地下水運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律

1、關(guān)于地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律第一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律3.1 地下水運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn)3.2 達(dá)西定律3.3 流網(wǎng)第二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月一、地下水在復(fù)雜的多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng) 1. 滲透：地下水在巖石空隙中的運(yùn)動(dòng)，水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)途徑多變；流速多變。 2. 滲流：對(duì)實(shí)際的地下水進(jìn)行概化，概化后的地下水流稱為滲流，所占據(jù)的空間區(qū)域稱為滲流區(qū)（滲流場(chǎng)）。 3. 概化方法：不考慮含水層中固體顆粒的存在，認(rèn)為含水層完全被水所充滿；不考慮實(shí)際流向的多變性，只考慮單向流。3.1 地下水運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn)第三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月實(shí)際和理想

2、的水流對(duì)比 3.1 地下水運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn)第四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1 地下水運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn)二、地下水流形態(tài)類型 根據(jù)流速大小，滲流分兩種流態(tài)：層流、紊流 層流在巖石空隙中滲流時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)作有秩序的、互不混雜的流動(dòng)。流速小，一般巖石空隙； 紊流水質(zhì)點(diǎn)無秩序地、互相混雜的流動(dòng) 。流速大，巖石大空隙（礫石層、溶洞）。 第五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1 地下水運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn) 雷諾數(shù)是判別流態(tài)的重要參數(shù)（Re）流體慣性力與粘性力的比值，無因次。 Re=Lu/式中： L流體流束中的物體任意有代表性的長(zhǎng)度；u流體流速；動(dòng)力粘度；流體密度。 雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)

3、各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。 雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動(dòng)狀態(tài)。 判斷標(biāo)準(zhǔn)： 管道雷諾數(shù)Re2000為層流狀態(tài)， 管道雷諾數(shù)Re4000為紊流狀態(tài)， 管道雷諾數(shù)Re20004000為過渡狀態(tài)。第六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1 地下水運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn)三、穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流 穩(wěn)定流地下水的各個(gè)運(yùn)動(dòng)要素（水位、流速、流向等）不隨時(shí)間 改變。 非穩(wěn)定流地下水的各運(yùn)動(dòng)要素隨流程、時(shí)間等不斷發(fā)生變化的水流。第七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1 地下水運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn)注意：1. 自然界中地下水都屬于非穩(wěn)定

4、流。 補(bǔ)給水源受水文、氣象因素影響大，呈季節(jié)性變化； 排泄方式具有不穩(wěn)定性； 徑流過程中存在不穩(wěn)定性。 2. 為了便于計(jì)算，常將某些運(yùn)動(dòng)要素變化微小的滲流，近似地看作穩(wěn)定流。第八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2 達(dá)西定律一、實(shí)驗(yàn)條件 H.Darcy法國水力學(xué)家，1856年（以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)研究時(shí)期）通過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出了達(dá)西定律。 1）等徑圓筒裝入均勻砂樣，斷面為 2）上（下各）置一個(gè)穩(wěn)定的溢水裝置保持穩(wěn)定水流 3）實(shí)驗(yàn)時(shí)上端進(jìn)水，下端出水示意流線 4）砂筒中安裝了2個(gè)測(cè)壓管，相距L 5）下端測(cè)出水量（outflow）Q第九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、達(dá)西定律

5、根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到關(guān)系式： Q = Kh/l 其中：根據(jù) I=h/l 可以推出： Q = K I 其中：Q-滲透流量(L3T-1)； w-過水?dāng)嗝?L2)； h-水頭損失(水頭差，L)； l-滲透途徑(L)； K-滲透系數(shù)(LT-1)； I-水力梯度(無量綱)。3.2 達(dá)西定律第十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月三、滲透流速根據(jù)水力學(xué)流速與流量的關(guān)系： Q = V則Q = KI可簡(jiǎn)化為V = KI，稱為滲透流速。公式V = KI ，為單位面積上的流量，稱比流量。滲透流速與水力梯度是一次方成正比， 故達(dá)西定律又稱為線性滲透定律。3.2 達(dá)西定律第十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022

6、年6月四、達(dá)西定律討論1. 滲透流速（V）與過水?dāng)嗝妫ǎ?Q = K I = V過水?dāng)嗝?，假想的斷面；?shí)際孔隙斷面n；實(shí)際過水?dāng)嗝鎛e 。 思考：n、ne、大小關(guān)系地下水的實(shí)際滲流速度u =Q/ =KI/ne，地下水滲透流速 V=u ne，滲透流速等于平均實(shí)際流速與有效空隙度的乘積。 實(shí)際流動(dòng)速度要大于滲透速度：Q = une 滲透流速V：是假設(shè)水流通過整個(gè)巖層斷面（骨架+空隙）時(shí)所具有的虛擬的平均流速。意義：研究水量時(shí)，只考慮水流通過的總量與平均流速，而不去追蹤實(shí)際水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)移軌跡簡(jiǎn)化的研究。3.2 達(dá)西定律第十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月過水?dāng)嗝媾c實(shí)際過水?dāng)嗝?3.2 達(dá)西

7、定律第十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 水力坡度（I）（hydraulic gradient） 水力學(xué)中水力梯度（J）:單位距離上的水頭損失 是沿滲流途徑上的水頭損失與相應(yīng)的滲流長(zhǎng)度之比水在空隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服水與隙壁以及流動(dòng)快慢不同的質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦阻力（這種摩擦阻力隨地下水流速增加而增大），從而消耗機(jī)械能，造成水頭損失。 水力梯度可以理解為水流通過單位長(zhǎng)度滲透途徑為克服摩擦阻力所耗失的機(jī)械能。從另一個(gè)角度，也可以將水力梯度理解為驅(qū)動(dòng)力，即克服摩擦阻力使水以一定速度流動(dòng)的力量。3.2 達(dá)西定律第十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月水力梯度（I）從達(dá)西公式: V =

8、 KI 來看：當(dāng)I 增大時(shí)，V 也愈大；即流速V 愈大，單位滲流途徑上損失的能量也愈大;反過來，水力梯度I愈大時(shí)，驅(qū)動(dòng)水流運(yùn)動(dòng)與速度也愈大注意：水頭損失一定要與滲流途徑相對(duì)應(yīng)3.2 達(dá)西定律第十五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月滲透系數(shù)K-水力傳導(dǎo)率定義： 水力梯度為I =1 時(shí)的滲透流速（V=KI）具有速度量綱L2 T-1。由公式V = K I 分析： 當(dāng)I一定時(shí)，巖層的K 愈大，則V 也愈大， Q 大因此，滲透系數(shù)K 是表征巖石透水性的定量指標(biāo)3.2 達(dá)西定律第十六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月滲透系數(shù)K影響因素：以松散巖石等徑孔隙為例來分析 水的重率； 動(dòng)力粘滯系數(shù)

9、 因素包括：孔隙大小多少；顆粒大小；分選程度；從公式即得出： K與巖石性質(zhì)有關(guān)K （d02，ne） 與流體物理性質(zhì)有關(guān)K （/）用途：重要的水文地質(zhì)參數(shù)，用于地下水資源評(píng)價(jià)。3.2 達(dá)西定律第十七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 適用范圍：層流：雷諾數(shù)Re2000-3000 達(dá)西定律適用范圍：Re1-10之間某一數(shù)值的層流運(yùn)動(dòng)3.2 達(dá)西定律第十八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月五、達(dá)西定律應(yīng)用3.2 達(dá)西定律 1. 已知某均質(zhì)含水層，含水層滲透系數(shù)為K，沿徑流方向有兩個(gè)水位觀測(cè)孔，孔間距為L(zhǎng)，兩觀測(cè)孔觀測(cè)水位分別為Ha和Hb，求：沿地下水流方向的單寬流量。解：第十九張

10、，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2 達(dá)西定律 2. 求水平等厚承壓含水層流量和承壓水頭線。 承壓含水層由均質(zhì)等厚的砂組成，隔水底板水平，地下水做水平穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。砂層中的滲流是緩慢的，屬層流，符合達(dá)西定律：第二十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2 達(dá)西定律設(shè)x(0,L), 并對(duì)應(yīng)的測(cè)壓水位為h，根據(jù)上式可寫成如下兩式： 結(jié)論：均質(zhì)水平等厚承壓含水層的測(cè)壓曲線是直線。 第二十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2 達(dá)西定律 3. 計(jì)算潛水含水層流量和潛水位曲線 有一潛水含水層由均質(zhì)的砂組成，隔水底板水平，在平面上水流呈穩(wěn)定 平行流動(dòng)。 由達(dá)西定律的單寬流量：同樣

11、設(shè)x (0,L), 并對(duì)應(yīng)的潛水位為h， 可通過流量相等推導(dǎo)出潛水位曲線公式：結(jié)論: 均質(zhì)水平潛水含水層的侵潤(rùn)曲線是拋物線。 第二十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 流 網(wǎng)一、基本概念 1. 等水位（壓）線潛水位（測(cè)壓水位）相等的各點(diǎn) 的連線，稱為等水位（壓）線。2. 流線滲流場(chǎng)中某一瞬間的一條曲線，曲線上各水質(zhì)點(diǎn)在此瞬間的流向均與此線相切。3. 流網(wǎng)在滲流場(chǎng)的某一典型剖面或切面上由一系列等水頭線和流線所組成的網(wǎng)絡(luò)。第二十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 流 網(wǎng)二、滲流場(chǎng)性質(zhì)（一）滲流場(chǎng)介質(zhì)類型 均質(zhì)非均質(zhì)；各向同性各向異性 均質(zhì)巖層滲流場(chǎng)中所有點(diǎn)都具有相同

12、參數(shù)（K）的巖層。 非均質(zhì)巖層滲流場(chǎng)中所有點(diǎn)不都具有相同參數(shù)的巖層，滲透系數(shù)K=K(x,y,z)，為坐標(biāo)的函數(shù)。 各向同性巖層滲流場(chǎng)中某一點(diǎn)的滲透系數(shù)不取決于方向，即不管滲流方向如何都具有相同滲透系數(shù)的巖層。 各向異性巖層滲流場(chǎng)中某一點(diǎn)的滲透系數(shù)取決于方向，滲透系數(shù)隨滲流方向不同而不同的巖層。第二十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 流 網(wǎng)（二）滲流場(chǎng)邊界類型 邊界：定水頭邊界、隔水邊界、地下水面邊界。 河渠的濕周為等水頭線 平行隔水邊界為流線 地下水面無補(bǔ)排時(shí)為流線 流線由源指向匯第二十五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 流 網(wǎng)等水頭線、流線與各類邊界的關(guān)系流

13、線跟等水頭線正交;(2) 注意流場(chǎng)的邊界類型和補(bǔ)給排泄特征; (3) 等水頭線越密說明水力梯度越大；流線越密說明地下水徑流越強(qiáng)； (4) 潛水面可能是流連，也可能不是流線第二十六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 流 網(wǎng)三、均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)特征（一） 流網(wǎng)形態(tài) 地下水沿水頭變化最大的方向運(yùn)動(dòng)（垂直于等水頭線方向），流線與等水頭線構(gòu)成正交網(wǎng)格。 第二十七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 流 網(wǎng)（二） 流網(wǎng)繪制方法（1）確定分流線：流線由源指向匯，流線趨向可初步確定； 分流線相當(dāng)于隔水邊界。 （2）根據(jù)邊界條件繪制容易繪制的流線或等水頭線 a. 定水頭邊界：相

14、當(dāng)于等水頭線，等水頭面。 b. 隔水邊界：相當(dāng)于流線。 c. 潛水面邊界：無入滲補(bǔ)給時(shí)為流線 有入滲補(bǔ)給時(shí)，水面即不是流線也不為等水頭線 （3）按照“正交”原則，等間距內(nèi)插其它的流線或等水頭線。第二十八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 流 網(wǎng)河間地塊流網(wǎng)第二十九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月河間地塊流網(wǎng)水文地質(zhì)信息：1.由分水嶺到河谷，流向從由上向下到接近水平再向上；2.在分水嶺地帶打井，井中水位隨井深加大而降低；河谷地帶井水位則隨井深加大而抬升；3.由分水嶺到河谷，流線愈密集，流量增大，地下徑流加強(qiáng)；4.由地表向深部，地下徑流減弱；5.由分水嶺出發(fā)的流線，滲透途徑

15、最長(zhǎng)，平均水力梯度最小，地下徑流交替最弱，近流線末端河谷下方，地下水的礦化度最高。第三十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 流 網(wǎng)四、層狀非均質(zhì)中的流網(wǎng) 層狀非均質(zhì)介質(zhì)是指介質(zhì)場(chǎng)內(nèi)各巖層內(nèi)部滲透性為均質(zhì)各向同性，但不同層介質(zhì)的滲透性不同。水流折射定律：式中：K1-地下水流入巖層（K1層）的滲透系數(shù)； K2-地下水流出巖層（K2層）的滲透系數(shù)； 1-地下水流向與流入巖層（K1層）層界法線之間的夾角() ； 2-地下水流向與流出巖層（K2層）層界法線之間的夾角() 。 第三十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)（a）等水頭線間隔分布一致，2層中的流線是1

16、層中的3倍，更多的流線通過滲透性好的2層運(yùn)移。（b）通過兩層的等水頭線數(shù)相等，2層中等水頭線間隔是1層的3倍。通過流量相同，滲透途徑相同時(shí)，在滲透性差的1層中消耗的機(jī)械能是2層的3倍。第三十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月滲透性不同的介質(zhì)中的流網(wǎng) 流線趨向于在強(qiáng)透水層中走最長(zhǎng)的路徑，而在弱透水層中走最短的路徑。第三十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 流 網(wǎng)五、流線的性質(zhì) a. 流線不能相交（同一時(shí)刻不可能有兩個(gè)流向） b. 流線光滑不能有急轉(zhuǎn)折（若有轉(zhuǎn)折，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)有兩個(gè)流向） c. 流線相當(dāng)于隔水邊界（只能在其間運(yùn)動(dòng)，不能穿過流線運(yùn)動(dòng)） d. 流線的形狀受控于邊界的性質(zhì)和形狀（平行于隔水邊界，垂直于供水邊界）第三十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 流 網(wǎng)六、流網(wǎng)的用途與性質(zhì)（一）用途 a. 根據(jù)流線方向可以看出任一點(diǎn)的流向； b. 根據(jù)等水頭線可以看出任一點(diǎn)水位的變化； c. 流線的密疏可以反映地下徑流的強(qiáng)弱； d. 等水頭線的密疏則說明水力梯度的大小。 e. 追蹤污染物質(zhì)的運(yùn)移 f. 判斷水文地質(zhì)條件（含水層條件；邊界條件；與地表水關(guān)系）（二）性質(zhì) a