實驗室達西定律需要裝置

Ⅰ 岩石滲透率的實驗室測定

岩石滲透率的實驗室測定方法都是基於達西定律，所以盡管採用各種不同的儀器設備，原理都是一致的。只要測出岩心樣品兩端的壓力差和通過樣品的流量，便可以依據所用流體的黏度，利用相應的達西公式計算出滲透率。

測試的樣品有常規小岩心和全直徑岩心兩種。對於非均質儲層，採用全直徑岩心進行測定，結果更具代表性。測定時，如採用Hassler型岩心夾持器（圖1－11），可分別測出同一岩樣的水平方向和垂直方向的滲透率。

圖1－11 Hassler型岩心夾持器的結構示意圖

Ⅱ 實驗室測定土的滲透系數方法，從原理來講可分為 和 兩種

從試驗原理上大體可分為」常水頭法「和」變水頭法「兩種！

另請參考：
滲透系數的測定方法主要分「實驗室測定」和「野外現場測定「兩大類。
1.實驗室測定法
目前在實驗室中測定滲透系數 k 的儀器種類和試驗方法很多，但從試驗原理上大體可分為」常水頭法「和」變水頭法「兩種。
常水頭試驗法 就是在整個試驗過程中保持水頭為一常數，從而水頭差也為常數。 如圖：

[常水頭法測滲透系數k]

試驗時，在透明塑料筒中裝填截面為A，長度為L的飽和試樣，打開水閥，使水自上而下流經試樣，並自出水口處排出。待水頭差△h和滲出流量Q穩定後，量測經過一定時間 t 內流經試樣的水量V，則
V = Q*t = ν*A*t
根據達西定律，v = k*i，則
V = k*（△h/L）*A*t
從而得出
k = V*L / A*△h*t
常水頭試驗適用於測定透水性大的沙性土的滲透參數。粘性土由於滲透系數很小，滲透水量很少，用這種試驗不易准確測定，須改用變水頭試驗。
變水頭試驗法 就是試驗過程中水頭差一直隨時間而變化，其裝置如圖：
[變水頭法測滲透系數]

水從一根直立的帶有刻度的玻璃管和U形管自下而上流經土樣。試驗時，將玻璃管充水至需要高度後，開動秒錶，測記起始水頭差△h1，經時間 t 後，再測記終了水頭差△h2，通過建立瞬時達西定律，即可推出滲透系數 k 的表達式。
設試驗過程中任意時刻 t 作用於兩段的水頭差為△h，經過時間dt後，管中水位下降dh，則dt時間內流入試樣的水量為
dVe = －a dh
式中 a 為玻璃管斷面積；右端的負號表示水量隨△h的減少而增加。
根據達西定律，dt時間內流出試樣的滲流量為：
dVo = k*i*A*dt = k*（△h/L）*A*dt
式中，A——試樣斷面積；L——試樣長度。
根據水流連續原理， 應有dVe = dVo，即得到
k = （a*L/A*t）㏑（△h1/△h2）
或用常用對數表示，則上式可寫為
k = 2.3*（a*L/A*t）㏒（△h1/△h2）

Ⅲ 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?

Ⅳ 達西滲流定律的達西定律

達西在1856年通過了大量的實驗研究，總結得出滲流能量損失與滲流速度之間的關系，即達西定律。
達西定律：
達西實驗裝置如圖所示。圓筒橫斷面積為A，其中充填均勻的砂粒，砂層厚度為l，由金屬網支托。水由穩壓水箱經水管A流入圓筒中，再經砂層滲濾後由出水管B流出。其流量由量筒C量測，在砂層上下兩端裝測壓管以量測滲流的水頭損失。由於滲流流速極小，所以流速水頭可以忽略不計，總水頭可用測壓管水頭來表示，水力坡度可以用測壓管坡度來表示：

達西分析了大量實驗資料，得到圓筒內的滲流量Q與圓筒橫斷面積A和水力坡度J成正比，並和砂層的透水性能有關。達西建立的基本關系為：Q=kAJ,也可以寫成V=Q/A=kJ，式中 k為滲流系數，反映了土壤的透水性能。
實驗發現，隨著雷諾數Re的增加，多孔介質（砂層）中的流動狀態經歷三個區域：①線性層流區：粘性力占優勢，達西定律成立，上限約在Re=10左右；②非線性層流區(過渡區)：為主要被慣性力制約的層流，達西定律不成立，上限約在Re=100左右，在上限附近開始有層流到湍流的過渡；③湍流區：慣性力占優勢，達西定律不成立。由此可見，從上限雷諾數方面偏離達西定律與層流到湍流的過渡不是完全等價的。
在滲流速度很低時，流體與介質間的表面分子力作用顯得更為重要。部分液體的滯流現象使孔隙度發生變化，從而引起滲透率的相應變化。實驗表明，這時孔隙度和滲透率均隨滲流速度的增加而增加，速度到某一臨界值後不再變化，因此不遵循達西定律。
在雷諾數大於上限Re數的情況下，應該用「滲流的二項式定律」代替達西定律，即
，
式中A、B為決定於流體和介質性質的常數。
在雷諾數小於下限Re數情況下，非線性滲流定律的一般形式可寫為：
式中f(J)為小雷諾數情況下滲透率隨水力坡度的變化函數關系，由實驗確定。
以上主要是單相流體達西滲流定律；對於多相流體，達西定律對每一相仍然成立，只需將滲透率修正為該相的相滲透率即可。

Ⅳ 實驗二 達西滲流實驗

一、實驗目的

1. 通過穩定流滲流實驗，進一步理解滲流基本定律———達西定律。

2. 加深理解滲透流速、水力梯度、滲透系數之間的關系，並熟悉實驗室測定滲透系數的方法。

二、實驗內容

1. 了解達西實驗裝置與原理。

2. 測定 3 種砂礫石試樣的滲透系數。

3. 設計性實驗: 橫卧變徑式達西滲流實驗。

三、達西儀實驗原理

達西公式的表達式如下:

水文地質學基礎實驗實習教程

式中: Q 為滲透流量; K 為滲透系數; A 為過水斷面面積; ΔH 為上、下游過水斷面的水頭差; L 為滲透途徑; I 為水力梯度。

式中各項水力要素可以在實驗中直接測量，利用達西定律即可求取試樣的滲透系數 (K) 。

四、實驗儀器和用品

1. 達西儀 (見圖Ⅰ2-1) 。

2. 試樣: ①礫石 (粒徑為 5 ～ 10 mm) ; ②粗砂 (粒徑為 0. 6 ～ 0. 9 mm) ; ③砂礫混合 (試樣①與試樣②的混合樣) 。

3. 秒錶。

4. 量筒 (100 mL，500 mL 各 1 個) 。

5. 計算器。

6. 水溫計。

圖Ⅰ2-1 達西儀裝置圖

五、實驗步驟

1.測量儀器的幾何參數(實驗教員准備)。分別測量過水斷面的面積(A)，測壓管a、b、c的間距或滲透途徑(L)，記入表格「實驗二達西滲流實驗記錄表」中。

2.調試儀器。打開進水開關，待水緩慢充滿整個試樣筒，且出水管有水流出後，慢慢擰動進水開關，調節進水量，使a、c兩測壓管讀數之差最大;同時注意打開排氣口，排盡試樣中的氣泡，使測壓管a、b的水頭差與測壓管b、c的水頭差相等(實驗教員准備，學生檢查)。

3.測定水頭。待a、b、c三個測壓管的水位穩定後，讀出a、c兩個測壓管的水頭值(分別記為H_a和H_c)，記入實驗記錄表中。

4.測定流量。在進行步驟3的同時，利用秒錶和量筒測量t時間內出水管流出的水體積，及時計算流量(Q)。連測兩次，使流量的相對誤差小於5% ，取平均值記入實驗記錄表。

5.由大到小調節進水量，改變a、b、c三個測壓管的讀數，重復步驟3～4。

6.重復第5步驟2～4次，即完成3～5次試驗，取得某種試樣3～5組數據。

7.換一種試樣，選擇另外一台儀器重復上述步驟3～6進行實驗，將結果記入實驗記錄表中。

8.按記錄表計算實驗數據，並抄錄其他實驗小組不同試樣的實驗數據(有條件的，可用3種試樣做實驗)。

9.實驗中應注意的問題。

1)實驗過程中要及時排除氣泡。

2)為使滲透流速-水力梯度(v-I)曲線的測點分布均勻，流量(或水頭差)的變化要控制合適。

六、實驗成果

1.提交實驗報告表，即達西滲流實驗記錄表。

2.在同一坐標系內繪出3種試樣的v-I曲線(實驗二用紙)，並分別用這些曲線求出滲透系數(K)，與根據實驗記錄表中的實驗數據計算結果進行對比。

七、思考題(任選2題回答)

1)為什麼要在測壓管水位穩定後測定流量?

2)討論3種試樣的v-I曲線是否符合達西定律?試分析其原因。

3)將達西儀平放或斜放進行實驗時，結果是否相同?為什麼?

4)比較不同試樣的K值，分析影響滲透系數(K)的因素。

水文地質學基礎實驗實習教程

實驗二 達西滲流實驗記錄表

水文地質學基礎實驗實習教程

實驗一用紙

實驗二用紙

附 設計性實驗

橫卧變徑式達西滲流實驗

一、實驗目的

1. 測定穩定流、變過水斷面條件下砂性土的滲透系數。

2. 通過實驗加深對穩定流條件下達西定律的理解，加深理解滲透流速、過水斷面、水力梯度和滲透系數之間的關系。

二、設計性實驗內容 (供參考)

1. 將兩個砂樣柱裝同一種砂樣，求取砂樣的滲透系數。

2. 將兩個砂樣柱分別裝兩種砂樣，求取兩種砂樣的滲透系數。

三、實驗儀器與用品

1. 橫卧變徑式達西滲流儀 (圖Ⅰ2-2) 。

2. 不同粒徑的砂樣。

圖Ⅰ2-2 橫卧變徑式達西滲流儀裝置圖

四、橫卧變徑式達西滲流儀簡介

本儀器主體結構包括橫卧變徑式有機玻璃試樣柱兩個，可升降的供水裝置以及測壓板。每一個試樣柱上設有兩個測壓點與測壓板相連，可以測定試樣土層對應點的測壓水頭，了解同一砂樣柱或不同砂樣柱的水力梯度變化特徵。儀器通過升降裝置可調節供水裝置 (穩定供水箱) 水位，通過進水開關控制流量大小。

五、設計實驗要求

1. 查閱相關文獻，實驗前詳細地寫出一種砂性土滲透系數測量的實驗方案。

2. 根據實驗方案設計實驗記錄表格，要求表達直觀，內容齊全，有利於計算分析。

3. 根據設計方案自己動手裝樣與實驗，實驗中詳細記錄實驗步驟、數據和現象。

4. 對實驗數據、計算結果和觀察到的現象進行必要的討論，並撰寫實驗報告。報告內容包括: 實驗目的、實驗原理、實驗內容、實驗步驟、實驗注意事項、實驗成果。

Ⅵ 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。

Ⅶ 在實驗室中，根據達西定律某種土壤的滲透系數，將土樣裝d=30cm的圓筒中，在90cm水頭差作用下（如圖）

Ⅷ 滲透系數的測定方法

滲透系數的測定方法主要分「實驗室測定」和「野外現場測定「兩大類。
1.實驗室測定法
目前在實驗室中測定滲透系數 k 的儀器種類和試驗方法很多，但從試驗原理上大體可分為」常水頭法「和變水頭法兩種。
常水頭試驗法就是在整個試驗過程中保持水頭為一常數，從而水頭差也為常數。 如圖：
試驗時，在透明塑料筒中裝填截面為A，長度為L的飽和試樣，打開水閥，使水自上而下流經試樣，並自出水口處排出。待水頭差△h和滲出流量Q穩定後，量測經過一定時間 t 內流經試樣的水量V，則
V = Q*t = ν*A*t
根據達西定律，v = k*i，則
V = k*（△h/L）*A*t
從而得出
k = q*L / A*△h=Q*L /( A*△h)
常水頭試驗適用於測定透水性大的沙性土的滲透參數。粘性土由於滲透系數很小，滲透水量很少，用這種試驗不易准確測定，須改用變水頭試驗。
變水頭試驗法就是試驗過程中水頭差一直隨時間而變化，其裝置如圖：水從一根直立的帶有刻度的玻璃管和U形管自下而上流經土樣。試驗時，將玻璃管充水至需要高度後，開動秒錶，測記起始水頭差△h1，經時間 t 後，再測記終了水頭差△h2，通過建立瞬時達西定律，即可推出滲透系數 k 的表達式。
設試驗過程中任意時刻 t 作用於兩段的水頭差為△h，經過時間dt後，管中水位下降dh，則dt時間內流入試樣的水量為
dVe = －a dh
式中 a 為玻璃管斷面積；右端的負號表示水量隨△h的減少而增加。
根據達西定律，dt時間內流出試樣的滲流量為：
dVo = k*i*A*dt = k*（△h/L）*A*dt
式中，A——試樣斷面積；L——試樣長度。
根據水流連續原理， 應有dVe = dVo，即得到
k = （a*L/A*t）㏑（△h1/△h2）
或用常用對數表示，則上式可寫為
k = 2.3*（a*L/A*t）lg（△h1/△h2）
2. 野外現場測定法
滲水試驗(infiltration test)一般採用試坑滲水試驗，是野外測定包氣帶鬆散層和岩層滲透系數的簡易方法。試坑滲水試驗常採用的是試坑法、單環法、和雙環法。 是試坑底嵌入兩個鐵環，增加一個內環，形成同心環，外環直徑可取0.5米, 內環直徑可取0.25米。試驗時往鐵環內注水，用馬利奧特瓶控制外環和內環的水柱都保持在同一高度上，（例如10厘米）。根據內環取的的資料按上述方法確定鬆散層、岩層的滲透系數值。由於內環中的水只產生垂直方向的滲入，排除了側向滲流帶的誤差，因此，比試坑法和單環法精確度高。內外環之間滲入的水，主要是側向散流及毛細管吸收，內環則是鬆散層和岩層在垂直方向的實際滲透。
當滲水試驗進行到滲入水量趨於穩定時，可按下式精確計算滲透系數（考慮了毛細壓力的附加影響）：K(滲透系數)= QL/ F(H+Z+L)。
式中：
Q-----穩定的滲入水量(立方厘米/分)；
F------試坑內環的滲水面積(平方厘米)；
Z-----試坑內環中的水厚度(厘米)；
H-----毛細管壓力（一般等於岩土毛細上升高度的一半）(厘米)；
L-----試驗結束時水的滲入深度（試驗後開挖確定）(厘米)。

Ⅸ 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

地下水科學概論（第二版·彩色版）

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：

地下水科學概論（第二版·彩色版）

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：

地下水科學概論（第二版·彩色版）

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）。