基本概念和术语
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发布时间：2022-04-22 05:46
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时间：2023-09-09 14:58
地下多孔介质空隙的大小、形状和连通状况在不同地点极不相同，由空隙构成的通道往往大小不等、形状复杂和弯曲多变。地下水可以在相互连通的空隙通道中流动，其流动方向和流动速度在通道中的不同部位很不相同，其中在通道*部分的流速大于靠近固体骨架表面处的流速，在直径小的通道处的流速大于直径大的通道处的流速。地下水在地下多孔介质空隙中的实际流动称为渗透（图2.1a）。在研究地下水运动的基本规律及其实际应用时，如果研究地下水在空隙通道中的实际流动，将会遇到极大困难。因此，需要对地下水流动状况加以简化，只关注地下水的总体流向而不考虑渗透途径的曲折多变，可以认为地下水是在全部多孔介质空间中流动而忽视岩石固体颗粒的存在。地下水在多孔介质中的这种假想的流动称为渗流（图2.1b）。通过同一过水断面的渗流流量和渗透流量应相同，而同一点的渗透阻力和渗流阻力也应相同。经过如此简化（平均化）的地下多孔介质被认为是一种连续介质。
图2.1 渗透（a）与渗流（b）示意图（剖面图）
发生地下水渗流的区域称为渗流场，通常为具有一定范围的三维空间。描述地下水在渗流场内的运动，通常采用渗流速度、渗流量、水头或压力等物理量，它们称为渗流的运动要素。
在渗透过程中，水质点有秩序的、互不混杂的流动称为层流。在细小的岩石空隙（例如由细颗粒组成的松散沉积物和裂隙宽度不大的基岩）中发生渗透时，重力水受固体骨架表面的吸引力较大，水的质点排列较有秩序，故做层流运动。水质点无秩序的相互混杂的流动称为紊流。在宽大的空隙（例如较大的溶穴和宽度大的裂隙）中水的流速较大时，容易呈紊流运动。做紊流运动时，水流所受的阻力比层流运动时的大，消耗的能量也较多。在通过管道的水流中，用雷诺（Reynolds）数作为区分层流与紊流的准则。雷诺数（Re）是一个无量纲的数，表示作用在流体上的惯性力与黏滞力之比。管道水流中层流与紊流之间的临界雷诺数约为2100，平行板间水流约为1000（Kashef，1986）。对于多孔介质中的流动，雷诺数可以表示为（Bear，1972）
地下水科学概论（第二版·彩色版）
式中：v为渗流速度；d为多孔介质的某种长度尺寸（例如固体颗粒的平均粒径）；v为流体的运动黏滞系数。当Re＜1时，多孔介质中的流动为层流，Re＞10时为紊流，而Re为1～10时则为过渡状态。
在渗透过程中，某一水质点的空间位置随时间不断发生变化，同一水质点在某一段时间内的运动轨迹称为迹线。在任意时刻，在渗流场中每一点处均有一个确定方向的流速向量。如果渗流场中某一瞬时存在一条曲线，在该曲线上每一点的流向与该点相切，则此曲线称为流线。流线表示的是渗流区内每一点的流动方向。流线通常是互不相交的。在渗流场中水头处处相等的曲面称为等水头面，等水头面与某一切面（例如水平面或垂向剖面）的相交线，称为等水头线。
水在渗流场内运动时，各运动要素不随时间改变的流动，称为稳定流。运动要素随时间发生变化的流动，称为非稳定流。在稳定流条件下，流线与迹线重合；在非稳定流中，流线和迹线可以不相同，流线图不断发生变化。
渗流场中任意点的渗流速度变化只与空间坐标的一个方向有关的渗流，称为一维流（图2.2a），与两个方向或三个方向有关的渗流，分别称为二维流（图2.2b）或三维流（图2.2c）。渗流为一维流动时流线之间相互平行；渗流为二维流时可以称为平面流，其流线与某一平面平行；渗流为三维流时也可以称为空间流，流线之间互不平行。
图2.2 一维流、二维流和三维流示意图
a—剖面图；b—平面图；c—剖面图
在潜水含水层中发生的渗流称为无压流，而在承压含水层中发生的渗流称为有压流。在同一地下水剖面上可以出现从有压流变为无压流的情形（见图1.27）。地下水位下降时有可能出现有压流变为无压流，而水位上升时有可能出现无压流变为有压流。
地下水在流动过程中遵循水流连续性原理。在渗流场中任取一个单元体，如果把地下水看成是不可压缩的均质液体，同时假定含水层骨架是不可压缩的，则在同一时间内流入单元体的水量与流出单元体的水量相等，此即稳定流的水流连续性原理。对于非稳定流来说，水流连续性原理是指在同一时间段内流入单元体的水量与流出单元体的水量之差，等于单元体内水量的变化量。
地下水在补给区获得外界水量的补给，这种水的流入称为源。源有点源、线源和面源。地下水在排泄区向外界排泄，这种水的流出称为汇。汇有点汇、线汇和面汇。
