《水文地质学基础》实验实习.docx
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《水文地质学基础》实验实习
水文水资源专业
实验讲义
李泉
长安大学水文水资源实验室
前言
《水文地质学基础》实验实习讲义是根据《水文地质学基础》教学大纲要求和紧密联系现用教材内容并结合兄弟院校同类专业教学资料编写的。
它适用于水文与水资源工程、环境工程、土木工程、资源勘查、勘查技术与工程等专业。
本讲义由两大部分组成,其中实验部分包括松散岩石孔隙度、给水度和持水度测定;岩石渗透系数的实验室测定和毛细水上升高度测定。
同时配备有各相应实验的多媒体影视教学光盘。
使学生实验前能够进一步熟悉和了解整个过程,避免了实验操作的盲目性;实习部分包括编制潜水等水位线图及水位埋藏深度图、编制承压水等水压线图、水化学分析资料整理、岩溶及岩溶水的发育规律和读水文地质图。
所有实习中除介绍了各种图件和资料的编制、整理、分析和判读方法外,还附有结合生产、科研实践相应的练习题,以使学生进一步加深对水文抛质基本概念、图件信息和科学工作的认识,培养其动手能力。
本实验实习讲义是在多年教学实验经验基础上，征求水文与水资源工程教研室多位长期从事本课程教学的主讲教师的意见,最后由曹继星高级工程师和刘金峰副教授总结编写的。
其中难免有不妥之处,届时恳请广大师生读者予以批评指正。
编者
2004.9
实验（实习）规则
实验部分
实验一岩石容水度、给水度、持水度的测定0
实验二岩石渗透系数的实验室测定0
实验三砂土的毛细上升高度的测定——卡明斯基管观测法5
实验四粘性土的毛细上升高度的测定——卡明斯基毛细仪法0
实验五计算机模拟地下水流动演示0
实习部分
实习一编制潜水等水位线图5
实习二编制承压水等水压线图0
实习三达西定律的物理实质及其应用0
实习四水化学分析资料整理0
实习五岩溶及岩溶水的发育规律0
实习六读水文地质图0
实验（实习）规则
1．实验（实习）前必须认真预习，明确目的、要求，了解内容、步骤及有关原理、方法。
2．实验（实习）中听从教师指导。
认真操作，细心观察，及时记录；积极思考，主动讨论，培养综合分析问题的能力。
3．实验（实习）结束后，按要求整理好仪器和样品。
实事求是地整理原始资料，按时完成并提交实验（实习）报告。
实验部分
实验一岩石容水度、给水度、持水度的测定
岩石空隙既是地下水的储存场所，又是地下水的运动通道。
因此岩石的空隙性决定着地下水的储存、运动及分布特点，所以研究地下水首先要测定地岩石的空隙性与水分存储和运移有关的岩石水理性质。
一、实验目的
1．加深理解松散岩石的孔隙度、给水度和持水度的概念。
2．熟练掌握实验室测定孔隙度、给水度和持水度的方法。
二、实验内容
1．熟悉给水度仪并对仪器进行标定。
2．测定三种松散岩石试样的孔隙度、给水度和持水度。
三、实验仪器和用品
1．给水度仪（图1-1）。
2．十二指肠减压器，或大号吸耳球，用以抽吸气体。
3．量筒（25ml）和胶头滴管。
4．松散岩石试样：
砾石（粒径为5～10mm，大小均匀，磨圆好）；砂（粒径为
0.45mm～0.6mm）；砂砾混合样（指把上述砂样完全充填进砾石样的孔隙中得到的一种新试样）。
四、实验室准备工作
1．标定透水石的负压值
透水石是用一定直径的砂质颗粒均匀胶结成的多孔板。
透水石的负压值是指在气、液、固三相介质界面上形成的弯液面产生的附加表面压强。
标定方法如下：
首先，饱和透水石并使试样筒底部漏斗充满水（最好用去气水，即通过加热或蒸馏的方法去掉水中部分气体后的水）。
具体做法是：
将试样筒与底部漏斗一起从开关a处卸下（见图1-1），浸没于水中并倒置，将漏斗管口与十二指肠减压器抽气管连接，抽气使透水石饱水，底部漏斗全充满水。
用弹簧夹在水中封闭底部漏斗管，倒转试样筒，将装有水（可以不满）的试样筒放回支架。
同时打开a、b两开关，在两管口同时流水的情况下连接塑料管。
关闭a、b开关，倒去试样筒中剩余的水，将A滴定管液面调至零刻度，并与透水石底面水平。
图1-1给水度仪装置图图1-2退水时给水度仪安置示意图
1—装样筛；2—筛板；3—试样筒；1—H为三通管液面到透水石第面的距离；
4—透水石；5—固定连接板；2—三通管液面
6—试样筒底部漏斗；7—弹簧夹；
8—硬塑料管；9—滴管；10—三通管
第二步，测定透水石的负压值。
打开a、b开关，缓慢降低A滴定管，同时注意观测其液面的变化。
当滴定管液面突然上升时，立刻关闭b开关。
此时滴定管液面到透水石底面的高度就是透水石的负压值。
反复测定几次，选其中最小数值（指绝对值）作为实验仪器所采用的负压值。
2．标定试样筒的容积
将试样筒装满水，用量筒或滴定管测出所装水的体积即为试样筒的容积。
五、实验步骤
1．连接：
将试样筒与滴定管装满水，同时打开a、b两开关，在两管口同时流水的情况下连接塑料管。
关闭a、b开关，倒去试样筒中剩余的水。
2．检查：
试样筒与滴定管连接之后，检查仪器底部漏斗是否有气泡，如有气泡先要参照实验室准备工作中第1点进行排气，然后重复第1步。
3．装样：
装样前，将A滴定管液面调到零刻度，关闭a、b开关，用干布把试样筒内壁擦干（注意不要将干布接触透水石）。
装砾石样和砂样时，不用安装装样筛，直接将试样逐次倒入试样筒并轻振试样筒以保证试样密实，直至与试样筒口平齐。
装砂砾混合样时，先按上述方法把砾石装满，再安装装样筛，将砂样从装样筛中漏入，直至完全充填砾石样孔隙。
4．测定孔隙度
适当抬高滴定管，使其液面略高于试样筒口。
打开a、b开关（同时用手表计时），用b开关控制进水速度。
试样饱水后立即关闭b开关。
记下A滴定管进水量及饱水累计时间，填入附表一。
进水量（体积）与试样筒容积之比就是这种试样的孔隙度。
5．测定给水度
将A滴定管加满水并装上三通管。
用胶头滴管调整三通管液面（如图1～2）。
将B滴定管初始刻度调至100m1处。
同时降低A、B滴定管后，打开b开关，使从试样中退出的水沿三通管进入B滴定管。
退水过程中，三通管液面到透水石底面的距离不得大于透水石的选用负压值。
退水终止后，将退水量和累计退水时间记入表1。
退水量（体积）与试样体积之比就是试样的给水度。
6．重复上述3、4、5步骤，测定另两种试样的孔隙度和给水度（也可以分组测定不同试样，各组交换实验记录）。
六、实验成果
1．完成实验报告表（附表一）。
2．回答下列问题：
（1）从试样中退出的水是什么形式的水？
退水结束后，试样中保留的水是什么形式的水？
（2）根据实验结果，分析比较松散岩石的孔隙度、给水度、持水度与粒径和分选的关系。
实验一实验报告表
仪器编号：
式样体积：
透水石选用负压值：
cm3
试样名称
粒径
（mm）
进水量（mL）
累计饱水时间（min）
退水量
（mL）
累计退水时间（min）
孔隙度
（%）
给水度
（%）
给水度
（%）
备注
报告人班号组号同组成员
实验日期年月日
实验二岩石渗透系数的实验室测定
渗透是地下水流经多孔介质的一种运动形式。
渗透系数是表征多孔岩石透水性能和与地下水运动有关的物理状态的一个参数，它是研究有关地下水在岩石空隙中渗透时的重要水理性质指标，也是进行各种水文地质计算的重要参数。
测定渗透系数的方法：
野外测定方法——抽水、渗水、压水等试验；
室内测定方法——达尔西仪、戚姆仪、卡明斯基管等试验方法。
野外测定渗透系数的方法能够比较客观的反映当时实际，精确度较高，但成本也较高。
室内测定渗透系数的方法是选择野外一些代表点，取扰动土样，然后在室内用仪器进行试验，由于扰动土样与实际土之间差异较大，因此所测定的数据与实际数据之间也存在着差距。
但是实验参数精读要求与工程要求相对应，我们无论做什么项目都有方案比选，但工程对精读要求不高时，室内测定成为我们的首选，因为它的成本较低适合用于这样的工程或了解地区岩石的渗透能力等项目。
一、实验目的
1．验证达西定律。
2．岩石渗透系数K是地下水运动的重要参数，掌握渗透系数的室内测定方法。
3．了解野外实地中K值的测定方法。
二、实验原理
地下水在含水层中呈层流状态运动时，单位时间通过过水断面面积的流量为：
Q=KIω,式中
Q——通过岩石（土）的水量（厘米3/秒）；
K——岩石的渗透系数（厘米/秒）；
ω——岩石的过水断面面积（厘米2）；
I——水力坡度（I＝h/L，h为水位差，反映在戚姆仪上就是指两个相邻测压观测管之间的度数之差，L为渗透距离，反映在戚姆仪上就是指两个测压孔之间的距离L＝10厘米）。
实验时可通过量桶量取一分钟的水量得到Q，过水断面面积ω可测的，水力坡度I可通过实验得出，从而得出渗透系数Kt最后换算得出K10。
三、实验设备
1．戚姆仪：
外部是金属圆筒，底部密封，在高出筒底2-5厘米处设有固定在筒壁上的金属网及纱网。
金属圆筒侧壁有三个测压孔，每两个的间距为10厘米，通过乳胶管连接测压孔和测压板上的玻璃管。
根据测压板上刻度读取玻璃管中的水头高度。
在测压孔对侧的上部有溢水孔，下部有出水孔（在装样时作为供水孔与供水管相连接）。
2．供水瓶：
注意出水口处的密封，学生装好水后不要让学生再来回搬动，防止渗水或密封口破裂，当供水瓶不出水时打开瓶盖。
3．量桶两个，500ml和200ml.
4．水桶两个，一个用来接溢水孔流出的长流水——就是指当供水管改为从上部供水时要保证溢水孔流出的水不能停，而且水流不能过快；另一个水桶用来接调节管流出的水。
5．其它：
秒表、直尺、捣棒、吸耳球、管夹、温度计等。
测定渗透系数时的装置图
1—试样；2—进水开关；3—出水管；4—测压管；5—仪器架；6—排气口
四、实验步骤
1．检查设备连接：
实验开始以前首先检查仪器设备是否齐全，并检查各管路连接是否接妥。
将调节管与供水管连接，由仪器底部充水至纱网处，关闭止水夹。
2．填装土样：
（1）将土样装入金属园筒内的纱网上，每装2-3厘米时，均用捣棒轻轻捣实，使其尽量接近天然状态下的结构。
如果样品中含粘性土较多，应在纱网上加铺一层粗砂厚约2厘米，防止实验时细料流失。
（2）每层土样装好捣实厚后，都要缓慢的打开管夹，使水由仪器底部向上渗透，让土样逐渐侵湿饱和出现水膜，注意水面不要高出土样顶面，饱和后关闭管夹再装下一层。
（3）如此分层装入土样并饱和，直至土样刚超过上部测压孔2厘米为止，然后在土样上部放一层厚约1-2厘米的砾石层作为反滤层，以防止供水时冲刷土样，待最后一层土样饱和后，继续使水位缓缓上升至溢水孔，但有水溢出时关闭止水夹。
（4）静置数分钟后，检查各测压管水头是否齐平，如不齐平说明土样中或测压管处有气泡需排出，各测压管内水位相差在1－2毫米为准。
（5）提高调节管使其高于溢水孔，然后将调节管与供水管分开，并将供水管置于金属筒内，打开止水夹使水由上部注入金属圆筒。
（6）降低调节管口，使其位于土样上部三分之一处，造成水位差，水即渗过土样，经调节管流出。
在渗流过程中应调节供水管夹，使供水管流量略多于渗出水量，保证溢水孔始终有水流出，并保持长水位。
调节管一直要有水流出，出水口要固定，只是通过滑杆调节出水口高度，使水缓慢均匀的流处。
（7）测压管水位稳定后（5秒钟内测压管水位变动不超过0.5毫米），记录测压管水位（读弯液面下缘，估读到0.1厘米）。
开动秒表，同时用量筒接取1分钟渗透的水量，调节管口不开没入水中。
（8）测定进水与出水的水温，取平均值。
（9）再次渗透：
降低调节管管口至土样中部及下部三分之一处，以改变水力坡度，重复以上观测，共调节三次水头同时观测三次并做记录完成以下的表格。
注意：
（1）实验过程中要及时排除气泡。
（2）为使渗透流速—水力梯度（ν—I）曲线的测点分布均匀，流量（或水头差）的变化要控制合适。
五、记录及计算
1．做出Q-I的关系图
2．渗透系数计算
（1）Kt=
（2）计算水温在100C时的渗透系数K10
K10=
式中：
K10—————水温在100C时砂土的渗透系数；
Kt—————室温下的水温t0C时砂土的渗透系数；
μ10————水温在100C时砂土的动力粘滞系数；
μt—————室温下的水温t0C时砂土的动力粘滞系数。
动力粘滞系数可根据下面的普阿杰里表查出：
T0C
μ
T0C
μ
T0C
μ
T0C
μ
0
0.0178
8
0.0139
16
0.0111
24
0.0093
1
0.0172
9
0.0135
17
0.0108
25
0.0091
2
0.0167
10
0.0131
18
0.0105
26
0.0089
3
0.0162
11
0.0127
19
0.0103
27
0.0087
4
0.0157
12
0.0124
20
0.0101
28
0.0085
5
0.0152
13
0.0120
21
0.0099
29
0.0083
6
0.0147
14
0.0117
22
0.0097
30
0.0081
7
0.0143
15
0.0114
23
0.0095
3.根据实验完成下面的表格
戚姆仪内径d=cm
渗透土柱断面面积ω＝cm
测压管间距L＝cm
试验次数
时间T秒（t）
水量W
流量Q
渗流速度cm/t
测压管水位cm
水位差cm
水力坡度
水温t
渗透系数
渗透系数
平均渗透系数
cm3
cm3/t
0C
Ktcm3/t
K10cm3/t
a
b
c
a-b
b-c
平均值
六、误差分析
七、思考题
1．为什么要在测压管水位稳定后测定流量？
2．讨论三种试样的ν—I曲线是否符合达西定律？
试分析其原因。
3．将达西仪平放或斜放进行实验时，其结果是否相同？
为什么？
4．比较不同试样的K值，分析影响渗透系数K值的因素。
实验三砂土的毛细上升高度的测定——卡明斯基管观测法
土的毛细上升高度是水在土的孔隙中因毛细作用而上升的最大高度。
土的毛细现象是由于岩石分子和水分子之间的引力以及水分子之间表面压力共同作用的结果。
控制土中毛细上升高度与速度的主要因素有：
土的颗粒成分、孔隙度、结构、水温、矿化度、水化学成分、粘滞度及土的电化学性质等。
一．实验目的：
对土的毛细上升高度的研究，目的在于提供盐碱土壤改良、公路及铁路路基、基础工程的设计资料或借以判断地下水对于灌溉的影响及冰冻作用的危害程度等。
二．实验原理：
一般颗粒粒级粗的毛细上升得快，颗粒细的上升得慢，但颗粒粗的毛细上升高度不如颗粒细的毛细上升高度大。
不同大小粒粗的岩石毛细水上升的高度和时间的经验值列于下表中：
粒粗（毫米）
毛细上升高度（厘米）
达到最大高度的时间（昼夜）
5—2
3.5
3
2—1
6.5
4
1—0.5
13
6
0.5—0.1
25
8
0.1—0.05
105
72
0.05—0.025
266
300
毛细上升高度随水温增高而降低，随矿化度增高而增大，但其速度是随着水的矿化度增高而增大，但其速度是随着水的矿化度增高而递减。
水矿化度相同时，则依附于水中化学成分，按下列次序递减：
H2O—NH4CL—K2SO4—（NH4）2SO4—K2HPO4—NaNO3—NaCl—NaOH—Na2CO3
三．仪器设备：
b）厚壁玻璃管，内径2～3cm，长80～100cm，上有精确至0.2cm的刻
度，零点在下端。
管的下端用纱布或金属网缚住。
c）带支架的水槽或玻璃盘。
d）支架。
e）其它：
天平、玻璃杯、烘箱、称量盒、捣棒等。
四．实验步骤：
1．将欲测砂样经漏斗倾入玻璃管中，每装入2～3cm高度的砂以捣棒亲轻捣之。
2．将装满砂样的玻璃管固定在支架上，其下端插入水槽内，其高度为于槽中部。
观测砂土中水的毛细上升速度装置图
1—钢丝网；2—透水石；3—玻璃管；4—砂样；
5—水槽；6—进水管；7—溢水管；8—支架
3．注入水槽中是水平面高出管下端0.5～1cm。
实验过程中，槽中水面应保持一定。
4．注入水槽后，水面接触砂管底开始计时，分别计时5、10、20、30分钟，根据玻璃管中砂样颜色的深浅，测量并记录各时间毛细水上升的最大高度值（高度从槽中水面算起），直至上升稳定为止。
根据实验数据绘制毛细水上升高度h与时间t的关系曲线，并以下式表示：
（常数）
N值通常大于2，而常数M随土质而异。
五．记录及计算
1．填写实验记录表
颗粒成分描述
观测时间
（分钟）
3
5
10
20
30
45
60
上升高度cm
2．绘制毛细上升高度h与时间t的关系图
六．误差分析
实验四粘性土的毛细上升高度的测定——卡明斯基毛细仪法
一．仪器测定原理
卡明斯基毛细仪是根据土中毛细现象发生时，弯液面产生负压力，使水中的静水压力小于大气压力（所差之值相应于毛细上升高度的水柱），亦即根据被动毛细力支持下降水柱的作用和应用连通管测定等压面的原理进行。
二．仪器装置
仪器的基本部分是高约20厘米，直径4－6厘米的玻璃管，管底装有金属网，并附有双孔橡皮塞。
在塞子的小孔中插入附有橡皮管和夹子的细管，塞子的另一个孔则插入直径为0.5－1.0厘米的玻璃管，管子的下端用橡皮管与另一玻璃管连成U字型的压力计，压力计下端连接一个三通管，其自由端与另外一个三通相联，三通管的自由端用橡皮管与给水槽连接，管上装一个夹子。
三通的另一端则连一附有夹子且长约10－12厘米的橡皮管。
压力计和橡皮管装在木板上悬挂在墙壁上，在木板上沿压力计右方管有一个厘米刻毒标尺，标尺零点上端与金属网在同一水平面上。
卡明斯基管毛细仪装置图
1.供水瓶；2．玻璃管；3．三通接头；4．橡皮管；5．调压管；6．直尺；7．管夹；8．排气管；9．橡皮塞；1.筛布；11.玻璃管。
三．实验步骤
1．将试样装入玻璃管中至8厘米高。
装样时分次数进行并分层捣实。
如果采用原壮土样，可用切土筒切割与管同径的原状土样至8厘米高，并将试样插入筒中使距金属筒锐端约2厘米；四周孔隙用蜡密封，使之不漏气。
筒的下端用有孔橡皮塞塞紧，防止漏气。
如果土中含有细的粘土颗粒，则可在铜丝网上铺一层粗砂作为缓冲层，此时细玻璃管与左端测压管的顶端以及右端的标尺零点应与缓冲层的顶端齐平。
2．打开管夹使土样逐渐被水饱和至表面出现水膜为止。
土样的饱和需缓慢进行，并将管内空气排净，直至细玻璃管流出的水无气泡时，将管夹关闭。
3．土壤饱和后松开管夹C，使测压管右边水面逐渐下降，至管内水面停止下降，接着水面突然上升时，记下此时测压管的读数，即为毛细水上升的高度H。
4．重复做第二次试验，取算术平均值。
如果两次试验相差较大，应该重复试验。
四．计算
在装样时应该控制一定的孔隙度，以便进行比较。
一般建议采用下述方法：
式中：
δ——容重
——比重
g——V体积土样的重量
V——土样体积
n——孔隙度（以百分数表示）
假设我们采用砂土，则可由经验数值中取砂土的平均比重值为
（或由试验求得），试样重量为g，V可以在装砂及充水饱和后求得，此时的孔隙度即可计算求得。
五．注意事项
试验中注意压力计的玻璃管与橡皮管接口处是否漏水、漏气。
六．记录表格：
记录1
试验日期
年月日
土样编号
仪器编号
毛细水上升高度（厘米）
日
时
分
秒
记录2
试验日期
年月日
土样编号
仪器编号
毛细水上升高度（厘米）
日
时
分
秒
六．误差分析
实验五计算机模拟地下水流动演示
一、实验目的
运用计算机模拟技术，通过对不同条件下，地下水流动特征的演示，了解并熟悉
地形盆地及流动系统的概念。
二、实验内容
1．模拟一个简单地形盆地地下水流动、河间地块地下水流动以及复杂地形盆地
的地下水流动系统；
2．按实验中的提问，独立设计一个流动模式进行模拟演示。
三、模拟程序简介
实验采用的是荷兰自由大学地球科学院的教学演示程序，程序名为“FLOWNET”，是稳定的地下水二维流模型。
四、实验步骤
1．简单地形盆地地下水流动演示
1.1均质介质场
模型条件：
左、右、下边界模拟隔水层，上边界为单斜的地形坡度，模拟从左到右高程逐渐降低的势边界，中间模拟均质的砂层，渗透系数为Kx=Ky=1m/d，模型1.1。
问题：
在上述模型条件下，盆地的流线是什么样的？
请用铅笔在图1.1中试画。
操作：
（1）开机进入“FLOWNET”程序，操作到屏幕显示第3页；
（2）键入图1.1模式程序名：
EXAM1.1—>F1—>PGDN；
（3）屏幕显示第4页，观察上边界水头分布—>PGDN；
（4）屏幕显示第5页，观察介质场的分布与数值—>PGDN—>PGDN，计
算完毕，屏幕显示最终流网结果；
（5）按键盘右侧的“+”键，观察流线上的等时间点的分布与运动情况。
思考题：
流线分布有何特征？
等时间点分布（疏密）说明什么？
1.2（供选做）非均质介质场
在1.1模型条件中，置入一个渗透系数较高或较低的透镜体，构成非均质介质。
图1.2中K1的位置与数值可以任意给定。
问题：
图1.2模式的流网与图1.1有何不同，请用铅笔在图1.2上示意画出流线。
操作：
重复1.1的演示操作步骤至（4）
（1）按照计算机屏幕下方的提示，确定K1的数据，并置入到模型中，形成一个透镜体。
（2）继续1.1演示中步骤（4），直至屏幕显示计算结果。
2．河间地块地下水流动演示
2.1两河水位同高，对称模式
模型条件：
左、右、下为隔水边界；左、右两河排泄地下水；河间为均质的砂层；上边界为均匀降水入渗的潜水面。
见图2.1。
演示操作
（1）开机屏幕显示第3页时，键入图2.1模式程序名：
HJ—2.1—>F1；
（2）重复1.1演示操作步骤的（3）至（5），直至屏幕显示结果。
思考题：
计算机演示结果与实验四的结果是否一致？
为什么？
2.2（供选做）两河水位不同高，均质的河间地块模式模型条件在图2.1的基础上，抬高一侧河水位（高差可以控制在2米左右）。
见图2.2。
问题：
此时应如何调整模型进行演示？
可用铅笔在图2.2中调试。
操作：
（1）
升级会员 