第四章 地下水的运动

第四章地下水的运动地下水的运动：地下水在岩层空隙中流动过程的特征和规律。研究地下水运动规律的科学称为地下水动力学。目前已发展成为一门内容十分丰富的独立学科。4.1.1地下水运动的特点（一）曲折复杂的水流通道研究方法：用假想水流来代替真正水流用假想水流代替真正水流的条件：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。流量相等4.1地下水运动特征及其基本规律（一）曲折复杂的水流通道2)假想水流在任意断面的水头必须等于真正水流在同一断面的水头。水头相等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。水头损失相等（二）流速慢（m/d）自然界一般地下水在孔隙或裂隙中的流速为数m/d。地下水在曲折的通道中缓慢流动称为渗流，或渗透水流过水断面：渗透水流通过的含水层横断面称为过水断面4.1.1地下水运动的特点（三）流态大多为层流层流：地下水是在曲折的通道中作缓慢渗流，因此，地下水流大多数都呈层流运动。4.1.1地下水运动的特点紊流：只有当地下水流通过漂石、卵石的特大孔隙或岩石的大裂隙及可溶岩的大溶洞时，才会出现紊流状态。另外，取水构筑物附近由于过水断面减小使地下水流速增加很大，常呈紊流区。（四）多呈非稳定流、缓变流运动•地下水在自然界的绝大多数情况下是非稳定流运动。•为研究方便，把地下水运动要素变化不大，或地下水的补给、排泄条件变化不大的某一时段的运动近似地当作稳定流来处理•不可忽视的情况：由于人工开采，使地下水位逐年持续下降时，地下水的非稳定流运动就不可忽视4.1.1地下水运动的特点（四）多呈非稳定流、缓变流运动缓变流：在天然条件下，地下水流一般都呈缓变流运动，流线弯曲度很小，近似于一条直线，相邻流线之间夹角很小，近似于平行。缓变流动中，地下水的各过水断面可当作一个直面，同一过水断面上各点的水头亦可当作是相等的。这样假设的结果就可把本来属于空间流动（或叫三维流运动）的地下水流，简化成为平面流（或叫二维流运动），这样假设会使计算简单化。4.1.1地下水运动的特点线性渗透定律反映了地下水作层流运动时的基本规律4.1.2地下水运动的基本规律4.1.2.1线性渗透定律unvnvnQuKivLhiQvLhKQ/4.1.2地下水运动的基本规律4.1.2.1线性渗透定律地下水在实际运动过程中，水力坡度i常常是变化的，因此，Darcy定律应写成微分形式dxdHKQdxdHKv渗透系数K是反映岩石渗透性能的指标，其物理意义为：当水力坡度为1时的地下水流速。K不仅决定于岩石的性质(如空隙的大小和多少)，而且和水的物理性质(如比重和粘滞性)有关。Darcy定律的适用范围：1Re10时的地下水层流运动KivLhiQvLhKQ/4.1.2地下水运动的基本规律4.1.2.1线性渗透定律duRe自然界大多数地下水层流动运动时的Re1，服从Darcy定律。地下水的紊流：地下水在大空隙、大裂隙、大溶洞及取水建筑物附近流动时，常常呈紊流状态，而且Re10。紊流运动规律：水流的渗透速度与水力坡度的平方根成正比。即哲才公式。4.1.2地下水运动的基本规律4.1.2.2非线性渗透定律iKQiKv有时，地下水水流运动形式介于层流和紊流之间，即呈混合流，可用期姆莱公式计算渗透速度。期姆莱公式中，m的取值范围为1～2。m=1，Darcy公式；m=2，哲才公式生产实践中很难事先确定地下水的流态属性，因此，哲才公式和斯姆莱公式在实际工作中很少应用4.1.2地下水运动的基本规律4.1.2.2非线性渗透定律miKv14.2地下水流向井的稳定运动4.2.1地下水取水构筑物的基本类型提取地下水的工程设施称为取水构筑物。当取水构筑物中地下水的水位和抽出的水量都保持不变，这这时的水流称为稳定流运动（一）垂直取水构筑物（井）：指设置方向大致与地表相垂直的取水构筑物。1）潜水完整井2）潜水非完整井3）承压水完整井4）承压水非完整井4.2地下水流向井的稳定运动4.2.1地下水取水构筑物的基本类型（一）垂直取水构筑物（井）（二）水平取水构筑物（渗水管、渗渠等）：指设置方向大致与地表相平行，地下水从一侧或两侧进入构筑物内的取水构筑物。4.2地下水流向井的稳定运动4.2.1地下水取水构筑物的基本类型稳定流运动类型类型潜水承压水完整井(1)(2)非完整井(4)(3)4.2地下水流向井的稳定运动4.2.2稳定流运动类型及其计算公式)2.01lg(lg73.21.015012.1lglg73.201.054lg)4lg2(2173.2)3(lg73.2)2(lg)2(36.1)1(rMLLMrRsMKQ＞MLrM＞，rMLLMrRsMKQMr＞rL，RMArMsMKQrRsMKQrRssHKQ时及当时及当稳定流运动类型4.2地下水流向井的稳定运动4.2.2稳定流运动类型及其计算公式)2.01lg(lg)(36.11.015012.1lglg)(36.13.02]4lg)4lg2(212lg[36.1)4(22220000rhLLhrRhHKQ＞hLr，＞h，rhLLhrRhHKQM＞L，rMArMMrRsLsKQ时当时当不同的水文地质条件和不同结构的取水构筑物都有其相应的计算公式，可查手册，但要严格遵守其适用条件。实例•某地区有一承压完整井，井半径r=0.21m，过滤器长度L=35.82m；含水层为砂卵石，厚度M=36.42m；影响半径R=300m，抽水试验结果为：•s1=1.00mQ1=4500m3/d；•s2=1.75mQ2=7850m3/d；•s3=2.50mQ3=11250m3/d；•求K？•由于Q-s关系呈直线，•直接采用公式计算5000100001.03.02.0S(m)Q(m3/d)0(s1,Q1)(s2,Q2)(s3,Q3)m/d65142)lglg(3660.MsrR-Q.K4.3地下水流向井的非稳定运动泰斯非稳定流理论认为在抽水过程中地下水的运动状态是随时间而变化的，即动水位不断下降，降落漏斗不断扩大，直至含水层边缘或补给水体无充分补给的抽水井所形成的非稳定流运动非稳定流理论所解决的主要问题:1）评价地下水的开采量非稳定流计算最适合用来评价平原区深部承压水的允许开采量。2）预报地下水位下降值预报在一定取水量及一定时段之后，开采区内及附近地区任一点的水位下降值。3）确定含水层水文地质参数通过抽水试验测得Q、s及t值，然后通过非稳定流方程式可解出其中的导水系数、储水系数等水文地质参数4.3地下水流向井的非稳定运动4.3.1非稳定流理论所解决的主要问题1）弹性储存对于承压含水层，当抽水的影响未扩及至补给边界前，随着抽水过程，抽出的水量主要是由于水头下降，引起含水层弹性压缩和承压水弹性膨胀而释放地下水；而当水头上升，含水层则会储存这部分地下水，这种现象称为弹性储存。4.3地下水流向井的非稳定运动4.3.2基本概念2）越流抽水含水层的顶、底板为弱透水层，在抽水含水层抽水条件下，由于水头降低，和相邻含水层之间产生水头差，相邻含水层通过弱透水层与抽水含水层之间发生水力联系，这种水力联系称之为“越流”。越流产生的条件：承压水、完整井、非稳定系统4.3地下水流向井的非稳定运动4.3.2基本概念3）越流系统：产生越流现象时，由抽水含水层、弱透水层、相邻含水层（补给含水层）组成的系统称为越流系统。抽水的含水层称为主含水层，相邻含水层称为补给层。越流系统分为三类（1）弱透水层的弹性储量可忽略不计，抽水期间补给含水层水头几乎不变；（2）考虑弱透水层弹性储量，抽水期间补给含水层水头不变；（3）补给含水层的水头随主含水层的抽水情况而变化4.3地下水流向井的非稳定运动4.3.2基本概念地下水流向井的非稳定流运动可分为如下类型：4.3地下水流向井的非稳定运动4.3.3地下水流向井的非稳定运动类型及计算公式地下水流向井的非稳定运动越流系统中地下水流向承压水完整井的非稳定流运动无越流系统中地下水流向井的非稳定流运动流向非完整井的非稳定流运动流向完整井的非稳定流运动流向承压水完整井的非稳定流运动(2)流向潜水完整井的非稳定流运动(1)流向承压水非完整井的非稳定流运动(4)流向潜水非完整井的非稳定流运动(3)第二类越流系统中流向承压水完整井的非稳定流运动(6)第一类越流系统中流向承压水完整井的非稳定流运动(5)4.3地下水流向井的非稳定运动4.3.3地下水流向井的非稳定运动类型及计算公式(1)流向潜水完整井的非稳定流运动系数潜水含水层的水位传导潜水含水层厚度渗透系数下降值时刻后的水位远处经过距井抽水时，在当以固定水量式中aHKtrQsrat.πKQHHs22252ln24.3地下水流向井的非稳定运动4.3.3地下水流向井的非稳定运动类型及计算公式系数承压含水层的压力传导导水系数水位下降值时刻后的远处经过在距井抽水时，当以固定水量式中aTtrQsrat.πTQs2252ln4(2)流向承压水完整井的非稳定流运动“承压含水层的弹性水量”4.3地下水流向井的非稳定运动4.3.3地下水流向井的非稳定运动类型及计算公式(3)流向潜水非完整井的非稳定流运动rM,MLζuWhHπKQ2)()(222(4)流向承压水非完整井的非稳定流运动－井函数－井的不完整系数式中)(2)()(4uWrM,MLζrM,MLζuWhHπKMQ4.3地下水流向井的非稳定运动4.3.3地下水流向井的非稳定运动类型及计算公式(5)第一类越流系统中流向承压水完整井的非稳定流运动πQrΦrtΦ,tΦrΦr,Φrkk2lim0)(0)0(0BruWTQhHs,4A边界条件B计算公式4.3地下水流向井的非稳定运动4.3.3地下水流向井的非稳定运动类型及计算公式(6)第二类越流系统中流向承压水完整井的非稳定流运动),(4BuHTQhHs水文地质参数是表征含水层性质特征的重要参数，其数值的大小是含水层各种性能的综合反映。常用的参数：渗透系数（K）：表示含水层渗透性能的参数；导水系数（T）：表示含水层导水能力大小的参数，其数值为含水层的渗透系数与厚度的乘积。给水度（μ）：表示潜水含水层给水能力的参数。即饱水岩石在重力作用下，可自由流出的最大水体积与整个岩石体积之比值。4.4水文地质参数的确定4.4.1常用水文地质参数常用的参数：储水系数（μ*）：指单位面积的承压含水层柱体，在水头降低lm时，释放的水体与柱体体积之比值。表示承压含水层的弹性释水能力的参数，也称释水系数。水位传导系数（a）：含水层中水位传导速度的参数，对于承压含水层为压力传导系数影响半径(R)：表示含水层补给条件的参数，综合地反映了含水层的规模、补给类型、补给能力。4.4水文地质参数的确定4.4.1常用水文地质参数常用的参数：越流系数：表示弱透水层在垂直方向上导水性能的参数。它是含水层上部或下部弱透水层的渗透系数K与弱透水层厚度的比值。越流参数（B）：表示具有越流条件下的越流作用的参数。它和导水系数T与越流系数比值的平方根成正比。mK4.4水文地质参数的确定4.4.1常用水文地质参数mKmKKMB常用的参数：补给系数（E）：表示含水层接受侧向、垂向补给能力的大小。降雨入渗系数（）：降水入渗量与降水量的比值。4.4水文地质参数的确定4.4.1常用水文地质参数确定的方法：1)利用稳定流抽水试验计算水文地质参数2)无越流含水层中利用非稳定流抽水试验计算水文地质参数3)越流系统中水文地质参数4)其他方法意义：水文地质参数是进行水文地质计算和合理开发利用地下水的重要依据，同时关系到水量评价结果的正确与否。如何准确确定水文地质参数，是供水水文地质领域内重要的研究内容。4.4水文地质参数的确