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实验二达西实验前面我们已经知道了地下水储存在岩石的空隙中，那么地下水在岩石空隙中是怎样运动（渗流或渗透）的呢？也就是地下水运动的基本规律是什么呢？早在1856年，法国水力学家达尔西（Darcy）通过大量的实验，得到了水在孔隙介质中运动的线性渗透定律——达西定律。
达西定律表述的是通过过水断面的流量与水力梯度、过水断面面积和介质的渗透性质之间的关系。
为了定量描述岩石的渗透性质，提出了渗透系数的概念。
岩石渗透系数是定量描述岩石透水性能的物理指标，岩石空隙越大、连通性越好，则渗透系数越大，单位时间内通过过水断面的水量越多。
渗透系数在数值上等于水力坡度为1时的渗流速度。
所以渗透系数具有速度的单位。
渗透系数是诸多有关水文计算问题（水井涌水量、矿坑涌水量及水库、渠道渗流量等）中不可缺少的、重要的水文地质参数。
渗透系数可以通过抽水试验、物理模拟、数值模拟等不同的方法求得。
现在我们来进行达西实验。
一、实验目的（1）掌握实验室测定孔隙介质渗透系数的方法，加深对岩石渗透系数的认识。
（2）验证达西定律，从而提高对直线渗透定律的理解。
在野外确定渗透系数常用的方法有：井孔抽水、注水及试坑渗水、压水试验等方法。
这些方法所得资料可靠，精度高，但效率低，成本高。
在室内常用达西仪、戚姆仪及渗压仪、渗流槽等实验方法测定。
现在我们采用达西仪来测定岩石的渗透系数。
二、实验原理达西通过大量实验，得到圆筒过水断面的渗流量Q 与圆筒断面F 和水力坡度I 成正比，并和土壤的透水性能有关，所建立基本关系式如下：KFI Q =； 或KI FQv ==式中：v---为渗流简化模型的断面平均流速；K---为岩石的渗透系数，反映了孔隙介质透水性能。
三、仪器结构达西仪共由四部分组成（见图2）马氏瓶试样筒测压板 测压管管供水管排水管排水孔 水槽量筒吸球过滤板 测压孔图2 达西仪1.供水器装置（马氏瓶）：以法国物理学家Mariotte的马利奥特瓶装置，是一种能控制水位又能自动连续补给水的量测装置。
《水文地质学基础》读书报告一、地球上的水及其循环地球上的水的分布可分为浅部层圈水与深部层圈水。
浅部层圈水:从大气圈到地壳上半部,包括大气水、地表水、地下水以及生物体中的水,以液态为主,也呈气态与固态形式存在。
深部层圈水:分布于地壳下部到下地幔,以被压密的气水溶液的形式存在。
浅部层中自由态的水与深部层中的特殊高温高压下离解状态下的水以及地壳矿物内部的结合水相互转化相互联系,因此广义上的水圈包括地球各圈层中以各种不同状态存在且相互转化的所有的水。
地球上的水循环即地球上各圈层中的水相互联系相互转化的过程,可分为水文循环和地质循环。
水文循环的对象为浅部层圈水中的大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水。
循环过程为蒸发(海洋蒸发、水面蒸发、土面蒸发、叶面蒸发等)→大气中水汽转移→降水→入渗→地表径流或地下径流→蒸发。
水文循环按循环途径长短可分为大循环和小循环。
海洋与大陆之间的水分交换为大循环;海洋或大陆内部的水分交换为小循环。
是分子态水的转换,更替速度较快。
地质循环为地球浅层圈与深层圈之间水的相互转化过程。
常伴有水分子的分解与合成,转换速度缓慢。
与水文循环有关的气象因素包括大气圈的结构(主要因素是对流层的物理状态和运动规律)、大气的热源(太阳短波辐射以及地表长波辐射)、主要的气象要素(气温、气压、湿度、蒸发、降水)。
水文因素主要是径流。
表征地表径流的特征值有:流量;径流总量;径流模数;径流深度;径流系数。
我国水文循环概况:由于季风的控制,我国大部分地区旱季雨季分明,降水集中。
我国水资源在时间上分配不均。
雨季降水丰沛,旱季降水稀少。
此外,我国降水在空间上分布也不均匀,从东南沿海向西北内陆递减。
降水是地下水补给的最重要来源,因此一个地区地下水资源的丰富程度通常决定于该地区降水量的多寡。
一个地区地下水资源通常是多年水文循环的结果,我们在研究一个地区的地下水状况时必须从整个地球或某个较大尺度区域的水文循环角度出发,从整体上把握地下水形成、流动以及污染物迁移转化的复杂性。
《水文地质学》课程笔记第一章绪论一、水文地质学的研究对象1. 地下水- 定义：地下水是指在地表以下岩石空隙和土壤孔隙中储存的水。
- 特点：地下水具有隐蔽性、循环性、动态性、可再生性和不可替代性。
- 研究内容：地下水的水位、流量、水质、水温、化学成分、运动规律等。
- 分类：根据埋藏条件，地下水可分为潜水、承压水等类型。
2. 岩土- 定义：岩土是指地球表层及其内部的岩石和土壤。
- 特性：岩土的物理性质（如密度、孔隙度、渗透性）、化学性质（如酸碱度、氧化还原性）和力学性质（如抗压强度、抗剪强度）。
- 研究内容：岩土的结构、组成、分布、成因、水文地质特性等。
3. 水资源- 定义：水资源是指地球表层可供人类利用的水。
- 特点：水资源具有时空分布不均、可再生性和有限性。
- 研究内容：水资源的评价、开发、利用、管理和保护。
4. 水文地质环境- 定义：水文地质环境是指地球表层地下水、岩土、气候、生态等因素相互作用的综合体。
- 研究内容：水文地质环境的调查、评价、监测、预测和调控。
二、地下水的功能1. 供水- 地下水是重要的饮用水源，尤其在干旱和半干旱地区。
- 地下水供水稳定，受气候变化影响较小。
2. 农业灌溉- 地下水灌溉可以提高作物产量，保障粮食安全。
- 地下水灌溉系统简单，易于管理。
3. 生态保护- 地下水维持河流、湖泊、湿地等生态系统的稳定。
- 地下水是许多生态系统的重要补给来源。
4. 灾害防治- 地下水可以调节地表水循环，减轻洪水和干旱灾害。
- 地下水开采可以降低地面沉降和海水入侵的风险。
5. 工业生产- 地下水用于冷却、洗涤、制造等多种工业用途。
- 地下水的水质稳定，适合特定工业需求。
6. 科研价值- 地下水研究为地质学、气候学、生态学等领域提供重要信息。
- 地下水是研究地球历史和地质作用的天然实验室。
三、水文地质学发展简史1. 古代阶段- 早期人类对地下水的利用主要限于井、泉等自然出露点。
- 古代文明（如古埃及、美索不达米亚）已有简单的地下水开发利用技术。
第四章地下水运动的基本规律
第一节重力水运动的基本规律
（1）达西定律
达西定律是由法国水力学家H.Darcy于1856年通过大量的室内实验得出的。
达西实验装置与条件：
等径圆筒装入均匀砂样，圆筒断面为ω；
上下各置一个稳定的溢水装置——保持实验过程水流的稳定；
水流实验时，上端进水，下端出水——参见图4-1，示意流线（图中兰色线）；
砂筒中，安装了2个测压管；
下端出水口，测定出水量Q。
实验过程：（1）通过改变水头，稳定测量出水量；（2）改变试样筒内的砂样（粒
径变化），重复实验。
实验结果：出水端的流量Q与砂柱断面为ω、测压管水头之间的关系为：
图4—1 达西试验示意图
（4—1）
式中：——渗透流量（出口处流量，即为通过砂柱各断面的流量）；
——过水断面（在实验中相当于砂柱横断面积）；
——水头损失（，即上下游过水断面的水头差）；
——渗透途径（上下游过水断面的距离）；
——渗透系数（与砂柱样品有关的系数）。
（4—1）为达西定律表达方法之一。
达西公式的变化形式：
由水力学中水动力学基本原理：
（4—2）
——水力梯度，相当于/，即水头差除以渗透途径。
（4—2）代入（4—1）有：
（4—3）
（4—1）与（4—3）为达西定律的不同表达方法。
由（4—3）达西公式表明：渗透流量（Q）与渗透系数（K）、过水断面（ω）
及水力梯度（I）成正比。
从水力学已知，通过某一断面的流量等于流速与过水断面的乘积，即：
（4—4）
即。
比照公式（4—4）与（4—1），达西定律又可以表达为：
（4—5）
式中：称作渗透流速，即单位面积上的流量——也称为比流量。
由（4—5）式表明：渗透流速与水力梯度一次方成正比关系，故达西定律又
称为线性渗透定律。
下面探讨达西公式（4—5）式中各项的物理涵义。
（2）渗透流速（V）
过水断面ω ：砂柱的横切面积，是指水流通过的包括岩石骨架与空隙在内
的整个断面。
实际过水断面：扣除结合水所占据范围以外的空隙面积，也就是重力水
所占据的空隙面积。
实际过水断面ω′与过水断面ω的关系，可以表示为：（参
见图4-2，插图4-1）
图4—2 过水断面（斜阴线部分）与实际过水断面（直阴线部分）颗粒边缘涂黑部分（最好改为红色）为夸大表示的结合水
A 过水断面（水流可以穿越颗粒）
B 实际过水断面（水流只沿孔隙运动）
插图4-1 过水断面与实际过水断面动画
有效孔隙度：重力水流动的空隙体积（不包括结合水占据的空间）与岩石
体积之比。
既然不是实际的过水断面，可知也并非真实的流速，而是假设水流通过包括颗粒骨架与空隙在内的整个断面（）。
因此，渗透流速是一种虚拟流速。
渗透流速与实际流速：令通过实际过水断面的流速为实际平均流速，则有：
而
既：
两者的关系：达西流速小于实际流速；u和V都是平均流速。
通常渗流计算时用渗透流速V，研究地下水污染时用实际流速u。
（3）水力梯度（I）
水力梯度的概念：是沿渗透途径上的水头损失与相应渗透途径的长度之比；即单位渗透途径上的机械能损失，也即机械能的损失率。
根据（4—5）式V=KI，可知，当岩石性质一定时，K为常数，I大，V也大；说明渗透水流流动速度越大，沿渗流途径的机械能损耗越大；换言之， I越大，驱动水流运动的速度越大。
水头损失构成：水质点间内摩擦的消耗和岩石固体边界对水流的摩擦阻力消耗。
损失的能量最终转变为热能而消耗掉。
（4）渗透系数（K）
由公式（4—5）V=KI可知，渗透系数K在数值上是当I=1时的渗透流速。
当I一定时，K大，则V也大，Q也大，因此，渗透系数K是表征岩石透水性的定量指标。
K愈大，表明岩石的透水能力愈强。
松散岩石渗透系数的常见值可参见表4—1。
表4—1 松散岩石渗透系数参考值
第二节流网
（1）基本概念
渗流场：地下水的流动空间，它包含两种内容：一是空间的含水介质场（介质场—K），二是水流的势能量场（势场—H），这二者共同构成地下水的流动特征，可以用达西定律V=KH/L 来描述V=f（K，H）。
流网是描述渗流场中地下水流动状况的有效工具。
流网概念：在渗流场中，由一系列等水头线与流线组成的网格，称为流网。
等水头线：在某时刻，渗流场中水头相等的各点的连线（水势场的分布）。
流线：某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上各个水质点的流速方向都与这条曲线相切（某时刻各点流向的连线）。
迹线：流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹。
稳定流条件下，流线与迹线重合。
（2）二维流网
平面流网：通常在潜水等水位线图和承压水等测压水位线图上，加上流向来表示。
剖面流网：当含水层厚度较大时，需要刻画垂向水流特征，通常用剖面流网来表示。
（3）流网的基本要求
a）在各向同性介质中，流线与等水头线正交；在各向异性介质中，流线与等水头线斜交；
b）相邻两条等水位线的水头差相等，相邻两条流线间流量相等。
（4）二维流网的绘制——剖面流网为例
精确地绘制定量流网需要充分掌握有关的边界条件及参数，但在实测资料较少的情况下，也可徒手绘制定性流网。
尽管这种信手流网并不精确，但往往可以提供我们许多有用的水文地质信息，是水文地质分析的有效工具。
为了讨论的方便。
在此仅限于分析均质各向同性介质中剖面稳定流流网为例。
a. 边界性质分析
定水头边界：地表水体的断面（如河渠的湿周，图4—3，a）；
隔水边界：
潜水含水层底板、承压含水层隔水顶底板（图4—3，b）；
无入渗、无蒸发稳定流动条件下潜水面（图4—3，c）；
分流线是水力零通量面——虚拟的隔水边界（图4—4）。
地下水面边界：
当无入渗及蒸发，有侧向补给，稳定流动时是一条流线（图4—3，c）；
当有入渗补给时，它既不是流线，也不是等水头线（图4—3，d）。
图4—3 等水头线、流线与各类边界的关系
1—含水层；2—隔水层；3—潜水面；4—等水头线；5—流线；6—河渠水面；7—降水入渗
b. 绘制步骤（参见河间地块流网图P40，图4-4，参照幻灯片）：
寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）；
分水线、源、汇的确定；流线总是由源指向汇；
画出渗流场周边流线，按照边界性质将流线或等水头线与边界相连；
中间内插其它流线，等单宽流量控制流线根数；
确定等水头差间隔，根据流线与等水头线正交的规则，画出等水头线。
（5）流网图的信息与应用
流网它反映了渗流场中地下水的流动状况，同时也是介质场与势场的综合反映。
从图4-4河间地块流网图可以获得以下信息：
（1）由分水岭到河谷，流向从由上向下到接近水平再向上；（2）在分水岭地带打井，井中水位随井深加大而降低，河谷地带井水位则随井深加大而抬升；（3）由分水岭到河谷，流线愈来愈密集，流量增大，地下径流加强；（4）由地表向深部，地下径流减弱；（5）由分水岭出发的流线，渗透途径最长，平均水力梯度最小，地下水径流交替最弱，近流线末端河谷下方，地下水的矿化度最高。
理解上述流网提供的信息，思考以下问题：
确定任意点的水头值（H），了解其在流场中的变化规律
比较图4-4中：与的大小？
确定水力梯度 I 的大小，及其在流场中的变化规律
比较图4-4中：与的大小？
确定渗透流速V的大小，及其在流场中的变化规律。
比较与的大小？
渗流场内的流量分布情况——参照流线的疏密（分布）情况分析
污染物质的运移追踪。
图4—4 河间地块流网图
1—流线；2—等水头线；3—分流线；4—潜水面；5—河水位；6—井、涂兰部分有水；7—代表矿化度大小的符号，圆圈愈多，矿化度愈大；8—降水入渗；9—绘制流网的大致顺序
（6）层状非均质介质中的流网（自学内容）
层状非均质：指介质场内各岩层内部渗透性均为均质各向同性的，但不同层介质的渗透性不同。
以两层含水介质，剖面二维流（图4—5）为例分析。
设两岩层渗透系数分别为及，而且。
图4—5 层状非均质介质中两种条件下的流网
1—隔水层；2—弱透水层；3—强透水层；4—等水头线；5—流线；6—测压水位线
图4—5（a）：及两层厚度相等（上下分层，并联关系）
基本原理：，I不变，ω相同，，故。
流线特征：层流线密度为的3倍（，流线根数反映流量的大小）；
等水头线特征：等水头线间隔分布一致（I不变）
与均质介质的流网比较：均质介质中流线相对均匀分布；层状非均质中流线分层均匀分布（相当于并联效果）
图4—5（b）：及两层长度相等（沿程变化，成串联关系）
基本原理：，和ω相同，故，由于，故。
流线特征：两层流线数相等（相同）
等水头线特征：层中等水头线的间隔数为层的3倍（）
与均质介质的流网比较：均质介质中等水头线均匀分布；层状非均质中等水头线分段均匀分布（相当于串联效果）。
