水文地质学00-第三讲-01.ppt

根据地下水运动的特点，目前对地下水运动有两类不同的研究方法——微观法和宏观法。 5.3.1 微观法 微观地研究水流质点在各类介质中的运动规律。 这对于查明地下水化学成分的形成与分布，追溯某些污染源及根据地下水的化学异常寻找原生矿体等许多实际的问题很有意义。 显然从微观水平上研究地下水的运动是很困难的。 因此，人们一般不去直接研究单个地下水质点的运动特征，而利用平均化的方法研究地下水运动的宏观规律。 5.3 地下水运动的研究方法 5.3.2 宏观法 利用平均化的方法研究地下水运动的宏观规律。 由于实际的地下水流仅存在于空隙空间，其余部分则是固体的岩石。为此要设计一个假想的流场，那么这个流场首先不能将水约束在空隙之中，否则不仅涉及复杂固体表面边界的刻画，而且水流在空间是不连续的，使得一切基于连续函数的微积分手段都不能利用。 地下水的流线 因此，我们必须引进一个假想的水流代替真实的水流。这种假想水流的物理性质(如密度、粘滞性等)和真实的地下水相同；它是充满了整个多孔介质(包括空隙和固体部分)的连续体；而这种假想水流的阻力与实际水流在任意岩石空隙体积内中所受的阻力相同；它的任意一点压强P和任一断面的流量Q与实际水流在该点周围一个小范围内的平均值相等。这就是在渗透阻力、渗透压强以及渗透流量保持等效的原则下，把实际渗流速度平均到包括固体颗粒骨架在内的整个渗流场中。 实际就是用一种假想的渗流来代替复杂的实际渗流。这个假想的水流便是宏观水平的地下水流，我们称之为“渗流”，它所占据的空间称为“渗流场”。 总之，假想的水流应有以下特点： *假想水流的物理性质(如密度、粘滞性等)和真实地下水相同； *假想水流充满含水层的整个空间； *假想水流运动时，在任意岩石体积内所受的阻力等于真实水流所受的阻力； *通过任一断面的流量及任一点的压力或水头均和实际水流相同； *假想水流所占据的空间为渗流区或渗流场。 于是将假想渗流作为连续的水流来看待，这样做的优点是可以把实际上并不处处连续的水流当作连续的水流来进行研究，渗流场中的运动要素则是时间和空间的连续函数，从而可以利用一般水力学、流体力学中研究液体运动的方法来分析渗流问题。 这种方法，既避开了研究个别空隙中液体质点运动规律的困难，而得到的流量、阻力、压强等又与实际水流相同，可满足实际需要。 因此，这种方法是水文地质学所采用的传统方法，在有关地下水水量、水质定量评价方面极其广泛。 第五章 地下水运动的基本规律 5.1 基本概念 5.2 地下水运动的特点 5.3 地下水运动的研究方法 5.4 地下水运动的基本规律 5.5 本章小结 5.4 地下水运动的基本规律 图4-1 达西实验装置图 5.4.1 达西定律 达西定律是法国水利学家H.Darcy通过大量的实验，得到的线性渗透定律。 5.4.1.1 达西实验条件与过程 (1)等径圆筒装入均匀砂样，断面面积A； (2)上游置一个稳定的溢水装置→保持稳定水头； (3)实验上端进水，下端出水→示意流线； (4)圆筒中上、下断安装测压管→测定两个断面的水头，水头差为h；两断面相距L； (5)下端出口测定流量为Q。 0 0 5.4.1.2 实验成果 5.4.2 达西公式中各项的物理意义 5.4.2.1 渗透流速(V) 在达西定律表达公式中，渗透流速是一个宏观概念，并且它很容易测量。 因此，必须把它与单个水质点在砂粒中寻路而曲折前进的微观的真实流速区别开来。微观真实流速是客观存在的，但它却无法测量。 地下水渗流示意图 从地下水运动的宏观概念出发，在达西定律表达公式中，过水断面(A)是垂直于地下水流动的含水层横断面，包括骨架和空隙在内的断面。这就是说，把由空隙与固体颗粒骨架构成的含水层断面视为统一的连续透水的断面。 过水断面(A） 因此，在达西定律表达公式中，过水断面(A)是假想的过水断面；而实际的过水断面面积(A′)是扣除结合水所占据的范围以外的空隙面积。 实际过水断面(A′) 实际过水断面与过水断面的关系： ne—有效空隙度。 既然A不是实际的过水断面，可知V也并非真实的流速，而是假设水流通过包括骨架与空隙在内的断面(A)时所具有的一种虚拟流速。 如果把渗透流量平均到含水层的实际过水断面上，所得到的流速即为实际流速u，即： 而： ∴ 5.4.2.2 水力梯度(I)(hydraulic gradient) 水力学中水力坡度(J)：单位距离的水头损失。 水力梯度为沿渗透途径上的水头损失与相应的渗流长度之比。即： 水力梯度可以理解为水流通过单位渗透途径为克服摩擦阻力所消耗的机械能。 5.4.2.3 渗透系数K (Co