Hidrolik iletkenlik

Sembolik olarak şu şekilde temsil edilen hidrolik iletkenlik , bir sıvının (genellikle su) gözenek boşluklarından veya çatlaklardan geçme kolaylığını tanımlayan vasküler bitkilerin , toprakların ve kayaların bir özelliğidir . Bu bağlıdır geçirgenliğine madde derecesinin doygunluğu ve ilgili yoğunluğu ve viskozitesi sıvısı. Doymuş hidrolik iletkenlik, K _sat , doymuş ortam boyunca suyun hareketini tanımlar. Tanım olarak, hidrolik iletkenlik, gözenekli ortamın geçirgenliğini gösteren hızın hidrolik gradyana oranıdır .${\ displaystyle K}$

Belirleme yöntemleri [ değiştir ]

Hidrolik iletkenliği belirlemenin iki geniş kategorisi vardır:

• Hidrolik iletkenliğin gözenek boyutu ve parçacık boyutu (tane boyutu) dağılımları ve toprak dokusu gibi toprak özellikleriyle ilişkilendirildiği ampirik yaklaşım
• Hidrolik iletkenliğin Darcy yasası kullanılarak hidrolik deneylerden belirlendiği deneysel yaklaşım

Deneysel yaklaşım genel olarak şu şekilde sınıflandırılır:

• Hidrolik deneylere tabi tutulmuş toprak numunelerinin kullanıldığı laboratuar testleri
• Saha testleri (yerinde, yerinde) şu şekilde farklılaştırılır:
  • Topraktaki boşluklardaki su seviyesi gözlemlerini kullanarak küçük ölçekli saha testleri
  • gibi büyük ölçekli alan testleri, pompa testleri içinde kuyu veya mevcut yatay işleyişini gözlemleyerek drenaj sistemleri.

Küçük ölçekli saha testleri ayrıca aşağıdaki alt bölümlere ayrılmıştır:

• infiltrasyon boşluklarında testleri yukarıda su tablasının
• sümüklü böcek testleri boşluklarda aşağıdaki su tablasının

Hidrolik iletkenliği belirleme yöntemleri ve diğer ilgili konular birkaç araştırmacı tarafından incelenmiştir. ^{[ alıntı gerekli ]}

Ampirik yaklaşımla tahmin [ değiştir ]

Tane boyutundan tahmin [ değiştir ]

Allen Hazen , tane boyutu analizlerinden hidrolik iletkenliği tahmin etmek için ampirik bir formül türetmiştir :

${\ displaystyle K = C (D_ {10}) ^ {2}}$

nerede

${\ displaystyle C}$Hazen'in deneysel katsayısı 0.0 ile 1.5 arasında (literatüre bağlı olarak) ortalama 1.0 değerindedir. AF Salarashayeri ve M. Siosemarde, C'yi mm olarak D ve K cm / s olarak olmak üzere genellikle 1.0 ile 1.5 arasında alındığı gibi verir.

${\ displaystyle D_ {10}}$bir çapı 10 yüzdelik maddenin tane büyüklüğü

Pedotransfer işlevi [ düzenle ]

Bir pedotransfer fonksiyonu (PTF) esas olarak kullanılan bir özel deneysel tahmin yöntemi olup, bir toprak bilimleri ancak Hidrojeolojide artan kullanımı vardır. ^[1] Pek çok farklı PTF yöntemi vardır, ancak hepsi toprak parçacık boyutu ve yığın yoğunluğu gibi ölçülen çeşitli toprak özellikleri göz önüne alındığında hidrolik iletkenlik gibi toprak özelliklerini belirlemeye çalışır .

Deneysel yaklaşımla belirleme [ düzenle ]

Bir toprağın hidrolik iletkenliğini belirlemek için yapılabilecek nispeten basit ve ucuz laboratuvar testleri vardır: sabit kafa yöntemi ve düşme yöntemi.

Laboratuvar yöntemleri [ düzenle ]

Sabit kafa yöntemi [ düzenle ]

Sabit kafa yöntemi tipik olarak, granül toprak kullanılır. Bu prosedür, toprak örneğinden akan suyun hacmi belirli bir süre boyunca ölçülürken suyun sabit bir kafa durumu altında toprakta hareket etmesine izin verir. Bir uzunluk ve kesit alanı numunesi üzerinden bir zamanda ölçülen su hacminin yanı sıra kafa , hidrolik iletkenlik, Darcy yasasını basitçe yeniden düzenleyerek elde edilebilir :${\ displaystyle \ Delta V}$${\ displaystyle \ Delta t}$${\ displaystyle L}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle h}$${\ displaystyle K}$

${\ displaystyle K = {\ frac {\ Delta V} {\ Delta t}} {\ frac {L} {Ah}}}$

Korumalı: Darcy kanunu hacimsel akış, basınç farkına bağlıdır bildiren örnek, iki tarafı arasında, geçirgenlik , ve viskozite , yanı: ^[2]${\ displaystyle \ Delta P}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle \ mu}$

${\displaystyle {\frac {\Delta V}{\Delta t}}=-{\frac {kA}{\mu L}}\Delta P}$

Sabit bir kafa deneyinde, kafa (iki yükseklik arasındaki fark), suyun yoğunluğunun olduğu bir fazla su kütlesini tanımlar . Bu kütle, bulunduğu tarafta aşağı doğru ağırlık vererek, yerçekimsel ivmenin nerede olduğu için bir basınç farkı yaratır . Bunu doğrudan yukarıdakilere takmak, ${\displaystyle \rho Ah}$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle \Delta P=\rho gh}$${\displaystyle g}$

${\displaystyle {\frac {\Delta V}{\Delta t}}=-{\frac {k\rho gA}{\mu L}}h}$

Hidrolik iletkenlik, hidrolik geçirgenlikle ilgili olarak tanımlanırsa,

${\displaystyle K={\frac {k\rho g}{\mu }}}$,

bu sonucu verir. '

Düşen kafa yöntemi [ düzenle ]

Düşme yönteminde, toprak numunesi önce belirli bir kafa koşulu altında doyurulur. Daha sonra suyun topraktan su eklemeden akmasına izin verilir, böylece su numuneden geçerken basınç başlığı düşer. Düşen kafa yönteminin avantajı, hem ince taneli hem de iri taneli topraklarda kullanılabilmesidir. . ^[3] kafa gelen düşerse için bir zaman içinde , daha sonra hidrolik iletkenliği eşittir ${\displaystyle h_{i}}$${\displaystyle h_{f}}$${\displaystyle \Delta t}$

${\displaystyle K={\frac {L}{\Delta t}}\ln {\frac {h_{f}}{h_{i}}}}$

Kanıt: Yukarıdaki gibi, Darcy yasası okur

${\displaystyle {\frac {\Delta V}{\Delta t}}=-K{\frac {A}{L}}h}$

Hacimdeki azalma, düşen kafa ile ilgilidir . Bu ilişkiyi yukarıdakine takmak ve sınırı diferansiyel denklem olarak almak${\displaystyle \Delta V=\Delta hA}$${\displaystyle \Delta t\rightarrow 0}$

${\displaystyle {\frac {dh}{dt}}=-{\frac {K}{L}}h}$

çözümü var

${\displaystyle h(t)=h_{i}e^{-{\frac {K}{L}}(t-t_{i})}}$.

Takma ve yeniden düzenleme sonucu verir.${\displaystyle h(t_{f})=h_{f}}$

Yerinde (alan) yöntemler [ düzenle ]

Laboratuar yöntemine kıyasla, saha yöntemleri, minimum bozulma ile toprağın geçirgenliği hakkında en güvenilir bilgiyi verir. Laboratuvar yöntemlerinde, bozulma derecesi, toprağın geçirgenlik değerinin güvenilirliğini etkiler.

Pompalama Testi [ düzenle ]

Pompalama testi, bir toprağın geçirgenlik katsayısını hesaplamak için en güvenilir yöntemdir. Bu test ayrıca testte pompalama ve dışarı pompalama testi olarak sınıflandırılır.

Augerhole yöntemi [ düzenle ]

Sahadaki hidrolik iletkenliği ölçmek için yerinde yöntemler de vardır.
Su tablası sığ olduğunda, su tablasının altındaki hidrolik iletkenliği belirlemek için bir sümüklü böcek testi olan burgu deliği yöntemi kullanılabilir.
Yöntem, Hooghoudt (1934) ^[4] tarafından Hollanda'da geliştirilmiş ve ABD'de Van Bavel en Kirkham (1948) tarafından tanıtılmıştır. ^[5]
Yöntem aşağıdaki adımları kullanır:

1. su tablasının altına toprağa bir burgu deliği açılır
2. su sondaj deliğinden boşaltılır
3. delikteki su seviyesinin yükselme hızı kaydedilir
4. -değeri olarak verilerinden hesaplanmaktadır: ^[6]${\textstyle K}$

${\displaystyle K=F\left(H_{o}-H_{t}\right)/t}$

burada: yatay doymuş hidrolik iletkenliği (m / gün), toprak (cm) su seviyesinin delik göreli olarak su seviyesi derinliği, zaman , zaman , ilk ölçümü yana (saniye olarak) olarak ve deliğin geometrisine bağlı bir faktördür:${\textstyle K=}$${\textstyle H=}$${\textstyle H_{t}=H}$${\textstyle t}$${\textstyle H_{o}=H}$${\textstyle t=0}$${\textstyle t=}$${\textstyle H}$${\textstyle H_{o}}$${\textstyle F}$

${\displaystyle F=4000r/h'(20+D/r)(2-h'/D)}$

burada: silindir deliğinin çapı (cm), toprak (cm) su seviyesinin delik göreli olarak su seviyesinin ortalama derinliği olarak bulunmuştur ve delik nisbetle alt derinliği topraktaki su tablası (cm).${\displaystyle r=}$${\displaystyle h'}$${\textstyle h'=(H_{o}+H_{t})/2}$${\textstyle D}$

Resim, 100 hektarlık bir alanda burgu deliği yöntemiyle ölçülen büyük bir değer değişimini göstermektedir . ^[7] En yüksek ve en düşük değerler arasındaki oran 25'tir. Kümülatif frekans dağılımı lognormaldir ve CumFreq programı ile yapılmıştır .${\textstyle K}$

İlgili büyüklükler [ düzenle ]

Geçirgenlik [ değiştir ]

İletim, bir pompalama kuyusu gibi yatay olarak ne kadar su iletilebileceğinin bir ölçüsüdür.

Geçirgenlik , optikte kullanılan benzer kelime geçirgenliği ile karıştırılmamalıdır , yani gelen ışığın bir numuneden geçen fraksiyonu anlamına gelir.

Bir akifer , toprak katmanlarından oluşabilir . Yatay akışın ışık iletimi arasında bir toprak tabakası , doymuş kalınlığı ve yatay hidrolik iletkenliği olan:${\displaystyle n}$${\displaystyle T_{i}}$${\textstyle i{\mbox{-th}}}$${\displaystyle d_{i}}$${\displaystyle K_{i}}$

${\displaystyle T_{i}=K_{i}d_{i}}$

Geçirgenlik, yatay hidrolik iletkenlik ve kalınlık ile doğru orantılıdır . İfade m / gün ve m, geçirgenlik birimlerinde bulunan m ² / gün. Akiferin toplam geçirgenliği : ^[6]${\displaystyle K_{i}}$${\displaystyle d_{i}}$${\displaystyle K_{i}}$${\displaystyle d_{i}}$${\displaystyle T_{i}}$
${\displaystyle T_{t}}$

${\displaystyle T_{t}=\sum T_{i}}$burada tüm katmanlardaki toplamı belirtir .${\displaystyle \sum }$${\displaystyle i=1,2,3,\dots ,n}$

Akiferin görünen yatay hidrolik iletkenliği :${\displaystyle K_{A}}$

${\displaystyle K_{A}=T_{t}/D_{t}}$

akiferin toplam kalınlığı nerede , ile .${\displaystyle D_{t}}$${\displaystyle D_{t}=\sum d_{i}}$${\displaystyle i=1,2,3,\dots ,n}$

Bir akiferin geçirgenliği pompalama testlerinden belirlenebilir . ^[8]

Su tablasının Influence
bir kir tabakası üzerinde taban suyu , doymuş değildir ve geçirgenliği katkıda bulunmaz. Toprak tabakası tamamen su tablasının altında olduğunda, doymuş kalınlığı, toprak tabakasının kendisinin kalınlığına karşılık gelir. Su tablası bir toprak tabakasının içindeyken, doymuş kalınlık, su tablasının tabakanın tabanına olan mesafesine karşılık gelir. Su tablası dinamik olarak davranabildiğinden, bu kalınlık yerden yere veya zaman zaman değişebilir, böylece geçirgenlik buna göre değişebilir.
Yarı sınırlı bir akiferde, su tablası ihmal edilebilir derecede küçük bir geçirgenliğe sahip bir toprak tabakası içinde bulunur, böylece toplam geçirgenlikteki değişiklikler (${\textstyle D_{t}}$) su tablası seviyesindeki değişikliklerden kaynaklanan önemsiz derecede küçüktür.
Su tablasının önemli bir geçirgenliğe sahip bir toprak tabakası içinde olduğu sınırlandırılmamış bir akiferden su pompalarken, su tablası aşağı çekilebilir ve böylece geçirgenlik azalır ve kuyuya su akışı azalır.

Direniş [ değiştir ]

Direnci dikey akış (kadar arasında) bir toprak tabakası , doymuş kalınlığı ve dikey hidrolik iletkenliği olan:${\textstyle R_{i}}$${\textstyle i{\mbox{-th}}}$${\displaystyle d_{i}}$${\textstyle K_{v_{i}}}$

${\displaystyle R_{i}=d_{i}/K_{v_{i}}}$

İfade m / gün ve m, direnç ( ) gün olarak ifade edilir. Akiferin toplam direnci ( ): ^[6]${\textstyle K_{v_{i}}}$${\displaystyle d_{i}}$${\textstyle R_{i}}$
${\textstyle R_{t}}$

${\displaystyle R_{t}=\sum R_{i}=\sum d_{i}/K_{v_{i}}}$

burada her katman üzerinden toplam şunları ifade eder: belirgin dikey hidrolik iletkenliği ( ) su taşıyıcısında değildir:${\textstyle \sum }$${\textstyle i=1,2,3,...,n.}$
${\textstyle K_{v_{A}}}$

${\displaystyle K_{v_{A}}=D_{t}/R_{t}}$

akiferin toplam kalınlığı nerede : ile${\textstyle D_{t}}$${\textstyle D_{t}=\sum d_{i}}$${\textstyle i=1,2,3,...,n.}$

Direnç , değişen yatay geçirgenliğe sahip bir katman dizisinin meydana geldiği akiferlerde rol oynar, böylece yatay akışın esas olarak yüksek yatay geçirgenliğe sahip katmanlarda bulunurken, düşük yatay geçirgenliğe sahip katmanlar suyu esas olarak dikey olarak iletir.

Anisotropi [ değiştir ]

Zemin katmanının yatay ve dikey hidrolik iletkenliği ( ve ) önemli ölçüde farklı olduğunda, katmanın hidrolik iletkenlik açısından anizotropik olduğu söylenir . Zaman belirgin yatay ve dikey hidrolik iletkenliği ( ve ) önemli farklılıklar, aquifer olduğu söylenir anizotropik hidrolik iletkenliği göz önünde bulundurularak. Akifer adlandırılır yarı basınçlı olduğunda nispeten küçük bir yatay hidrolik iletkenliği olan doymuş bir tabaka (yarı sınırlayıcı tabaka veya Akitard${\textstyle K_{h_{i}}}$${\textstyle K_{v_{i}}}$${\textstyle i{\mbox{-th}}}$
${\textstyle K_{h_{A}}}$${\textstyle K_{v_{A}}}$
) nispeten yüksek bir yatay hidrolik iletkenliğe sahip bir tabakanın üzerini örter, böylece birinci tabakadaki yeraltı suyu akışı esas olarak dikey ve ikinci tabakadaki esas olarak yataydır.
Bir akiferin yarı sınırlayıcı bir üst tabakasının direnci, pompalama testlerinden belirlenebilir . ^[8] Su tablasını kontrol etmek amacıyla bir akiferdeki drenajlara ^[9] veya bir kuyu alanına ^[10]
akış hesaplanırken , anizotropi dikkate alınmalıdır, aksi takdirde sonuç hatalı olabilir.

Göreli özellikler [ düzenle ]

Yüksek gözeneklilik ve geçirgenliklerinden dolayı, kum ve çakıl akiferleri , kil veya çatlaksız granit akiferlere göre daha yüksek hidrolik iletkenliğe sahiptir . Kum veya çakıl akiferleri , kil veya kırılmamış ana kaya akiferlerine kıyasla yüksek geçirgenlikleri nedeniyle suyu çıkarmak (örneğin bir pompalama kuyusu kullanarak ) bu nedenle daha kolay olacaktır .

Hidrolik iletkenliğin, zaman başına uzunluk boyutlarına sahip birimleri vardır (örneğin, m / s, ft / gün ve ( gal / gün) / ft²); daha sonra geçirgenlik, zaman başına uzunluk karesi boyutlarına sahip birimlere sahiptir. Aşağıdaki tablo, K değerleri için bazı tipik aralıkları (olasılıkla birçok büyüklük sırasını gösteren) vermektedir .

Hidrolik iletkenlik ( K ), doğada bulunan değerler olarak akiferlerin hidrojeolojideki en karmaşık ve önemli özelliklerinden biridir:

• birçok büyüklük sırasına göre değişir (dağılım genellikle lognormal olarak kabul edilir ),
• uzayda büyük miktarda değişiklik (bazen rastgele uzamsal olarak dağıtılmış veya doğası gereği stokastik olarak kabul edilir ),
• yönlü olan (genelde K simetrik ikinci seviye olan tensör ; örneğin, dikey K değerleri yatay daha küçük birkaç kat olabilir K , değerleri)
• ölçeğe bağlıdır (bir m³ akiferin test edilmesi genellikle aynı akiferin sadece bir cm³ numunesinde yapılan benzer bir testten farklı sonuçlar verecektir),
• dolaylı olarak saha pompalama testleri , laboratuar kolon akış testleri veya ters bilgisayar simülasyonu yoluyla (bazen tane boyutu analizlerinden de) belirlenmeli ve
• su içeriğine çok bağımlıdırlar ( doğrusal olmayan bir şekilde), bu da doymamış akış denklemini çözmeyi zorlaştırır. Aslında, tek bir malzeme için değişken şekilde doymuş K , tüm malzeme türleri için doymuş K değerlerinden daha geniş bir aralıkta değişir (ikincisinin açıklayıcı bir aralığı için aşağıdaki tabloya bakın).

Doğal malzemeler için değer aralıkları [ düzenle ]

Doğada bulunan doymuş hidrolik iletkenlik ( K ) değerleri tablosu

Değerler tipik tatlı yeraltı suyu koşulları içindir - 20 ° C ve 1 atm su için standart viskozite ve özgül ağırlık değerleri kullanılarak . İçsel geçirgenlik değerleri için aynı kaynaktan türetilen benzer tabloya bakın . ^[11]

Kaynak: Bear'dan değiştirildi, 1972

Ayrıca bkz. [ Düzenle ]

• Akifer testi
• Hidrolik benzetme
• Pedotransfer işlevi - toprak özellikleri verilen hidrolik iletkenlikleri tahmin etmek için

Referanslar [ düzenle ]

Dış bağlantılar [ düzenle ]

• Hidrolik iletkenlik hesaplayıcı