（優選）地下水動力學第一章ppt講解現在是1頁\一共有53頁\編輯于星期三§1.1滲流基本概念地下水在巖石空隙中的運動稱為滲流(seepageflow/groundwaterflow)。發生滲流的區域稱為滲流場。滲流場(flowfield)由固體骨架和巖石空隙中的水兩部分組成。滲流只發生在巖石空隙中。現在是2頁\一共有53頁\編輯于星期三多孔介質概念與特性我們把孔隙巖層稱為多孔介質(porousmedia).多孔介質特性:彼此連通的網絡，幾何形態及連通情況異常復雜，難以用精確的方法來描述。由固體骨架和孔隙組成，孔隙通道是不連續的。因此，無論是固體骨架，還是空隙空間，微觀上講都不是連續函數現在是3頁\一共有53頁\編輯于星期三普通水流與滲流共同點：1.總體流向取決于水頭差

2.流量取決于水頭差及沿程損耗區別：水在管道中運動取決于管道大小、形狀及粗糙度；滲流運動取決于空隙大小、形狀、連通性。現在是4頁\一共有53頁\編輯于星期三滲流特點通道是曲折的，質點運動軌跡彎曲；流速是緩慢的，多數為層流；水流僅在空隙中運動，在整個多孔介質中不連續；通常是非穩定的；通常為緩變流?，F在是5頁\一共有53頁\編輯于星期三一、典型體元

(Representativeelementaryvolume)在水力學中引進質點的概念，把水看成連續介質，則可用連續函數描述運動要素。為了把滲流場概化為多孔介質連續體，用連續函數描述，引進典型體元的概念。什么是典型體元呢？現以孔隙度為例來討論?，F在是6頁\一共有53頁\編輯于星期三典型體元(REV)的提出P1P2現在是7頁\一共有53頁\編輯于星期三典型體元(REV)概念的引入若P點取顆粒中心且V只取小于顆粒體積時孔隙率n=0；若P點取孔隙中心且V只取小于孔隙體積時孔隙率n=1；當V取值由一個顆?；蛞粋€孔隙逐漸放大時，n值會因隨機劃進的顆?；蚩紫扼w積而產生明顯的波動，但隨著V取值再增大，n值波動逐漸減小。當V取至某個體積時，孔隙率趨于某一平均值n，此時的V稱為典型體元(REV)，記為V０若再增大V使其大于V０，則有可能將P點外圍的非均質區也劃進來平均，此時n值可能又產生明顯的變化。

現在是8頁\一共有53頁\編輯于星期三典型體元的定義把V0稱為典型體元。引進REV后就可以把多孔介質處理為連續體，這樣多孔介質就處處有孔隙度了。REV究竟有多大？REV相對于單個孔隙是相當大的，但相對于滲流場又是非常小的。現在是9頁\一共有53頁\編輯于星期三理想滲流在REV的基礎上，引入理想滲流的概念：地下水充滿整個含水層或含水系統（包括空隙和固體骨架），滲流充滿整個滲流場。理想滲流等效簡化原則：理想滲流通過某斷面的流量應等于通過該內孔隙面積的實際流量：質量等效。理想滲流通過某巖層所受到的阻力與實際滲流所受到的阻力相等：能量等效。現在是10頁\一共有53頁\編輯于星期三概化后的理想滲流現在是11頁\一共有53頁\編輯于星期三二、地下水實際流速、滲透流速地下水實際流速—質點流速在以P點為中心REV體積上的平均值稱為地下水在P點的實際流速。滲透流速——假想滲流的速度，是假想的平均流速。實際流速在REV上的平均值?，F在是12頁\一共有53頁\編輯于星期三滲透流速與實際流速關系現在是13頁\一共有53頁\編輯于星期三滲透流速與實際流速關系現在是14頁\一共有53頁\編輯于星期三三、水頭與水力坡度某礫石含水層中，u=1.65cm/s現在是15頁\一共有53頁\編輯于星期三潛水含水層壓強與水頭圖1－1－4a潛水含水層的壓強與水頭現在是16頁\一共有53頁\編輯于星期三承壓含水層壓強與水頭圖1－1－4b承壓含水層的壓強與水頭現在是17頁\一共有53頁\編輯于星期三水力坡度大小等于dH/dn

，方向沿著等水頭線的法線方向指向水頭降低的方向的矢量定義為水力坡度，記為J?，F在是18頁\一共有53頁\編輯于星期三§1.2滲流基本定律--達西定律一、達西定律法國水力學家H.Darcy通過大量穩定流實驗得出：現在是19頁\一共有53頁\編輯于星期三二、達西實驗條件穩定達西實驗：得出滲透流速與水力坡度成正比即線性滲流定律，說明此時地下水的流動狀態呈層流。實驗條件：均勻介質，一維流動，穩定流，層流。是否適用：非均勻介質，二維或三維流動，非穩定流，層流條件？現在是20頁\一共有53頁\編輯于星期三非穩定流達西實驗（實驗一）：水自上部加入，用溢水管保持穩定水位，下部用管口出流，可通過它測定滲流量，用兩根測壓管來測量水頭值。達西定理：實驗結果：在非穩定流條件下，地下水運動仍滿足線性滲流定律三、變水頭達西實驗現在是21頁\一共有53頁\編輯于星期三達西定律：積分有：顯然t-lgH曲線應呈直線變水頭達西實驗原理現在是22頁\一共有53頁\編輯于星期三如實驗得到得t-lgH曲線呈直線，則說明達西定律也適用于不穩定流條件。可據直線斜率m求取土樣的滲透系數變水頭達西實驗求參現在是23頁\一共有53頁\編輯于星期三臨界雷諾數Re（J.Bear)：臨界滲透流速vc（巴甫洛夫斯基）：臨界水力梯度Jc（羅米捷）：達西定律下限問題（J0)層流區過渡區紊流區達西定律適用條件現在是24頁\一共有53頁\編輯于星期三達西定律的上下限？達西定律的應用條件現在是25頁\一共有53頁\編輯于星期三1901年福希海默提出Re>10時：1912年克拉斯諾波里斯基提出紊流公式：非線性滲透定律現在是26頁\一共有53頁\編輯于星期三微分形式：四、達西定律的微分形式現在是27頁\一共有53頁\編輯于星期三五、滲透系數（hydraulicconductivity）是重要的水文地質參數，它表征在一般正常條件下對某種流體而言巖層的滲透能力(permeability)v=KJ；當J=1時，K=vK在數值上是當J=1時的滲透流速，量鋼[L/T]；常用單位cm/s；m/d。滲透系數與哪些因素有關呢？現在是28頁\一共有53頁\編輯于星期三K=f(孔隙大小、多少、液體性質)巖層空隙性質（孔隙大小、多少）由流體的物理性質決定，與γ成正比，與μ成反比。流體的物理性質與所處的溫度、壓力有關。影響滲透系數大小的因素現在是29頁\一共有53頁\編輯于星期三滲透率k(intrinsicpermeability):比重；：動力粘滯性系數；滲透率k：反映介質幾何特性，量綱[L2]；常用單位：cm2；石油地質中用達西:1達西=9.8697*10-9cm2.表征反映介質幾何特性現在是30頁\一共有53頁\編輯于星期三滲透系數的表達式多孔介質（概化為等徑的平行毛細管束）：現在是31頁\一共有53頁\編輯于星期三滲透系數的表達式裂隙介質（概化為走向和縫寬相同的平行板）現在是32頁\一共有53頁\編輯于星期三按運動要素(v,p,H)是否隨時間變化，分：穩定流與非穩定流按地下水質點運動狀態的混雜程度，分： 層流、紊流與過渡區流態按地下水有無自由表面，分為：承壓流、無壓流、承壓—無壓流按巖層透水性以及對地下水所起作用，分 隔水層、含水層、透水層（弱透水層）按滲流速度在空間上變化的特點，分 一維流、二維流、三維流（見下頁）六、滲流分類現在是33頁\一共有53頁\編輯于星期三按滲流速度在空間上變化的特點，分

一維流、二維流、三維流

a.一維流：僅沿一個方向存在流速

b.二維流：沿兩個方向存在分流速 分：平面二維流、剖面二維流）

c.三維流： 三個方向均存在分流速xyz滲流分類現在是34頁\一共有53頁\編輯于星期三三維流圖示現在是35頁\一共有53頁\編輯于星期三巖層按滲透性分類按巖層滲透性隨空間和方向變化特點，分

均質各向同性、均質各向異性、 非均質各向同性、非均質各向異性

幾個概念： 各向同性、各向異性、均質、非均質現在是36頁\一共有53頁\編輯于星期三巖層按滲透性分類同一點各方向上滲透性相同的介質稱為各向同性介質(isotropymedium)；同一點各方向上滲透性不同的介質稱為各向異性介質(anisotropymedium)。均質(homogeneity)、非均質(inhomogeneity):指K于空間坐標的關系，即不同位置K是否相同；各向同性、各向異性:指同一點不同方向的K是否相同。現在是37頁\一共有53頁\編輯于星期三四種介質均質各向同性均質各向異性非均質各向同性非均質各向異性這兩對概念可任意組合現在是38頁\一共有53頁\編輯于星期三四種介質在各向同性介質中K為標量；在各向異性介質中K為張量。思考題：就以上四種介質，分別舉例說明自然界哪種巖層屬于相應的介質類型?，F在是39頁\一共有53頁\編輯于星期三小結上述分類標準不同，無從屬關系，可以組合均質與非均質，各向同性與各向異性概念容易混淆各向同性K為標量，各向異性K為張量各向同性流場，J與v共線各向異性流場，J與v一般不共線現在是40頁\一共有53頁\編輯于星期三滲透系數的張量表示式達西定律的推廣形式：各向同性介質各向異性介質§1.3各向異性介質中地下水流的達西定律現在是41頁\一共有53頁\編輯于星期三3.滲透系數張量的坐標軸轉換滲透主軸方向與所選x,y,z方向一致時滲透主軸方向與所選x,y,z方向不一致時，須進行坐標轉換以平面二維流問題為例：滲透系數張量的坐標軸轉換現在是42頁\一共有53頁\編輯于星期三3.滲透系數張量的坐標軸轉換滲透主軸方向與所選x,y,z方向不一致時，須進行坐標轉換以平面二維流問題為例：設R為旋轉矩陣滲透系數張量的坐標軸轉換現在是43頁\一共有53頁\編輯于星期三定義：地下水在非均質巖層中運動，當水流通過滲透系數突變的分界面時，出現流線改變方向的現象折射定理幾點討論：(1)當K1≠K2，α1≠0,流線才會折射(2)當K1=K2，α1=α2(3)只有在0<α1<90，才會折射(4)在層界面上發生的流線折射并不改變地下水流總方向，總體流向仍受邊界條件和源匯等控制。地下水通過非均質界面的折射現象現在是44頁\一共有53頁\編輯于星期三§1.4流網(flownets)一、定義滲流場中由一系列流線和等水頭線（等勢線）組成的網格稱為流網。各向同性介質中流線與等水頭線正交，流網為正交網格。因為各向同性介質中流速向量與水力坡度向量方向一致。各向異性介質中，流速向量與水力坡度向量方向不一致，因此流線與等水頭線一般不正交?，F在是45頁\一共有53頁\編輯于星期三二、各向同性介質中流網特征等水頭線（面）與流線（面）正交；等水頭線（面）與流線（面）不是兩個獨立問題，知道一方就可據正交原則推求另一方。正交網格中，每兩條流線間的流量相等?，F在是46頁\一共有53頁\編輯于星期三三、流網繪制：求解滲流場中運動要素的空間分布用數學方法求解運動方程：求解空間水頭分布繪制等水頭線；求解流函數繪制流線。物理模型模擬：水電比擬?，F場測定（測定水頭分布，繪制等水頭線，再據正交原則繪制流線）信手流網：據流場邊界性質和介質特性，半定量地繪制流網。現在是47頁\一共有53頁\編輯于星期三信手流網繪制原則：首先分析水文地質條件，搞清補給區、排泄區、或源匯項分布、邊界條件等。先繪制肯定的流線和等水頭線：隔水邊界是流線，無入滲、無蒸發條件下潛水面是流線，湖泊、河流邊界可看成等水頭線，