地下水動力學(xué)

1、1,地下水動力學(xué)：研究地下水在孔隙巖石，裂隙巖石和巖溶（喀斯特）巖石中運動規(guī)律的 科學(xué)第一章滲流理論基礎(chǔ)2, 多孔介質(zhì)：在地下水動力學(xué)中，把具有孔隙的巖石稱為多孔介質(zhì)3 有效空隙：互相連通的，不為結(jié)合水所占據(jù)的那一部分空隙4, 有效孔隙度：有效孔隙體積與多孔介質(zhì)總體積之比5, 貯水率：又稱釋水率面積為一個單位，厚度為一個單位，當(dāng)水頭降低一個單位時所能釋 放出的水量貯水系數(shù)（釋水系數(shù)）=貯水率乘以含水層厚度表示面積為一個單位，厚度為含水層全厚度的含水層主體中，當(dāng)水頭改變一個單位 時彈性釋放或貯存的水量貯水率與貯水系數(shù)相互關(guān)系：1,都是表示含水層彈性釋水能力的參數(shù)2,對于承壓含水層， 只要水頭不降

2、低到隔水底板以下，水頭降低只會引起彈性釋水，可用貯水系數(shù)表示這種釋水能力3,對于潛水含水層，當(dāng)水頭下降時可引起兩部分水的排出（1,在上部潛水面下降引起重力排水，用給水度表示重力排水的能力2,在下部飽水部則引起彈性釋水，用貯水率表示這一部分的釋水能力）彈性釋水和重力排水的不同點：1,影響范圍不同（彈性釋水影響整個承壓含水層，重力釋水影響潛水含水層和包氣帶） 2,和時間有關(guān)（1 彈性釋水瞬時完成不隨時時間變化 2 重 力釋水存在滯后效應(yīng)是時間的函數(shù)） 3 兩只大小不同（彈性釋水系數(shù)多在 0.001-0.00005 之 間重力排水參數(shù)在0.1-0.01 之間）7 滲流：假設(shè)這種假想水流運動時，在任意

3、巖石體積內(nèi)所受的阻力等于真是水流所受的阻力，通過任意斷面的流量及任一點的壓力或水頭均和實際水流相同，這種假想水流稱為滲流滲流與實際水流相比相同點：阻力相同水頭相同 流量相同8 滲流速度：代表滲流在過水?dāng)嗝嫔系钠骄魉伲瑫r一種假想流速實際平均流速：在空隙中的不同地點， 地下水運動的方向和速度可能不同平均速度稱為實際平均速度測壓管水頭：H_z=z+p/r水位：一般用在野外，基準面相同（黃海水位標高）水頭：基準面可任意選定水位是一種特殊的水頭9 地下水頭：書十頁10,水力坡度：把大小等于坡度值，方向沿著等水頭面的法線指向水頭降低方向的矢量稱為水力坡度 p1111, 地下水運動特征的分類 p11運動要

4、素：表征滲流運動的物理量，主要有滲流量Q,滲流速度 V，壓強 P,水頭 H 等按運動要素和時間的關(guān)系分為： （1）穩(wěn)定流：運動要素不隨時間變化； （2）非穩(wěn)定流：運動 要素隨時間變化按地下水運動方向和空間坐標的關(guān)系：一維運動，二維運動，三維運動12, 層流：流速較小時，液體質(zhì)點做有條不紊的線性運動，彼此不相摻混紊流：流速較大時，液體質(zhì)點的運動軌跡曲折混亂，互相摻混13,Dacry 在此處鍵入公式。的表達式和運用范圍p14Q=KA （H1-H2）/lV=Q/A=KJQ 一滲流量，h1 h2通過前后的水頭 l 一砂樣沿水流方向的長度A 一橫截面積 k 一滲流系數(shù)適用范圍：Re 不超過 110 時的

5、地下水運動14 滲透系數(shù) K : P16 在一定壓力 F 液體通過巖石的能力取決于巖石的性質(zhì)和滲透液體的 物理性質(zhì)具有速度的量綱，單位常用 cm/s 或 m/d 表示導(dǎo)水系數(shù) T : P17 水力坡度等于 1 時，通過整個含水層，厚度上的單寬流量僅適用于二維的 地下水流動，對于三維流動沒有意義量綱：P2/T取決于巖石的性質(zhì)，滲透液體的物理性質(zhì)，含水層的厚度15 巖層透水特征分類：P17（1）根據(jù)巖層透水性隨空間坐標的變化情況a 均質(zhì) b 非均質(zhì)（2）根據(jù)巖層透水性和滲流方向的關(guān)系a 各向同性 b 各向異性比式為滲透水流折射時必須滿足的方程（折射定律） 得出的結(jié)論：1. 當(dāng) k1=k2，則 a

6、1=a 2,表示在均質(zhì)巖層中不發(fā)生折射2. 當(dāng) k1 乒 k2,而且 k1,k2 均不等于 0 時，如 a 1=0,則 a 2 亦為 0,表明水流垂直通過界面時不 發(fā)生折射3.當(dāng)水流斜向通過界面時，介質(zhì)的滲透系數(shù)k 值愈大，貝 U a 角也愈大，流線也愈靠近界面， 二介質(zhì)的 k 值相差愈大，a 1 和 a 2 的差別也愈大，流線通過界面后的偏移程度也愈大流網(wǎng):在滲流場內(nèi)，去一組流線和一組等勢線（當(dāng)容重不變時取一組等水頭線）組成的網(wǎng)格 稱為流網(wǎng)特性：1.在各向同性介質(zhì)中，流線與等勢線處處相等垂直，故流網(wǎng)為正交網(wǎng)2. 在均質(zhì)各向同性介質(zhì)中，流網(wǎng)每一網(wǎng)格的邊長比為常數(shù)3. 當(dāng)流網(wǎng)中各相鄰流線的流函數(shù)

7、差值相同，且每個網(wǎng)格的水頭差值相等時，通過每個 網(wǎng)格的流量相等4.當(dāng)兩個透水性不同的介質(zhì)相鄰時，在一個介質(zhì)中為曲邊正方形的流網(wǎng)越過界面進入 另一個介質(zhì)中，則變成曲邊矩形應(yīng)用：確定滲流各要素 1.水頭和滲透壓強2. 水力坡度和滲流速度3. 流量另外從流網(wǎng)（或等水頭線或流線）的定性分析，可了解水文地質(zhì)條件當(dāng)半承壓含水層和相鄰含水層間存在水頭差時，地下水便會從高水頭含水層通過弱透水層流向低水頭含水層的運動，則指定含水層來說， 可能流入也可能流出該含水層，這種現(xiàn)象稱越流對弱透水層的處理：當(dāng)弱透水層的滲透系數(shù)k1 比主含水層的滲透系數(shù) k 小很多時，可近似認為誰基本上是垂直通過地通過弱透水層，折射90

8、度后再主含水層中基本上是水平流動的反映越流能力的參數(shù) 1.越流因素/阻越系數(shù)2.越流系數(shù) b, b 越大，相同水頭差下的越流量越小B 滲透水層的滲透性愈小，厚度越大，則 B 越大，越流量越小邊界條件：滲流區(qū)邊界上的水力特征條件，用來表示水頭H 在滲流區(qū)邊界上所應(yīng)滿足的條件，也就是滲流區(qū)內(nèi)水流與其周圍環(huán)境相互制約的關(guān)系1）第一類邊界（給定水頭邊界）在其一部分邊界上，各點在每一時刻的水頭都是已知的。水位容易給定，流量變化大的常處理或水頭邊界二維表達式：H （ x , y , t） =（）（x,y,t） （x,y） r 1 二維條件下邊界段 1 上點（x,y）在 t 時刻的水頭。通過水位觀測得到，一

9、般用于河流地表水體2）第二類邊界條件（給定流量邊界）已知邊界上單位寬度流量q 隨時間變化規(guī)律的邊界條件垂直補給地下水處理成流量邊界最典型的 1 隔水邊界2 抽水井n 為邊界2 的外法線方向，q 為已知函數(shù)，表示 r 2 上單位寬度的側(cè)向補給量3）第三類邊界條件（混合邊界）某段邊界 r 3 上 H 和的線性組合已知初始條件：給定某一選定時刻（通常表示為t=0）滲流區(qū)內(nèi)各點的水頭值。表達形式（二維）：H（x,y,t）|t=0=H0 （x,y） ,（x,y）CDH0 為 D 上的已知函數(shù)地下水流動問題的解法1.解析法 2.數(shù)值法 3.模擬法任一過水?dāng)嗝嫔纤还剑ㄓ腥霛B或蒸發(fā)）：h1,h2 分別為左

10、，右兩側(cè)河渠邊潛水流厚度山為離左端起始斷面 x 處的流量公式:q =k - wl+wxq 為距離河 x 處任意斷面上潛水流的單寬流量。2.如何確定分水嶺的位置 p48計算公式：a= （ah，則 a ,分水嶺靠近左河 若 h ,分水嶺靠近右河 即分水嶺的位置總是靠近高水位河渠的3。 計算流入左右河的流量p49a0 時，河渠間存在分水嶺：q=wa （符號表示流向左河）；q=w （l a）（流向右河）a=0 時，分水嶺位于左河邊上的起始斷面上：q1=0, q2=wla0 時，流入河流的單寬流量為=-wa=-0.00044 803=-0.35 負號表示流向河流流入渠的潛水單寬流量為第三章概述1.,水井

11、的類型 p61根據(jù)水井井徑的大小和開鑿方式：管井和筒井根據(jù)水井揭露的地根據(jù)揭露含水層的程度和進水條件（完整井和不完整井）2.形成穩(wěn)定流的條件： 在有側(cè)限補給的有限含水層中，當(dāng)降落漏斗擴展到補給邊界后，側(cè)向補給量和抽水量平衡時，地下水向井的運動便可達到穩(wěn)定狀態(tài)；在有垂向補給的無限含水層中，隨著降落漏斗的擴大，垂向補給量不斷增大。當(dāng)增大到與抽水量相等時，將形成穩(wěn)定的降落漏斗，地下水向井的運動也進入穩(wěn)定狀態(tài)，在沒有補給的無限含水層中，嚴格來說，不可能出現(xiàn)穩(wěn)定流。3. 有效井半徑：由井軸到井外壁某一點的水平距離。4. 單井抽水時如何計算 Q 和 Sw ?Sw=Ho-hw= lnQ=2.73KM sw/

12、sw：井中水位降深Q:抽水井流量M：含水層厚度K：滲透系數(shù) rw：井的半徑 R:影響半徑5. 單井抽水時 Q=1.366K= lnDupuit 共識的應(yīng)用：求含水層參數(shù)預(yù)報流量或降深6. 如何求滲透系數(shù)？承壓水井：K=0.732潛水井：K=0.7327. 井徑和流量的關(guān)系：當(dāng)降深相同時，井徑增加同樣的幅度， 強透水巖層中井的流量增加得 比弱透水層中的井多；對于同一巖層，井徑增加同樣的幅度， 大降深抽水的流量增加的多， 小降深抽水時流量增加的少；對于同樣的巖層和降深，小井徑時，由井徑增加所引起的流 量增長率大，中等井徑時增長率減小，大井徑時，流量隨井徑增加的不明顯。8. 流量和水位降深關(guān)系的經(jīng)驗

13、公式類型：直線型，拋物線型，備函數(shù)曲線型，對數(shù)曲線型。9.疊加原理： 如H1、H2、H3Hn 是關(guān)于水頭 H 的線性偏微分的特解，C1、C2、C3Cn 為任意常數(shù)，則這些特解的線性組合是原方程的解。應(yīng)用條件：曲線性偏微分方程和線性定解條件組成的定解問題。應(yīng)用方面：求解干擾井問題和邊界附近的井流問題。應(yīng)用規(guī)則/得到結(jié)論：各個邊界條件的結(jié)論是互相獨立的；各抽水井的作用是獨立的；3潛水含水層的微分方程是非線性的，不能應(yīng)用疊加原理，可用線性化方法把描述潛水運動的微分方程線性化后，應(yīng)用疊加原理。10、 干擾井與非干擾井相比，干擾井的特點：同樣降深時，一個干擾井的流量比它單獨工作 時的流量要??；欲使流量欲

14、使流量保持不變，則在干擾情況下每個井的降深就要增加，即干擾井的降深大于流量未發(fā)生干擾時的水位降深。干擾程度受自然因素(含水層性質(zhì)、補給、排水條件)、井的數(shù)量、間距、布井方式和井的結(jié)構(gòu)等影響。11、 均勻流：地下水在運動過程中，運動速度不隨時間和空間變化。穩(wěn)定流：包括均勻流和非均勻流。非均勻流：包括漸變流和突變流。12、 井損：水流經(jīng)過過濾器時所產(chǎn)生的水頭損失；水流穿過過濾器時因水流方向偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的水頭損失，水流在慮水管內(nèi)向上運動時因流量和流速不斷增加所引起的水頭損失；水流在井館內(nèi)向上運動至水泵吸水口的沿程水頭損失。13、 井損和流量的關(guān)系：井損值和抽水井流量Q 的二次方成正比。第四章：地下水向

15、完整井的非穩(wěn)定運動1. theis 解的結(jié)果：假設(shè)條件：1)含水層均質(zhì)各向同性，等厚，側(cè)向無限延伸，產(chǎn)狀水平。2) 抽水前天然狀態(tài)下水力坡度為0.3) 完整井定流量抽水，井徑無限小。4) 含水層中水流服從達西定律。5) 水頭下降引起的地下水從儲存量中的釋放是瞬時完成的。Theis 公式：s=(Q/4 兀 T) x W(u)(無補給的承壓水完整井定流量非穩(wěn)定流計算公式)S 抽水影響范圍內(nèi)任一點任一時刻的水位降深。Q 抽水井的流量。t 自抽水開始到計算時刻的時間。r 計算點到抽水井的距離。W (u)井函數(shù)，由 u 值查表得到將 W (u)用級數(shù)前兩項代替得到Theis 公式的近似表達式即 Jaco

16、b 公式S= (0.183Q/T) log ( 2.25Tt/r2u *)2.Theis 公式反映的水頭下速度的變化規(guī)律：1) 近處水頭下降速率大，遠處速率小。2) 每個斷面的水頭下降速率初期由小逐漸增大，當(dāng) 1/u=1 時達到最大，而后下降速率由 大變小，最后趨近于等速下降。3) t 足夠大時，在抽水井周圍一定范圍內(nèi)，下降基本上時相同的，與 r 無關(guān)。3. Theis 公式反映出的流量和滲流速度變化規(guī)律。通過不同過水?dāng)嗝娴牧髁渴遣坏鹊?，r 值越小即離抽水井越近的的過水?dāng)嗝妫髁吭酱?。?dāng)抽水延續(xù)時間達到一定程度后，在該斷面范圍內(nèi)釋放出的水量是微不足道的。抽水初期滲流速度小于穩(wěn)定狀態(tài)的滲流速度，

17、但隨t 的增加又接近于穩(wěn)定滲流速度。4. 影響半徑：R=1.5 (Tt/u * )5. 利用 Theis 公式確定水文地質(zhì)參數(shù)的方法。1) 配線法2) Jacob 直線圖解法3) 水位恢復(fù)法6. 配線法原理計算步驟優(yōu)缺點。原理：在雙對數(shù)坐標系內(nèi)，對于定流量抽水 S-t/r2 曲線和 W(u)-1/u 標準曲線在形狀上時相同的，只是縱橫坐標平移了 Q/4 兀 T 和 u* /4T 的距離，將兩曲線重合，任選一匹配點，記下對應(yīng)坐標值，代入公式即可確定有關(guān)參數(shù)。計算步驟：1)繪制 W(u)-1/u 標準曲線2）繪制實測的 S-t/r2 曲線3）配線4）選匹配點，記下對應(yīng)坐標值，代入公式計算。優(yōu)點：可

18、充分利用抽水試驗的全部觀測資料，避免個別資料的偶然誤差，提高計算精度。缺點：1）抽水初期實際曲線與標準曲線不符，非穩(wěn)定抽水試驗時間不宜過短。2）抽水后期曲線比較平緩，同標準曲線不易擬合準確，常因個人判斷不同引起誤 差。7. Jacob 直線圖解法的原理計算步驟優(yōu)缺點。當(dāng) u 三 0.01 時可利用 Jacob 公式計算參數(shù)原理：由 Jacob 公式改寫形式可知 S 與 log （t/r2）呈線性關(guān)系，斜率為 2.3Q/4 兀 T,利用斜 率可求 T。直線在零降深線上的截距 （t/r2）與 u *的關(guān)系為 u * =2.25T （t/r2）,故可利用（t/r2） 求貯水系數(shù) u *。步驟：1）繪

19、制 S-log （t/r2）曲線2）求直線斜率 i,代入 T=2.3Q/4 兀 i 求出 T3） 測出直線在零降深線上的截距，利用截距求u*優(yōu)點：既可避免配線法的隨意性，有能充分利用抽水后期的所有資料缺點：1）只有在 r 較小而 t 值較大時才能使用（即必須滿足uM 0.01 或放寬精度要求uM 0.05）2）抽水時間短，直線斜率小，截距值小，所得 T 偏大而 u*偏小8.水位恢復(fù)法的原理不考慮水頭慣性滯后動態(tài)，水井以流量Q 持續(xù)抽水 t p 時間后停 抽恢復(fù)水位，那么在時刻（ttp） t 的剩余降深 s與 lg（t/t ）呈線性關(guān)系，利用水位恢復(fù)資 料繪制 s - lg（t/t）曲線求的斜率

20、 i,可計算參數(shù) TT=（0.1BQ/i）9. 定降深井流含義在側(cè)向無限延伸的承壓含水層中抽水，在抽水期間保持井中水頭Hw 或降深 Sw 不變，但含水層中任一點抽水頭是變化的4.2 有截流補給的完整井流1. 越流含水層解的結(jié)果S=（Q/4 兀 T）W （u, r/B）有越流補給的承壓水完整井公式W （u.r/B）為不考慮相鄰弱透水層彈性釋水時越流系統(tǒng)的井函數(shù)可查表得到2. 降深一時間曲線規(guī)律（階段，各階段特征）分三個階段1） 抽水旱期，降深曲線同theis 曲線一致越流尚未進入主含水層，抽水量幾乎全部來自主含水層的彈性釋水弱透水層透水性越小，厚度越大，阻力越大，越流進入抽水層的時間越晚，當(dāng)弱透

21、水層透水性無限小時，在有限的抽水時間內(nèi)，可能無明顯的越流反映，同Theis 曲線相一致2） 抽水中期水位下降變緩，開始偏離Theis 曲線，越流已開始進入抽水含水層，越流含水層的降深小于無越流含水層的降深，而且隨 k1/m1 增大（即 r/B 越大），越流含水層的降深比無越流含水 層的降深小的越多3） 抽水后期曲線趨于水平直線，抽水量與越流補給量平衡，非穩(wěn)定流轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定流3. 確定越流系統(tǒng)參數(shù)方法1）配線法 2）拐點法4. 配線法的步驟（比 Theis 多一參數(shù)）1）繪制 w （u, r/B） 1/u 標準曲線2）繪制實測 st 曲線3）配線4） 選配線點，記下配線點對應(yīng)坐標值1/u, w （

22、u, r/B ） ,ts,代入公式計算 T, u*5）已知r/B和 r,計算 B, k1/m1 B=r/ （r/B）k1/m1=T/BB 越流因素/阻越系數(shù)量綱為L弱透水層的滲透性愈小，厚度越大，則 B 越大，越流量越小5.拐點法利用那些特征值計算水文地質(zhì)參數(shù)？tp lgtspS拐點的時間 tp，降深 sp，斜率 ip4.3 有弱透水層彈性釋水補給和越流補給的完整井流1.考慮含水層彈性釋水補給而相鄰含水層的水頭保持不變的越流系統(tǒng)的三種情況（三種情況的差異）三種情況：1）與上下弱透水層相鄰的是兩個定水頭的含水層2）與上下弱透水層相鄰的是兩個隔水層3）與第一個弱含水層相鄰的是定水頭含水層，與另一個

23、弱含水層相鄰的是隔水層差異：1）與上下弱透水層相鄰的巖層滲透性不同2）抽水初期，三種情況有相同形式的近似解3）抽水時間較久時，三種情況的形式不同4.4 潛水完整井流1. 潛水井流的特點（與承壓水井流相比）1） 潛水井流的導(dǎo)水系數(shù) T=kh 隨距離 r 和時間 t 而變化，而承壓水井流 T=km 和 r, t 無關(guān)2）當(dāng)潛水井流隨降深較大時，垂向分速度不可忽略，在井附近為三維流3）潛水井流有滯后效應(yīng)，承壓水井流抽出的水接近瞬時完成2. boulton 模型考慮里潛水含水層的那些特點？滯后效應(yīng)/遲后疏干3. neuman 模型考慮了潛水含水層的那些特點？流速的垂直分量和彈性釋水4. 潛水完整井降深一時間曲線S2T?抽水旱期第一階段與承壓水完整井抽水時的 Theis 曲線一致，主要表現(xiàn)為潛水水位下降了，水流主要是水平 運動?第二階段斜率減小，偏離 Theis 曲線，有的甚至出現(xiàn)短時間的假穩(wěn)定， 反映疏干排水的作用，但降水漏斗仍以很緩慢的速度坊展。3第三個階段：曲線又與 Theis 曲線重合，重力排水已跟的上水位下降，退后疏干影響逐漸 減小，抽水量來自重力排水，降水漏斗坊展速度增大。第五章地下水向邊界附近井的運動5.1.鏡像法的原理及直線邊界附近的井流1. 鏡像法的原理 p139把直線邊界假象成鏡子，則在邊界附近存在工作的真實的井（實井）會相應(yīng)的在邊界另一側(cè)映出一口虛構(gòu)的井（虛井），