含水层的性质及优化方法

含水层的导水、贮水和给水这些一般性质,在数量上是通过若干含水层参数来定义的。在此扼要地描述其中的某些参数,以补充说明上述给出的含水层定义。

1.水力传导系数

水力传导系数表示在水力梯度作用下含水层传导地下水的能力,它是多孔介质和其中流动着的流体的组合性质。如果含水层中的流动基本上为水平流动,则含水层的导水系数表示通过含水层整个厚度的导水能力。导水系数等于含水层的水力传导系数与含水层厚度的乘积。

2.贮水系数

含水层的贮水系数表示贮在含水层中的水量变化和相应的测压面(或无压含水层的潜水面)高度变化之间的关系。

承压含水层的贮水系数定义为水头降低(或升高)一个单位时,从水平横截面积为一个单位的含水层垂直柱体中释出(或存入)的水的体积。图2.4说明了这一概念。承压含水层的贮水性质是由水的压缩性和作为整体的含水层的弹性引起的。固体颗粒和微粒等的弹性一般可忽略不计。

图2.4 定义贮水系数的示意图(www.xing528.com)

在潜水含水层中,除了降低的是潜水面这一点以外,上面给出的贮水系数的定义本质上没有变化。但是,造成含水层柱体内贮存水量变化的机理却不同。在潜水含水层的情况下,水实际上是由于潜水面降低而从空隙空间中排出并被空气所代替。然而,重力排水(比如,由抽水所引起的潜水面降低)并不能排出包含在空隙空间中的全部水。一定量的水在分子引力与表面张力的支持下能够平衡重力而保持在固体颗粒之间的空隙中。因此,潜水含水层的贮水系数比孔隙率小,其差值称为持水率(土样中在自然重力作用下剩余的水分体积与土样总体积之比)。为了反映这种现象,通常把潜水含水层的贮水系数称为给水度。

由含水层和水的压缩性所引起的弹性贮水系数要比给水度小得多。具体地说,大多数承压含水层的贮水系数变化在10-5～10-3之间,而大多数冲积层的给水度为10%～25%。这说明,排出(或注入)相同体积的水,承压含水层中水头高度的变化要比无压含水层中水位高度的变化大得多。

在定义承压含水层的贮水系数时,我们假定不存在时间延迟问题,并且认为水是随着水头的下降而瞬间释出的。然而,尤其是在细颗粒物质中,由于低水力传导系数限制着水自贮存中释放,因而有明显的时间延迟现象。对于潜水含水层来说也是如此,因为疏干过程需要一定的时间。

3.阻力系数

表示越流含水层特征的一个参数是弱透水层(又称半封闭层)的阻力系数。阻力系数定义为弱透水层厚度与其水力传导系数之比。当这值较大时,则通过弱透水层的越流量较小。

4.越流因数

越流因数等于含水层的导水系数与弱透水层的阻力系数乘积的平方根。

在确定某一地层是否为含水层,以及何种类型的含水层时,上述各种参数可以作为指标。