Die hydraulische Leitfähigkeit ist die Leichtigkeit, mit der sich Wasser durch poröse Räume und Brüche in Boden oder Gestein bewegt. Es unterliegt einem hydraulischen Gradienten und wird durch Sättigungsgrad und Durchlässigkeit des Materials beeinflusst. Die hydraulische Leitfähigkeit wird im Allgemeinen entweder durch einen von zwei Ansätzen bestimmt. Ein empirischer Ansatz korreliert die hydraulische Leitfähigkeit mit den Bodeneigenschaften. Ein zweiter Ansatz berechnet die hydraulische Leitfähigkeit durch Experimente.
Wobei K = hydraulische Leitfähigkeit; g = Erdbeschleunigung; v = kinematische Viskosität; C = Sortierkoeffizient; ƒnein = Porositätsfunktion; und de = effektiver Korndurchmesser. Die kinematische Viskosität (v) wird durch die dynamische Viskosität (µ) und die Flüssigkeitsdichte (Wasser) (ρ) bestimmt als:
Die Werte von C, ƒ und d hängen von der Methode ab, die bei der Korngrößenanalyse verwendet wird. Porosität (n) ergibt sich aus der empirischen Beziehung n=0,255 x (1+0,83
U) wobei der Koeffizient der Kornhomogenität (U) gegeben ist durch U=d60/d10. In der Probe d60 stellt den Korndurchmesser (mm) dar, bei dem 60 Prozent der Probe feiner sind und d10 stellt den Korndurchmesser (mm) dar, für den 10 Prozent der Probe feiner sind.Verwenden Sie die Kozeny-Carman-Gleichung für die meisten Bodentexturen. Dies ist das am häufigsten akzeptierte und verwendete empirische Derivat auf der Grundlage der Bodenkorngröße, ist jedoch nicht für Böden mit einer effektiven Korngröße über 3 mm oder für Böden mit Lehmtextur geeignet:
Verwenden Sie die Hazen-Gleichung für Bodentexturen von feinem Sand bis Kies, wenn der Boden einen Gleichmäßigkeitskoeffizienten kleiner als fünf (U<5) und eine effektive Korngröße zwischen 0,1 mm und 3 mm hat. Diese Formel basiert nur auf dem d10 Partikelgröße, daher ist sie weniger genau als die Kozeny-Carman-Formel:
Verwenden Sie die Breyer-Gleichung für Materialien mit einer heterogenen Verteilung und schlecht sortierten Körnern mit einem Uniformitätskoeffizienten zwischen 1 und 20 (1
Verwenden Sie die Gleichung des U.S. Bureau of Reclamation (USBR) für mittelkörnigen Sand mit einem Gleichmäßigkeitskoeffizienten von weniger als fünf (U<5). Diese berechnet mit einer effektiven Korngröße von d_20 und hängt nicht von der Porosität ab, ist also weniger genau als andere Formeln:
Verwenden Sie eine auf dem Darcy-Gesetz basierende Gleichung, um die hydraulische Leitfähigkeit experimentell abzuleiten. Legen Sie im Labor eine Bodenprobe in einen kleinen zylindrischen Behälter, um einen eindimensionalen Bodenquerschnitt zu erstellen, durch den die Flüssigkeit (normalerweise Wasser) fließt. Bei dieser Methode handelt es sich je nach Fließzustand der Flüssigkeit entweder um einen Konstantdrucktest oder einen Falldrucktest. Grobkörnige Böden wie saubere Sande und Kies verwenden typischerweise Konstantdrucktests. Bei feineren Kornproben werden Fallkopftests verwendet. Grundlage für diese Berechnungen ist das Gesetz von Darcy:
Wobei U = durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch eine geometrische Querschnittsfläche innerhalb des Bodens; h= hydraulische Förderhöhe; z= vertikaler Abstand im Boden; K= hydraulische Leitfähigkeit. Die Dimension von K ist Länge pro Zeiteinheit (I/T).
Verwenden Sie ein Permeameter, um einen Constant-Head-Test durchzuführen, den am häufigsten verwendeten Test zur Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit von grobkörnigen Böden im Labor. Unterziehen Sie eine zylindrische Bodenprobe der Querschnittsfläche A und der Länge L einer konstanten Fallhöhe (H2 - H1). Das Volumen (V) der Prüfflüssigkeit, das während der Zeit (t) durch das System fließt, bestimmt die gesättigte Wasserleitfähigkeit K des Bodens:
Verwenden Sie den Fallkopftest, um den K von feinkörnigen Böden im Labor zu bestimmen. Schließen Sie eine zylindrische Bodenprobensäule mit Querschnittsfläche (A) und Länge (L) an ein Standrohr mit Querschnittsfläche (a) an, in dem die Perkolationsflüssigkeit in das System strömt. Messen Sie die Höhenänderung im Steigrohr (H1 bis H2) in Zeitintervallen (t), um die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit aus dem Darcy-Gesetz zu bestimmen: