第三章地下水运动的基本规律.pptx

第三章地下水运动的基本规律第三章第三章 地下水运动得基本规律地下水运动得基本规律3、1 地下水运动得基本特点地下水运动得基本特点3、2 达西定律达西定律3、3 流网流网一、地下水在复杂得多孔介质中运动一、地下水在复杂得多孔介质中运动 1、渗透渗透:地下水在岩石空隙中得运动地下水在岩石空隙中得运动,水质点运动水质点运动途径多变途径多变;流速多变。流速多变。2、渗流渗流:对实际得地下水进行概化对实际得地下水进行概化,概化后得地下概化后得地下水流称为渗流水流称为渗流,所占据得空间区域称为渗流区所占据得空间区域称为渗流区(渗渗流场流场)。3、概化方法概化方法:不考虑含水层中固体颗粒得存在不考虑含水层中固体颗粒得存在,认认为含水层完全被水所充满为含水层完全被水所充满;不考虑实际流向得多不考虑实际流向得多变性变性,只考虑单向流。只考虑单向流。3、1 地下水运动得基本特点地下水运动得基本特点实际与理想得水流对比实际与理想得水流对比实际与理想得水流对比实际与理想得水流对比 3、1 地下水运动得基本特点地下水运动得基本特点3、1 地下水运动得基本特点地下水运动得基本特点二、地下水流形态类型二、地下水流形态类型 根据流速大小根据流速大小,渗流分两种流态渗流分两种流态:层流、紊流层流、紊流 l 层流层流在岩石空隙中渗流时在岩石空隙中渗流时,水质点作有秩序得、水质点作有秩序得、互不混杂得流动。流速小互不混杂得流动。流速小,一般岩石空隙一般岩石空隙;l 紊流紊流水质点无秩序地、互相混杂得流动水质点无秩序地、互相混杂得流动 。流。流速大速大,岩石大空隙岩石大空隙(砾石层、溶洞砾石层、溶洞)。3、1 地下水运动得基本特点地下水运动得基本特点 雷诺数就是判别流态得重要参数雷诺数就是判别流态得重要参数(Re)流体惯性力与粘流体惯性力与粘性力得比值性力得比值,无因次。无因次。Re=Lu/式中式中:L流体流束中得物体任意有代表性得长度流体流束中得物体任意有代表性得长度;u流体流速流体流速;动力动力粘度粘度;流体密度。流体密度。l l 雷诺数小雷诺数小雷诺数小雷诺数小,意味着流体流动时各质点间得粘性力占主要地位意味着流体流动时各质点间得粘性力占主要地位意味着流体流动时各质点间得粘性力占主要地位意味着流体流动时各质点间得粘性力占主要地位,流流流流体各质点平行于管路内壁有规则地流动体各质点平行于管路内壁有规则地流动体各质点平行于管路内壁有规则地流动体各质点平行于管路内壁有规则地流动,呈层流流动状态。呈层流流动状态。呈层流流动状态。呈层流流动状态。雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数大大大大,意味着惯性力占主要地位意味着惯性力占主要地位意味着惯性力占主要地位意味着惯性力占主要地位,流体呈紊流流动状态。流体呈紊流流动状态。流体呈紊流流动状态。流体呈紊流流动状态。l l 判断标准判断标准判断标准判断标准:管道雷诺数管道雷诺数管道雷诺数管道雷诺数ReRe20002000为层流状态为层流状态为层流状态为层流状态,管道雷诺数管道雷诺数管道雷诺数管道雷诺数ReRe40004000为紊流状态为紊流状态为紊流状态为紊流状态,管道雷诺数管道雷诺数管道雷诺数管道雷诺数ReRe2000200040004000为过渡状态。为过渡状态。为过渡状态。为过渡状态。3、1 地下水运动得基本特点地下水运动得基本特点三、稳定流与非稳定流三、稳定流与非稳定流l 稳定流稳定流地下水得各个运动要素地下水得各个运动要素(水位、流速、流向等水位、流速、流向等)不随时间不随时间 改变。改变。l 非稳定流非稳定流地下水得各运动要素随流程、时间等不断地下水得各运动要素随流程、时间等不断发生变化得水流。发生变化得水流。3、1 地下水运动得基本特点地下水运动得基本特点注意注意:1、自然界中地下水都属于非稳定流。自然界中地下水都属于非稳定流。补给水源受水文、气象因素影响大补给水源受水文、气象因素影响大,呈季节性变化呈季节性变化;排泄方式具有不稳定性排泄方式具有不稳定性;径流过程中存在不稳定性。径流过程中存在不稳定性。2、为了便于计算为了便于计算,常将某些运动要素变化微小得渗流常将某些运动要素变化微小得渗流,近似近似地瞧作稳定流。地瞧作稳定流。3、2 达西定律达西定律一、实验条件一、实验条件 H、Darcy法国水力学家法国水力学家,1856年年(以实验为基础研究时期以实验为基础研究时期)通过大量得室通过大量得室内实验得出了达西定律内实验得出了达西定律。1)等径圆筒装入均匀砂样等径圆筒装入均匀砂样,断面为断面为 2)上上(下各下各)置一个稳定得溢水装置置一个稳定得溢水装置保持保持稳定水流稳定水流 3)实验时上端进水实验时上端进水,下端出水下端出水示意流线示意流线 4)砂筒中安装了砂筒中安装了2个测压管个测压管,相距相距L 5)下端测出水量下端测出水量(outflow)Q大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静二、达西定律二、达西定律 根据根据试验结果试验结果,得到关系式得到关系式:Q=Kh/l 其中其中:根据根据 I=h/l 可以推出可以推出:Q=K I 其中:Q-渗透流量(L3T-1);w-过水断面(L2);h-水头损失(水头差,L);l-渗透途径(L);K-渗透系数(LT-1);I-水力梯度(无量纲)。3、2 达西定律达西定律三、三、渗透流速渗透流速o根据水力学流速与流量得关系:Q=V则Q=KI可简化为V=KI,称为渗透流速渗透流速。o公式V=KI,为单位面积上得流量,称比流量比流量。o渗透流速与水力梯度就是一次方成正比,故达西定律又称为线性渗透定律线性渗透定律。3、2 达西定律达西定律四、四、达西定律讨论达西定律讨论1、渗透流速渗透流速(V)与过水断面与过水断面()Q=K I=Vo过水断面,假想得断面;实际孔隙断面n;实际过水断面ne。思考:n、ne、大小关系o地下水得实际渗流速度u=Q/=KI/ne,地下水渗透流速 V=u ne,渗透流速等于渗透流速等于平均实际流速与有效空隙度得乘积。平均实际流速与有效空隙度得乘积。o实际流动速度要大于渗透速度实际流动速度要大于渗透速度:Q=une o渗透流速V:就是假设水流通过整个岩层断面(骨架+空隙)时所具有得虚拟得平均流速。o意义:研究水量时,只考虑水流通过得总量与平均流速,而不去追踪实际水质点得运移轨迹简化得研究。3、2 达西定律达西定律过水断面与实际过水断面:3、2 达西定律达西定律2、水力坡度水力坡度(I)(hydraulic gradient)水力学中水力梯度(J):单位距离上得水头损失 就是沿渗流途径上得水头损失与相应得渗流长度之比o水在空隙中运动时,必须克服水与隙壁以及流动快慢不同得质点之间得摩擦阻力(这种摩擦阻力随地下水流速增加而增大),从而消耗机械能,造成水头损失。o水力梯度可以理解为水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所耗失得机械能。从另一个角度,也可以将水力梯度理解为驱动力,即克服摩擦阻力使水以一定速度流动得力量。3、2 达西定律达西定律水力梯度(I)从达西公式:V=KI 来瞧:o当I 增大时,V 也愈大;o即流速V 愈大,单位渗流途径上损失得能量也愈大;反过来,水力梯度I愈大时,驱动水流运动与速度也愈大注意:水头损失一定要与渗流途径相对应3、2 达西定律达西定律3.渗透系数K-水力传导率定义:水力梯度为I=1 时得渗透流速(V=KI)具有速度量纲L2 T-1。由公式V=K I 分析:当I一定时,岩层得K 愈大,则V 也愈大,Q 大因此,渗透系数K 就是表征岩石透水性得定量指标3、2 达西定律达西定律渗透系数Ko影响因素:以松散岩石等径孔隙为例来分析 水得重率;动力粘滞系数 因素包括:孔隙大小多少;颗粒大小;分选程度;o从公式即得出:K与岩石性质有关K(d02,ne)与流体物理性质有关K(/)o用途:重要得水文地质参数,用于地下水资源评价。3、2 达西定律达西定律4、适用范围:o层流层流:雷诺数雷诺数Re2000-3000 o达西定律适用范围达西定律适用范围:Re1-10之间某一数值得层流运动之间某一数值得层流运动3、2 达西定律达西定律五、五、达西定律达西定律应用应用3、2 达西定律达西定律 1 1、已知某均质含水层已知某均质含水层已知某均质含水层已知某均质含水层,含水层渗透系数为含水层渗透系数为含水层渗透系数为含水层渗透系数为KK,沿径流方向有两个水位观沿径流方向有两个水位观沿径流方向有两个水位观沿径流方向有两个水位观测孔测孔测孔测孔,孔间距为孔间距为孔间距为孔间距为L L,两观测孔观测水位分别为两观测孔观测水位分别为两观测孔观测水位分别为两观测孔观测水位分别为HaHa与与与与HbHb,求求求求:沿地下水流方向沿地下水流方向沿地下水流方向沿地下水流方向得单宽流量。得单宽流量。得单宽流量。得单宽流量。解解解解:3、2 达西定律达西定律 2 2、求水平等厚承压含水层流量与承压水头线。求水平等厚承压含水层流量与承压水头线。求水平等厚承压含水层流量与承压水头线。求水平等厚承压含水层流量与承压水头线。承压含水层由均质等厚得砂组成承压含水层由均质等厚得砂组成承压含水层由均质等厚得砂组成承压含水层由均质等厚得砂组成,隔水底板水平隔水底板水平隔水底板水平隔水底板水平,地下水做水平稳定地下水做水平稳定地下水做水平稳定地下水做水平稳定运动。砂层中得渗流就是缓慢得运动。砂层中得渗流就是缓慢得运动。砂层中得渗流就是缓慢得运动。砂层中得渗流就是缓慢得,属层流属层流属层流属层流,符合达西定律符合达西定律符合达西定律符合达西定律:3、2 达西定律达西定律设设x(0,L),并对应得测压水位为并对应得测压水位为h,根据上式可写成如下两式根据上式可写成如下两式:结论结论:均质水平等厚承压含水层得测压曲线就是均质水平等厚承压含水层得测压曲线就是直线。直线。直线。直线。3、2 达西定律达西定律 3 3、计算潜水含水层流量与潜水位曲线计算潜水含水层流量与潜水位曲线计算潜水含水层流量与潜水位曲线计算潜水含水层流量与潜水位曲线 有一潜水含水层由均质得砂组成有一潜水含水层由均质得砂组成有一潜水含水层由均质得砂组成有一潜水含水层由均质得砂组成,隔水底板水平隔水底板水平隔水底板水平隔水底板水平,在平面上水流呈稳定在平面上水流呈稳定在平面上水流呈稳定在平面上水流呈稳定 平行流动。平行流动。平行流动。平行流动。由达西定律得单宽流量由达西定律得单宽流量由达西定律得单宽流量由达西定律得单宽流量:同样设同样设同样设同样设x x (0,L),(0,L),并对应得潜水位为并对应得潜水位为并对应得潜水位为并对应得潜水位为h h,可通过可通过可通过可通过流量相等推导出潜水位曲线公式流量相等推导出潜水位曲线公式流量相等推导出潜水位曲线公式流量相等推导出潜水位曲线公式:结论结论:均质水平潜水含水层得侵润曲线就是均质水平潜水含水层得侵润曲线就是抛物线。抛物线。抛物线。抛物线。3、3 流流 网网一、基本概念一、基本概念 1、等水位等水位(压压)线线潜水位潜水位(测压水位测压水位)相等得各点相等得各点 得连线得连线,称为等水位称为等水位(压压)线。线。2、流线流线渗流场中某一瞬间得一条曲线渗流场中某一瞬间得一条曲线,曲线上各水曲线上各水质点在此瞬间得流向均与此线相切。质点在此瞬间得流向均与此线相切。3、流网流网在渗流场得某一典型剖面或切面上由一系在渗流场得某一典型剖面或切面上由一系列等水头线与流线所组成得网络。列等水头线与流线所组成得网络。3、3 流流 网网二、渗流场性质二、渗流场性质(一一)渗流场介质类型渗流场介质类型 均质均质非均质非均质;各向同性各向同性各向异性各向异性l 均质岩层均质岩层渗流场中所有点都具有相同参数渗流场中所有点都具有相同参数(K)得岩层。得岩层。l 非均质岩层非均质岩层渗流场中所有点不都具有相同参数得岩层渗流场中所有点不都具有相同参数得岩层,渗透系数渗透系数K=K(x,y,z),为坐标得函数。为坐标得函数。l 各向同性岩层各向同性岩层渗流场中某一点得渗透系数不取决于方向渗流场中某一点得渗透系数不取决于方向,即不管即不管渗流方向如何都具有相同渗透系数得岩层。渗流方向如何都具有相同渗透系数得岩层。l 各向异性岩层各向异性岩层渗流场中某一点得渗透系数取决于方向渗流场中某一点得渗透系数取决于方向,渗透系数渗透系数随渗流方向不同而不同得岩层。随渗流方向不同而不同得岩层。3、3 流流 网网(二二)渗流场边界类型渗流场边界类型 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 河渠得湿周为等水头线河渠得湿周为等水头线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3、3 流流 网网等水头线、流线与各类边界得关系等水头线、流线与各类边界得关系(1)流线跟等水头线正交流线跟等水头线正交;(2)注意流场得边界类型与补给排泄特注意流场得边界类型与补给排泄特征征;(3)等水头线越密说明水力梯度越大等水头线越密说明水力梯度越大;流流线越密说明地下水径流越强线越密说明地下水径流越强;(4)潜水面可能就是流连潜水面可能就是流连,也可能不就是也可能不就是流线流线3、3 流流 网网三、均质各向同性介质中得流网特征三、均质各向同性介质中得流网特征(一一)流网形态流网形态 地下水沿水头变化最大得方向运动地下水沿水头变化最大得方向运动(垂直于等水头线方向垂直于等水头线方向),流线与流线与等水头线构成正交网格。等水头线构成正交网格。3、3 流流 网网(二二)流网绘制方法流网绘制方法(1)确定分流线确定分流线:流线由源指向汇流线由源指向汇,流线趋向可初步确定流线趋向可初步确定;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得流线或等水头线根据边界条件绘制容易绘制得流线或等水头线 a、定水头边界定水头边界:相当于等水头线相当于等水头线,等水头面。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 有入渗补给时有入渗补给时,水面即不就是流线也不为等水头线水面即不就是流线也不为等水头线(3)按照按照“正交正交”原则原则,等间距内插其它得流线或等水头线。等间距内插其它得流线或等水头线。3、3 流流 网网河间地块流网河间地块流网河间地块流网河间地块流网水文地质信息水文地质信息:1、由分水岭到河谷由分水岭到河谷,流向从流向从由上向下到接近水平再向上由上向下到接近水平再向上;2、在分水岭地带打井在分水岭地带打井,井中井中水位随井深加大而降低水位随井深加大而降低;河河谷地带井水位则随井深加大谷地带井水位则随井深加大而抬升而抬升;3、由分水岭到河谷由分水岭到河谷,流线愈流线愈密集密集,流量增大流量增大,地下径流加地下径流加强强;4、由地表向深部由地表向深部,地下径流地下径流减弱减弱;5、由分水岭出发得流线由分水岭出发得流线,渗渗透途径最长透途径最长,平均水力梯度平均水力梯度最小最小,地下径流交替最弱地下径流交替最弱,近近流线末端河谷下方流线末端河谷下方,地下水地下水得矿化度最高。得矿化度最高。3、3 流流 网网四、层状非均质中得流网四、层状非均质中得流网 层状非均质介质就是指介质场内各岩层内部渗透性层状非均质介质就是指介质场内各岩层内部渗透性为均质各向同性为均质各向同性,但不同层介质得渗透性不同。水流折但不同层介质得渗透性不同。水流折射定律射定律:式中式中:K1-地下水流入岩层地下水流入岩层(K1层层)得渗透系数得渗透系数;K2-地下水流出岩层地下水流出岩层(K2层层)得渗透系数得渗透系数;1-地下水流向与流入岩层地下水流向与流入岩层(K1层层)层界法线之间层界法线之间得夹角得夹角();2-地下水流向与流出岩层地下水流向与流出岩层(K2层层)层界法线之间层界法线之间得夹角得夹角()。层状非均质介层状非均质介质中得流网质中得流网(a)等水头线间隔分等水头线间隔分布一致布一致,2层中得流线层中得流线就是就是1层中得层中得3倍倍,更更多得流线通过渗透性多得流线通过渗透性好得好得2层运移。层运移。(b)通过两层得等水通过两层得等水头线数相等头线数相等,2层中等层中等水头线间隔就是水头线间隔就是1层层得得3倍。通过流量相倍。通过流量相同同,渗透途径相同时渗透途径相同时,在渗透性差得在渗透性差得1层中层中消耗得机械能就是消耗得机械能就是2层得层得3倍。倍。渗透性不同得介质中得流网渗透性不同得介质中得流网p 流线趋向于在强透水层中走最长得路径流线趋向于在强透水层中走最长得路径,而在弱透而在弱透水层中走最短得路径。水层中走最短得路径。3、3 流流 网网五、流线得性质五、流线得性质 a、流线不能相交流线不能相交(同一时刻不可能有两个流向同一时刻不可能有两个流向)b、流线光滑不能有急转折流线光滑不能有急转折(若有转折若有转折,在转折点有两在转折点有两个流向个流向)c、流线相当于隔水边界流线相当于隔水边界(只能在其间运动只能在其间运动,不能穿过不能穿过流线运动流线运动)d、流线得形状受控于边界得性质与形状流线得形状受控于边界得性质与形状(平行于隔水平行于隔水边界边界,垂直于供水边界垂直于供水边界)3、3 流流 网网六、流网得用途与性质六、流网得用途与性质(一一一一)用途用途用途用途 a a、根据流线方向可以瞧出任一点得流向根据流线方向可以瞧出任一点得流向根据流线方向可以瞧出任一点得流向根据流线方向可以瞧出任一点得流向;b b、根据等水头线可以瞧出任一点水位得变化根据等水头线可以瞧出任一点水位得变化根据等水头线可以瞧出任一点水位得变化根据等水头线可以瞧出任一点水位得变化;c c、流线得密疏可以反映地下径流得强弱流线得密疏可以反映地下径流得强弱流线得密疏可以反映地下径流得强弱流线得密疏可以反映地下径流得强弱;d d、等水头线得密疏则说明水力梯度得大小。等水头线得密疏则说明水力梯度得大小。等水头线得密疏则说明水力梯度得大小。等水头线得密疏则说明水力梯度得大小。e e、追踪污染物质得运移追踪污染物质得运移追踪污染物质得运移追踪污染物质得运移 f f、判断水文地质条件判断水文地质条件判断水文地质条件判断水文地质条件(含水层条件含水层条件含水层条件含水层条件;边界条件边界条件边界条件边界条件;与地表水关系与地表水关系与地表水关系与地表水关系)(二二二二)性质性质性质性质 a a、在各向同性介质中在各向同性介质中在各向同性介质中在各向同性介质中,流网为正交网格。流网为正交网格。流网为正交网格。流网为正交网格。(水沿水力梯度最大得水沿水力梯度最大得水沿水力梯度最大得水沿水力梯度最大得方向运动方向运动方向运动方向运动)b b、对于稳定流对于稳定流对于稳定流对于稳定流,流线与迹线重合流线与迹线重合流线与迹线重合流线与迹线重合;对于非稳定流可以划分为多个对于非稳定流可以划分为多个对于非稳定流可以划分为多个对于非稳定流可以划分为多个小单元小单元小单元小单元,每个小单元可以瞧作稳定流。每个小单元可以瞧作稳定流。每个小单元可以瞧作稳定流。每个小单元可以瞧作稳定流。c c、对于稳定流对于稳定流对于稳定流对于稳定流,流网不随时间变化。流网不随时间变化。流网不随时间变化。流网不随时间变化。3、3 流流 网网思考思考:绘制流网绘制流网