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地下水动力学第01讲.ppt
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1、Fundaments of Hydrogeology地下水动力学地下水动力学地下水概论地下水概论之之主讲:强海龙主讲:强海龙1整理课件使用教材:使用教材:陈崇希、林陈崇希、林 敏,编著敏,编著.地下水动力学,北京:地质出地下水动力学,北京:地质出版社,版社,19951995、1998.1998.靳孟贵、陈靳孟贵、陈 刚,修编刚,修编.地下水动力学实习实验讲义,地下水动力学实习实验讲义,中国地质大学中国地质大学(武汉武汉)教材科,教材科,1999.1999.参考书目:参考书目:薛禹群,主编薛禹群,主编.地下水动力学原理,北京:地质出版社,地下水动力学原理,北京:地质出版社,19861986年年.
2、Jacob Bear.Dynamics of Fluids in Porous media.Published in 1972 by American Elsevier Publishing Company,Inc.Jacob Bear.Hydraulics of Groundwater.Published in 1979 by American Elsevier Publishing Company,Inc.2整理课件第一讲第一讲地下水运动的基本理论地下水运动的基本理论绪绪 言言(preface)(preface)第一章第一章 地下水运动的基本理论地下水运动的基本理论3整理课件绪绪 言言(p
3、reface)(preface)0.1 0.1 地下水动力学的概念、研究内容地下水动力学的概念、研究内容0.2 0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用地下水动力学在国民经济建设中的作用0.3 0.3 地下水动力学发展概况地下水动力学发展概况0.4 0.4 地下水动力学常用软件介绍地下水动力学常用软件介绍0.5 0.5 小结小结4整理课件0.1.10.1.1 概念概念 研究流体在多孔介质中运动规律及其应用的科学称为研究流体在多孔介质中运动规律及其应用的科学称为多孔介多孔介质流体动力学质流体动力学(Dynamics of Fluids in Porous Media)。研究地下水在岩土体中运动
4、规律及其应用的科学称为研究地下水在岩土体中运动规律及其应用的科学称为地下水地下水动力学动力学(Hydraulics of Groundwater)。0.1 0.1 地下水动力学的概念、研究内容地下水动力学的概念、研究内容5整理课件0.1.2 0.1.2 研究内容研究内容 广义上的研究内容广义上的研究内容:研究地下水在多孔介质中的运动规律及应:研究地下水在多孔介质中的运动规律及应用,分为三个方面:用,分为三个方面:水头场分布规律水头场分布规律(水量模型水量模型)包气带:包气带水运动规律包气带:包气带水运动规律 饱水带:重力水运动规律饱水带:重力水运动规律 浓度场分布规律浓度场分布规律(水质模型水
5、质模型)温度场分布规律温度场分布规律(水温模型水温模型)狭义上的研究内容狭义上的研究内容:定量研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物定量研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下饱和带中地下水水量的迁移转化规律和圈以及人类活动相互作用下饱和带中地下水水量的迁移转化规律和时空分布特征,时空分布特征,为合理开采地下水提供依据,为合理开采地下水提供依据,并研究如何运用这些并研究如何运用这些规律去兴利除害,为人类服务规律去兴利除害,为人类服务。6整理课件绪绪 言言(preface)(preface)0.1 0.1 地下水动力学的概念、研究内容地下水动力学的概念、研究内容0.2 0.2 地下水动
6、力学在国民经济建设中的作用地下水动力学在国民经济建设中的作用0.3 0.3 地下水动力学发展概况地下水动力学发展概况0.4 0.4 地下水动力学常用软件介绍地下水动力学常用软件介绍0.5 0.5 小结小结7整理课件0.2 0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用地下水动力学在国民经济建设中的作用 定量计算、预测、评价地下水的量和质,为合理、经济地开发定量计算、预测、评价地下水的量和质,为合理、经济地开发地下水、保护地下水资源提供理论依据。地下水、保护地下水资源提供理论依据。定量计算、预测、评价地下水的迁移和转化规律,为正确评价定量计算、预测、评价地下水的迁移和转化规律,为正确评价与地下水有关
7、的地质环境对人类活动的适宜性提供论证,诸如:与地下水有关的地质环境对人类活动的适宜性提供论证,诸如:*矿坑、基坑的排水与突水问题;矿坑、基坑的排水与突水问题;*库坝渗漏问题;库坝渗漏问题;*海海(咸咸)水入侵问题;水入侵问题;*泉水消失问题;泉水消失问题;*地面沉降与塌陷问题;地面沉降与塌陷问题;*土地沙化与次生盐渍化、沼泽化问题;土地沙化与次生盐渍化、沼泽化问题;*地下水污染问题;地下水污染问题;。8整理课件绪绪 言言(preface)(preface)0.1 0.1 地下水动力学的概念、研究内容地下水动力学的概念、研究内容0.2 0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用地下水动力学在国民
8、经济建设中的作用0.3 0.3 地下水动力学发展概况地下水动力学发展概况0.4 0.4 地下水动力学常用软件介绍地下水动力学常用软件介绍0.5 0.5 小结小结9整理课件0.3 0.3 地下水动力学发展概况地下水动力学发展概况 由于地下水运动问题本身的复杂性和生产力发展水平的限制,由于地下水运动问题本身的复杂性和生产力发展水平的限制,尽管人类利用地下水已有几千年的历史,但对地下水运动规律的认尽管人类利用地下水已有几千年的历史,但对地下水运动规律的认识却经历了很长的历史过程。在十九世纪以前,还谈不上对地下水识却经历了很长的历史过程。在十九世纪以前,还谈不上对地下水进行科学的定量计算。进行科学的定
9、量计算。0.3.1 0.3.1 萌芽时期萌芽时期(1856(1856年至上世纪中叶年至上世纪中叶)十九世纪中叶,随着地下水开发利用规模的扩大,生产上有了十九世纪中叶,随着地下水开发利用规模的扩大,生产上有了计算水井涌水量的要求。计算水井涌水量的要求。18561856年法国水力工程师年法国水力工程师Henry DarcyHenry Darcy根据在砂柱中水的渗透实验,根据在砂柱中水的渗透实验,总结出水在多孔介质中流动的基本定律,即著名的达西定律。这个总结出水在多孔介质中流动的基本定律,即著名的达西定律。这个定律是对地下水运动定量认识的开始,直到今天仍然是地下水运动定律是对地下水运动定量认识的开始
10、,直到今天仍然是地下水运动理论的最基本、最重要的定律。理论的最基本、最重要的定律。10整理课件0.3.2 0.3.2 奠基时期奠基时期 1863 1863年,法国水力工程师年,法国水力工程师J.Dupuit 提出了圆岛状含水层提出了圆岛状含水层中心一口完整抽水井条件下的地下水稳定流动的方程。中心一口完整抽水井条件下的地下水稳定流动的方程。1919世纪世纪8080年代,年代,P.Fahheimer P.Fahheimer 开始研究比较复杂的稳定开始研究比较复杂的稳定流动问题,从而奠定了地下水运动的稳定渗流理论的基础。流动问题,从而奠定了地下水运动的稳定渗流理论的基础。1889 1889年,俄国数
11、学和力学家年,俄国数学和力学家.提出了稳定提出了稳定渗流的微分方程。渗流的微分方程。19041904年,法国水力学家年,法国水力学家J.Boussienesq J.Boussienesq 导出潜水不稳定导出潜水不稳定流的微分方程。流的微分方程。11整理课件 19221922年,苏联学者在水工建筑物的渗流理论和应用方面做年,苏联学者在水工建筑物的渗流理论和应用方面做出了重要贡献:出了重要贡献:*这阶段的研究主要属于地下水稳定流动问题。由于这种理这阶段的研究主要属于地下水稳定流动问题。由于这种理论不包括时间这个变量,因而它不能反映不断发展、变化的地论不包括时间这个变量,因而它不能反映不断发展、变化
12、的地下水实际运动状态,只能用来描述在一定条件下,地下水所达下水实际运动状态,只能用来描述在一定条件下,地下水所达到的一种暂时的相对的平衡状态,具有一定的局限性。这是与到的一种暂时的相对的平衡状态,具有一定的局限性。这是与当时生产力发展水平相适应的,在开采量不大的情况下,井水当时生产力发展水平相适应的,在开采量不大的情况下,井水位一般说来很快出现似稳定状态,因而可以近似地认为地下水位一般说来很快出现似稳定状态,因而可以近似地认为地下水不随时间变化,而可用稳定流理论来描述。不随时间变化,而可用稳定流理论来描述。*地下水运动稳定渗流理论对生产实践起到过重要作用,直地下水运动稳定渗流理论对生产实践起到
13、过重要作用,直到今天仍有一定的实用价值。到今天仍有一定的实用价值。12整理课件0.3.3 0.3.3 发展阶段发展阶段(20(20世纪世纪2020年代末至今年代末至今)科学技术推动生产力迅猛发展以及人口的急剧增长,使得人们科学技术推动生产力迅猛发展以及人口的急剧增长,使得人们对地下水的需求大为增加,人类活动决定性地影响着地下水的时空对地下水的需求大为增加,人类活动决定性地影响着地下水的时空分布和迁移转化过程,地下水的运动状态表现出明显的随时间变化分布和迁移转化过程,地下水的运动状态表现出明显的随时间变化的特征。的特征。于是人们开始注意地下水运动的不稳定性和承压含水层的贮水于是人们开始注意地下水
14、运动的不稳定性和承压含水层的贮水性质性质(O.E.Meinzer,19281928年年)。19351935年年C.V.Thesis 在此基础上提出了地下水向承压水井的非稳在此基础上提出了地下水向承压水井的非稳定流公式,称为泰斯公式。泰斯公式的出现开创了现代地下水运动定流公式,称为泰斯公式。泰斯公式的出现开创了现代地下水运动理论的新纪元,这是地下水动力学发展的一个新里程碑。理论的新纪元,这是地下水动力学发展的一个新里程碑。13整理课件 在泰斯公式出现以后的三、四十年内,解答非稳定流的在泰斯公式出现以后的三、四十年内,解答非稳定流的解析法得到了很大的发展,不仅对泰斯公式的使用作了各种解析法得到了很
15、大的发展,不仅对泰斯公式的使用作了各种推广,而且出现了越流理论和潜水含水层中的非稳定流理论。推广,而且出现了越流理论和潜水含水层中的非稳定流理论。例如:例如:C.E.Jacob、N.S.Boulon和和S.P.Neuman 等在地下水等在地下水向井孔不稳定流问题的研究方面作出了重要的贡献。向井孔不稳定流问题的研究方面作出了重要的贡献。随着科学技术和社会生产力的不断发展,使得各类水文随着科学技术和社会生产力的不断发展,使得各类水文地质问题由定性分析向着定量评价发展。因此,正确地预测地质问题由定性分析向着定量评价发展。因此,正确地预测在人类活动干预下的地下水变化,正确地评价、开发、管理在人类活动干
16、预下的地下水变化,正确地评价、开发、管理与保护地下水资源以及保护与地下水有关的地质环境、生态与保护地下水资源以及保护与地下水有关的地质环境、生态环境,成为当务之急。环境,成为当务之急。14整理课件绪绪 言言(preface)(preface)0.1 0.1 地下水动力学的概念、研究内容地下水动力学的概念、研究内容0.2 0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用地下水动力学在国民经济建设中的作用0.3 0.3 地下水动力学发展概况地下水动力学发展概况0.4 0.4 地下水动力学常用软件介绍地下水动力学常用软件介绍0.5 0.5 小结小结15整理课件0.4 0.4 地下水动力学常用软件介绍地下水
17、动力学常用软件介绍0.4.10.4.1 Visual MODFLOW 由加拿大由加拿大Waterloo公司在公司在Modflow的基础上开发研制的的基础上开发研制的Visual MODFLOW,是目前国际上最为流行且被各国同行一致认可的三维,是目前国际上最为流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。该系统地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。该系统在无缝集成在无缝集成MODFLOW-96(水流模型水流模型)、WinPEST(模型独立的参数模型独立的参数估计程序估计程序)、MT3D99(溶质运移模型溶质运移模型)、MODPATH(平面和剖面流
18、平面和剖面流线示踪分析线示踪分析)、等软件的基础上,建立了系统合理的、等软件的基础上,建立了系统合理的Windows 菜单菜单界面与可视化功能。增强模型数值模拟能力、简化三维建模复杂性,界面与可视化功能。增强模型数值模拟能力、简化三维建模复杂性,是是Visual MODFLOW软件系统界面设计的主要目的。界面设计包括软件系统界面设计的主要目的。界面设计包括三大彼此联系但又相对独立的模块,即前处理模块、运行模块和后三大彼此联系但又相对独立的模块,即前处理模块、运行模块和后处理模块。处理模块。16整理课件17整理课件18整理课件19整理课件0.4.20.4.2 FEFLOW FEFLOW是加拿大是
19、加拿大Waterloo水文地质公司开发的基水文地质公司开发的基于三维于三维(Galerkin)有限元的地下水模拟可视化软件包。有限元的地下水模拟可视化软件包。它能够解决下列地下水模拟问题:完全瞬时、半瞬时、它能够解决下列地下水模拟问题:完全瞬时、半瞬时、稳态地下水流动与溶质运移;随时间变化的实体属性和稳态地下水流动与溶质运移;随时间变化的实体属性和约束边界条件;饱和与不饱和流动;包含自由潜水面的约束边界条件;饱和与不饱和流动;包含自由潜水面的承压与不承压含水层;带有非线性吸附作用、衰变、对承压与不承压含水层;带有非线性吸附作用、衰变、对流、弥散的化学质量运移;考虑贮存、对流、热散失、流、弥散的
20、化学质量运移;考虑贮存、对流、热散失、热运移的流体和固体热量运移;密度变化的流动热运移的流体和固体热量运移;密度变化的流动(海水入海水入侵等侵等)。20整理课件21整理课件绪绪 言言(preface)(preface)0.1 0.1 地下水动力学的概念、研究内容地下水动力学的概念、研究内容0.2 0.2 地下水动力学在国民经济建设中的作用地下水动力学在国民经济建设中的作用0.3 0.3 地下水动力学发展概况地下水动力学发展概况0.4 0.4 地下水动力学常用软件介绍地下水动力学常用软件介绍0.5 0.5 小结小结22整理课件0.5 0.5 小结小结0.5.1 0.5.1 学习要求学习要求(1)
21、(1)理解地下水动力学的研究内容;理解地下水动力学的研究内容;(2)(2)理解地下水动力学在国民经济中的作用;理解地下水动力学在国民经济中的作用;(3)(3)了解地下水动力学的发展概况。了解地下水动力学的发展概况。0.5.2 0.5.2 思考题思考题(1)(1)阐述地下水动力学的研究内容;阐述地下水动力学的研究内容;(2)(2)简述地下水动力学在国民经济中的作用简述地下水动力学在国民经济中的作用。23整理课件第一讲第一讲 地下水运动的基本理论地下水运动的基本理论绪绪 言言(preface)第一章第一章 地下水运动的基本理论地下水运动的基本理论24整理课件第一章第一章 地下水运动的基本理论地下水
22、运动的基本理论1.1 1.1 地下水运动的研究思路地下水运动的研究思路1.2 1.2 地下水运动的基本概念地下水运动的基本概念1.3 1.3 地下水运动的基本定律地下水运动的基本定律1.4 1.4 各向异性、非均质多孔介各向异性、非均质多孔介 质中地下水的运动规律质中地下水的运动规律1.5 1.5 流网流网25整理课件1.1 1.1 地下水运动的研究思路地下水运动的研究思路可可建立水文地质概念模型建立水文地质概念模型查明水文地质条件查明水文地质条件建立数学模型建立数学模型求解数学模型求解数学模型识别或校正模型识别或校正模型否否应用应用26整理课件第一章第一章 地下水运动的基本理论地下水运动的基
23、本理论1.1 1.1 地下水运动的研究思路地下水运动的研究思路1.2 1.2 地下水运动的基本概念地下水运动的基本概念1.3 1.3 地下水运动的基本定律地下水运动的基本定律1.4 1.4 各向异性、非均质多孔介各向异性、非均质多孔介 质中地下水的运动规律质中地下水的运动规律1.5 1.5 流网流网27整理课件1.2 1.2 地下水运动的基本概念地下水运动的基本概念1.2.1 1.2.1 渗流渗流 我们知道,不论哪一类多孔介质,其通道绝大多数情况下都是我们知道,不论哪一类多孔介质,其通道绝大多数情况下都是不规则的,它是由大小不等、形状不同的空隙连接组合而成的不规则的,它是由大小不等、形状不同的
24、空隙连接组合而成的(图图1-1-附附-1)-1)。图图1-1-附附-1-1 岩石中的空隙岩石中的空隙 由于水受固体边界的约束,只能在空隙中流动。而固体边界的由于水受固体边界的约束,只能在空隙中流动。而固体边界的几何形状十分复杂,使得空隙中地下水运动的运动要素的分布变化几何形状十分复杂,使得空隙中地下水运动的运动要素的分布变化无常。因此,实际的水流通道的空间形态与方向是相当复杂的无常。因此,实际的水流通道的空间形态与方向是相当复杂的(图图1-1-附附-2)-2)。图图1-1-附附-2-2 地下水在岩石空隙中的流动地下水在岩石空隙中的流动28整理课件 显然若从微观水平上研究地下水的运动也是很困难的
25、,显然若从微观水平上研究地下水的运动也是很困难的,实际上也无必要。实际上也无必要。因此,人们不去直接研究单个地下水质因此,人们不去直接研究单个地下水质点的运动特征,而利用平均化的方法研究地下水运动的宏点的运动特征,而利用平均化的方法研究地下水运动的宏观规律。观规律。由于实际的地下水流仅存在于空隙空间,其余部分则由于实际的地下水流仅存在于空隙空间,其余部分则是固体的岩石。为此要设计一个假想的流场,那么这个流是固体的岩石。为此要设计一个假想的流场,那么这个流场首先不能将水约束在空隙之中,否则不仅涉及复杂固体场首先不能将水约束在空隙之中,否则不仅涉及复杂固体表面边界的刻画,而且水流在空间是不连续的,
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