第三章水文地質(zhì)參數(shù)計算.ppt

第三章水文地質(zhì)參數(shù)的確定方法 3 1概述 3 2利用抽水試驗資料確定水文地質(zhì)參數(shù) 3 3利用地下水動態(tài)資料確定水文地質(zhì)參數(shù) 3 4用室內(nèi)試驗方法確定水文地質(zhì)參數(shù) 3 1概述一 水文地質(zhì)參數(shù)的種類水文地質(zhì)參數(shù)是表征含水層水理特性的定量指標 是地下水資源評價的重要基礎(chǔ)資料 水文地質(zhì)參數(shù)主要包括含水層的滲透系數(shù) k 和導(dǎo)水系數(shù) T 承壓含水層貯水系數(shù) S或 潛水含水層的給水度 弱透水層的越流系數(shù) ke 還有與巖土性質(zhì) 水文氣象等因素有關(guān)的指標 主要包括降水入滲系數(shù) a 潛水蒸發(fā)系數(shù) C 等 1 滲透系數(shù)當(dāng)水力坡度為1時 從單位面積含水層通過的流量 常用m d表示 滲透系數(shù)的大小主要取決于含水層中相連通的空隙的尺度 2 釋 儲 水系數(shù)分為給水度和彈性釋水系數(shù) 給水度是指潛水含水層被疏干時 所釋出的水體積與該含水層體積之比 彈性釋水系數(shù) 承壓含水層降低單位水頭時 從一單位面積含水層柱體中所釋出的水體積與該柱體的體積之比 二 常用的水文地質(zhì)參數(shù)確定方法水文地質(zhì)參數(shù)的確定 在地下水勘察 開發(fā)利用的不同階段 可以采用不同的方法 1 采用野外抽水試驗來測定水文地質(zhì)參數(shù)在勘探階段或地下水開發(fā)利用的初期 通常采用野外抽水試驗來測定水文地質(zhì)參數(shù) 但由于抽水試驗的數(shù)量有限 往往不能代表大面積含水層的情況 2 利用地下水的開采資料和動態(tài)觀測資料確定水文地質(zhì)參數(shù)在地下水已開發(fā)利用 且有較長期的地下水動態(tài)觀測資料的情況下 常利用地下水的開采資料和動態(tài)觀測資料確定水文地質(zhì)參數(shù) 用這種方法確定的水文地質(zhì)參數(shù)代表性強 往往比較符合實際 3 室內(nèi)試驗的方法確定水文地質(zhì)參數(shù)在特定條件下也可以采用室內(nèi)試驗的方法確定某些水文地質(zhì)參數(shù) 但一般與實際情況相差較大 4 采用模擬的方法確定水文地質(zhì)參數(shù)利用模型采用模擬的方法來確定復(fù)雜條件下的水文地質(zhì)參數(shù) 如利用數(shù)學(xué)模型采用數(shù)值模擬的方法和電網(wǎng)絡(luò)模擬法等 5 經(jīng)驗數(shù)值法 3 2利用抽水試驗資料確定水文地質(zhì)參數(shù)包括利用穩(wěn)定流抽水試驗資料確定水文地質(zhì)參數(shù)和利用非穩(wěn)定流抽水試驗資料確定水文地質(zhì)參數(shù)兩種方法 一 利用穩(wěn)定流抽水試驗資料確定水文地質(zhì)參數(shù) 一 利用裘布依公式確定K1 承壓完整井 如果有觀測孔時 可用蒂姆公式計算 有兩個觀測孔時 有一個觀測孔時 注意 盡量用蒂姆公式計算 2 潛水完整井 如果有觀測孔時 可用蒂姆公式計算 有兩個觀測孔時 有一個觀測孔時 3 計算參數(shù)時應(yīng)注意的問題 1 消除水躍值影響在利用穩(wěn)定流抽水試驗資料確定滲透系數(shù)時 需要消除水躍值的影響 否則計算的K值一般偏小 2 選擇高質(zhì)量的試驗井試驗井的濾水結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理 施工質(zhì)量不高 如填礫不合規(guī)格 洗井不徹底等 勢必影響井的出水量或產(chǎn)生過大的水躍值 使計算出的K值偏小 3 避免混合流的影響抽水試驗中 應(yīng)適當(dāng)控制抽水降深 以免因流速過大而出現(xiàn)混合流 觀測孔布置示意圖 二 有越流補給時滲透系數(shù)K 越流系數(shù)Ke的確定確定方法有配線法和直線圖解法 1 配線法 基本原理在承壓含水層有越流補給的抽水試驗中 當(dāng)越流補給量等于抽水量時 或當(dāng)抽水時間持續(xù)很長時 地下水位下降漏斗達到穩(wěn)定 就可按越流補給狀況下的穩(wěn)定流計算 其降深s的計算公式為 因為 對二式兩邊取對數(shù) 得 式中 和是常數(shù) 曲線與曲線相似 只是坐標平移了只要能找到坐標平移的距離 即可求得T和B 求參步驟a 在雙對數(shù)紙上 繪制曲線 見下圖 b 在另一張模數(shù)相同的透明雙對數(shù)坐標紙上 據(jù)觀測孔水位降深 繪制s r曲線 c 將實際資料曲線疊置在標準曲線上 在保證對應(yīng)坐標平行的條件下 移動坐標紙 直至兩曲線重合為止 d 重合好后 在圖上任取一點作為匹配點 讀出該點的坐標s r 代入下列各式中求參數(shù) 2 直線圖解法有越流時的近似計算公式為 公式表明s與lgr是線性關(guān)系 將實測的s取普通坐標 r取對數(shù)坐標 作圖為直線 其斜率為 將該直線延長交于r軸 可讀出s 0時的r值 設(shè)為r0 則有 即 所以 二 利用非穩(wěn)定流抽水試驗資料確定水文地質(zhì)參數(shù)求解的方法有配線法 直線圖解法和水位恢復(fù)法 一 承壓含水層1 配線法包括降深 時間距離配線法 降深 時間配線法和降深 距離配線法三種方法 降深 時間距離配線法 基本原理Theis公式為 對上式兩邊取對數(shù) 得 對于同一次定流量抽水右邊第二項均為常數(shù) 在雙對數(shù)坐標系內(nèi) s t r2曲線和W u 1 u標準曲線在形狀上是相同的 只是縱坐標平移了 橫坐標平移了 將二曲線重合 任選一匹配點 記下對應(yīng)的坐標值 代入Theis公式可求 具體步驟 在雙對數(shù)坐標紙上繪制W u 1 u標準曲線 在另一張模數(shù)相同的透明雙對數(shù)紙上繪制實測的s t r2曲線 將實際曲線置于標準曲線上 在保持對應(yīng)坐標軸彼此平行的條件下相對平移 直至兩曲線重合為止 任取一配點 在曲線上或曲線外均可 記下匹配點的對應(yīng)坐標 W u 1 u s t r2 代入下式求參數(shù) 降深 時間配線法 在雙對數(shù)坐標紙上繪制W u 1 u標準曲線 在另一張模數(shù)相同的透明雙對數(shù)紙上繪制實測的s t曲線 將實際曲線置于標準曲線上 在保持對應(yīng)坐標軸彼此平行的條件下相對平移 直至兩曲線重合為止 任取一配點 在曲線上或曲線外均可 記下匹配點的對應(yīng)坐標 W u 1 u s t 代入下式求參數(shù) 配線法的優(yōu)點 可以充分利用抽水試驗獲得的全部觀測資料 避免了個別資料的偶然誤差 提高計算精度 配線法的缺點 1 抽水初期實際曲線常與標準曲線不符 2 當(dāng)抽水后期曲線比較平緩時 同標準曲線不容易擬合準確 常帶有人為誤差 因此擬合時盡可能用中部彎曲的線段 2 Jacob直線圖解法 1 s lgt r2直線圖解法當(dāng)u足夠小時 可用Jacob式計算可變形為 顯然 s與lgt r2是線性關(guān)系 在單對數(shù)紙上以t r2為橫坐標 以s為縱坐標 s lgt r2為一直線 如下圖 直線的斜率為i 則 得 2 s lgt r2直線圖解法當(dāng)S 0 有 可得 將截距 t r2 代入上面式子 得 3 s lgt直線圖解法前式還可變?yōu)?直線的斜率為 可得 當(dāng)S 0時 得截距 t 代入上面式子 得 直線圖解法的優(yōu)點 既可以避免配線法的隨意性 又能充分利用抽水后期的所有資料 注意 Jacob公式的條件是u 0 01 因為 所以要求r小 t大 選資料時 要選距抽水井近 且抽水時間長的觀測孔資料 畫直線時以抽水中 后期的數(shù)據(jù)為主 否則 抽水時間短 直線斜率小 截距值小 所得的T值偏大 而 值偏小 3 水位恢復(fù)法抽水試驗曲線如下圖 剩余降深s 原始水位與停抽后某時刻水位之差 抽水井停抽以前 tp時刻 抽水井以流量Q抽水 停抽后 處理為以流量Q繼續(xù)抽水和以流量Q注水的疊加 當(dāng)t tp 時 觀測孔得剩余降深為 式中 t t tp 剩余降深s 與lgt t 呈線性關(guān)系 斜率為 將sp tp和求得的T代入下式 可得 二 潛水含水層 1 配線法 據(jù)表繪制標準曲線 如下圖 曲線分A組和B組 作法同前 據(jù)實測資料 在模數(shù)相同的雙對數(shù)透明紙上繪s t曲線 把曲線的后半部分重疊在B組曲線上 保持對應(yīng)坐標平行 使s t曲線和B組曲線中的某一曲線最大地重合 記下該曲線的 值 任選一匹配點 讀出相應(yīng)的坐標s t sd和ty 代入下式求參數(shù)T和 在A組曲線中選 值相同的那條線 將s t曲線的前半部分重疊在其上 使其最大程度擬合 任選匹配點 讀出相應(yīng)的坐標和s t sd和ts 代入下式求參數(shù)T和 2 直線圖解法 將實測的數(shù)據(jù)點在單對數(shù)紙上 s為普通坐標 t為對數(shù)坐標 后期的曲線應(yīng)為一直線 得直線斜率iL 代入下式求T 延長此直線 與t軸交一點 讀取時間坐標tL 代入下式求 三 有越流補給時水文地質(zhì)參數(shù)的確定 1 配線法井流計算公式為 兩邊取對數(shù) 得 由此可看出 lgs lgt曲線同lgw u r B lg1 u曲線的形狀相同 只是橫 縱坐標平移了 可用配線法求參 具體步驟 在雙對數(shù)坐標紙上繪制W u r B 1 u 標準曲線 在另一張模數(shù)相同的透明雙對數(shù)紙上 點繪s t實測數(shù)據(jù)曲線 在保持對應(yīng)坐標軸彼此平行的前提下 相對移動兩坐標紙 在標準曲線中找最優(yōu)重合曲線 兩曲線重合后 任選一配點 記下對應(yīng)的四個坐標值W u r B 1 u s t 代入下式求得 從曲線上讀得r B 可求得B和 K M 值 3 3利用地下水動態(tài)資料確定水文地質(zhì)參數(shù)利用地下水動態(tài)長期觀測資料來確定水文地質(zhì)參數(shù)是一種比較經(jīng)濟的方法 并且確定參數(shù)的范圍比前者更為廣泛 可以求出一些用抽水試驗不能求得的一些參數(shù) 本節(jié)主要介紹給水度 降水入滲系數(shù)和潛水蒸發(fā)系數(shù)的確定方法 一 確定給水度 根據(jù)水均衡原理 可利用達西線性滲透定律求取 利用冬季或較長時間干旱季節(jié)的地下水動態(tài)觀測資料計算 如圖所示 陰影部分為計算區(qū)域 即均衡域 有1 2 3三個觀測孔 無降雨 無潛水蒸發(fā) 人工開采等垂向交換水量 地下水僅以地下徑流的方式向下游運動 為便于研究 取單位寬度含水層 根據(jù)達西線性滲透定律 則有 根據(jù)給水度的含義 均衡域內(nèi)水量變化量為 由水均衡原理 可得 則 如滲透系數(shù)為已知 則式中僅給水度為未知量 可求 如含水層底板為水平時 則含水層厚度 h 同水位 H 數(shù)值相等 公式可簡化為 二 降水入滲系數(shù) 降水是自然界水分循環(huán)中最活躍的因子之一 是地下水資源形成的重要組成部分 地下水可恢復(fù)資源的多寡是與降水入滲補給量密切相關(guān)的 但是 降落到地面的水分不能直接到達潛水面 因為在地面和潛水面中間隔著一個包氣帶 入滲的水必須在包氣帶中向下運移才能到達潛水面 一 降水入滲系數(shù)的概念降水入滲系數(shù)是指降水滲入量與降水總量的比值 一般用a表示 a值的大小取決于地表土層的巖性和土層結(jié)構(gòu) 地形坡度 植被覆蓋以及降水量的大小和降水形式等 一般情況下 地表土層的巖性對a值的影響最顯著 降水入滲系數(shù)可分為次降水入滲系數(shù) 年降水入滲系數(shù) 多年平均降水入滲系數(shù) 它隨著時間和空間的變化而變化 降水入滲系數(shù)是一個無量綱系數(shù) 其值變化于0 1之間 不同巖性和降水量的平均年降水入滲系數(shù) 二 降水入滲補給系數(shù)的確定方法 1 利用地下水位動態(tài)資料計算降水入滲系數(shù)這種方法適用于地下水位埋藏深度較小的平原區(qū) 我國北方平原區(qū)地形平緩 地下徑流微弱 地下水從降水獲得補給 消耗于蒸發(fā)和開采 在一次降雨的短時間內(nèi) 水平排泄和蒸發(fā)消耗都很小 可以忽略不計 根據(jù)降水過程前后的地下水位觀測資料計算潛水含水層的一次降水入滲系數(shù) 可采用下式近似計算降水入滲系數(shù) 注意 這種方法的適用條件是幾乎沒有水平排泄的潛水 在水力坡度大 地下徑流強烈的地區(qū) 降水入滲補給量不完全反映在潛水面的上升中 而有一部分水從水平方向排泄掉了 則會導(dǎo)致計算的降水入滲系數(shù)值偏小 2 直線斜率法根據(jù)水均衡原理 有 式中 X為降水量 Y為年總徑流深 Z為年蒸發(fā)量 則h X為直線關(guān)系 a為斜率 利用降水和年徑流深資料可以求解 三 潛水蒸發(fā)系數(shù)潛水蒸發(fā)是指潛水在土壤水勢作用下運移至包氣帶并蒸發(fā)成為水汽的現(xiàn)象 在潛水埋深較小的地區(qū) 潛水蒸發(fā)是潛水的主要排泄途徑 直接影響到潛水位的消退 單位時間的潛水蒸發(fā)量稱為潛水蒸發(fā)強度 潛水蒸發(fā)強度的變化既受潛水埋深的制約 又受氣象 土壤 植被等因素的影響 一 潛水蒸發(fā)強度的確定一般采用阿維里揚諾夫公式 1965年 計算 公式為 公式中各指標的確定方法如下 值的確定以一定時段 如十日 五日等 為單位 從實測資料中摘出響應(yīng)的和 繪制關(guān)系曲線 使曲線尾端順勢延長 與軸相交 可以近似地得到值 這里有兩個問題值得注意 怎樣取時段內(nèi)值的問題一種方法是取時段始末的均值 這樣求出的值略偏小 另一種方法是取時段末時刻的埋深值 曲線尾端延長的任意性問題曲線的延長使得值可能偏大或偏小一點 對蒸發(fā)量值影響不大 但宜通過多次綜合分析后確定 另外 潛水蒸發(fā)極限埋深一方面與土質(zhì)有關(guān) 其次也與作物等因素有關(guān) 例如 根據(jù)安徽省水利科學(xué)研究院五道溝試驗場資料 在無作物的條件下 粉質(zhì)粘土的潛水蒸發(fā)極限埋深2 3 2 5m 粉土為4 0m 在有作物條件下 粉質(zhì)粘土的潛水蒸發(fā)極限埋深3 2 3 5m 粉土為5m左右 n值的確定前述經(jīng)驗公式可改寫為 即 兩邊取對數(shù) 得 以為