学习情境二-的项目三课件.ppt
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1、项目三项目三 地下水向完整井的非地下水向完整井的非稳定运动稳定运动任务引入任务引入 某县其经济相对比较落某县其经济相对比较落后,为帮助该县迅速脱贫致后,为帮助该县迅速脱贫致富,根据康平县位于铁法煤富,根据康平县位于铁法煤矿边缘,其煤炭资源比较丰矿边缘,其煤炭资源比较丰富的特点,在该县建设一发富的特点,在该县建设一发电有限公司。为解决水源问电有限公司。为解决水源问题,需增加开采地下水资源题,需增加开采地下水资源量量9600m3/d,水位降深,水位降深要求不超过要求不超过10米。为此委托米。为此委托某工程勘察院在该区域进行某工程勘察院在该区域进行水文地质详勘工作。水文地质详勘工作。本次勘察工作区位
2、于康本次勘察工作区位于康平县东北部约平县东北部约8km,工作区,工作区北起石冶玉村,南至齐昌窝北起石冶玉村,南至齐昌窝堡,西起魏家窝堡,东至东堡,西起魏家窝堡,东至东三合堡,面积约为三合堡,面积约为24km2。勘察区如图:勘察区如图:本次勘察的任务如下:本次勘察的任务如下:1、查明勘察区内地下水的主要赋存介质、第四系松散堆、查明勘察区内地下水的主要赋存介质、第四系松散堆积物的空间分布规律,岩性及结构特征。积物的空间分布规律,岩性及结构特征。2、查明勘察目的层中地下水的埋藏分布规律、水文地质、查明勘察目的层中地下水的埋藏分布规律、水文地质特征及补给、径流、排泄条件。特征及补给、径流、排泄条件。3
3、、对勘察目的层中的地下水资源进行计算与评价。、对勘察目的层中的地下水资源进行计算与评价。问题分析:问题分析:要进行地下水资源计算与评价,需要获取水文地质参数,选要进行地下水资源计算与评价,需要获取水文地质参数,选择合理的方法计算水量。水文地质参数的获得需要借助水文地质择合理的方法计算水量。水文地质参数的获得需要借助水文地质试验,本项目采用目前应用最普遍的抽水试验资料确定水文地质试验,本项目采用目前应用最普遍的抽水试验资料确定水文地质参数。抽水试验类型有多种,结合勘察区的地质情况,参数。抽水试验类型有多种,结合勘察区的地质情况,勘察目的勘察目的层为承压含水层,地下水流为非稳定运动,为此做了定流量
4、非稳层为承压含水层,地下水流为非稳定运动,为此做了定流量非稳定运动抽水试验。定运动抽水试验。其中一观测孔试验数据结果如下(超链接)其中一观测孔试验数据结果如下(超链接)。以上抽水实验观测资料的目的是确定水文地质参数(以上抽水实验观测资料的目的是确定水文地质参数(T、u)要解决此问题,所需要的知识如下。要解决此问题,所需要的知识如下。根据抽水试验分类,本次抽水试验方法属于根据抽水试验分类,本次抽水试验方法属于地下水向完整井的非稳定运动,包括以下几地下水向完整井的非稳定运动,包括以下几种情况:种情况:第一种情况:承压含水层中的完整井流第一种情况:承压含水层中的完整井流第二种情况:有越流补给的完整井
5、流第二种情况:有越流补给的完整井流第三种情况:潜水完整井流第三种情况:潜水完整井流任务任务1:承压含水层中的完整井流:承压含水层中的完整井流任务任务2:有越流补给的完整井流:有越流补给的完整井流任务任务3:潜水完整井流:潜水完整井流任务链接:任务链接:当承压含水层侧向边界离井很远,边界对研究区的水头当承压含水层侧向边界离井很远,边界对研究区的水头分布没有明显影响时,可以把它看作是无外界补给的无限含分布没有明显影响时,可以把它看作是无外界补给的无限含水层。水层。任务任务1:承压含水层中的完整井流:承压含水层中的完整井流图图4-1 承压水完整井流承压水完整井流 任务任务1:承压含水层中的完整井流:
6、承压含水层中的完整井流一、定流量抽水时的泰斯公式定流量抽水时的泰斯公式假设条件:假设条件:(1)含水层均质各向同性,等厚,侧向无限延伸,产状水平;含水层均质各向同性,等厚,侧向无限延伸,产状水平;(2)抽水前天然状态下水力坡度为零;抽水前天然状态下水力坡度为零;(3)完整井定流量抽水,井径无限小;完整井定流量抽水,井径无限小;(4)含水层中水流服从含水层中水流服从Darcy定律;定律;(5)水头下降引起的地下水从贮存量中的释放是瞬时完成的。水头下降引起的地下水从贮存量中的释放是瞬时完成的。在上述假设条件下,抽水后将形成以井轴为对称轴的下降漏斗,在上述假设条件下,抽水后将形成以井轴为对称轴的下降
7、漏斗,将坐标原点放在含水层底板抽水井的井轴处,井轴为将坐标原点放在含水层底板抽水井的井轴处,井轴为Z轴,如图轴,如图4-1。TQrsrtrstsrrsrttsTrsrrsrr2lim0,0,0,0,00,0,0,1022()4QsW uTTtru4*2数学模型:数学模型:数学模型的解析解:数学模型的解析解:上式为无补给的承压水完整井定流量非稳定流计算公式,也就是著名的Theis公式公式。式中:式中:s-为抽水影响范围内,任一点任一时刻的水为抽水影响范围内,任一点任一时刻的水位降深;位降深;Q-为抽水井的流量;为抽水井的流量;T-为导水系数;为导水系数;t-为自抽水开始到计算时刻的时间;为自抽水
8、开始到计算时刻的时间;r-为计算点到抽水井的距离;为计算点到抽水井的距离;*-为含水层的贮水系数。为含水层的贮水系数。只要求出u值,从表4-1中就可查出相应的W(u)值;反之亦然。二二.流量变化时的计算公式流量变化时的计算公式 Theis公式是在假定流量固定不变的情况下导出的。这种情况通常只有在抽水试验时才能做到。实际上,很多生产井的流量是季节性变化的。如农用井在灌溉季节抽水量大,非灌溉季节抽水量小。工业用水也有类似情况,常随需水量而变化。在这种情况下,怎样应用Theis公式?首先需要绘出生产井的Q=f(t)关系曲线,即流量过程线。然后将流量过程线概化,用阶梯形折线代替原曲线,坐标选择如图4-
9、2所示。概化原则是矩形面积等于曲线于横坐标所围成的面积。其中,每一个阶梯都可视为定流量,应用Theis公式。把各阶梯流量产生的降深,按叠加原理叠加起来,即得流量变化时水位降深的计算公式。任务任务1:拓展:拓展当0ttp)的剩余降深s(原始水位与停抽后某时刻水位之差),可理解为流量Q继续抽水一直延续到t时刻的降深和从停抽时刻起以流量Q 注水t-tp时间的水位抬升的叠加:两者均可用Theis公式计算。故有:式中,22444QrrsWWTTtTt(4-23)pttt 20.014234rTt当时,()式可化简为222.32.252.252.3lglglg44QTtTtQtsTrrTtt(4-24)式
10、(4-24)表明,呈线性关系,为直线斜率。利用水位恢复资料绘出 曲线,求得其直线段斜率i,由此可以计算参数T:如已知停抽时刻的水位降深sp,则停抽后任一时刻的水位上升值s*可写成:式(4-25)表明,s*与 呈线性关系,斜率为 。如根据水位恢复试验资料绘出 曲线,求出其直线段斜率,也可计算T值。两者所求T值应基本一致。lgtst 2.34QiTlgtst 2.30.1834 QQTii22.252.32.32.3lglglg444ppatQtQQtsssTtTrTt或(4-25)lgtt 2.32QT*lgtst又根据 将求出的 代入,可得:利用式(4-26)可求出导压系数a,贮水系数*=T/
11、a 22.252.3lg4ppatQsTr2.32Qi20.4410psiprat(4-26)在侧向无限延伸的承压含水层中抽水,如果在整个抽水期间保持井中水头hw或降深sw不变,那么抽水量Q将随着抽水时间的延续而逐渐减少;除了抽水井本身以外,含水层中任一点的水头H也将随着时间的延续而逐渐降低。当t 时,Q0,s(r)sw。一口顶盖密封住的自流井,会保持原来水头。在打开井盖的瞬间,水从井中溢出,水位迅速降低到井口附近。在一定时间内,自流井保持一定的水位,流量则逐渐减少。六六.定降深井流的计算(知识拓展)定降深井流的计算(知识拓展)对自流井放水来说,基本上属于这种定降深变流量问题(图4-8)。坑道
12、放水钻孔也类似于这种情况。如果其他条件同推导Theis公式时的假设一样,则该定解问题的数学模型为:图图4-8 承压含水层中定降深抽承压含水层中定降深抽(放放)水试验水试验这个数学模型通过Laplace变换求得其解为:式中,sw为井中降深;为以为变量的函数,称为无越流补给承压含水层定降深井流的降深函数,其值列于表4-3中;为无量纲径向距离;无量纲时间。1ssrrrrTt,00s r,0st0,wsts t0 0r0r0 t0,wss Ar(4-27),Arwrrr2wTtr表4-3函数A(,r)数值表(略)将(4-27)式对r求导数并代入Darcy定律,得:2wQTs G(4-28)式中,Q为随
13、时间变化的流量;G()为无越流补给承压含水层定降深井流的流量函数(表4-4)。表4-4G()数值表(据Jacob和Lohman)如果在双对数坐标纸上绘制 曲线(图4-9),由此曲线可以看出,随时间的增加,增大,G()减小,流量Q也随着减小。是一个小于1的函数。由(4-27)式可以看出,各点降深等于自流井或放水井的降深乘以一个小于1的函数。这个函数在同一时刻随着 的增加而减小;在同一断面上随着t增加、增大而逐渐增加。因此,各点降深在同一时刻随远离自流(放水)井而逐渐减小;在同一断面上随着时间增加而增大。这是符合实际情况的。利用自流井做放水试验可以确定水文地质参数,这是一种既简单又经济的办法。确定
14、参数方法的原理和定流量抽水试验相似。兹介绍如下:G,Arr1)配线法 对(4-28)式和 式两侧取对数,有:在双对数坐标纸上,Q-t曲线与G()-曲线形状相同,可以利用匹配点坐标G(),Q和t来确定参数。2)直线图解法 根据(4-28)式,当 时,有下列近似关系:2Ttr 2lglglg 2lglglgwQGTsrtT25000Ttr222.25lnwGTtr于是有:242.25lnwwTsGTtr或:由上式可以看出,与lgt为线性关系(图4-10)。利用斜率i得:将直线延长,交t轴于一点to,利用to点的 =0,可计算 。212.32.25lg4wwTtQTsr20.1832.250.183
15、lglgwwwTttTsrTs1Q0.183wTs i1Q图图4-10定降深放水试验应用直线图解法定降深放水试验应用直线图解法确定水文地质参数确定水文地质参数 思考题:1.Theis公式的假设条件是什么?它的应用有没有局限性?2.有人说降深和时间关系为一对数曲线s=a+blgt,您认为有根据吗?任务任务2:有越流补给的完整井流:有越流补给的完整井流 越流系统是指包括越流含水层、弱透水层、相邻含水层的系统。越流系统是指包括越流含水层、弱透水层、相邻含水层的系统。任务任务2:假设条件(水文地质条件概化):假设条件(水文地质条件概化)1.越流系统中每一层都是均质的、各向同性的,且无限延伸;越流系统中
16、每一层都是均质的、各向同性的,且无限延伸;含水层底部水平,含水层与弱透水层都是等厚的;含水层底部水平,含水层与弱透水层都是等厚的;2.地下水运动服从达西定律;地下水运动服从达西定律;3.在整个抽水过程中,相邻含水层水头保持不变;在整个抽水过程中,相邻含水层水头保持不变;4.弱透水层的弹性释水可忽略不计,通过弱透水层的水流可弱透水层的弹性释水可忽略不计,通过弱透水层的水流可视为垂向一维流;视为垂向一维流;5.抽水含水层的天然水利坡度为零(抽水含水层的天然水利坡度为零(J=0),抽水时水呈平),抽水时水呈平面径向流;面径向流;6.抽水井为完整井,井径无限小,定流量抽水。抽水井为完整井,井径无限小,
17、定流量抽水。相应的定解条件为:相应的定解条件为:对方程求解为:对方程求解为:000tsr 00rst 0lim02rsQrtrT(4-30)(4-31)(4-32)2221ssssrrrBTt其中,有关推导过程请参阅文献。(4-33)式为有越流补给的承压水完整井公式。其中 ,为不考虑相邻弱透水层弹性释水时越流系统的井函数,其值列于表4-5中。,4QrsWuTB(4-33)22421,4ryB yurWuedyByruTt(4-34),rWuB2 公式讨论 1)降深-时间曲线的形状 将(4-33)式写成无量纲降深形式:根据表4-5的井函数表,绘制 曲线(图4-11).曲线反映出,有越流补给的s-
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