達西實驗裝置圖

1. 達西定律

法國水力工程師亨利·達西（Henry Darcy）為了研究Dijon市的供水問題而進行大量的砂柱滲流實驗，於1856年提出了線性滲流定律，即達西定律。達西所採用的實驗裝置如圖2.3所示。在直立的等直徑圓筒中裝有均勻的砂，水由圓筒上端流入經砂柱後由下端流出。在圓筒上端使用溢水設備控制水位，使其水頭保持不變，從而使通過砂柱的流量為恆定。在上、下端斷面1和斷面2 處各安裝一根測壓管分別測定兩個過水斷面處的水頭，並在下端出口處測定流量。根據實驗結果得到以下達西公式：

地下水科學概論（第二版·彩色版）

式中：Q為通過砂柱的流量（滲流量），m³/d；A為砂柱橫截面（過水斷面）面積，m²；h₁和h₂分別為上、下端過水斷面處的水頭，m；∆h=h₁-h₂為上、下端過水斷面之間的水頭差，m；L 為上、下端過水斷面之間的距離，m；I=∆h/L 為水力梯度，無量綱；K為均質砂柱的滲透系數，m/d。

式（2.2）表明，通過砂柱的滲流量（Q）與砂柱的滲透系數（K）、橫截面面積（A）及水頭差（∆h）成正比，而與滲流長度（L）成反比，也可以說滲流量（Q）與滲透系數（K）、橫截面面積（A）和水力梯度（I）成正比。而且，利用不同尺寸的實驗裝置進行達西實驗，即適當改變砂柱的滲透系數（K）、橫截面面積（A）及水頭差（∆h）與長度（L），都會得到式（2.2）的關系。

圖2.3 達西實驗裝置示意圖（截面圖）

另外，通過某一過水斷面的滲流量可以表示為

Q=vA （2.3）

式中：v為滲流速度。由此可以得到達西定律的另一種表示形式：

v=KIA （2.4）

式（2.4）表明滲流速度等於滲透系數與水力梯度的乘積。對於同一均質砂柱來說，其滲透系數通常為一常數，因而滲流速度與水力梯度的一次方成正比，故達西定律又稱為線性滲流定律。達西定律不僅對垂直向下通過均質砂柱的滲流是適用的，而且對於通過傾斜的、水平的及流向為自下而上的均質砂柱的滲流也是適用的，亦即和砂柱中的滲流方向與垂向方向的夾角大小無關。

式（2.4）中的滲流速度（v）實際上是一種平均流速，是水流通過包括空隙和固體骨架在內的過水斷面面積（A）的流速。由於過水斷面面積（A）中包括斷面上砂粒所佔據的面積和孔隙面積，而水流實際通過的面積只是孔隙實際過水面積A＇=n_eA，其中n_e為有效孔隙度。因此，水流通過實際過水斷面面積（A＇）的滲透速度（u，也是一種平均流速）為

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由於n_e＜1，所以滲流速度（v）總是小於滲透速度（u）。

式（2.2）或式（2.4）中的水力梯度I=∆h/L，為沿滲流途徑的水頭差（水頭損失）與相應滲流長度的比值。水頭損失是由於水質點通過多孔介質細小彎曲通道流動時為克服摩擦阻力而消耗的機械能，水頭差也稱為驅動水頭。因此，水力梯度也可以理解為水流通過單位長度滲流途徑為了克服摩擦阻力所耗失的機械能，或者理解為使水流以一定速度流動的驅動力。

圖2.4 均質潛水流動水力梯度示意圖（剖面圖）

在實際的地下水流動中，不同點的水力梯度可以不相同。例如在圖2.4所示的均質潛水流動中，在任意距離x處對應的潛水面處的水力梯度為 ∆h/∆s≈∆h/∆x=dh/dx。其中，∆s為水位線的一段弧長，∆h為對應的水頭差，∆x為∆s對應的水平距離。用微分形式dh/dx表示水力梯度，則意味著水力梯度沿水流方向是可以變化的。另外，實際過水斷面是一個曲面，難以求得其面積。如果假設潛水含水層中的地下水流基本上是水平流動（這一假設稱為裘布依假設）時，則x處的過水斷面可以近似看成是一個垂直斷面。這時以式（2.4）表示的達西定律可以寫成以下更一般的一維形式：

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式（2.6）中等號右端的負號表示沿著地下水流動方向水頭是降低的。

達西公式（2.2）中的滲透系數（K，也有人稱之為水力傳導系數），可以定義為水力梯度等於1時的滲流速度（因為在式（2.4）中，當I=1時，v=K）。由式（2.4）可知，當I為一定值時，K越大則v就越大；當v為一定值時，K越大則I就越小。說明K越大時，砂柱的透水性越好，使水流的水頭損失越小。因此，滲透系數是表徵多孔介質透水能力的參數。

滲透系數既與多孔介質的空隙性質有關，也與滲透液體的物理性質（特別是黏滯性）有關：

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式中：K為滲透系數；k為滲透率（透水率）；ρ為液體的密度；g為重力加速度常數；μ為液體的動力黏滯系數。如果有兩種黏滯性不同的液體分別在同一介質中滲透，則動力黏滯系數大的液體滲流時介質的滲透系數會小於動力黏滯系數小的液體滲流時介質的滲透系數。在一般情況下，當地下水的物理性質變化不大時，可以忽略它們的影響，而把滲透系數單純地看作表徵介質透水性能的指標。在研究地下鹵水或熱水的運動時，由於它們的物理性質變化明顯而不能忽略。滲透率（k，也有人稱之為內在滲透率或固有滲透率）僅與介質本身的性質有關，取決於介質的空隙性，其中介質的空隙大小起著重要作用。已知介質的滲透率，可以利用式（2.7）計算介質的滲透系數。例如，已知k=2.3×10^-9cm²，並且ρ=1.0g/cm³，g=981cm/s₂，μ=0.01 g/（cm·s），則求得K=2.2563×10^-4cm/s（Hudak，2000）。

多孔介質的滲透系數或滲透率隨空間位置和方向可以發生變化。如果介質的滲透系數隨空間位置不發生變化，這種介質稱為均質介質，而發生變化的介質稱為非均質介質。如果介質中同一位置的滲透系數隨方向不發生變化，這種介質稱為各向同性介質，而發生變化的介質稱為各向異性介質。在某些情況下，介質的滲透系數也可以隨時間而發生變化。例如，由於外部荷載的增加導致介質的壓密可以降低介質的滲透系數。鹽岩晶間鹵水由於礦化度的升高或降低導致石鹽沉澱或溶解，可以使鹽岩的滲透系數降低或增大。在某些條件下，由於存在於介質中的生物活動可以逐漸堵塞空隙通道，可以使介質滲透系數逐漸減小。

滲透系數具有與滲流速度相同的單位，常用單位為m/d或cm/s。滲透率的常用單位為達西或毫達西，1達西=9.8697×10^-9cm²（相對於20℃的水而言）。表2.1列出了部分多孔介質的滲透系數的參考數值。

表2.1 多孔介質滲透系數單位：m/d

（據王大純等，1995；余鍾波等，2008）

雖然滲透系數（K）可以說明岩層的透水能力，但不能單獨說明含水層的出水能力。對於承壓含水層，由於其厚度（M）是定值，則T=KM也是定值。T稱為導水系數，它指的是在水力梯度等於1時流經整個含水層厚度上的單寬流量，常用單位是m²/d。導水系數是表徵承壓含水層導水能力的參數，只適用於二維流，對於三維流則沒有意義（Bear，1979）。

2. 其他試驗

任務分析

本任務簡單介紹其他試驗的方法及技術要求，其中滲水試驗是一種在野外現場測定包氣帶土（岩）層垂向滲透性的簡易方法。注水試驗，當鑽孔中地下水位埋藏很深或試驗層為透水不含水時，近似地測定該岩層的滲透系數。地下水實際流速測定採用示蹤試驗法，可直接用於地下水斷面流量的計算。連通試驗是採用水位傳遞法、示蹤試驗法、氣體傳遞法，確定研究地段上地下水流經具體途徑的一種有效方法。要求了解其他試驗資料的整理與成果應用。

任務實施

（一）滲水試驗

滲水試驗是一種在野外現場測定包氣帶土（岩）層垂向滲透性的簡易方法。在研究大氣降水、灌水、渠水、暫時性地表水流對地下水的補給量時，常需進行此種試驗。

試驗方法主要有試坑法、單環法和雙環法，其中，前兩種方法多用於粗粒岩石和砂性土，後一種方法主要用於黏性土和其他鬆散岩層。

1.試坑法

其方法是在試驗層中開挖一個截面積不大（0.3～0.5m²）的方形或圓形試坑，不斷將水注入坑中，並使坑底的水層厚度保持一定（一般為10cm厚，圖1-3-11），當單位時間注入水量（即包氣帶岩層的滲透流量）保持穩定時，則可根據達西滲透定律計算出包氣帶土層的滲透系數（K），即

水文地質勘察

其中，

水文地質勘察

式中：Q為穩定滲入流量（m³/d）；v為滲透水流速度（m/d）；ω為滲水坑的底面積，即過水斷面面積（m²）；I為垂向水力坡度；H_k為包氣帶岩土層的毛細上升高度（m），可直接測定或用經驗數據；Z為滲水坑內水層厚度（m）；L為水從坑底向下滲入的深度（m），可通過試驗前在試坑外側3～4m外和試驗後在坑中鑽兩個小徑鑽孔取土樣，測定其不同深度岩土的含水量（濕度）值的變化，經對比後確定。

圖1-3-11 試坑滲水試驗示意圖

在通常情況下，當滲入水到達潛水面後，H_k=0，又因Z小於L，故由式（1-3-9）計算求得的水力坡度近似等於1（即I≈1）。於是式（1-3-8）可寫成

水文地質勘察

式（1-3-10）說明，在通常條件下，包氣帶土層的垂向滲透系數（K）實際上等於滲入水在包氣帶土層中的滲透速度（v），即等於試坑底單位面積上的滲透水量。

由於試坑法直接從試坑中滲水，未考慮滲入水向試坑以外土層中側向滲入的影響（圖1-3-11），故所求得的K值常常偏大。

2.環滲法

為了克服試坑法側向滲水的影響，常採用環滲法，環滲法有單環法和雙環法。其中單環法是在試坑中嵌入一個鐵環（直徑約35.75cm，高一般為0.5m），以減少側滲，提高精度，雙環法的滲水試驗裝置如圖1-3-12所示，整個裝置置於試坑中，裝置由內、外圓環及馬氏瓶組成。內外環間水體下滲所形成的環狀水帷幕即可阻止內環水向側向滲透，使其豎直滲入，以便用內環滲水資料更精確的計算滲透系數（K），馬氏瓶為定水頭自動給水裝置，為防止沖刷，環內還應鋪設2cm厚的礫石層。試驗時，用兩瓶分別向內、外環注水，並記錄滲水量，直至流量穩定並延續2～4h，即可停止注水，此時通過內環的穩定滲透速度，就是包氣帶岩石的滲透系數，即K=v。一般雙環法的精度高於單環法。

在野外進行滲水試驗時，為了說明試驗過程和滲透速度的變化情況，一般要求在試驗現場繪制滲透速度（v）隨時間（t）變化的過程線（圖1-3-13），其穩定後的v值，即為包氣帶岩土層的滲透系數（K）。由於水體下滲時常常不能完全排出岩層中的空氣，對滲水試驗結果有一定影響。

圖1-3-12 雙環法試坑滲入試驗裝置圖

1—內環（直徑0.25m）；2—外環（直徑0.5m）；3—自動補充水瓶；4—水量標尺（單位為m）

圖1-3-13 滲透速度與時間關系曲線圖

（二）鑽孔注水試驗

當鑽孔中地下水位埋藏很深或試驗層為透水不含水時，可用注水試驗代替抽水試驗，近似地測定該岩層的滲透系數。注水試驗還可用於人工補給和廢水地下處理研究。

注水試驗形成的流場，正好和抽水試驗相反（圖1-3-14），抽水試驗是在含水層天然水位以下形成上大、下小的正向疏干漏斗，而注水試驗則是在地下水天然水位以上形成反向的充水漏斗。目前一般是採用穩定注水方法，不穩定注水方法很少用。

圖1-3-14 潛水注水井示意剖面圖

一般，注水試驗是向井內定流量注水，抬高井中水位，待水位穩定並延續至符合要求時，可停止注水，觀測恢復水位，對穩定後延續時間的要求，與抽水試驗相同。

對於穩定流注水試驗，其滲透系數計算公式的建立過程與抽水井正好相反，其不同點僅是注入水的運動方向和抽水井中地下水運動方向相反，故水力坡度為負值。

潛水完整注水井，其注（涌）水量計算公式為（圖1-3-14）

水文地質勘察

承壓完整注水井，其注（涌）水量計算公式為

水文地質勘察

注水試驗常常是在不具備抽水試驗條件下進行的，由於洗井往往不徹底或不能進行選井（孔內無水或未准備洗井設備），同一水頭差下注入流量往往比抽水偏小，所以所求得的滲透系數（K）也往往比抽水試驗小得多。

注水試驗所用水源應滿足水量、水質要求。注水試驗的資料整理與抽水試驗相似。

（三）地下水實際流速和流向的測定

地下水實際流速和流向的測定是密切相關的，在測定地下水實際流速前應先測定或確定地下水流向。

1.地下水流向的測定

地下水的流向是闡明區域地下水徑流條件，確定地下水補給方向和流量計算斷面的方向、正確布置地下水取水、排水、堵水截流工程設施以及示蹤試驗井組位置等必不可少的依據。地下水流向的測定（確定）方法主要有：①根據等水線圖確定：即垂直等水位線由高到低的方向就是地下水流向；②物探方法：如用充電法確定地下水流向，詳見有關物探書籍；③三角形井孔法確定地下水流向：大體按等邊三角形布置三個鑽孔（圖1-3-15），並測定天然地下水位，用插值的方法作出等水位線，垂直等水位線由高到低的方向即為地下水流向（圖1-3-15）。

圖1-3-15 地下水流向、流速測定鑽孔布置示意圖

1—投放示蹤劑孔；2—主要流速觀測孔；3，4—輔助觀測孔；5—地下水流向

A，B，C—地下水位觀測孔（水位標高：m）

2.地下水實際流速測定

地下水實際流速，可直接用於地下水斷面流量的計算，判斷水流屬層流或紊流，可研究化學物質在水中的彌散，確定含水層的一些參數以及作為決定地下水灌漿中一些技術措施的依據等。測定地下水實際流速的方法有兩種，一種為示蹤試驗法，另一種為物探方法，這里僅說明前者的試驗方法。

1）測定流速前先測定地下水流向，方法同前。

2）布置投放示蹤劑孔（注入孔）和觀測孔（接受孔）。在地下水流向已知的基礎上，沿地下水流向至少布置兩個井孔，上游孔為投放示蹤劑（或稱指示劑）孔或注入孔，下游孔為觀測孔或接受孔（取樣孔），為防止流向偏離，可在下游孔兩側按圓弧相距0.5～5.0m各布置一個輔助觀測孔（圖1-3-15）。上游孔與下游孔之間距離主要取決於岩石透水性。如為細砂，一般相距2～5m，透水性好的裂隙岩石一般為10～15m。

3）選擇示蹤劑並在注入孔中投放，在觀測孔中進行接受監測。應根據試驗條件和要求選擇合適的示蹤劑。目前我國測定實際流速主要採用的是化學試劑和染料，見表1-3-2。進行試驗時，首先將示蹤劑以瞬時脈沖方式注入投劑孔（注入孔）中的含水層段，然後用定深取樣分析方法或定深探頭（如離子探針等）定時觀測觀測井（接受井）中示蹤劑的出現，待示蹤劑暈的前緣在觀測孔中出現後，應加密觀測（取樣）次數，以准確地測定出示蹤劑前緣和峰值到達觀測井的時間。

表1-3-2 示蹤劑類型、特點和應用條件

4）計算地下水實際流速。因為投放示蹤劑孔與觀測孔的距離是已知的，所以確定地下水實際流速的問題實際上就是確定示蹤劑從投放示蹤劑孔到達觀測孔的時間。示蹤劑在孔隙和裂隙中的運動，不是活塞式的推進，而是以對流-彌散方式進行的，由於空隙通道的復雜性，觀測孔中示蹤劑濃度歷時曲線也是復雜多樣的，它主要取決於岩性、示蹤劑類型及投劑孔和觀測孔間的距離等，一般條件下觀測孔中示蹤劑濃度歷時曲線如圖1-3-16所示。實際上，當所測流速用於供水時，常取b點對應的時間t_b參與計算；當用於疏干時，常取a、b間c點所對應的時間t_c。則

圖1-3-16 觀測孔中示蹤劑含量變化過程曲線

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（四）連通試驗

連通試驗實際上是一種示蹤試驗，它是在上游某個地下水點（水井、岩溶豎井、落水洞、地下暗河表流段、坑道等）投入某種示蹤劑，在下游地下水點（除前述各類水點外，尚包括泉水、岩溶暗河出口等）監測示蹤劑是否出現，以及出現的時間和濃度，從而確定其連通情況。連通試驗是確定研究地段上地下水流經具體途徑的一種有效方法，主要用於研究和查明岩溶地下水的運動途徑、速度、地下河系的連通、延展與分布情況、地表水與地下水的轉化關系，以及尋找礦坑（井）涌水的水源與通道，查明水庫漏失途徑，判斷地下水分水嶺的位置等。

由於連通試驗主要是查明地下水系統的補、徑、排條件，因此，對試驗井點布置及試驗方法沒有嚴格的要求，一般多利用現有的人工或天然地下水點和岩溶通道，監測水點應盡可能多，常用的試驗方法簡介如下：

1）水位傳遞法。一般是利用天然的岩溶通道，對天然地下水流進行堵、閘、放水或抽水、注水等，以改變地下水流水位，而在上、下游岩溶水點（包括鑽孔）和其他點上觀測水位、流量的變化，從而確定其連通性及具體途徑。這種方法主要用於查明岩溶管流區岩溶水點間的聯系。但也應考慮到，這種方法可能引起地下水天然流動方向的改變。

2）示蹤試驗法。一般多在岩溶管道發育區和裂隙岩溶區進行此種試驗。常利用天然岩溶水點投放和接收示蹤劑，一般可選用谷糠、鋸屑、石松孢子、漂浮紙片等作為示蹤劑（物）。對於流量較大的地下暗河還可用浮漂式小型定時炸彈和電磁波發射器來查明地下暗河流經途徑和位置。近年來，一種微小彩色塑料粒的示蹤物得到應用，此法除查明水點間連通性外，還可大致估算地下水流速。

3）氣體傳遞法。對無水或非充滿水的通道，可用煙熏、施放煙幕彈等方法，探明通道的連通性及連通程度，但一般只能做近距離試驗。

3. 口袋妖怪，我忘了達西公館在哪裡，黃色箭頭也指著無名小鎮，但是無名小鎮什麼也沒有，求達西公館位置

口袋妖怪達西公館的位置如下：

1、在出生地往右邊走，進了第一個門。

(3)達西實驗裝置圖擴展閱讀

口袋妖怪達西公館是《寶可夢 X·Y》中的一個地點。與之前的寶可夢系列游戲相似，《寶可夢 X·Y》遵循線性的故事線；主要劇情以既定的順序發生。

游戲的主角是一位剛剛搬到朝香鎮的年輕人，同自己的夥伴莎娜、卡魯穆/莎莉娜、瑅耶魯諾和多羅巴一起踏上了游歷卡洛斯地方以成為寶可夢大師的旅途。

在游戲之初，主角自火狐狸、哈力栗和呱呱泡蛙中選擇一隻作為自己的初學者寶可夢，之後又從卡洛斯地方的首席科學家布拉塔諾博士處收到了妙蛙種子、小火龍或傑尼龜。

主角的主要目標是獲得卡洛斯的八枚道館徽章，挑戰聯盟的四天王及冠軍以通關。阻撓主角的則是敵對組織閃焰隊（フレア団）。他們起先是以用寶可夢賺錢為目的，但之後則表露出了將人類文明清除以保護星球原始、美麗狀態的企圖。

4. 達西定律的相關信息

地下水在土體孔隙中滲透時，由於滲透阻力的作用，沿程必然伴隨著能量的損失版。為了揭示水在土權體中的滲透規律，法國工程師達西(H.darcy)經過大量的試驗研究，1856年總結得出滲透能量損失與滲流速度之間的相互關系即為達西定律。
達西實驗的裝置如圖1所示。裝置中的①是橫截面積為A的直立圓筒，其上端開口，在圓筒側壁裝有兩支相距為l 的側壓管。筒底以上一定距離處裝一濾板②，濾板上填放顆粒均勻的砂土。水由上端注入圓筒，多餘的水從溢水管③溢出，使筒內的水位維持一個恆定值。滲透過砂層的水從短水管④流入量杯⑤中，並以此來計算滲流量q。設△t時間內流入量杯的水體體積為△V, 則滲流量為q=△V /△t 。同時讀取斷面1-1和段面2-2處的側壓管水頭值h1，h2，Δh為兩斷面之間的水頭損失。
達西分析了大量實驗資料，發現土中滲透的滲流量q與圓筒斷面積A及水頭損失△h 成正比，與斷面間距l 成反比，即
式中i=△h/l，稱為水力梯度，也稱水力坡降；k為滲透系數，其值等於水力梯度為1時水的滲透速度，cm/s 。
式（1-1）和（1-2）所表示的關系稱為達西定律，它是滲透的基本定律。

5. 實驗二 達西滲透實驗

1.實驗目的

1)通過穩定流條件下的滲透實驗，進一步加深理解線性滲透定律———達西定律。

2)加深理解滲透流速(v)、水力坡度(I)、滲透系數(K)之間的關系，並熟悉實驗室測定滲透系數(K)的方法。

2.實驗內容

1)了解達西滲透實驗裝置(圖B-2、圖B-3)。

2)驗證達西滲透定律。

3)測定不同試樣的滲透系數。

3.實驗原理

在岩石空隙中，由於水頭差的作用，水將沿著岩石的空隙運動。由於空隙的大小不同，水在其中運動的規律也不相同。實踐證明，在自然界絕大多數情況下，地下水在岩石空隙中的運動服從線性滲透定律:

圖B-2 達西儀裝置圖(底部進水)

水文地質學概論

式中:Q為滲透流量，m³/d或cm³/s;K為滲透系數，m/d或cm/s;ω為過水斷面面積，m²或cm²;Δh為上、下游過水斷面的水頭差，m或cm;L為滲透途徑的長度，m或cm;I為水力坡度(或稱水力梯度)， ;v為滲透流速，m/d或cm/s。

利用該實驗可驗證達西線性滲透定律:Q=KωI或v=KI。其主要內容為:流量(Q)(或v)與水力坡度(I)的一次方成正比。在實驗時多次調整水力坡度(改變水頭)，看其流量(Q)(或v)的變化是否與水力坡度一次方成正比關系。

實驗時，可直接測定流量(Q)、過水斷面面積(ω)和水力坡度(I)，從而可求出滲透系數(K)值

室內測定滲透系數，主要採用達西儀。其實驗方法有兩種:①達西儀由底部供水，出水口在上部(圖B-2)。實驗過程中，低水頭固定，調節高水頭;②達西儀是由頂部供水，水流經砂柱，由下端流出(圖B-3)。實驗過程中，高水頭固定，調節低水頭，即調節排水口的高低位置。由底部供水的優點是容易排出試樣中的氣泡，缺點是試樣易被沖動。由頂部供水的優缺點與前一種正好相反。本實訓以頂部供水的達西儀為例進行介紹。

4.實驗儀器及用品

1)達西儀(圖B-3)。

2)量筒(500mL)1個。

3)秒錶。

圖B-3 達西儀裝置圖(頂部進水)(編號說明見圖B-2)

4)搗棒。

5)試樣:①礫石(粒徑5～10mm);②砂(粒徑0.6～0.9mm);③砂礫混合(①與②混合)樣。

5.實驗步驟

(1)實驗前的准備工作

1)測量:分別測量金屬圓筒的內徑(d)，根據 計算出過水斷面面積(ω)和各測壓管的間距或滲透途徑(L)，將所得ω、L數據填入表B-2中。

2)裝樣:先在金屬圓筒底部金屬網上裝2～3cm厚的小砂石(防止細粒試樣被水沖走)，再將欲實驗的試樣分層裝入金屬圓筒中，每層3～6cm厚，搗實，使其盡量接近天然狀態的結構，然後自上而下進行注水(排水管2和水源5連接)，使砂逐漸飽和，但水不能超出試樣層面，待飽和後，停止注水。如此繼續分層裝入試樣並飽和，直至試樣高出上測壓管孔3～4cm為止，在試樣上再裝厚3～4cm小礫石作緩沖層，防止沖動試樣。

3)調試儀器:在每次試驗前，先給試樣注水，使試樣全部飽水(此時溢水管7有水流出)待滲流穩定後，停止注水。然後檢查3個測壓管中水面與金屬圓筒溢水面是否保持水平，如水平，說明管內無氣泡，可做實驗。如不水平，說明管內有氣泡，需排出。排氣泡的方法是用吸耳球對准水頭偏高的測壓管緩慢吸水，使管內氣泡和水流一起排出。用該方法使3個測壓管中水面水平，此時儀器方可進行實驗。

以上工作也可由實驗室教師在實驗課前完成。

(2)正式進行實驗

1)測定水頭:把水源5與排水管2分開，將排水管2放在一定高度上，打開水源5使金屬圓管內產生水頭差，水在試驗中從上往下滲透，並經排水口流出，此時溢水管7要有水溢出(保持常水頭)。當3個測壓管水頭穩定後，測得各測壓管的水頭，並計算出相鄰兩測壓管水頭差，填入表B-2中。

2)測定流量:在進行上述步驟的同時，利用秒錶和量筒測量時間(t)內排水管流出的水體積，及時計算流量(Q)。連續兩次，使流量的相對誤差小於5%(相對誤差(δ)= ，Q₁、Q₂分別為兩次實驗流量值，取平均值填入表B-2中。

表B-2 達西滲流實驗報告表

3)按由高到低或由低到高的順序，依次調節排水管口的高度位置，改變Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個測壓管的水頭管讀數。重復步驟1和2，做2～4次，即完成3～5次實驗，取得3～5組實驗數據。

實驗過程中注意:①實驗過程中要及時排除氣泡，並保持常水頭;②為准確繪制v-I曲線，要求測點分布均勻，即流量(水頭差)的變化要控制適度。

(3)資料整理

依據以上實驗數據，按達西公式計算出滲透系數值，並求出其平均值，填入表B-2中。

6.實驗成果

1)提交實驗報告(表B-2)。

2)抄錄其他小組另外兩種不同試樣的實驗數據(有時間時，可自己動手做)。在同一坐標系內，以v(滲透流速)為縱坐標，I(水力坡度)為橫坐標，繪出3種試樣的v-I曲線，驗證達西定律。

復習思考題

1.當試樣中水未流動時，3個測壓管的水頭與溢水口水面保持在同一高度，為什麼?

2.為什麼要在測壓管水頭穩定後再測定流量?

3.三種試樣的v-I曲線是否符合達西定律?試分析其原因。

4.比較不同試樣的滲透系數(K)值，分析影響K值的因素?

5.在實驗過程中為什麼要保持常水頭?

6.將達西儀平放或斜放進行實驗時，其實驗結果是否相同?為什麼?

6. 實驗五 承壓水模擬演示

一、實驗目的

1. 熟悉有關承壓水的基本概念。

2. 增強對承壓水的補給、排泄和徑流的感性認識。

3. 練習運用達西定律的基本觀點分析水文地質問題。

二、實驗內容

1. 分析承壓含水層補給與排泄的關系。

2. 承壓水開采時流網的變化。

3. 觀測天然條件下泉流量的衰減曲線。

4. 設計性實驗: 演示穩定開采條件下承壓水流網的變化特徵。

三、實驗儀器和用品

1. 承壓水演示儀 (見圖Ⅰ5-1) 。儀器的主要組成部分及功能如下。

1) 含水層: 用均質石英砂模擬。

2) 隔水層: 用隔水有機板模擬。

3) 斷層泉: 承壓含水層主要通過泉排泄，在泉水排出口，用秒錶和量筒測量流量。

4) 模擬井 (虛線部分為濾水部分) : 中間 b 井和開關連通，通過開關可以控制 b井的抽 (注) 水量。

5) 模擬河水位變動: 承壓含水層接受河流補給，通過調整穩水箱 (升降閥) 的高度控制補給承壓含水層的河水水位。

6) 底板測壓點: 隔水底板安裝測壓點，測壓點與測壓板連接，可以測得任一測壓點的測壓水頭。

2. 秒錶。

3. 量筒 (500 mL，50 mL，25 mL 各 1 個) 。

4. 直尺 (長度 50 cm) 。

5. 計算器等。

6. 蠕動泵 (用於模擬抽水) 。

圖Ⅰ5-1 承壓水演示儀裝置實體圖

四、實驗步驟

1.熟悉承壓水演示儀的裝置與功能。

2.測繪測壓水位線。抬高穩水箱，使河水保持較高水位，以補給含水層;待測壓水位穩定後，分別測定河水、a、b、c三井和泉的水位;在圖Ⅰ5-2上繪制承壓含水層的測壓水位線。自補給區到排泄區水力梯度有何變化?為什麼會出現這些變化?

3.測繪平均水力梯度與泉流量的關系曲線。測定步驟2中的泉流量、河水位(H₁)、泉點水位(H₈)，計算平均水力梯度(I)，記入表格「實驗五承壓水模擬演示實驗記錄表」中。

分兩次降低穩水箱，調整河水位(但仍保持河水能補給含水層)。待測壓水位穩定後，重復步驟3，將測量數據記入實驗記錄表。

4.b井抽水，測定泉流量及b井抽水量。為了保證b井抽水後，仍能測到各井水位，抽水前應抬高河水位(即抬高穩水箱)。待測壓水位穩定後測定泉流量，記入實驗記錄表。b井抽水，待測壓水位穩定後，測定各點水頭，標在圖Ⅰ5-3上，畫出b井抽水時的承壓含水層平面示意流網;同時測定泉流量及b井抽水量並記入實驗記錄表。從測定結果分析，抽水後泉流量的減量是否與b井抽水量相等?為什麼?

5.測繪泉流量隨時間的衰減曲線。停止b井抽水(關閉抽水井開關)，待水位穩定後，停止河流補給(將供水箱降低至承壓含水層底部)，測量泉流量隨時間的變化(按時間段測量)，將測量結果記入實驗記錄表。

五、實驗成果

1.提交實驗報告表，即承壓水模擬演示實驗記錄表。

2.在圖Ⅰ5-2上繪制承壓水測壓水位線。

3.在圖Ⅰ5-3平面圖上繪出b井抽水時的承壓含水層平面示意流網。

4.繪制泉流量隨時間的變化曲線(實驗五用紙)。

六、思考題

分析回答承壓含水層自補給區(河流)到排泄區(泉)過水斷面的變化特徵。

七、設計性實驗內容(供參考)

利用承壓水模擬演示儀進行穩定開采條件下承壓水流網的變化特徵實驗，觀察承壓水流網的變化，測量並記錄實驗結果。

圖Ⅰ5-2 承壓水演示用剖面圖

圖Ⅰ5-3 承壓水演示用平面圖

水文地質學基礎實驗實習教程

實驗五 承壓水模擬演示實驗記錄表

實驗五用紙

水文地質學基礎實驗實習教程

7. 達西實驗時發現流量和以下哪些因素成正比

達西定律 達西定律 Darcy』s Law 反映水在岩土孔隙中滲流規律的實驗定律。 由法國水力學家 H.-P.-G.達西在1852～1855年通過大量實驗得出。其表達式為 Q=KFh/L 式中Q為單位時間滲流量，F為過水斷面，h為總水頭損失，L為滲流路徑長度，I=h/L為水力坡度，K為滲透系數。關系式表明，水在單位時間內通過多孔介質的滲流量與滲流路徑長度成反比，與過水斷面面積和總水頭損失成正比。從水力學已知，通過某一斷面的流量Q等於流速v與過水斷面F的乘積，即Q=Fv。或，據此，達西定律也可以用另一種形式表達 v=KI v為滲流速度。上式表明， 滲流速度與水力坡度一次方成正比。說明水力坡度與滲流速度呈線性關系，故又稱線性滲流定律。達西定律適用的上限有兩種看法：一種認為達西定律適用於地下水的層流運動；另一種認為並非所有地下水層流運動都能用達西定律來表述，有些地下水層流運動的情況偏離達西定律，達西定律的適應范圍比層流范圍小。 這個定律說明水通過多孔介質的速度同水力梯度的大小及介質的滲透性能成正比。 這種關系可用下列方程式表示：V=K[（h2－h1）÷L]。 其中V 代表水的流速，K 代表滲透力的量度(單位與流速相同, 即長度/時間)，（h2－h1）÷L 代表地下水水位的坡度（即水力梯度）。因為摩擦的關系，地下水的運動比地表水緩慢得多。可以利用在井中投放鹽或染料，測定滲流系數和到達另一井內所需的時間。