第八章 地下水向完整井的稳定流运动
明渠恒定流(均匀流与非均匀流)
水力学教案 第六章明槽恒定流动 【教学基本要求】 1、了解明槽水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形断面明渠的几何特征和水力要素。 2、了解明槽均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明槽均匀流公式，并能应用它来进行明渠均匀流水力计算。 3、理解水力最佳断面和允许流速的概念，掌握水力最佳断面的条件和允许流速的确定方法，学会正确选择明渠的糙率n值。 4、掌握明槽均匀流水力设计的类型和计算方法，能进行过流能力和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。 5、掌握明渠水流三种流态（急流、缓流、临界流）的运动特征和判别明渠水流流态的方法，理解佛汝德数Fr的物理意义。 6、理解断面比能、临界水深、临界底坡的概念和特性，掌握矩形断面明渠临界水深h k 的计算公式和其它形状断面临界水深的计算方法。 7、了解水跃和水跌现象，掌握共轭水深的计算，特别是矩形断明渠面共轭水深计算。 8、能进行水跃能量损失和水跃长度的计算。 9、掌握棱柱体渠道水面曲线的分类、分区和变化规律，能正确进行水面线定性分析，了解水面线衔接的控制条件。 10、能进行水面线定量计算。 11、了解缓流弯道水流的运动特征。 【内容提要和教学重点】 这一章是工程水力学部分内容最丰富也是实际应用最广泛的一章。 本章有4个重点：明渠均匀流水力计算；明渠水流三种流态的判别；明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析和计算，这部分也是本章的难点；水跃的特性和共轭水深计算。学习中应围绕这4个重点，掌握相关的基本概念和计算公式。 明渠水流的复杂性在于有一个不受边界约束的自由表面，自由表面能随上下游的水流条件和渠道断面周界形状的变化而上下变动，相应的水流运动要素也发生变化，形成了不同的水面形态。
地下水向不完整井的运动
地下水动力学习题 主讲：肖长来教授 卞建民博士 6 地下水向不完整井的运动 要点：本章主要介绍地下水向不完整井的运动，其内容包括地下水向不完整井的运动特点；井底、井壁进水的稳定承压不完整井流公式；稳定潜水不完整井流公式；非稳定的不完整井流公式以及公式的应用等。 本章要求掌握不完整井流特点、各公式的适用条件，应用有关公式预报地下水位以及利用抽水试验资料确定含水层的水文地质参数等方法。 6.1 不完整井流的特点 习题6-1 一、填空题 1．根据过滤器在含水层中进水部位的不同，将不完整井分为：_________，______________和____________三种类型。 2．实验证明，在r＜（1.5~2.0）M范围内，地下水流是__________，而在此范围以外，水流为_________，因此，在二维流区可按________的方法确定水文地质参数。 3．不完整井的降深要____________同样条件下完整井的降深。 4．在相同条件下，不完整程度（l／M）大的井流量要_______不完整程度小的井流量。当l／M=1时，流量达到_________。 5．不完整井的流量与过滤器在含水层中的位置有关。当过滤器位于__________时，流量最大，而当过滤器________________时，流量最小。 二、判断题 6．因为在同一降深条件下，不完整井的流量要小于完整井的流量，所以开采地下水时，都应采用完整井。（） 7．用井点疏干的方法降低地下水位时，不完整井的效果更佳。（） 三、分析题 8．试绘出图6-1中当过滤器位于承压含水层中不同位置时的流网。
图6-1 9．实验证明，在各向同性含水层中，当r≥（1.5~2.0）M时，抽水井不完整程度的影响就可以忽略。那么，对各向异性含水层，则要求r为多大时才能忽略抽水井不完整程度的影响？ 10．试分析含水层的各向异性对不完整井流量的影响。 6.2 稳定的不完整井流 维里金（Verigin）导出了不完整井抽水时任意点的降深公式： 承压水：(ln0.5) 2c Q R s KM r ξ π =+(5—1) 潜水：() 2l n0.5 c Q R H s s K r ξ π ?? -=+ ? ?? (5—2) 式中： c ξ为不完整井的阻力系数。对承压含水层，当过滤器紧靠隔水顶板（c=0，c为过滤 器顶部至隔水顶板的距离）时， c ξ值由表6—1确定，而当过滤器位于含水层中部（c≠0） 时， c ξ值由表6—2确定。对潜水含水层，则表6—1和表6—2中的M用 () 2 w s H-，l用0 () 2 w s l-，c用 () 2 w s c-代替即可。 表6-1 不完整井阻力系数 c ξ值（c=0）
第四章 地下水向完整井的稳定运动
第四章 地下水向完整井的稳定运动 一、名词解释 1. 潜水完整井：贯穿整个潜水层，在全部潜水层上都安装过滤器，并能全面进水的水井。 2. 承压不完整井：不完全贯穿，没有完全揭露承压含水层，只有井底和部分含水层能进水的水井。 3. 降深：从井中抽水，井周围附近含水层的水流入井中，井中和井附近的水位将降低，水位降低值称为水位降深，简称降深。 4. 井损：井管外面的水通过过滤器的孔眼进入井内造成的水头损失和井管内部水向上运动至水泵吸水口的途中造成的水头损失，两者统称为井损。 5. 有效井半径：有限井半径是从井轴到井管外壁某一点的水平距离。在该点上，按稳定流理论计算的降深等于过滤器外壁的实际降深。 7. 叠加原理：如H1，H2，……，Hn 是关于水头H 的线性偏微分方程的特解，C1，C2，……，Cn 为任意常数，则这些特解的线性组合：∑==n i i i H C H 1，也是该 非齐次方程的解。 8. 干扰井：各井之间的距离小于影响半径时，彼此的降深和流量会发生干扰，这样的井称为干扰井。 二、填空题 1. 根据揭露含水层的厚度和进水条件，抽水井可分为完整井和非完整井两类。 2. 承压水井和潜水井是根据水井所揭露的含水层类型来划分的。 3. 从井中抽水时，水位降深在井中心处最大，而在降落漏斗的边缘处最小。 4. 对于潜水稳定井流，抽出的水量主要等于降落漏斗的体积乘以给水度；而对于承压水井，抽出的水量则等于降落漏斗的体积乘以弹性贮水系数。 5. 对潜水井来说，测压管进水口处的水头不等于测压管所在地的潜水位。 6. 填砾的承压完整抽水井，其井管外面的测压水头要高于井管里面的测压水头。 7. 地下水向承压水井稳定运动的特点是：流线为指向井轴的径向直线；等水头面为以井为共轴的圆柱面；各断面流量相等。 8. 由于裘布依公式没有考虑渗出面的存在，所以，仅当r>H 0时，用裘布依公式计算的浸润曲线才是准确的。 9. 在承压含水层中进行稳定流抽水时,通过距井轴不同距离的过水断面上流量处处相等，且都等于井的流量 。 12. 常见的Q ～Sw 曲线类型有直线型、抛物线型 、幂函数曲线数型和对数曲线型四种。
第四章 地下水向完整井的非稳定运动
第四章地下水向完整井的非稳定运动 一、填空题 1．泰斯公式的适用条件中含水层为____________的承压含水层；天然水力坡度近为_______；抽水井为______________，井流量为_________；水流为_____________。 2．在泰斯井流中，渗流速度随时间的增加而_______，当时渗流速度就非常接近_________。 3．定降深井流公式反映了抽水期间井中水位___________，而井外水位_________，井流量随时间延续而___________的井流规律。 4．泰斯井流中没有“影响半径”这个概念，但通常取用“引用影响半径”，其表达式为____________。 5．潜水非稳定井流与承压井流比较，主要不同点有三点：⑴导水系数是__________；⑵当降深较大时___________不可忽略；⑶从含水层中抽出的水量主要来自___________。 6．博尔顿第一模型主要是考虑了____________；第二模型主要考虑了_________。 7．第一越流系统是指不考虑__________和忽略____________的越流系统；第二越流系统是指考虑____________而不考虑____________的越流系统；第三越流系统是指考虑____________而忽略____________的越流系统。 8．将泰斯公式近似地应用于潜水井流的条件是____________，当井流降深 S＜0.1H 0(含水层初始厚度)时,公式形式为____________;当0.1H0＜s＜0.3H O 时, 公式形式为____________。 二、判断题 1．根据Theis公式，降深S随井函数自变量u的增大而增大。（） 2．当涌水量Q为定值时，Theis公式中的降深与井半径成正比。（）3．经过一定的抽水时间之后，在一定的径距范围内，承压漏斗曲线平行地下降。（）
第五章 地下水
第五章地下水的结构与运动 ? ●地下水系统的组成与结构 ●地下水类型 ●地下水的补给与排泄 ●地下水运动 ●地下水的动态与平衡 §5.1 地下水系统的组成与结构 ?地下水的贮存空间 ?地下水流系统 ?地下水系统垂向结构 地下水是存在于地表以下岩(土)层空隙中的各种不同形式水的统称。 一、地下水的贮存空间 1.含水介质、含水层和隔水层 通常把既能透水，又饱含水的多孔介质称为含水介质，这是地下水存在的首要条件。所谓含水层是指贮存有地下水，并在自然状态或人为条件下，能够流出地下水来的岩体。对于那些虽然含水，但几乎不透水或透水能力很弱的岩体，称为隔水层。 2.含水介质的空隙性与水理性 含水介质的空隙性：裂隙率(KT)、岩溶率(Kk)与孔隙率(n) 。含水介质的水理性质：与水分的贮容、运移有关的岩石性质称为含水介质的水理性质，包括岩土的容水性、持水性、给水性、贮水性、透水性及毛细性等。 3.蓄水构造 指由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能够富集和贮存地下水的地质构造体。主要有：单斜蓄水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄水结构、岩溶型蓄水结构等。 二、地下水流系统 地下水虽然埋藏于地下，难以用肉眼观察，但它象地表上河流湖泊一样，存在集水区域，在同一集水区域内的地下水流，构成相对独立的地下水流系统。
1.地下水流系统的基本特征 在一定的水文地质条件下，汇集于某一排泄区的全部水流，自成一个相对独立的地下水流系统，又称地下水流动系。与地表水系相比较具有如下的特征:空间上的立体性；流线组合的复杂性和不稳定性；流动方向上的下降与上升的并存性；区域范围一般比较小。 2.地下水域 地下水流系统的集水区域，为立体的集水空间。地下水域范围变化快，在地表上均存在相应的补给区与排泄区. 三、地下水系统垂向结构 1.地下水垂向层次结构的基本模式 包气带：土壤水带、中间过渡带及毛细水带等3个亚带；存在结合水(包括吸湿水和薄膜水)和毛管水； 饱和水带：潜水带和承压水带两个亚带；存在重力水(包括潜水和承压水)。 2.地下水不同层次的力学结构 分子力、毛细力和重力。 3.地下水体系作用势 重力势、静水压势、渗透压势、吸附势等分势组合为总水势。 §5.2 地下水类型 ?地下水基本类型的划分 ?包气带水 ?饱水带水(潜水和承压水) ?空隙水(孔隙水、裂隙水和岩溶水) 一、地下水基本类型的划分
第三章 地下水向完整井的稳定运动
第三章地下水向完整井的稳定运动 一、填空题 1．根据揭露含水层的厚度和进水条件，抽水井可分为_____和_____两类。 2．承压水井和潜水井是根据___________________来划分的。 3．从井中抽水时，水位降深在_______处最大，而在________处最小。 4．对于潜水井，抽出的水量主要等于_________。而对于承压水井，抽出的水量则等于_____________________。 5．填砾的承压完整抽水井，其井管外面的测压水头要______井管里面的测压水头。 6．在承压含水层中进行稳定流抽水时,通过距井轴不同距离的过水断面上流量_____，且都等于______。 7．影响半径R是指________________；而引用影响半径R0是指。 8．对有侧向补给的含水层，引用影响半径是_____________；而对无限含水层，引用影响半径则是______________。 9．在应用Q～S w的经验公式时，必须有足够的数据，至少要有____次不同降深的抽水试验。 10．常见的Q～S w曲线类型有______、______、_______和______四种。 11．确定Q～S w关系式中待定系数的常用方法是______和______。 12．最小二乘法的原理是要使直线拟合得最好，应使________最小。 13．在均质各向同性含水层中，如果抽水前地下水面水平，抽水后形成______的降落漏斗；如果地下水面有一定的坡度, 抽水后则形成_______的降落漏斗。 14．对均匀流中的完整抽水井来说，当抽水稳定后，水井的抽水量等于。 15．驻点是指______________。 16．在均匀流中单井抽水时，驻点位于____________，而注水时，驻点位于____________。 17．通常假定井径的大小对抽水井的降深影响不大，这主要是对_________而言的，而对井损常数C来说_________。 18．确定井损和有效井半径的抽水试验方法，主要有_______和_______。 19．在承压水井中抽水，当___________时，井损可以忽略；而当_______
第五章地下水资源
第五章地下水资源计算 地下水是水资源的重要组成部分，在区域水资源分析计算中，查清地下水资源的数量、质量及时空分布特点，掌握地下水资源的循环补给规律，了解地下水与地表水之间的转化关系，不仅能为农业生产、水利规划提供科学根据，而且也能为城市规划、工业布局及国防建设等提供可靠的依据。 区域地下水资源分析计算的对象一般指浅层地下水，评价的重点是水量。多数地区以分析矿化度不大于2g/L的淡水资源为主，有些地区对矿化度2～5g/L的微咸水及大于5g/L的咸水也进行计算与评价。 地下水资源计算的基本方法主要有四大储量法、地下水动力学法、数理统计法及水均衡法等。水均衡法建立在地下水各补给项、各排泄项和地下含水层蓄变量等区域水平衡分析的基础上，是平原区地下水资源常用的计算方法，本章将主要介绍这种方法。 第一节概述 一、地下水的垂直分布 地面以下水分在垂直剖面上的分布可以按照岩石空隙中含水的相对比例，以地下水面为界，划分为两个带：饱和带和包气带。在包气带，岩石的空隙空间一部分被水所占据，还有一部分为空气所占据。在大多数情况下，饱和带的上部界限，或者是饱和水面，或者覆盖着不透水层，其下部界限则为下伏透水层，如粘土层。 包气带（充气带）从地下水面向上延伸至地面。它通常可进一步划分为3个带：土壤水带、中间带和毛细管带。土壤水带的水分形式主要有结合水、毛细水和一些过路性质的重力水。中间带的水为气态水、结合水和毛细水。毛细管带内的水分含量随着距潜水面高度的增加而逐渐减少，在毛细管带中，压力小于大气压力，水可以发生水平流动及垂直流动。 饱和带岩石的所有空隙空间均为水所充满，有重力水，也有结合水。重力水是开发利用的主要对象。 图5.1 地面以下水的分布
水力学常用计算公式
1、明渠均匀流计算公式: Q=Aν=AC Ri C=n 1Ｒy （一般计算公式）Ｃ=n 1 R 61 （称曼宁公式） 2、渡槽进口尺寸（明渠均匀流） gZ 2bh Q ＝ z ：渡槽进口的水位降（进出口水位差） ε：渡槽进口侧向收缩系数，一般ε＝0。8～０。9 b:渡槽的宽度（米） h ：渡槽的过水深度(米) φ：流速系数φ=０。８~0．９5 3、倒虹吸计算公式： Q ＝mA z g 2（m 3/秒) 4、跌水计算公式： 跌水水力计算公式：Q ＝εmB 2 /30g 2H ， 式中：ε—侧收缩系数，矩形进口ε＝0.85～0.95；， B —进口宽度（米）；m —流量系数 5、流量计算公式: Ｑ=Aν 式中Q —-通过某一断面的流量，m ３/ｓ； ν——通过该断面的流速，ｍ/ｈ A —-过水断面的面积，ｍ2。 6、溢洪道计算 １)进口不设闸门的正流式开敞溢洪道 （1）淹没出流：Ｑ=εσＭBH 2 3 ＝侧向收缩系数×淹没系数×流量系数×溢洪道堰顶泄流长度×溢洪水深2 3 （２）实用堰出流：Q=εＭBH 2 3
=侧向收缩系数×流量系数×溢洪道堰顶泄流长度×溢洪水深2 3 2）进口装有闸门控制的溢洪道 (1）开敞式溢洪道。 Q ＝εσMＢH 2 3 ＝侧向收缩系数×淹没系数×流量系数×溢洪道堰顶泄流长度×溢洪水深2 3 （2)孔口自由出流计算公式为 Ｑ=ＭωH =堰顶闸门自由式孔流的流量系数×闸孔过水断面面积×H 其中：ω=be 7、放水涵管（洞)出流计算 １）、无压管流 Q ＝μＡ02gH =流量系数×放水孔口断面面积×02gH 2)、有压管流 Q ＝μA 02gH =流量系数×放水孔口断面面积×02gH 8、测流堰的流量计算—-薄壁堰测流的计算 １）三角形薄壁测流堰,其中θ＝90°，即 自由出流：Q ＝1。4H 2 5或Ｑ＝1.34３H 2.47（2—15) 淹没出流:Ｑ＝（1。4H 25)σ（2-16） 淹没系数:σ=2)13.0( 756.0--H h n +0.145(2-１7) 2）梯形薄壁测流堰,其中θ应满足t ａnθ= 4 1 ，以及b ＞３H,即 自由出流：Q ＝０．42b g 2H 2 3＝1.８6bH 2 3（２—１8）
第九章 地下水向完整井的非稳定运动
第9章地下水向完整井的非稳定运动 1 M 9.1 承压含水层中的完整井流 （一）泰斯模型水文地质条件（八个假设） ①承压含水层均质、各向同性，等厚且水平分布，水和含水层均假定为弹性体；②无垂向补给、排泄，即W ＝0；③渗流满足达西定律； ④完整井，假定流量沿井壁均匀进水； ⑤水头下降引起地下水从储量中的释放是瞬时完成的；⑥抽水前水头面是水平的； ⑦井径无限小且定流量抽水；⑧含水层侧向无限延伸。 在上述假设条件下，抽水后将形成以井轴为对称轴的下降漏斗，将坐标原点放在含水层底板抽水井的井轴处，井轴为Z 轴，如图4-1所示。 图4-1 承压水完整井流 分析定流量抽水条件下形成轴对称井流流场，其定解问题可写为： ()()()()()() ?? ???? ?? ?>=??>=∞∞<≤=>∞<≤??=??????????+??→0 )(2lim 0 ,0 0,0,0 10 0022t Q r H rT t H t H r H r H t r t H r H r r H r 常量πα（二）数学模型 (4-1)(4-2)(4-3)(4-4) 此时，单井定流量的承压完整井流，可归纳为如下的数 学模型： 式中，s=H 0-H 。下边研究如何求降深函数s (r, t)。为 此，利用Hankel 变换，将方程式(4-1)两端同乘以rJ 0(βr)，并在(0,∞)内对r 积分。 2 * 2 1s s u s r r r T t ???+=???t>0，0
第四章地下水向完整井的稳定运动
第四章 地下水向完整井的稳定运动 一、填空题 1．根据揭露含水层的程度和进水条件，抽水井可分为 和 两类。 2．承压水井和潜水井是根据 来划分的。 3．从井中抽水时，水位降深在 处最大，而在 处最小。 4．对于潜水井，抽出的水量主要等于 。而对于承压水井，抽出的水量则等 于 。 5．对承压完整井来说，水位降深s是 的函数。而对承压不完整井，井流附近的水位降深s是 的函数。 6．对潜水井来说，测压管进水口处的水头 测压管所在地的潜水位。 7．填砾的承压完整抽水井，其井管外面的测压水头要 井管里面的测压水头。 8.有效井的半径是指 。 9．地下水向承压水井稳定运动的特点是：流线为指向 ；等水头面 为 ；各断面流量 。 10．实践证明，随着抽水井水位降深的增加，水跃值 ；而随着抽水井井径的增大，水跃值 。 11．由于裘布依公式没有考虑渗出面的存在，所以，仅当 时，用裘布依公式计算的浸润曲线才是准确的。 12．影响半径R是指 ，而引用影响半径R0是指 。 13．对有侧向补给的含水层，引用影响半径是 ；而对无限含水层，引用影响半径则 是 。 14．在承压含水层中进行稳定流抽水时，通过距井轴不同距离的过水断面上流量 ，且都属 于 。 二、判断选择题 1．在下有过滤器的承压含水层中抽水时，井壁内外水位不同的主要原因是由于存在井损的缘故。（ ） 2．凡是存在井损的抽水井也就必定存在水跃。（ ） 3．在无限含水层中，当含水层的导水系数相同时，开采同样多的水在承压含水层中形成的降落漏斗体积要比潜水含水层大。（ ） 4．抽水井附近渗透性的增大会导致井中及其附近的水位降深也随之增大。（ ） 5．在过滤器周围填砾的抽水井，其水位降深要小于相同条件下未填砾抽水井的水位降深。（ ） 6．只要给定边界水头和井内水头，就可以确定抽水井附近的水头分布，而不管渗透系数和抽水量的大小如何。（ ） 7．在无限含水层中，随着抽水时间的持续，降落漏斗不断向外扩展，引用影响半径是随时间而改变的变数。（ ） 8．无论是潜水井还是承压水井都可以产生水跃。（ ） 9．在无补给的无限含水层中抽水时，水位永远达不到稳定。（ ）
地下水向完整井的非稳定运动
4 地下水向完整井的非稳定运动 要点：本章主要介绍地下水非稳定井流的有关公式及应用。非稳定井流公式主要包括承压井流泰斯（Theis ）公式、雅柯布（Jacob ）公式、流量呈阶梯状变化时计算公式、恢复水位公式、定降深公式、不同条件下的越流公式以及无外界补给的潜水井流的博尔顿（ Boulton ）及纽曼（Neuman ）公式。上述可以用于相应条件下的动态预报，以及利用抽水试验资料求含水层的水文地质参数等。 本章是全书重点之一。要求学生掌握各公式及其适用条件，并能用来分析解决实际问题；掌握如何用抽水试验资料确定水文地质参数的方法。 4.1 无限分布的承压完整井流 本节主要介绍泰斯公式及其求参数方法，如表4—1所示。此外介绍均质各向异性岩层 式中：y x T T T ?=*称为等效导水系数；y x T T ,—分别为长、短轴主渗透方向上的导水系 数；)(n u W —泰斯井函数；)4/(2 *t T r u n n μ=，式中的T n 为与x （长）轴成)(n αθ+夹角 方向上的导水系数，其值为： ) (sin )(cos 2 2n n x n T T αθβαθ+++= （4-2） 式中：θ—第一条观测线（即第一观测孔与抽水井的联线）与x 轴（长轴方向）的夹角。
注：表中（W（u））、〔u〕、（s）、（t）等为配合点的坐标值;t0，P0，（t/r2）0为直线在相应横轴上的截距；t s、r s、、（t/r2）为直线在纵轴上截距为s0时的对应横坐标值，i为直线的斜率，s A、t A为曲线上任一点坐标值。
如图4-1(b)所示： a n —第n 条观测线与第一观测线的夹角； θαθαθθβ2 2222*sin )(sin ) (cos cos )(n n n n v y x b b T T T T -++-=== (4-3) n n T T b 1= ;由212T T b =和3 13T T b =联立求解有： 32 22233 222232sin )1(2sin )1(sin )1(sin )1(22ααααθ-------=b b b b tg （4-4） * 2**T b a r T T a b T T b a T s s n n s s y s s x ===；； s s b a 、—分别为椭圆长短主轴的长度。 二、利用抽水试验资料求参数的步骤 （一）主渗透方向已知 在主渗透方向已知的情况下，最少需要两个观测孔（此时2αθ与已知）才能求参数，其具体步骤为： 1．根据两孔观测资料和式（4-l ），分别用泰斯配线法求2 * 1 * * T T T μμ和 、值。 2. 计算主渗透方向上的导水系数T x 和T y 值。因为)/( )( 1 * 2 * T T b μμ=所以b 2求出后，根 据式（4-3）就可求出β值，然后再根据（4-3）式求主渗透方向上的导水系数T x 和T y ，即： θ αθαθθβ2 2222222sin )(sin ) (cos cos b b -++-= y x y T T T T ?== ββ ,* 3．计算观测孔方向上的导水系数T 1、T 2值。依式（4-2）可求： θ βθ221sin cos += x T T ) (sin )(cos 22 222αθβαθ+++= x T T
第三章 地下水向完整井的稳定运动
第三章地下水向完整井的稳定运动 §3-1 概述 一、水井的类型 根据水井井径的大小和开凿方法，分为管井和筒井两类。 管井：直径通常小于0.5m，深度大，常用钻机开凿。 筒井：直径大于1m，深度浅，通常用人工开挖。 根据水井揭露的地下水类型，水井分为潜水井和承压水井两类。 根据揭露含水层的程度和进水条件不同，可分为完整井和不完整井两类。 完整井：水井贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都安装有过滤器，并能全面进水的井。 不完整井：水井没有贯穿整个含水层，只有井底和含水层的部分厚度上能进水的井。如图。 二、井附近的水位降深 1. 水位降深 水位降深：初始水头减去抽水t时间后的水头，也简称降深。用s表示。 降落漏斗：抽水时，井中心降深最大，离井越远，降深越小，总体上形成的漏斗状水头下降区。 2. 抽水时，地下水能达到稳定运动的水文地质条件 (1) 在有侧向补给的有限含水层中，当降落漏斗扩展到补给边界后，侧向补给量和抽水量平衡时，地下水向井的运动便可达到稳定状态。 (2) 在有垂向补给的无限含水层中，随着降落漏斗的扩大，垂向补给量不断增大。当它增大到与抽水量相等时，将形成稳定的降落漏斗，地下水向井的运动也进入稳是状态。 (3) 在没有补给的无限含水层中，随着抽水时间的延长，水位降深的速率会越来越小，降落漏斗的扩展越来越慢，在短时间内观测不到明显的水位下降，这种情况称为似稳定状态，也称似稳定。 3. 井径和水井内外的水位降深 一般抽水井有三种类型：未下过滤器、下过滤器和下过滤器并在过滤器外填砾。如图。 (1) 未下过滤器的井：井的半径就是钻孔的半径，井壁和井中的水位降深一致。 (2) 下过滤器的井：井的直径为过滤器的直径，井内水位比井壁水位低。 井损：水流流经过滤器的水头损失和在井内部水向上运动至水泵吸水口时的水头损失统称为井损。 (3) 过滤器周围填砾的井：井周围的渗透性增大，水力坡度变小，所以降深变小。但是，井损还存在。这种条件下，井的半径应用有效井半径。 有效井半径：是由井轴到井管外壁某一点的水平距离。在该点，按稳定流计算的理论降深正好等于过滤器外壁的实际降深。 4. 假设条件 本章以后几节中共有的假设条件：
第四章 地下水的赋存
第四章地下水的赋存 §4.1 包气带与饱水带 一、包气带、饱水带定义 二、包气带与饱水带界面的划分标准：以初见地下水水位为依据。 三、包气带形态、分带以及研究意义 1、形态：不同部位、不同时间运动方向、速度都在变化，是x、y、t的函数，受到气象因素影响严重。 2、分带：1）土壤水带2）中间带3）毛细水带 3、研究意义： 1）降水要经过包气带下渗，地下水蒸发排泄也必然经过包气带。 2）包气带水盐的形成及其运动规律对饱水带水的形成有重要意义。 4、包气带中水的几种形式：结合水、毛细水、气态水、过路重力水 四、饱水带的特征 1、饱水带中岩石的空隙完全被液态水充满。 2、饱水带中水是连续分布的，可以传递静水压力，在水头差的作用下可以发生连续运动。这也是打井一定要打到饱水带的重要原因。 饱水带中的重力水是开发利用或排除的主要对象。 §4.2 含水层、隔水层与弱透水层 一、含水层、隔水层的定义。 1、按照渗透性可以分为透水层和不透水层。 2、含水层：能够透过并给出相当数量水的饱水岩层。 3、隔水层：不能透过与给出水，或者透过与给出的水量微不足道的岩层。不透水层通常称为隔水层。 4、弱透水层：在越流场很有意义。 二、含水层的构成条件（三个） 1、岩土体必须具备饱含重力水的空隙——空间问题。 2、具有有利于地下水聚集和储存的地质构造。 （1）含水层下要有隔水层，使得水不能向下渗漏；（2）在地下水流动方向上要有阻水构造，使得水不能排空。 3、要有充足的补给来源。 三、含水层和隔水层的相对性 1、隔水层的相对性1）没有绝对隔水的岩层；2）粘土层也可以含水；3）石英岩在多数地区是富水的，但是在华北震旦系的石英岩又是隔水的。4）不同岩性组合时，隔水层是对的。如细砂层。 2、含水层划分的相对性 1）释出多少水就是含水层并无定量绝对指标。要根据供水意义和研究目的来区别。 2）地表的亚粘土覆盖在砂砾石层上，两种情况。 3）供水意义： 四、含水层、隔水层、透水层的相互转化 五、野外如何判断含水层 1、仔细研究岩性，不同岩性的储水空间也不同。 2、研究岩层的组合关系。 3、地质构造条件的分析。 4、地貌条件分析。 六、含水层概念的回顾
第5章 地下水
第五章 地下水 地下水，是贮存于包气带以下地层空隙中的水。地下水是水资源的重要组成部分,由于 水量稳定,水质好，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一。 全球地下水分布面积达 1.3 亿平方公里，总水量 830 万立方公里，占全球总水量的 0.59%，占淡水总量的 22%，是人们生活和生产的重要供水水源。 一些有关的概念 透水层：水能渗流通过的岩层（如松散的砂砾层、砂岩）。 隔水层（不透水层）：水不能渗流通过的岩层（如泥岩）。 含水层：透水层中蓄满了地下水的部分。 潜 水：位于第一个隔水层之上的含水层中具有自由表面的地下水。 承压水：位于两个隔水层之间的含水层中的地下水。
大量抽取地下水会使潜水面明显降低、形成以抽水井为中心的潜水面“降落漏斗”
几口相邻的抽水井可形成几个交切的潜水面“降落漏斗”。
排污管线井 潜水面 一、 岩土的水理性质 二、 地下水类型 三、地下水对建筑工程的影响 一、 岩土的水理性质
1. 含水性 含水性指岩土含水的性质。表示方法有：
（1）容水度:指岩土空隙所能容纳的最大的水的体积与岩土体积之比,以小数或百分数表示。 一般情况下,容水度在数值上与孔隙度、裂隙率或岩溶率相等。
（2）持水度：重力作用时岩土仍能保持的水（结合水）的体积与岩土体积之比。 饱水岩石在重力作用下释水时，一部分水从空隙中流出，另一部分水由于分子 力及毛细力的作用仍保持在空隙中。
2. 给水性 给水性指岩土在重力作用下排出水的性质。表示方法： 给水度～指饱水岩土在重力作用下排除水的体积与岩土体积之比。 数值上： 给水度＝容水度－持水度
3. 透水性 透水性是指岩土允许重力水渗透的能力。常用渗透系数表示。
岩石渗透试验 土体渗透试验 二、 地下水类型 1.按含水层的空隙性质分类 孔隙水 裂隙水 岩溶水
2.按埋藏条件分类 潜水 承压水 包气带水
幻灯片 14 三、 地下水对建筑工程的影响 幻灯片 15 1.地下水位下降引起软土地基沉降
大面积抽取地下水引起地面沉降 宁波地面沉降情况
宁波市是全国地面沉降较为严重的城市之一，始于 1964 年的地面沉降与地下水开采和 地下水位下降有密切关系。 宁波地区地下水类型
宁波城区主要是开采 I、II 层承压水。 1986 年后地下水开采量逐年减少，地面沉降的速率减缓，但由于地面沉降的滞后性，
累积地面沉降量一直增大。
2007 年，宁波市出台了《宁波市地面沉降“十一五”防治规划》，确定了海曙区、江东 区和江北区等 23 个街道（镇）为禁采区，除留下水位监测和应急供水井外，其余开采 井作封井处理，2008 年底达到零开
4第四章 地下水的赋存
第四章 地下水的赋存 地表到地下水面称为––––包气带，或非饱和带（unsaturated zone)。 地下水面以下称为––––饱水带，或饱和带（saturated zone ）。 包气带水将在第6章讨论，本章讨论饱水带地下水的赋存。 4．1 含水层、隔水层与弱透水层 岩层按其传输及给出水的性质分为： 含水层––––饱水并能传输与给出相当数量水的岩层； 隔水层––––不能传输与给出相当数量水的岩层。 弱透水层–––本身不能给出水量．但垂直层面方向能够传输水量的岩层，粘土、重亚粘土等。 1．含水层（aquifer ）––––饱含水的透水层。既含水又透水。 2．隔水层（aquifuge 既不含水也不透水；aquiclude 含水不透水）––––不透水层。 构成含水层的条件： a. 岩层发育有储水空隙； b. 有隔水层阻挡； c. 有水的补给来源； d. 适当的地形地貌条件。 研究水的运动规律––––土壤水动力学 研究水的运动规律––––地下水动力学 含水层 饱含水；能够透过水； 并能给出相当数量水的岩层。 砂、砂砾石层，石灰岩、白云岩等。
含水层与隔水层是相对的。含水层与隔水层的定义取决于运用它们的具体条件： 1）同一岩层，在有些地方作为含水层，而在另外一些地方作为隔水层（用水量不同）； 2）同一岩层，当涉及某一问题时作为含水层，而涉及另外一些问题时作为隔水层（涉及问题不同）。 如：大型供水与小型供水：亚砂土；矿山排水与小型供水：相对于O岩溶水，C－P砂页岩作为隔水层；在缺水地区，C－P中的砂岩可作为含水层。 3．弱透水层(aquitard) 在相当长一个时期内，人们把隔水层看作是绝对不透水的，20世纪40年代雅可布（C. E. Jacob）提出越流概念后，人们才逐渐认识到性质上介于隔水层与透水层之间的–––弱透水层。 弱透水层往往过水断面较大→交换水量也较大。 自然界中不存在绝对不发生渗透的岩层。同时还要考虑时间尺度，如在含水层中抽水时，有的岩层短期内透水性不明显，但长时间抽水时，水位下降，透水明显。含水层与整个弱透水层一起构成一个统一的含水系统。 有的岩石顺层透水，垂直层面隔水。如页岩与薄层石灰岩互层时，往往顺层透水，而垂直层面隔水。 4．2 含水系统 含水系统(aquifer system) ––––由隔水或相对隔水边界圈围的，内部具有统一水力联系的赋存地下水的岩系。 由含水层和相对隔水层组合而成的含水系统，才是地下水的基本功能单元。 赋存于含水系统中的地下水是一个整体，具有统一水力联系的含水系统，是一个对外界激励作出整体响应的系统，是相对独立而又统一的水量、盐量和热量均衡单元，是地下水资源评价、开发和管理的功能单元。 不仅松散沉积物可以形成含水系统，基岩中同样可形成含水系统。 含水系统通常仍然存在开放边界，接受补给和进行排泄。 含水系统存在级次性。 4．3 潜水、承压水和上层滞水 潜水phreatic water 、underground water 承压水confined water 上层滞水perched water 饱水带的地下水，按其埋藏条件，可以划分为潜水(unconfined groundwater)、承压水(confined groundwater)和上层滞水(perched groundwater)。按其含水介质，可以划分为孔隙水(pore water)、裂隙水和岩溶水(喀斯特水，karst water) （一）潜水
3 地下水向完整井的稳定运动
3 地下水向完整井的稳定运动 要点：本章是全书的重点之一，主要介绍地下水向完整井的稳定运动理论及相应计算公式，包括裘布依（Dupuit）公式、蒂姆（Thiem）公式、非线性层流井流公式、井流量与降深间的随机关系式以及均匀流中的井流公式。 通过本章习题的练习，要求学生在掌握稳定井流理论的基础上，能熟练利用计算公式确定相应条件下的水井涌水量（或水头）和含水层的渗透系数（或导水系数），提高分析和解决实际问题的能力。 表3—1给出了用稳定流抽水试验资料求渗透系数的公式。 3.1 井流 习题3-l 一、填空题 1．根据揭露含水层的程度和进水条件，抽水井可分为和两类。 2．承压水井和潜水井是根据来划分的。 3．从井中抽水时，水位降深在处最大，而在处最小。 4．对于潜水井，抽出的水量主要来自含水层的疏干，它等于。而对于承压水井，抽出的水量则主要来自含水层的弹性释水，它等于。 5．对承压完整井来说，水位降深s是的函数。而对承压不完整井，井流附近的水位降深s是的函数。 6．对潜水井来说，测压管进水口处的水头测压管所在位置的潜水位。 7．填砾的承压完整抽水井，其井管外面的测压水头要井管里面的测压水头。 8. 有效井半径是指。 二、判断题 9．在下有过滤器的承压含水层中抽水时，井壁内外水位不同的主要原因是由于存在井损的缘故。（） 10．凡是存在井损的抽水井也就必定存在水跃。（） 11．在无限含水层中，当含水层的导水系数相同时，开采同样多的水在承压含水层中形成的降落漏斗体积要比潜水含水层大。（） 12．抽水井附近渗透性的增大会导致井中及其附近的水位降深也随之增大。（）13．在过滤器周围填砾的抽水井中，其水位降深要小于相同条件下未填砾抽水井的水位降深。（） 三、分析题 14．在潜水流中某一断面的不同深度设置三根测压管（图3-1）。管a的进水口位于潜水面附近，管b的进水口位于含水层中部，管c则位于隔水底板附近。试问各测压管水位是否
第五章 地下水向边界附近井的运动 一、填空题 1
第五章地下水向边界附近井的运动 一、填空题 1．应用映射法时，若实井为抽水井，那么对于定水头补给边界进行映射时，虚井为_____；如果对于隔水边界进行映射，虚井为_____。 2．对于有界含水层的求解，一般把边界的影响用_____的影响来代替。 3．直线补给边界附近的抽水井，当抽水降落漏斗还没有扩展到边界时，水流为_____流；当降落漏斗扩展到了边界时，水流趋于_____流。 4．当直线边界的方位未知时，则至少需要_____个观测孔的资料才能确定边界的方位。 5．对直线补给边界附近的抽水井来说，井流量中的补给量占井流量百分比的大小取决于_________、__________和__________。对一定含水层来说，随______的增大，百分比值逐渐减小，但随______的延长，百分比值却逐渐增大。 6．对扇形含水层（包括象限含水层）映射时，对某一边界而言，不仅映出___的像，也要映出_____的像，且映射后边界的性质_____。连续映射的结果，使得实井与虚井的位置轨迹在平面上呈一个___形，且圆心位于__________，半径等于__________。 7．在两条隔水边界组成的象限含水层中，抽水后期，任一点的S～lgt直线段的斜率为条件相同的无限含水层情况下的S～lgt直线段斜率的____倍。 8．对于条形含水层中的抽水井，在应用映射法时，需要映射__________次，映射后就可得到一个__________长的等流量__________。 9．对于半无限条形含水层来说，映射以后得到了__________个__________。而矩形含水层使用映射法映射后，实井和虚井将按一定规则分布在整个__________。 二、判断题 1．映射法的基本原则是要求映射后，所得的无限含水层中的渗流问题，应保持映射前的边界条件和水流状态。（）
第4章地下水运动的基本规律
第四章地下水运动的基本规律学习目的和要求：深入理解和掌握达西定律，并能灵活应用。会绘制流网图。了 解饱水粘土中水的运动规律。达西定律是本门课程的重点之一。 4．1 重力水运动的基本规律有关概念：渗流、渗流场、层流运动、紊流运动、稳定流、非稳定流。 1．达西定律 （1）1856年达西通过实验得到达西定律。实验在沙柱中进行，根据实验结果得：
（2）达西定律也可以另一种形式表达： Ｖ＝ＫＩ （3）微分形式： 式中：负号表示水流方向与水力梯度方向相反，水流方向（坐标方向）：由水位高→ 低；而水力梯度方向：由等水位线低→高。
（4）在三维空间中（向量形式）： 若用标量表示，的三个分量分别为： ；；； 2．渗透流速（V） 有效孔隙度（n e）——为重力水流动的孔隙体积（不包括结合水占据的空间）与 岩石体积之比。 实际过水断面面积：ω’＝ωn e（n e 3．水力梯度（I） 水力梯度——沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。 4．渗透系数（K） 渗透系数——水力梯度等于1时的渗透流速。 关系：（１）I为定值时，K大，V大；K小，V小（V＝KI）；（２）V 为定值时，K 大，I小←→等水位线疏；K小，I大←→等水位线密。 渗透系数可定量说明岩石的渗透性：K大→渗透性强；K小→渗透性弱。 5．适用范围 达西定律：V＝KI，V与I的一次方成正比→线性渗透定律。适用于层流：Re<1~10 （详见地下水动力学）。绝大多数地下水的运动都服从达西定律。 4．2 流网 流网——在渗流场的某一断面上，由一系列等水头线与流线组成的网格。 流网的画法： 1．均质各向同性介质中的流网（稳定流） 第五章地下水开采对环境的影响 §1 地下水利用与环境 地下水是埋藏在地面以下的岩石和土壤孔隙中的重力水。常见的井水、泉水、包括岩溶发育地区的地下河等等，都是地下水 1.1 地下水是重要的水资源 ?地下水与地表水一样是人类社会得以生存和发展必不可少的水资源。 ?地下水作为一种资源，主要是从供水的角度来说的。地下水可以长期不间断地供应一定数量的水，以满足人类的需求。 例如：美国有47％的饮用水依靠地下水提供；英国有30％的饮用水来自地下水；我国：生活用水方面，有33.7%的大中城市主要以地下水作为供水水源，灌溉方面，北方纯井灌区占灌溉总面积约20%，海河流域在水资源开采zylh 中一般都是地下水。 1.2 地下水资源与环境密切相关 地下水资源与环境密切相关，可以从以下几个方面看出： ?地下水本身就是环境的一个重要组成部分：地下水资源的形成不仅与地质环境所提供的储存条件有关，而且与地表水体、大气降水的入渗补给的自然地理环境有关。因此，地表径流状况、大气降水量及其入渗条件的任何改变都将直接影响地下水资源的形成（包括数量和质量）。 ?地下水资源的形成与环境条件有着密切的联系。大气条件、地表水文径流影响地下水的补给、消耗和径流。 ?同时，地下水资源本身状态的改变又反过来对环境产生重大的影响。例如: 大量开采地下水会导致地下水位大幅下降，极大的改变天然的径流状态，相邻含水层之间的水力联系性质发生改变 ?此外,地下资源的开采，还会改变其上部：土壤的水盐均衡(表土盐量下行)；土壤生态系统平衡（河流流量减少，泉群消失，湖泊干涸，土壤破坏）；土层应力状态（地面沉降）；地面植被状态。 ?正是由于地下水对人类的重要性，和它与环境的复杂联系，在开发地下水资源的时候，必须充分考虑地下水与环境之间的相互制约关系，以达到兴利除弊、获得最佳的经济、社会和环境效益。 §2 地下水不合理开采引起的环境问题 2.1 由于地下水水量均衡被破坏而引起的区域地下水位持续下降及其严重后果 1、区域地下水位持续下降，水资源枯竭 原因：超采，补给不足，消耗储量——持续下降，资源枯竭 统计资料：（见图版） 北方各省平原区单位面积地下水蓄变量排序图：只有青海、辽宁、山东、宁夏的蓄变量是正的，其余均为负。 举例：河北漏斗；山西太原漏斗，山东沿海地区，江西南昌，湖北孝感，海南省等地下水环境 第5章 地下水开采对环境的影响