Гидравлическая проводимость, символически представленная как, является свойством сосудистых растений, почв и горных пород, которое описывает легкость, с которой жидкость (обычно вода) может перемещаться через поровые пространства или трещины. Это зависит от внутренней проницаемости материала, степени насыщения, а также от плотности и вязкости жидкости. Насыщенная гидравлическая проводимость, K насыщ, описывает движение воды через насыщенные среды. По определению, гидравлическая проводимость - это отношение скорости к гидравлическому градиенту, указывающее проницаемость пористой среды.
Есть две широкие категории определения гидравлической проводимости:
Экспериментальный подход подразделяется на:
Небольшие полевые испытания подразделяются на:
Методы определения гидравлической проводимости и другие связанные с этим вопросы исследуются несколькими исследователями.
Аллен Хазен вывел эмпирическую формулу для аппроксимации гидравлической проводимости на основе анализа размера зерен:
где
Функция pedotransfer (ПТФ) является специализированным эмпирическим методом оценки, используемым главным образом в науках почвы, однако имеет более широкое использование в гидрогеологии. Существует множество различных методов PTF, однако все они пытаются определить свойства почвы, такие как гидравлическая проводимость, с учетом нескольких измеренных свойств почвы, таких как размер частиц почвы и объемная плотность.
Существуют относительно простые и недорогие лабораторные тесты, которые можно провести для определения гидравлической проводимости почвы: метод постоянного напора и метод падающего напора.
Метод постоянного напора обычно используется на сыпучей почве. Эта процедура позволяет воде проходить через почву при устойчивом напоре, в то время как объем воды, протекающей через образец почвы, измеряется в течение определенного периода времени. Зная объем воды, измеренный за время, по образцу длины и площади поперечного сечения, а также напор, можно получить гидравлическую проводимость, просто изменив закон Дарси :
Доказательство: закон Дарси утверждает, что объемный расход зависит от разности давлений, между двумя сторонами образца, проницаемость,, и вязкостью, как:
В эксперименте с постоянным напором напор (разница между двумя высотами) определяет избыточную массу воды, где - плотность воды. Эта масса утяжеляется со своей стороны, создавая перепад давления, равный ускорению свободного падения. Подключение этого непосредственно к приведенному выше дает
Если гидравлическая проводимость определяется как связанная с гидравлической проницаемостью как
это дает результат ».
В методе падающего напора образец почвы сначала насыщается при определенных условиях напора. Затем воде позволяют течь через почву без добавления воды, поэтому напор снижается по мере прохождения воды через образец. Преимущество метода падающего напора в том, что его можно использовать как для мелкозернистых, так и для крупнозернистых почв.. Если напор за какое-то время снизится с до, то гидравлическая проводимость будет равна
Доказательство: Как и выше, закон Дарси гласит
Уменьшение громкости связано с падением напора на. Подставляя это соотношение в вышеприведенное и принимая предел как, дифференциальное уравнение
есть решение
Включение и перестановка дает результат.
По сравнению с лабораторным методом, полевые методы дают наиболее достоверную информацию о проницаемости почвы с минимальными нарушениями. В лабораторных методах степень нарушения влияет на достоверность значения проницаемости почвы.
Прокачка - самый надежный метод расчета коэффициента проницаемости почвы. Это испытание далее подразделяется на испытание откачки и испытание откачки.
Существуют также методы измерения гидравлической проводимости в полевых условиях. Когда залегании грунтовых вод, то augerhole методе испытаний пули, может быть использован для определения гидравлической проводимости ниже уровня грунтовых вод. Этот метод был разработан Hooghoudt (1934) в Нидерландах и представлен в США Van Bavel en Kirkham (1948). Метод использует следующие шаги:
где: горизонтальная насыщенное гидравлическая проводимость (м / сут), глубина Waterlevel в отверстии по отношению к таблице воды в почве (см), во время, во время, время (в секундах) с момента первого измерения, как и - коэффициент, зависящий от геометрии отверстия:
где: радиус цилиндрической лунки (см), - средняя глубина уровня воды в лунке относительно уровня грунтовых вод в почве (см), определяемая как, и - глубина дна лунки относительно уровня грунтовых вод. уровень грунтовых вод в почве (см).
На рисунке показан большой разброс значений -значений, измеренных методом бурения на площади 100 га. Отношение между наибольшим и наименьшим значениями равно 25. Кумулятивное частотное распределение является логнормальным и было получено с помощью программы CumFreq.
Коэффициент пропускания - это мера того, сколько воды может быть передано по горизонтали, например, в насосную скважину.
Водоносный горизонт может состоять из слоев почвы. Трансмиссивность для горизонтального потока в слое почвы с насыщенной толщиной и горизонтальной гидравлической проводимостью является:
Коэффициент пропускания прямо пропорционален горизонтальной гидравлической проводимости и толщине. Выражая в м / день и в м, коэффициент пропускания выражается в единицах м 2 / день. Общая проницаемость водоносного горизонта составляет:
Очевидно горизонтальная гидравлическая проводимость водоносного горизонта является:
где, общая мощность водоносного горизонта, составляет, с.
Проницаемость водоносного горизонта можно определить по результатам откачивания.
Влияние уровня грунтовых вод Когда слой почвы находится выше уровня грунтовых вод, он не насыщается и не влияет на коэффициент пропускания. Когда слой почвы полностью находится ниже уровня грунтовых вод, его насыщенная толщина соответствует толщине самого слоя почвы. Когда уровень грунтовых вод находится внутри слоя почвы, насыщенная толщина соответствует расстоянию от уровня грунтовых вод до нижней части слоя. Поскольку уровень грунтовых вод может вести себя динамично, эта толщина может меняться от места к месту или время от времени, так что коэффициент пропускания может соответственно меняться. В полузамкнутом водоносном горизонте уровень грунтовых вод находится в слое почвы с пренебрежимо малой проницаемостью, так что изменения общей проницаемости () в результате изменений уровня грунтовых вод пренебрежимо малы. При перекачивании воды из неограниченного водоносного горизонта, когда уровень грунтовых вод находится внутри слоя почвы со значительной проницаемостью, уровень грунтовых вод может быть понижен, в результате чего коэффициент пропускания уменьшается, а поток воды в колодец уменьшается.
Стойкость к вертикальному потоку () из слоя почвы с насыщенной толщиной и вертикальной гидравлической проводимостью является:
Выражая в м / день и в м, сопротивление () выражается в днях. Общее сопротивление () водоносного горизонта составляет:
где означает суммирование по всем слоям: The видимой вертикальной гидравлической проводимости () из водоносного горизонта:
где - общая мощность водоносного горизонта:, с
Сопротивление играет роль в водоносных горизонтах, где последовательность слоев возникает с различной горизонтальной проницаемостью, так что горизонтальный поток обнаруживается в основном в слоях с высокой горизонтальной проницаемостью, в то время как слои с низкой горизонтальной проницаемостью пропускают воду в основном в вертикальном направлении.
Когда горизонтальная и вертикальная гидравлическая проводимость ( и) слоя почвы значительно различается, слой считается анизотропным по отношению к гидравлической проводимости. Когда кажущаяся горизонтальная и вертикальная гидравлические проводимости ( и) значительно отличаются, водоносный горизонт считается анизотропным по отношению к гидравлической проводимости. Водоносный горизонт называется полузамкнутым, когда насыщенный слой с относительно небольшой горизонтальной гидравлической проводимостью (полузамкнутый слой или водоносный слой) перекрывает слой с относительно высокой горизонтальной гидравлической проводимостью, так что поток грунтовых вод в первом слое в основном вертикальный. а во втором слое в основном горизонтальные. Сопротивление полуограниченного верхнего слоя водоносного горизонта может быть определено путем откачивания. При расчете притока к дренажам или к колодцу в водоносном горизонте с целью контроля уровня грунтовых вод необходимо учитывать анизотропию, иначе результат может быть ошибочным.
Из - за их высокой пористости и проницаемости, песок и гравий водоносные пласты имеют более высокую гидравлическую проводимость, чем глинистые или unfractured гранитных водоносных слоев. Таким образом, из песчаных или гравийных водоносных горизонтов будет легче извлекать воду (например, с помощью насосной скважины ) из-за их высокой проницаемости по сравнению с глинистыми или неразрушенными подземными породами.
Гидравлическая проводимость имеет единицы измерения длины за время (например, м / с, фут / день и ( галлон / день) / фут²); Тогда коэффициент пропускания имеет единицы измерения длины в квадрате за время. В следующей таблице приведены некоторые типичные диапазоны (иллюстрирующие вероятные многие порядки величины) для значений K.
Гидравлическая проводимость ( K) является одним из самых сложных и важных свойств водоносных горизонтов в гидрогеологии, поскольку значения, встречающиеся в природе:
Таблица значений насыщенной гидравлической проводимости ( K), найденных в природе
таблица с указанием диапазонов значений гидропроводности и проницаемости для различных геологических материаловЗначения приведены для типичных условий пресных грунтовых вод - с использованием стандартных значений вязкости и удельного веса воды при 20 ° C и 1 атм. См. Аналогичную таблицу, полученную из того же источника, для значений внутренней проницаемости.
K (см / с ) | 10² | 10 1 | 10 0 = 1 | 10 -1 | 10 -2 | 10 −3 | 10 −4 | 10 −5 | 10 −6 | 10 −7 | 10 −8 | 10 −9 | 10 −10 |
K (фут / день ) | 10 5 | 10 000 | 1,000 | 100 | 10 | 1 | 0,1 | 0,01 | 0,001 | 0,0001 | 10 −5 | 10 −6 | 10 −7 |
Относительная проницаемость | Предыдущий | Полупроницаемый | Непроницаемый | ||||||||||
Водоносный горизонт | Хороший | Бедные | Никто | ||||||||||
Неконсолидированный песок и гравий | Хорошо отсортированный гравий | Хорошо отсортированный песок или песок и гравий | Очень мелкий песок, ил, лесс, суглинок | ||||||||||
Неконсолидированная глина и органика | Торф | Слоистая глина | Жир / не выветрившаяся глина | ||||||||||
Консолидированные породы | Сильнотрещинные породы | Нефтяные пластовые породы | Свежий песчаник | Свежий известняк, доломит | Свежий гранит |
Источник: модифицировано из Bear, 1972 г.