地下水運(yùn)動的基本規(guī)律課件

1、第五章 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律第六章 包氣帶水第八章 地下水的補(bǔ)給與排泄第九章 地下水流動系統(tǒng)第三講 地下水的循環(huán)第1頁，共54頁。第五章 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律5.1 基本概念5.2 地下水運(yùn)動的特點5.3 地下水運(yùn)動的研究方法5.4 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律5.5 本章小結(jié)第2頁，共54頁。5.1.1 滲流 滲流地下水在巖石空隙中的運(yùn)動，又稱滲透。 滲流場發(fā)生滲流的區(qū)域(地下水運(yùn)動的空間)。5.1 基本概念地下水滲流示意圖 與地表水的流動相比，地下水由于受到多孔介質(zhì)的阻滯作用，其流動遠(yuǎn)較地表水緩慢！第3頁，共54頁。5.1.2 流線與跡線 5.1.2.1 流線 流線滲流場中某一瞬時由所有流體質(zhì)點組

2、成的一條線，并且線上各流體質(zhì)點在此瞬時的流向均與此線相切。 流線的特點： *流線與流線不能相交； *流線不能是一條折線，它是一條光滑的曲線或直線。地下水流線示意圖第4頁，共54頁。地下水跡線示意圖5.1.2.2 跡線 跡線滲流場中某一時段內(nèi)某一質(zhì)點的運(yùn)動軌跡。 跡線的特點： 對于每一個水質(zhì)點都有一個運(yùn)動軌跡，所以跡線是一簇曲線，而跡線只隨質(zhì)點不同而異，與時間無關(guān)。第5頁，共54頁。5.1.2.3 二者區(qū)別 流線和跡線都是流場中的一簇曲線，都與流體的運(yùn)動有關(guān)，但各自代表了不同的概念： 流線反映的是某時刻流體的流速向量，跡線是反映流體中某一質(zhì)點不同時間走過的軌跡； 因此流線可看作水質(zhì)點運(yùn)動的攝影，

3、跡線則可看作對水質(zhì)點運(yùn)動所拍攝的電影。第6頁，共54頁。5.1.3 過水?dāng)嗝媾c流量 垂直于所有流線的橫截面，稱為過水?dāng)嗝?滲流斷面)。過水?dāng)嗝?23 單位時間內(nèi)通過滲流斷面的地下水體積稱為滲透流量。5.1.4 運(yùn)動要素 描述滲流特征的物理量，稱為地下水運(yùn)動的運(yùn)動要素。例如：水位，滲透流速，過水?dāng)嗝?，流量，等等。?頁，共54頁。5.1.5 層流與紊流5.1.5.1 層流 層流在巖石空隙中滲流時，水的質(zhì)點作有秩序、平行而互不混雜的流動。層流示意圖第8頁，共54頁。5.1.5.2 紊流 紊流在巖石空隙中滲流時，水的質(zhì)點作無秩序、互相混雜、互相碰撞的流動。 水作紊流運(yùn)動時，水流所受到的阻力比層流狀態(tài)

4、大，消耗的能量較多。紊流示意圖第9頁，共54頁。5.1.5.3 層流與紊流流態(tài)判別 水流的雷諾數(shù)式中: Re雷諾數(shù)，是一個無因次量； 斷面上水的平均流速； 運(yùn)動粘滯系數(shù)，L2/T，表征水粘性的強(qiáng)弱； d水力半徑。 從層流轉(zhuǎn)化為紊流時的臨界雷諾數(shù)，稱為上臨界雷諾數(shù)；從紊流轉(zhuǎn)化為層流時的臨界雷諾數(shù)，稱為下臨界雷諾數(shù)。 實驗表明下臨界雷諾數(shù)比較穩(wěn)定，因此采用下臨界雷諾數(shù)(Rek)作為層流和紊流的判別標(biāo)準(zhǔn): ReRek，水流狀態(tài)為紊流。第10頁，共54頁。5.1.6 穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流 穩(wěn)定流在滲流場內(nèi)，水質(zhì)點經(jīng)過它所占據(jù)的空間各點時的運(yùn)動要素不隨時間而變化的水流運(yùn)動。也就是說，在滲流場內(nèi)，任何一個空間

5、點上，無論哪一個水質(zhì)點通過時，其運(yùn)動要素都是不變的，運(yùn)動要素與時間無關(guān)，而僅是空間坐標(biāo)的函數(shù)。 非穩(wěn)定流在滲流場內(nèi)，水質(zhì)點的運(yùn)動要素隨時間而變化的水流運(yùn)動。非穩(wěn)定流中，水質(zhì)點的運(yùn)動要素不僅是空間坐標(biāo)的函數(shù)，而且也是時間的函數(shù)。 穩(wěn)定流條件下，流體的流線與跡線重合！ 嚴(yán)格說來，自然界中的地下水都屬于非穩(wěn)定流，但是，但為了便于分析和運(yùn)算，也可以將某些運(yùn)動要素變化微小的滲流，近似地看作穩(wěn)定流。第11頁，共54頁。5.1.7 均勻流與非均勻流 均勻流在實際水流中，如果流線是彼此平行的直線，而且在同一流線上的點，其實際流速相等，即沿水流方向?qū)嶋H流速的大小和方向皆不變。顯然，在均勻流中，質(zhì)點的時變加速度和

6、位變加速度都等于零。亦即流體在運(yùn)動過程中，其運(yùn)動要素不隨坐標(biāo)位置而改變！ 非均勻流如果沿水流方向質(zhì)點流速的大小或方向發(fā)生變化，這種水流則稱為非均勻流。第12頁，共54頁。5.1.8 緩變流與急變流 緩變流在實際水流中，流線之間的交角很小，流線間接近平行，且各流線的曲率半徑很大，使得沿流程方向質(zhì)點的流速不論大小和方向都是很緩慢的。顯然，在緩變流中，質(zhì)點的時變加速度等于零，位變加速度很小趨向于零，為近似的均勻流。 急變流在實際水流中，流線之間的交角相當(dāng)大，或各流線彎曲的曲率很大，使得沿流程方向質(zhì)點的流速不論大小和方向都急劇變化。顯然，在急變流中，質(zhì)點的時變加速度和位變加速度都很大。第13頁，共54

7、頁。 適用條件 *水是不可壓縮的理想液體； *水流是穩(wěn)定流； *作用在流體上的質(zhì)量力只考慮重力； *水流為均勻流或緩變流，其中流線幾乎是平行的，并且流線曲率很小，流線幾乎是直線，流量沿程不變。5.1.9 水頭 伯諾里能量方程 過水?dāng)嗝嫔夏骋晃恢锰巻挝恢亓克w所具有的機(jī)械能(H)表達(dá)為：第14頁，共54頁。 簡化式 在研究地下水運(yùn)動時，由于地下水的流速非常緩慢，速度水頭相對于測壓水頭是微不足道的。因此，可忽略速度水頭，而用測壓水頭代替總水頭，即 等水頭線 在某時刻，滲流場中水頭相等各點的連線，表征水勢場的分布。 含水層中的水頭第15頁，共54頁。第五章 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律5.1 基本概念5.2

8、 地下水運(yùn)動的特點5.3 地下水運(yùn)動的研究方法5.4 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律5.5 本章小結(jié)第16頁，共54頁。5.2 地下水運(yùn)動的特點 地下水滲流與地表水流相比有許多的不同之處： 不論哪一類含水介質(zhì)，其通道一般都是不規(guī)則的，它是由大小不等、形狀不同的孔隙、裂隙、溶隙(或溶洞)連接組合而成的。因此，實際的水流通道的空間形態(tài)與方向是相當(dāng)復(fù)雜的。這就使得地下水沿程流動時水質(zhì)點運(yùn)動的速度大小與方向都在不斷地變化著。 由于巖石固體骨架的阻隔，地下水流動是呈不連續(xù)狀態(tài)。因此，在滲流場中，地下水的運(yùn)動要素往往不是空間的連續(xù)函數(shù)，這一特點在裂隙含水介質(zhì)與巖溶含水介質(zhì)中更為明顯。地下水滲流示意圖第17頁，共54

9、頁。第五章 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律5.1 基本概念5.2 地下水運(yùn)動的特點5.3 地下水運(yùn)動的研究方法5.4 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律5.5 本章小結(jié)第18頁，共54頁。 根據(jù)地下水運(yùn)動的特點，目前對地下水運(yùn)動有兩類不同的研究方法微觀法和宏觀法。5.3.1 微觀法 微觀地研究水流質(zhì)點在各類介質(zhì)中的運(yùn)動規(guī)律。 這對于查明地下水化學(xué)成分的形成與分布，追溯某些污染源及根據(jù)地下水的化學(xué)異常尋找原生礦體等許多實際的問題很有意義。 顯然從微觀水平上研究地下水的運(yùn)動是很困難的。 因此，人們一般不去直接研究單個地下水質(zhì)點的運(yùn)動特征，而利用平均化的方法研究地下水運(yùn)動的宏觀規(guī)律。5.3 地下水運(yùn)動的研究方法第19頁，共

10、54頁。5.3.2 宏觀法 利用平均化的方法研究地下水運(yùn)動的宏觀規(guī)律。 由于實際的地下水流僅存在于空隙空間，其余部分則是固體的巖石。為此要設(shè)計一個假想的流場，那么這個流場首先不能將水約束在空隙之中，否則不僅涉及復(fù)雜固體表面邊界的刻畫，而且水流在空間是不連續(xù)的，使得一切基于連續(xù)函數(shù)的微積分手段都不能利用。第20頁，共54頁。地下水的流線 因此，我們必須引進(jìn)一個假想的水流代替真實的水流。這種假想水流的物理性質(zhì)(如密度、粘滯性等)和真實的地下水相同；它是充滿了整個多孔介質(zhì)(包括空隙和固體部分)的連續(xù)體；而這種假想水流的阻力與實際水流在任意巖石空隙體積內(nèi)中所受的阻力相同；它的任意一點壓強(qiáng)P和任一斷面的

11、流量Q與實際水流在該點周圍一個小范圍內(nèi)的平均值相等。這就是在滲透阻力、滲透壓強(qiáng)以及滲透流量保持等效的原則下，把實際滲流速度平均到包括固體顆粒骨架在內(nèi)的整個滲流場中。第21頁，共54頁。 實際就是用一種假想的滲流來代替復(fù)雜的實際滲流。這個假想的水流便是宏觀水平的地下水流，我們稱之為“滲流”，它所占據(jù)的空間稱為“滲流場”。 總之，假想的水流應(yīng)有以下特點： *假想水流的物理性質(zhì)(如密度、粘滯性等)和真實地下水相同； *假想水流充滿含水層的整個空間； *假想水流運(yùn)動時，在任意巖石體積內(nèi)所受的阻力等于真實水流所受的阻力； *通過任一斷面的流量及任一點的壓力或水頭均和實際水流相同； *假想水流所占據(jù)的空間

12、為滲流區(qū)或滲流場。第22頁，共54頁。 于是將假想滲流作為連續(xù)的水流來看待，這樣做的優(yōu)點是可以把實際上并不處處連續(xù)的水流當(dāng)作連續(xù)的水流來進(jìn)行研究，滲流場中的運(yùn)動要素則是時間和空間的連續(xù)函數(shù)，從而可以利用一般水力學(xué)、流體力學(xué)中研究液體運(yùn)動的方法來分析滲流問題。 這種方法，既避開了研究個別空隙中液體質(zhì)點運(yùn)動規(guī)律的困難，而得到的流量、阻力、壓強(qiáng)等又與實際水流相同，可滿足實際需要。 因此，這種方法是水文地質(zhì)學(xué)所采用的傳統(tǒng)方法，在有關(guān)地下水水量、水質(zhì)定量評價方面極其廣泛。第23頁，共54頁。第五章 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律5.1 基本概念5.2 地下水運(yùn)動的特點5.3 地下水運(yùn)動的研究方法5.4 地下水運(yùn)動

13、的基本規(guī)律5.5 本章小結(jié)第24頁，共54頁。5.4 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律圖4-1 達(dá)西實驗裝置圖5.4.1 達(dá)西定律 達(dá)西定律是法國水利學(xué)家H.Darcy通過大量的實驗，得到的線性滲透定律。5.4.1.1 達(dá)西實驗條件與過程 (1)等徑圓筒裝入均勻砂樣，斷面面積A； (2)上游置一個穩(wěn)定的溢水裝置保持穩(wěn)定水頭； (3)實驗上端進(jìn)水，下端出水示意流線； (4)圓筒中上、下斷安裝測壓管測定兩個斷面的水頭，水頭差為h；兩斷面相距L； (5)下端出口測定流量為Q。00第25頁，共54頁。5.4.1.2 實驗成果 第26頁，共54頁。5.4.2 達(dá)西公式中各項的物理意義5.4.2.1 滲透流速(V)

14、在達(dá)西定律表達(dá)公式中，滲透流速是一個宏觀概念，并且它很容易測量。 因此，必須把它與單個水質(zhì)點在砂粒中尋路而曲折前進(jìn)的微觀的真實流速區(qū)別開來。微觀真實流速是客觀存在的，但它卻無法測量。地下水滲流示意圖第27頁，共54頁。 從地下水運(yùn)動的宏觀概念出發(fā)，在達(dá)西定律表達(dá)公式中，過水?dāng)嗝?A)是垂直于地下水流動的含水層橫斷面，包括骨架和空隙在內(nèi)的斷面。這就是說，把由空隙與固體顆粒骨架構(gòu)成的含水層斷面視為統(tǒng)一的連續(xù)透水的斷面。過水?dāng)嗝?A）第28頁，共54頁。 因此，在達(dá)西定律表達(dá)公式中，過水?dāng)嗝?A)是假想的過水?dāng)嗝妫欢鴮嶋H的過水?dāng)嗝婷娣e(A)是扣除結(jié)合水所占據(jù)的范圍以外的空隙面積。實際過水?dāng)嗝?A)第

15、29頁，共54頁。 實際過水?dāng)嗝媾c過水?dāng)嗝娴年P(guān)系： ne有效空隙度。 既然A不是實際的過水?dāng)嗝?，可知V也并非真實的流速，而是假設(shè)水流通過包括骨架與空隙在內(nèi)的斷面(A)時所具有的一種虛擬流速。第30頁，共54頁。 如果把滲透流量平均到含水層的實際過水?dāng)嗝嫔希玫降牧魉偌礊閷嶋H流速u，即：而：第31頁，共54頁。5.4.2.2 水力梯度(I)(hydraulic gradient) 水力學(xué)中水力坡度(J)：單位距離的水頭損失。 水力梯度為沿滲透途徑上的水頭損失與相應(yīng)的滲流長度之比。即： 水力梯度可以理解為水流通過單位滲透途徑為克服摩擦阻力所消耗的機(jī)械能。第32頁，共54頁。5.4.2.3 滲透系

16、數(shù)K (Coefficient of permeability) 滲透系數(shù)K也稱為水力傳導(dǎo)度(Hydraulic conductivity)，它是水力梯度為1時的滲透流速，具有速度量綱。 由達(dá)西定律V=KI可知 ，當(dāng)I一定時，巖層的K愈大，則V越大，Q也越大。因此，滲透系數(shù)是表征巖石透水性的指標(biāo)。K越大，巖石的透水能力越強(qiáng)。 滲透系數(shù)的影響因素：水在巖石空隙中運(yùn)動，需要克服隙壁與水質(zhì)點之間的摩擦阻力，所以滲透系數(shù)不僅與巖石的空隙性質(zhì)有關(guān)，還與水的某些物理性質(zhì)有關(guān)(水的粘滯性)。 第33頁，共54頁。表4-1 松散巖石滲透系數(shù)參考值松散巖石名稱滲透系數(shù)(m/d)松散巖石名稱滲透系數(shù)(m/d)亞粘

17、土0.001-0.10中 砂5-20亞砂土0.10-0.50粗 砂20-50粉 砂0.50-1.0礫 石50-150細(xì) 砂1.0-5.0卵 石100-500 松散巖石滲透系數(shù)的常見值見表4-1。第34頁，共54頁。KK 從地下水動力學(xué)的觀點出發(fā)，根據(jù)含水層的透水性按空間和方向變化特點作如下分類： 按巖土的滲透性在方向上的變化，將巖土可分為各向同性和各向異性兩類； 按巖土透水性在空間上的變化，將巖土可分為均質(zhì)土和非均質(zhì)土。 自然界中，根據(jù)巖土結(jié)構(gòu)特點可以存在： *均質(zhì)各向同性巖土； *非均質(zhì)各向同性巖土； *均質(zhì)各向異性巖土； *非均質(zhì)各向異性巖土。各向同性和各向異性滲透系數(shù)圖(a)(b)第35

18、頁，共54頁。5.4.3 適用范圍 許多研究者做了大量的實驗，證實了達(dá)西定律有一定的適用范圍：地下水必須保持層流運(yùn)動才符合線性定律。 近年來的實驗表明，當(dāng)?shù)叵滤疄榱魉佥^大的層流運(yùn)動，V-I開始偏離一直線，不符合達(dá)西定律；雷諾數(shù)(Re)為小于1-10時的層流運(yùn)動才符合達(dá)西定律。滲流速度和水力坡度的實驗關(guān)系曲線第36頁，共54頁。達(dá)西定律適用達(dá)西定律不適用層流區(qū)層流紊流過渡區(qū)紊流區(qū)粘滯力占優(yōu)粘滯力、慣性力并存，慣性力逐漸占優(yōu)慣性力逐漸占優(yōu)Re10-100達(dá)西定律適用范圍 J.貝爾把多孔介質(zhì)中的地下水流按滲透流速由低至高劃分為三種情況。慣性力是指當(dāng)物體加速時，慣性會使物體有保持原有運(yùn)動狀態(tài)的傾向，若

19、是以該物體為坐標(biāo)原點，看起來就仿佛有一股方向相反的力作用在該物體上，因此稱之為慣性力。 因為慣性力實際上并不存在，實際存在的只有原本將該物體加速的力，因此慣性力又稱為假想力。 當(dāng)系統(tǒng)存在一加速度a時，則慣性力的大小遵從公式：F=-ma (m為物體質(zhì)量)。 氣體和液體統(tǒng)稱為流體，任何流體在流動的時候都存在粘滯性，只是不同流體的粘滯性大小不同而已。越粘稠的液體，越不容易發(fā)生流動。 和固體相比，氣體和液體的形狀可以隨容器而變化，這是因為流體中的各層分子之間會發(fā)生相對滑動，從而造成總體形狀上的變化。而粘稠的流體不易發(fā)生流動，這是不同流體分子結(jié)構(gòu)上的差異造成的。粘稠流體的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不同流層之間存在一

20、種阻礙相對運(yùn)動的阻力，稱為“粘滯阻力”，又叫“內(nèi)摩擦力”。正是這種“粘滯阻力”，影響了流體的正常流動。 第37頁，共54頁。 有些學(xué)者還研究了達(dá)西定律的下限問題。他們通過實驗發(fā)現(xiàn)某些粘性土存在一個起始的水力坡度I0，若實際水力坡度II0時，滲流發(fā)生為一向I軸凸起的曲線，滲流速度和水力坡度之間不呈現(xiàn)線性關(guān)系；只有當(dāng)II1時，滲流才服從達(dá)西定律。vII0I1粘性土滲透曲線第38頁，共54頁。5.4.4 非線性滲流定律 地下水在較大的巖石空隙中運(yùn)動、且流速相當(dāng)大時，則呈紊流運(yùn)動。 1901年，P. Forchheimer提出在Re大于1-10的條件下，地下水的滲透流速與水力坡度之間的非線性關(guān)系，即1

21、.6m2 1912年，和Chezy提出了當(dāng)?shù)叵滤饰闪鬟\(yùn)動狀態(tài)時的滲流基本定律的表示形式 達(dá)西定律與哲才定律應(yīng)用條件的區(qū)別僅在于水的流動狀態(tài)，即層流還是紊流。地下水的流態(tài)主要取決于滲透速度，流速較小時，一般為層流運(yùn)動，在層流范圍內(nèi)的最大允許流速稱為臨界流速Vc。若流速大于臨界流速，地下水則呈紊流運(yùn)動。第39頁，共54頁。5.4.5 小結(jié) 天然條件下，地下水的滲流速度通常很緩慢，絕大部分為層流運(yùn)動，一般可用線性定律描述其運(yùn)動規(guī)律。 達(dá)西定律不僅是水文地質(zhì)定量計算的基礎(chǔ)，還是定性分析各種水文地質(zhì)過程的重要依據(jù)。 深入掌握達(dá)西定律的物理實質(zhì)，靈活地運(yùn)用它來分析問題，是水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作

22、者應(yīng)當(dāng)具備的基本功!第40頁，共54頁。第五章 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律5.1 基本概念5.2 地下水運(yùn)動的特點5.3 地下水運(yùn)動的研究方法5.4 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律5.5 本章小結(jié)第41頁，共54頁。5.5 本章小結(jié)5.5.1 學(xué)習(xí)要求 理解與地下水滲流有關(guān)的專業(yè)術(shù)語； 掌握地下水運(yùn)動的基本規(guī)律及其物理實質(zhì)； 掌握信手流網(wǎng)的繪制及其應(yīng)用。5.5.2 習(xí)題 (1)請對比以下概念 滲透流速與實際流速； 滲透系數(shù)與滲透率； 水頭與水位。 (2)一般情況下，可以用滲透流速除以孔隙度得到實際流速，這個實際流速與水質(zhì)點的流動速度有什么聯(lián)系？ (3)達(dá)西定律有哪些適用條件，分析一下該定律在裂隙含水層中應(yīng)用時

23、需注意哪些問題？第42頁，共54頁。 (4)請對以下陳述作出辨析 潛水面如果不是流線，則流線可能向下穿越潛水面，也可能向上穿越潛水面； 地下水總是從高處往低處流； 含水層孔隙度越大，則滲透系數(shù)越大； 當(dāng)有入滲補(bǔ)給或蒸發(fā)排泄時，潛水面可以看作一個流面。第43頁，共54頁。水質(zhì)點流速分布地下水各種流速關(guān)系概圖第44頁，共54頁。 滲流過程中總機(jī)械能的損耗原因(與水力學(xué)相近)：液體的粘滯性(水質(zhì)點間的摩檫阻力)及固體顆粒表面對水流的反作用力(水與隙壁間的阻力)。 從達(dá)西公式來看：V增大時，I變大。說明滲透水流速度越大，沿滲流途徑的機(jī)械能損耗越大。既然機(jī)械能消耗于滲透途徑上，因此求算水力梯度時，水頭差

24、必須與相應(yīng)的滲透途徑相對應(yīng)。第45頁，共54頁。 按照揭露含水層的程度和進(jìn)水條件，集水建筑物可分為完整型、非完整型。完整集水建筑物貫穿整個含水層，且整個建筑物的壁面都可以進(jìn)水，否則為非完整井。 按照井孔的工作性質(zhì)，可分為抽水井和注水井。 按照地下水運(yùn)動要素是否隨時間而變化，又分為穩(wěn)定井流和不穩(wěn)定井流兩種類型。完整井和非完整井潛水井承壓井第46頁，共54頁。 (1)滲透系數(shù)是一個極其重要的水文地質(zhì)參數(shù)。它反映巖土體的透水性能，是地下水運(yùn)動定量計算中一個不可缺少的指標(biāo)。裂隙介質(zhì)透水性理想模型孔隙介質(zhì)透水性理想模型 (2)滲透系數(shù)的大小主要取決于巖石的物理性質(zhì)，還取決于流體的物理性質(zhì)： 地下水在理想孔隙巖層和裂隙巖層中做層流運(yùn)動時，其平均流速分別為第47頁，共54頁。 *上兩式中，滲流速度和水力坡度都成正比關(guān)系，說明它們和達(dá)西定律的條件相同，都屬于層流狀態(tài)。 *滲透系數(shù)K在孔隙巖層中相當(dāng)于 ，在裂隙巖層中相當(dāng)于 。前