环境管理_水文地质学基础课程实验

水文地质学基础课程实验 实验一 地表水流速量测 毕托管 实验实验二 给水度 孔隙度 持水度测定实验实验三 饱水带地下水渗流实验 达西实验实验四 潜水模拟演示实验实验五 承压水模拟演示实验 实验一 地表水流速量测 毕托管 实验 一 实验目的1 通过本次实验 掌握基本的测速工具 毕托管 的性能和使用方法 2 加深对明槽水流流速分布的认识 并绘制垂线流速分布图 计算垂线平均流速 二 仪器设备毕托管 比压计及水槽简图如图 三 实验原理毕托管是由两根同心圆组成的管体和A B两个引管所组成 引管A与毕托管头部顶端小孔相连 引管B与离毕托管头部顶端为3d的断面上的环形孔相通 A B引管与比压计相连 由于环形孔与毕托管管体的表面垂直 因此它所测得的是不含水流动能的总势能z p 而引管A连接的顶端小孔由于正对流向 此处为水流的驻点 它所测得的是包括水流动能在内的总机械能z p u2 2g 当比压计测压牌垂直放置时 测压牌上所反映的两测压管液面差即为测点的流速水头 为了提高量测的精度 将测压牌倾斜角 若两测压管液面之间的读数差为 L 则有 h Lsin 从而可以求得测点的流速表达式 式中 C 流速修正系数 对不同结构的毕托管 其值由实验率定确定 本实验使用的毕托管 经率定C 0 999 实验一 地表水流速量测 毕托管 实验 将所测得的同一垂线各点流速 按选定的比例尺画在坐标纸上 槽底的流速为零 水面的流速矢端为水面以下各点流速矢端连线向上顺延与水面相交的那一点 由水深线及各点流速矢端所围成的矢量图 即为垂线流速分布图 如图所示 显然 流速分布图的面积除以水深h 就是垂线的平均流速 其表达式为 式中 垂线平均流速 cm s w 垂线流速分布图的面积 cm2 h 水深 cm 实验一 地表水流速量测 毕托管 实验 四 实验步骤1 确定全关阀门 然后接通水泵和涡轮流量数字积算仪的电源 2 缓慢打开水槽的进水阀门 调节尾门 将水深控制在15厘米左右 3 用测针测得水深h 如图所示 在断面垂线上布置5个测点 毕托管最高点宜在水面以下2厘米 最低点为毕托管的半径 0 4厘米 其余各点均分布在其中 4 按所布置的垂线及测点位置逐步进行测量 例如 把毕托管放到槽底 同时测读固定毕托管测杆标尺上的读数 稍待稳定后 再测读比压计上的读数 这就完成了第1个测点的工作 然后将毕托管依次提升 直至水面下2厘米那一点为止 5 将测得的数据进行分析 整理 并按一定的比例在坐标纸上点绘垂线上流速分布图 实验一 地表水流速量测 毕托管 实验 五 注意事项1 测速之前 首先要对毕托管 比压计进行排气 排气方法 将毕托管置于防气盒中 从比压计三通管注入有一定压力的水流 使水和空气由毕托管喷出 冲水约3分钟左右并使毕托管淹没于防气盒中 然后打开三通管 在大气压强作用下比压计测管中的水面下降 待降到便于测读的位置时 用止水夹夹紧三通管 待静止稳定后比压计两测管中的水面应该齐平 否则要稍作整平或重新冲水排气 直至两管水面齐平后去掉防水盒方可进行测速工作 2 实验过程中 为防止进气 毕托管不得露出水面 实验结束后 将毕托管放入防气盒静水中 检查是否进气 若比压计两管水面不平 说明所测数据有误差 应重新冲水排气 重新进行测量 3 毕托管管体必须正对流向 4 测读时 视线应垂直于比压计的倾斜面 读取弯液面的最低点读数 当测管中的水面上下脉动时 读取平均值 实验一 地表水流速量测 毕托管 实验 六 实验成果1 已知数据水槽宽度B 10 cm 毕托管直径d 0 8 cm 比压计倾斜角 30 重力加速度g 980 cm s2 2 实测数据与计算槽底测针读数厘米 测针尖接触水面时的读数厘米 测针量得水深h 厘米 3 将所测得实验数据填入实验记录表 1 1 中 4 根据已知数据和实测与计算的数据在坐标纸上点绘垂线上流速分布图 实验一 地表水流速量测 毕托管 实验 表1 1垂线流速分布测定表 实验一 地表水流速量测 毕托管 实验 L 实验一 地表水流速量测 毕托管 实验 七 思考问题1 毕托管 比压计排气不净 为什么会影响量测精度 2 为什么必须将毕托管正对来流方向 如何判断毕托管是否正对了流向 3 比压计安放位置的高低 是否影响量测数据 为什么 实验二给水度 孔隙度 持水度测定实验 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 3 熟悉给水度仪并对仪器进行标定 4 测定三种松散岩石试样的孔隙度 给水度和持水度 二 仪器设备1 给水度仪 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 实验二给水度 孔隙度 持水度测定实验 1 装样筛 2 筛板 3 试样筒 4 透水石 5 固定连接板 6 试样筒底部漏斗 7 弹簧夹 8 硬塑料管 9 滴定管 10 三通管 1 H为三通管液面到透水石底面的距离 2 三通管液面 三 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 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 实验二给水度 孔隙度 持水度测定实验 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 实验二给水度 孔隙度 持水度测定实验 四 实验原理给水度就是饱水岩石在重力作用下 能从岩石中自由流出来的水的体积与整个岩石体积之比 在数值上相当于岩石饱和容水度 简称容水度 与最大分子水容度 持水度 之差 其计算公式为 孔隙度是指某一体积岩石 包括孔隙在内 中孔隙体积所占的比例 其计算公式为 持水度是指饱水岩石在重力作用下释水后 岩石中保持的水的体积与岩石体积之比 其计算公式为 式中 水充满砂样孔隙的体积 进水量体积 cm3 重力作用下 饱水砂中自由流出的水体积 退水量体积 cm3 饱水砂样的总体积 试样体积 cm3 给水度 孔隙度和持水度的测定有两种方法 体积法和差值法 体积法适用于碎石 砾和砂等粗粒岩土 差值法适用于砂 粉砂和粘性土等细粒岩土 本实验要求掌握体积法测定砂的给水度 孔隙度和持水度 实验二给水度 孔隙度 持水度测定实验 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 实验二给水度 孔隙度 持水度测定实验 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 表2 1 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 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2 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 实验二给水度 孔隙度 持水度测定实验 六 注意事项1 防止仪器底部漏斗有气泡 2 自下往上饱和试样过程要缓慢 以避免砂样中残留气泡 3 测量水体积 要注意读数精确 七 实验成果完成实验成果 表2 1 实验二给水度 孔隙度 持水度测定实验 实验二给水度 孔隙度 持水度测定实验 表2 1给水度 孔隙度和持水度实验记录表 报告人班号组号同组成员实验日期年月日 八 思考问题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 实验二给水度 孔隙度 持水度测定实验 实验三 饱水带地下水渗流实验 达西实验 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 2 了解达西实验装置 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 实验仪器1 达西仪 分别装有不同粒径的均质试样 砾石 粒径5 10mm 粗砂 粒径0 6 0 9mm 砂砾混合 与 的混合样 2 秒表 3 量筒 100ml 500ml各一个 4 直尺 5 计算器 达西实验装置示意图1 试样 2 进水开关 3 出水管 4 测压管 5 仪器架 6 排气管 实验三 饱水带地下水渗流实验 达西实验 三 实验原理室内渗透系数测定是根据达西关于多孔介质中地下水的线性渗透定律而设计的 由达西定律 在常水头条件下 水流在单位时间内透过岩石空隙的流量 Q 与岩石的断面面积 水力坡度 I 成正比 测定不同试样的渗透系数 式中 Q 渗透流量 cm3 过水断面面积 cm2 上下游过水断面的水头差 cm L 渗透途径 cm I 水力梯度 由上式可推知 亦即 渗透系数在数值上等于水力坡度为1时 透过某单位过水断面的渗流量 亦即渗流速度 实验三 饱水带地下水渗流实验 达西实验 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 测压管a b c的间距或渗透途径 L 记入 表3 1 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 读出各测压管的水头值 记入 表3 1 中 实验三 饱水带地下水渗流实验 达西实验 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 取平均值记入 表3 1 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1 3次 即完成3 5次实验 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 实验三 饱水带地下水渗流实验 达西实验 五 注意事项1 实验过程中要及时排除气泡 2 为使渗透流速 水力梯度 v I 曲线的测点分布均匀 流量 或水头差 的变化要控制合适 六 实验成果1 提交实验报告表 表3 1 2 在同一坐标系内绘出三种试样的 曲线 并分别用这些曲线求渗透系数K值 与直接据 表3 1 中实验数据计算结果进行对比 实验三 饱水带地下水渗流实验 达西实验 表3 1达西渗流实验报告表仪器编号 过水断面面积 cm 渗透途径 L cm 水温 实验三 饱水带地下水渗流实验 达西实验 渗透流速 实验日期报告人班号组号同组成员 七 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 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 饱水带地下水渗流实验 达西实验 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 3 认真观察地表径流 确定潜水面形状 同时分析地下水分水岭的移动过程和不同条件下的潜水流网 二 实验仪器1 地下水演示仪 该仪器的主要组成部分及功能介绍如下 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 实验四 潜水模拟演示实验 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 9 水表 2 示踪剂选用红墨水演示流线 3 直尺 50cm 和计算器等 实验四 潜水模拟演示实验 三 实验原理饱水带中第一个具有表面的含水层中的水称作潜水 潜水没有隔水顶板 或只有局部的隔水顶板 潜水的水面为自由水面 称作潜水面 由于潜水含水层上面不存在隔水层 直接与包气带相接 所以潜水在其全部分布范围内都可以通过包气带接受大气降水 地表水或凝结水的补给 潜水面不承压 通常在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方径流 潜水的排泄方式有两种 一种是径流到适当地形处 以泉 渗流等形式泄出地表或流入地表水 这便是径流排泄 另一种是通过包气带或植物蒸发进入大气 这是蒸发排泄 本次实验就是根据自然潜水的补给和排泄方式进行模拟 通过人工降水以及不同排泄方式来演示潜水运移 同时通过改变河流水位 进而改变地下水分水岭的移动 从而让学生更直观的观察潜水流网 实验四 潜水模拟演示实验 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 3 观测有入渗条件的潜水面形状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 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 实验四 潜水模拟演示实验 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 五 注意事项要认真观察潜水流网变化的形状 以便更清楚地了解天然条件下潜水运移规律 实验四 潜水模拟演示实验 六 实验成果1 在上根据步骤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 七 思考问题1 分析降雨强度与地表径流的关系 2 分析地形与地表径流的关系 3 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 4 若两非完整井等降深抽水时 各井的抽水量是否相等 实验四 潜水模拟演示实验 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 3 分析讨论承压含水层补给与排泄的关系 观测天然条件下泉流量的衰减曲线 二 实验仪器1 承压水演示仪 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 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 实验五 承压水模拟演示实验 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 实验五 承压水模拟演示实验 实验五 承压水模拟演示实验 承压水演示仪 1 5 三 实验原理充满于两个隔水层之间的含水层中的水 叫做承压水 承压水含水层上部的隔水层称作隔水顶板 或叫限制层 下部的隔水层叫做隔水底板 顶底板之间的距离为含水层厚度 承压水受到隔水层的限制 与大气圈 地表水圈的联系较弱 当顶底板隔水性能良好时 他主要通过含水层出露地表的补给区 这里的水实际上已转为潜水 获得补给 并通过范围有限的排泄区排泄 本实验所模拟的以抬高河水的水位来补给承压水 同时以泉 集水廊道和井的形式进行排泄