地下水向河渠的运动课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,河流对地下水的补给和排泄是地下水均衡计算的重要组成部分，在地下水资源评价中具有重要的意义。,河渠水位和流量的变化是影响河渠附近地区地下水动态的重要因素，通过研究河渠附近地下水运动规律，对地下水资源评价、人工排水和灌溉等都具有重要的指导作用。,2.1,河渠间地下水的稳定运动,1潜水的稳定运动,1）方程的建立及公式推导,图2-1所示，假设条件：,(1)含水层为均质各向同性，底部隔水层水平分布，上部有均匀入渗（用入渗强度W表示，为常数）；,(2)河渠基本上彼此平行，潜水流可视为一维流；,(3)潜水流是渐变流并趋于稳定。,取垂直于河渠的单位宽度进行研究,其数学模型如下：,式中h距离左端起始断面x处的潜水含水层厚度；,h1，h2左右两端河渠边的潜水含水层厚度。,（推导建议手推，下面直接给出结论）,单宽流量公式：,若已知两个断面上的水位值，可以用它来计算两断面间任一断面的流量。,应该指出的是，因沿途有入渗补给，所以,q,随,x,而变化。,（2-8）,x,2,）,公式讨论及应用,下面根据上面得到的公式来讨论河渠间潜水运动的一些特点及其应用。,（,1,）,有入渗时，潜水面的形状及河渠间分水岭的移动规律,上式是推导公式的过程中的（,2-5,），它反映的浸润曲线形：,当,W0,时，为椭圆曲线；,当,W h,2,，则,a l/2,，分水岭靠近左河；,若,h,1,l/2,，分水岭靠近右河。,由此可见，分水岭的位置总是靠近高水位河渠的。,（2-9）,（,2,）排水渠合理间距的确定,在排水渠设计中，为了避免产生河渠间的盐渍化或沼泽化，需要把分水岭水位,h,控制在一定标高，这时排水渠的间距就是合理的。根据（,2-5,）式，令,x=a,，,h=h,，得,:,上式中的,l,，,a,都是待求量，可同,(2-9),式结合起来，用试算法解出合理间距,l,。其方法为：按分水岭移动规律给出,a,值，由（,2-9,）式算出,l,值；,（2-10）,max,max,再代入,(2-10),式，看是否满足等式。如不满足，重复上述过程，直到满足条件。此时,l,即为所求的合理间距。,在两渠水位相等的特殊条件下，即,h,l,=h,2,=h,w,，分水岭位置,a=l/2,，这时（,2-10,）式可简化为：,由此可见，当水位条件一定时，在入渗强度愈大和渗透性愈弱的含水层中，排水渠间距愈小，反之则愈大。,（,3,）河渠间单宽流量的计算,河渠间的单宽流量取决于是否存在分水岭，如果存在分水岭的话，它的位置在哪儿,?,当,a0,时，说明河渠间存在分水岭。,此时，,q,1,=-Wa(,负号表示流向左河,),，,q,2,=W(l-a)(,流向右河,),。,当,a=0,时，分水岭位于左河边的起始断面上，,此时，,q,l,=0,，左河既不渗漏也得不到入渗补给；,q,2,=Wl,，全部入渗量流入右河。,当,a0,时，不存在分水岭。此时不仅全部入渗量流入右河，而且水位高的左河还要发生向水位低的右河渗漏。,从左河流出的渗漏量：,右河得到的补给量：,从上述分析可知，若左河为水库时，它的渗漏量由于存在入渗而减少，减少量等于整个库渠间入渗量的一半，即 。因此，在选择库址时，除了要考虑岸边岩石的渗透系数,K,和河渠,(,库,),之间的宽度,l,外，还要考虑入渗量,W,的大小等，以预测水库蓄水后分水岭存在的可能性和渗漏量的大小。,1/2Wl,（,4,）无入渗时潜水的方程,图2-2 计算出的潜水面与实际潜水面的比较,当,W=0,时，（,2-5,）式和,(2-8),式可简化为,:,这就是,Dupuit,公式。降落曲线的形状已经不是椭圆曲线，而是二次抛物线了。通过河渠间所有断面的单宽流量也变成相等的了。,上述所导出的公式都是在应用,Dupuit,假设，忽略了渗流垂向分速度的情况下导出的。因此，用（,2-ll,）式计算出的浸润曲线较实际浸润曲线偏低。潜水面坡度愈大，两曲线间的差别也愈大。恰尔内,(.),证实，虽然用了,Dupuit,假设，但按,(2-12),式计算的流量仍然是准确的。,2,承压水的稳定运动,图2-3,承压含水层见图2-3。在没有入渗补给，含水层厚度为M，其他条件同潜水含水层，为一维流，则有 ，对其积分得到：,由达西定律：,（2-13）,（2-14）,上述结果表明，在厚度不变的承压水流中，降落曲线是均匀倾斜的直线。若含水层厚度变化时，则M取上、下游断面含水层厚度的平均值。,3,双层介质含水层中的水流,图2-4 双层岩层中的渗流,（非均质情况）,（图2-4）双层结构的含水层，其上层渗透系数往往比下层的渗透系数小得多。在这种情况下，可以将地下水流分成二部分，将分界面以上当作潜水，以下当作承压水看待。,通过整个含水层的单宽流量等于通过下层的单宽流量和通过上层的单宽流量之和，即:,（2-15）,在自然界中，含水层的透水性沿水流方向急剧变化的情况也是常见的（图,2-5,）。根据水流连续性原理，通过两种透水性不同的岩层的流量应当是相等的。,图2-5岩层透水性急剧变化时的潜水流,对于渗透系数为,K,1,的岩层，单宽流量,q,为,:,对于渗透系数为,K,2,的岩层，单宽流量为,q,，有,:,将（,2-14,）和（,2-15,）相加，消去,hs,得到：,（2-16）,（2-17）,式中,h1,h2为断面1和2上的潜水流厚度（m);K1,K2相邻两种岩层的渗透系数(m);l1,l2断面1和2到岩层分界面的距离(m)。,（2-18）,4,承压水,-,无压流的稳定运动,在地下水坡度较大的地区，若上游为承压水，下游由于水头降至隔水底板以下转为无压水的情况，形成承压,无压流，见图,2-6,。,图2-6 承压无压流,此时，采用分段法计算，将其划分成两个部分：,承压水流段：,无压水流段：,根据水流连续性原理，,q,1,=q,2,=q,，得到：,把,l,0,代入任何一个流量公式，可得承压,无压流的单,宽流量公式：,（2-19）,2.2,河渠间地下水的非稳定运动,潜水回水：地表水和两岸潜水存在水力联系的情况下，河水位（库水位）的抬升，引起潜水水位相应地抬高的现象。,河渠引渗（回灌）：利用河渠地表水的侧渗作用来补充地下水，以达到灌溉农田的目的。,研究河渠附近潜水运动规律意义：地下水资源评价、人工回灌系统的规划设计、河道建闸蓄水对两岸地下水动态影响的预测、土壤盐碱化的预防和改良，以及 在浅层地下水为咸水的地区如何进行排咸补淡。,(1)含水层均质，各向同性，位于水平隔水层上；上部入渗量可忽略不计，即设W=0。河渠引渗后的潜水流可视为一维流；,(2)潜水流的初始状态为稳定流，水位 。,(3)两侧河渠水位同时出现水位上升，发生瞬时回水，左河水位,自 上升至 ，右河自 上升至 。,在研究时作如下假设：,1）水文地质概念模型,1 河渠水位迅速上升或下降为定值时，河渠间地下水的非稳定运动,或,2）数学模型及其解,在上述情况下，地下水的运动仍可用Boussinesq方程式来描述，只是W=0，因此有:,Boussinesq方程的第一种线性化方法适用于含水层厚度hm较,大、水位变化h较小，即h=hm+h，且h hm，因此可将公,式中的h视为常数，于是有：,此时浸润曲线为一直线。,第二种线性化方法。为了把上述方程线性化，在方程两端同时乘以潜水流厚度,h,，则有,:,如潜水流厚度变化不大，可以近似地作为常数来看待，用其平均值,hm,来代替，令,则上式进一步改写为齐次的,Fourier,方程,:,这是以表示的线性方程。显然，只有当求解问题的初始条件和边界条件对于也是线性的时候，问题本身才是以表示的线性问题。这种线性化的方法是,Boussinesq,方程的第二种线性化方法。,式中：,（2-20）,（2-21）,据前面的假设，可以写出以表示的定解条件下：,为了便于求解，取一新函数：,并把它代入（,2-20,）式和相应的定解条件，将定解,问题变为：,该问题可通过有限,Fourier,正弦变换求解，结果为：,经过推求得水位公式：,式中：,相对距离；,相对时间；,河渠水位函数，当,x,在,01,的区间变化时，由表可查；,可据 ，由 求得。,（2-26）,（2-27）,式（,2-27,）为河渠水位迅速上升，然后保持不变时，计算河渠间任一断面任一时刻水位的公式。该公式表明，它为 乘上小于,1,的函数，故河渠间任一断面的水位变幅总是小于河渠的水位变幅的。,取（,2-27,）式对,x,的导数，代入 中得单宽流量公式：,式中：,河渠流量函数,其值可查表,2-2,；,（2-28）,q,x,，,0,x,断面处回水前单宽流量；,q,x,，,t,x,断面处回水后,t,时刻的单宽流量。,式（,2-28,）表明，当河渠水位迅速上升，然后保持不变时，任意时刻任一断面的单宽流量与稳定流不同，它不仅随时间变化，且与坐标有关。虽然没有沿途的入渗补给，但因同一时刻在不同断面上有不同的水位变幅和流速，故不同断面的流量也是不同的。,将（,2-28,）式在,0t,区间积分得时段单宽流量公式：,式中 ，的值可查表,2-3,。,式（,2-29,）为从引渗开始经历时间,t,后任一断面的总单宽侧渗量（单位长度上河渠补给地下水的总量）。,2,河渠水位变化时，河渠间地下水的非稳定运动,河水位常存在一定的涨落，呈阶梯状变化或连续变化。常将其变化曲线概化为阶梯状线段，见图2-9。为了计算方便，左右两河渠概化的时段数应该相同。每一时段视为定水位，相邻时段之间变化仍看作瞬时回水。各时段回水之和即是整个变化过程，应用叠加原理可求得下列计算公式：,3,公式应用分析,(1)l,，,将双侧有河渠渗透转变为单侧有河渠渗透的半无限问题。,此时，（,2-27,）式简化为,:,为了求极限值，可将级数化为积分，结果为：,图2-10 河渠水位迅速上升时河渠附近潜水的非稳定运动,（2-32）,式中：,F()=erfc()=1-erf()=,，,；,河渠水位对地下水位的影响系数，数值列于表,2-4,中。,erfc(),误差函数的补函数（余误差函数）。,erfc()=,误差函数。,如果含水层的压力传导系数,a,已知，欲求在任一距离,x,，任一时间,t,内因河渠水位突然变化 所引起的地下水位变化，可先求出 ，然后由表,(2-4),查得,F(),值，代入（,2-32,）式，即可确定 值。,同理，,(2-28),式简化为,:,公式中 。,式（,2-32,）和式（,2-33,）为一侧有河渠渗透时，任一断面潜水位和单宽流量的计算公式。,(2),，左河渠回水，右河渠水位保持不变。,则由（,2-27,）式和,(2-28),分别简化为：,沿河渠布置井排开采地下水，可以夺取河渠水的补给。这时，可近似地把井排看作水平渠道（相当于右渠），且动水位不变，利用上面两个公式可计算潜水位和河水对地下水的补给量。,（2-33）,（2-34）,（2-35）,(3),确定排灌渠的合理间距,在排水或灌溉的地区，设计出合理的渠道间距是水文地质工作的重点之一。,如图,2-8,所示，相邻河渠水位变幅相等，即 时，可取河渠中间断面的潜水位为计算指标,(,引渗时最低，排水时最高,),。在预计时间内，如该断面上的潜水位满足设计要求，则其余断面的水位必然都能达到预期的引渗或排水效果。这时河渠间距是合理的。,按照上面的分析，在,x=l/2,处，这时（,2-27,）式可简化为：,上式左端表示中间断面回水前潜水位的平方差占回水前后河渠水位平方差的百分比，若取该值为,0.8,0.9,（,80-90%),则可在 条件下反查表,2-1,，求得相应的 值。由,得：,式（,2-36,）说明了河渠的合理间距,l,和其他参数的关系。在渠水位变幅一定时，含水层透水性和平均厚度越