1、第五章 地下水的運(yùn)動,5.1 地下水運(yùn)動的特征及其基本規(guī)律,地下水運(yùn)動的特點,曲折復(fù)雜的水流通道 地下水的儲存并運(yùn)動于巖石孔隙和裂隙之中，由于這些空隙的形狀、大小和聯(lián)通程度等的變化，地下水的運(yùn)動通道是十分曲折而復(fù)雜,地下水運(yùn)動的特點,研究地下水運(yùn)動規(guī)律是研究巖石內(nèi)平均直線水流通道中的水流運(yùn)動特征，其實質(zhì)是用充滿含水層的假想水流來代替僅僅在巖石空隙中運(yùn)動的真正水流 假想水流替代真正水流的條件： (1)假想水流通過任意斷面的流量必須等于真正水流通過同一斷面的流量 (2)假想水頭在任意斷面的水頭必須等于真正水流在同一斷面的水頭 (3)假想水流通過巖石所受到的阻力必須等于真正水流所受到的阻力,地下水運(yùn)

2、動的特點,遲緩的流速 地下水在孔隙或裂隙中的流速是每日幾米，甚至1m/d 地下水在曲折的通道中緩慢地流動稱為滲流，或稱滲透水流 滲透水流通過的含水層橫斷面稱為過水?dāng)嗝?層流和紊流 在巖層空隙中滲流時，水質(zhì)點有秩序地呈相互平行而不混雜的運(yùn)動，稱為層流運(yùn)動 水質(zhì)點相互混雜而無秩序的運(yùn)動，稱為紊流運(yùn)動,地下水運(yùn)動的特點,地下水運(yùn)動的特點,非穩(wěn)定、緩變流運(yùn)動 在滲流場內(nèi)各運(yùn)動要素(流速、流量、水位)不隨時間變化的地下水運(yùn)動稱為穩(wěn)定流 運(yùn)動要素隨時間改變的地下水運(yùn)動，成為非穩(wěn)定流 天然條件下地下水流一般都呈緩變流動，流線彎曲度很小，近似于一條直線；相鄰流線之間夾角很小，近似平行,在這樣的緩變流動中，地下

3、水的各過水?dāng)嗝婵僧?dāng)作一個平面，同一過水?dāng)嗝嫔细鼽c的水頭亦可當(dāng)作是相等，這樣假設(shè)的結(jié)果就可把本來屬于空間流動(三維流運(yùn)動)的地下水流，簡化成平面流(二維流運(yùn)動),地下水運(yùn)動的基本規(guī)律,地下水運(yùn)動的基本規(guī)律,地下水運(yùn)動的基本規(guī)律,地下水運(yùn)動的基本規(guī)律,5.2 地下水流向井的穩(wěn)定流理論,取水構(gòu)筑物的基本類型,垂直取水構(gòu)筑物 指構(gòu)筑物的設(shè)置方向與地表相垂直，如管井、大口井等 (1)潛水完整井 鑿井至潛水含水層底板，水流從井的四周流入井內(nèi) (2)潛水非完整井 鑿井未到含水層底板，地下水可以從井底及四周進(jìn)入井內(nèi),取水構(gòu)筑物的基本類型,(3)承壓水完整井 鑿穿承壓含水層的頂板，并穿越整個含水層到隔水底板，水

4、流從四周流入井內(nèi) (4)承壓水非完整井 鑿穿承壓含水層的頂板后僅穿透一部分含水層，地下水可從井的四周及井底進(jìn)入井內(nèi),取水構(gòu)筑物的基本類型,水平取水構(gòu)筑物 構(gòu)筑物的設(shè)置方向與地表大體相平行，如滲水管及滲渠等，地下水從滲水管或滲渠的兩側(cè)(或一側(cè))進(jìn)入構(gòu)筑物內(nèi),地下水流向潛水完整井,在潛水井中以不變的抽水強(qiáng)度進(jìn)行抽水，隨著井內(nèi)水位的下降，在抽水井周圍會形成漏斗狀的下降區(qū)，經(jīng)過一個相當(dāng)長的時間以后，漏斗的擴(kuò)展速度逐漸變小，若井內(nèi)的水位和出水量都會達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這時的水流稱為潛水穩(wěn)定流，在井周圍形成了穩(wěn)定的圓形漏斗狀的潛水面，稱為降落漏斗，漏斗的半徑R稱為影響半徑,地下水流向潛水完整井,潛水完整井穩(wěn)定流

5、計算公式(裘布依公式)的推導(dǎo)需做如下簡化和假設(shè)： (1)天然水力坡度等于零，抽水時為了用流線傾角的正切代替正弦，則井附近的水力坡度1/4 (2)含水層均質(zhì)各向同性，隔水底板為水平 (3)抽水時，影響半徑的范圍內(nèi)無滲入、無蒸發(fā)，各過水?dāng)嗝嫔狭髁坎蛔?；在影響半徑范圍以外的地方流量等于零；在影響半徑的圓周上為定水頭邊界 (4)抽水井內(nèi)附近都是二維流(抽水井內(nèi)不同深度處的水頭降低是相同的),地下水流向潛水完整井,平面上，潛水井抽水形成的流線是沿半徑方向指向井，等水位線為同心圓狀。在剖面上，流線是一系列的曲線，最上部的流線是曲率最大的一條凸形曲線，叫做降落曲線(也叫侵潤曲線)，下部曲率逐漸變緩成為與隔水

6、層近乎平行的直線，底部流線是水平直線；等水頭面是一個曲面，近井曲率較大，遠(yuǎn)井曲率逐漸變小。在空間上，等水頭面是繞井軸旋轉(zhuǎn)的曲面。考慮到遠(yuǎn)離抽水井等水頭面接近圓柱面，可忽略垂直分速度，將地下水向潛水完整井的流動視為平面流,地下水流向潛水完整井,地下水流向潛水完整井,地下水流向潛水完整井,地下水流向承壓水完整井,當(dāng)承壓完整井以定流量Q抽水時，若經(jīng)過一個相當(dāng)長的時段，出水量和井內(nèi)的水頭降落達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，這就是地下水流向承壓完整井的穩(wěn)定流 承壓完整井流量計算公式與潛水完整井計算公式的假設(shè)基本相同，不同的是：承壓含水層厚度不變，因而剖面上流線是相互的平行直線，等水頭是鉛垂線，過水?dāng)嗝媸菆A柱側(cè)面,地下水

7、流向承壓水完整井,地下水流向承壓水完整井,裘布依(Dupuit)公式的討論,抽水井流量與水位降深的關(guān)系 井的出水量與水位降深可用Q=f(s)曲線表示 這里所討論的s水位降深，僅僅考慮地下水在含水層中流動的結(jié)果。實際上在軸水井中所測得的降深，是多種原因造成的水頭損失的疊加： (1)地下水在含水層向水井流動所產(chǎn)生的水頭損失，按Dupuit公式計算出來的降深就是指一部分的水頭損失，也稱含水層損失 (2)由于水井施工時泥漿堵塞井周圍的含水層，增加了水流阻力所造成的水頭損失 (3)水流通過過濾器時所產(chǎn)生的水頭損失 (4)水流在濾水管內(nèi)流動時的水頭損失 (5)水流在井管內(nèi)向上流動至水泵吸水口的沿程水頭損失

8、,裘布依(Dupuit)公式的討論,抽水井流量與井徑的關(guān)系 由Dupuit公式可以看出井半徑r對流量Q的影響并不大，兩者之間只是對數(shù)關(guān)系。經(jīng)過中外許多水文地質(zhì)工作者大量試驗表明，增大井半徑，流量實際增加要比用Dupuit公式計算結(jié)果大很多 水躍對Dupuit公式計算結(jié)果的影響 潛水井抽水時，當(dāng)水位降深較大時，井內(nèi)水位明顯低于井壁水位，這種現(xiàn)象稱為水躍，其水位差為h,裘布依(Dupuit)公式的討論,滲出面的存在有兩種作用： (1)井附近的流線是曲線，等水頭面為曲面，只有當(dāng)井壁和井中存在水頭差時，陰影部分的水才能進(jìn)入井內(nèi) (2)滲出面的存在，保存了適當(dāng)高度的過水?dāng)嗝妫员ＷC把流量Q輸入井內(nèi),裘布

9、依(Dupuit)公式的討論,井的最大流量問題 由Dupuit公式可以看出 ，當(dāng)井內(nèi)水位降至隔水底板時，即s=H0時，流量達(dá)到最大值，這既不符合實際情況，理論上有不合理。因為當(dāng)s=H0時，井內(nèi)h0=0，則過水?dāng)嗝?0，就不會有水流入井內(nèi)。從達(dá)西定律Q=ki來看，=0，則i=，這顯然矛盾。,裘布依(Dupuit)型單井穩(wěn)定流公式的應(yīng)用范圍,凡包含影響半徑R和在裘布依公式基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的地下水向井運(yùn)動的穩(wěn)定流公式，統(tǒng)稱為Dupuit型穩(wěn)定井流公式 其應(yīng)用范圍總的歸納為： (1)完全滿足裘布依公式假定條件的應(yīng)當(dāng)時圓形海島中心的一口井，此時抽水可達(dá)到完全穩(wěn)定，影響半徑代表下降漏斗的實際影響范圍,裘布依(Dupuit)型單井穩(wěn)定流公式的應(yīng)用范圍,(2)在有充分就地補(bǔ)給(有定水頭)的情況下，由于補(bǔ)給充分周轉(zhuǎn)快，年度或跨年度調(diào)節(jié)作用強(qiáng)，儲存量的消耗不明顯，這樣就容易在經(jīng)歷一定的開采時間后形成新的動態(tài)平衡，所以亦可用裘布依型公式直接進(jìn)行計算，得到較準(zhǔn)確的結(jié)果 (3)當(dāng)抽水井是建在無充分就地補(bǔ)給廣闊分布的含水層之中，嚴(yán)格講裘布依公式是不適用的，但若進(jìn)行長時間抽水，并在抽水井附近設(shè)有觀測井，若觀測孔中s(或h2)值在s (或h2)-lgr曲線上能連成直線，則可根據(jù)觀測井的數(shù)據(jù)用裘布依型公式來計算 (4)在取水量遠(yuǎn)小于補(bǔ)給量的地區(qū)，可先用上述方法求得含水層的滲透系數(shù)，再用裘布依型公式大致推測在不