第四章 地下水运动基本规律

第四章地下水运动基本规律地下水运动的基本特点重力水运动基本规律包气带水水分运动规律第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：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；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。这时的假象水流称为渗透水流，简称渗流。假象水流所占据的空间区域称为渗流区（渗流场）。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；根据流速的大小，渗流分两种流态：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。紊流：水的质点无秩序地、互相混杂的流动。用雷诺数（Re）判别：Re＜1~10层流Re＞1~10紊流第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）不随时间改变时，称作稳定流。否则为非稳定流。自然界的地下水流一般均为非稳定流，原因有三：⑴补给水源受水文、气象因素影响大，呈季节性变化；⑵排泄方式具有不稳定性；⑶径流过程中存在不稳定性。第2节重力水运动基本规律达西定律达西试验第2节重力水运动基本规律Measuringhydraulicheadwithapiezometerorawell第2节重力水运动基本规律Pressuretransducer第2节重力水运动基本规律达西定律1856年，法国水力学家达西（H.Darcy）通过大量的实验，得到线性渗透定律。Q——渗透流量；ω——过水断面h——水头损失；L——渗透途径I——水力梯度；K——渗透系数第2节重力水运动基本规律讨论实际流速u与渗流速度V关系：ne为有效空隙度渗流流量Q=V×w实际流量Q’=u×w’根据假设条件：Q=Q’另外：W’=W×ne第2节重力水运动基本规律第2节重力水运动基本规律水力梯度I：为沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。渗透系数K：渗透系数为水力梯度等于1时的渗透流速。与岩石性质有关：第2节重力水运动基本规律与流体种类、性质有关。如容重、粘滞性等渗透率k表示介质能让液体或气体通过介质本身的性质。与渗透流体无关，仅与介质本身性质有关。r为液体容重u为液体的动力粘滞系数第2节重力水运动基本规律流网基本概念流线：流线是渗流场中某瞬时的一条线，线上各水质点在此瞬时的流向均与此线相切。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。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。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。第2节重力水运动基本规律均质各向同性介质中的流网及其绘制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。稳定流网的绘制步骤：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。第2节重力水运动基本规律第2节重力水运动基本规律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。渗流场中具有一个以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。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。第2节重力水运动基本规律流网的用途：根据流线的疏密分析地下径流强度（相邻两条流线之间通过的流量相等）；根据等水头线的密疏分析水力梯度的大小。追踪污染物质的运移根据某些矿体溶于水中的标志成分的浓度分布，结合流网分析确定深埋于地下的盲矿体位置。第2节重力水运动基本规律第2节重力水运动基本规律层状非均质介质中的流网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。渗透规律：第2节重力水运动基本规律θ1是流线在K1层中与层界法线间的夹角；θ2是流线在K2层中与层界法线间的夹角。流线趋向于在强透水层中走最长的途径，而在弱透水层中走最短的途径。结果，强透水层中流线接近于水平（接近于平行层面），而在弱透水层中流线接近于垂直层面。第2节重力水运动基本规律几种情形：第2节重力水运动基本规律第2节重力水运动基本规律第2节重力水运动基本规律第2节重力水运动基本规律Flownetforflowunderadam第3节包气带水水分运动基本规律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：第3节包气带水水分运动基本规律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3节包气带水水分运动基本规律总结：与饱水带一样，可以用达西定律描述。与饱水带的差别：（1）饱水带只存在重力势，包气带同时存在重力势与毛细势；（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；（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。