水資源基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、指導(dǎo)書目 錄序 言i第一篇 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)一 巖石孔隙度測(cè)定2實(shí)驗(yàn)二 達(dá)西實(shí)驗(yàn)6實(shí)驗(yàn)三 滲壓實(shí)驗(yàn)13實(shí)驗(yàn)四 毛細(xì)水上升高度的測(cè)定19實(shí)驗(yàn)五 持水度的測(cè)定24實(shí)驗(yàn)六 含水率剖面測(cè)定28實(shí)驗(yàn)七 給水度的測(cè)定34第二篇 水力學(xué)實(shí)驗(yàn)39實(shí)驗(yàn)八 靜水壓強(qiáng)40實(shí)驗(yàn)九 伯努力方程實(shí)驗(yàn)43實(shí)驗(yàn)十 雷諾實(shí)驗(yàn)48實(shí)驗(yàn)十一 沿程阻力系數(shù)測(cè)定54第三篇 地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)58實(shí)驗(yàn)十二 滲流槽60實(shí)驗(yàn)十三 水電比擬64序 言水文水資源專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書是按吉林大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目水資源基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放式教學(xué)模式研究課題的要求編寫的，本書由水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、水力學(xué)實(shí)驗(yàn)及地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)三部分組成，共有十三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2、水資源基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、水力學(xué)和地下水動(dòng)力學(xué)三門專業(yè)基礎(chǔ)課程不可缺少的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。靈活掌握這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的目的、原理、方法、過(guò)程及數(shù)據(jù)處理方法，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)課堂理論教學(xué)的深入理解，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。結(jié)合吉林大學(xué)教學(xué)改革的目標(biāo)和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的思想定位，我們運(yùn)用現(xiàn)代化的媒體技術(shù)，采用多種表現(xiàn)手段和方法，編寫了本指導(dǎo)書。力求詳細(xì)、直觀地將各個(gè)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)內(nèi)容體系和操作過(guò)程完整地呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生能夠利用該指導(dǎo)書在實(shí)驗(yàn)室老師的幫助下獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而提高實(shí)驗(yàn)室的利用效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，改善現(xiàn)有的上實(shí)驗(yàn)課時(shí)人多擁擠、多人共用一臺(tái)儀器、實(shí)驗(yàn)效果不理想，而平時(shí)大量

3、時(shí)間空閑的不合理運(yùn)行模式。良好的運(yùn)行模式必須要依靠有力的制度規(guī)范。為了保證開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的順利運(yùn)行，特別制定了開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求：（1）做實(shí)驗(yàn)前必須認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、觀看相關(guān)課件，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法步驟、數(shù)據(jù)記錄等。了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法。（2）提前與實(shí)驗(yàn)室老師聯(lián)系，了解儀器的空閑時(shí)間，嚴(yán)格按照預(yù)約的時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（3）實(shí)驗(yàn)需分小組進(jìn)行，并指定組長(zhǎng)，按實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（4）遵守實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度，愛(ài)護(hù)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備。（5）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果儀器設(shè)備發(fā)生故障，應(yīng)立即向指導(dǎo)教師報(bào)告，以便及時(shí)排除故障，保證實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。（6）實(shí)驗(yàn)完畢后，將儀器設(shè)備恢復(fù)

4、原狀，清理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，保持實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整潔衛(wèi)生狀況。然后將實(shí)驗(yàn)原始記錄交指導(dǎo)教師審閱。并填寫實(shí)驗(yàn)登記表。（7）實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)書寫工整、圖表清晰，成果正確，按時(shí)交給指導(dǎo)教師批閱。編寫本教材的目的是促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和積極性，為學(xué)生提供優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和寬松的實(shí)驗(yàn)條件，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、分析能力、與創(chuàng)新能力，提高實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的利用率，改善實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行模式。本教材在編寫過(guò)程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、儀器結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)步驟、資料整理及思考題等內(nèi)容均作了清楚地介紹，并配合有清晰的彩色實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)示意照片和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的視頻材料，有利于學(xué)生自學(xué)，使學(xué)生能夠根據(jù)自己的實(shí)際空閑時(shí)間狀況，以靈活的方式（包括網(wǎng)

5、絡(luò)）完成實(shí)驗(yàn)理論學(xué)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)的整體過(guò)程，并能到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本教材編寫過(guò)程中得到了水資源系曹劍峰教授、肖長(zhǎng)來(lái)教授、卞建民副教授、鮑新華副教授的大力支持，在此表示感謝。參加編寫的還有姜紀(jì)沂博士。由于編者的水平有限，書中疏漏之處請(qǐng)使用者給予批評(píng)指正。 編 者 2005年11月于長(zhǎng)春第一篇 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水的科學(xué)。水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)作為水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)課程，主要介紹與地下水形成、分布、賦存、運(yùn)移有關(guān)的基本概念和基本原理。對(duì)這些基本概念和基本原理的深入理解，和對(duì)基本原理和基本理論的靈活運(yùn)用，是學(xué)好水文地質(zhì)學(xué)這門課程的基礎(chǔ)，也是運(yùn)用水文地質(zhì)學(xué)的理論解決實(shí)際水文地質(zhì)問(wèn)題的關(guān)鍵。水文

6、地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方式，使學(xué)生能夠親自操作，獲得多項(xiàng)重要的水文地質(zhì)參數(shù)，如孔隙度、給水度、持水度、滲透系數(shù)，以及含水量剖面、毛細(xì)上升高度，驗(yàn)證地下水滲流的基本定律達(dá)西定律等。通過(guò)這些基本的實(shí)驗(yàn)，可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)的基本概念的理解，和對(duì)基本理論的掌握。因此，水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)成為水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中不可缺少的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。學(xué)生在熟練掌握已有的常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，結(jié)合專業(yè)問(wèn)題，自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行專門的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)的目的。實(shí)驗(yàn)一 巖石孔隙度測(cè)定發(fā)作為人類

7、生存不可缺少的水資源由兩大部分組成，一是地表水，另外一部分是廣泛分布于地下的地下水資源。那么，作為水資源的重要組成部分的地下水又是怎樣賦存于地下空間的呢？其實(shí)，巖石中存在著不同大小和規(guī)模的空隙，這些空隙為地下水儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)提供了場(chǎng)所和通道。巖石的空隙（松散巖石的孔隙、堅(jiān)硬巖石的裂隙、可溶巖石的溶穴）空間越大，則可以容納的地下水就越多。為了定量描述巖石空隙空間的大小，提出了空隙度的概念。對(duì)于不同性質(zhì)的巖石（松散巖、堅(jiān)硬基巖、可溶巖），分別用孔隙度、裂隙率、巖溶率來(lái)表示。裂隙率、巖溶率大多是通過(guò)野外調(diào)查獲得，孔隙度一般在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)儀器測(cè)定得到。下面就讓我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)來(lái)測(cè)量一下巖石的孔隙度。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

8、的通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解巖石空隙度的物理性質(zhì)，掌握實(shí)驗(yàn)室測(cè)定巖石孔隙度的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理我們都知道，衡量土的孔隙（包括裂隙在內(nèi)）多少的定量指標(biāo)是用孔隙度來(lái)表示的。孔隙度(n)=100 （11）土的孔隙是地下水儲(chǔ)容和運(yùn)動(dòng)的空間和場(chǎng)所，對(duì)于飽水巖石其孔隙的多少直接反映了含水量的多少，同時(shí)無(wú)論是飽水帶或包氣帶的巖石，孔隙的多少和性質(zhì)都直接控制、影響著地下水分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此，研究巖石孔隙的性質(zhì)和測(cè)定巖石孔隙的多少具有十分重要的意義。測(cè)定巖石孔隙度的方法很多，有注水法、比重法、野外直接測(cè)定法等。我們所采用的是氣壓平衡法來(lái)測(cè)定巖石的孔隙度，這種方法適用于堅(jiān)硬巖石和松散巖石，其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、迅速、精確度

9、高。三、儀器結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)所用的儀器是“kc2型氣體法巖石孔隙度儀”，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。巖心室毛細(xì)管巖心上蓋密封壓帽水銀腔巖心杯活動(dòng)金屬板水平軸儀器固定底板硬質(zhì)玻璃半透隔板考克標(biāo)尺圖1 巖石孔隙度儀實(shí)驗(yàn)方法是根據(jù)氣壓平衡的原理，當(dāng)儀器平臥時(shí)，密封容器內(nèi)腔與毛細(xì)管均為常壓。當(dāng)關(guān)閉巖心室上蓋的考克后，將儀器沿水平軸豎起時(shí)，則毛細(xì)管內(nèi)的水銀流入空腔，使密封容器內(nèi)氣體壓縮，其壓縮量的大小取決于試樣骨架體積的大小，反映在水銀柱高上，在刻度尺上可讀出數(shù)值。骨架體積越大，反映在水銀柱高度上越高，反之相反。骨架體積的數(shù)值可在由標(biāo)準(zhǔn)體積砝碼測(cè)定的vh標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得。因此，首先就要利用已知的一套砝碼去測(cè)定孔隙度，并繪

10、制出標(biāo)準(zhǔn)的vh曲線。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.繪制vh標(biāo)準(zhǔn)曲線標(biāo)準(zhǔn)曲線是利用體積已知的一套砝碼代替樣品繪制而成，具體步驟：(1)打開(kāi)考克（放氣）和巖心室上蓋，將體積為0.5cm3的砝碼放入巖心室中，然后擰緊上蓋（每次擰緊程度相同），關(guān)閉考克。(2)用食指適量的堵住毛細(xì)管的擴(kuò)大開(kāi)口一端，抬起活動(dòng)金屬板，沿水平軸豎起，使毛細(xì)管中的水銀慢慢地流入巖心室底部（水銀下降速度太快會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)管破裂，或使水銀柱斷開(kāi)），當(dāng)活動(dòng)板架恢復(fù)原位時(shí)，也要注意這個(gè)問(wèn)題。(3)立起活動(dòng)板架后，待水銀柱穩(wěn)定后，讀出水銀柱高（cm）。每一個(gè)砝碼讀三次，取其平均值。如果當(dāng)活動(dòng)板架立起后水銀柱持續(xù)下降，說(shuō)明有漏氣現(xiàn)象，這時(shí)可將密封圈、上蓋螺

11、旋、考克涂上少量的凡士林油進(jìn)行處理。(4)增加砝碼，重復(fù)測(cè)出不同體積砝碼所對(duì)應(yīng)的水銀柱高度，將數(shù)值列入表11中，并以體積v為橫坐標(biāo)，水銀柱高度h為縱坐標(biāo)，繪制v-h標(biāo)準(zhǔn)曲線，如果測(cè)得準(zhǔn)確，做出的曲線非常光滑而有規(guī)律。作出標(biāo)準(zhǔn)曲線后，就要測(cè)巖樣骨架的體積（vs）。2.巖樣骨架體積vs的測(cè)定將砝碼取出，將待測(cè)巖樣放入巖心室中，仍按上述方法進(jìn)測(cè)量。巖樣的骨架體積用所對(duì)應(yīng)的水銀柱高度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出。3.巖樣總體積v的測(cè)定可用排開(kāi)水銀法，蠟封排水法，直接測(cè)量等方法求得。4.計(jì)算孔隙度n用vn代表孔隙體積，則： （12） （13）五、資料整理及思考題（1）將數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果列入表11。表11巖樣水銀柱平

12、均高度h(cm)巖樣骨架體積vs(cm3)巖樣總體積v(cm3)孔隙體積vn(cm3)孔隙度n(%)（2）繪制vh標(biāo)準(zhǔn)曲線。（3）結(jié)合本次測(cè)量結(jié)果說(shuō)明孔隙度大小與那些因素有關(guān)，為什么?（4）對(duì)于疏松巖石為什么顆粒越粗，孔隙度越小?（5）研究巖石孔隙度的水文地質(zhì)意義有那些? 實(shí)驗(yàn)二 達(dá)西實(shí)驗(yàn)前面我們已經(jīng)知道了地下水儲(chǔ)存在巖石的空隙中，那么地下水在巖石空隙中是怎樣運(yùn)動(dòng)（滲流或滲透）的呢？也就是地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律是什么呢？早在1856年，法國(guó)水力學(xué)家達(dá)爾西（darcy）通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，得到了水在孔隙介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的線性滲透定律達(dá)西定律。達(dá)西定律表述的是通過(guò)過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁颗c水力梯度、過(guò)水?dāng)嗝婷娣e和介質(zhì)的

13、滲透性質(zhì)之間的關(guān)系。為了定量描述巖石的滲透性質(zhì)，提出了滲透系數(shù)的概念。巖石滲透系數(shù)是定量描述巖石透水性能的物理指標(biāo)，巖石空隙越大、連通性越好，則滲透系數(shù)越大，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)過(guò)水?dāng)嗝娴乃吭蕉?。滲透系數(shù)在數(shù)值上等于水力坡度為1時(shí)的滲流速度。所以滲透系數(shù)具有速度的單位。滲透系數(shù)是諸多有關(guān)水文計(jì)算問(wèn)題（水井涌水量、礦坑涌水量及水庫(kù)、渠道滲流量等）中不可缺少的、重要的水文地質(zhì)參數(shù)。滲透系數(shù)可以通過(guò)抽水試驗(yàn)、物理模擬、數(shù)值模擬等不同的方法求得?，F(xiàn)在我們來(lái)進(jìn)行達(dá)西實(shí)驗(yàn)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握實(shí)驗(yàn)室測(cè)定孔隙介質(zhì)滲透系數(shù)的方法，加深對(duì)巖石滲透系數(shù)的認(rèn)識(shí)。（2）驗(yàn)證達(dá)西定律，從而提高對(duì)直線滲透定律的理解。在野外

14、確定滲透系數(shù)常用的方法有：井孔抽水、注水及試坑滲水、壓水試驗(yàn)等方法。這些方法所得資料可靠，精度高，但效率低，成本高。在室內(nèi)常用達(dá)西儀、戚姆儀及滲壓儀、滲流槽等實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定?，F(xiàn)在我們采用達(dá)西儀來(lái)測(cè)定巖石的滲透系數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理達(dá)西通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，得到圓筒過(guò)水?dāng)嗝娴臐B流量q與圓筒斷面f和水力坡度i成正比，并和土壤的透水性能有關(guān)，所建立基本關(guān)系式如下： ； 或式中：v-為滲流簡(jiǎn)化模型的斷面平均流速；k-為巖石的滲透系數(shù)，反映了孔隙介質(zhì)透水性能。三、儀器結(jié)構(gòu)馬氏瓶試樣筒測(cè)壓板測(cè)壓管供水管排水管排水孔水槽量筒吸球過(guò)濾板測(cè)壓孔達(dá)西儀共由四部分組成（見(jiàn)圖2）圖2 達(dá)西儀1.供水器裝置（馬氏瓶）：以法國(guó)物理學(xué)家

15、mariotte的馬利奧特瓶裝置，是一種能控制水位又能自動(dòng)連續(xù)補(bǔ)給水的量測(cè)裝置。2.滲透裝置（試樣筒）：有機(jī)玻璃圓筒，上部設(shè)有進(jìn)水孔，底部裝有過(guò)濾板，下端有出水孔，供測(cè)量滲流量用。側(cè)面有三個(gè)測(cè)壓孔。3.測(cè)壓裝置（測(cè)壓板和測(cè)壓管）：在測(cè)壓板上裝有三根58mm帶刻度的玻璃管，分別與試樣筒上的三個(gè)測(cè)壓孔連接，用于測(cè)定三個(gè)斷面上的測(cè)壓水位。三個(gè)測(cè)壓管用膠管分別與試樣筒相應(yīng)的管孔連結(jié)。4.排水裝置：在測(cè)壓板上均勻分布有一系列的圓孔，用于調(diào)節(jié)排水水位。其它設(shè)備有：100m1的量筒、水槽、漏斗、搗捧、裝樣杯、秒表、溫度計(jì)、管夾、膠皮管及吸氣球等。達(dá)西儀適用于砂土的滲透系數(shù)測(cè)定。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.檢查儀器設(shè)備是

16、否齊全、完好。膠管與儀器連結(jié)處是否漏氣漏水或堵塞。2.裝樣：巖樣有兩種，即原狀樣和擾動(dòng)樣。原狀樣就是在野外取來(lái)土柱直接裝到滲透裝置（有機(jī)玻璃圓筒）內(nèi)；擾動(dòng)樣則要按天然容重分層搗實(shí)，盡量接近天然狀態(tài)，否則就沒(méi)有實(shí)驗(yàn)意義了。裝樣前，在過(guò)濾篩板上放二層銅絲網(wǎng)，然后裝樣，每裝35cm厚時(shí)，用搗捧輕擊數(shù)次，并測(cè)定試樣的孔隙度或容重，使其結(jié)構(gòu)盡量符合實(shí)際狀態(tài)。重復(fù)上述過(guò)程，直至試樣超過(guò)最上一個(gè)測(cè)壓孔以上5cm為止。3.飽和試樣（因達(dá)西定律是飽水帶重力水運(yùn)動(dòng)的基本定律）：先將排水水位調(diào)節(jié)高于試樣水面，飽和試樣時(shí)要自上而下進(jìn)行注水（便于排氣），打開(kāi)供水管夾，待試樣表面出現(xiàn)水膜時(shí)（即飽和了），立即關(guān)閉供水夾，觀

17、察試樣筒及三個(gè)側(cè)壓管水位是否在同一水平面上（因此時(shí)試樣筒與測(cè)壓管是u型連通器），如果測(cè)壓管水位不在同一水平面上，則說(shuō)明有氣泡存在或測(cè)壓管被堵塞，這時(shí)需要排氣，排氣的方法有兩種，即將測(cè)壓板傾斜或用吸耳氣球從偏高或偏低水位的管中吸出氣泡，達(dá)到水平，各測(cè)壓管水位差1mm為準(zhǔn)。4.實(shí)驗(yàn)測(cè)定：打開(kāi)供水管夾（實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持常水頭供水），調(diào)節(jié)排水水位（不能高于供水水位），當(dāng)測(cè)壓管水位穩(wěn)定后(30秒鐘內(nèi)水位變動(dòng)o/t鍵，預(yù)熱2030分鐘。2.稱鋁盒重（待取樣用）。3.裝樣：試樣最好是取直徑稍大于土柱儀的原狀試樣，邊削邊裝入圓筒中。擾動(dòng)試樣要分層裝，每裝35cm厚時(shí)，用搗棒輕擊數(shù)次，并測(cè)定試樣的孔隙度或容重，使

18、其結(jié)果盡量符合實(shí)地的狀態(tài)(否則是沒(méi)有生產(chǎn)或科研意義)。重復(fù)上述過(guò)程直至試樣與土柱儀筒口一樣高為止。4.飽水和釋水：打開(kāi)供水夾。自下而上向土柱中充水。待試樣表面出水膜時(shí)，立即停止供水。打開(kāi)排水管夾，排水24小時(shí)，排盡土柱儀中自由重力水。沖水與排水過(guò)程均要緩慢進(jìn)行。5.取樣秤重：24小時(shí)排水穩(wěn)定后，記錄最終水位，分別在2、4、6、8、10、12、14及16號(hào)孔取試樣1030g左右，裝入已知重量()的鋁盒內(nèi)；立即蓋好盒蓋(蓋及盒號(hào)應(yīng)相符)，擦凈盒外余土雜物，用天秤稱得盒及濕土重量(g1)，然后打開(kāi)盒蓋放入烘箱，在105溫度下恒溫4小時(shí)以上，烘干。6.將烘干后的鋁盒分別蓋好相應(yīng)的盒蓋，放入干燥器，冷卻

19、至室溫，稱得盒和干樣重量(g2)。五、資料整理及思考題1將稱得盒重、盒及濕樣重、盒及干樣重量按孔號(hào)分別填入記錄表（51）。并按公式計(jì)算含水率()，100%將各孔試樣計(jì)算的含水率填入表(51)。表51孔號(hào)盒號(hào)盒重g0(克)盒及濕樣重g1(克)盒及干樣重g2(克)水分重g1-g2干樣重g2-g0含水率2468101214162.繪制剖面水分分布曲線h，首先分別測(cè)得取樣各孔至釋水后最終靜止水位的距離(cm)，設(shè)水位為原點(diǎn)，以距離為縱座標(biāo)，以含水率()為橫座標(biāo)，繪制h曲線。曲線上值變化不大的孔段范圍內(nèi)，的平均值即為持水度。3.分析h一曲線的特征和拐點(diǎn)，確定持水度(最大分子持水度)、毛管水及支持毛管水帶

20、的分布高度(cm)。實(shí)驗(yàn)六 含水率剖面測(cè)定巖土中的水分含量多少是隨著深度而發(fā)生變化的。含水率剖面是描述某一時(shí)刻包氣帶中，水分分布規(guī)律的土壤水分剖面。具有實(shí)際意義的含水率剖面，常常是在野外用中子水分儀沿中子測(cè)孔測(cè)得。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握用中子水分儀測(cè)定含水率剖面的方法。2.學(xué)會(huì)整理資料，能繪制出含水率剖面圖并進(jìn)行分析。根據(jù)中子水分儀在野外測(cè)得水分分布規(guī)律，將土壤水分剖面分為四個(gè)帶。1.土壤表層帶：位于土壤表層，含水量受外界影響變化很大，當(dāng)降雨或有水源補(bǔ)給時(shí)，含水率會(huì)明顯增大。當(dāng)干旱蒸發(fā)時(shí)，水分減少，甚至形成土壤表層干裂。2.持水帶：土壤含水量隨深度變化不大，接近田間持水量。3.支持毛管水帶：土壤

21、水幾乎全為毛管水，含水量隨深度變化很大，其大小受顆粒大小級(jí)配影響。4.飽水帶：位于潛水面之下，與支持毛細(xì)水帶緊密連接，土壤孔隙基本被自由重力水充滿，含水率不再增加，達(dá)到飽和。二、實(shí)驗(yàn)原理中子水分儀的工作原理：利用中子源發(fā)出快中子，這些快中子與土壤中構(gòu)成物質(zhì)的原子核相互碰撞，便慢化成慢中子和熱中子。不同物質(zhì)的慢化能力是不同的。原子核質(zhì)量越大的物質(zhì)，慢化能力越差。氫是所有原子核中質(zhì)量最小的，因此慢化能力較別的物質(zhì)大得多。土壤中含氫越多，中子就慢化得越快。這樣，在中子源周圍形成一個(gè)隨著土壤含氫量增多，體積變小，但熱中子密度變大的“熱中子云球”。探則這個(gè)“熱中子云球”的密度，就能知道土壤含氫量的多少，

22、而土壤中絕大部分的氫存在于水中，這樣就間接地測(cè)出土壤含水量了。中子源旁有一塊體積確定的熱中子探測(cè)器，它能將進(jìn)入探測(cè)器的熱中子轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)并通過(guò)電子線路將其個(gè)數(shù)記錄下來(lái)，這樣土壤中含氫量大，儀器記錄到的計(jì)數(shù)就多。我們知道每一個(gè)水分子含有二個(gè)氫原子，而土壤中的氫大部分來(lái)自水中，這樣熱中子計(jì)數(shù)和土壤含水量之間就存在著一種確定的關(guān)系，我們?cè)跇?biāo)定中通過(guò)回歸的方法找出這種關(guān)系，就能計(jì)算出含水量。為了適應(yīng)土壤的多樣性和復(fù)雜性，我們采用了如下三種典型的土壤率定曲線。用于砂質(zhì)、粉砂質(zhì)、礫石質(zhì)土壤時(shí)為：用于壤土?xí)r為； 用于粘土?xí)r為：式中：土壤體積含水率(以小數(shù)計(jì))；r實(shí)測(cè)土壤中的檢測(cè)器計(jì)數(shù)(每秒計(jì)數(shù))；rw在水

23、中的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)(每秒計(jì)數(shù))；rrw稱為計(jì)數(shù)比。使用中子水分儀測(cè)定土壤水分剖面時(shí)，首先要選有代表性的地點(diǎn)，正確地埋置鋁導(dǎo)管，盡量使導(dǎo)管外壁與土壤緊密接觸。過(guò)四、五天，待土壤情況穩(wěn)定后再進(jìn)行測(cè)量。鋁管內(nèi)千萬(wàn)不能進(jìn)水，以防探頭損壞。利用中子水分儀求得的土壤水分含量，并不是一個(gè)測(cè)位的點(diǎn)值，在一般情況下是半徑為1015cm球體內(nèi)的平均值，顯然測(cè)點(diǎn)的間距越小越能比較真實(shí)地反映土壤水分的連續(xù)變化。但間距太小對(duì)測(cè)試精度來(lái)說(shuō)也沒(méi)有太大的意義。因此，實(shí)驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)間距采用10cm制，既可以保證測(cè)試球體的部分重合，使結(jié)果成為一個(gè)相當(dāng)平滑的剖面，測(cè)量時(shí)間也不致拖得太長(zhǎng)。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距地表埋深較淺時(shí)，乃至小于作用球體半徑的情況下，

24、中子會(huì)逸出土壤而損失，測(cè)得的土壤水分含量偏小。此時(shí)可以采用烘干法測(cè)定030cm土層的含水率。圖61 智能中子土壤水分儀三、儀器結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6-1）l520型智能中子土壤水分儀是集多種高技術(shù)于一體的野外土壤含水量測(cè)量?jī)x器。測(cè)量時(shí)只要將探頭放入預(yù)先埋設(shè)好的導(dǎo)管內(nèi)，半分鐘左右就能得到一個(gè)土壤層的含水量值。整個(gè)測(cè)量過(guò)程不用取樣，精確、快速，測(cè)深不限，不受水分物理狀態(tài)(如冰凍)的影響。該儀器主要用于田間土壤水分測(cè)量，觀察水分分層分布情況及動(dòng)態(tài)變化，作物的需水量研究，節(jié)水灌溉研究，嚴(yán)寒地區(qū)凍土水分測(cè)量，及某些部門的長(zhǎng)期土壤水分資料積累等方面，也可用于其他物料的水分測(cè)量。儀器內(nèi)部采用單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，直接顯示含

25、水量值，所有計(jì)算貯存自動(dòng)完成，可根據(jù)被測(cè)量的土壤狀況輸入10條多項(xiàng)式標(biāo)定曲線供計(jì)算用，并可隨意調(diào)用。測(cè)量的結(jié)果可顯示或打印出來(lái)，并可和微機(jī)聯(lián)機(jī)通訊。主要結(jié)構(gòu)有：圖62 中子水分儀示意圖1探頭中子源：l520型中子水分儀使用30mci(11gbq)241镅鈹三層不銹鋼封裝柱狀同位素中子源。鋰玻璃探測(cè)器：其外形象一塊 圓形玻璃，用硅脂粘合在光電倍增管前端，每當(dāng)熱中子和探測(cè)器中鋰發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生很弱的閃光，它對(duì)熱中子的探測(cè)效率很高，不易損壞，而且壽命極長(zhǎng)。光電倍增管：光電倍增管是光電轉(zhuǎn)換器件，探測(cè)器接受到熱中子并發(fā)出閃光時(shí)，光子會(huì)在光陰極上打出一些電子，這些電子在光電倍增管內(nèi)經(jīng)過(guò)多級(jí)放大，便輸

26、出一個(gè)個(gè)脈沖信號(hào)，最后被電子線路接收記錄。光電倍增管外殼是由玻璃制造，所以要注意防止猛烈震動(dòng)而受到損壞。2標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)容器：它是由含氫量很高的復(fù)合聚乙烯材料制成。有兩個(gè)作用：快中子經(jīng)過(guò)它時(shí)大部分已被慢化和吸收了，容器外的劑量率低于國(guó)家允許標(biāo)準(zhǔn)，保證了使用者的身體健康。 做標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)。如果外界原因(溫度影響等)使測(cè)量計(jì)數(shù)率減小或增加，那么標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)率也會(huì)以相同的比率變化，其計(jì)數(shù)率比應(yīng)不受外界因素影響，采用計(jì)數(shù)率比可減小系統(tǒng)誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。3主機(jī)面板各鍵功能。主機(jī)面板共有21個(gè)鍵，現(xiàn)將其功能簡(jiǎn)述如下：09數(shù)字鍵、小數(shù)點(diǎn)鍵、正負(fù)號(hào)鍵:用于數(shù)據(jù)輸入和應(yīng)答儀器的提示。在測(cè)量態(tài)時(shí)，當(dāng)出平均值提示符p，按數(shù)

27、字鍵選擇曲線方程。復(fù)位鍵:用于整機(jī)恢復(fù)初態(tài)，這時(shí)提示hello。監(jiān)控鍵:在監(jiān)控態(tài)時(shí)提示pp，它是各種狀態(tài)的出入口。當(dāng)欲從一種狀態(tài)變成另一種狀態(tài)，必須通過(guò)監(jiān)控鍵來(lái)轉(zhuǎn)換。標(biāo)定鍵:在標(biāo)定態(tài)可查看和修改曲線方程系數(shù)。測(cè)量鍵:在初態(tài)按測(cè)量進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)，在監(jiān)控態(tài)，按測(cè)量進(jìn)入測(cè)量態(tài)，提示輸入測(cè)量次數(shù)、測(cè)量管號(hào)、測(cè)量深度并進(jìn)行測(cè)量。重復(fù)鍵: 在重復(fù)態(tài)時(shí)將做無(wú)限重復(fù)計(jì)數(shù)。清零鍵:將所有水分值存貯單元變?yōu)榱?，其他系?shù)不變，連按兩次有效。顯示鍵:提示輸入管號(hào)，深號(hào)，然后顯示測(cè)量得到的水分值。打印鍵:提示輸入打印機(jī)類型代號(hào)和打印范圍，然后將測(cè)量值打印輸出。結(jié)束鍵:關(guān)機(jī)前按結(jié)束鍵能使所有的信息可靠地保存。四

28、、實(shí)驗(yàn)步驟開(kāi)機(jī)：輸入曲線方程系數(shù)，一次輸入后即自動(dòng)貯存，以后不必再輸。注意輸入值要精確到小數(shù)點(diǎn)后二位，否則可能會(huì)影響到計(jì)算精度。如采用直線方程，只要將2次項(xiàng)以上的系數(shù)置為0即可。由于技術(shù)原因，再次顯示系數(shù)時(shí)負(fù)號(hào)不再出現(xiàn)。清零：根據(jù)情況決定是否清除上次測(cè)量的結(jié)果。測(cè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)：按復(fù)位鍵，儀器回到初態(tài)，這時(shí)將探頭放置在防護(hù)容器中，下墊聚乙烯墊板，測(cè)量地點(diǎn)最好每次都相同，并且1米內(nèi)含氫物質(zhì)(植物，水等)盡量要少，這樣不會(huì)因環(huán)境因素影響到標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)。將探頭置于容器內(nèi)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)，一般半天一次即可。測(cè)量計(jì)數(shù)：用腳輕輕踩住墊板使之和儀器分開(kāi)，將儀器放在導(dǎo)管上，打開(kāi)線夾將探頭順著導(dǎo)管放至欲測(cè)深度，這時(shí)即可進(jìn)行測(cè)量

29、了。將探頭置于欲測(cè)深度進(jìn)行測(cè)量，之后自動(dòng)計(jì)算，顯示并存貯在相應(yīng)的存貯器單元。將探頭放至另一深度，重復(fù)上述步驟，直至完成測(cè)量。為了使電纜線上的深度標(biāo)記和實(shí)際深度一致，我們規(guī)定導(dǎo)管露出地面的高度為10厘米，這時(shí)電纜線上指示的深度就是實(shí)測(cè)的深度。每一根管測(cè)完以后，將探頭拉回容器，這時(shí)如聽(tīng)到”咔嗒”一聲，說(shuō)明探頭已自動(dòng)鎖好，可轉(zhuǎn)移至其他測(cè)管去測(cè)量關(guān)機(jī)。顯示或打印出測(cè)量的結(jié)果。打印是一組組輸出的，如80行打印輸出是10個(gè)一組。五、資料整理及思考題1. 填寫實(shí)驗(yàn)記錄表（61）2.繪制含水率剖面圖（以深度為縱坐標(biāo)，體積含水量為橫坐標(biāo)），并進(jìn)行分帶。實(shí)驗(yàn)七 給水度的測(cè)定給水度是衡量含水層所能夠給出水的能力的一個(gè)指標(biāo)，是地下水資源評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)、水文地質(zhì)計(jì)算及滲流研究中十分重要的水文地質(zhì)參數(shù)。給水度的確定方法有數(shù)值模擬方法、物理實(shí)驗(yàn)方法和水文分析計(jì)算方法。此處，我們將通過(guò)實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)的方法確定給水度。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握實(shí)驗(yàn)室測(cè)定給水度的方法，加深對(duì)給水度概念的理解。2.掌握巖石容水度、持水度、給水度三者之間的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理給水度是衡量潛水含水層給水性能大小的一個(gè)重要指標(biāo)。早在二十世紀(jì)四十年代，蘇聯(lián)學(xué)者就提出：在重力作用下，單位體積飽水巖石所排出重力水的體積，稱為重力給水度。即： (71)；七十年代，著名的地下水水力學(xué)家j.bear提出新概念潛水水位下降單