淺析滲流場中地下水水力梯度的變化

郎秋玲，劉麗莎

（長春工程學院勘查與測繪學院，長春130021）

0 前言

地下水在滲流場中的運動是復雜的、多變的，且隨著含水層透水性能、含水層厚度、隔水底板高程等的變化而發(fā)生變化。對于潛水的潛水位，承壓水的測壓水位，其變化可反映出地下水水頭值的變化，而評價其變化的指標可用水力梯度來表示。因而，分析地下水滲流場中水力梯度變化的規(guī)律及其影響因素，對研究地下水的運動有著重要意義，本文分析中均不考慮透過包氣帶的補給及排泄。

1 水力梯度及其影響因素

水力梯度（I）也稱為水力坡度，是指沿滲透途徑水頭損失與滲透途徑長度的比值。以潛水面舉例，如圖1，其中而在實際地下水運動中，潛水面是比較平緩的，因此依據(jù)Dupuit假設，假設潛水面水平，等水頭面鉛直，將水力梯度公式近似計算為此公式也是在研究地下水運動中水力梯度計算時所普遍應用的公式。

圖1 水力梯度示意圖

在滲流場中，水力梯度是復雜多變的，其潛水含水層的水力梯度主要隨著含水層的厚度、含水層的透水性、地表形狀而發(fā)生變化，承壓含水層的水力梯度主要隨著含水層透水性的變化而變化。

2 潛水中水力梯度的變化規(guī)律

2.1 潛水面的形狀

潛水面的形狀隨著含水層厚度、透水性能、隔水底板高程的變化而變化。地下滲流場中因地下水運動過程中與固體顆粒間產(chǎn)生能量損失，即水頭值下降，當隔水底板水平時，如圖2所示，Q＝KhI，h沿滲流途徑減小，Q不變，因此沿滲流途徑方向，I值增大，即在隔水底板水平，透水性能不變的潛水滲流場中，潛水面為一條上凸的下降曲線，但在實際地下水滲流場中，此變化很微弱。

圖2 潛水面形狀示意圖

2.2 與含水層厚度的關系

當含水層厚度突然變大時，如圖3所示，根據(jù)達西定律Q＝KhI，h1＜h2，Q1＝Q2，K1＝K2，則I1＞I2，表現(xiàn)為潛水面變平緩，水力梯度值變小。

圖3 I與含水層厚度的關系示意圖

2.3 與含水層透水性的關系

當隔水底板水平，沿滲流途徑，含水層透水性能發(fā)生變化時，如圖4所示，K1≠K2，K越大，地下水運動中能量損失越小，則水力梯度值越小，相反，K越小，地下水運動中能量損失得越多，水力梯度值越大，即當?shù)叵滤杆阅茏兒脮r，潛水面變平緩。

圖4 I與含水層透水性關系示意圖

3 承壓水中水力梯度的變化規(guī)律

承壓水因往往具有一定的壓力值，因此，評價某點處的水力梯度值為該點測壓水位的斜率值，假設隔水頂?shù)装逅綍r的承壓含水層，如圖5所示，根據(jù)達西定律Q＝KMI，Q1＝Q2，M1＝M2＝M，K1＝K2，則I1＝I2，因此，測壓水位線為一條斜線，該點上任一點水力梯度值相等。當K發(fā)生變化時，K越大，則I越小，即遇強透水層時，測壓水位變平緩，水力梯度值變小。

圖5 承壓含水層水力梯度變化示意圖

4 結語

大多數(shù)地下水因其運動緩慢，Re較小，符合達西定律，因此，在分析地下水運動規(guī)律時，達西定律起到了較為重要的作用。本文分析了水力梯度的變化規(guī)律與影響因素，分析總結了水力梯度隨含水層厚度、透水性能、地下水類型的變化，潛水位、測壓水位的變化與水力梯度的關系，對掌握分析地下水的運動規(guī)律有著較為重要的意義。

其主要結論如下：

1）Dupuit假設的前提下潛水面及承壓水的測壓水位線上任意一點的斜率即為該點的水力梯度。

2）潛水面的形狀隨著含水層厚度、透水性能、隔水底板高程的變化而變化。

3）含水層厚度突然變大時，潛水面變平緩，水力梯度值變小。

4）含水層透水性能變好時，潛水面變平緩。

5）承壓含水層遇強透水層時，測壓水位變平緩，水力梯度值變小。

［1］肖長來，梁秀娟，王彪.水文地質學［M］.北京：清華大學出版社，2009：29－34.

［2］代革聯(lián).對水力梯度的理解及其應用分析［J］.西北地質，1997（4）：102－105.

［3］宋新江，錢財富.滲流作用下黏性土水力梯度分析［J］.南水北調與水利科技，2010，8（5）：65－68.