安建工 地下水动力学 第一章(xiu)
地下水动力学习题及答案
地下水动力学习题及答案《地下水动力学》习题集第一章渗流理论基础二、填空题1.地下水动力学是研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩洛岩石中运动规律的科学。
通常把具有连通性的孔隙岩石称为多孔介质,而其中的岩石颗粒称为骨架。
多孔介质的特点是多相性、孔隙性、连通性和压缩性。
2.地下水在多孔介质中存在的主要形式有吸養丞、薄膜水、毛管水和重力也而地下水动力学主要研究重力水的运动规律。
3.在多孔介质中，不连通的或一端封闭的孔隙对地下水运动来说是空的, 但对贮水来说却是有效的。
4.地下水过水断面包括—空隙_和_固体颗粒一所占据的面积.渗透流速是—过水断上的平均速度,而实际速度是虐隙面积上—的平均速度。
在渗流中，水头一般是指测压管水头,不同数值的等水头面（线）永远止会相交。
5.在渗流场中，把大小等于—水头梯度值方向沿着—等水头西_的法线, 并指向水头—降低—方向的矢量，称为水力坡度。
水力坡度在空间直角坐标系中的a三个分量分别为「& -、6.渗流运动要素包括—流量Q_、_渗流速度丫_、_圧强戸_和—水头也等等。
7.根据地下水渗透速度—矢量方向_与_空间坐标轴_的关系,将地下水运动分为一维、二维和三维运动。
8.达西定律反映了渗流场中的—能量守恒与转换「定律。
9.渗透率只取决于多孔介质的性质,而与液体的性质无关，渗透率的单位为cm?或da。
10.渗透率是表征岩石渗透性能的参数,而渗透系数是表征岩层透水能力的参数，影响渗透系数大小的主要是岩层颗粒大小以及水的物理性质，随着地下水温度的升高，渗透系数增大。
11.导水系数是描述含水层出水能力的参数,它是定义在平面一、二维流中的水文地质参数。
12.均质与非均质岩层是根据—蚩石透水性与空间坐*示_的关系划分的,各向同性和各向异性岩层是根据—卧石透水性与水流方问—关系划分的。
13.渗透系数在各向同性岩层中是—标量在各向异性岩层是—量一。
在三维空间中它由丄个分量_组成,在二维流中则山」个分量_组成。
地下水动力学
1，地下水动力学：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第一章渗流理论基础2，多孔介质：在地下水动力学中，把具有孔隙的岩石称为多孔介质3有效空隙：互相连通的，不为结合水所占据的那一部分空隙4，有效孔隙度：有效孔隙体积与多孔介质总体积之比5，贮水率：又称释水率面积为一个单位，厚度为一个单位，当水头降低一个单位时所能释放出的水量贮水系数（释水系数）=贮水率乘以含水层厚度表示面积为一个单位，厚度为含水层全厚度的含水层主体中，当水头改变一个单位时弹性释放或贮存的水量贮水率与贮水系数相互关系：1，都是表示含水层弹性释水能力的参数2，对于承压含水层，只要水头不降低到隔水底板以下，水头降低只会引起弹性释水，可用贮水系数表示这种释水能力3，对于潜水含水层，当水头下降时可引起两部分水的排出（1，在上部潜水面下降引起重力排水，用给水度表示重力排水的能力2，在下部饱水部则引起弹性释水，用贮水率表示这一部分的释水能力）弹性释水和重力排水的不同点：1，影响范围不同（弹性释水影响整个承压含水层，重力释水影响潜水含水层和包气带）2，和时间有关（1 弹性释水瞬时完成不随时时间变化 2 重力释水存在滞后效应是时间的函数）3 两只大小不同（弹性释水系数多在0.001-0.00005之间重力排水参数在0.1-0.01之间）7 渗流：假设这种假想水流运动时，在任意岩石体积内所受的阻力等于真是水流所受的阻力，通过任意断面的流量及任一点的压力或水头均和实际水流相同，这种假想水流称为渗流渗流与实际水流相比相同点：阻力相同水头相同流量相同8 渗流速度：代表渗流在过水断面上的平均流速，时一种假想流速实际平均流速：在空隙中的不同地点，地下水运动的方向和速度可能不同平均速度称为实际平均速度测压管水头：H_z=z+p/r水位：一般用在野外，基准面相同（黄海水位标高）水头：基准面可任意选定水位是一种特殊的水头9 地下水头：书十页10，水力坡度：把大小等于坡度值，方向沿着等水头面的法线指向水头降低方向的矢量称为水力坡度p1111，地下水运动特征的分类p11运动要素：表征渗流运动的物理量，主要有渗流量Q，渗流速度V ，压强P，水头H等按运动要素和时间的关系分为：（1）稳定流：运动要素不随时间变化；（2）非稳定流：运动要素随时间变化按地下水运动方向和空间坐标的关系：一维运动，二维运动，三维运动12，层流：流速较小时，液体质点做有条不紊的线性运动，彼此不相掺混紊流：流速较大时，液体质点的运动轨迹曲折混乱，互相掺混13，Dacry在此处键入公式。
地下水动力学1
地下水动力学：是研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和喀什特岩石中运动规律的科学。
多孔介质：具有孔隙的岩石孔隙介质=多孔介质：含有孔隙水的岩层，如砂层或疏松砂岩贮水率：面积为1平方m、厚度为1m的含水层，当水头下降1m时释放的水量。
贮水系数：面积为1个单位，厚度为含水层整个厚度（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。
渗流：用一假象的水流代替真实的水流，这种假想的水流的性质和真实的地下水相同，但它充满了既包含岩石颗粒所占据的空间，同时，假设这种假想的水流运动时，在任意岩石体积内所受的阻力等于真实水流所受的阻力；通过任意断面的流量及任一点的压力或水头均和实际水流相同。
这种假想的水流称为渗流渗流速度：通过过水断面（A）有一个渗流量（Q）则为渗流速度V水力坡度：大小等于梯度值，方向沿着等水头面的法线指向水头降低方向的矢量Depuit假设：由于坡角θ很小可以用tanθ代替sinθ，意味着假设潜水面比较平缓，等水头面铅直，水流基本水平，可忽略渗流速度垂直分量V。
完整井：贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都安装有过滤器，并能全面进水的井不完整井：水井没有贯穿整个含水层，只有井底和含水层的部分厚度上能进水水跃：井中水位与井壁水位不一样配线法步骤：1、在双对数坐标纸上绘制W(u)-1/u的标准曲线2、在另一张模数相同的透明双对数纸上实施的s-t/r平方曲线3、将实际曲线置于标准曲线上，在保持对应坐标轴彼此平行的条件下相对平移，直至两曲线重合为止4、任取一匹配点记下匹配点的相应坐标值，代入公式求参数。
地下水向完整井运动的特点：1、在含水层和径向距离的比值r/M<1.5~2.0的区域内，流线有明显的弯曲，而且离不完整井越接近，弯曲越厉害形成三维流区。
在r/M>1.5~2.0的地方，流线近于与层面平行，垂向分速度很小，由三维流过度为平面径向流。
2、不完整井的流量小于完整井的流量3、必须考虑过滤器在含水层中的位置和顶底板对水流状态的影响，如果含水层很厚，则可近似忽略隔水底板对水流的影响，按半无界厚含水层来研究。
地下水动力学_01第一章_复习思考题参考答案课件
2020/11/17
２-1.什么是典型体元？
以孔隙为例来阐明：假 设P是多孔介质中的一数学点 (图1-附-2)，以P为形心取一 体积V，则依孔隙率的定义
n Vv V
其中：Vυ是V中的孔隙体积。
P 图1-附-2 孔隙率的定义图
那么，V究竟取多大时，才能真正反映渗流场内各物理量的特 征的呢？
根据渗透流速与空间坐标轴的关系，可把地下水流分为一维 流动、二维流动、三维流动：
只沿一个坐标方向运动的称为一维流动；沿两个坐标方向有 分流速的称为二维流动；而沿三个坐标方向都有分流速的则称三 维流动。
4-2.结合自然界情况试表示平面二维流和剖面二维流的图式。
平面二维流的图式见P18的图1-4-3-c。 剖面二维流的图式见P17的图1-4-1。
度、压力、水头等，这对一个真实的连续水流，如河水、湖水， 它们的物理含义是很明确的。但对多孔介质来说则不然。
为了对多孔介质中地下水确运动作连续性近似，为此需要引 进“典型体元”的概念。
2020/11/17
3-1.什么是地下水质点流速、实际流速和渗透流速？
地下水的质点流速是微观水平上的真实的地下水质点的流动 速度。
渗流是用一种假想的宏观水平的地下水流。
2020/11/17
1-2.为什么要通过渗流来研究真实的地下水流？ 实际的水流通道的空间形态与方向是相当复杂的。这就使得
地下水沿程流动时水质点运动的速度的大小与方向都在不断地变 化着，那么在渗流场中的运动要素不是时间和空间的连续函数， 所以不可利用一般流体力学中研究液体运动的方法来分析渗流问 题。显然若从微观水平上研究地下水的运动是很困难的，实际上 也无必要。
2020/11/17
地下水动力学PDF
u =Q/w′
渗流速度=ne﹒实际平均流速
§1—1
地下水运动的基本概念
3 地下水的水头与水力坡度 (1)地下水水头（hydraulic head）：渗流场中任意一点的总水头近似 等于测压水头(piezometric head)，即:
通常称为渗流水头。 在水力学中定义总水头(total head):
§1—1
地下水运动的基本概念
三维流运动：地下水的渗透流速沿空间三个坐标轴的分量均不为0。 三维流（three-dimensional flow），也称空间运动，地下水的渗透流速沿 空间三个坐标轴的分量均不等于零的渗流；水头、流速等渗流要素随空间三 个坐标而变化的水流。
§1—2
渗流基本定律
A
1 达西定律（线性渗透定律）
Re>10-100，层流，不适用，地下水流速增大，为过渡带，由粘滞力占优 势的层流转变为以惯性力占优势的层流运动；
Re>100，紊流，不适用。
§1—2
2 渗透系数
渗流基本定律
(1)渗透系数（K）(hydraulic conductivity)
V=KI ，当I=1时，V=K，即K在数值上等于渗流速度，具有速度的单位，它 又可以称为水力传导系数，反映含水介质对渗流阻力大小的系数。常用单位： m/d，cm/s。 渗透系数是反映岩石透水性的指标，可以根据渗透系数的大小进行岩石透水 性分级。
1.隔水底板水平的潜水运动 2.隔水底板倾斜的潜水运动
§2—2
非均质含水层中地下水向河渠的运动
一、水平层状非均质含水层中地下水稳定运动问题 二、透水性沿流向突变的非均质含水层中地下水维稳定运动问题
§2—1
均质含水层中地下水向河渠的运动
一、承压含水层中地下水向河渠稳定运动
地下水动力学简介
第一章 渗流理论基础§1-1 渗流的基本概念一、渗流及连续介质假说1 多孔介质(porous medium)与连续介质(continuous medium)多孔介质很难给出其精确定义，在地下水动力学中，把具有孔隙的岩石称为多孔介质。
它包括孔隙介质和裂隙介质。
一般来说，具有以下特点的物质就称为多孔介质。
（1）该物体为多相体：固体相-骨架，流体相-空隙；（2）固体相的分布遍及整个多相体所占据的区域；（3）空隙空间具有连通性。
多孔介质由连续分布的多孔介质质点(图1-2)组成—多孔连续介质.此时孔隙度的表示公式为:--为数学点P 处多孔介质的表征体积元（简称为表征体元-REV ），将其所包含的所有流体质点与固体颗粒0v ∆的总体称为多孔介质质点.将其所包含的所有流体质点称为多孔介质流体质点。
图1-2 REV 的定义及孔隙度随体积的变化多孔介质的性质：1）孔隙性2) 压缩性2 渗透（seepage ）渗透:地下水受重力作用在岩石空隙中的实际运动称为渗透。
由于岩石空隙结构极为复杂,空隙的大小、延伸方向、形状无一定规律。
渗透具有如下特征:(1)运动途径复杂多变；（2）状态函数非连续；（3）只有平均性质的渗透规律(图1-1)，研究地下水质点的运动特征比较困难。
因此,在当前经济技术条件下研究单个孔隙中的水或单个水质点的运动是十分困难的,也没有必要。
vv p n v v v ∆∆=∆→∆0lim)(图1-2岩石中地下水的渗透针对这种极为复杂的地下水运功，在地下水动力学中一般可采用两种研究方法。
1) 研究微观情况下的运动，即研究地下水在以孔隙介质中的骨架为边界孔隙或裂隙中的运动。
由于空隙介质的结构具有随机性，所以用统计平均方法来确定地下水运动的宏观规律性；2) 从宏观角度出发，采用试验及数学分析方法，对大量微观运动进行宏观研究得出各种运动条件下地下水运动的基本规律。
3 渗流(seepage flow)前面已经提到,要研究实际的渗透十分困难,因此,我们用一种假想水流来代替真实水流,这种假想水流是在连续介质的基础上通过概化得出的:(1)假定水流充满整个含水层空间(既包括空隙所占据的空间,也包括颗粒/骨架所占据的空间);(2)只考虑水流运动的总体方向,不考虑水流实际运动途径的复杂变化.将通过上述概化后所得到的假想水流—渗流。
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§1-1 渗流的基本概念
一、渗流及连续介质假说
1 多孔介质(porous medium)与连续介质(continuous medium) 多孔介质很难给出其精确定义，在地下水动力学中，把具有孔隙的岩石称为多孔介质。它包括孔隙介质和裂隙介
质。 一般来说，具有以下特点的物质就称为多孔介质。
际平均流速,则有:
v nu
(1-3)
2 水头(Hydraulic head)与水力坡度(Hydraulic gradient)
水头(H):--水头的概念来自贝努利方程的总水头,分别由位置水头、压强水头和流速水头组成,即
H
z
p
v2 2g
(1-4)
由于地下水运动缓慢,流速水头可忽略不计,故在研究地下水运动时,将测压水头和总水头不加区别,统称为水头. 水头值的大小与所取的基准面有关,决定地下水流向的控制因素是水头,而不是压强或位置高度, 水力坡度(J):--在地下水动力学中,把大小等于水头梯度,方向沿着等水头面法线方向并指向水头降低方向的矢量 称为水力坡度.
地质水文地质实体水文地质概念模型水文地质数学模型随机模型关系式中含有一个或多个随机变量描述地下水流问题的数学模型确定性模型各变量之间有严格的确定关系一个或一组能描述地下水运动规律的基本微分方程确定性数学模型必备条件能反映地质水文地质条件的定解条件二渗流的连续性方程该方程反应一般情况下液体运动中的质量守恒关系它与在水力学中讲到的液体运动连续性微风方程是一样的都是质量守恒关系的体现
u u
V
3
u
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，系电通，力1根保过据护管生高线产中0不工资仅艺料可高试以中卷解资配决料置吊试技顶卷术层要是配求指置，机不对组规电在范气进高设行中备继资进电料行保试空护卷载高问与中题带资2负料2，荷试而下卷且高总可中体保资配障料置各试时类卷，管调需路控要习试在题验最到；大位对限。设度在备内管进来路行确敷调保设整机过使组程其高1在中正资，常料要工试加况卷强下安看与全22过，22度并22工且22作尽22下可护都能1关可地于以缩管正小路常故高工障中作高资；中料对资试于料卷继试连电卷接保破管护坏口进范处行围理整，高核或中对者资定对料值某试，些卷审异弯核常扁与高度校中固对资定图料盒纸试位，卷置编工.写况保复进护杂行层设自防备动腐与处跨装理接置，地高尤线中其弯资要曲料避半试免径卷错标调误高试高等方中，案资要，料求编试技5写、卷术重电保交要气护底设设装。备备置管4高调、动线中试电作敷资高气，设料中课并技3试资件且、术卷料中拒管试试调绝路包验卷试动敷含方技作设线案术，技槽以来术、及避管系免架统不等启必多动要项方高方案中式；资，对料为整试解套卷决启突高动然中过停语程机文中。电高因气中此课资，件料电中试力管卷高壁电中薄气资、设料接备试口进卷不行保严调护等试装问工置题作调，并试合且技理进术利行，用过要管关求线运电敷行力设高保技中护术资装。料置线试做缆卷到敷技准设术确原指灵则导活：。。在对对分于于线调差盒试动处过保，程护当中装不高置同中高电资中压料资回试料路卷试交技卷叉术调时问试，题技应，术采作是用为指金调发属试电隔人机板员一进，变行需压隔要器开在组处事在理前发；掌生同握内一图部线纸故槽资障内料时，、，强设需电备要回制进路造行须厂外同家部时出电切具源断高高习中中题资资电料料源试试，卷卷线试切缆验除敷报从设告而完与采毕相用，关高要技中进术资行资料检料试查，卷和并主检且要测了保处解护理现装。场置设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
地下水动力学第一章
地下水动力学
第一章 渗流理论基础
通常采用的单位是cm2 或D
D是这样定义的：在液体的动力粘度为0.001Pa·s，压强差为 101325Pa的情况下，通过面积为1 cm2 、长度为1理论基础
四、渗流
“典型单元体” （REV）
(Representative elementary volume)
“典型单元体积” (V0 ) Vmin<V0<Vmax
地下水动力学
第一章 渗流理论基础
五、渗流速度(渗透速度，比流量）
在垂直于渗流方向取的一个岩石截面，称为过水断面
当渗流平行流动时，过水断面为平面，弯曲流动时则为曲面
第二阶段：非稳定流理论，1935年至今，Theis、Jacob Bear、Neuman 为代表。我国20世纪70年代开始推广。60年代国际上开始数值解（我国80年代 开始），80年代随机理论（我国上世纪末开始）。
五、前沿课题：裂隙、包气带、非均质、溶质运移（污染、海水入侵、多相、 反应）、地面沉降、随机理论、数据融合
Darcy定律的微分形式：
5
地下水动力学
第一章 渗流理论基础
Reynolds数不超过1～10时，地下水的运动才符合Darcy定律
地下水动力学
第一章 渗流理论基础
实例
当地下水通过平均粒径d=0.5mm的粗砂层，水温为 15℃时，运动粘滞度ν=0.1m2/d,当Reynolds数Re=1
为什么？
这是惯性力的影响。地下水流通道弯弯曲曲，形状、大小不断变化，水 流方向、速度、加速度连续不断变化，有时很剧烈，产生惯性力的影响。 当速度较小时，惯性力的影响不大，粘滞力占优势，水流服从Darcy定律。 速度增大，惯性力增大至占优势时， Darcy定律不再适用。
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第一章 地下水运动的基本概念和基本定律 第二章 地下水向河渠的稳定运动 第三章 地下水向完整井的稳定运动
第一章 地下水运动的基本概念和基本定律
§1—1 §1—2
地下水运动的基本概念 渗流基本定律
§1—1
1) 多孔介质的概念
地下水运动的基本概念
1. 多孔介质及其特性
多孔介质(Porous medium)：地下水动力学中具有空隙的岩石。广义上包
气相—空气，非饱和带中 液相—水：吸着水 Hygroscopic water
薄膜水
毛细管水 重力水
pellicular water
capillary water gravitational water
§1—1
2 渗透与渗流
地下水运动的基本概念
1) 渗透:地下水在岩石空隙或多孔介质中的运动，这种运动是在弯曲的通道 中，运动轨迹在各点处不等。为了研究地下水的整体运动特征，引入渗流的 概念。
§1—1
地下水运动的基本概念
一维流（one-dimensional flow），也称单向运动，指渗流场中水头、流速等渗
流要素仅随一个坐标变化的水流，其速度向量仅有一个分量、流线呈平行的水流。
§1—1
地下水运动的基本概念
二维流（two-dimensional flow），也称平面运动，地下水的渗透流速沿空 间二个坐标轴方向都有分速度、仅仅一个坐标轴方向的分速度为零的渗流； 水头、流速等渗流要素随两个坐标变化的水流，其速度向量可分为两个分量， 流线与某一固定平面呈平行的水流。 单宽流量（Discharge per unit width）：渗流场中过水断面单位宽度的 渗流量，等于总流量Q与宽度B 之比。即 q=Q/B。 总渗流量Q为单宽流量q与宽度B 的乘积，Q=qB。
地下水动力学(第一章 渗流理论基础-1-专)
2. 贮水率和贮水系数 贮水率：面积为1单位面积，厚度为1单位 的含水层，当水头降低1单位时所能释出的 水量。用µs表示。 弹性释水：由于水头降低引起的含水层释 水现象称为弹性释水。 贮水系数：面积为1单位面积，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。用µ*表 示。 二者关系： µ* = µs M
V =V0e
−β ( p− p0 )
用Taylor级数展开，舍去高次项，得到如 下的状态方程： V = V0[1-β（p-p0）] ρ=ρ0[1+β（p-p0）]
2 多孔介质的某些性质 （1）多孔介质的孔隙性
孔隙度：指孔隙体积和多孔介质总体积之比。 孔隙度 有效孔隙：互相连通的、不为结合水所占据的那一 有效孔隙 部分孔隙。 有效孔隙度：指有效孔隙体积和多孔介质总体积之 有效孔隙度 比。 死端孔隙： 死端孔隙 一端与其它孔隙 连通，另一端是 封闭的，其中的 地下水是相对停 滞的。
是研究地下水在孔隙岩石裂隙岩石和岩溶岩石中运动规律的科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上进行定量评价和合理开发利用以及兴利防害的理论基础
地下水动力学
高志娟 工程学院
绪 论 地下水动力学：是研究地下水在孔隙岩 石、裂隙岩石和岩溶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 上进行定量评价和合理开发利用，以及兴 利防害的理论基础。
第一章 渗流理论基础 §1—1 渗流的基本概念
一、地下水在含水岩石中的运动 1 多孔介质：具有孔隙的岩石。 含水介质一般分为三类： 孔隙介质：含有孔隙水的岩层。 裂隙介质：含裂隙水的岩层。 岩溶（Karst）介质：含岩溶水的岩层。 2 地下水的流动类型可归纳为两类： （1）地下水沿多孔介质的孔隙或遍步于介质中的 裂隙运动； （2）地下水沿大裂隙和管道的流动。
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第一章 地下水运动的基本概念和基本定律 第二章 地下水向河渠的稳定运动 第三章 地下水向完整井的稳定运动
第一章 地下水运动的基本概念和基本定律
§1—1 §1—2
地下水运动的基本概念 渗流基本定律
§1—1
1) 多孔介质的概念
地下水运动的基本概念
1. 多孔介质及其特性
多孔介质(Porous medium)：地下水动力学中具有空隙的岩石。广义上包
岩石中的渗流 （a）实际渗透 (b)假想渗流
2) 渗流（seepage flow）：具有实际水流的运动特点（流量、水头、压力、 渗透阻力），并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流；是用以代替真实地 下水流的一种假想水流。
§1—1
地下水运动的基本概念
2) 渗流（seepage flow）：具有实际水流的运动特点（流量、水头、压力、 渗透阻力），并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流；是用以代替真实地 下水流的一种假想水流。其特点是： （1）假想水流的性质与真实地下水流相同； （2）充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间；
§1—2
渗流基本定律
实验过程：通过供水管从上面注入水，实验中保持恒定水头，水渗经试样
（砂子）以后由出水管流进量筒中，水渗经试样的水头损失用测压管测定。
实验结果：单位时间内通过筒中砂的流量Q与垂直水流方向的介质面积A及 上下测压管的水头差Δ H成正比，与渗透长度L成反比。
H1 H 2 Q KA l
气相—空气，非饱和带中 液相—水：吸着水 Hygroscopic water
薄膜水
毛细管水 重力水
pellicular water
capillary water gravitational water
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二、无入渗潜水含水层中地下水向河渠二维稳定运动
1.隔水底板水平的潜水运动
2.隔水底板倾斜的潜水运动
§2—1
均质含水层中地下水向河渠的运动
一、承压含水层中地下水向河渠稳定运动
1.一维稳定运动 水文地质模型描述
H
条件：均质、等厚、承压含水层， 两条平行河流完整切割含水层。两河 水位分别为H1，H2，当两河水位稳定 时，地下水可形成稳定流动。这时， 流网显示地下水流线是一条平行的直 线。
H≈Hn=Z+P/g
意义：渗流场中任意一点的水头实际上反映该点单位质量液体具有的总机械 能，地下水在运动过程中不断克服阻力，消耗总机械能，因此沿地下水流程， 水头线是一条降落曲线。
§1—1
地下水运动的基本概念
(2) 水力坡度[水力梯度]（hydraulic gradient）：在渗流场中大小等于梯 度值，方向沿等水头面的法线并指向水头下降方向的矢量，用J表示。
K的影响因素： ① 岩石的性质：粒度、成分、颗粒排列、充填状况、裂隙性质及其发育程 度等，空隙大小起主导作用； ② 流体的物理性质：容重、粘滞性等。
§1—2
渗流基本定律
第二章 地下水向河渠的稳定运动
§2—1 均质含水层中地下水向河渠的运动
一、承压含水层中地下水向河渠稳定运动
二、无入渗潜水含水层中地下水向河渠二维稳定运动
岩石中的渗流 （a）实际渗透 (b)假想渗流
2) 渗流（seepage flow）：具有实际水流的运动特点（流量、水头、压力、 渗透阻力），并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流；是用以代替真实地 下水流的一种假想水流。
§1—1
地下水运动的基本概念
2) 渗流（seepage flow）：具有实际水流的运动特点（流量、水头、压力、 渗透阻力），并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流；是用以代替真实地 下水流的一种假想水流。其特点是： （1）假想水流的性质与真实地下水流相同； （2）充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间；
地下水动力学PDF
§1—2
渗流基本定律
实验过程：通过供水管从上面注入水，实验中保持恒定水头，水渗经试样
（砂子）以后由出水管流进量筒中，水渗经试样的水头损失用测压管测定。
实验结果：单位时间内通过筒中砂的流量Q与垂直水流方向的介质面积A及 上下测压管的水头差Δ H成正比，与渗透长度L成反比。
H1 H 2 Q KA l
由于自然界中地下水运动的速度一般都
比较小，因此地下水的运动大多看作层流运 动。为了对地下水运动进行定量研究，必须 把握地下水运动基本要素之间的最基本的数 量关系，即研究其基本规律。
L
h
H1
（1）达西定律表达式 实验条件：定水头、定流量、均质砂。 此时地下水做一维均匀运动，渗流速度 与水力坡度的大小和方向沿流程不变。
（3）一、二、三维流 根据渗流方向与所选坐标轴方向之间的关系来划分。
一维流运动：当地下水沿一个方向运动，将该方向取为坐标轴，此时地下水的 渗透速度只有沿该坐标轴的方向有分速度，其余坐标轴方向的分速度为0。 一维流（one-dimensional flow），也称单向运动，指渗流场中水头、流速等 渗流要素仅随一个坐标变化的水流，其速度向量仅有一个分量、流线呈平行的 水流。
§1—1
地下水运动的基本概念
三维流运动：地下水的渗透流速沿空间三个坐标轴的分量均不为0。 三维流（three-dimensional flow），也称空间运动，地下水的渗透流速沿 空间三个坐标轴的分量均不等于零的渗流；水头、流速等渗流要素随空间三 个坐标而变化的水流。
§1—2
渗流基本定律
A
1 达西定律（线性渗透定4 地下水运动特征分类 （1）渗流运动要素(Seepage elements)是表征渗流运动特征的物理量，主要有 渗流量Q、渗流速度V、压强P、水头H等。 地下水运动方向（Groundwater flow direction）为渗透流速矢量的方向。
地下水动力学习题及答案修建版
第一章渗流理论基础一、解说术语浸透：重力地下水在岩石孔隙中的作用稳固流：渗流因素不随时间的变化而变化。
非稳固流：渗流因素随时间的变化而变化。
弹性释水理论：含水层骨架压密和水的膨胀开释出来的地下水的现象为弹性释水现象，反之为含水层的贮水现象。
重力给水度：在潜水含水层中，当水位下降一个单位时，从单位水平面积的含水层贮体中，因为重力疏干而开释地下水的体积。
1.浸透速度：又称浸透速度、比流量，是渗流在过水断面上的均匀流速。
它不代表任何真切水流的速度，不过一种设想速度。
记为v，单位 m/d。
2.实质速度：孔介质中地下水经过缝隙面积的均匀速度；地下水流经过含水层过水断面的均匀流速，其值等于流量除以过水断面上的缝隙面积，量纲为_L/T 。
记为u。
3.水力坡度：在渗流场中，大小等于梯度值，方向沿着等水头面的法线，并指向水头降低方向的矢量。
4.贮水系数：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开释或储存的水量，无量纲。
m* = ms M。
5.贮水率：指当水头下降（或上涨）一个单位时，因为含水层内骨架的压缩（或膨胀）和水的膨胀（或压缩）而从单位体积含水层柱体中弹性开释（或贮存）的水量，量纲1/L 。
ms = rg (a+nb)。
6.浸透系数：也称水力传导系数，是表征岩层透水性的参数，影响浸透系数大小的主假如岩石的性质以及浸透液体的物理性质，记为 K。
是水力坡度等于 1 时的浸透速度。
单位： m/d 或 cm/s。
7.浸透率：表征岩层浸透性能的参数；浸透率只取决于岩石的性质，而与液体的性质没关，记为 k。
单位为 cm2或 D。
8.尺度效应：浸透系数与试验范围相关，跟着试验范围的增大而增大的现象， K=K(x) 。
9.导水系数：是描绘含水层出水能力的参数；水力坡度等于1 时，经过整个含水层厚度上的单宽流量；亦即含水层的浸透系数与含水层厚度之积， T=KM。
地下水动力学(第一章_渗流理论基础-3-专)
H H * H T yy W T xx x x y y t
H
2
x
2
v x v y v z H x y z x y z g n t x y z
根据Darcy定律： 1. 在各向同性介质中，有：
vx K H x ; vy K H y ; vz K H z
p t
x y z
于是连续性方程变为：
v x v y v z p n x y z x y z y z t x
将
p t
化为
H z
H t
：
，故有：p=γ（H-z）=ρg（H-z）
因为
p t
p
g
p t
H t
Hg
H t
t
zg
t
g
H t
H z g
t
或：
g
p
t
p t
将dρ=ρβdp代入，得： p g H 即，
t 1 p t
g
H t
p
p t
n x y z t
消去Δt得
v x v y v z n x y z x y z y z t x
此式为渗流的连续性方程（研究地下水运动的基本方程）。
§1—7 承压水运动的基本微分方程
由水的压缩系数： 得： V V dp 所以，dρ=ρβdp 前面给出了含水层厚度Δz和孔隙度n随压力p的变 化关系： d(Δz)= Δzαdp ；dn=(1-n) αdp 式中：α为多孔介质压缩系数。 将三式代入连续方程右端项得：
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渗流场(flow field)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。
多孔介质概念与特性
我们把孔隙岩层称为多孔介质(porous media).
•多孔介质特性:
彼此连通的网络，几何形态及连通情况异
常复杂，难以用精确的方法来描述。
由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连
续的。
nd 32
2
J
K
nd 32
渗透系数的表达式
裂隙介质（概化为走向和缝宽相同的平行板）
k nB 12 K k
2
nB 12
2
v KJ
nB 12
2
J
K
nB 12
2
六、渗流分类
1. 按运动要素(v,p,H)是否随时间变化，分：稳定流与非稳定流 2. 按地下水质点运动状态的混杂程度，分：
微分形式：
五、渗透系数（hydraulic conductivity）
是重要的水文地质参数，它表征在一般正常条
件下对某种流体而言岩层的渗透能力
(permeability)
v=KJ；
当J=1时，K=v
K在数值上是当J=1时的渗透流速，量钢[L/T]；
常用单位cm/s；m/d。
渗透系数与哪些因素有关呢？
: 比重；：动力粘滞性系数；
K k
渗透率k：反映介质几何特性，量纲[L2]；
常用单位：cm2； 石油地质中用达西: 1 达西=9.8697*10-9cm2.
渗透系数的表达式
多孔介质（概化为等径的平行毛细管束）：
k nd 32 K k
2
2
nd 32
2
v KJ
典型体元的定义
把V0称为典型体元。 引进REV后就可以把多孔介质处理为连续 体，这样多孔介质就处处有孔隙度了。 REV究竟有多大？ REV相对于单个孔隙是相当大的，但相对 于渗流场又是非常小的。
理想渗流
在REV的基础上，引入理想渗流的概念：地下 水充满整个含水层或含水系统（包括空隙和固 体骨架），渗流充满整个渗流场。
图 1-2-8a 一维流
y
x
c. 三维流：
三个方向均存在分流速
图 1-2-8b1 平 面 二 维 流
图 1-2-8b2 剖 面 二 维 流
三维流图示
图 1-2-8c 三 维 流
岩层按渗透性分类
6. 按岩层渗透性随空间和方向变化特点，分
均质各向同性、均质各向异性、
非均质各向同性、非均质各向异性
几个概念：
v K J v K J
渗透系数张量的坐标轴转换
3. 渗透系数张量的坐标轴转换 渗透主轴方向与所选x,y,z方向不一致时，须进行坐标转换 以平面二维流问题为例：
v x K xx J x K xy J y v y K yx J x K yy J y
v K J v K J sin cos
J gradH dH dn
Jx H x Jy H y Jz H z
§1.2 渗流基本定律--达西定律
一、达西定律
法国水力学家 H.Darcy通过大量稳 定流实验得出：
二、达西实验条件
稳定达西实验：得出渗透流速与水力坡度成 正比即线性渗流定律，说明此时地下水的流 动状态呈层流。
v x K xx v y K H x H
yy
K xx K 0 0
0 K yy 0
0 0 K zz
y H z
v z K zz
渗透主轴方向与所选x,y,z方向不一致时，须进行坐标转换 以平面二维流问题为例：
v x K xx J x K xy J y v y K yx J x K yy J y
因此，无论是固体骨架，还是空隙空间，微观上讲都不是连续函数
普通水流与渗流
颗粒
孔隙
图 1-1际流线
共同点：1.总体流向取决于水头差 2.流量取决于水头差及沿程损耗 区别：水在管道中运动取决于管道大小、形状及 粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、形状、连 通性。
§1.3 各向异性介质中地下水流的达西定律
1. 渗透系数的张量表示式
K xx K K yx K zx K xy K yy K zy K xz K yz K zz
2. 达西定律的推广形式： H 各 v K 各 s 向 向 H 异 v K 同 性 x 性 介 H v K 介 质 y 质
2 2
设R为旋转矩阵
v v J J
cos R sin
vx R v y Jx R J y
K xx K cos K sin
图 1-1-1a
多孔介质空隙度计算
0
V
V=1个 颗 粒 的 体 积
V0
1. 若P点取颗粒中心且V只取小于颗粒体积时孔隙率n=0； 2. 若P点取孔隙中心且V只取小于孔隙体积时孔隙率n=1； 3. 当V取值由一个颗粒或一个孔隙逐渐放大时，n值会因随机划进的颗粒或孔 隙体积而产生明显的波动，但随着V取值再增大，n值波动逐渐减小。 4. 当V取至某个体积时，孔隙率趋于某一平均值n，此时的V称为典型体元 (REV)，记为V０ 5. 若再增大V使其大于V０，则有可能将P点外围的非均质区也划进来平均，此 时n值可能又产生明显的变化。
各向同性、各向异性、均质、非均质
岩层按渗透性分类
同一点各方向上渗透性相同的介质称为各向同性
介质(isotropy medium)；
同一点各方向上渗透性不同的介质称为各向异性
介质(anisotropy medium) 。 均质(homogeneity)、非均质(inhomogeneity): 指K于空间坐标的关系，即不同位置K是否相同； 各向同性、各向异性: 指同一点不同方向的K是否 相同。
实验条件：均匀介质，一维流动，稳定流，
层流。
是否适用：非均匀介质，二维或三维流动，
非稳定流，层流条件？
三、变水头达西实验
非稳定流达西实验（实验一）：
水自上部加入，用溢水管保持稳定水位 ，下部用管口出流，可通过它测定渗流 量，用两根测压管来测量水头值。
达西定理：
实验结果： 在非稳定流条件下，地下水运动 仍满足线性渗流定律
四种介质
这两对概念可任意组合
均质各向同性 均质各向异性
非均质各向同性 非均质各向异性
四种介质
在各向同性介质中K为标量； 在各向异性介质中K为张量。
思考题：就以上四种介质，分别举例说明自 然界哪种岩层属于相应的介质类型。
小结
– 上述分类标准不同，无从属关系，可以 组合 – 均质与非均质，各向同性与各向异性概 念容易混淆 – 各向同性K为标量，各向异性K为张量 – 各向同性流场，J与v共线 – 各向异性流场，J与v一般不共线
x y
vx vy v z
K K K
xx yx zx
K K K
xy yy zy
K K K
xz yz zz
J J J
x y z
vz K
H z
渗透系数张量的坐标轴转换
3. 渗透系数张量的坐标轴转换 渗透主轴方向与所选x,y,z方向一致时
变水头达西实验原理
达西定律：
积分有：
显然t-lgH曲线应呈直线
变水头达西实验求参
如实验得到得t-lgH曲线 呈直线，则说明达西定 律也适用于不稳定流条 件。可据直线斜率m求 取土样的渗透系数
达西定律适用条件
1. 临界雷诺数Re（J. Bear)：
Re 10 10 Re 100 Re 100
0.4
J c 0.00252
)
1.5
1.5
)
裂隙宽度，a为裂隙相对粗糙度；
4. 达西定律下限问题（J0)
达西定律的应用条件
达西定律的上下限？
非线性渗透定律
1. 1901年福希海默提出Re>10时：
J Av Bv
2
2. 1912年克拉斯诺波里斯基提出紊流公式：
1
v KJ
2
四、达西定律的微分形式
u
2
1 . 65
2
2g
2 980
0 . 00014 cm
潜水含水层压强与水头
图1－1－4a 潜水含水层的压强与水头
承压含水层压强与水头
图1－1－4b 承压含水层的压强与水头
水力坡度
大小等于dH/dn ，方向沿着等水头线 的法线方向指向水头降低的方向的矢量 定义为水力坡度，记为J。
v(P ) 1 V0
V0 v
u ' dV v
渗透流速与实际流速关系
vA uA v Q v u Av A v neu un e
渗透流速与实际流速关系
三、水头与水力坡度
总水头 H z u
2
p
p
u
2
2g 测压水头 ; H H
《z H 2g
p
p
某砾石含水层中，u = 1.65cm/s
层流区
过渡区
紊流区
2. 临界渗透流速vc（巴甫洛夫斯基，对于孔隙岩层）：
vc Re ( 0.75n 0.23 )
R e 一般取7~9，n为岩层孔隙率；