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1、水文地质学基础水文地质学基础General Hydrogeology -主讲：李明辉主讲：李明辉1第1节 地下水运动的基本特点第2节 重力水运动基本规律第3节 流 网第4节 包气带水水分运动规律第四章 地下水运动基本规律2第1节 地下水运动的基本特点曲折复杂的水流通道 用假象水流代替真实水流，假设：n假象水流的性质（密度、粘滞性等）与真实水流相同，假象水流的性质（密度、粘滞性等）与真实水流相同，且充满了含水层空隙和颗粒所占据的空间；且充满了含水层空隙和颗粒所占据的空间； n假象水流任意断面的流量、水头或压力和实际水流相同；假象水流任意断面的流量、水头或压力和实际水流相同； n假象水流运动时在任
2、意的岩石体积内所受的阻力和真实假象水流运动时在任意的岩石体积内所受的阻力和真实水流所受的阻力相同。水流所受的阻力相同。 n这时的假象地下水在岩石空隙中的运动称为地下水在岩石空隙中的运动称为渗流渗流(seepage (seepage flow)flow)。发生渗流的区域称为渗流场。发生渗流的区域称为渗流场。n假象水流发生渗流的区域称为发生渗流的区域称为渗流场渗流场。n渗流场由固体骨架和岩石空隙中的水两部分组成。渗流渗流场由固体骨架和岩石空隙中的水两部分组成。渗流只发生在岩石空隙中。只发生在岩石空隙中。3第1节 地下水运动的基本特点迟缓的流速 一般以m/d计算，而河道或管网中的水流则以m/s计算；
3、 根据流速的大小(按运动状态按运动状态) )，渗流分两种流态： n层流：在岩石层空隙中渗流时，水的质点作有秩序的、互不混杂的流动。 n紊流：水的质点无秩序地、互相混杂的流动 。 n用雷诺数（Re）判别： n Re110 层流 n Re 110 紊流 n地下水在岩石空隙中的运动速度一般较小，大多为层流。4第1节 地下水运动的基本特点非稳定流 水的各个运动要素（水位、流速、流向等）随时间变化关系分为稳定流和非稳定流。 n渗流场中任意点的水位（或流速、流向）与时间无关时，称作稳定流。n渗流场中任意点的水位（或流速、流向）随时间变化时为非稳定流。 n自然界的地下水流一般均为非稳定流，原因有三： 补给水
4、源受水文、气象因素影响大，呈季节性变化； 排泄方式具有不稳定性； 径流过程中存在不稳定性。5第1节 地下水运动的基本特点地下水根据运动要素在空间上的变化规律一维流（线流）一维流（线流）、二维流（平流）、三维流（空间流）。、二维流（平流）、三维流（空间流）。 n流场中任意一点的速度变化只与空间坐标的一个方向有关时称为一维流（线流）一维流（线流）。n流场中任意一点的速度变化与空间坐标的两个方向有关时称为二维流（平流）。二维流（平流）。n流场中任意一点的速度变化与空间坐标的两个方向有关时称为三维流（空间流）。三维流（空间流）。地下水空间运动上的特征主要取决于含水层的几何形状，地下水空间运动上的特征主
5、要取决于含水层的几何形状，含水层的边界条件以及地下水的开采方式。含水层的边界条件以及地下水的开采方式。6达西定律达西定律达西定律达西定律（Darcys law）线性渗透定律（线性渗透定律（线性渗透定律（线性渗透定律（linear lawlinear law） H.Darcy法法国国水水力力学学家家，1856年年（以以实实验验为为基基础础研研究究时时期期）通过大量的室内实验得出的通过大量的室内实验得出的4.1.1 实验条件实验条件：装置图：装置图P36，图，图4-11 1）等径圆筒装入均匀砂样（）等径圆筒装入均匀砂样（uniform sand），断面为），断面为2 2）上（下各）置一个稳定的溢水
6、装置）上（下各）置一个稳定的溢水装置保持稳定水流保持稳定水流3 3）实验时上端进水，下端出水）实验时上端进水，下端出水示意流线示意流线4 4）砂筒中安装了）砂筒中安装了2 2个测压管个测压管5 5）下端测出水量（）下端测出水量（outflow）Q第1节 地下水运动的基本特点7断面1断面2QLhH2H1OO第1节 地下水运动的基本特点8达 西 试 验 装 置_两种2变水头装置变水头装置1常水头装置常水头装置Company Logo第2节 重力水运动基本规律n 通过变水头，多次实验得出：出水端的流量通过变水头，多次实验得出：出水端的流量Q Q与砂柱、与砂柱、测压管水头之间的关系为：测压管水头之间的
7、关系为：（1 1） n Q Q 渗流量；渗流量； 砂柱断面面积；砂柱断面面积；n h h 水头损失（水头损失（m m）；）；L L 渗流途径；渗流途径；n K K与试样有关的比例常数。与试样有关的比例常数。v由水力学由水力学中水动力学基本原理：中水动力学基本原理：（2） Q = K I 定义：单位时间内通过砂的流量与渗透长度l成反比，与过水断面w，上、下测压管的水头差成正比。10第2节 重力水运动基本规律n渗透流速渗透流速n根据水力学流速与流量的关系对上式转化：根据水力学流速与流量的关系对上式转化： Q = Vn与（与（2）式比较）式比较 V = KI - （3）称为称为渗透流速渗透流速（se
8、epage velocity Darcy velocity specific discharge）上式为单位面积上的流量上式为单位面积上的流量-称比流量称比流量n达西定律中由此看出：达西定律中由此看出：n渗透流速与水力梯度是一次方成正比渗透流速与水力梯度是一次方成正比n故达西定律又称为线性渗透定律故达西定律又称为线性渗透定律11VIO1砂样砂样2V = K I （3）VI 曲线第2节 重力水运动基本规律12第2节 重力水运动基本规律n讨论 渗透流速（渗透流速（V V）与过水断面（）与过水断面（） Q = K I = V过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？过水断面与水力学中的水流过断面是否一
9、致？否否过水断面过水断面，假想的断面，假想的断面实际孔隙断面实际孔隙断面 n 孔隙度孔隙度 实际水流断面实际水流断面 n 有效孔隙度有效孔隙度 Q/ =V 比照水力学，实际流速比照水力学，实际流速 Q/= u关系关系：地下水渗透流速：地下水渗透流速 V= u ne 渗渗透透流流速速V：是是假假设设水水流流通通过过整整个个岩岩层层断断面面（骨骨架架+空空隙隙）时时所具有的虚拟的平均流速。所具有的虚拟的平均流速。意意义义：研研究究水水量量时时，只只考考虑虑水水流流通通过过的的总总量量与与平平均均流流速速，而而不去追踪实际水质点的运移轨迹不去追踪实际水质点的运移轨迹简化的研究简化的研究过水断面过水断
10、面比较比较13 过水断面（过水断面（） 实际过断面（实际过断面（）过水断面与实际过水断面第2节 重力水运动基本规律14水力梯度（水力梯度（I）（hydraulic gradient）v 水力学中水力学中水力坡度水力坡度（J）:单位距离上的水头损失单位距离上的水头损失v 是沿渗流途径上的水头损失与是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度相应的渗流长度之比之比 v 物物理理涵涵义义上上来来看看I：代代表表着着渗渗流流过过程程中中，机机械械能能的的损损失失率率，由水力学中水头的概念加以分析：由水力学中水头的概念加以分析：v 在地下水渗流研究中在地下水渗流研究中任意点的水头表达式任意点的水头表达式 总
11、水头总水头 测压水头测压水头 速度水头速度水头 机械能机械能 势势 能能 动动 能能第2节 重力水运动基本规律15水力梯度（水力梯度（I）n在在达西实验达西实验中中： 其原因是其原因是 u2/2g 很小而忽略很小而忽略v在在地下水渗流研究地下水渗流研究中常中常：n总水头总水头 测压水头测压水头 (这是这是习惯用法习惯用法)我们我们仍然用仍然用 H = H1-H2 代表该程代表该程 L12 上的总水头损失，上的总水头损失，I 则为总能量损失率则为总能量损失率v渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）n流体的粘滞性引起的流体的粘滞性引起的内摩擦阻力（
12、分子间）内摩擦阻力（分子间）n固体颗粒表面对水流的反作用力固体颗粒表面对水流的反作用力第2节 重力水运动基本规律16水力梯度（水力梯度（I） 从达西公式从达西公式: : V = KIV = KI 来看来看：v当当I I 增大时，增大时，V V 也愈大；也愈大；v即流速即流速V V 愈大，单位渗流途径上损失的能量愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大也愈大; ;反过来，水力梯度反过来，水力梯度I I愈大时，驱动水流愈大时，驱动水流运动与速度也愈大运动与速度也愈大注意：水头损失一定要与渗流途径相对应注意：水头损失一定要与渗流途径相对应第2节 重力水运动基本规律17第2节 重力水运动基本规律形成水力梯
13、度的原因形成水力梯度的原因：水在空隙中运动，受到空隙壁摩擦阻力，形成机械能消耗，造成水头损失。 认为水力梯度是水流通过单位长度的渗透途径克服摩擦力所消耗的机械能。水力梯度是驱动力。机械能消耗于渗透途径上，水头差与渗透长度相对应。18w渗透系数(K)：渗透系数渗透系数 K K（coefficient of permeability） 在有些教科书中也称为水力传导率在有些教科书中也称为水力传导率 （hydraulic conductivity）定义定义：水力梯度为：水力梯度为 I I =1 =1 时的渗透流速时的渗透流速 （V=KIV=KI）具有速度量纲具有速度量纲 L L2 2 T T-1-1
14、由公式由公式V = K I 分析分析当当I一一定定时时，岩岩层层的的 K 愈愈大大，则则 V 也也愈愈大大， Q 大大因此，渗透系数因此，渗透系数 K K 是表征岩石是表征岩石透水性透水性的定量指标的定量指标.第2节 重力水运动基本规律19第2节 重力水运动基本规律渗透系数渗透系数 K K影响因素影响因素： 以松散岩石以松散岩石,等径孔隙为例来分析等径孔隙为例来分析水的重率；水的重率； 动力粘滞系数动力粘滞系数从公式从公式 即得出：即得出：K与岩石性质与岩石性质有关有关 K （d02，ne）与流体物理性质有关与流体物理性质有关 K （/）表表4-14-1列出常见岩石渗透系数的参考值列出常见岩石
15、渗透系数的参考值20第2节 重力水运动基本规律达西实验条件与达西定律的应用条件n实验条件： ，稳定流，一维流。 n应用条件：Re10的层流。均质各向同性介质21含水层介质特征含水层介质特征 均质均质(homogeneous medium)(homogeneous medium)：K K在岩层中处处相等，在岩层中处处相等，不随空间变化。不随空间变化。 非均质非均质(inhomogeneous medium)(inhomogeneous medium)：K K在岩层中随空间在岩层中随空间位置变化而改变。位置变化而改变。 各向同性介质各向同性介质(isotropic medium)(isotropi
16、c medium)：K K不随渗流方向改不随渗流方向改变。变。 各向异性介质各向异性介质(anisotropic medium)(anisotropic medium)：K K随水流方向改随水流方向改变。变。第2节 重力水运动基本规律22n均质各向同性 n均质各向异性 n非均质各向同性 n非均质各向异性 第2节 重力水运动基本规律23作业：作业：1在等厚的承压含水层中，实际过水断面面积为在等厚的承压含水层中，实际过水断面面积为400m2的流量为的流量为10000m3/d，含水层的孔隙度为，含水层的孔隙度为0.25，试求含水层的实际速度和渗透速度。，试求含水层的实际速度和渗透速度。2已知一等厚、
17、均质、各向同性的承压含水层，已知一等厚、均质、各向同性的承压含水层，其渗透系数为其渗透系数为15 m/d，孔隙度为，孔隙度为0.2，沿着水流方，沿着水流方向的两观测孔向的两观测孔A、B间距间距L=1200m，其水位标高分，其水位标高分别为别为Ha=5.4m，Hb=3m。试求地下水的渗透速度。试求地下水的渗透速度和实际速度。和实际速度。第2节 重力水运动基本规律24第3节 流 网 基本概念 w流线 ：某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上各个水质点的曲线上各个水质点的流速方向流速方向都与这条曲线相切（某都与这条曲线相切（某时刻各点流向的连线）时刻各点流
18、向的连线）（迹线：迹线：流体水质点在渗流流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹场中某一时间段内的运动轨迹trace line） w等水头面与等水头线：在渗流场中，把水头值相等等水头面与等水头线：在渗流场中，把水头值相等的各个点连起来在空间构成一个面，称为等水头面。的各个点连起来在空间构成一个面，称为等水头面。等水头面在平面图上或剖面上则表现为一根水头相等等水头面在平面图上或剖面上则表现为一根水头相等的线，称为等水头线。的线，称为等水头线。 w流网：在渗流场的某一典型剖面或切面上，由一系流网：在渗流场的某一典型剖面或切面上，由一系列等势线与流线组成的网格称为流网。列等势线与流线组成的网格称为
19、流网。 25基本概念基本概念二维流网图二维流网图：平面流网平面流网：潜水等水位线图，承压水等测压水位线图：潜水等水位线图，承压水等测压水位线图剖面流网剖面流网：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的水流：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的水流流网特点流网特点： 在各向同性介质中，流线与等水头线在各向同性介质中，流线与等水头线正交正交；在各；在各向异性介质中，流线与等水头线向异性介质中，流线与等水头线斜交斜交 是按一定规则绘制的，等水头线（等水头差绘制）是按一定规则绘制的，等水头线（等水头差绘制），流线（等流量宽，单宽流量相等），流线（等流量宽，单宽流量相等）定性流网的绘制定性流网的绘制-（各向同性
20、介质中）（各向同性介质中）在许多实际工作中，绘制定性流网分析问题很重要在许多实际工作中，绘制定性流网分析问题很重要精确流网受许多条件（资料不足等）制约，很难办到精确流网受许多条件（资料不足等）制约，很难办到思考回答思考回答：边界条件？有哪几类？边界条件？有哪几类？流线起点和终点？等水头线如何控制？流线起点和终点？等水头线如何控制？等流量如何确定？等流量如何确定？“源源”resource （发散流线处）（发散流线处）“汇汇”sink （ 吸收流线处）吸收流线处）“地下分水线地下分水线”divide line（分水或分流处为（分水或分流处为“流线流线”）27第3节 流 网28等水头线 、流线与各类
21、边界的关系已知边界已知边界a湿周湿周b隔水边界隔水边界cd水位线水位线Company Logo第3节 流 网n均质各向同性介质中的流网及其绘制 w在均质各相同性介质中，地下水必定沿着水头变化最大的方向，即垂直于等水头线的方向运动，因此，流线与等水头线构成正交网格。 w稳定流网的绘制步骤： n根据边界条件绘制容易确定的等水头线或流线。边界包括定水头边界、隔水边界及地下水面边界。 30n流线总是由源指向汇的，因此，根据补给区流线总是由源指向汇的，因此，根据补给区（源）和排泄区（汇）可以判断流线的趋向。（源）和排泄区（汇）可以判断流线的趋向。渗流场中具有一个以上补给点或排泄点时，首渗流场中具有一个以
22、上补给点或排泄点时，首先要确定分流线；分流线是虚拟的隔水边界。先要确定分流线；分流线是虚拟的隔水边界。 n根据流线跟等水头线正交这一规则，在已知根据流线跟等水头线正交这一规则，在已知流线与等水头线间插补其余部分。流线与等水头线间插补其余部分。 流量等单宽量流量控制流线根数流量等单宽量流量控制流线根数 确定等水头差间隔确定等水头差间隔 参见河间地块流网图参见河间地块流网图P40，图，图4-4第3节 流 网31河间地块流网的绘制1）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）2）分水线、源、汇的确定）分水线、源、汇的确定3）画出渗流场周边流线与条件）画出渗流场周边流
23、线与条件, 4）确定等水头值，中间内插）确定等水头值，中间内插Company Logo流网图的应用流网图的应用 它它反反映映了了渗渗流流场场中中地地下下水水的的流流动动状状况况，同同时时也也是是介介质场质场与与势场势场的综合反映。提供这两方面的信息：的综合反映。提供这两方面的信息： 1、可以确定任意点的水头值（、可以确定任意点的水头值（H），并了解其变化规律），并了解其变化规律图中图中A点水头？点水头？ HA与与HB的大小？的大小？ 2、确定水力梯度、确定水力梯度 I 的大小，及其变化规律的大小，及其变化规律图中图中A点的点的 I？ IA与与IB比较谁大？比较谁大？ 3、确定渗透流速、确定渗透
24、流速V的大小，及其变化规律的大小，及其变化规律图中图中A点的点的 VA ？ VA与与 VB？ 4、渗流场内的流量分布情况、渗流场内的流量分布情况 （如果要打井取水，井布置在何处为什么？）（如果要打井取水，井布置在何处为什么？） 5、水水质质点点的的渗渗流流途途径径及及长长短短，当当流流线线与与迹迹线线重重合合，流流线线近近视视为为水水质点的运移轨迹质点的运移轨迹流网的应用流网的应用思考题思考题第3节 流 网Company Logo河间地块流网的应用AB比较：比较：HA与与HB？ IA与与IB？VA与与 VB？Company Logo 1、在上页图示条件下，在何处打井取、在上页图示条件下，在何处
25、打井取水，井水不会受污染物的影响？水，井水不会受污染物的影响？思考题35第3节 流 网n层状非均质介质中的流网 w层状非均质是指介质场内各岩层内部渗透性均为均质各向同性的，但不同层介质的渗透性不同。 w渗透规律： 36第3节 流 网w1是流线在K1层中与层界法线间的夹角； w 2是流线在K2层中与层界法线间的夹角。 w流流线趋向于在向于在强透水透水层中走最中走最长的途径，而的途径，而在弱透水在弱透水层中走最短的途径。中走最短的途径。结果，果，强透水透水层中流中流线接近于水平（接近于平行接近于水平（接近于平行层面），而在面），而在弱透水弱透水层中流中流线接近于垂直接近于垂直层面。面。37w几种情
26、形： 第3节 流 网38第3节 流 网39第3节 流 网40第4节 包气带水水分运动基本规律n与毛细负压有关 毛细负压是含水量的函数。包气带中毛细负压随着含水量的变小而负值变大 。 hc= hc（W） K也是含水量的函数。渗透系数K随含水量降低而迅速变小。 K=K（W） 包气带水的非饱和流动，仍可用达西定律描述。作一维垂直下渗运动时，渗透流速可表示为： 41 降水入渗补给均质包气带，在地表形成一极薄水层（其厚度可忽略），则当活塞式下渗水的前锋到达深度Z处时，位置水头为Z（取地面为基准，向上为正），前锋处弯液面造成的毛细压力水头为hc，则任一时刻t的入渗速率，即垂向渗透流速为 ： 第4节 包气带
27、水水分运动基本规律42n 总结： n与饱水带 一样，可以用达西定律描述 。 n与饱水带 的差别： n （1）饱水带只存在重力势，包气带同时存在重力势与毛细势； n （2）饱水带任一点的压力水头是个定值，包气带的压力水头则是含水量的函数； n （3）饱水带的渗透系数是个定值，包气带的渗透系数随含水量的降低而变小。 第4节 包气带水水分运动基本规律43练习:考虑一个饱和、均质、各向同性、长方形、垂向剖面ABC。其上部边界为AB，底部边界为DC，左侧边界为AD，右侧边界为BC，使DC的距离为AD的两倍。BC和DC是不透水的。AB是一个不变水头边界，h=100m。AD被分为两个相等的长度，其上半部分为不透水，下半部分是不变水头边界，h=40m。试示意汇出流网图。44
