第五章 地下水的运动

1、第五章 地下水的运动,5.1 地下水运动的特征及其基本规律,地下水运动的特点,曲折复杂的水流通道 地下水的储存并运动于岩石孔隙和裂隙之中，由于这些空隙的形状、大小和联通程度等的变化，地下水的运动通道是十分曲折而复杂,地下水运动的特点,研究地下水运动规律是研究岩石内平均直线水流通道中的水流运动特征，其实质是用充满含水层的假想水流来代替仅仅在岩石空隙中运动的真正水流 假想水流替代真正水流的条件： (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 (2)假想水头在任意断面的水头必须等于真正水流在同一断面的水头 (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,地下水运

2、动的特点,迟缓的流速 地下水在孔隙或裂隙中的流速是每日几米，甚至1m/d 地下水在曲折的通道中缓慢地流动称为渗流，或称渗透水流 渗透水流通过的含水层横断面称为过水断面 层流和紊流 在岩层空隙中渗流时，水质点有秩序地呈相互平行而不混杂的运动，称为层流运动 水质点相互混杂而无秩序的运动，称为紊流运动,地下水运动的特点,地下水运动的特点,非稳定、缓变流运动 在渗流场内各运动要素(流速、流量、水位)不随时间变化的地下水运动称为稳定流 运动要素随时间改变的地下水运动，成为非稳定流 天然条件下地下水流一般都呈缓变流动，流线弯曲度很小，近似于一条直线；相邻流线之间夹角很小，近似平行,在这样的缓变流动中，地下

3、水的各过水断面可当作一个平面，同一过水断面上各点的水头亦可当作是相等，这样假设的结果就可把本来属于空间流动(三维流运动)的地下水流，简化成平面流(二维流运动),地下水运动的基本规律,地下水运动的基本规律,地下水运动的基本规律,地下水运动的基本规律,5.2 地下水流向井的稳定流理论,取水构筑物的基本类型,垂直取水构筑物 指构筑物的设置方向与地表相垂直，如管井、大口井等 (1)潜水完整井 凿井至潜水含水层底板，水流从井的四周流入井内 (2)潜水非完整井 凿井未到含水层底板，地下水可以从井底及四周进入井内,取水构筑物的基本类型,(3)承压水完整井 凿穿承压含水层的顶板，并穿越整个含水层到隔水底板，水

4、流从四周流入井内 (4)承压水非完整井 凿穿承压含水层的顶板后仅穿透一部分含水层，地下水可从井的四周及井底进入井内,取水构筑物的基本类型,水平取水构筑物 构筑物的设置方向与地表大体相平行，如渗水管及渗渠等，地下水从渗水管或渗渠的两侧(或一侧)进入构筑物内,地下水流向潜水完整井,在潜水井中以不变的抽水强度进行抽水，随着井内水位的下降，在抽水井周围会形成漏斗状的下降区，经过一个相当长的时间以后，漏斗的扩展速度逐渐变小，若井内的水位和出水量都会达到稳定状态，这时的水流称为潜水稳定流，在井周围形成了稳定的圆形漏斗状的潜水面，称为降落漏斗，漏斗的半径R称为影响半径,地下水流向潜水完整井,潜水完整井稳定流

5、计算公式(裘布依公式)的推导需做如下简化和假设： (1)天然水力坡度等于零，抽水时为了用流线倾角的正切代替正弦，则井附近的水力坡度1/4 (2)含水层均质各向同性，隔水底板为水平 (3)抽水时，影响半径的范围内无渗入、无蒸发，各过水断面上流量不变；在影响半径范围以外的地方流量等于零；在影响半径的圆周上为定水头边界 (4)抽水井内附近都是二维流(抽水井内不同深度处的水头降低是相同的),地下水流向潜水完整井,平面上，潜水井抽水形成的流线是沿半径方向指向井，等水位线为同心圆状。在剖面上，流线是一系列的曲线，最上部的流线是曲率最大的一条凸形曲线，叫做降落曲线(也叫侵润曲线)，下部曲率逐渐变缓成为与隔水

6、层近乎平行的直线，底部流线是水平直线；等水头面是一个曲面，近井曲率较大，远井曲率逐渐变小。在空间上，等水头面是绕井轴旋转的曲面。考虑到远离抽水井等水头面接近圆柱面，可忽略垂直分速度，将地下水向潜水完整井的流动视为平面流,地下水流向潜水完整井,地下水流向潜水完整井,地下水流向潜水完整井,地下水流向承压水完整井,当承压完整井以定流量Q抽水时，若经过一个相当长的时段，出水量和井内的水头降落达到了稳定状态，这就是地下水流向承压完整井的稳定流 承压完整井流量计算公式与潜水完整井计算公式的假设基本相同，不同的是：承压含水层厚度不变，因而剖面上流线是相互的平行直线，等水头是铅垂线，过水断面是圆柱侧面,地下水

7、流向承压水完整井,地下水流向承压水完整井,裘布依(Dupuit)公式的讨论,抽水井流量与水位降深的关系 井的出水量与水位降深可用Q=f(s)曲线表示 这里所讨论的s水位降深，仅仅考虑地下水在含水层中流动的结果。实际上在轴水井中所测得的降深，是多种原因造成的水头损失的叠加： (1)地下水在含水层向水井流动所产生的水头损失，按Dupuit公式计算出来的降深就是指一部分的水头损失，也称含水层损失 (2)由于水井施工时泥浆堵塞井周围的含水层，增加了水流阻力所造成的水头损失 (3)水流通过过滤器时所产生的水头损失 (4)水流在滤水管内流动时的水头损失 (5)水流在井管内向上流动至水泵吸水口的沿程水头损失

8、,裘布依(Dupuit)公式的讨论,抽水井流量与井径的关系 由Dupuit公式可以看出井半径r对流量Q的影响并不大，两者之间只是对数关系。经过中外许多水文地质工作者大量试验表明，增大井半径，流量实际增加要比用Dupuit公式计算结果大很多 水跃对Dupuit公式计算结果的影响 潜水井抽水时，当水位降深较大时，井内水位明显低于井壁水位，这种现象称为水跃，其水位差为h,裘布依(Dupuit)公式的讨论,渗出面的存在有两种作用： (1)井附近的流线是曲线，等水头面为曲面，只有当井壁和井中存在水头差时，阴影部分的水才能进入井内 (2)渗出面的存在，保存了适当高度的过水断面，以保证把流量Q输入井内,裘布

9、依(Dupuit)公式的讨论,井的最大流量问题 由Dupuit公式可以看出 ，当井内水位降至隔水底板时，即s=H0时，流量达到最大值，这既不符合实际情况，理论上有不合理。因为当s=H0时，井内h0=0，则过水断面=0，就不会有水流入井内。从达西定律Q=ki来看，=0，则i=，这显然矛盾。,裘布依(Dupuit)型单井稳定流公式的应用范围,凡包含影响半径R和在裘布依公式基础上推导出来的地下水向井运动的稳定流公式，统称为Dupuit型稳定井流公式 其应用范围总的归纳为： (1)完全满足裘布依公式假定条件的应当时圆形海岛中心的一口井，此时抽水可达到完全稳定，影响半径代表下降漏斗的实际影响范围,裘布依(Dupuit)型单井稳定流公式的应用范围,(2)在有充分就地补给(有定水头)的情况下，由于补给充分周转快，年度或跨年度调节作用强，储存量的消耗不明显，这样就容易在经历一定的开采时间后形成新的动态平衡，所以亦可用裘布依型公式直接进行计算，得到较准确的结果 (3)当抽水井是建在无充分就地补给广阔分布的含水层之中，严格讲裘布依公式是不适用的，但若进行长时间抽水，并在抽水井附近设有观测井，若观测孔中s(或h2)值在s (或h2)-lgr曲线上能连成直线，则可根据观测井的数据用裘布依型公式来计算 (4)在取水量远小于补给量的地区，可先用上述方法求得含水层的渗透系数，再用裘布依型公式大致推测在不