9.2 地下水流动状态概化 |
  
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9.2 地下水流动状态概化 |
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各向同性和各向异性
根据含水层透水能力和渗流方向的关系，可以概化为各向同性和各向异性两类。如果渗流场中某一点的渗透系数与方向无关，即不管渗流方向如何都具有相同的渗透系数，则概化为各向同性，否则概化为各向异性。
层流和紊流
一般情况下，在松散含水层及发育较均匀的裂隙、岩溶含水层中的地下水运动，大都是层流，符合达西定律。只有在极少数大溶洞和宽裂隙中的地下水流，才不符合达西定律，呈紊流。
裂隙、岩溶含水介质中的地下水流动
裂隙、岩溶含水介质的概化要视具体情况而定。在局部溶洞发育处或宽大裂隙中，岩溶水运动一般为非达西流（即非线性流和紊流）；但对于发育较均匀的裂隙、岩溶含水层中的地下水运动，可概化为达西流。在大区域尺度上，岩溶水运动有可能近似地满足达西定律，含水介质可概化为非均质、各向异性的连续介质。一般而言，我国北方岩溶水运动近似满足达西定律。
二维水流和三维水流
一个实际的含水层中，地下水的流动严格来讲是三维的，但多数场合允许简化成二维流处理。如在多层含水层中，将同一层中的流动当做二维流；在供水条件下，若含水层的平面展布范围很广并且井中的最大降深与含水层的厚度相比又很小时，认为流动基本上是水平的，则可视为二维水流；降落漏斗中心附近的三维流一般很明显，但降落漏斗以外，流动基本上还是二维的。
多数情况下，为了建模和简化计算而将三维流近似概化为二维流来处理，其计算结果在一定限制条件下可以接受。然而，当存在区域漏斗或较大降深时，这种概化将使计算失真，应当按三维流问题处理。对于三维水流能否简化为二维水流的问题（即垂向水流分量是否能够忽略）需考虑以下因素：
● 若要将三维水流概化为平面流，则评估区需距离源、汇或者边界（如排水矿坑、非完整抽水井、或浅切割溪流等）足够远。一般 判断标准以距离d表示：
（其中，Kh与Kv分别表示水平与垂向渗透系数，b为含水层平均厚度）。若与三维流特征物 间距小于d，则应视为三维流问题；
● 若评估区周边存在多个三维流特征物时，这些特征物的间距必须足够远，方能假设评估区内地下水流场为平面流。一般判断标准 以距离L表示。 
时评估区地下水可视为平面流。实际工作中，当
时，可简化为平面流问题。
稳定流场和瞬时流场
对于地下水系统概化为稳定流场或瞬时流场可使用下式进行判断：
其中：t为无量纲特征参数，用来刻画含水层对外界施加的瞬时或周期性影响的响应时间；S（无量纲）—含水层储水系数；L（m）—评估区距离边界条件的平均距离；k(m/d) —渗透系数；b(m) —饱和含水层平均厚度；P（d）—施加影响的周期（对于季节波动来说是365天）。
若含水层对于补给或边界条件周期性改变的响应非常慢（t值大于1），则可视为稳定流；相反，若含水层响应非常快（t值小于0.1），则可仅为极端条件（如夏季或者冬季）考虑稳定流过程；如果含水层的响应适中，这时需要考虑瞬时流模型。若在较大区域的含水层中按上述原则进行评估，可能需要利用多个L值来确定整个含水层区域的响应速率。
在实践中，常根据地下水水位调查资料绘制三期水位等值线图（平水期、枯水期和丰水期），对比丰、平、枯三期地下水水位动态监测结果，观察井位地下水位的波动大小，评估区域地下水流场稳定性，随后确定将模型概化为稳定流或非稳定流。