水文地质学基础(第六版)第5章 地下水的运动课件.ppt

水文地质学基础 General Hydrogeology,第五章 地下水运动的基本规律,本章内容,5.1 渗流基本概念,,,5.2 重力水运动的基本规律,5.3 流网,,5.1 渗流基本概念,（1）渗透、渗流与渗流场 渗透 ：指地下水在岩石空隙中的运动 渗流：指概化后的水流（或简化后的水流） 渗流场：指发生渗流的区域 （2）层流运动与紊流运动 层流运动 在什么空隙中作层流运动？ 紊流运动 在什么空隙中作紊流运动？ 从流态来看，地下水多为层流（除岩溶管道外）,5.1 渗流基本概念,（3）稳定流与非稳定流 稳定流：指水在渗流场内运动，各个运动要素(水位、水量、流速、流向等)不随时间变化的水流运动 非稳定流：指各个运动要素随时间变化的水流运动 严格地讲，自然界中地下水都属于非稳定流Company Logo,,5.2 重力水运动的基本规律,达西定律线性渗透定律（linear law） H.Darcy 法国水力学家，1856年通过大量的室内实验得出的 5.2.1 实验条件：装置图P33，图5.1 1）等径圆筒装入均匀砂样（uniform sand），断面为 2）上（下各）置一个稳定的溢水装置保持稳定水流 3）实验时上端进水，下端出水示意流线 4）砂筒中安装了2个测压管 5）下端测出水量（outflow）Q,5.2.1 达西试验装置,,Company Logo,,,5.2.2 达西定律（Darcys law）,通过改变水头，多次实验得出：出水端的流量Q与砂柱、测压管水头之间的关系为： （1）,,Company Logo,Q 渗流量； 砂柱断面面积； h 水头损失（m）；L 渗流途径； K与试样有关的比例常数。

由水力学中水动力学基本原理：,（2） Q = K I ,5.2.2 达西定律（Darcys law）,渗流流速 根据水力学，流速与流量的关系对上式转化： Q = V 与（2）式比较 V = KI V称为渗流流速（seepage velocity Darcy velocity ） 达西定律中由此看出： 渗流流速与水力梯度是一次方成正比 故达西定律又称为线性渗透定律 如果I一定， V随K增大而增大VI 曲线,V = K I （3）,细砂,粗砂,5.2.3 达西定律讨论,1）渗流流速（V）与过水断面（） Q = K I = V 过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？ 过水断面，假想的断面 实际孔隙断面n 孔隙度 实际水流断面ne 有效孔隙度 Q/ =V 比照水力学，实际流速 Q/= u ，= ne 关系：地下水渗透流速 V= u ne 渗流流速V：是假设水流通过整个岩层断面（骨架+空隙）时所具有的虚拟的平均流速 意义：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而不去追踪实际水质点的运移轨迹简化的研究,过水断面与实际过水断面,过水断面（） 实际过水断面（） ne (a)有效空隙度ne为重力水流动的空隙体积(不包括结合水占据的空间)与岩石体积比。

有效空隙度ne给水度 ？,过水断面与实际过水断面,实际过断面（） 过水断面（） 地下水实际流线 基于渗透流速的流线,过水断面与实际过水断面,过水断面（） 实际过水断面（） ne (a)有效空隙度ne为重力水流动的空隙体积(不包括结合水占据的空间)与岩石体积比有效空隙度ne给水度 ？,5.2.3 达西定律讨论,1）渗流流速（V）与过水断面（） Q = K I = V 过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？ 过水断面，假想的断面 实际孔隙断面n 孔隙度 实际水流断面ne 有效孔隙度 Q/ =V 比照水力学，实际流速 Q/= u ，= ne 关系：地下水渗透流速 V= u ne 渗流流速V：是假设水流通过整个岩层断面（骨架+空隙）时所具有的虚拟的平均流速 意义：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而不去追踪实际水质点的运移轨迹简化的研究,5.2.3 达西定律讨论,2）水力梯度（I）（hydraulic gradient） 水力学中水力坡度（J）:单位距离上的水头损失 是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比,,物理涵义上来看I：代表着渗流过程中，机械能的损失率，由水力学中水头的概念加以分析： 在地下水渗流研究中 任意点的水头表达式,总水头 测压水头 速度水头 机械能 势 能 动 能,5.2.3 达西定律讨论,水力梯度（I） 在达西实验中：,其原因是 u2/2g 很小而忽略 在地下水渗流研究中常：,总水头 测压水头 我们仍然用 H = H1-H2 代表该程 L12 上的总水头损失， I 则为总能量损失率 渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近） 流体的粘滞性引起的内摩擦阻力（分子间） 固体颗粒表面与水流之间的摩擦阻力,5.2.3 达西定律讨论,水力梯度（I） 从达西公式: V = KI 来看： 当I 增大时，V 也增大（K作为常数）； 流速V 愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大; 水力梯度I愈大时，驱动水流运动与速度也愈大 注意：水头损失一定要与渗流途径相对应,5.2.3 达西定律讨论,3）渗透系数 K（coefficient of permeability） 在有些教科书中也称为水力传导系数 （hydraulic conductivity） 定义：水力梯度为 I =1 时的渗透流速 （V=KI） 单位为md或cms 由公式V = K I 分析 当I一定时，岩层的 K 愈大，则 V 也愈大， Q也愈大 因此，渗透系数 K 是表征岩石透水性的定量指标,5.2.3 达西定律讨论,渗透系数 K 影响因素： 以松散岩石等径孔隙为例来分析 -水的比重； -动力粘滞系数; d0-孔径 从公式 即得出： K与岩石性质有关 K （d02，ne） 与流体物理性质有关 K （/） 表5-1列出常见岩石渗透系数的参考值 5.2.4 达西定律的适用范围 层流运动 雷诺数数介于 110 之间,5.2.3 达西定律讨论,渗透系数 K 表5-1 松散岩石渗透系数参考值,5.3 流网（Flow net）,5.3.1 基本概念 渗流场：地下水流动（运动）的空间 流网是描述渗流场中地下水流动状况的有效工具 流网：是由一系列等水头线与流线组成的网格，称流网。

流线：是渗流场中某一瞬时的一条线，线上各水质点在此瞬时的流向均与此线相切（由许多水质点组成） 迹线：是渗流场中某一时间段内某一水质点的运动轨迹在稳定流条件下，流线与迹线重合 等水头线：在某时刻，渗流场中水头相等各点的连线（水势场的分布）5.3 流网（Flow net）,5.3.1 基本概念 二维流网图： 平面流网：潜水等水位线图，承压水等测压水位线图 剖面流网：含水层厚度较大时，常需要刻画剖面的水流 流网特点： 在均质各向同性介质中，流线与等水头线正交；在均质各向异性介质中，流线与等水头线斜交 稳定流的流网不随时间发生变化，而非稳定流的流网随时间发生变化,5.3 流网（Flow net）,5.3.1 基本概念 均质各向同性介质 渗透系数在含水层内是个常数，不随空间位置和方向的改变而改变 即K(x,y,z) C =Kx=Ky=Kz 均质各向异性介质 渗透系数在含水层内不随空间位置的改变而改变，但随方向的改变而改变 即K(x,y,z) C KxKyKz,5.3.2 定性流网绘制,均质各向同性介质中的流网 在许多实际工作中，绘制定性流网分析问题很重要 精确流网受许多条件（资料不足等）制约，很难办到 思考： 边界条件？有哪几类？ 流线起点和终点？等水头线如何控制？ 等流量如何确定？ “源”resource “汇”sink “地下分流线”divide line（分水或分流处的“流线”）,5.3.2 定性流网绘制,绘制步骤（简要）： 1）寻找已知边界（定水头边界、隔水边界及地下水面边界 ） （河渠的湿周，隔水边界，水位线） 2）确定分流线、源（补给区）和汇（排泄区 ） 3）画出渗流场周边流线 4）据流网的流线与等水头线正交的原则，在已绘流线和等水头线中间内插 确定单宽流量流线根数（规定相邻两条流线之间通过的流量相等） 确定等水头差间隔 参见河间地块流网图P38，图5.4,边界性质图,河间地块流网,等水头线 、流线与各类边界的关系,Company Logo,已知边界 a湿周 b隔水边界 cd水位线,,,,,河间地块流网的绘制,1）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线） 2）分流线、源、汇的确定（分流线是虚拟的隔水边界 ） 3）画出渗流场周边流线与条件, 4）确定等水头值，中间内插,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.3 流网的应用,流网图的应用 它反映了渗流场中地下水的流动状况，同时也是介质场与势场的综合反映。

提供这两方面的信息： 1、可以确定任意点的水头值（H），并了解其变化规律 图中A点水头？ HA与HB的大小？ 2、确定水力梯度 I 的大小，及其变化规律 图中A点的 I？ IA与IB比较谁大？ 3、确定渗透流速V的大小，及其变化规律 图中A点的 VA ？ VA与 VB？ 4、渗流场内的流量分布情况 （如果要打井取水，井布置在何处为什么？） 5、在何处打井取水，井水不会受污染物的影响,流网的应用,河间地块流网的应用,,,,,,,,,比较： HA与HB？ IA与IB？ VA与 VB？,V = KI,5.3.4层状非均质介质中的流网,所谓层状非均质：指介质场内各岩层内部渗透性为均质各向同性的，但不同层介质的渗透性不同 如图5.5（P38）所示，设有两岩层渗透系数分别为K1及K2，而K2 =3 K1 A图：当两层厚度相等，流线平行于层面流动时，两层中的等水头线间隔分布一致，K2层中流线密度为K1层的3倍即更多的流量通过渗透性好的K1层运移 B图：Kl与K2两层长度相等，流线恰好垂直于层面，这时通过两层的流线数相等K1层中等水头线的间隔数为K2层的3倍即通过流量相等，渗透途径相同情况下，在渗透性差的K1层中消耗的机械能是K2层的3倍。

5.3.4层状非均质介质中的流网,层状非均质介质中两种条件下的流网,K1,K2,K1,,,,,,,,,K23K1,K23K1,K2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,K1,K1,K2,,,,A,B,Q=KI,5.3.4层状非均质介质中的流网,流线与岩层界线既不平行，也不垂直，以一定角度斜交 ，如图5.6 当地下水流线通过具有不同渗透系数的两层边界时，必然像光线通过一种介质进入另一种介质一样，发生折射，服从以下规律： K1/ K2 = tan1/tan2 式中1是流线在K1层中与层界法线间的夹角； 2是流线在K2层中与层界法线间的夹角 为了保持流量相等(Q1=Q2)，流线进入渗透性好的K2层后将更加密集，等水头线的间隔加大(dl2dl1) 也就是说，流线趋向于在强透水层中走最长的途径，而在弱透水层中走最短的途径使强透水层中流线接近于水平，而在弱透水层中流线接近于垂直层面(图5.7)5.3.4层状非均质介质中的流网,图5.6 流线在不同渗透性岩层层界上的折射 K1/ K2 = tan1/tan2,,dl1,,5.3.4层状非均质介质中的流网,图5.7 流线在不同渗透性岩层中的折射,5.3.4层状非均质介质中的流网,当含水层中存在强渗透性透镜体时，流线将向其汇聚； 存在弱渗透性透镜体时，流线将绕流 ，见下图,。