水文地质学基础地下水的基本运动规律解析PPT学习教案

1、会计学1水文地质学基础地下水的基本运动规律水文地质学基础地下水的基本运动规律解析解析第四章第四章 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律第2页/共52页特征：特征：多孔介质，渗流通道多孔介质，渗流通道复杂多变，空隙细小复杂多变，空隙细小，所受阻力大，水流，所受阻力大，水流缓慢。缓慢。第四章第四章 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律第3页/共52页区别：流速区别：流速紊流紊流：v v快快 Re2300 层流层流：v v缓慢缓慢 Re2300雷诺数雷诺数Re=vd/Re=vd/Vd：地下水渗流速度：地下水渗流速度:粘滞系数粘滞系数第四章第四章 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律第4页

2、/共52页 一维流一维流：渗流场中任意点的流速变化只与空间坐标一个方向：渗流场中任意点的流速变化只与空间坐标一个方向有关的渗流。有关的渗流。 二维流二维流/ /三维流三维流：渗流场中任意点的流速变化与空间坐标两个：渗流场中任意点的流速变化与空间坐标两个/ /三个方向有关的渗流。三个方向有关的渗流。第5页/共52页水在空隙介质中渗流，其驱动力是什么呢？水在空隙介质中渗流，其驱动力是什么呢？地下水的地下水的机械能机械能：动能：动能+势能势能地下水是流动的，某一点上承受的压力除了静水压强之外地下水是流动的，某一点上承受的压力除了静水压强之外还有动水压强，因此总水头（还有动水压强，因此总水头（Hd）：

3、）： gvZpHd22式中，p为静水压强；v为实际水流速度。Z为位置水头， P/P/为为压力水头压力水头，v v2 2/2g/2g为为流速水头流速水头含水层中实际水流速度很小，较重力加速度小得多，可忽含水层中实际水流速度很小，较重力加速度小得多，可忽略不计，在一般问题研究中，视测压水头与总水头相等。略不计，在一般问题研究中，视测压水头与总水头相等。 4 .0 4 .0 基本概念基本概念第6页/共52页钻孔水柱高度和测压水头与含水钻孔水柱高度和测压水头与含水层某一点压强（层某一点压强（P）的关系：）的关系： PhnZhHnn式中，为水的容重；Z为含水层中某一点（A）至基准面（含水层底板）的垂直距

4、离；hn为水柱高度（测压水头）； Hn为水头。4 .0 4 .0 基本概念基本概念第7页/共52页第8页/共52页实验条件：试验装置图实验条件：试验装置图 1 1）等径圆筒装入均匀砂样，断面）等径圆筒装入均匀砂样，断面为为 2 2）上（下各）置一个稳定的溢水）上（下各）置一个稳定的溢水装置装置稳定水流稳定水流 3 3）实验时上端进水，下端出水测）实验时上端进水，下端出水测出水量出水量Q Q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4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律第9页/共52页IKLhKQdldhKAQ4.1 4.1 重力水运动的基本规律

5、重力水运动的基本规律第10页/共52页K = coefficient of proportionality called hydraulic conductivity.Q = volume of fluid per unit time passing through a column of constant cross-sectional area, A and length L.h1, h2 = elevations of inflow and exit reservoirs of the column. z = elevation of the point at which the pie

6、zometric head ismeasured, above a datum level.p, r = fluids pressure and mass density.z = elevation of the point at which the piezometric head is measured.p, r = fluids pressure and mass density12hhQKALphzgrDarcys Law 4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律第11页/共52页4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律第12页/共52页Darcys L

7、aw 4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律第13页/共52页Experiments:达西定律适用范围：达西定律适用范围：Re=110的层流运动的层流运动4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律实验证实实验证实Re1Re1时，时，V V和和I I线性相关，线性相关，1Re101Re10Re10时，时，V V和和I I非线性相关。非线性相关。也既，自然界只有一部分层流满也既，自然界只有一部分层流满足达西定律，也即足达西定律，也即Re10Re60 K(m/d) 0.0010.10 0.100.50 0.51.0 1.05.0 5.020 2050 50150 15

8、0500 一般，松散岩石，岩石颗粒愈粗，渗透系数一般，松散岩石，岩石颗粒愈粗，渗透系数K愈大。愈大。测定：测定：a a室内土柱试验（达西试验）；室内土柱试验（达西试验）； b野外抽水试验。野外抽水试验。4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律第21页/共52页gKkr渗透率渗透率k：表征岩石对不同流体的固有的渗透性能，与流体性质无关，表征岩石对不同流体的固有的渗透性能，与流体性质无关，仅取决于岩石的孔隙性质。仅取决于岩石的孔隙性质。4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律一般情况下，把渗透系数看成表征岩石渗透性能的参数。但一般情况下，把渗透系数看成表征岩石渗透性

9、能的参数。但在研究石油、卤水或热水的运动时，就必须考虑液体的物理在研究石油、卤水或热水的运动时，就必须考虑液体的物理性质，采用渗透率性质，采用渗透率k k来表征岩层渗透性能。来表征岩层渗透性能。第22页/共52页KMh1h200L第23页/共52页dxdhKMdxdhMKvqdxdhKv1单宽流量为：分离变量并积分：分离变量并积分：IKMLhhKMqdhKMdxqKMdhqdxKMdhqdxhhLhhL21002121第24页/共52页设设x (0,L), 并对应的测压水位为并对应的测压水位为h，根据上式可写，根据上式可写成如下两式：成如下两式：xLhhKMqandxhhKMq2211 )(

10、2112121hhLxhhxLhhxhhqq结论：均质水平等厚承压含水层的测压曲线是结论：均质水平等厚承压含水层的测压曲线是第25页/共52页结论结论: 均质水平潜水含水层的侵润曲线是均质水平潜水含水层的侵润曲线是dxdhhKqIMKLhhhhKqhdhKdxqKhdhqdxhhL21210221)(222121hhLxhh第26页/共52页2bH2aH2LKLbHaH2bHaHKI1MKIKQ第27页/共52页流线可看作水质点运动的摄影，迹线则是对水质点运动所拍的电影流线可看作水质点运动的摄影，迹线则是对水质点运动所拍的电影。 在稳定流条件下，两者重合。在稳定流条件下，两者重合。第28页/共

11、52页 流网：流网：在渗流场的某一典型剖面或切面上，由一系列等水在渗流场的某一典型剖面或切面上，由一系列等水位线与流线组成的网格。位线与流线组成的网格。第29页/共52页4.2 4.2 流流 网网第30页/共52页第31页/共52页边界：边界：定水头边界、隔水边界、地下水面边界定水头边界、隔水边界、地下水面边界。l 河渠的湿周为等水头线河渠的湿周为等水头线l 平行隔水边界为流线平行隔水边界为流线l 地下水面无补排时为流线地下水面无补排时为流线l 流线由源指向汇流线由源指向汇第32页/共52页隔水边界相当于流线隔水边界相当于流线定水头边界，相当于等水头线，等水头面定水头边界，相当于等水头线，等水

12、头面（河流（河流）无无入入渗渗和和蒸蒸发发有有入入渗渗补补给给第33页/共52页（一）（一） 流网形态流网形态 地下水沿水头变化最大的方向运动（垂直于等水头线方向地下水沿水头变化最大的方向运动（垂直于等水头线方向），流线与等水头线构成正交网格。），流线与等水头线构成正交网格。 第34页/共52页（二）流网绘制方法（二）流网绘制方法（1）确定分流线：）确定分流线：补给区、排泄区。补给区、排泄区。流线由源指向汇，流线趋流线由源指向汇，流线趋向可初步确定；向可初步确定；分流线相当于隔水边界。分流线相当于隔水边界。 （2）根据边界条件绘制容易绘制的流线或等水头线）根据边界条件绘制容易绘制的流线或等水头

13、线 a. 定水头边界：定水头边界：相当于等水头线，等水头面。相当于等水头线，等水头面。 b. 隔水边界：隔水边界：相当于流线。相当于流线。 c. 潜水面边界：潜水面边界：无入渗补给时为流线无入渗补给时为流线 有入渗补给时，水面即不是流线也不为等水头线有入渗补给时，水面即不是流线也不为等水头线 （3）按照）按照“正交正交”原则，等间距内插其它的流线或等水头线。原则，等间距内插其它的流线或等水头线。第35页/共52页（三）（三）河间地块流网河间地块流网1.1.流向：流向：由分水岭到河由分水岭到河谷，流向从由上向下到谷，流向从由上向下到接近水平再向上；接近水平再向上；2.2.埋深埋深：在分水岭地带：

14、在分水岭地带打井，井中水位随井深打井，井中水位随井深加大而降低；河谷地带加大而降低；河谷地带井水位则随井深加大而井水位则随井深加大而抬升；抬升；三、三、 均质各向同性介质中的流网特征均质各向同性介质中的流网特征第36页/共52页3.3.流线：流线：由分水岭到河谷由分水岭到河谷，流线愈密集，流量增大，流线愈密集，流量增大，地下径流加强；，地下径流加强；4.4.径流：径流：由地表向深部，由地表向深部，地下径流减弱；地下径流减弱；5.5.水质：水质：由分水岭出发的由分水岭出发的流线，渗透途径最长，平流线，渗透途径最长，平均水力梯度最小，地下径均水力梯度最小，地下径流交替最弱，近流线末端流交替最弱，近

15、流线末端河谷下方，地下水的矿化河谷下方，地下水的矿化度最高。度最高。（三）（三）河间地块流网河间地块流网三、三、 均质各向同性介质中的流网特征均质各向同性介质中的流网特征第37页/共52页（四）（四） 层状非均质介质中的流网层状非均质介质中的流网 层状非均质介质层状非均质介质是指介质场内各岩层内部渗透性为均质各向是指介质场内各岩层内部渗透性为均质各向同性，但不同层介质的渗透性不同。同性，但不同层介质的渗透性不同。4.2 4.2 流流 网网1 1）两层介质，渗透系数）两层介质，渗透系数K2K1K2K1，K2=3K1K2=3K1； K2K2中流线密度为中流线密度为K1K1的的3 3倍，因此，倍，因

16、此，K2K2径流强，流量大，更多径流强，流量大，更多的流量通过渗透性好的介质。的流量通过渗透性好的介质。如果地层交界面与水流方向平如果地层交界面与水流方向平行，则行，则渗透系数渗透系数越越大，流线越大，流线越密集密集，而，而等水头线等水头线不变。不变。第38页/共52页如果地层交界面与水流方向如果地层交界面与水流方向垂直，则垂直，则渗透系数越小，等渗透系数越小，等水头线越密集水头线越密集，而，而流线流线不变不变4.2 4.2 流流 网网第39页/共52页2121tantanKKK1-K1-地下水流入岩层（地下水流入岩层（K1K1层）的渗透系数层）的渗透系数(m/d) (m/d) ；K2-K2-

17、地下水流出岩层（地下水流出岩层（K2K2层）的渗透系数层）的渗透系数(m/d) (m/d) ；1-1-地下水流向与流入岩层（地下水流向与流入岩层（K1K1层）层界法线之间的夹角层）层界法线之间的夹角( () ) ；2-2-地下水流向与流出岩层（地下水流向与流出岩层（K2K2层）层界法线之间的夹角层）层界法线之间的夹角( () ) 。 4.2 4.2 流流 网网 为了保持流量相等（为了保持流量相等（Q Q1 1=Q=Q2 2），流线进入渗透性好的），流线进入渗透性好的K2K2层后将更加密集，等水头线的间隔加大（层后将更加密集，等水头线的间隔加大（dldl2 2dldl1 1）。）。（四）（四）

18、层状非均质介质中的流网层状非均质介质中的流网第40页/共52页4.2 4.2 流流 网网 流线趋向于在强透水层中走最长的途径，而在弱透水流线趋向于在强透水层中走最长的途径，而在弱透水层中走最短的路径。结果，强透水层中流线接近于水平层中走最短的路径。结果，强透水层中流线接近于水平，而在弱透水层中流线接近于垂直层面。，而在弱透水层中流线接近于垂直层面。第41页/共52页含水层中存在透镜体时含水层中存在透镜体时a. a. 渗透性强渗透性强流线向其汇聚；流线向其汇聚；b. b. 渗透性弱渗透性弱流线绕流流线绕流4.2 4.2 流流 网网第42页/共52页五、流线的性质五、流线的性质 a. 流线不能相交

19、（同一时刻不可能有两个流向）流线不能相交（同一时刻不可能有两个流向） b. 流线光滑不能有急转折（若有转折，在转折点有两流线光滑不能有急转折（若有转折，在转折点有两个流向）个流向） c. 流线相当于隔水边界（只能在其间运动，不能穿流线相当于隔水边界（只能在其间运动，不能穿过流线运动）过流线运动） d. 流线的形状受控于边界的性质和形状（平行于隔流线的形状受控于边界的性质和形状（平行于隔水边界，垂直于供水边界）水边界，垂直于供水边界）4.2 4.2 流流 网网第43页/共52页六、流网的用途六、流网的用途 a. 根据流线方向可以看出任一点的流向；根据流线方向可以看出任一点的流向； b. 根据等水

20、头线可以看出任一点水位的变化；根据等水头线可以看出任一点水位的变化； c. 流线的密疏可以反映地下径流的强弱；流线的密疏可以反映地下径流的强弱； d. 等水头线的密疏则说明水力梯度的大小。等水头线的密疏则说明水力梯度的大小。 e. 追踪污染物质的运移追踪污染物质的运移 f. 判断水文地质条件（含水层条件；边界条件；与判断水文地质条件（含水层条件；边界条件；与地表水关系）地表水关系）4.2 4.2 流流 网网第44页/共52页七、流网的性质七、流网的性质 a. 在各向同性介质中，流网为正交网格。（水沿水力在各向同性介质中，流网为正交网格。（水沿水力梯度最大的方向运动）梯度最大的方向运动） b. 对于稳定流，流线与迹线重合；对于非稳定流可以对于稳定流，流线与迹线重合；对于非稳定流可以划分为多个小单元，每个小单元可以看作稳定流。划分为多个小单元，每个小单元可以看作稳定流。 c. 对于稳定流，流网不随时间变化。对于稳定流，流网不随时间变化。4.2 4.2 流流 网网第45页/共52页思考思考1：绘制流网绘制流网4.2 4.2 流流 网网第46页/共52页思考思考2