地下水动力学读书报告

地下水动力学与计算学院：地球科学与环境工程学院专业班级：地质（2）班学号：12141113姓名：王浩这次的上课，由之前对地下水的定性问题逐渐变化到对地下水的定量问题的研究，上课时候，杨老师向我们大致介绍了关于地下水的一些基本运动理论，主要内容是地下水的稳定流运动与非稳定流运动，课后查阅一些相关资料文献同时结合我对于自身的专业领域和理解，关于地下水动力学的一些基本运动理论内容可分为以下几个内容：一、地下水运动的理论基础要了解地下水在含水层中的运动，首先要了解一些基本概念。地下水动力学中，我们一般把具有孔隙的岩石称为多孔介质。广义上包括孔隙介质、裂隙介质和岩溶不是十分发育的由石灰岩和白云岩组成的介质。孔隙介质指含有孔隙的岩层，如砂层、疏松砂岩等；裂隙介质指含有裂隙的岩层，如裂隙发育的花岗岩、石灰岩等。多孔介质一般具有孔隙性与压缩性。其实在地下水动力学中的一些基本概念有很多，如贮水率、贮水系数。给水度和导水系数等。这些基本概念都是我们需要了解的。我们把面积为1m2、厚度为1m的含水层，考察当水头下降1m时释放的水量称为贮水率，因此，我们把贮水率乘上含水层厚度M，称为贮水系数（释水系数）。给水度为把地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，重力作用下释放出来的水的体积，称为给水度。其他的关于地下水还有很多基本概念与知识，在此就不再赘述。地下水在岩石空隙中的运动，一般用渗流来描述，根据运动状态可分为层流运动与紊流运动。根据渗流运动要素与时间的关系，可分为稳定流与非稳定流。关于岩石的透水特征，所以要说说透水性的分类，可以分为均质与非均质—K随空间坐标的变化。均质是任意点都具有相同的渗透系数K，非均质指在渗流场中各点渗透系数不同，随坐标变化而变化。透水性的分类还有一种，就是K随方向的变化。分为各向同性与各向异性。各向同性指各个渗透方向具有相同的K；各向异性指某一点的K与渗流方向有关，即渗流方向不同，K不同。复习地下水运动还有个很重要的概念，就是流网—渗流场中由一组流线与由一组等势线相交而成的网格。关于流网的绘制，也是需要重点掌握的一个方面。图1、不透水带的流网图二、地下水运动的基本微分方程地下水的基本微分方程，是地下水动力学中很重要的基本内容，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。非均质各向异性非稳定流：tHSzHKzyHKyxHKxszzyyxx)()()(非均质各向同性非稳定流：均质各向同性非稳定流：地下水动力学中有一重要的数学模型，即边界条件：第一类边界条件（Dirichlet条件）:如果在某一部分边界上，各点在每一时刻的水头都是已知的，则这部分边界就称为第一类边界或给定水头的边界，其数学表达式为：第二类边界条件（Neumann条件）：已知（或给定）边界上单宽流量分布情况的边界条件。其数学表达是为表达式为：（即某一部分边tHSzHKzyHKyxHKxs)()()(tHKSzHyHxHs222222),,,(),,,(1tzyxftzyxH界上单位面积上流入的流量q时，成为第二类或给定流量边界。）第三类边界条件（Cauchy条件）：已知（或给定）边界上水头和其法线方向导数分布情况的边界条件。其数学表达式为：初始条件初始时刻（t=0）渗流场中水头的分布状况--初始条件三：地下水的稳定井流与非稳定井流运动砂质土的线性渗流定律—达西定律，可以说是水文地质学中最重要以及最基本的公式之一，它的表达形式为Q＝KA(H1-H2)/L),,()],cos(),cos([),,(22tyxqynyHKxnxHKtyxqnHTyyxx)(1'0HHbKMxHKMpx0)(xHxH),,(),,,(0zyxftzyxHtV=Q/A=KI其中，Q—渗流流量V—渗流流速K—多孔介质的渗透系数A—过水断面面积H1，H2—上，下游过水断面的水头L—渗透途径I—水力梯度达西定律有一定的适用范围，主要用于雷诺数（Re）较小的层流。雷诺数Re10时，地下水运动速度低，粘滞力占优势，水流为层流，达西定律适用。当雷诺数为10~100时，达西定律已经不适用了。当雷诺数100时，地下水流为紊流，达西定律不适用。由于地下水基本是雷诺数小于10的层流，所以达西定律基本适用。图2：达西定律实验装置地下水动力学中有个很重要的假设：Dupuit假设，那为何要引入Dupuit假设呢？因为当潜水运动时，潜水面不是水平的，等水头面不是铅垂面，垂向上存在流速分量，同时潜水面不断变化的。为了简化模型方便求解，引入Dupuit假设。Dupuit假设内容为：第一，由于潜水面比较平缓，假定水流基本水平，等水头面呈铅直，从而忽略了渗流速度的垂直分量vz；第二，铅垂剖面上各点的水头都相等，各点的水力坡度和渗流速度都相等，水头只在X方向上变化。在],[ttt时间内研究微小单元体中的水量均衡关系可得Boussinesq方程为：上式即为非均质含水层潜水一维非稳定运动的基本微分方程。同样，thWxhKhx)(从上式出发，可推广导出二维、三维潜水运动的基本微分方程。对于地下水非稳定井流的关系。1935年美国人C.V.泰斯导出定流量抽水时的单井非稳定流计算分式，即泰斯（Theis）公式。其假设条件为：○1含水层为等厚且均质各向同性而无限延伸的；②钻井井径为无穷小的完整井。公式为：式中：为井函数；s为离钻井井轴r处的水位降深；S为含水层的贮水系数;T为含水层的导水系数；Q为水井抽水量；t为抽水延续时间。利用泰斯（Theis）公式可以解决很多地下水运动的实际问题，比如根据抽水试验的定流量及水位降深资料，计算出含水层的水文地质参数S和T。根据已知的水文地质参数S和T，在给定的定流量条件下，可预报不同地点不同时间的相应水位降深等。泰斯（Theis）公式的提出，是地下水动力学发展史上又一个里程碑。四：地下水动力学与水力学区别与联系的自我理解作为学地质工程专业的学生，以前大学期间曾系统的学习过《地下水动力学》这门课程，而关于水力学或者流体力学则没有接触过关于这方面的内容，在复习关于地下水动力学相关知识的时候，我就觉得这两方面内容有哪些联系与区别？为什么要开两门课程？在我的主观想法中，我觉得两者区别联系并不是很大，可是查阅相关资料与文献后，我发现两者还是存在着很大的区别的。首先，在地下水动力学中，假设地下水流动的介质为多孔介质，即地下水沿多孔介质岩石的裂隙或大裂隙、管道的流动；因而地下水动力学中有而水力学中，假设的液体为一个挨一个的连续的无任何空隙的质点所组成，为一个连续介质。其次，两者研究的对象与内容不一样。地下水动力学是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。而水力学是研究液体平衡和机械运动规律及其在生产实践中应用的一门科学。因而水力学可以分为水静力学与水动力学两块内容。地下水动力学知识研究地下水运动规律。所以，水力学中的很多概念与研究方法与地下水动力学的研究方法是有很大区别的。如关于液体的平衡微分方程与积分、关于静水压强的研究等。再次，两者研究的理论基础不一样，地下水动力学是基于渗流理论基础，包括渗流的连续性方程、潜水、承压水运动运动基本微分方程等。而水力学中的水动力学方面理论基础中，描述流体运动的两种方法：拉格朗日法与欧拉法。在水动力学中，有研究关于稳定流的能量与动量方程。地下水动力学则很少甚至没有考虑能量与动量的问题。关于地下水动力学与水力学方面的区别于联系还有很多，在以后学习过程中如果涉及到关于水力学方面的知识，我们还应该不遗余力的涉猎其中。参考文献[1]薛禹群，地下水动力学.北京：地质出版社，1997.9[2]王大纯，张人权等，水文地质学基础.北京：地质出版社，1995.6[3]高学平，张效先，水力学.北京：中国建筑工业出版社，2006.8