《水文地质学》实验大纲和指导书

'水文地质学实验大纲及实验指导书《水文地质学》实验教学大纲实验一孔隙与水一、实验课程目的与任务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、实验课程内容、要求及学时安排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。学时安排：2学时。三、实验课程考核完成实验报告，确定实验成绩。四、主要参考资料教材：《水文地质学基础》章至洁等，中国矿业大学出版社实验指导书：《水文地质学基础实验讲义》实验二达西渗流实验一、实验课程目的与任务1．通过稳定流条件下的渗流实验，进一步理解渗流基本定律——达西定律。2．加深理解渗流速度、水力梯度、渗透系数之间的关系，并熟悉实验室测定渗透系数的方法。二、实验课程内容、要求及学时安排1．了解达西实验装置。2．根据达西公式：Q=KωΔH/L=KIω，测定不同试样的渗透系数K。式中：Q——渗透流量；ω——过水断面面积；ΔH——上下游过水断面的水头差；L——渗透途径；I——水力梯度。学时安排：2学时。三、实验课程考核完成实验报告，确定实验成绩。12 四、主要参考资料教材：《水文地质学基础》章至洁等，中国矿业大学出版社实验指导书：《水文地质学基础实验指导书讲义》实验三潜水模拟演示一、实验课程目的与任务1．熟悉与潜水有关的基本概念，增强对潜水补给、径流和排泄的感性认识。2．加深对流网概念的理解，培养综合分析问题的能力。二、实验课程内容、要求及学时安排1．观察地表径流。2．确定潜水面形状。3．分析地下水分水岭的移动。4．演示不同条件下的潜水流网。学时安排：2学时。三、实验课程考核完成实验报告，确定实验成绩。四、主要参考资料教材：《水文地质学基础》章至洁等，中国矿业大学出版社实验指导书：《水文地质学基础实验讲义》实验四承压水模拟演示一、实验课程目的与任务1．熟悉与承压水有关的基本概念，增强对承压水的补给、排泄和径流的感性认识。2．练习运用达西定律的基本观点分析讨论水文地质问题。二、实验课程内容、要求及学时安排1．分析讨论承压含水层补给与排泄的关系。2．观测天然条件下泉流量的衰减曲线。学时安排：2学时。三、实验课程考核完成实验报告，确定实验成绩。12 四、主要参考资料教材：《水文地质学基础》章至洁等，中国矿业大学出版社实验指导书：《水文地质学基础实验讲义》《水文地质学》实验指导书实验一孔隙与水一、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。可根据课程具体性质编写三、实验仪器和用品1．给水度仪(图1一1)。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12 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；4—透水石；1—H为三通管液面到透水石第面的距离；5—固定连接板；6—试样筒底部漏斗；7—弹簧夹；2—三通管液面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。（以上两步可以由实验室同志在实验课前做好。）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。12 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。实验二达西渗流实验一、实验目的1．通过稳定流条件下的渗流实验，进一步理解渗流基本定律——达西定律。212 ．加深理解渗流速度、水力梯度、渗透系数之间的关系，并熟悉实验室测定渗透系数的方法。二、实验内容1．了解达西实验装置。2．根据达西公式：Q=KωΔH/L=KIω，测定不同试样的渗透系数K。式中：Q——渗透流量；ω——过水断面面积；ΔH——上下游过水断面的水头差；L——渗透途径；I——水力梯度。三、实验仪器及用品1．达西仪（图2～1），分别装有不同粒径的均质试样：①砾石（粒径5～10mm）；②粗砂（粒径0.6～0.9mm）；③砂砾混合（①与②的混合样）。2．秒表。3．量筒（100ml,500ml各一个）。4．直尺。5．计算器。四、实验步骤1．测量仪器的几何参数（实验员准备）。分别测量过水断面面积(ω)、测压管a、b、c的间距或渗透途径(L)；记入附表二。2．调试仪器（实验员准备）。打开进水开关2，待水缓慢充满整个试样，且出水管有水流出后，慢慢拧动开关2，调节进水量，使a、c两测压管读数之差最大。同时注意打开排气口排尽试样中的气泡，使测压管a、b的水头差与测压管b、c的水头差相等。3．测定水头待a、b、c三个测压管的水位稳定后，读出各测图2—1达西仪装置图1—试样；2—进水开关；3—出水管；4—测压管；5—仪器架；6—排气口压管的水头值，记入附表二中。4．测定流量在进行步骤3的同时，利用秒表和量筒测量t时间内水管流出的水体积，及时计算流量Q。连测两次，使流量的相对误差小于5％[相对误差12 δ=〔（Q2−Q1）÷（Q1+Q2）/2〕×100%］],取平均值记入附表二。5．由大往小调节进水量，改变a、b、c三个测压管的读数，重复步骤3和4。6．重复第5步骤l一3次。即完成3—5次试验，取得3—5组数据。7．按记录表计算实验数据，并抄录其它小组另外两种不同试样的实验数据(有条件的，可分别做不同的试样)。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、实验成果1．提交实验报告表(附表二)。2．在同一坐标系内绘出三种试样的ν—I曲线，并分别用这些曲线求渗透系数K值，与直接据附表二中实验数据计算结果进行对比。思考题（任选2题回答）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。实验三潜水模拟演示一、实验目的1．熟悉与潜水有关的基本概念，增强对潜水补给、径流和排泄的感性认识。2．加深对流网概念的理解，培养综合分析问题的能力。二、实验内容1．观察地表径流。2．确定潜水面形状。3．分析地下水分水岭的移动。4．演示不同条件下的潜水流网。三、实验仪器及用品1．地下水演示仪(图4-1)。该仪器的主要组成部分及功能介绍如下：12 (1)槽体：内盛均质砂，模拟含水层。(2)降雨器：模拟降雨，可人为控制雨量大小及降雨的分布。(3)模拟井：两个完整井和两个非完整井分别装在仪器的正面(A面)和背面(B面)，均可人为对任一井进行抽(注)水模拟，也可联合抽(注)水。(4)模拟集水廊道：可人为控制集水廊道的排水。(5)测压点：与测压管架上的测压管连通，可以测定任一测压点的测压水头；与示踪剂注入瓶连通可以演示流线。(6)测压管架。(7)示踪剂注入瓶。(8)稳水箱：用于稳定河水位。2．示踪剂选用红墨水演示流线。3．直尺(50cm)和计算器等。图4—1地下水演示仪装置图四、实验步骤1．熟悉地下水演示仪的结构及功能。2．地表径流的演示。打开降雨开关，人为调节降雨强度。保持两河较低水位排水。认真观察地表径流产生情况。分析讨论：12 (1)降雨强度与地表径流的关系。(2)地形与地表径流的关系。3．观测有入渗条件的潜水面形状如图4-2所示，潜水含水层中，等势线上各点的水头都相等，即B、C、D各点测压水位分别与潜水面上M、N、O各点的测压水位相等。由此可以按以下具体步骤确定潜水面形状。(1)中等强度降雨，保持两河同等低水位排水，待水位稳定后测定井水位和河水位，并按比例表示在A剖面图上（见附图一）。(2)在河与分水岭之间选择3~5个测压点，注入示踪剂，观察流线特征，分析流网分布规律，在A剖面图上画出流线和等势线。(3)选择3~5个测压点与测压管连接(注意连接时不要进气)，测定测压水位，按比例表示在A剖面图上。自各测压点测压水位顶点作水平线交各测压点所在的等势线(各交点均在潜水位线上)。结合井水位和河水位以及各平行线与等势线的交点，在A剖面图上描绘潜水位线。图4—2潜水含水层中等势线任一点水头示意图1—等势线；2—流线；3—测压管C涂黑部分为该点测压高度；4—隔水底板；5—含水层；6—河水位及潜水位4．观测地下分水岭的偏移中等强度均匀降雨，保持两河等值低水位排水，观察地下分水岭位置。抬高一侧河水位，即抬高一侧的稳水箱。观察地下分水岭向什么方向移动。试分析为什么分水岭会发生移动？能否稳定？停止降雨，地下分水岭又将如何变化？认真观察停止降雨后地下分水岭变化过程。12 5．人为活动影响下地下水与河水的补给和排泄关系的变化（此项为选择内容）中等强度降雨，保持两河同等较高水位排水。选择3~5个测压点注入示踪剂。使地下水位处于稳定的初始状态。具体演示：（1）集水廊道抽水：打开集水廊道开关进行排水。观察流线变化特征，分析集水廊道排水对地下水与河水的补给和排泄关系的影响。（2）完整井抽（注）水：恢复初始状态。打开两个完整井开关，一个抽水，一个注水。观察地下分水岭的变化及流线形态。（3）非完整井抽水：恢复初始状态。打开两个非完整井的开关，通过开关控制两个非完整井等降深抽水。在适当的测压点上注入示踪剂，观察流线形态并在B剖面图（附图一）上描绘地下水流线。分析讨论：两非完整井等降深抽水时，各井的抽水量是否相等?五、实验成果1．在附图一上根据步骤3绘制A剖面流网图；根据步骤5（3）的演示，在B剖面上示意画出两非完整井等降深抽水时的流网图。2．对于河间地块含水层，当河水位不等时，地下水分水岭偏向哪一侧?试分析其原因?实验四承压水模拟演示一、实验目的1．熟悉与承压水有关的基本概念，增强对承压水的补给、排泄和径流的感性认识。2．练习运用达西定律的基本观点分析讨论水文地质问题。二、实验内容1．分析讨论承压含水层补给与排泄的关系。2．观测天然条件下泉流量的衰减曲线。三、实验仪器和用品1．承压水演示仪（如附图二）。该仪器的主要组成部分的功能如下：（1）含水层：用均质石英砂模拟。（2）隔水层：用粘土模拟。构成大致等厚的承压含水层的顶板和底板。（3）断层上升泉：承压含水层主要通过泉排泄，泉水通过开关9排出，可用秒表和量筒配合测量其流量。12 （4）模拟井（虚线部分为滤水部分）：中间b井和开关8连通，通过开关8可以控制b井的抽(注)水。（5）模拟河：承压含水层接受河流补给，通过调整稳水箱(开关7接稳水箱)的高度控制补给承压含水层的河水水位。（6）隔水板：上部穿孔，河水可以通过穿孔部分补给承压含水层。2．秒表。3．量筒：500ml、50ml、25ml各一个。4．直尺(50cm)。5．计算器等。四、实验步骤1．熟悉承压水演示仪的装置与功能。2．测绘测压水位线抬高稳水箱，使河水保持较高水位，以补给含水层，待测压水位稳定后，分别测定河水、a、b、c三井和泉的水位，在附图二上绘制承压含水层的测压水位线。分析自补给区到排泄区水力梯度有何变化？为什么会出现这些变化？3．测绘平均水力梯度与泉流量关系曲线测定步骤2的泉流量、河水位(H河)，泉点水位(H泉)，计算平均水力梯度(I)，记入附表五。分两次降低稳水箱，调整河水位(但仍保持河水能补给含水层)。待测压水位稳定后，测定各点水头、计算平均水力梯度，同时测定相应的泉流量，记人附表五。4．b井抽水，测定泉流量及b井抽水量为了保证b井抽水后，仍能测到各井水位，抽水前应抬高河水位(即抬高稳水箱)。待测压水位稳定后测定泉流量，记入附表五。b井抽水，待测压水位稳定后，测定各点水头，标在附表二的平面图上，画出b井抽水时的承压含水层平面示意流网；同时测定泉流量及b井抽水量并记入附表五。从测定结果分析，抽水后泉流量的减量是否与b井抽水量相等?为什么?5．测绘泉流量随时间的衰减曲线停止b井抽水(关闭开关8)，待水位稳定后，关闭开关7，测量泉流量随时间的变化，将测量结果记入附表五。五、实验成果12 1．提交实验报告表(附表五)。2．在附图二上绘制承压水测压水位线。3．绘出b井抽水时的承压含水层平面示意流网。4．绘制泉流量随时间的变化曲线。12'