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地下水动力学实验讲义地下水动力学》实验指导书--前言地下水动力学是水文与水资源工程专业和环境工程专业以及勘查技术专业等涉及地下水补给、径流、排泄和污染物运移研究的一门基础理论课。
本实验指导书主要涉及河间地块中地下水的天然稳定渗流和非稳定渗流流场模拟、降水或蒸发时包气带中地下水的渗流流场模拟以及非饱和土的导水率和地下水污染物水动力弥散系数测定等内容。
通过实验可使学生能够直观地了解和掌握各类地下水运动的基本规律。
本实验指导书主要适用于水文与水资源工程专业和环境工程专业，其它相关专业可根据教学要求做适当的增减。
为便于学生掌握，各次实验配有相应的多媒体影视教学光盘，以powerpoint和vcd格式可在校内多媒体教室或网上播放观看。
该实验指导书是在工程学院领导李铎教授参加与指导、水文与水资源教研室主任刘金锋和刘振英、邵爱军、许广明教授等人以及本教研室同仁们支持和帮助下，由曹继星执笔编写完成，最后由贾贵庭教授审核。
其中可能还存在不少问题, 望读者多提宝贵意见，以便更加完善。
实验规则一、实验课前，必须按实验指导书进行认真预习，明确实验目的、原理、步骤、要求及注意事项等方可实验。
二、每次实验前按各班分好小组(每组为10—15人), 并报实验人员，实习时不要随意更换。
三、必须按规定时间进行实验，无故不上实验课者，以旷课论处、因故不能上实验课，应提前向指导教师请假办理手序，但必须在期末课程考试前按规定时间补齐所有实验内容。
四、服从实验教师的指导，实验操作，要严格按操作规程进行，完成每个实验步骤。
实验时要仔细观察，及时做好记录；实验数据要遵重客观实际，实事求是，严禁杪袭和胡捏臆造。
独立完成实验报告编写，报告中所绘图件力求清晰美观，文字整洁。
五、遵守实验课纪律, 不迟到，不早退，严禁喧哗, 保持室内安静。
六、遵守实验室规章制度。
爱护实验室内的所有仪器设备。
每次实验前所领用器具，应仔细检查，看有无损坏，若有损坏要立即报告。
《地下水动力学》课程设计学生姓名：学号：专业班级：指导教师：二○一○年一月十六日目录1.课程设计目的 (3)2.课程设计题目描述和要求 (3)3.课程设计报告内容 (5)4：结论 (17)1.课程设计目的能够利用《地下水动力学》所学的基本理论与专业知识解决实际工程中所遇到的各种水文地质工程地质问题（本次设计中主要针对抽水试验求解含水层参数与基坑降水问题），并能够熟练运用各种专业软件进行设计及制图。
2.课程设计题目描述和要求（一）、抽水试验部分1、在某承压含水层中有一完整井，以涌水量Q＝0.0058m3/s进行抽水试验，在距抽水井10m处有一观测孔，其观测资料如表，试用配线法求该承压含水层的导水系数T和贮水系数u*.2、在无限分布的承压含水层中，有一完整井以800m3/d的流量进行抽水试验，在距主孔100m处的观测孔，其观测资料如下表所示。
试用直线法求含水层的导水系数T和贮水系数u*.3、在某承压含水层中进行抽水试验，稳定流量为200m3/h，在距抽水井110m处有一观测孔，当抽到71.25h后停泵，恢复水位的观测资料如表所示，试用水位恢复法计算含水层的导水系数和贮水系数。
（二）、基坑降水部分题目见具体附件。
步骤：1、基坑大井总涌水量Q（包括基坑仿大井半径r0，基坑影响半径R）1：配线法：（1）配线法的基本原理：由Theis公式①对上式两端取对数：二式右端的第二项在同一次抽水试验中都是常数。
因此，在双对数坐标系内，对于定流量抽水曲线和标准曲线在形状上是相同的，只是纵横坐标平移了和距离而已。
只要将二曲线重合，任选一匹配点，记下对应的坐标值，代入①式即可确定有关参数。
此法称为降深-时间距离配线法。
由实际资料绘制的s-t曲线和与s-r2曲线，分别与和W(u)-u标准曲线有相似的形状。
因此，可以利用一个观测孔不同时刻的降深值，在双对数纸上绘出s-t曲线和曲线，进行拟合，此法称为降深-时间配线法。
(2)计算步骤①在双对数坐标纸上绘制或W(u)- u的标准曲线。
地下水动力学第三版课程设计一、课程设计目的与意义地下水动力学是地下水科学中的一个重要分支，主要研究地下水的流动规律和水文地质问题。
本课程旨在培养学生对地下水动力学基本理论的理解和掌握相应的分析计算方法，通过课程设计，使学生能够运用地下水动力学理论和方法解决实际问题。
二、课程设计内容1. 阶段一：选题准备在授课过程中，学生需要通过选题准备阶段，明确课题研究目标、选题意义、研究方法和计算方案等相关工作。
2. 阶段二：方案设计在方案设计阶段，学生需要完成以下任务：1.对地下水流动状态进行分析和计算；2.确定分析结果和计算方法；3.通过实地调查或数据分析，获取所需数据并进行处理；4.确定编写报告所需软件和工具。
3. 阶段三：实验与计算在实验与计算阶段，学生需要进行以下工作：1.进行地下水流动实验，并记录相关数据；2.利用所学地下水动力学理论和分析方法，将实验数据带入计算，并获得计算结果；3.对计算结果进行分析和解释，并提出问题与归纳总结。
4. 阶段四：撰写报告在撰写报告阶段，学生需要完成以下任务：1.总结地下水动力学相关理论知识；2.分析实验与计算结果，并将其归纳总结；3.撰写实验报告，并提出自己的见解。
三、课程设计要求1. 基本要求1.本课程设计重视学生实际操作能力和综合素质的培养，要求学生必须独立完成实验和计算，并撰写实验报告；2.学生在完成课程设计过程中需要紧密配合师资力量，并遵循实验室安全规定和作息制度；3.课程设计分组完成，每组不超过5人。
2. 评分要求1.课程设计成绩占课程总成绩的50%；2.课程设计得分由实验报告撰写质量、计算方法及结果的准确性、实验过程及数据记录等方面综合考虑；3.学生在课程设计过程中不得抄袭代码或实验报告，否则将被取消课程设计成绩。
四、参考资料1.《地下水动力学》（第二版），刘卫国、李义忠编著，中国水利水电出版社；2.《现代地下水科学》，刘亚田、马卫永编著，科学出版社；3.《地下水理论和数值模拟》，张书富编著，中国水利水电出版社；4.《地下水数值模拟原理与方法》，王震、陈晓光编著，高等教育出版社。
第一章地下水运动的基本概念与基本概念本章概述：掌握典型体元、非均质各向异性、非均质各向同性、均质各向异性、均质各向同性的等概念；正确区分地下水质点实际流速、空隙平均流速和渗透流速；详细叙述研究地下水运动规律所遵循的基本定律－达西定律；掌握流网的特征并及其在实际中的应用，重难介绍：掌握典型体元的概念和地下水运动基本定律；流网的应用。
本章学时数：4学时（180分钟）教学内容：1.1地下水运动的基本概念我们以前学过《水力学》，从课程名字来看他们很相似，那《地下水动力学》和《水力学》有什么异同点？1、水力学与地下水动力学异同点相同点：都是研究水的运动规律的学科。
相异点：水力学是研究水在管道或渠道中的运动。
地下水动力学则是研究水在岩石空隙中（孔隙、裂隙、岩溶）运动规律。
2、渗流与渗流场我们把由由固体骨架和空隙两部分组成的介质，叫多孔介质。
如砂层、裂隙岩体等。
地下水在多孔介质中的运动，称为渗流，渗流所占据的空间就叫渗流场。
1.1.1渗流与典型单元体我们刚才讲到地下水地下水渗流，那渗流和实际的水流又有什么区别呢？由水力学我们知道普通水流的流向是从总水头高的地方流向总水头低的地方，水流量的大小取决于水头差和水头损失，同样地下水水的流向也是从高水头流向低水头，流量的大小也水头差和水头损失。
但是从图1-1-0b和1-1-3a可以看出，普通水流在管道中运动取决于管道大小、形状及管壁的粗糙度，而渗流运动取决于多孔介质空隙大小、形状以及其连通性。
我们知道在自然界中多孔介质中固体的边界的集合形状是各种各样的，形状十分复杂，其通道是曲折的，地下水在这样复杂的介质中流动，其质点运动轨迹弯曲，通常其渗流速度缓慢，流态多为层流，水只在空隙中流动，在固体物质中无渗流发生，因此从整个渗流空间来说是不连续的，而此也其运动要素（如流速矢量）的分布变化无常，是非稳定流，但是大部分是缓变流。
图1-1-3a 地下水实际流动图1-1-3b 基于渗流流速的流线从微观角度研究地下水运动的难度有两个方面：A）如果从微观角度来看地下水运动（渗流）：地下水是在不同的空隙中运动的。
地下水动力学电子教案第一章地下水运动的基本概念与基本概念本章概述：掌握典型体元、非均质各向异性、非均质各向同性、均质各向异性、均质各向同性的等概念；正确区分地下水质点实际流速、空隙平均流速和渗透流速；详细叙述研究地下水运动规律所遵循的基本定律－达西定律；掌握流网的特征并及其在实际中的应用，重难介绍：掌握典型体元的概念和地下水运动基本定律；流网的应用。
本章学时数：4学时（180分钟）教学内容：1.1地下水运动的基本概念我们以前学过《水力学》，从课程名字来看他们很相似，那《地下水动力学》和《水力学》有什么异同点？1、水力学与地下水动力学异同点相同点：都是研究水的运动规律的学科。
相异点：水力学是研究水在管道或渠道中的运动。
地下水动力学则是研究水在岩石空隙中（孔隙、裂隙、岩溶）运动规律。
2、渗流与渗流场我们把由由固体骨架和空隙两部分组成的介质，叫多孔介质。
如砂层、裂隙岩体等。
地下水在多孔介质中的运动，称为渗流，渗流所占据的空间就叫渗流场。
1.1.1渗流与典型单元体我们刚才讲到地下水地下水渗流，那渗流和实际的水流又有什么区别呢？由水力学我们知道普通水流的流向是从总水头高的地方流向总水头低的地方，水流量的大小取决于水头差和水头损失，同样地下水水的流向也是从高水头流向低水头，流量的大小也水头差和水头损失。
但是从图1-1-0b和1-1-3a可以看出，普通水流在管道中运动取决于管道大小、形状及管壁的粗糙度，而渗流运动取决于多孔介质空隙大小、形状以及其连通性。
我们知道在自然界中多孔介质中固体的边界的集合形状是各种各样的，形状十分复杂，其通道是曲折的，地下水在这样复杂的介质中流动，其质点运动轨迹弯曲，通常其渗流速度缓慢，流态多为层流，水只在空隙中流动，在固体物质中无渗流发生，因此从整个渗流空间来说是不连续的，而此也其运动要素（如流速矢量）的分布变化无常，是非稳定流，但是大部分是缓变流。
图1-1-3a 地下水实际流动图1-1-3b 基于渗流流速的流线从微观角度研究地下水运动的难度有两个方面：A）如果从微观角度来看地下水运动（渗流）：地下水是在不同的空隙中运动的。
要获得微观角度每一个空间点的水流运动参数，首先必须获得空隙的几何参数（查明每一个空隙与固体颗粒之间的边界位置等），这是十分困难的。
B）从微观角度来看地下水流在空间上是不连续的。
固体颗粒部分是没有水流的，因此从微观角度地下水的运动参数在空间上是不连续的，有很多地方运动参数是零。
也就是说描述水流运动的物理量是非连续函数，因此基于连续函数的许多微积分方法无法应用。
因此在研究地下水运动规律时，我们通常要从宏观水平上来考察。
于是我们就提出了渗流的概念。
现在我们为了克服上面所提到的困难和研究方便我们引用一个假想的水流来代替真实的水流(如图1-1-3b)，这种假想水流是：我们不是说从实际水流运动的物理量是非连续函数吗？现在我们就假设：1、这种假想水流充满整个多孔介质的连续体；所谓的整个多孔介质它包括空隙和固体部分，不仅仅是空隙了，主要处处有空隙，处处有水流。
当然为了使假设水流更加符合实际情况我们有一下2各假设：2、这种假想水流（渗流）的阻力与实际水流在空隙中所受到的阻力相同；也就是说，我们假设在这个空隙中的有一点，这一点的假想的水流和实际的水流所受的阻力是相等的。
3、渗流场任意一点的水头H 和流速矢量v 等运动要素与实际水流在该点周围一个小范围内的平均值相等。
这种假想水流便是宏观水平的地下水流，我们称之为渗流。
它所占据的空间称为“渗流场”。
我们刚才在假设3中提到渗流场任意一点的水头H 和流速矢量v 等运动要素与实际水流在该点周围一个小范围内的平均值相等。
这个小范围到底是多少？，比如说在二维流中，是1平方厘米、1平方分米、1平方米等等。
下面我们引入一个典型体元，有些书也叫典型单元体（Representative Elementary Volume ）的概念：下面我们是空隙率为例来讲解什么是典型单元体。
我们在水文地质学基础中学过空隙率n 的定义是：VV n v 其中：V v ———V 中空隙中的体积那么要取多大的V 才能代表典型单元体的体积呢？现在假设P 点为多孔介质的内的某一点，这一点可以在落在固体颗粒上也可以在空隙中，以该点为中心，如果以P 点为形心取一体积，当P 点位于颗粒上时，所取的体积小于或等于颗粒的体积是我们知道空隙率n=0；当P 点位于空隙中时，所取的体积小于或等于颗粒的体积是我们知道空隙率n=0，随着所取的体积V 的增大，空隙率n 的值因为随机划进来的颗粒或空隙体积产生明显的波动，但是随着体积V 的逐渐增大波动逐渐减少，当体积V 取至某一个体积时，空隙率趋于一平均值n ，此时的体积V 称为典型体元V 0。
若体积再继续增大把P 点外围的非均质区(K2区)也划进来平均，此时又会产生明显的变化。
因此典型单元体是有一定体积，但是不能太大，因为太大掩盖了多孔介质的非均质性。
因此通过上述分析，我们可以通过利用典型体元V 0来定义任意点P 的空隙率n(P)，即： V V P n v V V lim 0)(→= 或00)(V V P n v =其中V 0v 为典型体元V 0中的空隙。
如果使二维面积上或线上取平均值，则称为面空隙率或线空隙率。
00)(A A P n v = 或00)(L L P n v = 1.1.2 渗流的运动要素1、地下水质点实际流速、空隙平均流速和渗透流速在水力学的学习中知道，由于由于水具有一定的粘滞性，在流动时水和颗粒间有阻力和粘滞力，因此从微观上看颗粒间的水的流速分布如图1-1-2a 所示，并不是相等的，那怎么才能得到典型体元上的平均流速呢？设空隙中地下水水质点的流速矢量为u ＇。
现在有2种取平均值的方法。
A ） 将u ＇在以P 为中心的典型体元空隙部分V 0v 上取平均值，其表达式为： ⎰⎰==00v 0v 0dv '1dv '1)(V v V v u V u V P u v 我们也知道在固体颗粒部分水的流速为0，因此积分的范围可以用V 0来代替V 0v 。
我们通常把这样平均的流速叫空隙平均流速，用u 表示。
B ）将u 在以P 为中心的整个典型体元V 0（包括空隙和固体两个部分）上取平均值——渗透流速（达西流速），用v （p ）每表示：⎰⎰==00v 0v 0dv '1dv '1)(V V u V u V P v v这就是我们刚才讲到的渗流时假设的流速，因此通常把这样平均的流速叫渗透流速，用v 表示。
我们刚才提到了质点流速u ＇、空隙平均流速u 和渗透流速v 。
这三者有什么关系呢？ 我们现在看某一个时刻一个多孔介质放大的流速分布示意图。
地下水流速图图，红线是质点的实际流速u ＇，蓝线为空隙平均流速u ，紫色为渗透流速v 。
现在用空隙平均流速u 和渗透流速v 的相除可以得到n V V v u v ==00 因此空隙平均流速u 和渗透流速v 的的关系是nu v =我们知道在多孔介质中，互不连通的孤立孔隙对地下水的储存和运动都是没有意义的，另外研究地下水运动时，一般情况下可以忽略结合水的运动，因此也可以忽略结合水所占据的空间。
因此严格意义上n 应该是有效空隙度n e ，去掉与地下水运动没有作用的空隙（结构空隙、盲孔等）。
u n v e ≈2、压强、水头和水力坡度在中学我们学过压强的有关概念，压强是指单位面积上所受的压力。
它是一个平均的概念。
通过刚才讲过我们研究地下水流动不是研究它的微观运动而是研究在一定范围的各项运动要素的平均值。
因此，地下水的压强也是指典型体元宏观水平上的平均压强。
用下式表示：⎰=v V vv pdV V P p 001)( 与水力学一样，为了研究方便，地下水的压强的大小也用水柱的高度表示，γph p =因此宏观水平的水头H 定义为⎰=v V v v HdV V P H 001)(图1-1-4a 潜水含水层中的压强及水头 图1-1-4b潜水含水层中的压强及水头在水力学中我们知道总水头应表征渗流场中任意点具有的位置势能，压力势能和动能三者之和。
即g u pz H 22αγ++= 由于在地下水运动中，地下水孔隙平均流速很小（岩溶管道除外）因此g u 22α相对前两项小得多，一般情况下忽略不计。
因此 p H pz H =+≈γ因此在在研究地下运动时，一般不去严格区分总水头或测压水头，而通称水头，用H 表示。
由上面公式可以看出，水头H 随着位置高度z 而变，而位置高度又处决于基准面的选取，那又如何选择基准面呢？这主要要考虑我们使用方便，一般来说，隔水底板水平的含水层，其基准面要取在隔水底板处，其它情况通常以海平面为基准。
水头值（H ）的大小可以用水头来表示。
量纲为[L],因而任意点的水头值大小可以从基准面到揭穿该点井孔的水位处的垂直距离来表示。
图1-1-5 水力坡度概念土在渗流场内水头值相等的点连成面（线）成为等水头（面）线。
即图上的H 1、H 2、H 3。
沿着等水头面（线）的法线方向（n 1、n 2、n 3）S 水头变化最大，沿法线方向的水头变化称为水力坡度。
即dndH J -= 在各向同性岩层中，流线是垂直穿过等水头面，与等水头面的法线方向重合。
因而水力坡度可以表示为：dsdH J -= s 是指流线方向（也就是等水头面的法线方向）。
在此条件下，水力坡度J 表示水头H 沿流线方向的变化率（最大变化率）。
那水力坡度J 在空间直角坐标系又如何来表示呢？表达为三个分量，即dx dH J -= dydH J -= dz dH J -= 1.2 渗流基本定律1.2.1线性渗流定律及渗透系数一、达西实验（稳定流）在《水文地质学基础》中我们做个这个实验，下面我们来回顾一下：这个实验由法国水力工程师亨利·达西(Henry Darcy)在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验(图1-2-1)，于l856年发现：渗透流速与水力坡度成正比，即线性渗流定律，这是渗流基本定律，后人称之为达西定律，其形式为式中：Q 为渗透流量；A 为渗流断面面积；H 1、H 2为l 和2断面上的测压水头值；L 为1和2两断面间的距离；J 为水力坡度，圆筒中渗流属于均匀介质一维流动，渗流段内各点的水力坡度均相等；K 为比例系数，称为砂土的渗透系数(也称水力传导系数)。
达西定律的另一表达形式为KAJ 21=-=lH H KAQKJ AQ v == 式中：υ为渗流速度，又称达西速度，量纲为[L ]。
渗流速度与水力坡度成正比，所以称它为线性渗透定律，这也说明此时地下水的流动状态为层流。
若将达西定律用于二维或三维的地下水运动，则水力坡度不是常量，沿流向可以变大也可以变小。
刚才我们讲过，它的微分形式；dsdH K v -= dsdH 是沿流线任意点的水力坡度。
