入渗系数法）近似计算降水入渗补给量的方法很多，大多数的近似计算法是首先计算出某些时段和典型地段的降水入渗系数，再推广到计算出全年或全区的降水入渗补给量（或蒸发量）。降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法①根据次降水量引起的潜水水位动态变化Δh计算大气降水入渗系数α。对于地下径流滞缓、水位埋藏不深的平原区，降水入渗和蒸发消耗将是引起潜水面上升或下降的最主要影响因素。因此，可以根据次降水量（Pi）引起的潜水位上升幅度（Δh）和水位变动带的给水度（μ），近似计算出大气降水的入渗系数（α）：根据不同降水强度的次降水量算得的降水入渗系数，取其平均值（或加权平均值），再乘以全年的降水量（或有效降水量，即有入渗补给意义的次降水量之和），即得到全年的大气降水入渗补给总量。降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法②根据全排型泉水流量计算大气降水入渗补给量在某些丘陵山区（特别是干旱半干旱的岩溶区），当降水是地下水的唯一补给源，泉水是唯一的排泄方式时（地下水的蒸发量、储存量变化量可忽略不计），泉水的年流量总和近似等于降水的年入渗补给量。因此，取其泉水年总流量与该泉域内大气降水总量的比值，即为该泉域的大气降水入渗系数值（α）。如再将该泉域的α值用到地质一水文地质条件类似的更大区域，即可得到大区域的降水入渗补给量。同理，对于某些封闭型的水文地质单元，当降水是地下水唯一补给源，而地下水的开采量（最大降深的稳定开采量）又已达到极限（其他地下水消耗量可忽略）时，其年开采总量（近似等于地下水补给量）除以该水文地质单元的年总降水量，亦可得出该水文地质单元的大气降水入渗系数（α）。也可推广到条件类似的更大区域，进行降水入渗总量的计算。降水入渗补给系数和潜水蒸发强度确定的确定方法4．潜水蒸发量计算的经验公式法目前，国内外计算潜水蒸