水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)地下水的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律解析PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)地下水的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)地下水的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律解析解析第四章第四章 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律第2頁/共52頁特征：特征：多孔介質(zhì)，滲流通道多孔介質(zhì)，滲流通道復(fù)雜多變，空隙細(xì)小復(fù)雜多變，空隙細(xì)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(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律地下水運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律第4頁

2、/共52頁 一維流一維流：滲流場(chǎng)中任意點(diǎn)的流速變化只與空間坐標(biāo)一個(gè)方向：滲流場(chǎng)中任意點(diǎn)的流速變化只與空間坐標(biāo)一個(gè)方向有關(guān)的滲流。有關(guān)的滲流。 二維流二維流/ /三維流三維流：滲流場(chǎng)中任意點(diǎn)的流速變化與空間坐標(biāo)兩個(gè)：滲流場(chǎng)中任意點(diǎn)的流速變化與空間坐標(biāo)兩個(gè)/ /三個(gè)方向有關(guān)的滲流。三個(gè)方向有關(guān)的滲流。第5頁/共52頁水在空隙介質(zhì)中滲流，其驅(qū)動(dòng)力是什么呢？水在空隙介質(zhì)中滲流，其驅(qū)動(dòng)力是什么呢？地下水的地下水的機(jī)械能機(jī)械能：動(dòng)能：動(dòng)能+勢(shì)能勢(shì)能地下水是流動(dòng)的，某一點(diǎn)上承受的壓力除了靜水壓強(qiáng)之外地下水是流動(dòng)的，某一點(diǎn)上承受的壓力除了靜水壓強(qiáng)之外還有動(dòng)水壓強(qiáng)，因此總水頭（還有動(dòng)水壓強(qiáng)，因此總水頭（Hd）：

3、）： gvZpHd22式中，p為靜水壓強(qiáng)；v為實(shí)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(shí)際水流速度很小，較重力加速度小得多，可忽含水層中實(shí)際水流速度很小，較重力加速度小得多，可忽略不計(jì)，在一般問題研究中，視測(cè)壓水頭與總水頭相等。略不計(jì)，在一般問題研究中，視測(cè)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(cè)壓水頭與含水鉆孔水柱高度和測(cè)壓水頭與含水層某一點(diǎn)壓強(qiáng)（層某一點(diǎn)壓強(qiáng)（P）的關(guān)系：）的關(guān)系： PhnZhHnn式中，為水的容重；Z為含水層中某一點(diǎn)（A）至基準(zhǔn)面（含水層底板）的垂直距

4、離；hn為水柱高度（測(cè)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(shí)驗(yàn)條件：試驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)條件：試驗(yàn)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(gè)穩(wěn)定的溢水）上（下各）置一個(gè)穩(wěn)定的溢水裝置裝置穩(wěn)定水流穩(wěn)定水流 3 3）實(shí)驗(yàn)時(shí)上端進(jìn)水，下端出水測(cè)）實(shí)驗(yàn)時(shí)上端進(jìn)水，下端出水測(cè)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(gè)測(cè)壓管個(gè)測(cè)壓管4.1 4.1 重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律第9頁/共52頁IKLhKQdldhKAQ4.1 4.1 重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

5、重力水運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律第11頁/共52頁4.1 4.1 重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律第12頁/共52頁Darcys L

7、aw 4.1 4.1 重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律第13頁/共52頁Experiments:達(dá)西定律適用范圍：達(dá)西定律適用范圍：Re=110的層流運(yùn)動(dòng)的層流運(yùn)動(dòng)4.1 4.1 重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律實(shí)驗(yàn)證實(shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)Re1Re1時(shí)，時(shí)，V V和和I I線性相關(guān)，線性相關(guān)，1Re101Re10Re10時(shí)，時(shí)，V V和和I I非線性相關(guān)。非線性相關(guān)。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(dá)西定律，也即足達(dá)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(cè)定：測(cè)定：a a室內(nèi)土柱試驗(yàn)（達(dá)西試驗(yàn)）；室內(nèi)土柱試驗(yàn)（達(dá)西試驗(yàn)）； b野外抽水試驗(yàn)。野外抽水試驗(yàn)。4.1 4.1 重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律重力水運(yùn)動(dòng)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(duì)不同流體的固有的滲透性能，與流體性質(zhì)無關(guān)，表征巖石對(duì)不同流體的固有的滲透性能，與流體性質(zhì)無關(guān)，僅取決于巖石的孔隙性質(zhì)。僅取決于巖石的孔隙性質(zhì)。4.1 4.1 重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律重力水運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，就必須考慮液體的物理在研究石油、鹵水或熱水的運(yùn)動(dòng)時(shí)，就必須考慮液體的物理性質(zhì)，采用滲透率性質(zhì)，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(shè)設(shè)x (0,L), 并對(duì)應(yīng)的測(cè)壓水位為并對(duì)應(yīng)的測(cè)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(jié)論：均質(zhì)水平等厚承壓含水層的測(cè)壓曲線是結(jié)論：均質(zhì)水平等厚承壓含水層的測(cè)壓曲線是第25頁/共52頁結(jié)論結(jié)論: 均質(zhì)水平潛水含水層的侵潤(rùn)曲線是均質(zhì)水平潛水含水層的侵潤(rùn)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(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的攝影，跡線則是對(duì)水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)所拍的電影流線可看作水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的攝影，跡線則是對(duì)水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(wǎng)：流網(wǎng)：在滲流場(chǎng)的某一典型剖面或切面上，由一系列等水在滲流場(chǎng)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(wǎng)格。位線與流線組成的網(wǎng)格。第29頁/共52頁4.2 4.2 流流 網(wǎng)網(wǎng)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(bǔ)排時(shí)為流線地下水面無補(bǔ)排時(shí)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(dāng)于流線隔水邊界相當(dāng)于流線定水頭邊界，相當(dāng)于等水頭線，等水頭面定水頭邊界，相當(dāng)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(bǔ)補(bǔ)給給第33頁/共52頁（一）（一） 流網(wǎng)形態(tài)流網(wǎng)形態(tài) 地下水沿水頭變化最大的方向運(yùn)動(dòng)（垂直于等水頭線方向地下水沿水頭變化最大的方向運(yùn)動(dòng)（垂直于等水頭線方向），流線與等水頭線構(gòu)成正交網(wǎng)格。），流線與等水頭線構(gòu)成正交網(wǎng)格。 第34頁/共52頁（二）流網(wǎng)繪制方法（二）流網(wǎng)繪制方法（1）確定分流線：）確定分流線：補(bǔ)給區(qū)、排泄區(qū)。補(bǔ)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(dāng)于隔水邊界。分流線相當(dāng)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(dāng)于等水頭線，等水頭面。相當(dāng)于等水頭線，等水頭面。 b. 隔水邊界：隔水邊界：相當(dāng)于流線。相當(dāng)于流線。 c. 潛水面邊界：潛水面邊界：無入滲補(bǔ)給時(shí)為流線無入滲補(bǔ)給時(shí)為流線 有入滲補(bǔ)給時(shí)，水面即不是流線也不為等水頭線有入滲補(bǔ)給時(shí)，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(nèi)插其它的流線或等水頭線。原則，等間距內(nèi)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(wǎng)河間地塊流網(wǎng)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(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)特征均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)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(qiáng)；，地下徑流加強(qiáng)；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(zhì)：水質(zhì)：由分水嶺出發(fā)的由分水嶺出發(fā)的流線，滲透途徑最長(zhǎng)，平流線，滲透途徑最長(zhǎng)，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(wǎng)河間地塊流網(wǎng)三、三、 均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)特征均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)特征第37頁/共52頁（四）（四） 層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng) 層狀非均質(zhì)介質(zhì)層狀非均質(zhì)介質(zhì)是指介質(zhì)場(chǎng)內(nèi)各巖層內(nèi)部滲透性為均質(zhì)各向是指介質(zhì)場(chǎng)內(nèi)各巖層內(nèi)部滲透性為均質(zhì)各向同性，但不同層介質(zhì)的滲透性不同。同性，但不同層介質(zhì)的滲透性不同。4.2 4.2 流流 網(wǎng)網(wǎng)1 1）兩層介質(zhì)，滲透系數(shù)）兩層介質(zhì)，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(qiáng)，流量大，更多徑流強(qiáng)，流量大，更多的流量通過滲透性好的介質(zhì)。的流量通過滲透性好的介質(zhì)。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(wǎng)網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng) 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(jìn)入滲透性好的），流線進(jìn)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(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)第40頁/共52頁4.2 4.2 流流 網(wǎng)網(wǎng) 流線趨向于在強(qiáng)透水層中走最長(zhǎng)的途徑，而在弱透水流線趨向于在強(qiáng)透水層中走最長(zhǎng)的途徑，而在弱透水層中走最短的路徑。結(jié)果，強(qiáng)透水層中流線接近于水平層中走最短的路徑。結(jié)果，強(qiáng)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(shí)含水層中存在透鏡體時(shí)a. a. 滲透性強(qiáng)滲透性強(qiáng)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(wǎng)網(wǎng)第42頁/共52頁五、流線的性質(zhì)五、流線的性質(zhì) a. 流線不能相交

19、（同一時(shí)刻不可能有兩個(gè)流向）流線不能相交（同一時(shí)刻不可能有兩個(gè)流向） b. 流線光滑不能有急轉(zhuǎn)折（若有轉(zhuǎn)折，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)有兩流線光滑不能有急轉(zhuǎn)折（若有轉(zhuǎn)折，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)有兩個(gè)流向）個(gè)流向） c. 流線相當(dāng)于隔水邊界（只能在其間運(yùn)動(dòng)，不能穿流線相當(dāng)于隔水邊界（只能在其間運(yùn)動(dòng)，不能穿過流線運(yùn)動(dòng)）過流線運(yùn)動(dòng)） d. 流線的形狀受控于邊界的性質(zhì)和形狀（平行于隔流線的形狀受控于邊界的性質(zhì)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(wǎng)網(wǎng)第43頁/共52頁六、流網(wǎng)的用途六、流網(wǎng)的用途 a. 根據(jù)流線方向可以看出任一點(diǎn)的流向；根據(jù)流線方向可以看出任一點(diǎn)的流向； b. 根據(jù)等水

20、頭線可以看出任一點(diǎn)水位的變化；根據(jù)等水頭線可以看出任一點(diǎn)水位的變化； c. 流線的密疏可以反映地下徑流的強(qiáng)弱；流線的密疏可以反映地下徑流的強(qiáng)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(zhì)的運(yùn)移追蹤污染物質(zhì)的運(yùn)移 f. 判斷水文地質(zhì)條件（含水層條件；邊界條件；與判斷水文地質(zhì)條件（含水層條件；邊界條件；與地表水關(guān)系）地表水關(guān)系）4.2 4.2 流流 網(wǎng)網(wǎng)第44頁/共52頁七、流網(wǎng)的性質(zhì)七、流網(wǎng)的性質(zhì) a. 在各向同性介質(zhì)中，流網(wǎng)為正交網(wǎng)格。（水沿水力在各向同性介質(zhì)中，流網(wǎng)為正交網(wǎng)格。（水沿水力梯度最大的方向運(yùn)動(dòng)）梯度最大的方向運(yùn)動(dòng)） b. 對(duì)于穩(wěn)定流，流線與跡線重合；對(duì)于非穩(wěn)定流可以對(duì)于穩(wěn)定流，流線與跡線重合；對(duì)于非穩(wěn)定流可以劃分為多個(gè)小單元，每個(gè)小單元可以看作穩(wěn)定流。劃分為多個(gè)小單元，每個(gè)小單元可以看作穩(wěn)定流。 c. 對(duì)于穩(wěn)定流，流網(wǎng)不隨時(shí)間變化。對(duì)于穩(wěn)定流，流網(wǎng)不隨時(shí)間變化。4.2 4.2 流流 網(wǎng)網(wǎng)第45頁/共52頁思考思考1：繪制流網(wǎng)繪制流網(wǎng)4.2 4.2 流流 網(wǎng)網(wǎng)第46頁/共52頁思考思考2