地下水动力学概念总结分解.doc

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1、地下水动力学概念总结 - King Of Black Spider地下水动力学：Groundwater dynamics研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶（喀斯特）岩石中运动规律的科学，它是模拟地下水流基本状态和地下水中溶质运移过程，对地下水从数量上和质量进行定量评价和合理开发利用，以及兴利除害的理论基础。主要研究重力水的运动规律。渗流：Seepage flow是一种代替真实地下水流的、充满整个岩石截面的假想水流，其性质（密度、粘滞性等）与真实地下水相同，充满整个含水层空间（包括空隙空间和岩石颗粒所占据的空间），流动时所受的阻力等于真实地下水流所受的阻力，通过任一断面及任一点的压力或水头均与

2、实际水流相同。越流：Leakage 当承压含水层与相邻含水层存在水头差时，地下水便会从水头高的含水层流向水头低的含水层的现象。对于指定含水层来说，水流可能流入也可能流出该含水层。贮水系数：storativity又称释水系数或储水系数，指面积为一个单位、厚度为含水层全厚度M的含水层柱体中，当水头改变一个单位时弹性释放或贮存的水量，无量纲。m* = ms M。既适用于承压含水层，也适用于潜水含水层。导水系数：Transmisivity 是描述含水层出水能力的参数；水力坡度等于1时，通过整个含水层厚度上的单宽流量；亦即含水层的渗透系数与含水层厚度之积，它是定义在一维或二维流中的水文地质参数。T=KM

3、单位：m2/d。非均质介质：如果在渗流场中，所有点不都具有相同的渗透系数，则称该岩层是非均质的。各向异性介质：渗流场中某一点的渗透系数取决于方向，渗透系数随渗流方向不同而不同。达西定律：Darcys Law 是描述以粘滞力为主、雷诺数 Re 110的层流状态下的地下水渗流基本定律，指出渗流速度V与水力梯度J成线性关系，V=KJ，或Q=KAJ，为水力梯度等于1时的渗流速度。又称线性渗透定律。它反映了渗流场中的能量守恒与转换定律。稳定流：steady flow在一定的观测时间内水头、渗流速度等渗透要素不随时间变化的地下水运动。非稳定流：unsteady flow 水头、渗透速度等任一渗透要素随时间

4、变化的地下水运动。层流：laminar flow水流流束彼此不相混杂、运动迹线呈近似平行的流动。紊流：turbulent flow 水流流束相互混杂、运动迹线呈不规则的流动。边界条件：Boundary conditions渗透区边界所处的条件，用以表示水头H（或渗流量q）在渗流区边界上所应满足的条件，也就是渗流区内水流与其周围环境相互制约的关系。初始条件：Initial conditions 某一选定的初始时刻(t=0)渗流区内水头H的分布情况。数值解：Numerical solution 用数值方法求得的数值解，是一种近似解。解析解：Analytic solution 精确解，用解析方法求解

5、数学问题所得到的解析表达式。多孔介质：porous medium 指地下水动力学中具有孔隙的岩石，能够赋存流体且流体可在其中运动，包括孔隙和裂隙岩层，也包括一些岩溶化比较均匀的岩层。孔隙介质：pore medium 含有孔隙水的岩层；赋存流体且流体可在其中运动的孔隙岩层。裂隙介质：fissure medium含有裂隙水的岩层；赋存流体且流体可在其中运动的裂隙岩层。岩溶介质：karst medium 含有岩溶水的岩溶化岩层；赋存流体且流体可在其中运动的岩溶化岩层。骨架：Matrix 多孔介质中固体部分（固相）。孔隙度：Porosity 多孔介质中孔隙体积与多孔介质总体积之比（符号为n），可表示为

6、小数或百分数。有效孔隙：Effective pores多孔介质中相互连通的、不为结合水所占据的那一部分孔隙。有效孔隙度：Effective Porosity 多孔介质中有效孔隙体积与多孔介质总体积之比（符号为ne），可表示为小数或百分数。死端孔隙：Dead-end pores 多孔介质中一端与其它孔隙连通、另一端是封闭的孔隙。压缩系数：多孔介质压缩系数Coefficient of compressibility表示多孔介质在压强变化时的压缩性的指标，用a 表示；多孔介质固体颗粒压缩系数as和孔隙压缩系数ap的关系为 a=(1-n) as+napnap。固体颗粒压缩系数表示多孔介质中固体颗粒本身

7、的压缩性的指标，用as表示。asKv。流网：flownet渗流场内由一组流线和一组等势线所组成的网格。对各向同性介质组成正交网。流线：Streamline渗流场内处处与渗流速度矢量相切的曲线。流线方程：Streamline equation描述流线的方程式，亦即vxdyyydx=0；。流函数：Stream fuction表示流线特征的函数值，为常数，量纲为L2T-1，。在平面运动中，两流线间的单宽流量等于和这两条流线相应的流函数之差。地下水状态方程：表示水的体积变化或密度变化与压强之间的关系式。（1）体积变化：，式中V0为初始压强P0下水的体积，为水的压缩系数。（2）密度变化：，式中r0为初始

8、压强P0下水的密度。渗流的连续方程：continuity equation of seepage flow表示渗流场内单元体内液体质量的变化量等于流入与流出该单元体的液体质量之差的微分方程式，它是研究地下水运动的基本方程。亦即：渗流的基本微分方程：承压水运动的基本微分方程根据地下水流连续方程和达西定律建立的描述承压水运动的微分方程式，表示单位时间内流入、流出单位体积含水层的水量之差等于同一时间内单位体积含水层弹性释放（弹性贮存）的水量，反映了承压含水层中地下水运动的质量守恒、能量守恒与转化关系。有垂直方向补给强度w时，方程式变为：越流含水层承压水运动的基本微分方程根据地下水流连续方程和达西定律

9、建立的描述越流含水层中承压水运动的微分方程式，表示单位时间内流入、流出单位体积含水层的水量之差与越流量的和等于同一时间内单位体积含水层弹性释放（弹性贮存）的水量，反映了越流含水层中承压含水层中地下水运动的质量守恒、能量守恒与转化关系。潜水运动的基本微分方程根据地下水流连续方程和达西定律建立的描述潜水运动的微分方程式，表示单位时间内流入、流出单位体积含水层的水量之差等于同一时间内单位体积含水层贮放或排出的水量，反映了潜水含水层中地下水运动的质量守恒、能量守恒与转化关系。对非均质含水层： 半承压含水层：Semi-confined aquifer 上、下岩层并不是绝对隔水的，其中一个或两个可能是弱透

10、水层，通过弱透水层可能与相邻含水层发生水力联系的承压含水层。越流含水层：Leakage aquifer 亦即半承压含水层。越流：Leakage 当承压含水层与相邻含水层存在水头差时，地下水便会从水头高的含水层流向水头低的含水层的现象。对于指定含水层来说，水流可能流入也可能流出该含水层。越流系数：Coefficient of leakage当含水层与供给越流的含水层间的水头差为一个长度单位时，通过主含水层和弱透水层间单位面积界面上的水流量，相当于弱透水层的渗透系数与其厚度之比，亦即b=K1/m1。表征弱透水层垂直方向上传输越流水量能力的参数；指弱透水层上下含水层之间水头差变化一个单位时通过单位面

11、积弱透水层吨的水量。其值等于弱透水层的垂直渗透系数与其厚度的比值量纲为1/T。越流因数：Leakage factor（阻越流系数） leaky factor为主含水层的导水系数与弱透水层的越流系数之比的方根，亦即，B值大时越流量小；在越流系统中表征越流作用的综合参数，其与抽水含水层的导水系数和弱透水层的越流系数有关。渗出面：Seepage face 在下游界面上潜水面以下、下游水面以上的地段。越流：Leakage 在相邻含水层之间存在弱透水层和水头差时地下水从水头高的含水层（包括弱透水层）向水头低的含水层流动的现象。越流系统：Leakage system由主含水层、弱含水层以及相邻供给水量的含

12、水层所组成的含水系统。定解条件：边界条件和初始条件的合称。定解问题：给定了方程（或方程组）和响应定解条件的数学物理问题。数学模型：Mathematical model 从物理模型出发，用简洁的数学语言，即一组数学关系式来刻画它的数学关系和空间形式，从而反映所研究地质体的地质、水文地质条件和地下水运动的基本特征，达到复制或再现一个实际水流系统基本状态的目的的一种数学结构。潜水回水：潜水水位壅高，在地表水与两岸潜水存在水力联系的情况下，河（库）水位的抬高引起潜水位相应抬高的现象。河渠引渗回水：引渗回灌，利用河渠地表水的侧渗作用来补充地下水以达到灌溉农田的目的的过程。浸润曲线：潜水降落曲线，depr

13、ession curve 潜水面或承压水的测压水面与水流方向剖面的交线。对潜水又称潜水浸润曲线。浸润曲线方程：表示河渠间潜水位与河渠水位关系的地下水流方程。河渠间有入渗（取正）或蒸发（取负）时潜水的浸润曲线方程为：单宽流量公式：距离左河x处任意断面上的潜水流的单宽流量公式为：完整井：completely penetrating well 贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都安装有过滤器并能全断面进水的井。非完整井：partially penetrating well 未揭穿整个含水层、只有井底和含水层的部分厚度上能进水或进水部分仅揭穿部分含水层的井。管井: Pipe well 直径通常小于0.

14、5m、深度比较大、采用钻机开凿的水井。筒井: 直径通常大于0.5m甚至数米、深度比较浅、通常用人工开挖的水井。潜水井: Well in a phreatic aquifer 揭露潜水含水层的水井。承压水井: Well in a confined aquifer揭露承压含水层的水井。水位降深：Drawdown 简称降深，抽水井及其周围某时刻的水头比初始水头的降低值，亦即s(x,y,t)=H0(x,y,0)- H(x,y,t)。降落漏斗：cone of depression抽水井周围总体上形成的漏斗状水头下降区；亦即由抽水（排水）而形成的漏斗状的水头（水位）下降区。拟稳定流: quasi-stea

15、dy flow 流速不变而水头随时间变化的地下水不稳定运动。有效井半径: Effective well radius 由井轴到井管外壁某一点的水平距离。在该点，按稳定流计算的理论降深正好等于过滤器外壁的实际降深。影响半径: Radius of influence 抽水井周围圆形岛的半径，该处降深为零；可看作是从抽水井起到实际上观测不出（或可忽略）水位降深处的距离。Dupuit公式: Dupuit formula表示地下水向完整井运动的水流方程。承压水井的Dupuit公式为；潜水井的Dupuit公式为。Thiem公式: Thiem equation 表示抽水井不同距离r1和r2处的两个观测孔中降

16、深s1, s2与流量Q关系的方程式，对承压水完整井为；对潜水完整井为 。注水井: Injection well / recharge well 补给井，进行人工补给地下水或利用含水层贮能的水井。修正降深: 潜水含水层中井流降深的一种线性化方法，修正降深s与实际降深s之间的关系为。承压-无压井: 承压水井中大降深抽水过程井水位低于含水层顶板、井附近出现无压区时的水井。承压-无压井公式: Hantush-Jacob 公式: 描述越流含水层中地下水向承压水井稳定运动的方程，亦即叠加原理: Principal of superposition 如果H1, H2, ，Hn是关于水头H的线性偏微分方程的特

17、解，C1, C2, ，Cn为任意常数，则这些特解的线性组合仍是原方程的解。指在数个抽（注）水井同时工作的渗流场内任一点的总水头（水位）的变化值为各抽（注）水井单独工作引起的该点水头（水位）变化值的代数和。均匀流: uniform flow 流速和水力坡度的大小或方向沿流程保持不变的水流；水力坡度与渗透系数为常数的地下水流。井损: well loss Dh包括三部分，（1）水流通过过滤器时所产生的水头损失；（2）水流穿过过滤器时因水流方向偏转所产生的水头损失，水流在滤水管内向上运动时因流量流速不断增加所引起的水头损失；（3）水流在井管内向上运动至水泵吸水口的沿程水头损失。含水层损失: 地下水在含

18、水层中向水井流动时产生的水头损失。井损常数: Well loss constant 井损Dh与抽水静流量Q的平方成正比的比例系数C, Dh=CQ2。泰斯影响半径：导压系数：hydraulic diffusivity压力传导系数，表征承压含水层水头变化传递速度的参数。其值为导水系数T与贮水系数m*的比值，量纲为L2/T。配线法：type-curve method标准曲线法，在双对数坐标中利用抽水试验实测曲线与理论曲线的匹配求解水文地质参数的一种图解方法，可分为降深-时间距离配线法、降深-时间配线法和降深距离配线法。直线图解法：linear method 在半对数坐标中，利用抽水试验实测资料绘制的

19、直线斜率和截距求解水文地质参数的图解方法。水位恢复法：利用抽水试验的恢复水位资料求解水文地质参数方法。拐点法：inflected point method 利用半对数坐标上时间-降深曲线拐点出现的时间、降深和斜率计算有越流的含水层的导水系、释水系数和越流系数的一种图解方法。定降深流量公式：（1）降深公式：,，其中为无越流补给承压含水层定降深井流的降深函数，无量纲径向距离，无量纲时间。（2）流量公式：Q=2pTswG(l)，其中G(l)为无越流补给承压含水层定降深井流的流量函数。Hantush-Jacob公式：为1955年建立的优越流补给的承压水完整井公式：第一越流系统：不考虑弱透水层的弹性释水

20、，忽略补给含水层水头变化的越流系统。第二越流系统：考虑弱透水层的弹性释水，不考虑补给含水层水头变化的越流系统。第三越流系统：不考虑弱透水层的弹性释水，考虑补给含水层水头变化的越流系统。Boulton模型：潜水完整井考虑迟后疏干的公式：抽水早期：， 抽水中期：抽水晚期：，Neuman模型：这个不能考吧 式中： 其中，o，n分别为下列两个方程的根： 此处， 在实际工作中，在完整观测孔所观测到的降深是降深在整个含水层厚度上的平均值s （r，t）。此时，上述解仍可用(4-86)式来表达，只是。(y)和创n(y)需要按下式重新定义： 延迟系数：delayed index延迟指数，表征潜水含水层延迟给水效

21、应影响持续时间的指标。一般来说延迟指数1/随重力给水介质的粒度的减小而增大，延迟给水效应影响的持续时间延长。泰斯井流公式（Theis 公式）：Theiss eqation描述无补给的承压水完整井非稳定运动过程中降深与抽水量之间关系的方程式，亦即,Theis井函数：Jacob公式：实井：real well实际的抽水井或注水井。虚井：Virtual well 虚构的抽（注）水井，用以代替边界的作用。映射法：image method镜像法，利用渗流迭加原理，处理地下水边界问题时的一种计算方法。边界的影响可用虚井的影响代替，把实际上有界的渗流区化为虚构的无限渗流区，把求解边界附近的单井抽水问题，化为求

22、解无限含水层重实井和虚井同时抽水（注水）问题，从而求得原问题的解。当直线边界附近有井或井群工作时，以边界对称面，在边界的另一侧虚设流量相同的井或井群时工作时，保持原水流条件，这样就以虚设的井或井群代替边界的作用。隔水边界：不透水边界confining boundary 渗透性极差的舍水层边界即法线方向水力梯度（或流量）等于零的边界。弱透水边界：weakly-permeable boundary 能通过一定流量的渗透性较弱的含水层边界。透水边界：permeable boundary补给边界，供水边界，渗透在良好的含水层边界。无限含水层：Unlimited aquifer 没有边界限制的、平面上无

23、限分布的含水层。半无限含水层：Semi-limited aquifer有一侧边界限制的、另一侧在平面上呈现无限分布的含水层。扇形含水层：Fan-shape aquifer两个会聚边界所组成的呈扇型的含水层。条形含水层：两条平行边界中间的含水层。饱和度：表示岩石的空隙空间中水所占据部分所占的比例： (6-2)式中，Sw为饱和度，无量纲；(V0) 0为典型单元体中的空隙体积。田间持水量：在长时间重力排水后仍然保留在土中的水量称为田间持水量毛管压力：土壤水分特征曲线：反映毛管压强pc或毛管压力水头hc和土壤含水率或饱和度Sw关系的曲线，称为水分特征曲线机械弥散：液体通过多孔介质流动时，由于速度不均一

24、所造成的这种物质运移现象称为机械弥散。分子扩散：分子扩散是由于液体中所含溶质的浓度不均一而引起的一种物质运移现象。水动力弥散：水动力弥散就是多孔介质中所观察到的两种成分不同的可混溶液体之间过渡带的形成和演化过程。弥散系数：纵向弥散系数：Dxx称为纵向弥散系数横向弥散系数：Dzz称为横向弥散系数。对流一弥散方程(水动力弥散方程)：上式称为对流一弥散方程(水动力弥散方程)。它右端后三项表示水流运动(习惯地把它喻为对流)所造成的溶质运移，前三项表示水动力弥散所造成的溶质运移。序号简述题答 案1试分析在相同条件下进行人工回灌时，承压含水层和潜水含水层的贮水能力的大小。潜水含水层的贮水能力可表示为Q=m

25、DHF；承压含水层的贮水能力可表示为Q=m*DHF；式中Q为含水层水位变化时DH的贮水能力，DH为水位变化幅度；F为地下水位受人工回灌影响的范围。从中可以看出，因为承压含水层的弹性释水系数m*远远小于潜水含水层的给水度m，因此在相同条件下进行人工回灌时，潜水含水层的贮水能力远远大于承压含水层的贮水能力。2等水位线的疏密程度可以反映出哪些水文地质条件? 由达西定律Q=KJH可以知，在含水层的单宽流量Q保持不变时，等水位线的密集表示水力坡度J大，反映含水层渗透系数较小或含水层厚度较大；等水位线的稀疏表示水力坡度J小，反映含水层渗透系数较大或含水层厚度较小。3写出泰斯公式及各项符号的含义；泰斯公式的

26、主要用途是什么？Theiss equation描述无补给的承压水完整井非稳定运动过程中降深与抽水量之间关系的方程式，亦即，式中s-抽水井的水位降深(m)；Q-抽水井的流量(m3/d)；T-含水层的导水系数(m2/d)；W(u)-泰斯井函数；r-到抽水井的距离(m)；a-含水层的导压系数(1/d)；m*-含水层的弹性是水系数；t-自抽水开始起算的时间(d)。4潜水井流的运动与承压含水层中径流的运动有哪些不同?(1) 潜水井流特征： 流线与等水头线都是弯曲的曲线，井壁不是等水头面，抽水井附近存在三维流，井壁内外存在水头差值； 降落漏斗位于含水层内部，水位降落漏斗的曲面就是含水层的上部界面，导水系数

27、T随时间t和径向距离r变化； 潜水含水层水位下降伴有弹性释水和重力疏干，为缓慢排水过程，抽水量主要来源于含水层疏干，称为潜水含水层的迟后效应。(2) 承压水井流特征：流线与等水头线在剖面上的形状不相同，等水头线近似直线，等水头面即为铅垂面，降深不太大时承压井流为二维流；降落漏斗在含水层外部，成虚拟状态变化，但导水系数不随时间t变化；承压井流的抽水量来自承压含水层水头降落漏斗范围内由于减压作用造成的弹性释放，是瞬时完成的。5稳定井流与非稳定井流的区别稳定井流中，当无垂向补给时，地下水流向井的过程中任一断面的流量都相等，并等于抽水井流量，地下水位h不随时间t变化。非稳定井流中，地下水流向井的过程中

28、，沿途不断得到含水层释放补给，通过任一断面的流量都不相等，井壁处流量最大并等于抽水井流量，地下水位h随时间t而变化，初期变化大，后期变化减小。6考虑潜水含水层迟后疏干的Boulton模型的假设条件是什么?（1）均质、各向同性、隔水底板水平的无限延伸的含水层；（2）初始自由水面水平；（3）完整井、井径无限小，降深sH0（含水流初始厚度）的定流量抽水；（4）水流服从Darcy定律；（5）抽水时，水位下降，含水层的水不能瞬时排出，存在着迟后现象。7地下水流向井的稳定运动和非稳定运动的主要区别是什么？（1）从流量看，稳定井流不同断面的流量处处相等，都等于抽水井的流量；而任一断面非稳定井流的流量都不相等

29、，沿着地下水流向流量逐渐增大，直至抽水井处为最大（抽水井的出水量）。（2）只要给定边界水头和井内水头，就可以确定稳定井流抽水井附近的水头分布，且水头分布不随时间发生变化；非稳定井流抽水井附近的水头分布是随抽水时间而不断发生变化的，例如Theis井流，在抽水初期水头降速快，1/u=1时达到最大，之后降速由大减小，最后趋于等速下降。8地下水流向不完整井的井流特点是什么？（1）流向不完整井的水流形式与完整井流的水流形式有所不同，由于受井的不完整性影响，流线在井附近有很大弯曲，垂向分速度不可忽略，地下水流为三维流。（2）在其它条件相同时，不完整井的流量小于完整井的流量，流量大小与不完整井过滤器长度L与

30、含水层厚度M之比的增大而增大，当L/M=1时变成完整井。（3）过滤器在含水层中的位置和顶、底板对水流状态有明显的影响，必须予以考虑。9流网的性质包括哪些？在各向同性介质中，流线与等水头线处处垂直，流网为正交网格。在均质各向同性介质中，流网中每一网格的边长比为常数。若流网中各相邻流线的流函数差值相同，且每个网格的水头差值相等时，通过每个网格的流量不同。若两个透水性不同的介质相邻时，在一个介质中为曲边正方形的流网，越过界面进入另一个介质时则变成曲边矩形。10承压水井的Dupuit公式的水文地质概念模型(1)含水层为均质、各向同性，产状水平、厚度不变（等厚）、，分布面积很大，可视为无限延伸；或呈圆岛

31、状分布，岛外有定水头补给；(2)抽水前地下水面是水平的，并视为稳定的；含水层中的水流服从Darcys Law，并在水头下降的瞬间将水释放出来，可忽略弱透水层的弹性释水；（3）完整井，定流量抽水，在距井一定距离上有圆形补给边界，水位降落漏斗为圆域，半径为影响半径；经过较长时间抽水，地下水运动出现稳定状态；(4)水流为平面径向流，流线为指向井轴的径向直线，等水头面为以井为共轴的圆柱面，并和过水断面一致；通过各过水断面的流量处处相等，并等于抽水井的流量。11虚井的特征有哪些？（1）虚井和实井的位置对边界是对称的；（2）虚井的流量和实井相等；（3）虚井性质取决于边界性质，对于定水头补给边界，虚井性质和实井相反；如实井为抽水井，则虚井为注水井；对于隔水边界，虚井和实井性质相同，都是抽水井；（4）虚井的工作时间和实井相同；