水文地质学基础之地下水运动基本规律(powerpoint 44页).pptx

1水文地质学基础水文地质学基础General Hydrogeology -2第1节 地下水运动的基本特点第2节 重力水运动基本规律第3节 流 网第4节 包气带水水分运动规律第四章 地下水运动基本规律3第1节 地下水运动的基本特点曲折复杂的水流通道 用假象水流代替真实水流，假设：n假象水流的性质（密度、粘滞性等）与真实水流相同，假象水流的性质（密度、粘滞性等）与真实水流相同，且充满了含水层空隙和颗粒所占据的空间；且充满了含水层空隙和颗粒所占据的空间； n假象水流任意断面的流量、水头或压力和实际水流相同；假象水流任意断面的流量、水头或压力和实际水流相同； n假象水流运动时在任意的岩石体积内所受的阻力和真实假象水流运动时在任意的岩石体积内所受的阻力和真实水流所受的阻力相同水流所受的阻力相同 n这时的假象地下水在岩石空隙中的运动称为地下水在岩石空隙中的运动称为渗流渗流(seepage (seepage flow)flow)发生渗流的区域称为渗流场发生渗流的区域称为渗流场n假象水流发生渗流的区域称为发生渗流的区域称为渗流场渗流场n渗流场由固体骨架和岩石空隙中的水两部分组成渗流渗流场由固体骨架和岩石空隙中的水两部分组成。

渗流只发生在岩石空隙中只发生在岩石空隙中4第1节 地下水运动的基本特点迟缓的流速 一般以m/d计算，而河道或管网中的水流则以m/s计算； 根据流速的大小(按运动状态按运动状态) )，渗流分两种流态： n层流：在岩石层空隙中渗流时，水的质点作有秩序的、互不混杂的流动 n紊流：水的质点无秩序地、互相混杂的流动 n用雷诺数（Re）判别： n Re110 层流 Re 110 紊流 地下水在岩石空隙中的运动速度一般较小，大多为层流5第1节 地下水运动的基本特点非稳定流 水的各个运动要素（水位、流速、流向等）随时间变化关系分为稳定流和非稳定流 n渗流场中任意点的水位（或流速、流向）与时间无关时，称作稳定流n渗流场中任意点的水位（或流速、流向）随时间变化时为非稳定流 n自然界的地下水流一般均为非稳定流，原因有三： 补给水源受水文、气象因素影响大，呈季节性变化； 排泄方式具有不稳定性； 径流过程中存在不稳定性6第1节 地下水运动的基本特点地下水根据运动要素在空间上的变化规律一维流（线流）一维流（线流）、二维流（平流）、三维流（空间流）二维流（平流）、三维流（空间流） n流场中任意一点的速度变化只与空间坐标的一个方向有关时称为一维流（线流）一维流（线流）。

n流场中任意一点的速度变化与空间坐标的两个方向有关时称为二维流（平流）二维流（平流）n流场中任意一点的速度变化与空间坐标的两个方向有关时称为三维流（空间流）三维流（空间流）地下水空间运动上的特征主要取决于含水层的几何形状，地下水空间运动上的特征主要取决于含水层的几何形状，含水层的边界条件以及地下水的开采方式含水层的边界条件以及地下水的开采方式7达西定律达西定律达西定律达西定律（Darcys law）线性渗透定律（线性渗透定律（线性渗透定律（线性渗透定律（linear lawlinear law） H.Darcy法法国国水水力力学学家家，1856年年（以以实实验验为为基基础础研研究究时时期期）通过大量的室内实验得出的通过大量的室内实验得出的4.1.1 实验条件实验条件：装置图：装置图P36，图，图4-11 1）等径圆筒装入均匀砂样（）等径圆筒装入均匀砂样（uniform sand），断面为），断面为2 2）上（下各）置一个稳定的溢水装置）上（下各）置一个稳定的溢水装置保持稳定水流保持稳定水流3 3）实验时上端进水，下端出水）实验时上端进水，下端出水示意流线示意流线4 4）砂筒中安装了）砂筒中安装了2 2个测压管个测压管5 5）下端测出水量（）下端测出水量（outflow）Q第1节 地下水运动的基本特点8断面1断面2QLhH2H1OO第1节 地下水运动的基本特点Company L达 西 试 验 装 置_两种2变水头装置变水头装置1常水头装置常水头装置10第2节 重力水运动基本规律n 通过变水头，多次实验得出：出水端的流量通过变水头，多次实验得出：出水端的流量Q Q与砂柱、与砂柱、测压管水头之间的关系为：测压管水头之间的关系为：（1 1） n Q Q 渗流量；渗流量； 砂柱断面面积；砂柱断面面积；n h h 水头损失（水头损失（m m）；）；L L 渗流途径；渗流途径；n K K与试样有关的比例常数。

与试样有关的比例常数v由水力学由水力学中水动力学基本原理：中水动力学基本原理：（2） Q = K I 定义：单位时间内通过砂的流量与渗透长度l成反比，与过水断面w，上、下测压管的水头差成正比11第2节 重力水运动基本规律n渗透流速渗透流速n根据水力学流速与流量的关系对上式转化：根据水力学流速与流量的关系对上式转化： Q = Vn与（与（2）式比较）式比较 V = KI - （3）称为称为渗透流速渗透流速（seepage velocity Darcy velocity specific discharge）上式为单位面积上的流量上式为单位面积上的流量-称比流量称比流量n达西定律中由此看出：达西定律中由此看出：n渗透流速与水力梯度是一次方成正比渗透流速与水力梯度是一次方成正比n故达西定律又称为线性渗透定律故达西定律又称为线性渗透定律12VIO1砂样砂样2V = K I （3）VI 曲线第2节 重力水运动基本规律13第2节 重力水运动基本规律n讨论 渗透流速（渗透流速（V V）与过水断面（）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？过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否否过水断面过水断面，假想的断面，假想的断面实际孔隙断面实际孔隙断面 n 孔隙度孔隙度 实际水流断面实际水流断面 n 有效孔隙度有效孔隙度 Q/ =V 比照水力学，实际流速比照水力学，实际流速 Q/= u关系关系：地下水渗透流速：地下水渗透流速 V= u ne 渗渗透透流流速速V：是是假假设设水水流流通通过过整整个个岩岩层层断断面面（骨骨架架+空空隙隙）时时所具有的虚拟的平均流速。

所具有的虚拟的平均流速意意义义：研研究究水水量量时时，只只考考虑虑水水流流通通过过的的总总量量与与平平均均流流速速，而而不去追踪实际水质点的运移轨迹不去追踪实际水质点的运移轨迹简化的研究简化的研究过水断面过水断面比较比较14 过水断面（过水断面（） 实际过断面（实际过断面（）过水断面与实际过水断面第2节 重力水运动基本规律15水力梯度（水力梯度（I）（hydraulic gradient）v 水力学中水力学中水力坡度水力坡度（J）:单位距离上的水头损失单位距离上的水头损失v 是沿渗流途径上的水头损失与是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度相应的渗流长度之比之比 v 物物理理涵涵义义上上来来看看I：代代表表着着渗渗流流过过程程中中，机机械械能能的的损损失失率率，由水力学中水头的概念加以分析：由水力学中水头的概念加以分析：v 在地下水渗流研究中在地下水渗流研究中任意点的水头表达式任意点的水头表达式 总水头总水头 测压水头测压水头 速度水头速度水头 机械能机械能 势势 能能 动动 能能第2节 重力水运动基本规律16水力梯度（水力梯度（I）n在在达西实验达西实验中中： 其原因是其原因是 u2/2g 很小而忽略很小而忽略v在在地下水渗流研究地下水渗流研究中常中常：n总水头总水头 测压水头测压水头 (这是这是习惯用法习惯用法)我们我们仍然用仍然用 H = H1-H2 代表该程代表该程 L12 上的总水头损失，上的总水头损失，I 则为总能量损失率则为总能量损失率v渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）n流体的粘滞性引起的流体的粘滞性引起的内摩擦阻力（分子间）内摩擦阻力（分子间）n固体颗粒表面对水流的反作用力固体颗粒表面对水流的反作用力第2节 重力水运动基本规律17水力梯度（水力梯度（I） 从达西公式从达西公式: : V = KIV = KI 来看来看：v当当I I 增大时，增大时，V V 也愈大；也愈大；v即流速即流速V V 愈大，单位渗流途径上损失的能量愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大也愈大; ;反过来，水力梯度反过来，水力梯度I I愈大时，驱动水流愈大时，驱动水流运动与速度也愈大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注意：水头损失一定要与渗流途径相对应第2节 重力水运动基本规律18第2节 重力水运动基本规律形成水力梯度的原因形成水力梯度的原因：水在空隙中运动，受到空隙壁摩擦阻力，形成机械能消耗，造成水头损失。

认为水力梯度是水流通过单位长度的渗透途径克服摩擦力所消耗的机械能水力梯度是驱动力机械能消耗于渗透途径上，水头差与渗透长度相对应19w渗透系数(K)：渗透系数渗透系数 K K（coefficient of permeability） 在有些教科书中也称为水力传导率在有些教科书中也称为水力传导率 （hydraulic conductivity）定义定义：水力梯度为：水力梯度为 I I =1 =1 时的渗透流速时的渗透流速 （V=KIV=KI）具有速度量纲具有速度量纲 L L2 2 T T-1-1 由公式由公式V = K I 分析分析当当I一一定定时时，岩岩层层的的 K 愈愈大大，则则 V 也也愈愈大大， Q 大大因此，渗透系数因此，渗透系数 K K 是表征岩石是表征岩石透水性透水性的定量指标的定量指标.第2节 重力水运动基本规律20第2节 重力水运动基本规律渗透系数渗透系数 K K影响因素影响因素： 以松散岩石以松散岩石,等径孔隙为例来分析等径孔隙为例来分析水的重率；水的重率； 动力粘滞系数动力粘滞系数从公式从公式 即得出：即得出：K与岩石性质与岩石性质有关有关 K （d02，ne）与流体物理性质有关与流体物理性质有关 K （/）表表4-14-1列出常见岩石渗透系数的参考值列出常见岩石渗透系数的参考值21第2节 重力水运动基本规律达西实验条件与达西定律的应用条件n实验条件： ，稳定流，一维流。

n应用条件：Re10的层流均质各向同性介质22含水层介质特征含水层介质特征 均质均质(homogeneous medium)(homogeneous medium)：K K在岩层中处处相等，在岩层中处处相等，不随空间变化不随空间变化 非均质非均质(inhomogeneous medium)(inhomogeneous medium)：K K在岩层中随空间在岩层中随空间位置变化而改变位置变化而改变 各向同性介质各向同性介质(isotropic medium)(isotropic medium)：K K不随渗流方向改不随渗流方向改变 各向异性介质各向异性介质(anisotropic medium)(anisotropic medium)：K K随水流方向改随水流方向改变第2节 重力水运动基本规律23n均质各向同性 n均质各向异性 n非均质各向同性 n非均质各向异性 第2节 重力水运动基本规律24作业：作业：1在等厚的承压含水层中，实际过水断面面积为在等厚的承压含水层中，实际过水断面面积为400m2的流量为的流量为10000m3/d，含水层的孔隙度为，含水层的孔隙度为0.25，试求含水层的实际速度和渗透速度。

试求含水层的实际速度和渗透速度2已知一等厚、均质、各向同性的承压含水层，已知一等厚、均质、各向同性的承压含水层，其渗透系数为其渗透系数为15 m/d，孔隙度为，孔隙度为0.2，沿着水流方，沿着水流方向的两观测孔向的两观测孔A、B间距间距L=1200m，其水位标高分，其水位标高分别为别为Ha=5.4m，Hb=3m试求地下水的渗透速度试求地下水的渗透速度和实际速度和实际速度第2节 重力水运动基本规律25第3节 流 网 基本概念 w流线 ：某时刻在渗流场中画出的一条空间。