河渠控制下潜水含水层中的蒸发规律与计算"
合肥工业大学土建学院#合肥"&$$$T
摘要!!在潜水蒸发和河渠水平渗透共同作用下!对潜水非稳定渗流模型!利用dB3EE/48Ek第一线性化方法!通过:.0.58变换!导出了该模型的解析解#对时变的潜水蒸发强度!利用卷积原C理!给出计算潜水水位变动的解析公式#建立了计算潜水蒸发强度的递推公式#根据模型解!研究了潜水蒸发引起的潜水位变化过程与变化规律#认为在河渠边界控制下的潜水含水层中!蒸发作用将形成具时间滞后特征的潜水位变化过程!河渠边界对潜水位变化过程的影响幅度具有非线性时变特征#如果忽略边界条件所进行的评价!其计算误差将随时间的延长而迅速增大#以安徽淮北平原某河流潜水含水层系统为例!阐述上述方法过程与步骤#(关键词!!潜水非稳定流!潜水蒸发!递推公式!非线性时变!滞后!!潜水蒸发是潜水含水层重要的垂向排泄方式#它是地下水参与全球水循环的重要中间过程#潜水蒸发规律与算法的研究#大体可分为两类%一是利用N#KLA模型$EB/0C0.4@.@-BEH8F85B4@/433-&C另一类是以地下水要素的变化规律为基础#NKLA模型把土壤"植物"大气作为一个物理上的连续体#探讨以土壤水和作物关系为中心的农田水分运
#移转化机理)"$世纪T$年代#拓展用于潜水蒸发
流与含水层水位变动影响下半透水堤坝的渗流模
关于在垂向与水平水量交换共同作用下#对河渠边界控制的半无限含水层中的潜水非稳定渗流问题#文献)利用:!+#!’*.0.58变换给出了?B3F/8FC级数形式的解析解#文献)给出了类似的近似!**解!上述解内容烦琐"应用也较困难#针对上述问题$垂向水量交换强度是非时变函数&#文献)!)*给出了形式简单的解析解#并分析论证了解所对应的渗流规律4本文在上述研究的基础上#给出时变垂向水量交换作用下的解析解#并利用它建立评价含水层潜水蒸发强度的计算方法"研究河渠附近的潜水蒸发规律#
研究中!由于潜水蒸发与作物蒸散的关系非常复
杂)#即使只考虑地下水埋深单因素条件#也是较!*复杂的)#所以#包括土壤水热模型&NKLA模型$
在实际应用中#目前主要是建立统计意义上的相关关系#即以地下水要素为基础开展的研究$主要是根据蒸发作用下的潜水位消退规律&建立经验"半
*&+)经验的计算公式)#
!!渗流模型及其解
理想的顺直河渠#如图!!其所处地段的水文地质条件#可概括为%
$&无限延伸的潜水含水层均质各向同性"具!
水平的隔水底板!
$&一条在剖面上基本完整切割含水层的河"
潜水非稳定渗流模型及其解析解#是研究潜水位变化过程与规律的重要工具#近年来#相关渗流问题的研究一直受到高度关注#如%开采井影响下
的河流含水层系统中潜水渗流模型)"河渠含水((
"河层系统在非水平潜水含水层中的渗流模型)
$$’($%(!)收稿#"$$’(!$(!T收修改稿!"
批准号%&+$!)+$’$!"国家自然科学基金资助项目$
%(-./0@.B38G.4BH3#5B-!,!ER
解析解#它为定量研究潜水位和河渠水位之间的关系提供了理论工具7
"!时变垂向强度条件下的解
在上述渗流模型中#,是常量7但在一个评价期内#含水层可能受到潜水蒸发"降水入渗"灌溉回渗等作用的影响#蒸发与入$回&渗是方向完全相反的作用#因此#此时的,不能按常量处理7另外#I;#5
B,!!!!$&D&BQ#
I=$$D#I&SI;$;,$D#$&!
D=$$D#I&SD;$;,$$#$&B#O!I:$$D#I&SD#Q;,$D#$&B’
!I:$#式中’是给水度"#是渗透系数$-.1F!&",是地下水水位$-&"#O是河水迅速变化幅度$-&#,是
含水层的垂向水量交换强度$补给含水层为正#如降水入渗等!排泄含水层为负#如潜水蒸发等&
$-.1F!&"D是计算点距边界的距离$-&7
当,$D#I&F,$D#$&+$7
!,-$,-为潜水流的平均厚度#这在实际中大都能满足&时#利用B3EE/48Ek方程第一线性化方法#通过:.C
0.58变换#文献)!)
*给出了如下的解析解%,$D#I&;,$D#$&B#
&式中%-为导压系数#-;#.,1/’!8
FD$W&和FD5$W&分别是误差函数和余误差函数7$!&式是在非时变垂向水量交换作用下"河渠边界控制的半无限含水层中潜水非稳定渗流过程的
由于潜水蒸发强度与潜水位埋深"气温"湿度等因素关系密切#因此#当评价期稍长时#,也不宜按常量处理7
当,不宜按常量处理时#根据实际变化过程#先
将评价期划分为若干个计算时段!在每个时段内#可认为,的变化较小#将其时段内均值#作为该时段内的时不变垂向交换强度7如图"所示#对于时段H/#
H/;I/FI/F!!,在时段H
/内的均值为,
!!对于河流水位随时间变化的处理#在方法原理
上#与垂向交换量的处理方法#完全一致7
#!潜水蒸发强度的计算方法
公式$!&所反映的潜水水位变动幅度,$D#I&F
#受&个条件控制%河渠水位变动幅度#
O"潜水蒸发强度,"以及河渠边界条件7在利用实测的潜水水位动态数据#进行潜水蒸发强度评价时#必须要将#O和边界条件的
影响也计算在内#
否则#计算结果将失真7
在河渠边界条件控制下的潜水含水层中#由潜水蒸发作用形成的潜水水位为,&#与之对应D#I,$&&的变动速度为C&/式%D#I;,D#II7由$!55,$,$!!!_$
""$&I*#;_&$#F
D#I&;),$D#I&F,$D#$&*F#O.8FD5
&C,$D#I&;$#&
7$+&!!在公式$+&中#5,$D#I&/5
I可以利用潜水水位实际测验数据进行计算!在含水层参数-为已知的条件下#可计算所需要时段的C,$D#I&7此时#再结合$"&式#可建立求解不同时段内,/的递推方程%
FD!!!!!!I!:I=$$D#I&;$
!!!I":I=I!!!$
#!!根据$’&式#先计算,$#再算,!#逐步递推#
最后计算,17
!含水层参数的计算方法
在利用潜水水位实际变动数据评价潜水蒸发强度时#涉及到含水层的给水度’和导压系数-必须为已知7’可在野外直接测定获得!但-野外测定困难#一般要用潜水位动态数据#通过分析计算获得7
潜水水位变动速度为CI$D#I&#CI$D#I&;5,$D#I&/5
I7利用地下水位动态测验数据#计算I$D#I&随时间I的变化曲线CI$D#I&6I#并将之与理论曲线进行配线#可求出-值7另外#可利用I$D#I&6I曲线上的拐点$拐点处的时间为I#&
#进行参数计算7由$!&#$+&#$’
&式#有$*&式中_;,/$’.#
7&#_=$时#,为正值$如降水入渗等&#_&$时#,为负值时$
如潜水蒸发&7实际研究中#可根据区域研究成果确定降水入渗系数#再利用相应阶段的潜水位变动数据#计算
’!边界对潜水蒸发作用的影响
研究边界条件对潜水位变化规律的影响#不仅为实际中计算方法的选择提供理论依据#而且对研
究含水层和河渠之间的水力关系十分重要)!%#!T
$!&潜水位的非线性时变特征!,作用下的潜
水位#在有边界控制条件下为,=#在无边界条件下为,"7由$
!&式##O;$时%,=;
$8FD1I#$)&,";,=SD#Q;
&!!潜水蒸发作用下的潜水位#在无限域中是时间的线性函数,"#如$%&式!在河渠边界控制的半无限域中是时间的非线性函数,=#如$)&式!由于8FD$W&&!#所以6,=6&6,"
6!即河渠边界对,形成的潜水位降幅起减缓作用7由函数性质#仅当计算点距边界足够远#边界作用才可忽略#$%&式也才适用7
$"&影响幅度的非线性时变特征!在$+I时段内#边界条件使,"减小的总幅度为,.#在I时刻的影响幅度为C.7由$
)&和$%&式%,.;!F$,/,;
1I#$T&C;,.
5I;8FD57$!$&!!由于8
FD5$W&是一递减函数#由$!$&式#当计算点趋向河渠时$D减小&#C.增大#即河渠边界影响趋明显7对于同一计算点#随
着时间的延长$I增
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第 ! 卷 ! 第 # 期 !$ % 年 # 月 河渠控制下潜水含水层中的蒸发规律与计算
陶月赞合肥工业大学土建学院 #合肥
$ $ &$t 摘要 !! 在潜水蒸发和.........
含水层厚度的确定_电力水利_工程科技_专业资料。含水层厚度的确定方法,方便...当水井布置在具有潜水自由面的含水层中时(即地下水面 为自由面),称为无压井.........
一潜水含水层隔水底板水平,均质、各项同性, 延伸范围很广,初始的含水层厚为10m......
抽水时,承压含水层完整井的降深-时间曲线,与潜水含水层 完整井的... 某承压含水层厚度为100m,在一完整井中以600m3d的涌水 量进行抽水试验,.........
四、分析计算题 在某潜水含水层有一口抽水井和一个观测孔。设抽水量 q=600m3d,含水层厚度 h0=50m,井内水位 hw=10m,观测孔水位 h=26m,观测.........
潜水要素有:潜水面、潜水埋藏深度、潜水位、潜水含水层厚度、潜水面的水力坡度 充满......
潜水位(线):即潜水面上任一点的海拔高度 潜水含水层厚度:即潜水面至隔水底板的垂......
某潜水含水层厚度为 31m,现有一完整井(井半径为 .....
潜水位埋深,潜水位(潜水位标高),潜水含水层 厚度 2按埋藏条件分类的各类地下水特征 2按埋藏条件分类的各类地下水特征潜水含水层厚度是指从潜水面到隔水.........
解:贮水率为单位面积、单位厚度的含水层在水头降低一个单位时释放的水量,物理...3600 j? [2-8] 如下图所示的各向同性层状含水层,上部为均质潜水含水层( .........
设在某潜水含水层中有一抽水井,含水层厚 44m,渗透系数为 265m......
承压水运动的基本微分方程、越流含水层承压水运动的基本微 分方程、潜水运动的...分层序号 1 2 3 4 岩性 粉砂 细砂 粗砂 亚砂土 厚度(m) 5 5 .........
设抽水量 q=600m3d,含水层厚度 5m, 井内水位 10m,观测孔水位 ...潜水含水层平均给水度 为 1,其年侧向入流量 为 1× 106m3,年侧向出流量.........
2 w 2l 2 00033 2 × 1000 分水岭处的潜水流厚度为: h 2 = 10 ..某地承压水含水层面积约为 100km2,贮水系数为 0002,当承压水位平 3 (........
下层 为粗砂,平均厚度 m=4m,渗透系数为 30md。试求含水层的单宽流量。 某农田拟用灌渠进行引渗,已知引灌前渠水位与潜水位相同,其平均水位为 h0=8m.........
4 -4 665 875 224 277 357 451 4-4 某半承压含水层的下部与隔水层相邻,而上部与 2m 厚的砂质粘土相联,砂质粘土的上部是一潜水层。.........
孔1 孔2 孔3 孔4 m1 m2 m3 m4 图1 0 0 2、在某潜水含水层有一口抽水井和一个观测孔。设抽水量 q=600m3d.,含 水层厚度 h0=50m,井内水位.........
潜水的自由水面称为潜水面,潜水面至地表的距离 称为潜水埋藏深度,潜水面上任一点的标高称为该点的 潜水位,潜水面至隔水底板的距离称为含水层厚度。 潜水特征 .........
32、潜水面:潜水中的自由水面。 33、潜水位:潜水面的高程。 34、潜水含水层厚度:从潜水面到隔水底板的垂直距离为潜水含水层厚度。 35、潜水埋藏深度:潜水面到.........
其 涌水量计算 公式为: 式中 q——井筒涌水量,m3d; k——含水层渗透系数, h——静止水位高度(对潜水完整井即潜水含水层厚度) ,m; h——动水位.........
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基坑降水设计中潜水含水层水文地质参数计算分析
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第六章 水文质参数的计算
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第六章水文地质参数的计算吉林大学环境与资源学院地下水科学与工程系梁秀娟水工楼207水文地质参数是表征含水介质水文地质性能的数量指标，是地下水资源评价的重要基础资料，主要包括含水介质的渗透系数和导水系数、承压含水层的贮水系数、潜水含水层的重力给水度、弱透水层的越流系数及水动力弥散系数等，还有表征与岩土性质、水文气象等因素的有关参数，如降水入渗系数、潜水蒸发强度、灌溉入渗补给系数等。水文地质参数常通过野外试验、实验室测试及根据地下水动态观测资料采用有关理论公式计算求取，数值法反演求参等。6.1给水度一、影响给水度的主要因素给水度（μ）是表征潜水含水层给水能力或蓄水能力的一个指标。给水度不仅和包气带的岩性有关，而且随排水时间、潜水埋深、水位变化幅度及水质的变化而变化。二、给水度的确定方法1.根据抽水前后包气带土层天然湿度的变化来确定μ值根据包气带中非饱和流的运移和分带规律知，抽水前包气带内土层的天然湿度分布应如图7－1中的oacd线所示。抽水后，潜水面由A下降到B（下降水头高度为△h），故毛细水带将下移，由aa′段下移到bb′段，此时的土层天然湿度分布线则变为图中的oabd。对比抽水前后的两条湿度分布线可知，由于抽水水位下降，水位变动带将回给出一定量的水。按水均衡原理，抽水前后包气带内湿度之差，应等于潜水位下降△h时包气带（主要是毛细水带）所给出之水量（μ△h），式中：△Zi—包气带天然湿度测定分段长度；△h—抽水产生的潜水面下移深度；W1i，W2i—抽水前后△Zi段内的土层天然湿度；Wh－持水度；Z0－湿度变动带；oacd—抽水前天然湿度线；oabd—抽水后天然湿度线；ac、bd—毛细水带湿度分布示意线n—取样数。2.根据潜水水位动态观测资料用有限差分法确定μ值如果潜水为单向流动，隔水层水平，含水层均质，可沿流向布置3个地下水动态观测孔（图7－2），然后根据水位动态观测资料，按下式计算μ值。6.2渗透系数和导水系数渗透系数（K）又称水力传导系数，是描述介质渗透能力的重要水文地质参数，渗透系数大小与介质的结构（颗粒大小、排列、空隙充填等）和水的物理性质（液体的粘滞性、容重等）有关，单位是m/d或cm/s。导水系数（T）即含水层的渗透系数与含水层厚度的乘积，常用单位是m2/d。导水系数只适用于平面二维流和一维流，而在三维流中无意义。含水层的渗透系数和导水系数一般采用抽水试验法和数值法反演计算求得。一、用抽水试验方法求参应注意的问题根据抽水试验资料，采用解析公式反演方法识别含水层水文地质参数，分稳定流抽水和非稳定流抽水两类。1.利用稳定流抽水试验资料计算渗透系数（1）采用方法常采用稳定流裘布依公式计算渗透系数，但计算结果往往与实际不符。（2）产生原因①施工质量——洗孔不彻底，滤水管外填砾不合规格等。②选用计算公式与抽水引起的地下水运动规律不符，即不符合裘布依公式的假设条件。（3）主要影响因素①含水层的井壁边界条件②影响半径（R）③天然水力坡度（I）的影响④抽水降深大小的影响2.利用非稳定流抽水试验资料反求水文地质参数C.V.Theis公式在应用中要注意泰斯公式的假设条件。野外水文地质条件不一定完全符合假设条件，在使用单井非稳定抽水试验资料求水文地质参数时应注意：①承压完整井抽水，当井内流速达到一定程度（如达1m/s以上），在井附近会产生三维流区，利用主孔资料或布置在三维流区内的观测孔求解时，将产生三维流影响的水头损失，应对实测降深值进行修正；②由于地下水运动存在天然水力坡度，利用观测孔求水文地质参数时将具有不同方向的数值差异，在地下水流方向的上、下游所计算的参数数值差异较大。解决的方法是在抽水形成的降落漏斗范围内布置较多观测孔，求水文地质参数的平均值，代表该地段的水文地质参数值；③注意边界条件的影响。二、数值法求水文地质参数数值法求参按其求解方法可分为试估—校正法和优化计算方法。一般采用试估—校正法。这种方法利用水文地质工作者对水文地质条件的认识，给出参数初值及其变化范围，用正演计算求解水头函数，将计算结果和实测值进行拟合比较，通过不断调整水文地质参数，反复多次的正演计算，使计算曲线与实测曲线符合拟合要求，此时的水文地质参数即为所求。求参结果的可靠性和花费时间的多少，除取决于原始资料精度外，还取决于调参者的经验和技巧。6.3贮水率和贮水系数贮水率表示当含水层水头变化一个单位时，从单位体积含水层中，因水体积膨胀（或压缩）以及介质骨架的压缩（或伸长）而释放（或贮存）的弹性水量，用μs表示，它是描述地下水三维非稳定流或剖面二维流的水文地质参数。贮水系数表示当含水层水头变化一个单位时，从底面积为一个单位、高等于含水层厚度的柱体中所释放（或贮存）的水量，用S表示。潜水层水层的贮水系数等于贮水率与含水层的厚度之积再加上给水度，潜水贮水系数所释放（贮
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