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1、市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用内容,二、教学内容 1）地下水动力学的基本内容（基础知识与理论） 以地下水动力学薛禹群主编内容为主 2）地下水动力学的数值计算方法（有限差分法应用） 以MODFOLLOW-88版说明书为参考教材 3）GMS软件应用介绍 以GMS应用教学文档（Tutor I， II）为参考教材 三、考核 形式：平时作业，笔试（开卷） 内容：1）基本知识；2）软件应用报告,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,第一讲 理论基础知识 一、地下水动力学研究对象、内容与方法 （
2、一）研究对象 （二）研究内容 （三）研究方法 （四）地下水动力学研究的里程碑事件 （五）地下水动力学的应用领域 （六）有待进行深入研究问题 二、渗流理论基础 （一）基本参数定义（二）渗流、流网 （三）渗流基本方程 1、连续性方程 2、运动方程 （1）承压含水层运动方程（2）越流含水层运动方程 （3）潜水含水层运动方程 （四）定解条件与数学模型 1、定解条件2、数学模型,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,第一讲 理论基础知识 一、地下水动力学研究对象、内容与方法 （一）研究对象 1、水文循环 （1）图示 1）水文循环图-N. F. G
3、ary；2）水文循环图-芮孝芳 （2）“三水”循环与“四水”循环 大气水（Atmospheric Water）、地表水（Surface Water）、地下水（Subsurface Water）（土壤水Soil Water、地下水Ground water） 2、地球上各类水体中的分配水量 1）水量分配表-N. F. Gary；2）水量分配表-芮孝芳 3）基本数量概念 盐水占总量的约97.5%；淡水占总量的2.5%。 淡水总量中 冰川、冰盖：68.775%； 地下水：2430.92%； 湖泊、河流、土壤：约1%。,可实际利用的水资源量：0.2%,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地
4、下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,3、水储量更新时间 （数据摘选自“水资源科学与实验研究”，沈振荣等） 地球上参加水文循环的水量约5757.7万km3。,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,4、地下水的分类 （1）Subsurface Water 与 Groundwater 的区别？ （2）按地下水的存在形式分类,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,（3）按含水层构造将饱和带分为（如图所示） 1）潜水含水层（Unconfined Aquifer） 2）承压含水层（C
5、onfined Aquifer） 3）越流含水层（Leaky Aquifer） 5、本门课程的研究对象 地下水动力学是研究在重力作用下饱和的多孔介质（的潜水含水层、承压含水层和越流含水层）中水的运动规律的科学。 多孔介质：孔隙介质、裂隙介质和溶岩（喀斯特Karst）。 多孔介质中水的形态：汽、固、液三态； 其中液态水：吸着水、薄膜水、重力水。 作业：地下水需研究的问题包含什么内容？我国水资源开发利用存在的问题与特点？,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,（二）研究内容 针对： 1、潜水含水层； 2、承压水含水层； 3、越流含水层 在不
6、同的地质特性参数（如均质、非均质，各向同性、各向异性）， 在不同的流场描述（一维、二维、三维流动）， 各运动参数随时间的变化特性（恒定、非恒定） 等流动问题的研究，得出地下水流动规律、各参数的时空分布，以达到对地下水的开发与管理提供科学的定量化数据。 （三）研究方法 1、解析法：特点（常微分方程、偏微分方程，时间变量） 2、实验法（模型试验，现场观测试验，电模拟）：特点 3、数值模拟：特点,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,（四）地下水动力学研究的里程碑事件 1、Darcy 定律（Henry Darcy 1856年） 2、潜水井流问
7、题的裘布依方程（Dupuit 1863年） 3、承压井的非稳定流方程及其解析解 （1）O. E. Meinzer，1928年开始观注地下水的非恒定流与承压含水层的储水性质； （2）C. V. Theis（泰斯）1935年给出承压含水层非恒定流动的泰斯公式 4、1960年左右，利用计算机进行地下水方程的数值分析 具有达标性的分析软件系统 （1）Feflow原东德的WASY公司，1978发布第一版， 数值方法：有限元； （2）MODFLOW美国地质勘察局，1988年发布第一版， 数值方法：有限差分法； （3）GMS（Groundwater Model System）以Modflow以及其他地下水问
8、题的分析软件为内核，添加上前处理与后处理模块构成地下水问题的综合软件分析系统（本教学所用为：GMS6.0版）,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,（五）地下水动力学的应用领域 1、工程建设方面：水利、地质、石油、建筑等 2、水资源评价、开发利用与管理方面 3、水环境分析 （六）有待进行深入研究问题 1、介质方面：多相流、裂隙介质、溶岩流动； 2、机制方面：溶质与热量在地下水中的运动与运移机制； 3、方法研究：数值解法，随机理论，并行计算； 4、优化管理：地下水开采许可（井群分布、抽水量、价格导向等）。 作业：上网查找有关地下水动力学的
9、发展与工程应用资料，写出简要报告（500字以内）。,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,二、渗流理论基础 （一）基本参数定义 1、与地下水贮存相关的参数 （1）孔隙度（porosity) n 有效孔隙度（effective porosity）ne 有效孔隙度：相通的，不为结合水占据的孔隙度。 死端孔隙（见教材p.4，图1-1）： 所贮水量不参与地下水运动，但参与抽水或灌水运动。,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,（2）给水度（Specific yield）y 也称有效孔隙度
10、，在面积为A的柱体中，当柱体潜水面下降一个h时所释放出的水的体积V，或对三相图，指给定体积Vb的饱和含水体所能释放（贮存）的水的体积，即： 给水度反映了土壤的给水性，即饱和土壤在重力作用下能自由排出水量的性能。 给水度的影响因素：对面积为A的柱体，设其潜水面下降h，排出水体积量是t 的函数V（t），可定义 1）完全给水度y： 2）瞬时给水度t： 3）平均给水度t：,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,（3）含水率与田间持水量0（specific retention, field capacity) 1）含水率：在非饱和带中的土壤在重力
11、和表面张力作用下典型单元体中所保持的水量Vw和土壤总体积Vb之比 2）饱和度（Saturation）Sw： 3）田间持水量0 ：是由于附着力 与内聚力作用土壤所吸附的水分。 4）给水度与田间持水量及孔隙度的 关系（见图）,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,（4）贮水率与贮水系数 1）水体压缩系数（Water compressibility） 2）多孔介质中的固体颗粒压缩系数（solid compressibility）s 3）多孔介质中孔隙压缩系数率（Porous compressibility）p 4）多孔介质压缩系数（Aquif
12、er compressibility）,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,5）贮水率（Specific storage）s 单位：m3/(m3m)=1/m ；量纲：L-1； 含义：体积为1立方米的承压含水层在水头下降1米时所释放的水体体积量。 其中 在水头不降到承压含水层隔水顶板以下时，含水层只能引起含水层的弹性释水，一般认为弹性释水在整个含水层内瞬时完成。 对潜水含水层，当水头下降时可引起两部分排水。含水层上部为重力排水，用给水度y表示重力排水的能力；深层饱和水部分引起弹性释水，用贮水率（释水率）s表示。 s = 10-3 10-
13、5 ； 而 y = 0.05 0.3； 在潜水层，一般忽略不计弹性释水量。 4）贮水系数（Storage Coefficient）* 对二维承压含水层，有贮水系数反映整个含水层厚度的释水能力,i） 表示水头下降1米由水体膨胀所释放的水体体积；,ii） 表示水头下降1米由含水层压缩所挤出的水体体积。,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,2、与地下水运动有关的参数 （1）Darcy 定律与渗透系数K（Hydraulic Conductivity） 1856年法国工程师Henry Darcy 在装满砂的圆筒中进行实验，得出如下结果： 其中
14、K：渗透系数；单位：m/s， 一般用：m/d。 定义水力坡度： Darcy定律推广为三维情况：,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,1）对渗透系数的讨论 K：综合反映了多孔介质的渗透特性，其与多孔介质的颗粒结构（大小组 成、空间分布）和渗透流体的性质（粘性、密度）有关。 按颗粒结构的不同，可将K分为： 均质与非均质；各向同性与各向异性。非均质：K（x，y，z）； 各向异性：在同一特征单元体，沿不同轴向，K值不同； 均匀性与各向异性概念之区别。 为表示沿任意面上的渗透系数，用二阶张量表示K： Darcy定律的推广： 对各向同性含水层：
15、渗透系数矩阵为：,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,2）层状岩层的等效渗透系数 i）岩层与水流流向平行分布的 等效Kp ii）岩层与水流方向垂直分布的 等效Kv 总有： Kp Kv。,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,3）Darcy 定律的适用范围 雷诺数的定义： 其中 d：土壤的平均颗粒直径。 地下水流态 层流： 紊流： Darcy 定律适用范围： 见教材p. 15说明及图1-13。,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用
16、理论基础,（2）渗透率（intrinsic permeability）k 在渗透系数K中消除流体性质不同的影响，仅考虑颗粒结构特性，即： 其中 k称为渗透率，仅与多孔介质的粒径有关。 系数c与颗粒形状有关。 k的量纲：L2；单位常用：cm2及 darcy。 1 darcy = 9.87 X 10 -9 cm2 。 （3）导水系数（Transmissivity）T 对二维均质含水层，其厚度为M，则定义导水系数： T = KM 单位：cm2/d； 量纲：L2T-1 导水系数T反映了通过整个含水层的输水能力，表示水头降为1米下整个含水层的单位宽度的流量值。,市政系水资源与水工研究所马长明 地下水动力学讲稿,地下水动力学理论、数值技术与软件应用理论基础,（4）越流系数（coefficient of leakage）与 越流因素（leakage factor）B 1）越流系数 含义：当主含水层与越流供給层
