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水文地質參數

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水文地質參數,是表徵岩土儲存、釋出和輸運水、溶質或熱的特性的定量指標。

1 水文地質參數 -水文地質參數

 

2 水文地質參數 -正文

  表徵岩土儲存、釋出和輸運水、溶質或熱的特性的定量指標。常用的水文地質參數有下列各種:
  有效空隙率 空隙率是指岩土的空隙體積與岩石體積(包括骨架和空隙體積)之比。孔隙、裂隙和岩溶化岩層的空隙率,分別稱為孔隙率、裂隙率和岩溶率(喀斯特率)。然而,對於地下水的儲存、釋出和運動,並非全部空隙都起作用,因此提出有效空隙率的概念。從不同角度賦予有效空隙率以不同涵義。孤立空隙對於地下水的儲存、釋出和運動都是無效的;從這個角度出發,將岩土中相互連通的空隙體積與岩土體積之比稱為有效空隙率。有的文獻將此種涵義的有效空隙率稱為空隙率。飽水岩土在重力作用下釋水時,結合水和部分毛管水所佔據的那部分空隙是不能釋出水的。因此,從釋水角度,有效孔隙率是指重力作用下能夠釋水的那部分空隙體積與岩土體積之比。對於重力地下水的運動來說,結合水所佔據的那部分空隙基本不起作用。這種情況下,有效空隙率是指重力地下水能夠通過的那部分空隙體積(空隙體積減去結合水所佔據的體積)與岩土體積之比。
  含水率 岩土中水的體積與岩土體積(包括固體、水和氣體的體積)之比。在工程地質學中,經常使用重量含水率(含水量),其定義是,岩土中水的重量與岩土重量之比。
  飽和度 岩土中水的體積與空隙體積之比。
  給水度 當潛水位下降一個單位時,單位水平面積自潛水面至地面的柱體中由於重力作用所排出的水的體積。
  持水度 岩土的空隙率或飽和含水率與給水度之差。
  儲水係數 承壓含水層中,當水頭下降(或上升)一個單位時,由於水和介質的變形,單位水平面積含水層柱體所釋放(或儲存)的水的體積,即
            S=Mγ(W+βS)
式中S為承壓含水層的儲水係數,也稱彈性給水度;M為承壓含水層的厚度;γ為水的重率;n為空隙率;βW為水的體積彈性壓縮(或膨脹)係數;βS為岩土的體積彈性壓縮(或膨脹)係數。儲水係數通常用於地下水水平二維承壓流動問題的計算。
  比儲水係數 當水頭下降(或上升)一個單位時,由於水與介質的變形,含水層單位體積所釋放(或儲存)的水的體積。也稱比彈性給水度或儲水率。這個參數通常用於存在垂向分流速的地下水流動問題。
  滲透係數和滲透率 滲透係數是表徵在水力坡度作用下岩土輸運地下水的能力的參數,又稱水力傳導係數(見達西定律)。因此,其數值不僅取決於岩土的特性,同時也與通過岩土的地下水的物理性質有關,即

水文地質參數

式中K為滲透係數;k為岩土的滲透率;γ為地下水的重率;μ為地下水的動力粘滯係數。
  滲透率也稱滲透度,表徵岩土本身輸運流體能力而與流體的性質無關的參數,它僅僅取決於岩土的空隙性(空隙的大小、空隙率、空隙的形狀和空隙的曲折性等)。因此,對於同一種岩土,滲透率是個定值;滲透係數則隨水的物理性質的差異而不同。
  在各向同性的岩土中,滲透率與滲流方向無關;對於各向異性的岩土,滲透率則隨滲流方向而變。
  在非飽和岩土中,滲透係數K和滲透率k為含水率的函數,不是一個定值。
  含水層導水係數 含水層的滲透係數K與厚度M的乘積。表徵含水層的輸水能力。
  在水平二維流動中,當水力坡度I=1時,含水層導水係數在數量上相當於單位寬度流量。
  含水層壓力傳導係數 岩土的滲透係數與比儲水係數之比,即

水文地質參數

式中a為壓力傳導係數;K為滲透係數;SS為比儲水係數。
  對於水平二維承壓運動,壓力傳導係數是含水層導水係數與儲水係數之比,即

水文地質參數

式中T為含水層導水係數;M為承壓含水層厚度;S為承壓含水層儲水係數。
  越流係數 當抽水(或注水)含水層的頂板或(和)底板為弱透水層時,在垂向水頭差作用下,相鄰含水層或(和)頂底板弱透水層中的水就會流入抽水含水層(或者相反,由注水含水層流出),這一現象稱為越流。這種情況下,包括抽水(或注水)含水層、弱透水層和相鄰含水層在內的含水層系,稱為越流系統。在天然條件下,只要越流系統中存在垂向水頭差,就可以發生越流。
  弱透水層的垂向滲透係數(K姟)與該層厚度(M1)之比,稱為越流係數。若弱透水層的釋水量可忽略不計,則越流係數在數值上相當於抽水(或注水)含水層與相鄰含水層的水頭差為1時的越流強度即單位時間通過抽水(或注水)含水層頂面和底面單位面積的水量。
  非飽和岩土的容水度 非飽和岩土中水與空氣的界面上的壓強存在不連續性,這個壓強差稱為毛管壓強。毛管壓強與水的重率之比稱為毛管壓力水頭,簡稱毛管壓頭。非飽和岩土的含水率隨著毛管壓頭的增大而減小。當毛管壓頭降低一個單位時,單位岩土體積所儲存的水量的增量(即含水率的增量)稱為非飽和岩土的容水度,也稱非飽和岩土的比儲水係數。
  非飽和岩土的擴散係數 非飽和岩土的滲透係數與非飽和岩土的容水度之比值。
  水動力彌散係數和岩土彌散度 岩土孔隙中水質點流動速度的大小和方向不等以及分子擴散作用,使得兩種或多種組分流體(例如某種可溶於水的污染組分與地下水)在地下水流中濃度逐漸平均化,這種現象稱水動力彌散。水動力彌散係數是表徵在濃度梯度作用下,某種組分通過岩土的能力的參數。它的大小不僅與岩土的空隙幾何特徵有關,而且也取決於地下水的空隙平均流速和該組分的分子擴散係數。彌散度是描述岩土固有的彌散能力的定量指標,其值只依賴於岩土的空隙幾何特徵。
  岩土等效熱容量 岩土中液相、固相和氣相具有不同的熱容量。若將岩土視為整體,則其整體的引用熱容量稱等效熱容量。對於飽和岩土,其表達式為

水文地質參數

對於非飽和多孔介質為

水文地質參數

式中Ce為岩土等效熱容量;n為孔隙率;ρS為岩土固相的密度;CS為岩土固相的比熱;SW為水相飽和度;ρW為水的密度;CW為水的比熱;ρg為氣相的密度;Cg為氣相的比熱。
  岩土等效導熱係數 飽和岩土中液相和固相具有不同的導熱係數,若將岩土視為整體,則整體的引用導熱係數稱等效導熱係數。它與所取的熱傳導模型有關,對於並聯式傳導模型(假定液相與固相平行傳導而不發生熱交換),則
        λe=nλW+(1-n) λS
對於串聯式傳導模型(假定液相與固相相間傳導,在兩相介面上發生熱交換),則

水文地質參數

式中λe為岩土等效導熱係數;n為孔隙率;λW為水的熱傳導係數;λS為固相的熱傳導係數。
  參考書目
 陳崇希著:《地下水不穩定井流計算方法》,地質出版社,北京,1983。
 J.貝爾著,陳崇希、李競生譯:《多孔介質流體動力學》,中國建築工業出版社,北京,1983。(J. Bear,Dynamics of Fluids inPorous Media, American Elsevier,New York,1972.)

 

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