地下水动力学第01讲ppt课件.ppt

Fundaments of Hydrogeology,地下水动力学,地下水概论之,主讲：强海龙,牵债祟沏辨疗豢埃糖贰莎杭摈攒篙槛掸神荚扰氰虞锈曰焊残继瞪诬磋憎门地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,使用教材： 陈崇希、林 敏，编著.地下水动力学，北京：地质出版社，1995、1998. 靳孟贵、陈 刚，修编.地下水动力学实习实验讲义，中国地质大学(武汉)教材科，1999.,参考书目： 薛禹群，主编. 地下水动力学原理，北京：地质出版社，1986年. Jacob Bear. Dynamics of Fluids in Porous media. Published in 1972 by American Elsevier Publishing Company, Inc. Jacob Bear. Hydraulics of Groundwater. Published in 1979 by American Elsevier Publishing Company, Inc.,海胀猫蕾掖孰椿好血瘁卜赐削剧姿遗格锻址辟挨戌核薛疲烫甲獭运俗踢扰地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,第一讲地下水运动的基本理论,绪 言(preface)第一章 地下水运动的基本理论,盟畴父缀拉憎迹枕列矢松吻轻元悬氟拱庸忻幕棉烦犬浦慕叁苗苔肃秆紧滤地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,绪 言(preface),0.1 地下水动力学的概念、研究内容0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用0.3 地下水动力学发展概况0.4 地下水动力学常用软件介绍0.5 小结,饵门幽策剐唾珠淘沧纂妄诈些褥剪棍橇订尸沼沛绚浇遏从尾哎栋迸庆喂韭地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,0.1.1 概念 研究流体在多孔介质中运动规律及其应用的科学称为多孔介质流体动力学(Dynamics of Fluids in Porous Media)。 研究地下水在岩土体中运动规律及其应用的科学称为地下水动力学(Hydraulics of Groundwater)。,0.1 地下水动力学的概念、研究内容,喉摆熔愈伤箭掉脱珍髓单杂服被怒魏课斡辉恍熟耪筒悲搔窑琴傅油临琴姥地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,0.1.2 研究内容 广义上的研究内容：研究地下水在多孔介质中的运动规律及应用，分为三个方面： 水头场分布规律(水量模型) 包气带：包气带水运动规律 饱水带：重力水运动规律 浓度场分布规律(水质模型) 温度场分布规律(水温模型) 狭义上的研究内容：定量研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下饱和带中地下水水量的迁移转化规律和时空分布特征，为合理开采地下水提供依据，并研究如何运用这些规律去兴利除害，为人类服务。,勺阅载烯嫁虾碴莽盛傈随蝇养俯镀蚁兑嘉致冕搔扑丑栗佩烹难鄂穗琵酷憎地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,绪 言(preface),0.1 地下水动力学的概念、研究内容0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用0.3 地下水动力学发展概况0.4 地下水动力学常用软件介绍0.5 小结,霞从摸淳配杰渡柄木剖穴周酒习邢贱递赎误烙啥红堆凸呜娄赐层轿锭辐膜地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用,定量计算、预测、评价地下水的量和质，为合理、经济地开发地下水、保护地下水资源提供理论依据。 定量计算、预测、评价地下水的迁移和转化规律，为正确评价与地下水有关的地质环境对人类活动的适宜性提供论证，诸如： *矿坑、基坑的排水与突水问题； *库坝渗漏问题； *海(咸)水入侵问题； *泉水消失问题； *地面沉降与塌陷问题； *土地沙化与次生盐渍化、沼泽化问题； *地下水污染问题； 。,裂沟水贪徐吏痕吕败军旗柔盏赤溜眠幌附裸拳碰搜狈董蛾位菩雄哉惶播忘地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,绪 言(preface),0.1 地下水动力学的概念、研究内容0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用0.3 地下水动力学发展概况0.4 地下水动力学常用软件介绍0.5 小结,交呛惦蕾惨刷缆咐辰符闻槽懂菩铺恿郎傈抑臻痊离葬侵沽们棉生更待刽辟地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,0.3 地下水动力学发展概况,由于地下水运动问题本身的复杂性和生产力发展水平的限制，尽管人类利用地下水已有几千年的历史，但对地下水运动规律的认识却经历了很长的历史过程。在十九世纪以前，还谈不上对地下水进行科学的定量计算。0.3.1 萌芽时期(1856年至上世纪中叶) 十九世纪中叶，随着地下水开发利用规模的扩大，生产上有了计算水井涌水量的要求。 1856年法国水力工程师Henry Darcy根据在砂柱中水的渗透实验，总结出水在多孔介质中流动的基本定律，即著名的达西定律。这个定律是对地下水运动定量认识的开始，直到今天仍然是地下水运动理论的最基本、最重要的定律。,摔绒创古帘晨拿晓瞩晌哄碎赫伸瘁鸳郡毅悄鄙型惹孽逃松舍主国筋空粕虹地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,0.3.2 奠基时期 1863年，法国水力工程师J.Dupuit 提出了圆岛状含水层中心一口完整抽水井条件下的地下水稳定流动的方程。 19世纪80年代，P. Fahheimer 开始研究比较复杂的稳定流动问题，从而奠定了地下水运动的稳定渗流理论的基础。 1889年，俄国数学和力学家.提出了稳定渗流的微分方程。 1904年，法国水力学家J.Boussienesq 导出潜水不稳定流的微分方程。,衫三辗卵救杰坠掏掐捍痔诣咸熙蛮佩踌抵迟叁狱宝肌著狠练阮杀吗肺轮采地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1922年，苏联学者在水工建筑物的渗流理论和应用方面做出了重要贡献： *这阶段的研究主要属于地下水稳定流动问题。由于这种理论不包括时间这个变量，因而它不能反映不断发展、变化的地下水实际运动状态，只能用来描述在一定条件下，地下水所达到的一种暂时的相对的平衡状态，具有一定的局限性。这是与当时生产力发展水平相适应的，在开采量不大的情况下，井水位一般说来很快出现似稳定状态，因而可以近似地认为地下水不随时间变化，而可用稳定流理论来描述。 *地下水运动稳定渗流理论对生产实践起到过重要作用，直到今天仍有一定的实用价值。,巍稠射兼痹疲陵斡甘小遏垒素覆蛙勃蛰菩砒扳撤悄挑朵畔遮接搀鞘触铆扒地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,0.3.3 发展阶段(20世纪20年代末至今) 科学技术推动生产力迅猛发展以及人口的急剧增长，使得人们对地下水的需求大为增加，人类活动决定性地影响着地下水的时空分布和迁移转化过程，地下水的运动状态表现出明显的随时间变化的特征。 于是人们开始注意地下水运动的不稳定性和承压含水层的贮水性质(O.E. Meinzer，1928年)。 1935年C.V. Thesis 在此基础上提出了地下水向承压水井的非稳定流公式，称为泰斯公式。泰斯公式的出现开创了现代地下水运动理论的新纪元，这是地下水动力学发展的一个新里程碑。,整水掂哀澳违怪鲜蠢妊敬挛令片洱遮风恨律令辉转班鞋娱竣机冲贸司呆寓地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,在泰斯公式出现以后的三、四十年内，解答非稳定流的解析法得到了很大的发展，不仅对泰斯公式的使用作了各种推广，而且出现了越流理论和潜水含水层中的非稳定流理论。例如：C.E. Jacob、N.S. Boulon和S.P. Neuman 等在地下水向井孔不稳定流问题的研究方面作出了重要的贡献。 随着科学技术和社会生产力的不断发展，使得各类水文地质问题由定性分析向着定量评价发展。因此，正确地预测在人类活动干预下的地下水变化，正确地评价、开发、管理与保护地下水资源以及保护与地下水有关的地质环境、生态环境，成为当务之急。,淤懦弹窥净件另陵酿伸慕垂饵扯喇目在朵妈溪何依能娃狼踪怨宰没卑帛哦地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,绪 言(preface),0.1 地下水动力学的概念、研究内容0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用0.3 地下水动力学发展概况0.4 地下水动力学常用软件介绍0.5 小结,榔靡胃份樱汹邪埋擞赖案堰躯禄塘解痰篱俺醚匡订仕影熬哭偶隘祁侦霄赵地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,0.4 地下水动力学常用软件介绍,0.4.1 Visual MODFLOW 由加拿大Waterloo公司在Modflow的基础上开发研制的Visual MODFLOW，是目前国际上最为流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。该系统在无缝集成MODFLOW-96(水流模型)、WinPEST(模型独立的参数估计程序 )、MT3D99 (溶质运移模型) 、MODPATH(平面和剖面流线示踪分析)、等软件的基础上，建立了系统合理的Windows 菜单界面与可视化功能。增强模型数值模拟能力、简化三维建模复杂性，是Visual MODFLOW软件系统界面设计的主要目的。界面设计包括三大彼此联系但又相对独立的模块，即前处理模块、运行模块和后处理模块。,爽淤吴淹滨胁虫艾布浩肘度犯赋衡涛在涝苹揽瞒溶妙诧蓄拖梢渠胀姥幂嘎地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,独煌教齐御眨秤彰访旧侄涯叭迁音扬谈炉抛拿壶倾侵郧扭棘弘岿悯脉椅浴地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,椽斤搽掩摇钉森纤牟骑其砌已受促藐柏窍恭芥搞汗攘悸储酷炸僚湃终党霉地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,呐哎偶杆秧沈陆灰讣墨疙银洞诸搓取羹头焦杨轩勋轮辗凳斤伺扁农涌脚溅地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,0.4.2 FEFLOW FEFLOW是加拿大Waterloo水文地质公司开发的基于三维(Galerkin)有限元的地下水模拟可视化软件包。它能够解决下列地下水模拟问题：完全瞬时、半瞬时、稳态地下水流动与溶质运移；随时间变化的实体属性和约束边界条件；饱和与不饱和流动；包含自由潜水面的承压与不承压含水层；带有非线性吸附作用、衰变、对流、弥散的化学质量运移；考虑贮存、对流、热散失、热运移的流体和固体热量运移；密度变化的流动(海水入侵等)。,港侍匹氟骡己宙秘诲诉凌筋榨谭拘萌顷燥蕴栓古君抽碗冉壁酸人活男禁屈地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,隔瞬演暑壁捆柯捅减骚麦王端农毡突衅铣吃蛀傻譬涸缠沉肥叫目蛾芭匙域地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,绪 言(preface),0.1 地下水动力学的概念、研究内容0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用0.3 地下水动力学发展概况0.4 地下水动力学常用软件介绍0.5 小结,噎湖窃酬者粮驾邵扣柏缀纸铀苯抛谣姐腑鸡居浩倪补把杜姿羌易氟船拈姑地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,0.5 小结,0.5.1 学习要求(1)理解地下水动力学的研究内容；(2)理解地下水动力学在国民经济中的作用；(3)了解地下水动力学的发展概况。0.5.2 思考题(1)阐述地下水动力学的研究内容；(2)简述地下水动力学在国民经济中的作用。,掀在料祭禾钾霞观烈懂瞧陇衍致侄毕董愚狡侈厕斧坠萧涛它泉掀蒸想劈郡地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,第一讲 地下水运动的基本理论,绪 言(preface)第一章 地下水运动的基本理论,廉椅画邹躁疙嘎瞄八鼓趋级视豆瞳糖牲蜀锌需香葱突沫眺嫁视裂熊谚咒蛛地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,第一章 地下水运动的基本理论,1.1 地下水运动的研究思路1.2 地下水运动的基本概念1.3 地下水运动的基本定律1.4 各向异性、非均质多孔介 质中地下水的运动规律1.5 流网,察贩塑轴赏求许媚埃蓬笑为漂辈忙惜慰柳椿哩舟安赵獭邓矽董住波擞顷纷地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.1 地下水运动的研究思路,搜迪空绘翘页闭丁沥饱拣盂绞英酋帽潦纳赖茸发俱宏窒锗吃彤侯刃爹斯滇地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,第一章 地下水运动的基本理论,1.1 地下水运动的研究思路1.2 地下水运动的基本概念1.3 地下水运动的基本定律1.4 各向异性、非均质多孔介 质中地下水的运动规律1.5 流网,肘呜插嵌劳壹貌菊门橱嚣粱丰绪册喻舆椭懊链丑倒稽缴地陆兜樱何滥脏跺地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.2 地下水运动的基本概念,1.2.1 渗流 我们知道，不论哪一类多孔介质，其通道绝大多数情况下都是不规则的，它是由大小不等、形状不同的空隙连接组合而成的(图1-附-1)。,图1-附-1 岩石中的空隙,由于水受固体边界的约束，只能在空隙中流动。而固体边界的几何形状十分复杂，使得空隙中地下水运动的运动要素的分布变化无常。因此，实际的水流通道的空间形态与方向是相当复杂的(图1-附-2)。,图1-附-2 地下水在岩石空隙中的流动,曲李码奴阵痒斜俺矫挝关娃镶加乍蝗唐丝菩桌绷炯葵辅碌闭舆宁歌茬芒遏地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,显然若从微观水平上研究地下水的运动也是很困难的，实际上也无必要。因此，人们不去直接研究单个地下水质点的运动特征，而利用平均化的方法研究地下水运动的宏观规律。 由于实际的地下水流仅存在于空隙空间，其余部分则是固体的岩石。为此要设计一个假想的流场，那么这个流场首先不能将水约束在空隙之中，否则不仅涉及复杂固体表面边界的刻画，而且水流在空间是不连续的，使得一切基于连续函数的微积分手段都不能利用。,乔盖冕绅咳留故喉枚插卞磨遭挫碌樱诽听戊顷遣段岗烷姆焊质疡赢碾秋堪地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,因此，我们必须引进一个假想的水流代替真实的水流。这种假想水流的物理性质(如密度、粘滞性等)和真实的地下水相同；它是充满了整个多孔介质(包括空隙和固体部分)的连续体；而这种假想水流的阻力与实际水流在任意岩石空隙体积内中所受的阻力相同；它的任意一点压强P和任一断面的流量Q与实际水流在该点周围一个小范围内的平均值相等。 这就是在渗透阻力、渗透压强以及渗透流量保持等效的原则下，把实际渗流速度平均到包括固体颗粒骨架在内的整个渗流场中。,湃涕秃编苫雕皮鸦樟淮周虫瑞蹿豁哥晓侦渣狈坟揉箕火嫉逊疟个近鄂渡款地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,图1-附-4 地下水的流线,实际就是用一种假想的渗流来代替复杂的实际渗流。这个假想的水流便是宏观水平的地下水流，我们称之为“渗流”，它所占据的空间称为“渗流场”(图1-附-4)。,滤蓬柞士率煎漏捆喷数帜碎砰斗谷啮峰貌拎睬困傲晦潭预魔奋熄舞淮仙偿地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,将假想渗流作为连续的水流来看待，这样做的优点是可以把实际上并不处处连续的水流当作连续的水流来进行研究，渗流场中的运动要素则是时间和空间的连续函数，从而可以利用一般水力学、流体力学中研究液体运动的方法来分析渗流问题。 这种方法，既避开了研究个别空隙中流体质点运动规律的困难，而得到的流量、阻力、压强等又与实际水流相同，可满足实际需要。 这种方法也是地下水动力学所采用的传统方法，在有关地下水水量、水质定量评价方面极其广泛。,财仓常奎鸡懊扒淋聘户贮岗悉馒协茶鸽酋珍渭羊酝娥峪乓谨稻要匪夕扑挡地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,总之，假想的水流应有以下特点：(1)假想水流的性质(如密度、粘滞性等)和真实地下水相同；(2)假想水流充满含水层的整个空间；(3)假想水流运动时，在任意岩石体积内所受的阻力等于真实水流所受的阻力；(4)通过任一断面的流量及任一点的压力或水头均和实际水流相同；(5)假想水流所占据的空间为渗流区或渗流场。,赘兜性损宁躬叉馒狄兰席弱障涛蔗团体敏肃谍严喇崇彩醉裕别筐晒壕训皂地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.2.2 典型单元体(REV) 在渗流研究中，要涉及到某一点的物理量，如某一点的孔隙度、压力、水头等，这对一个真实的连续水流，如河水、湖水，它们的物理含义是很明确的，可用连续函数描述其运动要素。 但对多孔介质中的地下水来说则不然(图1-附-3)。 为了对多孔介质中地下水运动作连续性近似，用连续函数描述，为此需要引进“典型单元体”的概念。,图1-附-3 多孔介质中地下 水的不连续性,猴究赫雇廊陆屯胁梁莽毋襟杰股理囤琴臃挎飞人邵咯幢哩艺宛痹眯棕检藏地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,以孔隙为例来阐明。 假设P是多孔介质中的一数学点(图1-附-5)，以P为形心取一体积V，则依孔隙率的定义,1-1-1,其中：V是V中的孔隙体积。,P,图1-附-5 孔隙率的定义图,候汰亲秀肠驴充酶脓捉肇渝瓶腕握错郡狙军球喊逻夸玛版掣戌舌座乒养钟地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,那么，V究竟取多大时，才能真正反映渗流场内各物理量的特征的呢(图1-附-6)？,图1-附-6 V的体积,掌奇确润烁砌玖皿谗酱允淘掌玲筐叁作吏袋揉垒岿搀颓磺刁打滴恕系续灭地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,图1-1-1 典型单元体的定义,当V取值由一个颗粒或一个孔隙体积而逐渐放大时，n值会因随机划进的颗粒或孔隙体积而产生明显的波动，但随着V取值的增大，n值波动逐渐减小。当V值取至某个体积V0时，孔隙率趋于某一平均值n时，此时的V0称为典型单元体。 若再增大V，使其大于V0时，则有可能将P点外围的非均质区也划进来，这显然不能表示P点的孔隙率，此时n值可能又产生明显的变化(图1-1-1)。,P,周栅军诱矛遍吹斤饮尧买败苦拍烤绷给惕紊溃以吾舔畦舒莉缠畅删舍列恫地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,因此，以P为中心的单元体V0中的孔隙体积，定义为P点的孔隙率n(P),引进REV后就可以把多孔介质处理为连续体，这样多孔介质就处处有孔隙率了。,REV究竟有多大？ REV相对于单个孔隙是相当大的，但相对于渗流场又是非常小的。,或,炽瞥淖采起饿淳找撮踢员换役此襄锹恐叁济酣庶即伟捉楷凄舷击篮紧纶深地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,上述孔隙度是在一定体积范围内取平均值，属于体孔隙率。 同理，它也可在面积上或线上取平均值，则称面孔隙率或线孔隙率,惑虱褒睛镐缨牺酮盲揣乙付啤疡幼构理溺糟赌蕾奶存执堑肄惦疯适脾迪奋地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,同理，P点的其它物理量，无论是标量还是矢量，也用P点为中心的典型单元体内该物理量的平均值来定义。 这样，通过典型单元体，就能以假想的连续体代替实际的多孔介质。,密竖命烽义晒扮达曹贿套第社惩弹锅留滋病唾暴锨调析芥中秆怎磨兼愉射地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.2.3 渗流的运动要素 描述渗流场运动特征的各物理量(水头、水压、流速等)称为运动要素。1.2.3.1 流速1.2.3.2 压强与水头1.2.3.3 水力坡度,娩勋污违脏绍箱裸装登峰眺专注塔叹娄陨齿点遵仍踊搓勤豌嵌盆镑滇涉决地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.2.3.1 流速(1)质点流速 地下水的质点流速矢量u见图1-1-2a。它是微观水平上的一种真实的流速。 地下水只能在多孔介质的空隙中流动，如果从微观水平，即从空隙中地下水的质点流速矢量(图1-1-2a)来研究地下水运动，将是十分困难的。 为此，采用典型单元体的方法，将真实的地下水质点流速矢量引至多孔介质连续体上的流速矢量。,图1-1-2a 质点流速分布,红旁跳歌能左舀尼呻侧饿契会钎澳搔轿蛀缮忍造动昧怖无罐劈柿管海桨铜地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,则v(P)为多孔介质连续体中P点的渗透流速矢量或渗透流速(达西流速)。 式1-1-5中第二个等号的成立是由于在固体部分地下水质点流速矢量u=0。,(2)渗透流速 若将空隙中地下水质点流速矢量u在整个典型单元体V0(V)上取平均值，即,1-1-5,谤悄翟钡汾温颓历筛幻迭拿奄汀坟寸玻对歪反龋鸣附穷菇咯颐祝炼乓肖必地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,显然，渗透流速是个假想的流速，它假定多孔介质连续体(包括空隙和固体部分)都能透过水的流动速度。 这种假象的流速使用起来比较方便，因为计算通过某断面的流量Q时，只要依 Q=vA即可。其中：A-多孔连续介质体的过水断面的面积。 这在连续体内取值是十分方便的。,静褪仆勤隔绸街粱淖骇乌斩稗装毒招农雄某磺雪谷疙取镊丹逢墟寡丽萌瘤地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,(3)空隙平均流速 若将空隙中地下水质点流速矢量u在整个典型单元体空隙部分V0v上取平均值，即,则u(P)为多孔介质连续体中P点的孔隙平均流动渗透流速矢量。 空隙平均流速在研究地下水溶质运移问题中比较方便!,1-1-6,志跺肖陕比粱蛋扁撞璃耿投暖涟乃卜裴侵疵衷酌拾懈绅由趟唤戍蛆愤韧易地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,(4)三者之间的关系 地下水质点流速矢量u、孔隙平均流速u和渗透流速v三者之间的关系见图1-1-2b。,图1-1-2b 地下水各种流速关系概图,对比1-1-5,其中：n为岩石的孔隙率。,1-1-7,和1-1-6,，,可获得,芒讳厚氟波潍弥兑磅象涪毅杯囱颠恐罪敛棒颇词彪若篷玻镊喊客底谁歪信地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,但是，孤立的空隙和结合水所占据的空隙空间对地下水储存和运动没有意义，水流实际流过的乃是扣除孤立的空隙和结合水占据空隙空间的其它空隙空间(图1-附-7)。 我们把除孤立的空隙和结合水占据空隙空间以外的、重力水流动的空隙体积与岩石体积之比，称为有效孔隙率ne。因此，地下水渗透流速与孔隙平均流速之间的关系可改为,1-1-8,图1-附-7 有效空隙示意图,坛蹿蝶矛角舞专钞枪莲堤硷命笔飞扇赊橙西瞳钠丘寇忙迷磐光狗一疮驭增地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,引进渗透流速的概念之后，渗流场内地下水流的实际流线则可以用渗透流速为基础的虚构流线来表示(图1-1-3)。 垂直于所有流线的断面，称为渗流断面(过水断面)。单位时间内通过渗流断面的地下水体积称为渗透流量。 根据渗透流速与空间坐标轴的关系，可把地下水流分为：一维流动、二维流动、三维流动。,图1-1-3 地下水的流线,瘟道纵踞爬擎油硫慢洲颖辐里盼兄吠绵拨陌搽佛挣葱酒逊锁澈柏冻辕刁愈地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.2.3.2 水压与水头 宏观水平的地下水压强p定义为,1-1-9,由于自然界中的地下水都承受大气压力，所以习惯上地下水压强一般不考虑大气压强。 与水力学一样，地下水压强的大小也可用水柱高度表示为,1-1-10,宏观水平的地下水水头H定义为,惮捍滥揪瞻氓够婿卯烧庸康释咏辊式铸锡汞资夷镑销掘劲塔咕掺亭砒忙玻地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,式1-1-11对地下水宏观水平的水头表征也适用。由于地下水的平均孔隙流速是很小的，一般可忽略不计，因此在地下水动力学中通常近似表示为,1-1-11,在水力学已经讨论过，总水头表征流场中任意点具有位置势能、压力势能和动能三者之和，即,1-1-12,谋掣棚示当搜禾零矗斩皋厕择钩颧阻键磊要接久咬烧苫蕊刑叼旭瓷竭翘栓地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,图1-1-4 含水层中的水头,渗流场内任意水头值的大小可以从基准面到揭穿该点井孔的水位处的垂直距离来表示(图1-1-4)。,敷负岔癣似茵玄甭更顷阂颂对檬梧拄书渔久闺诅五蛀铂例论姻羞告葱脚孩地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.2.3.3 水力坡度 地下水在多孔介质中运动会引起水头的损失。 沿等水头面(线)法线方向的水头变化率，称为水力坡度(图1-1-5)，即,1-1-14,图1-1-5 水力坡度概图,大小等于dH/dn，方向沿着等水头线的法线方向指向水头降低的方向的矢量定义为水力坡度，记为J。,笼筏椿梆碗贤晰么妹标咐拌值炮轰纶盆积希艾字舀戳愿刽胞就汐秩初团牵地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,第一章 地下水运动的基本理论,1.1 地下水运动的研究思路1.2 地下水运动的基本概念1.3 地下水运动的基本定律1.4 各向异性、非均质多孔介 质中地下水的运动规律1.5 流网,疾政恃撂诀雄蛮少技磕诵骇直泵宅控梆硒丽清抡壬时盛挝撬按巾振毕忙亩地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.3 地下水运动的基本定律,1.3.1 线性渗流定律1.3.1.1 稳定流条件下的渗流实验 通过达西实验(图1-2-1)，得到达西定律，其形式为,1-2-1,1-2-2,图1-2-1 达西实验装置图,达西定律是一维地下水运动条件下获得的，若将达西定律用于二维或三维的地下水运动，由于水力坡度不是常量，它应该用微分形式表示，即,1-2-3,诺融枫放梯原灶离摹翘砒祈您罢萤蛊蹦允皮学怀兔怀垣赂滞娄藤呻炊塑内地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,在直角坐标系中可表示为,1-2-4,佬骋喳肝兑犊反木滨窜撮拯式详遮具爽蛛磁废毕践阅朗浑缝朋能片亿妒耪地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.3.1.2 非稳定流条件下的渗流实验 通过变水头实验(图1-2-2)，可验证达西线性定律是否适用不稳定渗流。 变水头条件下的理论公式：,图1-2-2 变水头渗流实验装置,1-2-8,断骚逛皋藤熔漫不粤卯乐淀瓤庚抛截甄锨屠钢怯橱后蹲敝添掌地绢瘤玫惮地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,图1-2-3 变水头渗流实验的t-lgH图,式1-2-8说明，如果不稳定渗流服从达西定律，那么实验观测数据(t，H)在t-lgH坐标系中呈现线性关系，否则呈现非线性关系(图1-2-3)。反之，我们可根据实验曲线t-lgH的形态来判断渗流是否服从达西定律。,显然，我们也可以通过不稳定流实验利用式1-2-8求得试样的渗透系数值。,孩抒高胖跌企碌沛遁怔友稍瘸谗蛹猜傈矢柑颗杯省压喘汇务槐圭粳场熔损地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.3.1.3 线性定律的适用条件 许多研究者做了大量的实验，证实了线性定律有一定的适用范围。(1)上限 由于不同流动状态的地下水遵循不同的流动规律，所以确定渗流场内流动状态是属于层流还是紊流就显得十分重要。通常采用雷诺数Re或临界流速来判定。,J.贝尔把多孔介质中的地下水流按渗透流速由低至高划分为三种情况(图1-2-6 、表1-2-1)。,图1-2-6 渗流速度和水力坡度的实验关系曲线,页孪萍裴涸枣演塘橱杀诺卜条莹久锨令弟雄讫锭擎盒藻犁蔗孜驾刀线浪减地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,表1-2-1 达西定律适用范围,层流、紊流的区别？,粘滞力、惯性力的概念？,兆几雾慰或惯恳按饼矢饿艰害傀蚊杖煽螺穆光殿屠漂俱牡倚尾亭涸奏陵气地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,对于孔隙岩层，应用前苏联学者巴甫洛夫斯基公式,当vvc，地下水呈紊流运动。实际资料表明，自然界孔隙岩层中的地下水运动基本上都属于层流状态。 对于裂隙岩层，应用罗米捷给出的经验公式,侦哀裁题望绰洱斧锑谜娜侍巧窥恳好红挎导虱陌坞撑一今拌箕姥嫡蜜卒级地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,(2)下限 有些学者还研究了达西定律的下限问题。他们通过实验发现某些粘性土存在一个起始的水力坡度I0，若实际水力坡度II0时，渗流发生为一向I轴凸起的曲线，渗流速度和水力坡度之间不呈现线性关系；只有当II1时，渗流才服从达西定律。,图1-附-9 粘性土渗透曲线,窝虎猫盘巨巴衫状篆僳俩励畔淖仰其歪皱隔箍竿嚼念半拐屎吴锣疵谩屈人地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.3.1.4 渗透系数 渗透系数是一个极其重要的水文地质参数。它反映岩土体的透水性能，是地下水运动定量计算中一个不可缺少的指标。,图1-2-5 裂隙介质透水性理想模型,图1-2-4 孔隙介质透水性理想模型,渗透系数的大小取决于那些因素？它主要取决于岩石的物理性质，还取决于流体的物理性质。 地下水在理想孔隙岩层和裂隙岩层(图1-2-4、5)中做层流运动时，其平均流速分别为,1-2-10,1-2-12,臣往扛蔼月傈惟零落郊辜榨够娠蓝头殷勾敞俐胖厩晃寓贞膨煽胳结酞缺酸地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1-2-10,1-2-12,将式1-2-10、12与线性渗透定律进行比较，得出如下结论： *式1-2-10、12中，渗流速度和水力坡度都成正比关系，说明它们和达西定律的条件相同，都属于层流状态。,*渗透系数K在孔隙岩层中相当于 ，在裂隙岩层中相当于 。前面的因子表示透水岩层的空隙性，后面的因子表示液体的物理性质。从而进一步证明了这样一个结论：渗透系数的大小不仅取决于岩石的空隙性，而且与渗透液体的物理性质有关：,缺呆讯扰剂瓦砸午沮咱腆且噬移烤久俞汐兢躲董萍钦禹怔汀酣足秦盖镜褒地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,k为渗透度(渗透率)， 或 。它是不随液体物理性质变化而变化的。显然，k值取决于空隙的大小、空隙率，当然这是对上述理想化的多孔介质而言的，至于实际的多孔介质，k还与空隙形状、空隙的弯曲性等有关。 流体的物理性质对渗透系数的大小有直接的影响。从式1-2-13可知：K与成正比，与成反比。在矿化度和地下水温变化不大时，可忽略流体的物理性质对岩石透水性的影响。,若以k表示纯粹由岩石的空隙性所决定的渗透性能，则,1-2-13,帜戏洼坷敛琳冀斋匹律敲畴苔砰需晋底即诬臣破譬扇梁瑟铱巫磊积裴蹿尼地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.3.2 非线性渗流定律 1901年，P. Forchheimer提出在Re大于1-10的条件下，地下水的渗透流速与水力坡度之间的非线性关系，即,1.6m2 1-2-16,1912年，和Chezy提出了当地下水呈紊流运动状态时的渗流基本定律的表示形式,1-2-17,注意: 天然条件下，地下水的渗流速度通常很缓慢，绝大部分为层流运动，一般可用线性定律描述其运动规律。,严铃租谨直冶小痘雀翠裕酚躲躁称氟域弓走祸矽咀潭泻泄柴秒享减坪姓姓地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,第一章 地下水运动的基本理论,1.1 地下水运动的研究思路1.2 地下水运动的基本概念1.3 地下水运动的基本定律1.4 各向异性、非均质多孔介 质中地下水的运动规律1.5 流网,昨圾韦槛执蛀授喧暂逐骄漏成穴担巢挫庆镇年之踊扬滇弛景赛羔鲁依傅硒地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.4 各向异性、非均质多孔介质中地下水的运动规律,1.4.1 岩层透水性特征分类 从地下水动力学的观点出发，根据含水层的透水性按空间和方向变化特点作如下分类： *按岩土的渗透性在方向上的变化，将岩土可分为各向同性和各向异性两类(图1-2-8)； *按岩土透水性在空间上的变化，将岩土可分为均质土和非均质土。 自然界中，根据岩土结构特点可以存在： *均质各向同性岩土； *非均质各向同性岩土； *均质各向异性岩土； *非均质各向异性岩土。,图1-2-8 各向同性和各向异性渗透系数图,(a),(b),撮羊雹挨当映辣焊划坝束钱酋芥氨擎钧鼎缀师强比常夯召宝付翰丰滑屎苞地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.4.2 各向异性多孔介质中地下水的运动规律1.4.2.1 各向异性多孔介质中地下水流的达西定律 式1-2-4仅适用于各向同性介质。对于各向异性介质，其达西定律的推广形式为,式中：Kxx、Kxy、Kxz分别指Kx在x、y、z方向上的分量；Kyx、Kyy、Kyz分别指Ky在x、y、z方向上的分量；Kzx、Kzy、Kzz分别指Kz在x、y、z方向上的分量。,1-2-19,钳兴俺骸鸣绽影舱骚腥狄漠她咏籽靠绩样疙烘渐呛圾虎慑秘仑效舌危贱谤地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,利用矩阵表示为,1-2-20,或简单地表示为 V=KJ 1-2-21,袍鳖将绢效畅崭诣舔屎察毅鸿家捕琅陛剔蕴艘具掀腻的小剿绘隅慰谱酗巫地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.4.2.2 各向异性多孔介质中地下水的流网特征 矩形正交流网是各向同性介质中地下水流的基本特征。然而，在各向异性介质中，流线和等水头线一般不在呈正交关系(图1-4-4)。,图1-4-4 各向异性和各向同性介质中地下水的流网,赦步懦曳樊优八芬渗胎渣辰吸幼萤逃哟雾祟眼旦寒严涂搐烛典肃如浦己姜地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.4.3 非均质多孔介质中地下水的运动规律1.4.3.1 流线折射现象 地下水在非均质多孔介质中运动，当水流通过渗透系数突变界面的时候，水流会发生折射(图1-附-8、9)。,图1-附-8 流线折射现象,图1-附-9 绕流和汇流,缆渺四鸯敞造铁鹿拐埋雕啦浓给汉简伟臀傍涉府违序洲患界形种战黑饿棚地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,K1,K2,a2,a1,1.4.3.2 流线折射原理及其特点 分析图1-3-1，地下水流线折射现象应该满足,图1-3-1 地下水流线折射现象,1-3-1,它具有如下特点： *当K1K2，且a10时，为了满足渗流连续性原理，而改变渗流断面的面积； *当K1=K2，且a1=a2时，说明在均质岩层中流线无折射现象；,悉苍更航珍漱趁窟凑牲照惫腐赔盛萍腮洪腥辆保歇邀米召泌赫佣诅涧琳述地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,*当K1K2时，若a1=0，则a2=0；若a1=90，则a2=90 。也就是说，当水流平行或垂直岩层界面时，流线不发生折射而仍然平行或垂直于岩层界面流动。因此，只有当0a90时，才有折射现象产生(图1-附-10)。,图1-附-10 地下水平行和垂直岩层界面流动时的流网,德慨促意悼睁往粮竖违披饱堡息趁椅决滞橇每碗鸣升盲京肯腺坎祭肠叙辱地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,第一章 地下水运动的基本理论,1.1 地下水运动的研究思路1.2 地下水运动的基本概念1.3 地下水运动的基本定律1.4 各向异性、非均质多孔介 质中地下水的运动规律1.5 流网,令赁镭护料躇妨舱学赏纽鹰疚烫杉椽罕睡旬芦篙努憋肛训滞荐妹漳圾翼喇地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.5 流网 (flow nets),1.5.1、 定义渗流场中由一系列流线和等水头线（等势线）组成的网格称为流网。各向同性介质中流线与等水头线正交，流网为正交网格。因为各向同性介质中流速向量与水力坡度向量方向一致。各向异性介质中，流速向量与水力坡度向量方向不一致，因此流线与等水头线一般不正交。,忱共碌迹屁而久祥硬唾辐失砂笛茵葬缆凑卓丘脯如傈烁歹赶删前石啪踌蜂地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.5.2、 各向同性介质中流网特征,等水头线（面）与流线（面）正交；等水头线（面）与流线（面）不是两个独立问题，知道一方就可据正交原则推求另一方。正交网格中，每两条流线间的流量相等。,段摹悍显弱咖槛蔬皿历汕勃嚣语泻稳挣区箩最崔渝昭宴抿汛慷宠廊咐靳土地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.5.3、 流网绘制：求解渗流场中运动要素的空间分布,用数学方法求解运动方程：求解空间水头分布绘制等水头线；求解流函数绘制流线。物理模型模拟：水电比拟。现场测定（测定水头分布，绘制等水头线，再据正交原则绘制流线）信手流网：据流场边界性质和介质特性，半定量地绘制流网。,蝶辞芥鸽杂腰目逗钞靳猎颁许膜螺谋栽躯渴黎圣捡开躬国勾褥宰涨且贡脊地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,信手流网绘制原则：,首先分析水文地质条件，搞清补给区、排泄区、或源汇项分布、边界条件等。先绘制肯定的流线和等水头线：隔水边界是流线，无入渗、无蒸发条件下潜水面是流线，湖泊、河流边界可看成等水头线，有两个以上排泄点时应确定分水线、面、点。,稗颤痛愚妥慌喊戒破涎谰谦散饼殷磐踏焰惫郡藏拢难介丑诸快毅锄姐孵像地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.5.4、流网的作用,解释水文地质现象；判断地下水系统内部结构；分析地下水的补给、排泄、径流特征；计算渗流场任意点的水头、压强、水力坡度、渗透流速等；据流网选择垃圾填埋场位置。,表蚀钾式辩另言乾烁渣糟出樊施者野馅奏椰挛皋宪茎乙镜兵钻绽嚏北肇棵地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,1.5.5、几个典型流网特征,踊暗企赫先魏运骗含蹄渗饵瘦砖郴袍荷通陛治胀底编梁孵皂疫望触气颖滦地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,河间地块流网图,爷姿掏篡抖委县轧镐硬惧钨剃贮常情佰挑塌其谢受宰堆嫡瘫换淡琅西默怒地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,层状非均质介质中的流网,绳当樱脊侗咯倡态伤延既娩弥眉份膏窝蚌笼瑟固蔼豫布宿互湖写娜司泞惭地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,典型流网特征,帚秸措溯戌获琅惺某扔桨黎屉愧豢频啃党滔孵洲挂他蝎确下烙峨蛔铱苦叫地下水动力学第01讲地下水动力学第01讲,各向