1渗流理论基础

渗流场（flow domain）：假想水流所占据的空间区域，包括空隙和岩 石颗粒所占的全部空间。
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3、 典型单元体（REV，Representative Elementary Volume）：又称 代表性单元体，是渗流场中其物理量的平均值能够近似代替整个渗流场 的特征值的代表性单元体积。
速度水头（velocity head）：在含水层中的某点水所具有的动能转变为势能
时所达到的高度，量纲为L，即
，式中u为地下水在该点流动的速度；g
为重力加速度。
由于在地下水中水流的运动速度很小，故速头 似等于H，即:
可以忽略，所以h近
意义：渗流场中任意一点的水头实际上反映该点单位质量液体具有的总机械 能，地下水在运动过程中不断克服阻力，消耗总机械能，因此沿地下水流程，水 头线是一条降落曲线。
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若Re<Re临界，则地下水处于层流状态，此时液体质点互不混杂，呈 有秩序地层状运动；
若Re序地相 互混杂地流动。
Re临界≈ 150~300。天然地下水多处于层流状态。
3、稳定流与非稳定流 根据渗流运动要素是否与时间有关而进行的划分。 稳定流（steady flow）：渗流运动要素不随时间变化；在一定的
观测时间内水头、渗流速度等渗透要素不随时间变化的地下水运动。 非稳定流（unsteady flow）：渗流运动要素随时间变化；水头、
渗透速度等任一渗透要素随时间变化的地下水运动。
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4、一、二、三维流 根据渗流方向与所选坐标轴方向之间的关系来划分。 一维流运动：当地下水沿一个方向运动，将该方向取为坐标轴，
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二、 渗透与渗流
1、渗透:地下水在岩石空隙或多孔介质中的运动，这种运动是在弯 曲的通道中，运动轨迹在各点处不等。为了研究地下水的整体运动特征 ，引入渗流的概念。
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图1-1 岩石中的渗流 （a）实际渗透 (b)假想渗流
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若确定渗流场中任一点的渗流速度，可以按以下方法进行讨论： 设以P点为中心的REV的平均渗流速度矢量为v，令REV的体积为V0， 其中空隙体积为nV0，在空隙中的不同地点，流速u不同，将u 在全部空 隙体积nV0中求积分，再除以REV体积V0，即为渗流速度，表示为:
有效孔隙（Effective pores）是多孔介质中相互连通的、不为结合水 所占据的那一部分孔隙。
有效孔隙度（Effective Porosity）是多孔介质中有效孔隙体积与多 孔介质总体积之比（符号为ne），可表示为小数或百分数，ne=Ve/V。
死端孔隙（Dead-end pores ）是多孔介质中一端与其它孔隙连通、 另一端是封闭的孔隙。
(2) 渗流的要素可以微分、积分，可以用微分方程来描述。
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图1-2 REV( Representative Elementary Volume)
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4、渗流速度 （1）过水断面（Cross-sectional area）是渗流场中垂直于渗流
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(2) 连通性：封闭和畅通，有效和无效。 (3) 压缩性：固体颗粒和孔隙的压缩系数推导。 (4) 多相性：固、液、气三相可共存。其中固相的成为骨架，气相主要分
布在非饱和带中，液相的地下水可以吸着水、薄膜水、毛管水和重力水 等形式存在。
§1-1 渗流的基本概念
一、多孔介质及其特性
1、多孔介质的概念 多孔介质(Porous medium)：地下水动力学中具有空隙的岩石。广义
上包括孔隙介质、裂隙介质和岩溶不十分发育的由石灰岩和白云岩组成的 介质，统称为多孔介质。
孔隙介质：含有孔隙的岩层，砂层、疏松砂岩等； 裂隙介质：含有裂隙的岩层，裂隙发育的砂岩、火成岩、变质岩和 石灰岩等。
平面二维流（Two-dimensional flow in plane），由两个水平速 度分量所组成的二维流。
剖面二维流（two-dimensional flow in section），由一个垂直 速度分量和一个水平速度分量组成的二维流。
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3、多孔介质中的地下水运动
包括两大类，运动特点各不相同，分别满足于孔隙水和裂隙 岩溶水的特点。
(1) 第一类为地下水在多孔介质的孔隙或遍布于介质中的裂 隙运动，具有统一的流场，运动方向基本一致；
(2) 另一类为地下水沿大裂隙和管道的运动，方向没有规律 ，分属不同的地下水流动系统。
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2、渗流（seepage flow）：具有实际水流的运动特点（流量、水头、压 力、渗透阻力），并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流；是用以代 替真实地下水流的一种假想水流。
其特点是： （1）假想水流的性质与真实地下水流相同； （2）充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间； （3）运动时所受的阻力与实际水流所受阻力相等； （4）通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与实际水流相同
贮水率、贮水系数、水力坡度、单宽流量；地下水运动特征分类、 地下水流态判别。
2.达西定律：是地下水计算的基本理论之一，必须熟练掌握。
3.连续性方程：定量解释了地下水运动遵循质量守恒定律，具
有普遍意义。
了解：
地下水基本微分方程的建立过程。
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固相—骨架 matrix 气相—空气，非饱和带中 液相—水：吸着水 Hygroscopic water
薄膜水 pellicular water 毛管水 capillary water 重力水 gravitational water
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方向的任意一个岩石截面，包括空隙面积（Av）和固体颗粒所占据的面 积(As)，A= Av + As。渗流平行流动时为平面，弯曲流动时为曲面。
图1-3 渗流过水断面
（2）渗流量（Seepage discharge）是单位时间内通过过水断面的 水体积，用Q表示，单位m3/d。
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（4）实际平均流速（Mean actual velocity）是多孔介质中地下水通过空隙面积 的平均速度；地下水流通过含水层过水断面的平均流速，其值等于流量除以过水断 面上的空隙面积，量纲为L/T。它描述地下水锋面在单位时间内运移的距离，是渗 流场空间坐标的离散函数。表示为：
渗流速度 = n 实际平均流速
此时地下水的渗透速度只有沿该坐标轴的方向有分速度，其余坐标轴 方向的分速度为0。
一维流（one-dimensional flow），也称单向运动，指渗流场中 水头、流速等渗流要素仅随一个坐标变化的水流，其速度向量仅有一 个分量、流线呈平行的水流。
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图1-5 承压水的一维流动 (a)平面图；安徽(b理)剖工大面学图地球与环境学院 水资源与规划系
总水头（Total head ）为测压管水头和流速水头之和。
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测压管水头（Piezometric head）为位置水头与压力水头之和。
压力水头（pressure head）：含水层中某点的压力水头（h）指以水柱高度表 示的该点水的压强，量纲为L，即：h =P/r ，式中 P为该点水的压强； 为水的容重。
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1.渗流的基本概念 2.渗流基本定律 3.岩层透水特征及水流折射定律 4.流网及其应用 5.渗流的连续性方程 6.地下水运动的基本微分方程 7.数学模型的建立及求解
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重、难点：
1.所有的基本概念：渗流、渗流速度、渗透系数、导水系数、
溶隙介质：可溶岩石中发育的裂隙，在流体作用下形成。
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2、多孔介质的性质
(1) 孔隙性：有效孔隙和死端孔隙。
孔隙度（Porosity）是多孔介质中孔隙体积与多孔介质总体积之比 （符号为n），可表示为小数或百分数，n=Vv/V。
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（3）渗流速度（Specific discharge/seepage velocity）又称渗透速度、比流 量，是渗流在过水断面上的平均流速。它不代表任何真实水流的速度，只是一种假 想速度。它描述的是渗流具有的平均速度，是渗流场空间坐标的连续函数，是一个 虚拟的矢量。单位m/d，表示为:
可得： v nu
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三、地下水的水头与水力坡度 1、地下水水头（hydraulic head）：
通常称为渗流水头。
上式右端三项分别称为位置水头（potential head）、压力水头 (pressure head)和速度水头(velocity head)。