1、1水文水文(shuwn)(shuwn)地质学基础地质学基础General Hydrogeology -主讲(zhjing)：李明辉第一页，共44页。2第1节 地下水运动(yndng)的基本特点第2节 重力(zhngl)水运动基本规律第3节 流 网第4节 包气带水水分运动(yndng)规律第四章 地下水运动基本规律第二页，共44页。3第1节 地下水运动的基本(jbn)特点曲折复的水流通道 用假象水流代替真水流，假：假象水流的性（密度、粘滞性等）与真水流相同，且充了含水空隙和粒所占据的空； 假象水流任意断面的流量、水或力和水流相同； 假象水流运在任意的岩石体内所受的阻力和真水流所受的阻力相同。 的
2、假象地下水在岩石空隙中的运称渗流(seepage flow)。生渗流的区域称渗流。假象水流生渗流的区域称渗流。渗流由固体骨架(gji)和岩石空隙中的水两部分成。渗流只生在岩石空隙中。第三页，共44页。4第1节 地下水运动(yndng)的基本特点 的流速(li s) 一般以m/d算，而河道或管网中的水流以m/s算； 根据流速(li s)的大小(按运状)，渗流分两种流： 流：在岩石空隙中渗流，水的点作有秩序的、互不混的流。 紊流：水的点无秩序地、互相混的流 。 用雷数（Re）判： Re110 流 Re 110 紊流 地下水在岩石空隙中的运速度一般小，大多 流。第四页，共44页。5第1节 地下水运动
3、的基本(jbn)特点非定流 水的各个运要素（水位、流速、流向等）随 化关系分定流和非定流。 渗流中任意点的水位（或流速、流向）与无关，称作(chn zu)定流。渗流中任意点的水位（或流速、流向）随化非定流。 自然界的地下水流一般均非定流，原因有三： 水源受水文、气象因素影响大，呈季性化； 排泄方式具有不定性； 径流程中存在不定性。第五页，共44页。6第1节 地下水运动的基本(jbn)特点地下水根据运动要素在空间上的变化规律一维流（线流）、二维流（平流）、三维流（空间流）。 流场中任意一点的速度变化只与空间坐标的一个方向有关时称为(chn wi)一维流（线流）。流场中任意一点的速度变化与空间坐标
4、的两个方向有关时称为(chn wi)二维流（平流）。流场中任意一点的速度变化与空间坐标的两个方向有关时称为(chn wi)三维流（空间流）。地下水空间运动上的特征主要取决于含水层的几何形状，含水层的边界条件以及地下水的开采方式。第六页，共44页。7达西定律（达西定律（Darcys lawDarcys law）线性渗透定律（线性渗透定律（linear lawlinear law） 法国水力学家，法国水力学家，18561856年（以实验为基础研究时期）通过大量的室内年（以实验为基础研究时期）通过大量的室内实验得出的实验得出的4.1.1 4.1.1 实验条件：装置图实验条件：装置图P36P36，图，
5、图4-14-11 1）等径圆筒装入均匀砂样（）等径圆筒装入均匀砂样（uniform sanduniform sand），断面为），断面为2 2）上（下各）置一个稳定的溢水装置）上（下各）置一个稳定的溢水装置保持稳定水流保持稳定水流3 3）实验时上端）实验时上端(shn dun)(shn dun)进水，下端出水进水，下端出水示意流线示意流线4 4）砂筒中安装了）砂筒中安装了2 2个测压管个测压管5 5）下端测出水量（）下端测出水量（outflowoutflow）QQ第1节 地下水运动(yndng)的基本特点第七页，共44页。8断面(dun min)1断面(dun min)2QLhH2H1OO第1
6、节 地下水运动(yndng)的基本特点第八页，共44页。达 西 试 验 装 置_两种2变水头(shutu)装置1常水头(shutu)装置第九页，共44页。10第2节 重力(zhngl)水运动基本规律n 通过变水头(shutu)，多次实验得出：出水端的流量Q与砂柱、测压管水头(shutu)之间的关系为：n（1） n Q 渗流量； 砂柱断面面积；n h 水头损失（m）；L 渗流途径；n K与试样(sh yn)有关的比例常数。n由水力学中水动力学基本原理：（2） Q = K I 定义：单位时间内通过砂的流量与渗透长度l成反比，与过水断面w，上、下测压管的水头差成正比。第十页，共44页。11第2节 重
7、力(zhngl)水运动基本规律n渗透流速n根据水力(shul)学流速与流量的关系对上式转化：n Q = Vn与（2）式比较n V = KI - （3）n称为渗透流速（seepage velocity Darcy velocity specific discharge）n上式为单位面积上的流量-称比流量n达西定律中由此看出：n渗透流速与水力(shul)梯度是一次方成正比n故达西定律又称为线性渗透定律第十一页，共44页。12VIO1砂样2V = K I （3）VI 曲线(qxin)第2节 重力(zhngl)水运动基本规律第十二页，共44页。13第2节 重力(zhngl)水运动基本规律n n渗透流速
8、（V）与水断面（） n Q = K I = Vn水断面与水力学中的水流断面是否一致？n否n水断面，假想的断面n 孔隙断面 n 孔隙度 n 水流断面 n 有效孔隙度n Q/ =V 比照水力学， 流速 Q/= un关系：地下水渗透流速 V= u ne n渗透流速V：是假(jish)水流通整个岩断面（骨架+空隙）所具有的虚的平均流速。n意：研究水量，只考水流通的量与平均流速，而不去追踪 水点的运移迹化的研究过水断面(dun min)比较第十三页，共44页。14 过水断面(dun min)（） 实际过断面(dun min)（）过水断面(dun min)与实际过水断面(dun min)第2节 重力(zh
9、ngl)水运动基本规律第十四页，共44页。15水力梯度（I）（hydraulic gradient） 水力学中水力坡度（J）:单位距离上的水头损失 是沿渗流(shn li)途径上的水头损失与相应的渗流(shn li)长度之比 v 物理涵义上来看I：代表着渗流(shn li)过程中，机械能的损失率，由水力学中水头的概念加以分析：v 在地下水渗流(shn li)研究中v任意点的水头表达式 总水头(shutu) 测压水头(shutu) 速度水头(shutu) 机械能 势 能 动 能第2节 重力水运动基本规律第十五页，共44页。16水力(shul)梯度（I）在达西实验中： 其原因(yunyn)是 u2
10、/2g 很小而忽略在地下水渗流研究中常：n总水头 测压水头 (这是习惯用法)n我们仍然用 H = H1-H2 代表该程 L12 上的总水头损失，nI 则为总能量损失率n渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）n流体的粘滞性引起的内摩擦阻力（分子(fnz)间）n固体颗粒表面对水流的反作用力第2节 重力水运动基本规律第十六页，共44页。17水力梯度（I） 从达西公式: V = KI 来看：当I 增大时，V 也愈大；即流速V 愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大;反过来，水力梯度I愈大时，驱动水流运动(yndng)与速度也愈大注意：水头损失一定要与渗流途径相对应第2节 重力(zhngl)水运动基
11、本规律第十七页，共44页。18第2节 重力(zhngl)水运动基本规律形成水力梯度的原因：水在空隙中运动，受到空隙壁摩擦阻力，形成机械能消耗，造成水头损失。 认为水力梯度是水流通过单位(dnwi)长度的渗透途径克服摩擦力所消耗的机械能。水力梯度是驱动力。机械能消耗于渗透途径上，水头差与渗透长度相对应。第十八页，共44页。19w渗透系数(K)：w渗透系数 K（coefficient of permeability）w 在有些教科中也称水力 率w （hydraulic conductivity）w定：水力梯度 I =1 的渗透流速 （V=KI）w具有速度量 L2 T-1 w由公式V = K I 分
12、析w当I一定，岩(yncng)的 K 愈大， V 也愈大， Q 大w因此，渗透系数 K 是表征岩石透水性的定量指.第2节 重力(zhngl)水运动基本规律第十九页，共44页。20第2节 重力(zhngl)水运动基本规律渗透系数 K影响因素： 以松散岩石,等径孔隙为例来分析水的重率； 动力粘滞系数从公式 即得出：K与岩石性质有关(yugun) K （d02，ne）与流体物理性质有关(yugun) K （/）表4-1列出常见岩石渗透系数的参考值第二十页，共44页。21第2节 重力(zhngl)水运动基本规律达西条件与达西定律(dngl)的用条件条件： ，定流，一流。 用条件：Re10的流。均各向同
13、性( xin tn xn)介第二十一页，共44页。22含水层介质特征 均质(homogeneous medium)：K在岩层中处处相等，不随空间变化。 非均质(inhomogeneous medium)：K在岩层中随空间位置变化而改变。 各向同性( xin tn xn)介质(isotropic medium)：K不随渗流方向改变。 各向异性介质(anisotropic medium)：K随水流方向改变。第2节 重力(zhngl)水运动基本规律第二十二页，共44页。23n均各向同性( xin tn xn) n均各向异性 n非均各向同性( xin tn xn) n非均各向异性 第2节 重力(zhn
14、gl)水运动基本规律第二十三页，共44页。24作业：1在等厚的承压含水层中，实际过水断面面积为400m2的流量为10000m3/d，含水层的孔隙度为，试求含水层的实际速度(sd)和渗透速度(sd)。2已知一等厚、均质、各向同性的承压含水层，其渗透系数为15 m/d，孔隙度为，沿着水流方向的两观测孔A、B间距L=1200m，其水位标高分别为Ha，Hb=3m。试求地下水的渗透速度(sd)和实际速度(sd)。第2节 重力(zhngl)水运动基本规律第二十四页，共44页。25第3节 流 网 基本概念 流 ：某刻在渗流中画出的一条空曲，曲上各个水点的流速方向都与条曲相切（某刻各点流向的 ）（迹：流体水点
15、在渗流中某一 段内的运 迹trace line） 等水面与等水 ：在渗流中，把水 相等的各个点起来在空构成一个面，称等水面。等水面在平面上或剖面上表(bioxi n)一根水相等的，称等水 。 流网：在渗流的某一典型剖面或切面上，由一系列等 与流 成的网格称流网。 第二十五页，共44页。基本概念基本概念二维流网图：二维流网图：平面流网：潜水平面流网：潜水(qinshu)(qinshu)等水位线图，承压水等水位线图，承压水等测压水位线图等测压水位线图剖面流网：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的剖面流网：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的水流水流流网特点：流网特点： 在各向同性介质中，流线与等水头线
16、正交；在在各向同性介质中，流线与等水头线正交；在各向异性介质中，流线与等水头线斜交各向异性介质中，流线与等水头线斜交 是按一定规则绘制的，等水头线（等水头差绘是按一定规则绘制的，等水头线（等水头差绘制），流线（等流量宽，单宽流量相等）制），流线（等流量宽，单宽流量相等）第二十六页，共44页。27定性流网的绘制-（各向同性介质中）在许多实际工作中，绘制定性流网分析问题很重要精确流网受许多条件（资料(zlio)不足等）制约，很难办到思考回答：边界条件？有哪几类？流线起点和终点？等水头线如何控制？等流量如何确定？“源”resource （发散流线处）“汇”sink （ 吸收流线处）“地下分水线”di
17、vide line（分水或分流处为“流线”）第二十七页，共44页。28第3节 流 网第二十八页，共44页。等水头线 、流线与各类边界(binji)的关系已知边界(binji)a湿周b隔水边界(binji)cd水位线第二十九页，共44页。30第3节 流 网n均各向同性介中的流网(liwng)及其制 n在均各相同性介中，地下水必定沿着水化最大的方向，即垂直于等水的方向运，因此，流与等水构成正交网格。 n定流网(liwng)的制步： n根据界条件制容易确定的等水或流。界包括定水界、隔水界及地下水面界。 第三十页，共44页。31n流线总是由源指向汇的，因此，根据补给区（源）和排泄区（汇）可以判断流线的
18、趋向。渗流场中具有一个以上补给点或排泄点时，首先要确定分流线；分流线是虚拟的隔水边界。 n根据流线跟等水头线正交这一规则，在已知流线与等水头线间插补其余部分。n 流量等单宽量流量控制流线根数n 确定等水头差间隔(jin g)n 参见河间地块流网图P40，图4-4第3节 流 网第三十一页，共44页。河间地块流网(liwng)的绘制1）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）2）分水线、源、汇的确定3）画出渗流场周边流线与条件, 4）确定等水头(shutu)值，中间内插第三十二页，共44页。流网图的应用 它反映了渗流场中地下水的流动状况，同时也是介质场与势场的综合反映。提供这两方面的信息： 1、可以
19、确定任意点的水头值（H），并了解其变化规律图中A点水头？ HA与HB的大小？ 2、确定水力(shul)梯度 I 的大小，及其变化规律图中A点的 I？ IA与IB比较谁大？ 3、确定渗透流速V的大小，及其变化规律图中A点的 VA ？ VA与 VB？ 4、渗流场内的流量分布情况 （如果要打井取水，井布置在何处为什么？） 5、水质点的渗流途径及长短，当流线与迹线重合，流线近视为水质点的运移轨迹流网(liwng)的应用思考题第3节 流 网第三十三页，共44页。河间地块流网(liwng)的应用AB比较(bjio)：HA与HB？ IA与IB？VA与 VB？第三十四页，共44页。35 1、在上页图示条件下，
20、在何处打井取水(q shu)，井水不会受污染物的影响？思考题第三十五页，共44页。36第3节 流 网n状非均介(jizh)中的流网 n状非均是指介(jizh)内各岩内部渗透性均均各向同性的，但不同介(jizh)的渗透性不同。 n渗透律： 第三十六页，共44页。37第3节 流 网w1是流在K1中与界法 的角； w 2是流在K2中与界法 的角。 w w流 向于在强透水(shu cn)中走最的途径，而在弱透水(shu cn)中走最短的途径。果，强透水(shu cn)中流接近于水平（接近于平行面），而在弱透水(shu cn)中流接近于垂直面。第三十七页，共44页。38w几种(j zhn)情形： 第3节
21、 流 网第三十八页，共44页。39第3节 流 网第三十九页，共44页。40第3节 流 网第四十页，共44页。41第4节 包气带水水分(shufn)运动基本规律n与毛 有关 n 毛 是含水量的函数。包气中毛随着含水量的小而 大 。 n hc= hc（W） nK也是含水量的函数。渗透系数K随含水量降低(jingd)而迅速小。n K=K（W） n 包气水的非和流，仍可用达西定律描述。作一垂直下渗运 ，渗透流速可表示： 第四十一页，共44页。42 降水入渗 均包气，在地表形成一极薄水（其厚度可忽略），当活塞式下渗水的前到达深度Z ，位置水 Z（取地面基准，向上正），前 弯液面造成的毛 力(yl)水 h
22、c，任一刻t的入渗速率，即垂向渗透流速 ： 第4节 包气带水水分(shufn)运动基本规律第四十二页，共44页。43n ： n与水 一，可以用达西定律描述 。 n与水 的差： n （1）水只存在重力，包气同存在重力与毛 ； n （2）水任一点的力水是个定，包气的力水 是含水量的函数； n （3）水的渗透系数是个定，包气的渗透系数随含水量的降低(jingd)而小。 第4节 包气带水水分(shufn)运动基本规律第四十三页，共44页。44练习:考虑一个饱和(boh)、均质、各向同性、长方形、垂向剖面ABC。其上部边界为AB，底部边界为DC，左侧边界为AD，右侧边界为BC，使DC的距离为AD的两倍。BC和DC是不透水的。AB是一个不变水头边界，h=100m。AD被分为两个相等的长度，其上半部分为不透水，下半部分是不变水头边界，h=40m。试示意汇出流网图。第四十四页，共44页。
