《地下水动力学》概念

1《地下水动力学》基本概念1地下水动力学Groundwaterdynamics研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶（喀斯特）岩石中运动规律的科学，它是模拟地下水流基本状态和地下水中溶质运移过程，对地下水从数量上和质量进行定量评价和合理开发利用，以及兴利除害的理论基础。主要研究重力水的运动规律。1多孔介质porousmedium指地下水动力学中具有孔隙的岩石，能够赋存流体且流体可在其中运动，包括孔隙和裂隙岩层，也包括一些岩溶化比较均匀的岩层。1孔隙介质poremedium含有孔隙水的岩层；赋存流体且流体可在其中运动的孔隙岩层。1裂隙介质fissuremedium含有裂隙水的岩层；赋存流体且流体可在其中运动的裂隙岩层。1岩溶介质karstmedium含有岩溶水的岩溶化岩层；赋存流体且流体可在其中运动的岩溶化若层。1骨架Matrix多孔介质中固体部分（固相）。1地下水状态方程表示水的体积变化或密度变化与压强之间的关系式。（1）体积变化：)(00ppeVV，)](1[00ppVV，式中V0为初始压强P0下水的体积，为水的压缩系数。（2）密度变化：)](1[00pp，式中0为初始压强P0下水的密度。1孔隙度Porosity多孔介质中孔隙体积与多孔介质总体积之比（符号为n），可表示为小数或百分数。1有效孔隙Effectivepores多孔介质中相互连通的、不为结合水所占据的那一部分孔隙。1有效孔隙度EffectivePorosity多孔介质中有效孔隙体积与多孔介质总体积之比（符号为ne），可表示为小数或百分数。1死端孔隙Dead-endpores多孔介质中一端与其它孔隙连通、另一端是封闭的孔隙。1多孔介质压缩系数Coefficientofcompressibility表示多孔介质在压强变化时的压缩性的指标，用表示；多孔介质固体颗粒压缩系数s和孔隙压缩系数p的关系为(1-n)s+np≈np。1固体颗粒压缩系数表示多孔介质中固体颗粒本身的压缩性的指标，用s表示。sp。1孔隙压缩系数Compressibilityoftheporesofaporousmedium表示多孔介质中孔隙的压缩性的指标，用p表示。1贮水系数storativity又称释水系数或储水系数，指面积为一个单位、厚度为含水层全厚度M的含水层柱体中，当水头改变一个单位时弹性释放或贮存的水量，无量纲。s。既适用于承压含水层，也适用于潜水含水层。1贮水率Specificstorativity指当水头下降（或上升）一个单位时，由于含水层内骨架的压缩（或膨胀）和水的膨胀（或压缩）而从单位体积含水层柱体中弹性释放（或贮存）的水量，量纲1/L。sg+n。1重力疏干gravitydrainage/yield在无压含水层中抽水或排水时，空隙中的水在重力作用下排出而使部分含水层疏干的现象。1延迟给水delayeddrainage（滞后给水）在潜水含水层中抽水时潜水位下降后其上部新形成的包气带重力水缓慢逐渐排出的现象。1含水层弹性释放elasticityreleaseofaquifers在含水层中抽水，因水头（水位）下降水的压力减少颗粒间有效应力增加使岩层骨架压缩和水体积膨胀的释水过程。1渗流Seepageflow是一种代替真实地下水流的、充满整个岩石截面的假想水流，其性质（密度、粘滞性等）与真实地下水相同，充满整个含水层空间（包括空隙空间和岩石颗粒所占据的空间），流动时所受的阻力等于真实地下水流所受的阻力，通过任一断面及任一点的压力或水头均与实际水流相同。1渗流场Flowdomain假想水流所占据的空间区。1典型单元体REV/RepresentativeElementaryVolume又称代表性单元体，是渗流场中其物理量的平均值能够近似代替整个渗流场的特征值的代表性单元体积。1过水断面Cross-sectionalarea渗流场中垂直于渗流方向的任意一个岩石截面，包括空隙面积和固体颗粒所占据的面积。渗流平行流动时为平面。弯曲流动时为曲面。1渗流量Seepagedischarge流量，单位时间内通过过水断面的水体积，同Q表示，单位m3/d。1渗流速度Specificdischarge/seepagevelocity又称渗透速度、比流量，是渗流在过水断面上的平均流速。它不代表任何真实水流的速度，只是一种假想速度。记为v，单位m/d。1实际平均流速Meanactualvelocity多孔介质中地下水通过空隙面积的平均速度；地下水流通过含水层过水断面的平均流速，其值等于流量除以过水断面上的空隙面积，量纲为L/T。记为u。1测压管水头Piezometrichead位置水头与压力水头之和。1压力水头pressurehead含水层中某点的压力水头（h）指以水柱高度表示的该点水的压强，量纲为L，即：h=P/，式中P为该点水的压强；为水的容重。1速度水头velocityhead在含水层中的某点水所具有的动能转变为势能时所达到的高度，量纲为L，即h=v2/2g，式中v为地下水在该点流动的速度；g为重力加速度。1总水头Totalhead测压管水头和流速水头之和。1等水头面渗流场内水头值相同的各点所连成的一个面，它可以是平面，也可为曲面，等水头面上任意一条线上的水头都是相等的。1等水头线Groundwatercontour渗流场内等水头面与某一平面的交线，不同数值的等水头线不会相交。21水力坡度Hydraulicgradient在渗流场中，大小等于梯度值，方向沿着等水头面的法线，并指向水头降低方向的矢量。1渗流运动要素Seepageelements表征渗流运动特征的物理量，主要有渗流量Q、渗流速度V、压强P、水头H等。1地下水运动方向Groundwaterflowdirection渗透流速矢量的方向。1稳定流steadyflow在一定的观测时间内水头、渗流速度等渗透要素不随时间变化的地下水运动。1非稳定流unsteadyflow水头、渗透速度等任一渗透要素随时间变化的地下水运动。1层流laminarflow水流流束彼此不相混杂、运动迹线呈近似平行的流动。1紊流turbulentflow水流流束相互混杂、运动迹线呈不规则的流动。1一维流one-dimensionalflow也称单向运动，指渗流场中水头、流速等渗流要素仅随一个坐标变化的水流，其速度向量仅有一个分量、流线呈平行的水流。1二维流two-dimensionalflow也称平面运动，地下水的渗透流速沿空间二个坐标轴方向都有分速度、仅仅一个坐标轴方向的分速度为零的渗流；水头、流速等渗流要素随两个坐标变化的水流，其速度向量可分为两个分量，流线与某一固定平面呈平行的水流。1平面二维流Two-dimensionalflowinplane由两个水平速度分量所组成的二维流。1剖面二维流two-dimensionalflowinsection由一个垂直速度分量和一个水平速度分量组成的二维流。1单宽流量Dischargeperunitwidth渗流场中单位宽度的渗流量，等于总流量Q与宽度B之比，q=Q/B。1三维流three-dimensionalflow也称空间运动，地下水的渗透流速沿空间三个坐标轴的分量均不等于零的渗流；水头、流速等渗流要素随空间三个坐标而变化的水流。1达西定律Darcy’sLaw是描述以粘滞力为主、雷诺数Re1~10的层流状态下的地下水渗流基本定律，指出渗流速度V与水力梯度J成线性关系，V=KJ，或Q=KAJ，为水力梯度等于1时的渗流速度。又称线性渗透定律。它反映了渗流场中的能量守恒与转换定律。1线性渗透定律见达西定律。1渗透系数Coefficientofpermeability,hydraulicconductivity也称水力传导系数，是表征岩层透水性的参数，影响渗透系数大小的主要是岩石的性质以及渗透液体的物理性质，记为K。是水力坡度等于1时的渗透速度。单位：m/d或cm/s。1渗透率Intrinsicpermeability表征岩层渗透性能的参数；渗透率只取决于岩石的性质，而与液体的性质无关，记为k。单位为cm2或D。1雷诺数Reynoldsnumber判断水流呈层流和紊流状态的指数。其值为管内惯性力与粘滞力的比值，地下水渗透速度（v）、含水介质颗粒平均粒径（d）呈正比，与地下水运动粘滞系数（）呈反比，即Re=vd/，式中Re为雷诺数。1达西（D）当液体的动力粘滞度为0.001Pa.s，压强差为101325Pa的情况下，通过面积为1cm2、长度为1cm岩样的流量为1cm3/s时岩样的渗透率，记为D。1尺度效应渗透系数与试验范围有关，随着试验范围的增大而增大的现象，K=K(x)。1导水系数Transmisivity是描述含水层出水能力的参数；水力坡度等于1时，通过整个含水层厚度上的单宽流量；亦即含水层的渗透系数与含水层厚度之积，T=KM。它是定义在一维或二维流中的水文地质参数。单位：m2/d。1非线性渗流定律Non-linearseepagelaw描述雷诺数大于1~10的流体的渗透流速与水力坡度之间非线性关系的方程，包括Forchheimer公式J=av+bv2,J=av+bvm,Chezy公式v=KcJ1/2。1均质岩层Homogeneousstrata渗流场中所有点都具有相同参数的岩层。1非均质含水层inhomogeneousstrata渗流场中所有点不都具有相同参数的岩层，渗透系数K=K(x,y,z)，为坐标的函数。1各向同性岩层Isotropicstrata渗流场中某一点的渗透系数不取决于方向，即不管渗流方向如何都具有相同渗透系数的岩层。1各向异性岩层anisotropicstrata渗流场中某一点的渗透系数取决于方向，渗透系数随渗流方向不同而不同的岩层。1主方向Principaldirection各向异性介质中的水力坡度和渗流速度的方向是不一致的，但在三个方向上两者是平行的，而且这三个方向是相互正交的。这三个方向就称为主方向1主渗透系数Majorhydraulicconductivity渗流场中沿主方向测得的渗透系数，分别以K1,K2,K3表示。1渗流折射定律1awofseepageflowrefraction描述地下水流斜向穿过两种渗透性岩层的分界面时流线发生折射的定律，指流线偏离分界面法线角度的正切与岩层渗透系数呈正比关系，即tgθ1/tgθ2=K1/K2。1渗透系数张量Tensorofhydraulicconductivity表示透水性各不相同的薄层相互交错组成的层状岩层渗透性能的参数；平行层面的等效渗透系数Kp为等效导水系数Tp与岩层总厚度M之比；垂直层面的等效渗透系数Kv为岩层总厚度M与各层岩层厚度与渗透系数比值之和之比。因此KpKv。1流网flownet渗流场内由一组流线和一组等势线所组成的网格。对各向同性介质组成正交网。1流线Streamline渗流场内处处与渗流速度矢量相切的曲线。1流线方程Streamlineequation描述流线的方程式，亦即vxdy—yydx=0；dydxyx。1流函数Streamfuction表示流线特征的函数值，为常数ψ，量纲为[L2T-1]，xyyx,。在平面运3动中，两流线间的单宽流量等于和这两条流线相应的流函数之差。1渗流的连续方程continuityequationofseepageflow表示渗流场内单元体内液体质量的变化量等于流入与流出该单元体的液体质量之差的微分方程式，它是研究地下水运动的基本方程。亦即：zyxntzyxzyxzyx)()()(1承压水运动的基本微分方程根据地下水流连续方程和达西定律建立的描述承压水运动的微分方程式，表示单位时间内流入、流出单位体积含水层的水量之差等于同一时间内单位体积含水层弹性释放（弹性贮存）的水量，反映了承压含水层中地下水运动的质量守