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1、会计学1水文地质学基础水文地质学基础(jch)地下水的基本运地下水的基本运动规律动规律第一页，共52页。第四章第四章 地下水运动地下水运动(yndng)(yndng)的的基本规律基本规律第2页/共52页第二页，共52页。特征：特征：多孔介质，渗流通道多孔介质，渗流通道复杂多变，空隙细小复杂多变，空隙细小，所受阻力大，水流，所受阻力大，水流(shuli)(shuli)缓慢。缓慢。第四章第四章 地下水运动地下水运动(yndng)(yndng)的的基本规律基本规律第3页/共52页第三页，共52页。区别区别(qbi)(qbi)：流速：流速紊流：紊流：v v快快 Re2300 Re2300 层流：层流：
2、v v缓慢缓慢 Re2300 Re2300雷诺数雷诺数Re=vd/Re=vd/Vd：地下水渗流速度：地下水渗流速度(sd):粘滞系数粘滞系数第四章第四章 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律第4页/共52页第四页，共52页。 一维流：渗流场中任意点的流速变化只与空间坐标一维流：渗流场中任意点的流速变化只与空间坐标一个方向一个方向(fngxing)(fngxing)有关的渗流。有关的渗流。 二维流二维流/ /三维流：渗流场中任意点的流速变化与空间三维流：渗流场中任意点的流速变化与空间坐标两个坐标两个/ /三个方向三个方向(fngxing)(fngxing)有关的渗流。有关的渗流。第5页/共5
3、2页第五页，共52页。水在空隙介质中渗流，其驱动力是什么呢？水在空隙介质中渗流，其驱动力是什么呢？地下水的机械能：动能地下水的机械能：动能+势能势能地下水是流动的，某一点上承受的压力除了静水压强之外还有地下水是流动的，某一点上承受的压力除了静水压强之外还有动水压强，因此动水压强，因此(ync)总水头（总水头（Hd）：）： gvZpHd22式中，p为静水压强；v为实际水流速度(sd)。Z为位置水头， P/为压力水头，v2/2g为流速水头含水层中实际含水层中实际(shj)(shj)水流速度很小，较重力加速度小得多水流速度很小，较重力加速度小得多，可忽略不计，在一般问题研究中，视测压水头与总水头，可
4、忽略不计，在一般问题研究中，视测压水头与总水头相等。相等。 4 .0 4 .0 基本概念基本概念第6页/共52页第六页，共52页。钻孔钻孔(zun kn)水柱高度和测压水水柱高度和测压水头与含水层某一点压强（头与含水层某一点压强（P）的关）的关系：系： PhnZhHnn式中，为水的容重；Z为含水层中某一点（A）至基准面（含水层底板）的垂直距离；hn为水柱(shu zh)高度（测压水头）； Hn为水头。4 .0 4 .0 基本概念基本概念第7页/共52页第七页，共52页。第8页/共52页第八页，共52页。实验条件：试验装置实验条件：试验装置(zhungzh)(zhungzh)图图 1 1）等径圆
5、筒装入均匀砂样，断面为）等径圆筒装入均匀砂样，断面为 2 2）上（下各）置一个稳定的溢水装）上（下各）置一个稳定的溢水装置置(zhungzh)(zhungzh)稳定水流稳定水流 3 3）实验时上端进水，下端出水测出）实验时上端进水，下端出水测出水量水量QQ示意流线示意流线 4 4）砂筒中安装）砂筒中安装(nzhung)(nzhung)了了2 2个测压管个测压管4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律第9页/共52页第九页，共52页。4.1 4.1 重力重力(zhngl)(zhngl)水运动的基本水运动的基本规律规律第10页/共52页第十页，共52页。K = coefficien
6、t of proportionality called hydraulic conductivity.Q = volume of fluid per unit time passing through a column of constant cross-sectional area, A and length L.h1, h2 = elevations of inflow and exit reservoirs of the column. z = elevation of the point at which the piezometric head ismeasured, above a
7、 datum level.p, r = fluids pressure and mass density.z = elevation of the point at which the piezometric head is measured.p, r = fluids pressure and mass density12hhQKALphzgrDarcys Law 4.1 4.1 重力重力(zhngl)(zhngl)水运动的基本规水运动的基本规律律第11页/共52页第十一页，共52页。力的重要水文地质参数。力的重要水文地质参数。 v- v-多孔介质中流体的渗透流速多孔介质中流体的渗透流速(m
8、/d)(m/d)，它并非真实的流速。，它并非真实的流速。达西定律是定量计算的基础和达西定律是定量计算的基础和定性分析的依据。定性分析的依据。4.1 4.1 重力重力(zhngl)(zhngl)水运动的基本水运动的基本规律规律第12页/共52页第十二页，共52页。Darcys Law 4.1 4.1 重力重力(zhngl)(zhngl)水运动的基本规水运动的基本规律律第13页/共52页第十三页，共52页。Experiments:达西定律达西定律(dngl)适用范围：适用范围：Re=110的层流运动的层流运动4.1 4.1 重力重力(zhngl)(zhngl)水运动的基水运动的基本规律本规律实验证
9、实实验证实(zhngsh)(zhngsh)Re1Re1时，时，V V和和I I线性相关，线性相关，1Re101Re10Re10时，时，V V和和I I非线性相关。非线性相关。也既，自然界只有一部分层流满也既，自然界只有一部分层流满足达西定律，也即足达西定律，也即Re10ReK1K2K1，K2=3K1K2=3K1； K2K2中流线密度为中流线密度为K1K1的的3 3倍，因此，倍，因此，K2K2径流强，流量大，更多的流量径流强，流量大，更多的流量通过渗透性好的介质通过渗透性好的介质(jizh)(jizh)。如果如果(rgu)地层交界面与水地层交界面与水流方向平行，则渗透系数越大流方向平行，则渗透系
10、数越大，流线越密集，而等水头线不，流线越密集，而等水头线不变。变。第38页/共52页第三十八页，共52页。如果地层交界面与水流方向如果地层交界面与水流方向(fngxing)垂直，则渗透系数垂直，则渗透系数越小，等水头线越密集，而流越小，等水头线越密集，而流线不变线不变4.2 4.2 流流 网网第39页/共52页第三十九页，共52页。K1-K1-地下水流入岩层（地下水流入岩层（K1K1层）的渗透系数层）的渗透系数(m/d) (m/d) ；K2-K2-地下水流出岩层（地下水流出岩层（K2K2层）的渗透系数层）的渗透系数(m/d) (m/d) ；1-1-地下水流向地下水流向(li xin)(li x
11、in)与流入岩层（与流入岩层（K1K1层）层界法线之间的夹角层）层界法线之间的夹角() () ；2-2-地下水流向地下水流向(li xin)(li xin)与流出岩层（与流出岩层（K2K2层）层界法线之间的夹角层）层界法线之间的夹角() () 。 4.2 4.2 流流 网网 为了保持流量相等（为了保持流量相等（Q1=Q2Q1=Q2），流线进入），流线进入(jnr)(jnr)渗透性好的渗透性好的K2K2层后将更加密集，等水头线的间隔加大（层后将更加密集，等水头线的间隔加大（dl2dl1dl2dl1）。）。（四）（四） 层状非均质介质中的流网层状非均质介质中的流网第40页/共52页第四十页，共52
12、页。4.2 4.2 流流 网网 流线趋向于在强透水层中走最长的途径流线趋向于在强透水层中走最长的途径(tjng)，而在弱透水层，而在弱透水层中走最短的路径。结果，强透水层中流线接近于水平，而在弱透水中走最短的路径。结果，强透水层中流线接近于水平，而在弱透水层中流线接近于垂直层面。层中流线接近于垂直层面。第41页/共52页第四十一页，共52页。含水层中存在含水层中存在(cnzi)(cnzi)透镜体时透镜体时a. a. 渗透性强渗透性强流线向其汇聚；流线向其汇聚；b. b. 渗透性弱渗透性弱流线绕流流线绕流4.2 4.2 流流 网网第42页/共52页第四十二页，共52页。五、流线的性质五、流线的性
13、质 a. 流线不能相交（同一时刻不可能有两个流向流线不能相交（同一时刻不可能有两个流向） b. 流线光滑流线光滑(gung hu)不能有急转折（若有转不能有急转折（若有转折，在转折点有两个流向）折，在转折点有两个流向） c. 流线相当于隔水边界（只能在其间运动，不能穿流线相当于隔水边界（只能在其间运动，不能穿过流线运动）过流线运动） d. 流线的形状受控于边界的性质和形状（平行于流线的形状受控于边界的性质和形状（平行于隔水边界，垂直于供水边界）隔水边界，垂直于供水边界）4.2 4.2 流流 网网第43页/共52页第四十三页，共52页。六、流网的用途六、流网的用途 a. 根据流线方向可以看出任一
14、点的流向；根据流线方向可以看出任一点的流向； b. 根据等水头线可以看出任一点水位的变化；根据等水头线可以看出任一点水位的变化； c. 流线的密疏可以反映地下径流的强弱；流线的密疏可以反映地下径流的强弱； d. 等水头线的密疏则说明等水头线的密疏则说明(shumng)水力梯度的水力梯度的大小。大小。 e. 追踪污染物质的运移追踪污染物质的运移 f. 判断水文地质条件（含水层条件；边界条件；判断水文地质条件（含水层条件；边界条件；与地表水关系）与地表水关系）4.2 4.2 流流 网网第44页/共52页第四十四页，共52页。七、流网的性质七、流网的性质 a. 在各向同性介质中，流网为正交网格。（在
15、各向同性介质中，流网为正交网格。（水沿水力梯度最大的方向运动）水沿水力梯度最大的方向运动） b. 对于稳定流，流线与迹线重合；对于非稳对于稳定流，流线与迹线重合；对于非稳定流可以划分为多个小单元定流可以划分为多个小单元(dnyun)，每个小单，每个小单元元(dnyun)可以看作稳定流。可以看作稳定流。 c. 对于稳定流，流网不随时间变化。对于稳定流，流网不随时间变化。4.2 4.2 流流 网网第45页/共52页第四十五页，共52页。思考思考1：绘制：绘制(huzh)流网流网4.2 4.2 流流 网网第46页/共52页第四十六页，共52页。思考思考(sko)2：绘制流网：绘制流网4.2 4.2
16、流流 网网第47页/共52页第四十七页，共52页。第48页/共52页第四十八页，共52页。偏离达西定律的试验偏离达西定律的试验(shyn)结果可用来分析结合水的运动规律，结果可用来分析结合水的运动规律，I小时，小时，结合水也会运动，但此时结合水也会运动，但此时V很小。很小。I0称为初始水力梯度。称为初始水力梯度。V-I曲线的直线部曲线的直线部分可用罗查（分可用罗查（1950）公式表示：）公式表示：V=K（I-I0） 结合水是一种非牛顿流体，是性质介于固体与液体之间的异常液体，外结合水是一种非牛顿流体，是性质介于固体与液体之间的异常液体，外力必须克服其抗剪强度方能使其流动。力必须克服其抗剪强度方
17、能使其流动。4.2 4.2 流流 网网第49页/共52页第四十九页，共52页。第50页/共52页第五十页，共52页。本章小结本章小结 重点重点(zhngdin)(zhngdin)掌握重力水运动的基本规律，能熟练写出掌握重力水运动的基本规律，能熟练写出DarcyDarcy定律的数学表达方式及各项符号的意义；定律的数学表达方式及各项符号的意义； 概念：渗透流速、水力梯度、渗透系数、过水断面等概念概念：渗透流速、水力梯度、渗透系数、过水断面等概念及其物理含义；及其物理含义； 理解流网的概念，掌握均质各向同性介质中的流网特点，理解流网的概念，掌握均质各向同性介质中的流网特点，掌握流网的绘制方法并能熟练应用流网进行水文地质分掌握流网的绘制方法并能熟练应用流网进行水文地质分析；析； 了解层状非均质介质中的流网特点；了解层状非均质介质中的流网特点； 了解饱水粘性土中水的运动规律。了解饱水粘性土中水的运动规律。第51页/共52页第五十一页，共52页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第52页/共52页第五十二页，共52页。
水文地质学基础地下水的基本运动规律学习教案
