水文地质参数计算

关于水文地质参数计算§3－1概述一、水文地质参数的种类水文地质参数是表征含水层水理特性的定量指标，是地下水资源评价的重要基础资料。水文地质参数主要包括含水层的渗透系数(k)和导水系数(T)、承压含水层贮水系数(S或μ*)、潜水含水层的给水度(μ)、弱透水层的越流系数(ke)；还有与岩土性质、水文气象等因素有关的指标，主要包括降水入渗系数(a)、潜水蒸发系数(C)等。第2页,共56页，2024年2月25日，星期天1.渗透系数当水力坡度为1时，从单位面积含水层通过的流量。常用m/d表示。渗透系数的大小主要取决于含水层中相连通的空隙的尺度。2.释(储)水系数分为给水度和弹性释水系数。①给水度是指潜水含水层被疏干时，所释出的水体积与该含水层体积之比。②弹性释水系数：承压含水层降低单位水头时，从一单位面积含水层柱体中所释出的水体积与该柱体的体积之比。第3页,共56页，2024年2月25日，星期天二、常用的水文地质参数确定方法水文地质参数的确定,在地下水勘察、开发利用的不同阶段,可以采用不同的方法。1.采用野外抽水试验来测定水文地质参数在勘探阶段或地下水开发利用的初期，通常采用野外抽水试验来测定水文地质参数。但由于抽水试验的数量有限，往往不能代表大面积含水层的情况。2.利用地下水的开采资料和动态观测资料确定水文地质参数在地下水已开发利用,且有较长期的地下水动态观测资料的情况下,常利用地下水的开采资料和动态观测资料确定水文地质参数。用这种方法确定的水文地质参数代表性强，往往比较符合实际。第4页,共56页，2024年2月25日，星期天3.室内试验的方法确定水文地质参数在特定条件下也可以采用室内试验的方法确定某些水文地质参数，但一般与实际情况相差较大。4.采用模拟的方法确定水文地质参数利用模型采用模拟的方法来确定复杂条件下的水文地质参数。如利用数学模型采用数值模拟的方法和电网络模拟法等。5.经验数值法第5页,共56页，2024年2月25日，星期天§3－2利用抽水试验资料确定水文地质参数包括利用稳定流抽水试验资料确定水文地质参数和利用非稳定流抽水试验资料确定水文地质参数两种方法。一、利用稳定流抽水试验资料确定水文地质参数(一)利用裘布依公式确定K1.承压完整井第6页,共56页，2024年2月25日，星期天如果有观测孔时，可用蒂姆公式计算。有两个观测孔时：有一个观测孔时：注意：尽量用蒂姆公式计算。第7页,共56页，2024年2月25日，星期天2.潜水完整井如果有观测孔时，可用蒂姆公式计算。有两个观测孔时：有一个观测孔时：第8页,共56页，2024年2月25日，星期天3.计算参数时应注意的问题(1)消除水跃值影响在利用稳定流抽水试验资料确定渗透系数时，需要消除水跃值的影响，否则计算的K值一般偏小。(2)选择高质量的试验井试验井的滤水结构设计不合理，施工质量不高，如填砾不合规格、洗井不彻底等，势必影响井的出水量或产生过大的水跃值，使计算出的K值偏小。(3)避免混合流的影响抽水试验中，应适当控制抽水降深，以免因流速过大而出现混合流。第9页,共56页，2024年2月25日，星期天观测孔布置示意图第10页,共56页，2024年2月25日，星期天(二)有越流补给时渗透系数K、越流系数Ke的确定确定方法有配线法和直线图解法。1.配线法

基本原理在承压含水层有越流补给的抽水试验中，当越流补给量等于抽水量时，或当抽水时间持续很长时，地下水位下降漏斗达到稳定，就可按越流补给状况下的稳定流计算。其降深s的计算公式为:第11页,共56页，2024年2月25日，星期天因为：对二式两边取对数，得:式中，和是常数。曲线与曲线相似，只是坐标平移了只要能找到坐标平移的距离，即可求得T和B。第12页,共56页，2024年2月25日，星期天

求参步骤a.在双对数纸上，绘制曲线，见下图；b.在另一张模数相同的透明双对数坐标纸上，据观测孔水位降深，绘制s～r曲线；c.将实际资料曲线叠置在标准曲线上，在保证对应坐标平行的条件下，移动坐标纸，直至两曲线重合为止。d.重合好后，在图上任取一点作为匹配点，读出该点的坐标s，r，

代入下列各式中求参数。第13页,共56页，2024年2月25日，星期天第14页,共56页，2024年2月25日，星期天第15页,共56页，2024年2月25日，星期天2.直线图解法有越流时的近似计算公式为：公式表明s与lgr是线性关系。将实测的s取普通坐标，r取对数坐标，作图为直线，其斜率为：第16页,共56页，2024年2月25日，星期天将该直线延长交于r轴，可读出s=0时的r值，设为r0，则有：即：所以：第17页,共56页，2024年2月25日，星期天二、利用非稳定流抽水试验资料确定水文地质参数求解的方法有配线法、直线图解法和水位恢复法。(一)承压含水层1.配线法

包括降深～时间距离配线法、降深～时间配线法和降深～距离配线法三种方法。

降深—时间距离配线法

基本原理Theis公式为：对上式两边取对数，得：第18页,共56页，2024年2月25日，星期天对于同一次定流量抽水右边第二项均为常数,在双对数坐标系内,s～t/r2曲线和W(u)～1/u标准曲线在形状上是相同的,只是纵坐标平移了,横坐标平移了。

将二曲线重合，任选一匹配点，记下对应的坐标值，代入Theis公式可求。

②具体步骤

在双对数坐标纸上绘制W(u)—1/u标准曲线。

在另一张模数相同的透明双对数纸上绘制实测的s—t/r2曲线。

将实际曲线置于标准曲线上,在保持对应坐标轴彼此平行的条件下相对平移,直至两曲线重合为止。第19页,共56页，2024年2月25日，星期天

任取一配点（在曲线上或曲线外均可），记下匹配点的对应坐标：W(u)、1/u、s、t/r2

，代入下式求参数：

第20页,共56页，2024年2月25日，星期天

降深—时间配线法

在双对数坐标纸上绘制W(u)—1/u标准曲线。

在另一张模数相同的透明双对数纸上绘制实测的s—t曲线。

将实际曲线置于标准曲线上，在保持对应坐标轴彼此平行的条件下相对平移，直至两曲线重合为止。

任取一配点（在曲线上或曲线外均可），记下匹配点的对应坐标：W(u)、1/u、s、t，代入下式求参数：

第21页,共56页，2024年2月25日，星期天第22页,共56页，2024年2月25日，星期天配线法的优点：可以充分利用抽水试验获得的全部观测资料，避免了个别资料的偶然误差，提高计算精度。

配线法的缺点：(1)抽水初期实际曲线常与标准曲线不符；(2)当抽水后期曲线比较平缓时，同标准曲线不容易拟合准确，常带有人为误差。因此拟合时尽可能用中部弯曲的线段。

第23页,共56页，2024年2月25日，星期天2.Jacob直线图解法(1)s—lgt/r2直线图解法当u足够小时，可用Jacob式计算可变形为：显然，s与lgt/r2是线性关系。在单对数纸上以t/r2为横坐标,以s为纵坐标,s—lgt/r2为一直线,如下图。直线的斜率为i，则：得：第24页,共56页，2024年2月25日，星期天第25页,共56页，2024年2月25日，星期天(2)s—lgt/r2直线图解法当S=0，有：可得：将截距（t/r2）代入上面式子，得：第26页,共56页，2024年2月25日，星期天(3)s—lgt直线图解法前式还可变为：

直线的斜率为，可得：当S=0时，得截距(t)代入上面式子，得：第27页,共56页，2024年2月25日，星期天直线图解法的优点：既可以避免配线法的随意性，又能充分利用抽水后期的所有资料。注意：Jacob公式的条件是u＜0.01。

因为，所以要求r小，t大。选资料时，要选距抽水井近，且抽水时间长的观测孔资料，画直线时以抽水中、后期的数据为主。否则，抽水时间短，直线斜率小，截距值小，所得的T值偏大，而μ*值偏小。第28页,共56页，2024年2月25日，星期天3.水位恢复法抽水试验曲线如下图。第29页,共56页，2024年2月25日，星期天剩余降深s׳

—原始水位与停抽后某时刻水位之差。

抽水井停抽以前(tp时刻)，抽水井以流量Q抽水；停抽后，处理为以流量Q继续抽水和以流量Q注水的叠加。当t＞tp，时，≤观测孔得剩余降深为：式中：t׳=t-tp第30页,共56页，2024年2月25日，星期天剩余降深s*与lgt/t׳呈线性关系，斜率为：将sp、tp和求得的T代入下式：可得：第31页,共56页，2024年2月25日，星期天(二)潜水含水层

1.配线法

①据表绘制标准曲线，如下图，曲线分A组和B组，作法同前。第32页,共56页，2024年2月25日，星期天②据实测资料，在模数相同的双对数透明纸上绘s～t曲线。③把曲线的后半部分重叠在B组曲线上，保持对应坐标平行，使s～t曲线和B组曲线中的某一曲线最大地重合，记下该曲线的β值，任选一匹配点，读出相应的坐标s、t、sd和ty，代入下式求参数T和μ。

④在A组曲线中选β值相同的那条线，将s～t曲线的前半部分重叠在其上，使其最大程度拟合，任选匹配点，读出相应的坐标和s、t、sd和ts，代入下式求参数T和μ*。第33页,共56页，2024年2月25日，星期天2.直线图解法

①将实测的数据点在单对数纸上，s为普通坐标，t为对数坐标；②后期的曲线应为一直线，得直线斜率iL，代入下式求T。

延长此直线，与t轴交一点，读取时间坐标tL，代入下式求μ。

第34页,共56页，2024年2月25日，星期天(三)有越流补给时水文地质参数的确定

第35页,共56页，2024年2月25日，星期天1.配线法

井流计算公式为：两边取对数，得：由此可看出，lgs～lgt曲线同lgw(u,r/B)～lg1/u曲线的形状相同，只是横、纵坐标平移了，可用配线法求参。第36页,共56页，2024年2月25日，星期天具体步骤：

在双对数坐标纸上绘制W(u,r/B)～(1/u)标准曲线；

在另一张模数相同的透明双对数纸上，点绘s～t实测数据曲线；

在保持对应坐标轴彼此平行的前提下,相对移动两坐标纸,在标准曲线中找最优重合曲线；

两曲线重合后,任选一配点,记下对应的四个坐标值W(u,r/B)、1/u、s、t，代入下式求得：

从曲线上读得r/B，可求得B和(K’/M’)值。

第37页,共56页，2024年2月25日，星期天第38页,共56页，2024年2月25日，星期天§3－3利用地下水动态资料确定水文地质参数利用地下水动态长期观测资料来确定水文地质参数是一种比较经济的方法，并且确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。本节主要介绍给水度、降水入渗系数和潜水蒸发系数的确定方法。第39页,共56页，2024年2月25日，星期天一、确定给水度(μ)根据水均衡原理，可利用达西线性渗透定律求取。利用冬季或较长时间干旱季节的地下水动态观测资料计算,如图所示,阴影部分为计算区域(即均衡域)。有1、2、3三个观测孔，无降雨、无潜水蒸发、人工开采等垂向交换水量，地下水仅以地下径流的方式向下游运动。为便于研究，取单位宽度含水层，根据达西线性渗透定律，则有：第40页,共56页，2024年2月25日，星期天第41页,共56页，2024年2月25日，星期天根据给水度的含义，均衡域内水量变化量为：由水均衡原理，可得：则：如渗透系数为已知，则式中仅给水度为未知量，可求。第42页,共56页，2024年2月25日，星期天如含水层底板为水平时，则含水层厚度(h)同水位(H)数值相等，公式可简化为：第43页,共56页，2024年2月25日，星期天二、降水入渗系数降水是自然界水分循环中最活跃的因子之一，是地下水资源形成的重要组成部分。地下水可恢复资源的多寡是与降水入渗补给量密切相关的。但是,降落到地面的水分不能直接到达潜水面,因为在地面和潜水面中间隔着一个包气带,入渗的水必须在包气带中向下运移才能到达潜水面。(一)降水入渗系数的概念降水入渗系数是指降水渗入量与降水总量的比值，一般用a表示。第44页,共56页，2024年2月25日，星期天a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a值的影响最显著。降水入渗系数可分为次降水入渗系数、年降水入渗系数、多年平均降水入渗系数，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。第45页,共56页，2024年2月25日，星期天不同岩性和降水量的平均年降水入渗系数

岩性P(mm/a)粘土亚粘土亚砂土粉细砂砂卵砾石500～0.020.01～0.050.02～0.070.05～0.110.08～0.121000.01～0.030.02～0.060.04～0.090.07～0.130.10～0.152000.03～0.050.04～0.100.07～0.130.10～0.170.15～0.214000.05～0.110.08～0.150.12～0.200.15～0.230.22～0.306000.08～0.140.11～0.200.15～0.240.20～0.290.26～0.368000.09～0.150.13～0.230.17～0.260.22～0.310.28～0.3810000.08～0.150.14～0.230.18～0.260.22～0.310.28～0.3812000.07～0.140.13～0.210.17～0.250.21～0.290.27～0.3715000.06～0.120.11～0.180.15～0.2218000.05～0.100.09～0.150.13～0.19第46页,共56页，2024年2月25日，星期天(二)降水入渗补给系数的确定方法1.利用地下水位动态资料计算降水入渗系数这种方法适用于地下水位埋藏深度较小的平原区。我国北方平原区地形平缓，地下径流微弱，地下水从降水获得补给，消耗于蒸发和开采。在一次降雨的短时间内，水平排泄和蒸发消耗都很小，可以忽略不计。根据降水过程前后的地下水位观测资料计算潜水含水层的一次降水入渗系数，可采用下式近似计算降水入渗系数：第47页,共56页，2024年2月25日，星期天注意：这种方法的适用条件是几乎没有水平排泄的潜水。在水力坡度大、地下径流强烈的地区，降水入渗补给量不完全反映在潜水面的上升中，而有一部分水从水平方向排泄掉了，则会导致计算的降水入渗系数值偏小。2.直线斜率法根据水均衡原理，有：式中：X为降水量，Y为年总径流深，Z为年蒸发量。第48页,共56页，2024年2月25日，星期天则h～X为直线关系，a为斜率。利用降水和年径流深资料可以求解。三、潜水蒸发系数潜水蒸发是指潜水在土壤水势作用下运移至包气带并蒸发成为水汽的现象。在潜水埋深较小的地区，潜水蒸发是潜水的主要排泄途径，直接影响到潜水位的消退。单位时间的潜水蒸发量称为潜水蒸发强度，潜水蒸发强度的变化既受潜水埋深的制约，又受气象、土壤、植被等因素的影响。第49页,共56页，2024年2月25日，星期天(一)潜水蒸发强度的确定一般采用阿维里扬诺夫公式(1965年)计算，公式为：公式中各指标的确定方法如下：①值的确定

以一定时段(如十日、五日等)为单位，从实测资料中摘出响应的

和,绘制关系曲线,使曲线尾端顺势延长，与

轴相交,可以近似地得到

值。

第50页,共56页，2024年2月25日，星期天这里有两个问题值得注意：

怎样取时段内

值的问题一种方法是取时段始末的均值，这样求出的

值略偏小；另一种方法是取时段末时刻的埋深值。

曲线尾端延长的任意性问题曲线的延长使得

值可能偏大或偏小一点，对蒸发量值影响不大，但宜通过多次综合分析后确定。另外，潜水蒸发极限埋深一方面与土质有关，其次也与作物等因素有关。例如，根据安徽省水利科学研究院五道沟试验场资料，在无作物的条件下，粉质粘土的潜水蒸发极限埋深2.3～2.5m，粉土为4.0m；在有作物条件下，粉质粘土的潜水蒸发极限埋深3.2～3.5m，粉土为5m左右。第51页,共56页，2024年2月25日，星期天②n值的确定前述经验公式可改写为：即：两边取对数，得：以

为纵坐标，

为横坐标，将实测数据

和

点绘在双对数坐标纸上，确定出直线，其斜率即为n值。第52页,共56页，2024年2月25日，星期天(二)潜水蒸发系数潜水蒸发系数是平原地区三水转化关系及水资源评价的一个重要参数。潜水蒸发系数是指潜水蒸发量与水面蒸发量的比值。潜水蒸发量受气象因素影响，并和潜水埋深、包气带岩性、地表植被覆盖情况有关。用如下公式表达：对比阿维里扬诺夫公式，则:第53页,共56页，2024年2月25日，星期天潜水蒸发系数C值表年水面蒸发量（mm）包气带岩性地下水埋深（m）0.51.01.52.0600～1200亚粘土0.01～0.150.08～0.120.06～0.09亚砂土0.21