4.水文地质学基础-地下水的基本运动规律
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地下水运动的基本规律地下水是地球上最重要的自然资源之一,它在地下岩石和土壤中流动,为生态系统和人类提供了重要的水源。
地下水运动是指地下水在地下岩石和土壤中的流动过程,它受到许多因素的影响,具有一些基本规律。
本文将介绍地下水运动的基本规律,并通过事实举例进行解释。
一、地下水运动的主要影响因素地下水运动受到多种因素的影响,包括地形、气候、岩石类型、土壤类型、植被覆盖等。
其中,地形是最基本的影响因素之一。
地形的高低起伏会影响水的流动方向和速度,水会从高处向低处流动,形成河流、湖泊、泉眼等水体。
气候也是影响地下水运动的重要因素之一。
气候的干湿程度会影响土壤和岩石的渗透能力,从而影响地下水的流动速度和方向。
岩石和土壤的类型也会影响地下水运动。
不同的岩石和土壤具有不同的渗透能力和水储存能力,从而影响地下水的流动速度和方向。
植被覆盖也会影响地下水运动。
植被的根系可以增加土壤的渗透能力和水储存能力,从而影响地下水的流动速度和方向。
二、地下水运动的基本规律1.地下水流动的方向与地形有关地下水流动的方向与地形有关,一般是从高处向低处流动。
在山区,地下水会从山顶、山腰向山下流动,形成山间河流和泉眼。
在平原地区,地下水会从中心向四周流动,形成河流、湖泊等水体。
例如,中国的黄河流域就是一个典型的平原地区。
黄河流域的地势平坦,地下水流动的方向主要是从中心向四周流动。
在黄河流域,地下水是重要的水源之一,支撑着当地的生态系统和农业生产。
2.地下水流动的速度与渗透能力有关地下水流动的速度与渗透能力有关,渗透能力越强的岩石和土壤,地下水流动的速度就越快。
渗透能力强的岩石和土壤可以更好地储存和输送水分,从而支撑着生态系统和人类的生产生活。
例如,美国科罗拉多州的大草原上有一个叫做奇卡斯特水源保护区的地方。
这个地方的地下水渗透能力非常强,地下水流动的速度非常快,可以达到每小时几百米。
这个水源保护区是科罗拉多州最重要的水源之一,为当地的生态系统和人类生产生活提供了重要的支撑。
第一章地球上的水及其循环一、名词解释:1.水文地质学:水文地质学是研究地下水的科学。
它研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作业下地下水水量和水质的时空变化规律,并研究如何运用这些规律去兴利除害,为人类服务。
2.地下水:地下水是赋存于地面以下岩石空隙中的水。
3.矿水:含有某些特殊组分,具有某些特殊性质,因而具有一定医疗与保健作用的地下水。
4.自然界的水循环:自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水相互联系、相互转化的过程。
5.水文循环:发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环。
6.地质循环:地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程。
7.大循环:海洋与大陆之间的水分交换。
8.小循环:海洋或大陆内部的水分交换。
9.绝对湿度:某一地区某一时刻空气中水汽的含量。
10.相对湿度:绝对湿度和饱和水汽含量之比。
11.饱和差:某一温度下,饱和水汽含量与绝对湿度之差。
12.露点:空气中水汽达到饱和时的气温。
13.蒸发:在常温下水由液态变为气态进入大气的过程。
14.降水:当空气中水汽含量达饱和状态时,超过饱和限度的水汽便凝结,以液态或固态形式降落到地面。
14.径流:降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。
15.水系:汇注于某一干流的全部河流的总体构成的一个地表径流系统。
16.水系的流域:一个水系的全部集水区域。
17.分水岭:相邻两个流域之间地形最高点的连线。
18.流量:单位时间内通过河流某一断面的水量。
19.径流总量:某一时间段内,通过河流某一断面的水量。
20.径流模数:单位流域面积上平均产生的流量。
21.径流深度:计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度。
22.径流系数:同一时段内流域面积上的径流深度与降水量的比值。
二、填空1.水文地质学是研究地下水的科学。
它研究岩石圈、水圈、大气圈、生物圈及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律。
2.地下水的功能主要包括:资源、生态环境因子、灾害因子、地质营力、或信息载体。
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<n)渗透流速V与实际流速u之间的关系为: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)均质各向同性介质中流线与等水头线构成正交网格。
(1)首先根据边界绘制;(2)流线由源指向汇;(3)河间地块流网图。
2.层状非均质介质中的流网(1)两层介质;(2)两块介质;(3)流线与岩层界面斜交。
3.含水层中存在透镜体时的流网4.3 饱水粘土中水的运动规律根据实验,渗透流速V与水力梯度I主要存在三种关系:(1)V—I为通过原点的直线,服从达西定律;(2)V—I不通过原点:a. V=0,I<I o;b. V>0,I>I o;(3)V—I通过原点:a. 曲线,I<I o;b. 直线,I>I o;思考题(略)。
第四章 地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(渗透)。
发生渗流的区域称为渗流场。
由于受到地下水运动的基本规律 介质的阻滞,地下水的流动远较地表水为缓慢。
在岩层空隙中渗流时,水的质点作有秩序的、互不混杂的流动,称作层流运动。
在具狭小空隙的岩石(如砂、裂隙不很宽大的基岩)中流动时,重力水受介质的吸引力较大,水的质点排列较有秩序,故均作层流运动。
水的质点无秩序地、互相混杂的流动,称为紊流运动。
作紊流动时,水流所受阻力比层流状态大,消耗的能量较多。
在宽大的空隙中(大的溶穴、宽大裂隙),水的流速较大时,容易呈紊流运动。
水只在渗流场内运动,各个运动要素(水位、流速、流向等)不随时间改变时,称作稳定流。
运动要素随时间变化的水流运动,称作非稳定流。
严格地讲,自然界中地下水都属于非稳定流。
但是,为了便于分析和运算,也可以将某些运动要素变化微小的渗流,近似地看作稳定流。
4.1 重力水运动的基本规律4.1.1 达西定律1856年,法国水力学家达西(H. Darcy )通过大量的实验,得到线性渗透定律。
实验是在装有砂的圆筒中进行的(图4—1)。
水由筒的上端加入,流经砂柱,由下端流出。
上游用溢水设备控制水位,使实验过程中水头始终保持不变。
在圆筒的上下端各设一根测压管,分别测定上下两个过水断面的水头。
下端出口处设管嘴以测定流量。
根据实验结果,得到下列关系式:I K Lh K Q ωω== (4—1) 式中:Q ——渗透流量(出口处流量,即为通过砂柱各断面的流量); ω——过水断面(在实验中相当于砂柱横断面积);h ——水头损失(12h H H =−,即上下游过水断面的水头差);L ——渗透途径(上下游过水断面的距离); I ——水力梯度(相当于h /L ,即水头差除以渗透途径);K ——渗透系数。
此即达西公式。
从水力学已知,通过某一断面的流量Q 等于流速V 与过水断面ω的乘积,即:Q V ω= (4—2)即/V Q ω=。
地下水类型运动规律一、地下水的类型和运动规律1、地下水的类型:按地下水的物理性质划分为:气态水、吸着水、薄膜水、毛细管水、重力水、固态水;按地下水的赋存特征划分为:上层滞水、潜水、承压水。
2、运动规律:地下水运动分为层流和紊流。
地下水在土中或微小裂隙中以不大的速度连续渗透时为层流运动;在岩石的裂隙或空洞内流淌,会产生紊流。
地下水的渗流速度一般符合达西定律。
二、地下水对工程的影响1,潜水上升,引起盐渍化,增大腐蚀性。
2,河谷阶地、斜坡及岸边,潜水上升,增大浸湿范围,破坏岩土体的结构和强度。
3,粉土、粉、细砂层中,潜水上升,会产生液化。
4,水位上升,可能使基础上浮使建筑物失稳。
5,膨胀土区,水位上升或土体水分增减,使膨胀岩土产生不匀称胀缩变形。
6,寒冷地区,潜水上升,冻结,地面隆起。
解冻降低抗压强度和抗剪强度。
导致建筑物开裂、失稳。
7,地下水位在压缩层范围内突然下降,增加自重应力,使基础产生附加沉降,导致变形破坏。
另外基坑支护中的地下水的影响、地表塌陷、地面沉降都可能与地下水有关。
一、地下水的类型和运动规律1、地下水的类型:按地下水的物理性质划分为:气态水、吸着水、薄膜水、毛细管水、重力水、固态水;按地下水的赋存特征划分为:上层滞水、潜水、承压水。
2、运动规律:地下水运动分为层流和紊流。
地下水在土中或微小裂隙中以不大的速度连续渗透时为层流运动;在岩石的裂隙或空洞内流淌,会产生紊流。
地下水的渗流速度一般符合达西定律。
二、地下水对工程的影响1,潜水上升,引起盐渍化,增大腐蚀性。
2,河谷阶地、斜坡及岸边,潜水上升,增大浸湿范围,破坏岩土体的结构和强度。
3,粉土、粉、细砂层中,潜水上升,会产生液化。
4,水位上升,可能使基础上浮使建筑物失稳。
5,膨胀土区,水位上升或土体水分增减,使膨胀岩土产生不匀称胀缩变形。
6,寒冷地区,潜水上升,冻结,地面隆起。
解冻降低抗压强度和抗剪强度。
导致建筑物开裂、失稳。
7,地下水位在压缩层范围内突然下降,增加自重应力,使基础产生附加沉降,导致变形破坏。