水文地质课件.ppt

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1、三、地下水的赋存(一)岩石中的空隙1、孔隙由于松散岩石是由大小不等的颗粒组成，在颗粒或颗粒的集合体之间充满空隙，这些孔隙相互连通，呈小孔状，故称为孔隙孔隙。松散岩石中孔隙的多少用孔隙度表示，2、裂隙固结的坚硬岩石一般不存在或只保留有部分颗粒之间的空隙（或孔隙）。坚硬岩石主要发育各种成因的裂隙。分为成岩裂隙，成岩裂隙，构造裂隙和风化裂隙构造裂隙和风化裂隙。坚硬岩石的裂隙发育程度通常用裂隙率表示。3、溶隙（溶穴）可溶性岩石，如石灰岩，白云岩等，在地下水溶蚀作用下产生的空隙（洞），称为溶穴。用岩溶率表示。（二）、岩石中水的存在形式按物理状态分：气态水，液态水，固态水气态水，液态水，固态水。传统水文地

2、质学重点研究液态水。根据其受力情况，又可以分为结合水，毛细水和结合水，毛细水和重力水重力水。矿物内部存在的水称为矿物结合水。结合水：强结合水（吸着水），弱结合水弱结合水（薄膜水）。矿物中的水岩石中存在于矿物结晶内部或其间的水。分为结构水，结晶水和沸石水。结构水是以H+和OH-离子存在于矿物结晶格架中的水；结晶水是以H2O形式存在与矿物结晶格架中的水；沸石水是以H2O形式存在与矿物晶格之间的水。（三）、岩石的水理性质岩石的水理性质反映岩石储容或透过地下水的性能。与岩石的空隙性有密切关系。容水性岩石能容纳一定水量的性能。度量指标为容水度。容水度指岩石中所能容纳水的体积与岩石总体积之比。可用小数或百

3、分数表示。由定义可见，容水度与一般岩石的空隙度相当。但膨胀性粘土饱水后体积会增大，容水度大于孔隙度。持水性岩石的持水性是指在重力作用下岩石仍能保持一定水量的性能。持水度：岩石在重力作用下释水后保持的水体积与岩石体积之比。在重力作用下岩石所能保持的水分主要是结合水，以及部分孔角毛细水。所以，粘性土持水度大甚至可与容水度相等，而裂隙岩石等持水度很小 给水性地下水位下降时，饱水岩石中的水在重力作用下能否自由释出或释出数量的多少，即为岩石的给水性。用给水度度量。给水度（）：当地下水位下降一个单位时，在重力作用下，单位水平面积上岩石柱体所释出的水体积。以小数或百分数表示，无量纲 粘性土给水度几乎为零，而

4、粗粒松散岩石和裂隙岩石给水度甚至可以接近容水度。透水性是指岩石允许水透过的能力。评价岩石透水能力的重要指标是渗透系数。（四）、含水系统1、包气带和饱水带地表以下第一个连续的自由水面以上部分称为包气带，水面以下部分称为饱水带。2、含水层地下水面之下，经常为地下水所饱和的透水层称之含水层 3、隔水层一般情况下不允许重力水透过或仅能透过极少量重力水的岩层属于隔水层。4、过度类型介于含水与隔水之间的岩层。如松散岩层中的含沙粘性土，固结岩石中的砂质页岩、泥质粉砂岩等。这些岩石中的水往往处于结合水向重力水过渡状态，寻常条件下能给出和透过少量的水。当存在水头差时，透水性能显著增强。含水层与隔水层具有相对性。

5、判断岩层是否隔水，不能仅从岩性考虑，需要综合分析该岩层的厚度，分布状态实际承受的水头差以及所处的构造部位等。由于隔水岩层具有可转化的性质，在实际研究水文地质过程时，应该把研究范围内各种状态的岩层组合作为一个整体加以考量，这就是作为一个含水系统加以研究。含水层中的越流如果某一含水层的上覆或下伏地层为弱透水层。含水层就具有半承压性质。当这个含水层与相邻含水层之间存在水位差时，地下水便会从高水头含水层通过弱透水层流向低水头含水层。这种现象称为越流。四、地下水的类型（一）、地下水的分类目前较为通用的地下水分类方法，一是根据地下水的单一特征分类，如，根据地下水起源不同，可把地下水分成渗入水，凝结水，初生

6、水，埋藏水等；根据地下水的矿化程度分为淡水、微咸水、咸水、盐水和卤水等；按地下水的埋藏条件，可将地下水分成包气带水、潜水和承压水等；按含水介质类型可把地下水分成孔隙水、裂隙水和岩溶水等。一是根据地下水的综合特征分类。有一种综合分类法综合考虑了地下水埋藏条件和含水介质特征，把地下水分成九种类型。分类孔隙水裂隙水岩溶水包气带水 土壤水（气态水、结合水、毛管水、下渗或过路的重力水），季节重力水（上层滞水），过路重力水 裂隙岩层浅部季节性存在的重力水及毛管水 裸露的岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水 潜水上部无连续完整的隔水层存在的各类松散岩层中的水 基岩上部裂隙中的无压水裸露的岩溶化岩层中的

7、无压水 承压水山间盆地及平原地区松散沉积物深部的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的各类裂隙岩层中的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的岩溶化岩层中的水（二）、各类型地下水的特征1、包气带水包气带水是最接近地表的地下水，受气候因素影响最大。分布区与补给区一致。其中土壤水受毛管力和重力作用为主，因此主要作垂直运动（上层滞水可有水平运动，但不构成包气带水运动的主流）。补给以降水和灌水入渗为主，以及潜水和凝结水补给；消耗以下渗和蒸发蒸腾为主。2、潜水潜水是地表以下，第一个稳定的隔水层（或弱透水层）以上，具有自由水面的重力水。这个自由水面称为潜水面。潜水面。潜水面距地面的距离称为潜水面

8、的埋藏深度。由潜水面往下至隔水层顶板之间储存有重力水，称之为潜潜水含水层水含水层。潜水面距隔水层顶板的距离就是含水层的厚度（区域上来看，这个厚度通常是变化的）。潜水面的绝对高程就称为潜水位潜水位。潜水补给区与分布区基本一致。通过包气带直接与大气圈和地表水圈连通，直接接受大气降水、地表水以及凝结水的补给。水位、水量、水温水质等受气候和地表水文因素影响较强，具有明显的季节性变化特点。潜水受下垫面形态影响较大。山区和河流的上、中游地区的潜水通常以水平排泄（洪水期有时例外）为主，平原和河流下游地区潜水径流条件不佳，多以垂直方向排泄为主。认识潜水等水位线图认识潜水等水位线图也称潜水面等高线图。利用潜水等

9、水位线图可解决下述问题：确定潜水流向；确定潜水面的水力坡度；确定潜水与地表水之间的互补关系；确定潜水面埋藏深度；推断含水层岩性和厚度的变化；根据潜水等水位线图可以合理布置取水或集水设施；通过时间同步的长系列潜水等水位线图，可以分析潜水的区域分布特点，为水资源的合理开发提供依据。3、承压水承压水是充满地表以下任意两个隔水层或弱透水层之间具有承压性质的重力水。由于承压水受限于隔水层之间，而且补给区和承压水主要分布区以及排泄区不一致，承压水在由补给区向排泄区运动过程中承受一定压力，其中向上的水压力作用于顶板，因此，区域上而言，在没有揭露承压含水层时，承压水的绝对水位是理论值。当通过钻井等手段揭穿了顶

10、板之后，立即观测到的水位称为初见水位初见水位，其后，在无外部干扰情况下水位会因静水压力的改变而变动，直至一个稳定状态，称为静止水位（静止水位（通常高于初见水位，可依此判别是否承压，可依此判别是否承压水）水）。此时的水面标高是真正的承压地下水的水位或测压测压水位水位。或称承压水头承压水头（承压水头理论上是指承压水的静止水位至含水层顶板的距离，也称之为承压水头高度）。地面标高与承压水位之差为承压水位埋深。承压水头高出地面称为正水头正水头，低于地面称为负水头负水头。承压水特征分布区与补给区不一致；承受静水压力；各要素动态变化不显著，受水文气象因素影响较小；含水层厚度不受季节变化的影响，一般为定值（但

11、注意不像潜水资源那样容易获得补充和恢复）；水质不易遭受污染（但水的交替取决于承压水参与水循环的活跃程度）；承压水等水压线图承压水等水压线图承压水等水压线图是承压含水层测压水位的等高线图。注意等测压水位面是虚构的面注意等测压水位面是虚构的面。一般情况下，钻孔打到图上标示的水位并不能取到水，必须打到承压含水层本身才能有水。这是与潜水等水位图不一样的地方。因此，需要结合承压含水层顶板等值线图确定含水层的埋深。利用等水压线图可以解决下列问题：确定承压水的流向；确定承压水面的坡度；确定承压水与其他含水层或地表水之间的关系；初步判断含水层厚度和透水性等。承压含水层弹性储水与释水的度量指标是储水系数（或弹性

12、给水度）储水系数（或弹性给水度），物理含义是，当测压水位改变一个单位时，单位面积含水层柱体所增加或释放出的水量，无量纲。4、孔隙水储存和运动于松散沉积物或胶结不良沉积物孔隙中的地下水。洪积物中的地下水冲积物及湖积物中的地下水1）.冲积物中的地下水冲积物是经常性水流形成的沉积物。2)湖积物中的地下水湖泊是由河流、融冰、泉水、降水等水源汇集而成的大的集水盆地。湖积物中的地下水主要富集在滨岸地带。3）黄土中的地下水根据陇东董志塬等地的抽水试验成果分析，黄土层实际上是以孔隙储水为主，裂隙导水为主的孔隙裂隙含水层，及具有双重介质的特点。但黄土地区地下水水质一般较差，矿化度普遍较高。4）冰碛物及冰水沉积物

13、中的地下水冰碛物的特点是分选很差，而且含有大量粘土，一般不能构成含水层。因为冰融水的搬运作用，可以使冰水沉积物形成洪积物、冲积物以及湖积物等构成含水系统。裂隙水储存并运动于裂隙介质中的地下水称裂隙水。按成因分成：成岩裂隙水，风化裂隙水及构造裂隙水。裂隙介质及裂隙水的特点：裂隙介质的渗透性具有较强的非均质性和各向异性；渗透性往往随深度发生变化；储水能力不及孔隙介质（后者较有弹性）；裂隙介质的贮水性主要取决于整个岩层的孔隙和微小裂隙，而导水性能取决于一些大的裂隙和溶隙；应力与裂隙张开度有密切关系，因此对透水性有影响，故常常将应力与渗流耦合求解；构造和岩性影响裂隙水的形成，分布，数量甚至质量；由于岩

14、石中裂隙发育的不均匀性，以及各个裂隙的导水能力差异，裂隙水有时有不连续性，导致地下水位反常，或同一岩层中地下水彼此没有水力联系等现象；由于裂隙介质贮水性能差，常具有较大的地下水位动态变化。岩溶水储存并运动于岩溶化岩层中的地下水称为岩溶水（喀斯特水）。特点岩溶含水介质具有多重性，裂隙流与管道流并存；层流和紊流并存；线性流和非线性流并存；连续水流与孤立水体并存。滨海及海岛中的地下水滨海三角洲地带地下水矿化度较高，不能用于居民生活供水（但也可以找到淡水含水层）。小型海岛一般无较大河流水体，地下水的补给主要靠大气降水。由于海岛四周是咸水体，淡水体往往浮托在咸水体之上。抽取的水量不应大于降水入渗补给量和

15、侧向淡水补给量，否则会造成海水入侵。泉泉是地下水的天然露头。根据补给泉水的含水层的性质分为：下降泉，上升泉；根据出露条件，下降泉分为侵蚀泉，接触泉，溢流泉；根据出露条件，上升泉分为自流斜地泉，自流盆地泉，断层泉和接触上升泉 五、地下水运动的基本定律地下水与地表水或管槽中水的流动不同在于：渗流通过的通道具有不规则性。渗流通道由大小不等，形状各异的孔隙，裂隙（溶隙、溶穴）构成，渗流质点运动的速度和方向不断变化；u31u132u2流线流线示意图（u1,u2,表示液体质点的流速向量）流线的概念流线流线是某一时刻流场内由液体流速方向所构成的一条空间曲线，该曲线上的每个质点的流速方向都与该曲线相切。因此，

16、流线乃是矢量线，即在它上面每一点，场的矢量都位于该点的切线上。地下水与地表水或管槽中水的流动不同在于：岩石骨架对渗流具有阻隔作用。导致地下水流往往不连续，地下渗流场中，地下水的运动要素（流速、流量、压强等）往往不是空间的连续函数（尤其是裂隙水流和岩溶水流）。（一）地下水运动的特点1、流动介质复杂孔隙介质、裂隙介质（包括岩溶通道）；2、流动状态复杂层流、紊流，稳定流、非稳定流。地下水在各类介质中运动称为渗流渗流或或渗渗透透。渗流的区域称为渗流场渗流场。渗流的几个概念层流层流当液体流速较小时，液体质点做有序，互不混杂的流动称为层流层流。紊流紊流当液体流速较大时，液体质点无序，互相混杂的流动称为紊流

17、紊流。渗流的几个概念稳定流稳定流：流场中任意点的所有运动要素（流速、流量、压强等）仅是空间坐标的函数称为稳定流；非稳定流非稳定流：流场中任意点的所有运动要素（流速、流量、压强等）同时是空间坐标和时间变量的函数称为非稳定流。（二）地下水运动的基本规律等效渗流概念及空间平均模式的物理模型所谓等效是指在保持岩层中渗透流量、渗透压强以及渗流阻力等效的原则下，假设实际渗流充满整个岩体空间（即忽略岩体骨架）。此时认为渗流是连续水流，渗流场中各运动要素同时是时间和空间的连续函数。u渗透流速【LT-1】；Q单位时间内透过过水断面的渗透流量【L3T-1】；A过水断面（垂直于渗流的岩层断面）面积【L2】。v渗流的

18、实际流速（或实际平均流速）【LT-1】；Q单位时间内透过过水断面的渗透流量【L3T-1】；A实际过水断面（垂直于渗流的岩层断面）面积【L2】。渗透流速与实际流速关系（二）地下水运动的基本规律线性渗透定律达西定律K 岩石的渗透系数渗透系数（或称水力传导系数）【LT-1】；hw 水头损失，渗流通过的两过水断面之间的水位差【L】,J称为水力坡度水力坡度或水力梯度水力梯度；l两过水断面距离（渗透长度）【L】。式中其他符号意义同前述。（二）地下水运动的基本规律水力梯度水力梯度（或称水力坡降水力坡降）反映了渗流流经两个过水断面之间水头损失的比例，或者说水力梯度是沿水流方向上单位渗透路径上的水头损失。达西定

19、律是线性关系式，反映了渗流有序互不混杂运动的特性。达西定律可以很好的描述层流运动。因此达西定律是线性渗透定律。（二）地下水运动的基本规律非线性渗透定律哲才（A.Chezy）公式：（二）地下水运动的基本规律生产过程中判别地下水流态通常十分困难。但自然界中大部分孔隙岩层、裂隙岩层以及溶蚀作用不十分发育的岩溶地层中，地下水运动基本都是层流运动。仅在大裂隙，溶穴和抽水井附近运动的地下水呈紊流状态。因此达西定律实用于大多数岩层的地下水计算。（二）地下水运动的基本规律渗透性的量化评价渗透性的量化评价渗透系数渗透系数K的物理意义渗透系数反映了渗流的速度，因此与速度具有相同的量纲。说明当水力梯度一定时，渗透系

20、数愈大，透过岩层的水量就愈大，岩石的渗透性就愈好；渗透系数与水力坡降成反比，渗透系数愈大，水力坡降就愈小，岩石透水性好，水头损失就小。因此渗透系数能定量反应岩石的渗透性。渗透系数的进一步讨论渗透系数取决于孔隙度，孔隙通道的直径以及裂隙的张开度。也就是说，介质颗粒愈粗，孔隙度愈大，裂隙张开度愈好，或者说孔隙度和裂隙率愈大，渗透系数愈大，透水性愈好。由于K与n的一次方成正比，与a,b的二次方成正比，因此，空隙大小对渗透系数的影响比空隙多少的影响要大。（二）地下水运动的基本规律水头、水头损失的概念hahbAB地下水的水头线由于一般情况下水力梯度很小，在实际应用时，往往取两断面间的平均水力梯度，即：地

21、下水渗流的连续性方程：（二）地下水运动的基本规律2）承压水运动方程假设承压含水层具有可压缩性，且符合弹性理论，并设渗透介质及渗流本身的压缩与膨胀主要发生在垂直方向上，其余方向认为是不变的。则水的密度和介质的孔隙度都是压力的函数。令分别称S为贮水系数（或弹性给水度）T为导水系数。若用H表示水头，上述方程可表示成：承压含水层存在越流时设上、下弱透水层厚度分别为1、M2；渗透系数分别为K1、K2。由于K1、K2K，可近似认为水垂直通过弱透水含水层进入主含水层以后折向水平流动。此时，越流含水系统地下水运动方程可表示成 称为越流因素越流因素，量纲【L】越流方程可写成：称为越流系数3）潜水运动方程但潜水体

22、积随自由水面变化，因为有外部水量通过自由水面进入潜水含水层。所以，对三维潜水流必须加上潜水面的边界条件。由于降雨或其他原因由外部注入的水量与潜水面下降疏干出来的水量之和就应该是：潜水二维流偏微分方程的推导潜水二维流偏微分方程的推导裘布依（Dupuit）假设潜水面比较平缓；垂直流速可以忽略不计，或者说水头不随深度变化；任意过水断面上的水平流速相等；含水层底板是水平的。即令潜水二维流偏微分方程：若底板是倾斜的，设底板方程为：b=b(x,y),潜水偏微分方程可表示为：4）汇源项有汇源项时，承压水流动方程可表示成：W称为汇源项汇源项。对地下渗流场而言，W为正时表示是汇汇，W为负时表示是源源。习惯上以抽水为汇，注水为源。有时为了书写简洁，往往把抽（排）、注水与越流、入渗等捆绑在一起，统称汇源项。