第六课 地下水与水井力学.ppt

第六章 地下水與水井力學 地下含水層與地下水 飽和含水層水份流動 定常性水井力學 非定常性水井力學 水層特性與地下水流特性 地下水 一般對地下水的定義，是指在地下水面以下，土壤或岩石孔隙中的水。換言之，埋藏在土壤、岩石的孔隙、裂隙和溶隙中各種不同形式的水統稱為地下水。 科學和工程上地下水的定義–只有位在地下水含水層(Groundwater aquifer)中的水才稱為地下水。 地下水的來源 絕大部分的地下水來自於降水，雷雨、雪等降到地面，一部分成為地表逕流，一部分蒸發掉，剩下的部分則沿岩層空隙滲入地下。這一部分的地下水是被涵蓋於水文循環之內的，與大氣和地表水之間循環。另有一部分的地下水則不屬於水文循環，這是所謂的古海水與化石水(Fossil water)等。 降水滲入地下後，因重力作用而向下滲透。當有足夠的水下滲時，這些水分會流經過土壤，持續往下滲流，直到抵達地下水位面(Groundwater table)進入地下水含水層；或者是在尚未抵達地下水位面就遇到了透水性低的黏土層，就棲息於其上，成為所謂的「棲息水」(Perched water)，由於這裡所提的黏土層並不連續，所以這並非真正的含水層(Aquifer)。 地下含水層與地下水 在地下水位以上為不飽和(unsaturated)，而在地下水位以下則為飽和(saturated)。在飽和土壤中水流流動過程為重力(gravity)與土壤顆粒間阻滯力(resistance)的抗衡，而在非飽和土壤中則因土壤顆粒間存在部份氣體，水流流動過程為重力、土壤顆粒間阻滯力以及土壤顆粒間負壓力之相互抗衡。 地下含水層(aquifer)為含有水份之可滲透土壤所形成的地質構造；微水層(aquiclude)是指含水層雖能蘊涵水量，但是水份之傳輸甚為緩慢；如黏土層、頁岩等。而絕水層(aquitard)則是指含水層既無法蘊涵水量，且亦無法傳輸水份；如花崗岩。 地下含水層特性 地下含水層特性 含水層可分為非限制含水層(unconfined aquifer)與限制含水層(confined aquifer)。棲留水層(perched aquifer)位在不透水層之上並且高於地下水位，是入滲水貯存於不透水層上方所形成的飽和水層。 地下含水層特性 土壤水層(soil water zone)：吸附水(hygroscopic water) 、毛管水(capillary water) 、重力水(gravitational water) 中間水層(vadose zone)：吸附水(hygroscopic water) 、毛管水(capillary water) 毛管水層(capillary zone)：吸附水(hygroscopic water) 、毛管水(capillary water) 地下水流特性 達西定律(Darcy’s law)可表示為 上式僅適用於水流雷諾數小於1的流況。 滲流速度Vs (seepage velocity) 等於V除以孔隙率η，即 地下水流特性 上式中K為水力傳導度(hydraulic conductivity)，或稱為滲透度(permeability)。 K值與土壤本身性質以及流體性質有關，常將K值表示為 式中k稱為土壤的原滲透度(intrinsic permeability)，代表含水層介質性質。 k值與流體性質無關；即 式中c為常數；d為土壤粒徑。 限制含水層水份移動 若定義S為蓄水係數，則由水流連續方程式可得 而單位寬度滲流流量q為 合併上二式可得 若含水層為均質與等向性則 定量流情況 非限制含水層水份移動 單位寬度之滲流流量q為 若土堤上方發生降雨或 以其它方式補注地下水，則 若含水層為均質與等向性則 定量流情況 限制含水層水井力學 含水層之壓力水頭面，以井為中心而下陷，稱之為洩降曲線(drawdown curve)或洩降錐(cone of depression)；圖中R稱為影響半徑(radius of influence) 。 若含水層為均質與等向性，則距井中心位置r處之穩定徑向流量Q為 非限制含水層水井力學 在均質性與等向性之非限制含水層的抽水量為 若有觀測井資料，則可得 複合井流場(限制含水層) 在限制含水層中 因此多井同時抽水之水壓面洩降，可以線性疊加方式表示為 複合井流場(非限制含水層) 定義水面洩降sw = H ? hw，當sw H時可得 因定常性含水層水位H可視為定值，所以2Hsw仍可視為線性。故可以線性疊加方式處理非限制含水層中，多井同時抽水問題如下 河川補注與抽水洩降 可假設於河流之右側有一灌水量為Q之補注井補注地下水層。因有此假想井(image well)存在，所以河流位置處之