第七章 地下水運動中的若干專門問題.doc

第七章 地下水運動中的若干專門問題1 非飽和帶的地下水運動一、關(guān)于非飽和帶水分的基本知識1. 含水率，飽和度和田間持水量包氣帶中的空隙，一部分被水充填，另一部分被空氣充填。含水率()：表示單位積中水所占的體積，式中：（Vw）0典型單元體中水的體積；V0典型單元體的體積飽和度：巖石的空隙空間中被水占據(jù)部分所占的比例。式中：（V0）0典型單元體中的空隙體積含水率與飽和度的關(guān)系：=nSw式中：n孔隙度。田間持水量：在長時間重力排水后仍然保留在土中的水量。2. 毛管壓力毛管壓強：在多孔介質(zhì)的孔隙中，液體和氣體接觸是，二者存在壓力差，這個壓力差稱毛管壓強。用pc表示pc=pa-pw式中：pa空氣的壓強；pw水的壓強毛管壓強取決于界面的曲率，曲率愈大（液面愈彎曲，毛管壓強愈大。以上毛管壓強是以絕對壓強為基準，如果以相對壓強為基準，這時有：pc=pa-pw pa pc=-pw 毛管壓強相對大氣壓強為負值。即，非飽和帶孔隙中的水處于小于大氣壓強的情況下。非飽和帶水流中任何點的水頭式中：z位置水頭；hc=pc/r 毛管壓力水頭； H=z-hc3土壤水分特征的曲線水分特征曲線：反映毛管壓力水頭（或毛管壓強）和土壤含水率或飽和度關(guān)系的曲線。如圖：隨著含水率的減少，毛管壓力增加，當含水率減小到某一值時，壓強繼續(xù)增大時，含水率不在減小。相應(yīng)的飽和度為：影響特征曲線的因素：（1）不同質(zhì)地的土壤，其水分特征曲線不同。一般說，土壤的粘粒含量愈高。同一負壓條件下土壤的含水率愈大，或者同一含水率下其負壓愈高。這是因為，粘粒含量增多。使土壤中細小孔隙發(fā)育的緣故。（2）土壤結(jié)構(gòu)。如圖，為一砂壤土不同干容重的水分特征曲線，在同一負壓下，土壤愈密實，（大），相應(yīng)的含水率一般也大。原因，土壤愈密實，大孔隙數(shù)量減少，中孔隙增多。（3）溫度的影響。溫度升高，水的粘滯性下降，所以表面張力降低，在同樣的負壓下，含水率要低一些。（4）土壤水分變化過程的影響。對于同一土壤，土壤脫濕（由濕變干）過程測得的水分特征曲線不同，如圖，在相同的負壓下，排水（脫濕）時的含水率要大于吸濕時的含水率。這種現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。（5）容水度：毛管壓力水頭變化一個單位時，從單位體積土中釋放出的水體積。數(shù)值上等于，水分特征曲線的斜率的負倒數(shù)。它是含水率和毛管壓強的函數(shù)，可用或表示。二、非飽和帶水運動的基本方程非飽和帶地下水的運動，也可以用達西定律描述，這時的滲透系數(shù)是變化的，與含水率和毛細壓力水頭有關(guān)，是和的函數(shù)，其關(guān)系如圖，隨著含水率的增大，滲透系數(shù)增大，隨毛管壓力水頭的減小，滲透系數(shù)增大。在非飽和帶中，定律的表達式為：在三個坐標軸的分量為：2 基本微分方程第一章推的滲流連續(xù)性方程，如下：在飽水帶中，全部孔隙被水充滿，等式右端用孔隙度，在非飽和帶中，部分孔隙被水充滿，所以用含水率取代，并兩邊除（近似為常數(shù)），得：將vx、vy、vz代入上式，得：二式為非飽和流的基本方程3 基本方程的幾種形式（1）以含水率為因變量的表達式將H換成，將H=z-hc代入上（1）式，得：上式進一步變換定義K（）/C（）=D（）為擴散系數(shù)，得：對于垂向一維流動，去掉前兩項，得：軸向上取正值，軸向下取負值。（2）以毛管壓力水頭為因變量得表達式：將H=z-hc代入（2）式，得：代入上式：對于垂向一維流動，去掉前兩項，得：軸向上取正值，軸向下取負值。2 水動力彌散理論用來模擬地下水中污染物和化學(xué)成分得運移過程，預(yù)測地下水污染得發(fā)展趨勢。一 水動力彌散現(xiàn)象及其機理例1. 在一口井中注入一種示蹤劑，示蹤劑在隨地下水向前流動得過程中，向外圍擴散，形成一個以中心點濃度最大，向四周濃度逐漸減小的過渡帶，并且隨示蹤劑遷移的距離增大，過渡帶也越來越寬。如圖（書中）例2. 在均勻流的砂柱中，用含有示蹤劑濃度為的水去替代，在砂柱另一端測量示蹤劑濃度，得曲線如圖（書）。水在流動過程中并非一個突變界面，而是一個過液帶。這種現(xiàn)象稱水動力彌散。水動力彌散是機械彌散和分子擴散所引起的。1 機械彌散液體在多孔介質(zhì)中運動的三種情況：（1）由于液體粘性的作用和結(jié)合水的摩擦阻力，使得靠近孔隙壁的水流速度趨于零?？紫吨行牟课涣魉僮畲蟆？紫洞笮〔灰?，造成不同孔隙之間沿軸部的最大流速有差異；（1）由于空隙的彎彎曲曲，水流方向也隨之不斷地改變。由于上述三種情況，造成了地下水質(zhì)點運動速度，在大小和方向上的不均一，造成了示蹤劑有的運動快，有的運動慢，從而形成了上述過渡帶。這種由于速度不均一所造成的這種物質(zhì)運移現(xiàn)象稱為機械彌散。2 分子擴散一般溶質(zhì)都有由濃度高向濃度低的地方運移的性質(zhì)，以求濃度趨于均一。這種由于液體中所含溶質(zhì)的濃度不均一而引起的物質(zhì)運移現(xiàn)象叫分子擴散。分子擴散服從定律式中：Is單位時間內(nèi)通過單位面積的溶質(zhì)的質(zhì)量；dc/ds溶質(zhì)在溶液中的濃度c沿s方向變化的濃度梯度；Dd擴散系數(shù)。機械彌散和分子擴散是同時出現(xiàn)的，當流速較大時，機械彌散是主要的；當流速甚小時，分子擴散的作用就變得明顯。水動力彌散還分為沿水流方向和垂直與水流方向的彌散，沿水流方向的彌散稱縱向彌散，垂直水流方向的彌散稱橫向彌散。二 水動力彌散系數(shù)分子擴散服從定律：式中：D為分子擴散系數(shù)；I為由于分子擴散在單位時間內(nèi)通過單位面積的溶質(zhì)質(zhì)量。機械彌散也服從定律：式中：D為機械擴散系數(shù)；I為由于機械擴散在單位時間內(nèi)通過單位面積的溶質(zhì)質(zhì)量。由于水動力彌散是分子彌散和機械擴散共同作用的，定義水動力彌散系數(shù)：水動力彌散定律如下：式中：I單位時間內(nèi)通過面積的溶質(zhì)質(zhì)量；D水動力彌散系數(shù)；Dc/ds濃度梯度。如果我們?nèi)》较蚺c流速方向一致，軸和軸與流速方向垂直，上式可用下式表示：三 對流彌散方程及其定解條件如圖，以滲流區(qū)內(nèi)任一點為中心，取一無限小的六面體單元，各邊長為x、y、z，選擇x軸與P點處的平均流速方向一致。（即縱向彌散方向為軸方向）在對流彌散問題中，包括兩個子問題：其一，溶質(zhì)隨地下水的流動或流出單元體；其二，溶質(zhì)通過自身的彌散流入或流出單元體。水動力彌散引起的物質(zhì)運移：設(shè)，沿軸方向溶質(zhì)的質(zhì)量變化率為dIx/dx，如果假設(shè)Ix為在abcd面上，單位時間內(nèi)通過單位面積溶質(zhì)的質(zhì)量，那么，時間內(nèi)通過面流入單元體的溶質(zhì)質(zhì)量為：Ixnyzt因為沿軸方向溶質(zhì)的質(zhì)量變化率為dIx/dx，所經(jīng)距離x后，變化了（dIx/dx）x，所以，t時間內(nèi)，通過abcd面流出單元體的溶質(zhì)質(zhì)量為：所以，沿x軸方向流入與流出單元體的溶質(zhì)質(zhì)量差為：同理，沿y軸方向和z軸方向流入與流出單元體的溶質(zhì)質(zhì)量差為：所以，通過彌散單元體內(nèi)溶質(zhì)質(zhì)量的變化為：隨地下水流的物質(zhì)運移：設(shè)沿x軸方向，在abcd面地下水的流速為vx，則單位時間通過abcd面單位面積流入單元體的水量為vx11，流入的溶質(zhì)質(zhì)量為vxc：（為溶質(zhì)的濃度），那么，在t時間內(nèi)流入abcd面溶質(zhì)量為：vxcyzt設(shè)沿方向，通過單位面積溶質(zhì)質(zhì)量的變化率為：經(jīng)x距離的變化量為：在abcd面，單位時間單位面積流出單元體的溶質(zhì)質(zhì)量為：在t時間內(nèi)流出面的溶質(zhì)質(zhì)量為：所以，沿軸方向流入與流出單元體的溶質(zhì)的質(zhì)量差為：同理，沿軸和軸方向流入與流出單元體的溶質(zhì)質(zhì)量差為：所以，隨地下水流流入與流出單元體的溶質(zhì)質(zhì)量差為：t 時間內(nèi)，流入和流出單元體總的溶質(zhì)質(zhì)量差為：另外，設(shè)單元體內(nèi)溶質(zhì)濃度隨時間的變化率為dc/dt，那么，t時間內(nèi)單元體內(nèi)體積溶質(zhì)濃度變化量為：所以，t時間內(nèi)單元體內(nèi)溶質(zhì)質(zhì)量變化量為：上述二量應(yīng)相等，并消去xyzt，得：代入上式，并兩邊同除以，則得：式中，u實際流速。上式為對流彌散方程。如果，有其它源匯項時，并設(shè)單位時間單位體積含水層內(nèi)由源匯引起的溶質(zhì)質(zhì)量的變化量為f。在上式的左邊加一項f即可。關(guān)于溶質(zhì)運移的數(shù)學(xué)模型除微分方程外，還應(yīng)有定解條件：初始條件：初始時刻的濃度分布。表達式如下：C(x，y，z，0)= C0(x，y，z)邊界條件：有兩類。一類是已知濃度的邊界條件，表示如下：式中：1表示一類邊界。另一類是通量邊界，即單位時間內(nèi)通過單位邊界面積的溶質(zhì)質(zhì)量已知。如：隔水邊界：補給邊界：所以，要確定一個水動力彌散問題的解，即求得濃度的分布，要給出下列信息：（1）微分方程；（2）研究空間區(qū)域和時間區(qū)域；（3）研究區(qū)域水頭場的分布；（4）有關(guān)參數(shù)，如彌散度和等；（4）定解條件。四 一維彌散問題解設(shè)投放示蹤劑前，含含水層中示蹤劑的濃度為0，然后在河渠中連續(xù)注入濃度為C0的示蹤劑。在均勻流情況下，ux=u為常數(shù)（1）數(shù)學(xué)模型：定解問題的解：其中當時，上解可近似為：（2）利用實驗資料求縱向彌散系數(shù)有一個觀測孔時，觀測孔距河渠距高已知，在觀孔中可測得不同時刻的，從而可求得。求參步驟： 據(jù)實驗資料作Ci/C0t關(guān)系曲線，如圖 在圖上找出Ci/C0為0.84和0.16二點，并讀出其橫坐標t0.84和t0.16。 代入下式求縱向彌散系數(shù)式中：u地下水實際流速3 海岸帶含水層中的咸淡水界面天然條件下，在海岸帶含水層中的地下水一般是流向海的，由于海水比淡水的比重大，海水體將位于淡水體的下方，是楔型，如圖。處于平衡狀態(tài)。當在海岸邊抽取淡水時，這時淡水的水位下降，打破了原來的平衡，引起海水向內(nèi)陸的入侵，以達到新的平衡，這時界面向陸地推進。該現(xiàn)象為海水入侵。海水與淡水是可以溶混的，由于水動力彌散，在海水與淡水之間形成了一個過渡帶，在過渡帶中地下水的礦化度由小變大，直到海水礦化度。過渡帶的寬度在不同的地區(qū)，其寬度不同，當其寬度較小，且與含水層的厚度相比較小時，可以以為海水與淡水之間是一突變界面；否則寬度較寬時，則作為水動力彌散問題加以研究。一 作突變界面處理靜止界面的近似解當?shù)秃Ｋ幱谝环N平衡狀態(tài)時，界面是靜止的，如圖，假設(shè)淡水的容重為rf，海水的容重為rs。在界面上的點，受海水的壓力為：shs在界面上的點，受到淡水的壓力為：f（hs+hf）此二壓力應(yīng)相等：f（hs+hf）= shs解得：令則：hs=hf一般海水密度為1.025g/cm3，容重s=10045N/m3，淡水密度為1.000g/cm3，容重s=9800N/m3。代入可求得：=40 hs=40hf說明：在離海岸任一距離上，穩(wěn)定界面在海面以下得深度為該處 淡水高出海面得倍。以上僅是一種近似解法。二 確定界面的形狀及海水入侵的范圍（一） 厚度固定的水平承壓含水層中的界面問題水流是穩(wěn)定流，如圖，設(shè)，原點位于坡腳（點），x軸的正向指向海。含水層厚度為M，承壓水頭為H，假設(shè)地下水為水平流，忽略垂向分速度。由Darcy定律，有：K=Kf（Kf含水層中淡水的滲透系數(shù)）H=Hf（Hf含水層中淡水的水頭）由前面知，hs=d+h(x) hs=H d+h (x)= H兩邊對求導(dǎo)，得：（與無關(guān)）代入上式得：對上式整理得：兩邊積分得：當x=0時，h(x)=M，代入上式得：代入上式得：上式表明界面得形狀是一條拋物線。利用此式可確定X處的h（x）。另外，由d+h (x)=H得：h (x)=H-d代入（1）式得：兩邊積分，得：當x=0時，H=H0，代入上式，得：代入，得：此式表明承壓水含水層淡水的水頭面的形狀也是一條拋物線。當x=L時，h=0，這時d+h=d=H H=d /代入上式，得：此式表示出海水入侵深度與流向海的淡水流量q0和界面坡腳以上測壓水頭H0之