水文地質學基礎地下水的基本運動規(guī)律解析PPT學習教案

1、會計學1水文地質學基礎地下水的基本運動規(guī)律水文地質學基礎地下水的基本運動規(guī)律解析解析第四章第四章 地下水運動的基本規(guī)律地下水運動的基本規(guī)律第2頁/共52頁特征：特征：多孔介質，滲流通道多孔介質，滲流通道復雜多變，空隙細小復雜多變，空隙細小，所受阻力大，水流，所受阻力大，水流緩慢。緩慢。第四章第四章 地下水運動的基本規(guī)律地下水運動的基本規(guī)律第3頁/共52頁區(qū)別：流速區(qū)別：流速紊流紊流：v v快快 Re2300 層流層流：v v緩慢緩慢 Re2300雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re=vd/Re=vd/Vd：地下水滲流速度：地下水滲流速度:粘滯系數(shù)粘滯系數(shù)第四章第四章 地下水運動的基本規(guī)律地下水運動的基本規(guī)律第4頁

2、/共52頁 一維流一維流：滲流場中任意點的流速變化只與空間坐標一個方向：滲流場中任意點的流速變化只與空間坐標一個方向有關的滲流。有關的滲流。 二維流二維流/ /三維流三維流：滲流場中任意點的流速變化與空間坐標兩個：滲流場中任意點的流速變化與空間坐標兩個/ /三個方向有關的滲流。三個方向有關的滲流。第5頁/共52頁水在空隙介質中滲流，其驅動力是什么呢？水在空隙介質中滲流，其驅動力是什么呢？地下水的地下水的機械能機械能：動能：動能+勢能勢能地下水是流動的，某一點上承受的壓力除了靜水壓強之外地下水是流動的，某一點上承受的壓力除了靜水壓強之外還有動水壓強，因此總水頭（還有動水壓強，因此總水頭（Hd）：

3、）： gvZpHd22式中，p為靜水壓強；v為實際水流速度。Z為位置水頭， P/P/為為壓力水頭壓力水頭，v v2 2/2g/2g為為流速水頭流速水頭含水層中實際水流速度很小，較重力加速度小得多，可忽含水層中實際水流速度很小，較重力加速度小得多，可忽略不計，在一般問題研究中，視測壓水頭與總水頭相等。略不計，在一般問題研究中，視測壓水頭與總水頭相等。 4 .0 4 .0 基本概念基本概念第6頁/共52頁鉆孔水柱高度和測壓水頭與含水鉆孔水柱高度和測壓水頭與含水層某一點壓強（層某一點壓強（P）的關系：）的關系： PhnZhHnn式中，為水的容重；Z為含水層中某一點（A）至基準面（含水層底板）的垂直距

4、離；hn為水柱高度（測壓水頭）； Hn為水頭。4 .0 4 .0 基本概念基本概念第7頁/共52頁第8頁/共52頁實驗條件：試驗裝置圖實驗條件：試驗裝置圖 1 1）等徑圓筒裝入均勻砂樣，斷面）等徑圓筒裝入均勻砂樣，斷面為為 2 2）上（下各）置一個穩(wěn)定的溢水）上（下各）置一個穩(wěn)定的溢水裝置裝置穩(wěn)定水流穩(wěn)定水流 3 3）實驗時上端進水，下端出水測）實驗時上端進水，下端出水測出水量出水量Q Q示意流線示意流線 4 4）砂筒中安裝了）砂筒中安裝了2 2個測壓管個測壓管4.1 4.1 重力水運動的基本規(guī)律重力水運動的基本規(guī)律第9頁/共52頁IKLhKQdldhKAQ4.1 4.1 重力水運動的基本規(guī)律

5、重力水運動的基本規(guī)律第10頁/共52頁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 重力水運動的基本規(guī)律重力水運動的基本規(guī)律第11頁/共52頁4.1 4.1 重力水運動的基本規(guī)律重力水運動的基本規(guī)律第12頁/共52頁Darcys L

7、aw 4.1 4.1 重力水運動的基本規(guī)律重力水運動的基本規(guī)律第13頁/共52頁Experiments:達西定律適用范圍：達西定律適用范圍：Re=110的層流運動的層流運動4.1 4.1 重力水運動的基本規(guī)律重力水運動的基本規(guī)律實驗證實實驗證實Re1Re1時，時，V V和和I I線性相關，線性相關，1Re101Re10Re10時，時，V V和和I I非線性相關。非線性相關。也既，自然界只有一部分層流滿也既，自然界只有一部分層流滿足達西定律，也即足達西定律，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，松散巖石，巖石顆粒愈粗，滲透系數(shù)一般，松散巖石，巖石顆粒愈粗，滲透系數(shù)K愈大。愈大。測定：測定：a a室內土柱試驗（達西試驗）；室內土柱試驗（達西試驗）； b野外抽水試驗。野外抽水試驗。4.1 4.1 重力水運動的基本規(guī)律重力水運動的基本規(guī)律第21頁/共52頁gKkr滲透率滲透率k：表征巖石對不同流體的固有的滲透性能，與流體性質無關，表征巖石對不同流體的固有的滲透性能，與流體性質無關，僅取決于巖石的孔隙性質。僅取決于巖石的孔隙性質。4.1 4.1 重力水運動的基本規(guī)律重力水運動的基本規(guī)律一般情況下，把滲透系數(shù)看成表征巖石滲透性能的參數(shù)。但一般情況下，把滲透系數(shù)看成表征巖石滲透性

9、能的參數(shù)。但在研究石油、鹵水或熱水的運動時，就必須考慮液體的物理在研究石油、鹵水或熱水的運動時，就必須考慮液體的物理性質，采用滲透率性質，采用滲透率k k來表征巖層滲透性能。來表征巖層滲透性能。第22頁/共52頁KMh1h200L第23頁/共52頁dxdhKMdxdhMKvqdxdhKv1單寬流量為：分離變量并積分：分離變量并積分：IKMLhhKMqdhKMdxqKMdhqdxKMdhqdxhhLhhL21002121第24頁/共52頁設設x (0,L), 并對應的測壓水位為并對應的測壓水位為h，根據(jù)上式可寫，根據(jù)上式可寫成如下兩式：成如下兩式：xLhhKMqandxhhKMq2211 )(

10、2112121hhLxhhxLhhxhhqq結論：均質水平等厚承壓含水層的測壓曲線是結論：均質水平等厚承壓含水層的測壓曲線是第25頁/共52頁結論結論: 均質水平潛水含水層的侵潤曲線是均質水平潛水含水層的侵潤曲線是dxdhhKqIMKLhhhhKqhdhKdxqKhdhqdxhhL21210221)(222121hhLxhh第26頁/共52頁2bH2aH2LKLbHaH2bHaHKI1MKIKQ第27頁/共52頁流線可看作水質點運動的攝影，跡線則是對水質點運動所拍的電影流線可看作水質點運動的攝影，跡線則是對水質點運動所拍的電影。 在穩(wěn)定流條件下，兩者重合。在穩(wěn)定流條件下，兩者重合。第28頁/共

11、52頁 流網：流網：在滲流場的某一典型剖面或切面上，由一系列等水在滲流場的某一典型剖面或切面上，由一系列等水位線與流線組成的網格。位線與流線組成的網格。第29頁/共52頁4.2 4.2 流流 網網第30頁/共52頁第31頁/共52頁邊界：邊界：定水頭邊界、隔水邊界、地下水面邊界定水頭邊界、隔水邊界、地下水面邊界。l 河渠的濕周為等水頭線河渠的濕周為等水頭線l 平行隔水邊界為流線平行隔水邊界為流線l 地下水面無補排時為流線地下水面無補排時為流線l 流線由源指向匯流線由源指向匯第32頁/共52頁隔水邊界相當于流線隔水邊界相當于流線定水頭邊界，相當于等水頭線，等水頭面定水頭邊界，相當于等水頭線，等水

12、頭面（河流（河流）無無入入滲滲和和蒸蒸發(fā)發(fā)有有入入滲滲補補給給第33頁/共52頁（一）（一） 流網形態(tài)流網形態(tài) 地下水沿水頭變化最大的方向運動（垂直于等水頭線方向地下水沿水頭變化最大的方向運動（垂直于等水頭線方向），流線與等水頭線構成正交網格。），流線與等水頭線構成正交網格。 第34頁/共52頁（二）流網繪制方法（二）流網繪制方法（1）確定分流線：）確定分流線：補給區(qū)、排泄區(qū)。補給區(qū)、排泄區(qū)。流線由源指向匯，流線趨流線由源指向匯，流線趨向可初步確定；向可初步確定；分流線相當于隔水邊界。分流線相當于隔水邊界。 （2）根據(jù)邊界條件繪制容易繪制的流線或等水頭線）根據(jù)邊界條件繪制容易繪制的流線或等水頭

13、線 a. 定水頭邊界：定水頭邊界：相當于等水頭線，等水頭面。相當于等水頭線，等水頭面。 b. 隔水邊界：隔水邊界：相當于流線。相當于流線。 c. 潛水面邊界：潛水面邊界：無入滲補給時為流線無入滲補給時為流線 有入滲補給時，水面即不是流線也不為等水頭線有入滲補給時，水面即不是流線也不為等水頭線 （3）按照）按照“正交正交”原則，等間距內插其它的流線或等水頭線。原則，等間距內插其它的流線或等水頭線。第35頁/共52頁（三）（三）河間地塊流網河間地塊流網1.1.流向：流向：由分水嶺到河由分水嶺到河谷，流向從由上向下到谷，流向從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：在分水嶺地帶：

14、在分水嶺地帶打井，井中水位隨井深打井，井中水位隨井深加大而降低；河谷地帶加大而降低；河谷地帶井水位則隨井深加大而井水位則隨井深加大而抬升；抬升；三、三、 均質各向同性介質中的流網特征均質各向同性介質中的流網特征第36頁/共52頁3.3.流線：流線：由分水嶺到河谷由分水嶺到河谷，流線愈密集，流量增大，流線愈密集，流量增大，地下徑流加強；，地下徑流加強；4.4.徑流：徑流：由地表向深部，由地表向深部，地下徑流減弱；地下徑流減弱；5.5.水質：水質：由分水嶺出發(fā)的由分水嶺出發(fā)的流線，滲透途徑最長，平流線，滲透途徑最長，平均水力梯度最小，地下徑均水力梯度最小，地下徑流交替最弱，近流線末端流交替最弱，近

15、流線末端河谷下方，地下水的礦化河谷下方，地下水的礦化度最高。度最高。（三）（三）河間地塊流網河間地塊流網三、三、 均質各向同性介質中的流網特征均質各向同性介質中的流網特征第37頁/共52頁（四）（四） 層狀非均質介質中的流網層狀非均質介質中的流網 層狀非均質介質層狀非均質介質是指介質場內各巖層內部滲透性為均質各向是指介質場內各巖層內部滲透性為均質各向同性，但不同層介質的滲透性不同。同性，但不同層介質的滲透性不同。4.2 4.2 流流 網網1 1）兩層介質，滲透系數(shù)）兩層介質，滲透系數(shù)K2K1K2K1，K2=3K1K2=3K1； K2K2中流線密度為中流線密度為K1K1的的3 3倍，因此，倍，因

16、此，K2K2徑流強，流量大，更多徑流強，流量大，更多的流量通過滲透性好的介質。的流量通過滲透性好的介質。如果地層交界面與水流方向平如果地層交界面與水流方向平行，則行，則滲透系數(shù)滲透系數(shù)越越大，流線越大，流線越密集密集，而，而等水頭線等水頭線不變。不變。第38頁/共52頁如果地層交界面與水流方向如果地層交界面與水流方向垂直，則垂直，則滲透系數(shù)越小，等滲透系數(shù)越小，等水頭線越密集水頭線越密集，而，而流線流線不變不變4.2 4.2 流流 網網第39頁/共52頁2121tantanKKK1-K1-地下水流入巖層（地下水流入巖層（K1K1層）的滲透系數(shù)層）的滲透系數(shù)(m/d) (m/d) ；K2-K2-

17、地下水流出巖層（地下水流出巖層（K2K2層）的滲透系數(shù)層）的滲透系數(shù)(m/d) (m/d) ；1-1-地下水流向與流入巖層（地下水流向與流入巖層（K1K1層）層界法線之間的夾角層）層界法線之間的夾角( () ) ；2-2-地下水流向與流出巖層（地下水流向與流出巖層（K2K2層）層界法線之間的夾角層）層界法線之間的夾角( () ) 。 4.2 4.2 流流 網網 為了保持流量相等（為了保持流量相等（Q Q1 1=Q=Q2 2），流線進入滲透性好的），流線進入滲透性好的K2K2層后將更加密集，等水頭線的間隔加大（層后將更加密集，等水頭線的間隔加大（dldl2 2dldl1 1）。）。（四）（四）

18、層狀非均質介質中的流網層狀非均質介質中的流網第40頁/共52頁4.2 4.2 流流 網網 流線趨向于在強透水層中走最長的途徑，而在弱透水流線趨向于在強透水層中走最長的途徑，而在弱透水層中走最短的路徑。結果，強透水層中流線接近于水平層中走最短的路徑。結果，強透水層中流線接近于水平，而在弱透水層中流線接近于垂直層面。，而在弱透水層中流線接近于垂直層面。第41頁/共52頁含水層中存在透鏡體時含水層中存在透鏡體時a. a. 滲透性強滲透性強流線向其匯聚；流線向其匯聚；b. b. 滲透性弱滲透性弱流線繞流流線繞流4.2 4.2 流流 網網第42頁/共52頁五、流線的性質五、流線的性質 a. 流線不能相交

19、（同一時刻不可能有兩個流向）流線不能相交（同一時刻不可能有兩個流向） b. 流線光滑不能有急轉折（若有轉折，在轉折點有兩流線光滑不能有急轉折（若有轉折，在轉折點有兩個流向）個流向） c. 流線相當于隔水邊界（只能在其間運動，不能穿流線相當于隔水邊界（只能在其間運動，不能穿過流線運動）過流線運動） d. 流線的形狀受控于邊界的性質和形狀（平行于隔流線的形狀受控于邊界的性質和形狀（平行于隔水邊界，垂直于供水邊界）水邊界，垂直于供水邊界）4.2 4.2 流流 網網第43頁/共52頁六、流網的用途六、流網的用途 a. 根據(jù)流線方向可以看出任一點的流向；根據(jù)流線方向可以看出任一點的流向； b. 根據(jù)等水

20、頭線可以看出任一點水位的變化；根據(jù)等水頭線可以看出任一點水位的變化； c. 流線的密疏可以反映地下徑流的強弱；流線的密疏可以反映地下徑流的強弱； d. 等水頭線的密疏則說明水力梯度的大小。等水頭線的密疏則說明水力梯度的大小。 e. 追蹤污染物質的運移追蹤污染物質的運移 f. 判斷水文地質條件（含水層條件；邊界條件；與判斷水文地質條件（含水層條件；邊界條件；與地表水關系）地表水關系）4.2 4.2 流流 網網第44頁/共52頁七、流網的性質七、流網的性質 a. 在各向同性介質中，流網為正交網格。（水沿水力在各向同性介質中，流網為正交網格。（水沿水力梯度最大的方向運動）梯度最大的方向運動） b. 對于穩(wěn)定流，流線與跡線重合；對于非穩(wěn)定流可以對于穩(wěn)定流，流線與跡線重合；對于非穩(wěn)定流可以劃分為多個小單元，每個小單元可以看作穩(wěn)定流。劃分為多個小單元，每個小單元可以看作穩(wěn)定流。 c. 對于穩(wěn)定流，流網不隨時間變化。對于穩(wěn)定流，流網不隨時間變化。4.2 4.2 流流 網網第45頁/共52頁思考思考1：繪制流網繪制流網4.2 4.2 流流 網網第46頁/共52頁思考思考2