地下水动力学

1、1,地下水动力学：研究地下水在孔隙岩石，裂隙岩石和岩溶（喀斯特）岩石中运动规律的 科学第一章渗流理论基础2, 多孔介质：在地下水动力学中，把具有孔隙的岩石称为多孔介质3 有效空隙：互相连通的，不为结合水所占据的那一部分空隙4, 有效孔隙度：有效孔隙体积与多孔介质总体积之比5, 贮水率：又称释水率面积为一个单位，厚度为一个单位，当水头降低一个单位时所能释 放出的水量贮水系数（释水系数）=贮水率乘以含水层厚度表示面积为一个单位，厚度为含水层全厚度的含水层主体中，当水头改变一个单位 时弹性释放或贮存的水量贮水率与贮水系数相互关系：1,都是表示含水层弹性释水能力的参数2,对于承压含水层， 只要水头不降

2、低到隔水底板以下，水头降低只会引起弹性释水，可用贮水系数表示这种释水能力3,对于潜水含水层，当水头下降时可引起两部分水的排出（1,在上部潜水面下降引起重力排水，用给水度表示重力排水的能力2,在下部饱水部则引起弹性释水，用贮水率表示这一部分的释水能力）弹性释水和重力排水的不同点：1,影响范围不同（弹性释水影响整个承压含水层，重力释水影响潜水含水层和包气带） 2,和时间有关（1 弹性释水瞬时完成不随时时间变化 2 重 力释水存在滞后效应是时间的函数） 3 两只大小不同（弹性释水系数多在 0.001-0.00005 之 间重力排水参数在0.1-0.01 之间）7 渗流：假设这种假想水流运动时，在任意

3、岩石体积内所受的阻力等于真是水流所受的阻力，通过任意断面的流量及任一点的压力或水头均和实际水流相同，这种假想水流称为渗流渗流与实际水流相比相同点：阻力相同水头相同 流量相同8 渗流速度：代表渗流在过水断面上的平均流速，时一种假想流速实际平均流速：在空隙中的不同地点， 地下水运动的方向和速度可能不同平均速度称为实际平均速度测压管水头：H_z=z+p/r水位：一般用在野外，基准面相同（黄海水位标高）水头：基准面可任意选定水位是一种特殊的水头9 地下水头：书十页10,水力坡度：把大小等于坡度值，方向沿着等水头面的法线指向水头降低方向的矢量称为水力坡度 p1111, 地下水运动特征的分类 p11运动要

4、素：表征渗流运动的物理量，主要有渗流量Q,渗流速度 V，压强 P,水头 H 等按运动要素和时间的关系分为： （1）稳定流：运动要素不随时间变化； （2）非稳定流：运动 要素随时间变化按地下水运动方向和空间坐标的关系：一维运动，二维运动，三维运动12, 层流：流速较小时，液体质点做有条不紊的线性运动，彼此不相掺混紊流：流速较大时，液体质点的运动轨迹曲折混乱，互相掺混13,Dacry 在此处键入公式。的表达式和运用范围p14Q=KA （H1-H2）/lV=Q/A=KJQ 一渗流量，h1 h2通过前后的水头 l 一砂样沿水流方向的长度A 一横截面积 k 一渗流系数适用范围：Re 不超过 110 时的

5、地下水运动14 渗透系数 K : P16 在一定压力 F 液体通过岩石的能力取决于岩石的性质和渗透液体的 物理性质具有速度的量纲，单位常用 cm/s 或 m/d 表示导水系数 T : P17 水力坡度等于 1 时，通过整个含水层，厚度上的单宽流量仅适用于二维的 地下水流动，对于三维流动没有意义量纲：P2/T取决于岩石的性质，渗透液体的物理性质，含水层的厚度15 岩层透水特征分类：P17（1）根据岩层透水性随空间坐标的变化情况a 均质 b 非均质（2）根据岩层透水性和渗流方向的关系a 各向同性 b 各向异性比式为渗透水流折射时必须满足的方程（折射定律） 得出的结论：1. 当 k1=k2，则 a

6、1=a 2,表示在均质岩层中不发生折射2. 当 k1 乒 k2,而且 k1,k2 均不等于 0 时，如 a 1=0,则 a 2 亦为 0,表明水流垂直通过界面时不 发生折射3.当水流斜向通过界面时，介质的渗透系数k 值愈大，贝 U a 角也愈大，流线也愈靠近界面， 二介质的 k 值相差愈大，a 1 和 a 2 的差别也愈大，流线通过界面后的偏移程度也愈大流网:在渗流场内，去一组流线和一组等势线（当容重不变时取一组等水头线）组成的网格 称为流网特性：1.在各向同性介质中，流线与等势线处处相等垂直，故流网为正交网2. 在均质各向同性介质中，流网每一网格的边长比为常数3. 当流网中各相邻流线的流函数

7、差值相同，且每个网格的水头差值相等时，通过每个 网格的流量相等4.当两个透水性不同的介质相邻时，在一个介质中为曲边正方形的流网越过界面进入 另一个介质中，则变成曲边矩形应用：确定渗流各要素 1.水头和渗透压强2. 水力坡度和渗流速度3. 流量另外从流网（或等水头线或流线）的定性分析，可了解水文地质条件当半承压含水层和相邻含水层间存在水头差时，地下水便会从高水头含水层通过弱透水层流向低水头含水层的运动，则指定含水层来说， 可能流入也可能流出该含水层，这种现象称越流对弱透水层的处理：当弱透水层的渗透系数k1 比主含水层的渗透系数 k 小很多时，可近似认为谁基本上是垂直通过地通过弱透水层，折射90

8、度后再主含水层中基本上是水平流动的反映越流能力的参数 1.越流因素/阻越系数2.越流系数 b, b 越大，相同水头差下的越流量越小B 渗透水层的渗透性愈小，厚度越大，则 B 越大，越流量越小边界条件：渗流区边界上的水力特征条件，用来表示水头H 在渗流区边界上所应满足的条件，也就是渗流区内水流与其周围环境相互制约的关系1）第一类边界（给定水头边界）在其一部分边界上，各点在每一时刻的水头都是已知的。水位容易给定，流量变化大的常处理或水头边界二维表达式：H （ x , y , t） =（）（x,y,t） （x,y） r 1 二维条件下边界段 1 上点（x,y）在 t 时刻的水头。通过水位观测得到，一

9、般用于河流地表水体2）第二类边界条件（给定流量边界）已知边界上单位宽度流量q 随时间变化规律的边界条件垂直补给地下水处理成流量边界最典型的 1 隔水边界2 抽水井n 为边界2 的外法线方向，q 为已知函数，表示 r 2 上单位宽度的侧向补给量3）第三类边界条件（混合边界）某段边界 r 3 上 H 和的线性组合已知初始条件：给定某一选定时刻（通常表示为t=0）渗流区内各点的水头值。表达形式（二维）：H（x,y,t）|t=0=H0 （x,y） ,（x,y）CDH0 为 D 上的已知函数地下水流动问题的解法1.解析法 2.数值法 3.模拟法任一过水断面上水位公式（有入渗或蒸发）：h1,h2 分别为左

10、，右两侧河渠边潜水流厚度山为离左端起始断面 x 处的流量公式:q =k - wl+wxq 为距离河 x 处任意断面上潜水流的单宽流量。2.如何确定分水岭的位置 p48计算公式：a= （ah，则 a ,分水岭靠近左河 若 h ,分水岭靠近右河 即分水岭的位置总是靠近高水位河渠的3。 计算流入左右河的流量p49a0 时，河渠间存在分水岭：q=wa （符号表示流向左河）；q=w （l a）（流向右河）a=0 时，分水岭位于左河边上的起始断面上：q1=0, q2=wla0 时，流入河流的单宽流量为=-wa=-0.00044 803=-0.35 负号表示流向河流流入渠的潜水单宽流量为第三章概述1.,水井

11、的类型 p61根据水井井径的大小和开凿方式：管井和筒井根据水井揭露的地根据揭露含水层的程度和进水条件（完整井和不完整井）2.形成稳定流的条件： 在有侧限补给的有限含水层中，当降落漏斗扩展到补给边界后，侧向补给量和抽水量平衡时，地下水向井的运动便可达到稳定状态；在有垂向补给的无限含水层中，随着降落漏斗的扩大，垂向补给量不断增大。当增大到与抽水量相等时，将形成稳定的降落漏斗，地下水向井的运动也进入稳定状态，在没有补给的无限含水层中，严格来说，不可能出现稳定流。3. 有效井半径：由井轴到井外壁某一点的水平距离。4. 单井抽水时如何计算 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：含水层厚度K：渗透系数 rw：井的半径 R:影响半径5. 单井抽水时 Q=1.366K= lnDupuit 共识的应用：求含水层参数预报流量或降深6. 如何求渗透系数？承压水井：K=0.732潜水井：K=0.7327. 井径和流量的关系：当降深相同时，井径增加同样的幅度， 强透水岩层中井的流量增加得 比弱透水层中的井多；对于同一岩层，井径增加同样的幅度， 大降深抽水的流量增加的多， 小降深抽水时流量增加的少；对于同样的岩层和降深，小井径时，由井径增加所引起的流 量增长率大，中等井径时增长率减小，大井径时，流量随井径增加的不明显。8. 流量和水位降深关系的经验

13、公式类型：直线型，抛物线型，备函数曲线型，对数曲线型。9.叠加原理： 如H1、H2、H3Hn 是关于水头 H 的线性偏微分的特解，C1、C2、C3Cn 为任意常数，则这些特解的线性组合是原方程的解。应用条件：曲线性偏微分方程和线性定解条件组成的定解问题。应用方面：求解干扰井问题和边界附近的井流问题。应用规则/得到结论：各个边界条件的结论是互相独立的；各抽水井的作用是独立的；3潜水含水层的微分方程是非线性的，不能应用叠加原理，可用线性化方法把描述潜水运动的微分方程线性化后，应用叠加原理。10、 干扰井与非干扰井相比，干扰井的特点：同样降深时，一个干扰井的流量比它单独工作 时的流量要小；欲使流量欲

14、使流量保持不变，则在干扰情况下每个井的降深就要增加，即干扰井的降深大于流量未发生干扰时的水位降深。干扰程度受自然因素(含水层性质、补给、排水条件)、井的数量、间距、布井方式和井的结构等影响。11、 均匀流：地下水在运动过程中，运动速度不随时间和空间变化。稳定流：包括均匀流和非均匀流。非均匀流：包括渐变流和突变流。12、 井损：水流经过过滤器时所产生的水头损失；水流穿过过滤器时因水流方向偏转所产生的水头损失，水流在虑水管内向上运动时因流量和流速不断增加所引起的水头损失；水流在井馆内向上运动至水泵吸水口的沿程水头损失。13、 井损和流量的关系：井损值和抽水井流量Q 的二次方成正比。第四章：地下水向

15、完整井的非稳定运动1. theis 解的结果：假设条件：1)含水层均质各向同性，等厚，侧向无限延伸，产状水平。2) 抽水前天然状态下水力坡度为0.3) 完整井定流量抽水，井径无限小。4) 含水层中水流服从达西定律。5) 水头下降引起的地下水从储存量中的释放是瞬时完成的。Theis 公式：s=(Q/4 兀 T) x W(u)(无补给的承压水完整井定流量非稳定流计算公式)S 抽水影响范围内任一点任一时刻的水位降深。Q 抽水井的流量。t 自抽水开始到计算时刻的时间。r 计算点到抽水井的距离。W (u)井函数，由 u 值查表得到将 W (u)用级数前两项代替得到Theis 公式的近似表达式即 Jaco

16、b 公式S= (0.183Q/T) log ( 2.25Tt/r2u *)2.Theis 公式反映的水头下速度的变化规律：1) 近处水头下降速率大，远处速率小。2) 每个断面的水头下降速率初期由小逐渐增大，当 1/u=1 时达到最大，而后下降速率由 大变小，最后趋近于等速下降。3) t 足够大时，在抽水井周围一定范围内，下降基本上时相同的，与 r 无关。3. Theis 公式反映出的流量和渗流速度变化规律。通过不同过水断面的流量是不等的，r 值越小即离抽水井越近的的过水断面，流量越大。当抽水延续时间达到一定程度后，在该断面范围内释放出的水量是微不足道的。抽水初期渗流速度小于稳定状态的渗流速度，

17、但随t 的增加又接近于稳定渗流速度。4. 影响半径：R=1.5 (Tt/u * )5. 利用 Theis 公式确定水文地质参数的方法。1) 配线法2) Jacob 直线图解法3) 水位恢复法6. 配线法原理计算步骤优缺点。原理：在双对数坐标系内，对于定流量抽水 S-t/r2 曲线和 W(u)-1/u 标准曲线在形状上时相同的，只是纵横坐标平移了 Q/4 兀 T 和 u* /4T 的距离，将两曲线重合，任选一匹配点，记下对应坐标值，代入公式即可确定有关参数。计算步骤：1)绘制 W(u)-1/u 标准曲线2）绘制实测的 S-t/r2 曲线3）配线4）选匹配点，记下对应坐标值，代入公式计算。优点：可

18、充分利用抽水试验的全部观测资料，避免个别资料的偶然误差，提高计算精度。缺点：1）抽水初期实际曲线与标准曲线不符，非稳定抽水试验时间不宜过短。2）抽水后期曲线比较平缓，同标准曲线不易拟合准确，常因个人判断不同引起误 差。7. Jacob 直线图解法的原理计算步骤优缺点。当 u 三 0.01 时可利用 Jacob 公式计算参数原理：由 Jacob 公式改写形式可知 S 与 log （t/r2）呈线性关系，斜率为 2.3Q/4 兀 T,利用斜 率可求 T。直线在零降深线上的截距 （t/r2）与 u *的关系为 u * =2.25T （t/r2）,故可利用（t/r2） 求贮水系数 u *。步骤：1）绘

19、制 S-log （t/r2）曲线2）求直线斜率 i,代入 T=2.3Q/4 兀 i 求出 T3） 测出直线在零降深线上的截距，利用截距求u*优点：既可避免配线法的随意性，有能充分利用抽水后期的所有资料缺点：1）只有在 r 较小而 t 值较大时才能使用（即必须满足uM 0.01 或放宽精度要求uM 0.05）2）抽水时间短，直线斜率小，截距值小，所得 T 偏大而 u*偏小8.水位恢复法的原理不考虑水头惯性滞后动态，水井以流量Q 持续抽水 t p 时间后停 抽恢复水位，那么在时刻（ttp） t 的剩余降深 s与 lg（t/t ）呈线性关系，利用水位恢复资 料绘制 s - lg（t/t）曲线求的斜率

20、 i,可计算参数 TT=（0.1BQ/i）9. 定降深井流含义在侧向无限延伸的承压含水层中抽水，在抽水期间保持井中水头Hw 或降深 Sw 不变，但含水层中任一点抽水头是变化的4.2 有截流补给的完整井流1. 越流含水层解的结果S=（Q/4 兀 T）W （u, r/B）有越流补给的承压水完整井公式W （u.r/B）为不考虑相邻弱透水层弹性释水时越流系统的井函数可查表得到2. 降深一时间曲线规律（阶段，各阶段特征）分三个阶段1） 抽水旱期，降深曲线同theis 曲线一致越流尚未进入主含水层，抽水量几乎全部来自主含水层的弹性释水弱透水层透水性越小，厚度越大，阻力越大，越流进入抽水层的时间越晚，当弱透

21、水层透水性无限小时，在有限的抽水时间内，可能无明显的越流反映，同Theis 曲线相一致2） 抽水中期水位下降变缓，开始偏离Theis 曲线，越流已开始进入抽水含水层，越流含水层的降深小于无越流含水层的降深，而且随 k1/m1 增大（即 r/B 越大），越流含水层的降深比无越流含水 层的降深小的越多3） 抽水后期曲线趋于水平直线，抽水量与越流补给量平衡，非稳定流转化为稳定流3. 确定越流系统参数方法1）配线法 2）拐点法4. 配线法的步骤（比 Theis 多一参数）1）绘制 w （u, r/B） 1/u 标准曲线2）绘制实测 st 曲线3）配线4） 选配线点，记下配线点对应坐标值1/u, w （

22、u, r/B ） ,ts,代入公式计算 T, u*5）已知r/B和 r,计算 B, k1/m1 B=r/ （r/B）k1/m1=T/BB 越流因素/阻越系数量纲为L弱透水层的渗透性愈小，厚度越大，则 B 越大，越流量越小5.拐点法利用那些特征值计算水文地质参数？tp lgtspS拐点的时间 tp，降深 sp，斜率 ip4.3 有弱透水层弹性释水补给和越流补给的完整井流1.考虑含水层弹性释水补给而相邻含水层的水头保持不变的越流系统的三种情况（三种情况的差异）三种情况：1）与上下弱透水层相邻的是两个定水头的含水层2）与上下弱透水层相邻的是两个隔水层3）与第一个弱含水层相邻的是定水头含水层，与另一个

23、弱含水层相邻的是隔水层差异：1）与上下弱透水层相邻的岩层渗透性不同2）抽水初期，三种情况有相同形式的近似解3）抽水时间较久时，三种情况的形式不同4.4 潜水完整井流1. 潜水井流的特点（与承压水井流相比）1） 潜水井流的导水系数 T=kh 随距离 r 和时间 t 而变化，而承压水井流 T=km 和 r, t 无关2）当潜水井流随降深较大时，垂向分速度不可忽略，在井附近为三维流3）潜水井流有滞后效应，承压水井流抽出的水接近瞬时完成2. boulton 模型考虑里潜水含水层的那些特点？滞后效应/迟后疏干3. neuman 模型考虑了潜水含水层的那些特点？流速的垂直分量和弹性释水4. 潜水完整井降深一时间曲线S2T?抽水旱期第一阶段与承压水完整井抽水时的 Theis 曲线一致，主要表现为潜水水位下降了，水流主要是水平 运动?第二阶段斜率减小，偏离 Theis 曲线，有的甚至出现短时间的假稳定， 反映疏干排水的作用，但降水漏斗仍以很缓慢的速度坊展。3第三个阶段：曲线又与 Theis 曲线重合，重力排水已跟的上水位下降，退后疏干影响逐渐 减小，抽水量来自重力排水，降水漏斗坊展速度增大。第五章地下水向边界附近井的运动5.1.镜像法的原理及直线边界附近的井流1. 镜像法的原理 p139把直线边界假象成镜子，则在边界附近存在工作的真实的井（实井）会相应的在边界另一侧映出一口虚构的井（虚井），