地下水资源计算

第八章地下水资源计算与评价（1）地下水的运动包括两大类，运动特点各不相同，分别满足于孔隙水和裂隙岩溶水的特点。第一类为地下水在多孔介质的孔隙或遍布于介质中的裂隙运动，具有统一的流场，运动方向基本一致第二类为地下水沿大裂隙和管道的运动，方向没有规律，分属不同的地下水流动系统渗流假设

1.地下水的运动渗透：地下水在岩石空隙或多孔介质中的运动，这种运动是在弯曲的通道中，运动轨迹在各点处不等。为了研究地下水的整体运动特征，引入渗流的概念（a）实际渗透(b)假想渗流图8－1岩石中的渗流与假想流渗流（seepageflow）：具有实际水流的运动特点（流量、水头、压力、渗透阻力），并连续充满整个含水层空间的一种用以代替真实地下水流的虚拟水流。基本特点：假想水流的性质与真实地下水流相同充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间运动时所受的阻力与实际水流所受阻力相等通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与实际水流相同渗流场（flowdomain）：假想水流所占据的空间区域，包括空隙和岩石颗粒所占的全部空间渗流基本参数：过水断面（Cross-sectionalarea）：截面积A=Av+As渗流量（Seepagedischarge）：Q－通过过水断面的流量渗流速度（Specificdischarge/seepagevelocity）：V－渗流在过水断面上的平均流速。它不代表任何真实水流的速度，只是一种假想速度实际平均流速（Meanactualvelocity）u-地下水通过空隙面积的流速，u=V/n地下水头（hydraulichead）：H－流场中任意点的总水头总水头＝位头＋压头＋速头≈位头＋压头

位头（potentialhead）压头（pressurehead）速头（velocityhead）水力坡度（hydraulicgradient）：J－渗流场中的水头下降矢量等水头面：渗流场中水头值相同的各点相互连接所形成的一个面。可以是平面也可为曲面等水头线（groundwatercontour）：等水头面与某一平面的交线（2）地下水的运动特征特点（3）基本方程渗流假设流量通过假想流任意端面的水头等于真实水流阻力曲折复杂的水流通道迟缓的流速层流和紊流非稳定、缓变流运动达西定律－线性渗透定律（Re<10）或:哲才公式－非线性渗透定律（Re>10）或：

(1≤m≤2)图8－2达西试验装置示意图图8－3水平渗流达西定律计算示意图达西定律的讨论反映了能量转化与守恒适用范围Re<1-10，层流，适用，地下水低速运动，粘滞力占优势Re＝10～100，层流，不适用，为过渡带，由粘滞力占优势的层流转变为以惯性力占优势的层流运动Re>100，紊流，不适用图8－4渗透系数与水力坡度的关系（J.Bear）渗透系数（hydraulicconductivity）K渗透系数是反映岩石透水性的指标，反映了含水介质对渗流阻力大小。常用单位：m/d，cm/s影响因素：①岩石的性质，空隙大小起主导作用②流体的物理性质：容重、粘滞性等可以根据渗透系数的大小进行岩石透水性分级表8-1岩石透水性划分K(cm/s)10－210－310－610－7(m/d)8.640.8648.64×10－48.64×10－5透水性透水弱透水隔水含水层好的差的不含水表8－2岩土渗透性分级（G50287-1999水利水电工程地质勘察规范）（1）水井的分类水井（waterwell）是用以开采、排泄地下水的集水建筑物。按揭穿含水层的程度及进水条件：完整井、非完整井完整井(fullypenetratingwell)：揭穿整个含水层，并在整个含水层厚度上都进水的井非完整井(partiallypenetratingwell)：未完全揭穿个含水层，或揭穿含水层，但只有部分含水层厚度上进水的井按揭穿含水层的类型：潜水井、承压水井潜水井(wellinaphreaticaquifer)：揭露潜水含水层的水井承压水井(wellinaconfinedaquifer)：揭露承压含水层水井水井类型可交叉：如承压水完整井、潜水非完整井等2.地下水井流类型（a）潜水井；（b）承压水井图8－5完整井和非完整井（1）地下水井流特征基本概念水位降深(drawdown)：抽水井及其周围某时刻的水头比初始水头的降低值，简称降深水位降落漏斗（coneofdepression）：由抽水而形成的漏斗状的水头（水位）下降区，简称降落漏斗影响半径(radiusofinfluence)：从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离层流与紊流层流（laminarflow）：水流流束不相混杂、运动迹线平行紊流（turbulentflow）：流束相互混杂、运动迹线不规则

Re临界≈150~300，天然地下水多处于层流状态稳定流与非稳定流稳定流（steadyflow）：在一定的观测时间内，渗流水头、渗透速度等要素不随时间变化的地下水运动非稳定流（unsteady/transientflow）：渗流水头、渗透速度等任一渗透要素随时间变化的地下水运动均质与非均质均质岩层：渗流场中所有点都具有相同参数的岩层非均质岩层：渗流场中所有点不都具有相同参数的岩层非均质可分为渐变和突变两类各向同性与各向异性各向同性岩层：渗流场各个方向都具有相同渗透系数各向异性岩层：渗流场中某点的渗透系数随渗流方向不同而不同的岩层（1）稳定流方程裘布依公式（潜水完整井）将上式分离变量，取积分得：两边积分，整理得：3.地下水井流计算QshswhwHR图8－6潜水完整井计算示意图水量方程潜水完整井：承压水完整井：式中：M－含水层厚度（米）同理，可推导出非完整井的稳定流水量方程。（2）非稳定流方程含水层参数导水系数：（描述含水层的水力传导性能）水位传导系数：（描述含水层的水位传导性能）释水系数：

式中：μs为释水率，水头降低1个单位时，从单位体 积含水层中弹性释放出的水量储水系数：S（等同于释水系数）潜水层：重力释水；承压含水层：弹性释水

非稳定流方程泰斯公式潜水完整井：承压水完整井：非完整井：有越流补给的非稳定流：上述方程可采用适线法或数值法求解（3）水文地质参数的确定

水文地质参数是表征含水层性质特征的重要参数、是含水层各类性能的综合反映，通常由抽水试验获取。抽水试验类型：稳定流、非稳定流完整井、非完整井单孔、多孔、干扰井群布置：单线－垂直流向双线－十字形技术要求：宜于枯水期进行；稳定流－水位稳定24小时以上；测定Q~t、s~lgt等曲线①渗透系数K单井稳定流由裘布依公式→（潜水完整井）（承压水完整井）多孔（有观测孔）稳定流同样可推导出上述类似方程非稳定流：根据泰斯公式，采用适线法若无资料，可选用经验值经验数值法：见表8－1图8－7抽水试验Q~s历时曲线示意图地层地层颗粒渗透系数K(m/d)粒径(mm)所占重量(%)粉砂细砂中砂粗砂极粗的砂砾石夹砂带粗砂的砾石漂砾石0.05～0.10.1～0.250.25～0.50.5～1.01～270以下＞70＞50＞50＞501～55～1010～2525～5050～10075～150100～200200～500表8－3不同岩层渗透系数经验值②影响半径K潜水完整井：承压水完整井：经验公式：或（长时间抽水时）经验数值法：见表8－2地层地层颗粒影响半径R(m)粒径(mm)所占重量(%)粉砂细砂中砂粗砂极粗的砂小砾石中砾石粗砾石0.05～0.10.1～0.250.25～0.50.5～1.01～22～33～55～1070以下＞70＞50＞50＞5025～5050～100100～300300～400400～500500～600600～15001500～3000表8－4不同岩层的影响半径经验值③给水度μ实验室测定法：定义试验野外试验法（示踪试验）：式中：r1－投剂井与抽水井之间的距离；

t－示踪剂出现的时间经验取值法：表8－5不同岩石类型给水度经验值岩石类型给水度岩石类型给水度粘土0.01~0.03细砂0.12~0.16裂隙灰岩0.008~0.10中砂0.18~0.22亚粘、亚砂0.08~0.10粗砂0.22~0.26粉砂0.10~0.12砾石>0.26④导水系数T：T＝K·M⑤入渗系数α动态观测法：经验数值法：（1）地下水运动的数值模拟基本方程：达西定律、渗流连续方程和质量守恒方程，拉普拉斯方程：该方程可用数值法求解。4.地下水资源计算（1）地下水资源评价：对地下水的数量、质量、时空分布特征和开发利用作出科学的、综合的、全面的分析、计算和预测（2）地下水资源的分类前苏联：静储量、动储量、调节储量、开采储量美、日：持续开采量、疏干性开采量、最大常年开采量中国：储存量、补给量、允许开采量（3）地下水补给量的计算地下径流流入量降水入渗补给量地表水入渗补给量相邻含水层越层补给5.地下水资源评价（4）评价方法：水量均衡法：解析