供水水文地质第四章

1、供水水文地质第四章第1页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一一、地下水运动的特点（一）曲折复杂的水流通道研究方法：用假想水流来代替真正水流用假想水流代替真正水流的条件： 1)假想水流通过任意断面的流量必须等于真正水流通过同一断面的流量。流量相等 第一节 地下水运动特征及其基本规律第2页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一（一）曲折复杂的水流通道 2)假想水流在任意断面的水头必须等于真正水流在同一断面的水头。水头相等 3)假想水流通过岩石所受到的阻力必须等于真正水流所受到的阻力。水头损失相等（二）流速慢（m/d）自然界一般地下水在孔隙或裂隙中的流速为数m/d。 地

2、下水在曲折的通道中缓慢流动称为渗流，或渗透水流 过水断面：渗透水流通过的含水层横断面称为过水断面第3页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一（三）流态大多为层流 层流： 地下水是在曲折的通道中作缓慢渗流，因此，地下水流大多数都呈层流运动。紊流：只有当地下水流通过漂石、卵石的特大孔隙或岩石的大裂隙及可溶岩的大溶洞时，才会出现紊流状态。另外，取水构筑物附近由于过水断面减小使地下水流速增加很大，常呈紊流区。第4页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一（四）多呈非稳定流、缓变流运动地下水在自然界的绝大多数情况下是非稳定流运动。为研究方便，把地下水运动要素变化不大，或地下水的

3、补给、排泄条件变化不大的某一时段的运动近似地当作稳定流来处理不可忽视的情况：由于人工开采，使地下水位逐年持续下降时，地下水的非稳定流运动就不可忽视第5页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一（四）多呈非稳定流、缓变流运动缓变流：在天然条件下，地下水流一般都呈缓变流运动，流线弯曲度很小，近似于一条直线，相邻流线之间夹角很小，近似于平行。缓变流动中，地下水的各过水断面可当作一个直面，同一过水断面上各点的水头亦可当作是相等的。这样假设的结果就可把本来属于空间流动（或叫三维流运动）的地下水流，简化成为平面流（或叫二维流运动），这样假设会使计算简单化。第6页，共50页，2022年，5月20

4、日，0点1分，星期一线性渗透定律反映了地下水作层流运动时的基本规律二、线性渗透定律第7页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一地下水在实际运动过程中，水力坡度i常常是变化的，因此，Darcy定律应写成微分形式渗透系数K是反映岩石渗透性能的指标，其物理意义为：当水力坡度为1时的地下水流速。K不仅决定于岩石的性质(如空隙的大小和多少)，而且和水的物理性质(如比重和粘滞性) 有关。第8页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一Darcy定律的适用范围： 1Re10时的地下水层流运动 自然界大多数地下水层流动运动时的Re10。 紊流运动规律：水流的渗透速度与水力坡度的平方根成

5、正比。即哲才公式。 第10页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一 有时，地下水水流运动形式介于层流和紊流之间，即呈混合流，可用期姆莱公式计算渗透速度。 期姆莱公式中， m的取值范围为12。 m=1，Darcy公式； m=2，哲才公式生产实践中很难事先确定地下水的流态属性，因此，哲才公式和斯姆莱公式在实际工作中很少应用第11页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一第二节 地下水流向井的稳定运动 一、地下水取水构筑物的基本类型 提取地下水的工程设施称为取水构筑物。 当取水构筑物中地下水的水位和抽出的水量都保持不变，这这时的水流称为稳定流运动（一）垂直取水构筑物（井）：

6、指设置方向大致与地表相垂直的取水构筑物。 1）潜水完整井 2）潜水非完整井 3）承压水完整井 4）承压水非完整井第12页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一（一）垂直取水构筑物（井）第13页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一 （二）水平取水构筑物（渗水管、渗渠等）：指设置方向大致与地表相平行，地下水从一侧或两侧进入构筑物内的取水构筑物。第14页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一下面关于井的说法哪一项是错误的（ ）A、根据井的结构和含水层的关系可将井分为完整井和非完整井B、完整井是指打穿了整个含水层的井C、只打穿了部分含水层的水井是非完整井D、

7、打穿了整个含水层但只在部分含水层上安装有滤水管的水井是非完整井第15页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一(一)地下水流向潜水完整井根据裘布依的稳定流理论，当在潜水完整井中进行长时间的抽水之后，井中的动水位和出水量都会达到稳定状态；同时在抽水井周围亦会形成有规则的稳定的降落漏斗；漏斗的半径R称为影响半径；井中的水面下降值s叫水位下降值；从井中抽出的水量Q称单井出水量；二、稳定流运动类型及其计算公式第16页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一第17页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一第18页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一应用

8、：1.求含水层的渗透系数K2.预测潜水完整井的出水量Q3.求井水位降深S （4-8）第19页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一（二）稳定流运动类型类型潜水承压水完整井(1)(2)非完整井(4)(3)第20页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一稳定流运动类型不同的水文地质条件和不同结构的取水构筑物都有其相应的计算公式，可查手册，但要严格遵守其适用条件。第21页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一第22页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一第23页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一第24页，共50页，2022年，5

9、月20日，0点1分，星期一实例1某地区有一承压完整井，井半径r=0.21m，过滤器长度L=35.82m；含水层为砂卵石，厚度M=36.42m；影响半径R=300m，抽水试验结果为：s1=1.00m Q1=4500m3/d；s2=1.75m Q2=7850m3/d；s3=2.50m Q3=11250m3/d；求K？ 第25页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一直接采用公式计算第26页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一实例2 某潜水含水层附合裘布依潜水完整井水文地质模型。其中：H=75m，R=600m，ro=3m，当第一次稳定抽水后So=20m，Q=520m3/d

10、，求：（1）第二次抽水Q=650m3/d时的井中降深So（2）r1=200m时的观察井水位降深S1 、S1第27页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一解： (1) Q1/Q2=(H2- h02)/ (H2- h0 2),而 S0=H- h0 （2分） 将各组数据代入上式得：S0=26.3m （1分）(2) 根据裘布依理论：K=Q lg R/r0/1.366(H2- h02) (2分) 将各组数据代入上式得：K=0.337m3/d （1分） 又因为 h12 =H2- Q lg( R/r1)/1.366K, S1=H- h1（2分） 将各组数据代入上式得：S1=3.7 m 同理得：

11、S1=4.6 m （2分）第28页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一实例3某承压完整井经稳定抽水试验后得如下水文参数：流量Q=380 m3/d，井半径r0=0.5m，井中降深So=5m，含水层厚度M=2m，补给半径R=45m。经第一次抽水稳定后再次加大抽水量，此时井中降深So=15m,求：（1）再次稳定后流量Q （2）r1=20m时的观察井水位降S1 、S1 第29页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一解： (1) Q1/Q2=So/ So（2分） Q2= Q1So/So=380m3/d15m/5m=1140m3/d（2分） (2) S1= So (lgR-l

12、gr1)/ (lgR-lgr0) （2分）当抽水量为Q1.So=5 m时, S1=5（lg45-lg20）/（lg45-lg0.5）=0.9m（2分）当抽水量为Q2,So=15 m时, So=15（lg45-lg20）/（lg45-lg0.5）=2.7m （2分）第30页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一第三节 地下水流向井的非稳定运动 泰斯非稳定流理论认为在抽水过程中地下水的运动状态是随时间而变化的，即动水位不断下降，降落漏斗不断扩大，直至含水层边缘或补给水体无充分补给的抽水井所形成的非稳定流运动第31页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一 非稳定流理论所解

13、决的主要问题:1）评价地下水的开采量 非稳定流计算最适合用来评价平原区深部承压水的允许开采量。2）预报地下水位下降值 预报在一定取水量及一定时段之后，开采区内及附近地区任一点的水位下降值。3）确定含水层水文地质参数 通过抽水试验测得Q、s及t值，然后通过非稳定流方程式可解出其中的导水系数、储水系数等水文地质参数一、非稳定流理论所解决的主要问题第32页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一 1）弹性储存 对于承压含水层，当抽水的影响未扩及至补给边界前，随着抽水过程，抽出的水量主要是由于水头下降，引起含水层弹性压缩和承压水弹性膨胀而释放地下水；而当水头上升，含水层则会储存这部分地下水

14、，这种现象称为弹性储存。二、基本概念第33页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一 2）越流 抽水含水层的顶、底板为弱透水层，在抽水含水层抽水条件下，由于水头降低，和相邻含水层之间产生水头差，相邻含水层通过弱透水层与抽水含水层之间发生水力联系，这种水力联系称之为“越流”。 第34页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一 3） 越流系统：产生越流现象时，由抽水含水层、弱透水层、相邻含水层（补给含水层）组成的系统称为越流系统。抽水的含水层称为主含水层，相邻含水层称为补给层。 越流系统分为三类（1）弱透水层的弹性储量可忽略不计，抽水期间补给含水层水头几乎不变； （2）考虑

15、弱透水层弹性储量，抽水期间补给含水层水头不变；（3）补给含水层的水头随主含水层的抽水情况而变化第35页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一 地下水流向井的非稳定流运动可分为如下类型：三、地下水流向井的非稳定运动类型及计算公式地下水流向井的非稳定运动越流系统中地下水流向承压水完整井的非稳定流运动无越流系统中地下水流向井的非稳定流运动流向非完整井的非稳定流运动流向完整井的非稳定流运动流向承压水完整井的非稳定流运动(2)流向潜水完整井的非稳定流运动(1)流向承压水非完整井的非稳定流运动(4)流向潜水非完整井的非稳定流运动(3)第二类越流系统中流向承压水完整井的非稳定流运动(6)第一类

16、越流系统中流向承压水完整井的非稳定流运动(5)第36页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一(1)流向潜水完整井的非稳定流运动第37页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一(2)流向承压水完整井的非稳定流运动 第38页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一(3)流向潜水非完整井的非稳定流运动(4)流向承压水非完整井的非稳定流运动第39页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一(5)第一类越流系统中流向承压水完整井的非稳定流运动计算公式第40页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一(6)第二类越流系统中流向承压水完整井的非稳定流

17、运动第41页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一实例1 某承压含水层满足泰斯条件，为降低其地下水位需设计抽水量。设水文地质参数如下：*=1.510-4，T=kM=0.550=25m/d, ro=3m，So=75m, t =18d。第42页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一解: 当*0.05时，则有 S=0.183Q/Tln2.25at /ro2 (T=KM, a=T/*=25/1.510-4) （3分） Q=ST/0.183(ln2.25at /r2 )-1 （3分） Q =7525/0.183(ln2.2525/1.510-418 /9 )-1 =2981m

18、3/d （4分）第43页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一实例2某矿井对奥陶系承压含水层的排水量为720m3/d，含水层厚度M=50m；渗透系数K=0.5m/d；储水系数*=2.5 10-3 。离矿井直线距离r=4.8 103m处有一水井，于矿井排水之时起t=0.5y，水位开始大幅下降。问：是否矿井排水所影响？第44页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一解1：令S=0，则有r=R 2.25at/R2=1 R=解2： S=0.183 72025 ln（2.25 104 182.5）/（4.8 103）2=5.27 In0.1780解3：令S=0 则2.25at/

19、r2=1 t=r2/2.25a= （4.8 103）2/2.25 104 =1024d=2.81y第45页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期一水文地质参数是表征含水层性质特征的重要参数，其数值的大小是含水层各种性能的综合反映。常用的参数： 渗透系数（K）：表示含水层渗透性能的参数； 导水系数（T）：表示含水层导水能力大小的参数，其数值为含水层的渗透系数与厚度的乘积。 给水度（）：表示潜水含水层给水能力的参数。即饱水岩石在重力作用下，可自由流出的最大水体积与整个岩石体积之比值。第四节 水文地质参数的确定 一、常用水文地质参数第46页，共50页，2022年，5月20日，0点1分，星期