地下水动力学-第一讲.

1市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——教材一、教材1、地下水动力学薛禹群主编，地质出版社，2003年（第二版）2、GMS模型文档文件（数值方法、应用说明文件）（参考书）：3、地下水非稳定流计算和地下水资源评价张蔚榛主编，科学出版社，1983年4、地下水运动与资源评价陈雨孙著，建筑工业出版社，1986年5、DynamicsofFluidsinPorousMediaBearJ.1972（图书馆有中译本）6、IntroductiontoGround-WaterHydraulicsBennett,G.D.19762市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——内容二、教学内容1）地下水动力学的基本内容（基础知识与理论）以《地下水动力学——薛禹群主编》内容为主2）地下水动力学的数值计算方法（有限差分法应用）以MODFOLLOW-88版说明书为参考教材3）GMS软件应用介绍以GMS应用教学文档（TutorI，II）为参考教材三、考核形式：平时作业，笔试（开卷）内容：1）基本知识；2）软件应用报告3市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础第一讲理论基础知识一、地下水动力学研究对象、内容与方法（一）研究对象（二）研究内容（三）研究方法（四）地下水动力学研究的里程碑事件（五）地下水动力学的应用领域（六）有待进行深入研究问题二、渗流理论基础（一）基本参数定义（二）渗流、流网（三）渗流基本方程1、连续性方程2、运动方程（1）承压含水层运动方程（2）越流含水层运动方程（3）潜水含水层运动方程（四）定解条件与数学模型1、定解条件2、数学模型4市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础第一讲理论基础知识一、地下水动力学研究对象、内容与方法（一）研究对象1、水文循环（1）图示1）水文循环图-N.F.Gary；2）水文循环图-芮孝芳（2）“三水”循环与“四水”循环大气水（AtmosphericWater）、地表水（SurfaceWater）、地下水（SubsurfaceWater）（土壤水SoilWater、地下水Groundwater）2、地球上各类水体中的分配水量1）水量分配表-N.F.Gary；2）水量分配表-芮孝芳3）基本数量概念盐水占总量的约97.5%；淡水占总量的2.5%。淡水总量中冰川、冰盖：68.7~75%；地下水：24~30.92%；湖泊、河流、土壤：约1%。占地球总水量：0.77%可实际利用的水资源量：0.2%5市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础3、水储量更新时间（数据摘选自“水资源科学与实验研究”，沈振荣等）地球上参加水文循环的水量约5757.7万km3。储水体一次更新年限大气水约8天湖泊水约17年深层地下水约1400年山地冰川约1600年海洋水约2500年极地冰川需万年以上6市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础4、地下水的分类（1）SubsurfaceWater与Groundwater的区别？（2）按地下水的存在形式分类包气带（Zoneofareation）土壤水SoilWater过渡区Gravitational(Intermediatevadose)Water毛细水CapillaryWater饱和带（Zoneofsaturation）重力水（地下水）Groundwater熔岩含水层（Zoneofrockflowage）与其它物质以化学结合形式的水InternalWater潜水面多孔介质含水层7市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础（3）按含水层构造将饱和带分为（如图所示）1）潜水含水层（UnconfinedAquifer）2）承压含水层（ConfinedAquifer）3）越流含水层（LeakyAquifer）5、本门课程的研究对象地下水动力学是研究在重力作用下饱和的多孔介质（的潜水含水层、承压含水层和越流含水层）中水的运动规律的科学。多孔介质：孔隙介质、裂隙介质和溶岩（喀斯特Karst）。多孔介质中水的形态：汽、固、液三态；其中液态水：吸着水、薄膜水、重力水。作业：地下水需研究的问题包含什么内容？我国水资源开发利用存在的问题与特点？8市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础（二）研究内容针对：1、潜水含水层；2、承压水含水层；3、越流含水层在不同的地质特性参数（如均质、非均质，各向同性、各向异性），在不同的流场描述（一维、二维、三维流动），各运动参数随时间的变化特性（恒定、非恒定）等流动问题的研究，得出地下水流动规律、各参数的时空分布，以达到对地下水的开发与管理提供科学的定量化数据。（三）研究方法1、解析法：特点（常微分方程、偏微分方程，时间变量）2、实验法（模型试验，现场观测试验，电模拟）：特点3、数值模拟：特点9市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础（四）地下水动力学研究的里程碑事件1、Darcy定律（HenryDarcy1856年）2、潜水井流问题的裘布依方程（Dupuit1863年）3、承压井的非稳定流方程及其解析解（1）O.E.Meinzer，1928年开始观注地下水的非恒定流与承压含水层的储水性质；（2）C.V.Theis（泰斯）1935年给出承压含水层非恒定流动的泰斯公式4、1960年左右，利用计算机进行地下水方程的数值分析具有达标性的分析软件系统（1）Feflow——原东德的WASY公司，1978发布第一版，数值方法：有限元；（2）MODFLOW——美国地质勘察局，1988年发布第一版，数值方法：有限差分法；（3）GMS（GroundwaterModelSystem）——以Modflow以及其他地下水问题的分析软件为内核，添加上前处理与后处理模块构成地下水问题的综合软件分析系统（本教学所用为：GMS6.0版）10市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础（五）地下水动力学的应用领域1、工程建设方面：水利、地质、石油、建筑等2、水资源评价、开发利用与管理方面3、水环境分析（六）有待进行深入研究问题1、介质方面：多相流、裂隙介质、溶岩流动；2、机制方面：溶质与热量在地下水中的运动与运移机制；3、方法研究：数值解法，随机理论，并行计算；4、优化管理：地下水开采许可（井群分布、抽水量、价格导向等）。作业：上网查找有关地下水动力学的发展与工程应用资料，写出简要报告（500字以内）。11市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础二、渗流理论基础（一）基本参数定义1、与地下水贮存相关的参数（1）孔隙度（porosity)n有效孔隙度（effectiveporosity）ne有效孔隙度：相通的，不为结合水占据的孔隙度。死端孔隙（见教材p.4，图1-1）：所贮水量不参与地下水运动，但参与抽水或灌水运动。sbbρρVVn1vbeveV)(Vn12市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础（2）给水度（Specificyield）μy也称有效孔隙度，在面积为A的柱体中，当柱体潜水面下降一个Δh时所释放出的水的体积ΔV，或对三相图，指给定体积Vb的饱和含水体所能释放（贮存）的水的体积，即：给水度反映了土壤的给水性，即饱和土壤在重力作用下能自由排出水量的性能。给水度的影响因素：对面积为A的柱体，设其潜水面下降Δh，排出水体积量是Δt的函数ΔV（Δt），可定义1）完全给水度μy∞：2）瞬时给水度μΔt：3）平均给水度μt：dhdVAV)(VμbeVy1Δh)ΔV(AΔht)ΔV(AμΔty1lim1Δh)ΔV(AΔht)ΔV(AμΔtΔt01lim10Δh)ΔV(tAΔht)ΔV(AμtΔtt01lim10013市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础（3）含水率θ与田间持水量θ0（specificretention,fieldcapacity)1）含水率：在非饱和带中的土壤在重力和表面张力作用下典型单元体中所保持的水量Vw和土壤总体积Vb之比2）饱和度（Saturation）Sw：3）田间持水量θ0：是由于附着力与内聚力作用土壤所吸附的水分。4）给水度与田间持水量及孔隙度的关系（见图）)0(nθVVθbw)010(.SnVVSwvwW0θnμy14市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础（4）贮水率与贮水系数1）水体压缩系数（Watercompressibility）β2）多孔介质中的固体颗粒压缩系数（solidcompressibility）αs3）多孔介质中孔隙压缩系数率（Porouscompressibility）αp4）多孔介质压缩系数（Aquifercompressibility）αdpdρρdpdVVβww11dσdVVαvvp1ppSvbsbbbnαnαn)α(dσdVVdσdVVdσdVVα1111ddVVssS115市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础5）贮水率（Specificstorage）μs单位：m3/(m3•m)=1/m；量纲：[L-1]；含义：体积为1立方米的承压含水层在水头下降1米时所释放的水体体积量。其中在水头不降到承压含水层隔水顶板以下时，含水层只能引起含水层的弹性释水，一般认为弹性释水在整个含水层内瞬时完成。对潜水含水层，当水头下降时可引起两部分排水。含水层上部为重力排水，用给水度μy表示重力排水的能力；深层饱和水部分引起弹性释水，用贮水率（释水率）μs表示。∵μs=10-3~10-5；而μy=0.05~0.3；∴在潜水层，一般忽略不计弹性释水量。4）贮水系数（StorageCoefficient）μ*对二维承压含水层，有贮水系数反映整个含水层厚度的释水能力)(gsnβMμμs*nβgi）表示水头下降1米由水体膨胀所释放的水体体积；gii）表示水头下降1米由含水层压缩所挤出的水体体积。16市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础2、与地下水运动有关的参数（1）Darcy定律与渗透系数K（HydraulicConductivity）1856年法国工程师HenryDarcy在装满砂的圆筒中进行实验，得出如下结果：其中K：渗透系数；单位：m/s，一般用：m/d。定义水力坡度：Darcy定律推广为三维情况：KJlHHKAQv21lHHKAQ21HdldHlHHJ21HKv17市政系水资源与水工研究所——马长明地下水动力学讲稿地下水动力学理论、数值技术与软件应用——理论基础1）对渗透系数的讨论K：综合反映了多孔介质的渗透特性，其与多孔介质的颗粒结构（大小组成、空间分布）和渗透流体的性质（粘性、密度）有关。按颗粒结构的不同，可将K分为：均质与非均质；各向同性与各向异性。非均质：K（x，y，z）；各向异性：在同一特征单元体，沿不同轴向，K值不同；均匀性与各向异性概念之区别。为表示沿任意面上的渗透系数，用二阶张量表示K：Darcy定律的推广：对各向同性含水层：渗透系数矩阵为：zzzyzxyzyyyxxzxyxxKKKKKKKKKK