地下水主要内容.doc

渗流基本理论部分多孔介质(Porous medium)，是指由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量的、相互连通的小空隙所构成的物质。常又细分为孔隙介质、裂隙介质。与地下水运动相关的多孔介质重要性质:孔隙性、压缩性、渗透性渗流：假想的充满整个多孔介质的空隙和岩石骨架全部体积的水流，其具有与实际水流相同的断面流量、压力(水位)及水力阻力，以这种假想水流代替空隙中运动的实际水流，研究含水介质中流体的总体平均的运动规律。渗流运动要素：渗流力学研究中，表征渗流运动特征的物理量；主要有渗流量Q、渗透速度v、压强p、压力水头h等。代表性单元体(REV )：为多孔介质中地下水运动作连续性近似而引进的概念；以p 点为中心，任取一体积Vi，以该体积多孔介质的孔隙度ni为例， 当VminViVmax，ni值仅随p点周围孔隙大小的随机分布而有小幅波动但总体趋于稳定，该范围内的体积称为“代表性单元体积”。渗流的特点：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。地下水运动三种状态：(1)当地下水低速度运动时，Re=110，为粘滞力占优势的层流运动，适用Darcy定律；(2)随着流速的增大，Re1100，为一过渡带，由粘滞力占优势的层流运动转变为惯性力占优势的层流运动再转变为紊流运动；(3)高Re时为紊流运动。非线性运动方程：P. Forchheimer、Antoine Chezy公式应用于Re110 、速度较大的地下水流。 水文地质参数渗透系数K：常用单位m/d；与岩土的性质(如颗粒的成分与排列、充填状况，裂隙性质等)、流体物理性质(容重、粘滞性等)有关；通常，地下水的容重和粘滞性基本不变，可以把岩层渗透系数看作为常数。导水系数T：它等于渗透系数与含水层厚度之积，即T=KM；常用单位m2/d；物理意义为在水力坡度等于1时，通过整个含水层厚度上的单宽流量；T的概念仅适用于一、二维的地下水流，对三维流没有意义。贮水率或释水率s：当水头降低1单位时、单位体积含水层所释放的水量；释放出的水量包括因水体积膨胀以及骨架的压缩而释放的水量，这种因水头下降引起含水层释水的现象称为弹性释水，弹性释水过程一般假设是在瞬时完成的。弹性释水系数或储水系数：水头变动一个单位时，单位面积上的含水层所释放或贮存的水量。它等于贮水率与含水层厚度之积。*=sM含水层的介质特征均质：反映含水层与地下水赋存及运动相关的物理性质，如、K，在岩层中处处相等，不随空间变化。各向同性：反映含水层与地下水赋存及运动相关的矢量，如K，与方向无关。常见的4种介质：均质各向同性、均质各向异性、非均质各向同性、非均质各向异性基本微分方程地下水运动微分方程，依据水流连续性方程和反映能量守恒与转化定律的方程(例如Darcy定律)建立起来的。(水流连续性原理或水均衡原理+Darcy定律) (1) 承压水渗流的连续性方程：Darcy定律：，承压水运动的基本微分方程：在二维条件下，常用参数和T，上式写成： (2) 潜水潜水面上点p处的渗透速度vs，由Darcy定律有：Dupuit假设：潜水处于缓变流动的状态下，角度很小，可以用tg=dH/dx来代替sin=dH/ds。Dupuit假设的本质：潜水渗透速度的垂直分量vz被忽略，等水头面(等势面)垂直x轴，即潜水水头H(x,y,z,t)可以近似地用H(x,y,t)来代替。此时，有：vx=-KdH/dx，H=H(x) 一维潜水单宽研究单元上水流连续性方程：Darcy定律： 潜水运动的基本微分方程( Boussinesq方程)：隔水底板水平(h=H)时，二维Boussinesq方程： 第一线性化方法：在研究时段0t内，潜水流的平均厚度m；在潜水自由面坡度较小或潜水流厚度较大时，利用m代替方程右端微分项中的变系数h： hm代替微分外h第二线性化方法： 令，于是有: 第6章完整井:揭穿整个含水层、且允许各段含水层中的地下水可以比较均匀地进入井中。影响半径:从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离。6.1 稳定流井流公式(1)含水层均质、各向同性、产状水平、厚度不变，平面上无限延伸；(2)抽水前的地下水面是水平的；(3)抽水井是完整井；抽水过程中，流量连续、稳定；(4)含水层中的水流服从Darcy定律。1)承压井的Dupuit公式二维承压水稳定运动方程(柱坐标形式): 边界条件 H=H0 当r=R时H=hw 当r=rw时承压水井的Dupuit公式: 2)潜水井的Dupuit-Thiem公式利用潜水第二线性化方法，潜水稳定运动方程(柱坐标形式)： 边界条件 h=H0 当r=R时h=hw 当r=rw时潜水井的Dupuit公式： “引用影响半径”R0代替R，Dupuit-Thiem潜水井流公式：6.2 承压水非稳定井流(Theis)公式假设条件：(1)含水层均质、各向同性，产状水平、等厚，侧向无限延伸；(2)抽水前，天然水力坡度为零；(3)完整井定流量抽水，井径无限小；(4)含水层中水流服从Darcy定律；(5)承压水的弹性释放，是在水头下降的瞬间完成的。 解可以用来：研究非稳定流运动规律； 根据抽水实验数据求含水层参数(配线法、Jacob直线图解法)； 根据含水层参数，设计开采方案等。Jacob公式当u很小时，。由此，Theis公式的近似表达式为化为常用对数，有： 6.3 潜水非稳定井流公式与承压水井流相比，潜水井流的主要特点：(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T=KM和r、t无关；(2)潜水井流当降深较大时，垂向分速度不可忽略，在井附近为三维流。而水平含水层中的承压水井流垂向分速度可忽略，一般为二维流或可近似地当二维流来处理；(3) 潜水井抽出的水体主要来自含水层的重力疏干。受迟后作用影响，只有抽水时间足够长，利用抽水试验数据测出是给水度才实际上趋于一个常数值。而承压水井流则不同，抽出的水来自含水层贮存量的释放，接近于瞬时完成，贮水系数是常数。Boulton迟后排水分析法根据抽水试验中降深随时间变化的曲线特征， N.S.Boulton提出“迟后疏干概念。第一个阶段，抽水初始段(也许只有几分钟)，降深时间曲线与Theis曲线相一致。此时，潜水位下降并没有导致重力排水作用的产生，主要是由于压力降低引起水的瞬时释放，即弹性释水。水流一般来说主要是水平运动。第二个阶段，降深时间曲线的斜率减小，明显地偏离Theis曲线，有的甚至出现短时间的假稳定。它反映潜水疏干排水作用的效应，好象含水层得到了补给使水位下降速度明显减缓；但降落漏斗仍以缓慢速度扩展着。第三个阶段，这个阶段的降深时间曲线又与Theis曲线重合。表明重力排水已跟得上水位下降，迟后疏干影响逐渐变小、直至可以忽略不计。所抽取的水体来自重力排水，降落漏斗扩展速度增大。此时给水度所起的作用相当于承压含水层的贮水系数。Neuman(1975)解： 式中，抽水早期 ；抽水晚期： 、根据抽水实验数据，利用分段配线法求含水层参数。第7章河渠间潜水的稳定运动 假设：(1)含水层均质各向同性、隔水底板水平，垂向水量交换强度W为常数(补给为正)； (2) 河渠基本上是平行的，潜水流可视为一维流； (3) 潜水流是渐变流并趋于稳定。 解(浸润曲线方程)： 随W有如下的变化规律: 当W0时，为椭圆形曲线；当W0时，为双曲线；当W0时，为抛物线。在入渗作用下，河渠间的浸润曲线形状为一椭圆曲线的上半支，在河渠间形成分水岭；用求极值的方法求出分水岭的位置(x=a)，dh/dx=0，则。 任意断面潜水流的单宽流量: 河渠附近潜水的稳定运动在W=0条件下潜水稳定流，各断面上潜水流的单宽流量相等，为在断面1、断面2之间： (DupuitForchheimer流量公式)潜水浸润曲线(二次抛物线): 河渠附近承压水的稳定运动一维承压水流方程为 在断面1、断面2之间：(承压水位降落曲线是倾斜的直线)单宽流量计算式:承压转无压地点，根据水流连续性原理，有q压=q潜=q，得河渠附近潜水非稳定运动被一顺直河渠完全切割半无限潜水含水层，假设：(1) 潜水含水层均质、各向同性，具水平的隔水底板，在平面上无限延展；(2) 潜水初始水位h(x,0)水平；(3) 水位迅速升至某高度后长时间保持不变，水位升幅为；(4) 垂向水量交换强度，在区内各处相等且为非时变的常量；(5) 潜水流可视为一维流。 令有解： 特定解及其水文地质意义：当=0， (1)当