水文地质学5学习.pptx

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1、二 水文地质学在国民经济建设中的作用 地下水是宝贵的水资源(1)地下水资源在内陆分布广泛(2)不易受污染，水质较好(3)供水时间长。水量相对稳定 地下水是重要的液体矿产和矿水资源 地下水是良好的载热介质能源 第1页/共174页 有效的找矿标志和预报地震的手段 地下水是矿坑和地下工程充水的重要因素灾害因子之一地下水有时是工程效益降低的主要原因灾害因子之二 地下水是破坏土壤肥力的重要因素灾害因子之三 地下水是某些生物致病的因素灾害因子之四9地下水变化影响生态系统与地质环境系统的天然平衡第2页/共174页第一章 岩石中的空隙和水分 学习目的和要求：了解岩石中空隙的类型，掌握孔隙度、孔隙比、裂隙率、岩

2、溶率的概念。了解结合水、重力水、毛细水的概念。掌握容水度、重量含水量、体积含水量、给水度、持水度的概念，相互间的关系及其影响因素。重点：掌握给水度的有关概念。第3页/共174页一 孔隙 定义：在松散堆积物中，或在胶结不好的沉积岩中，以及部分喷出岩中，组成岩石的颗粒或颗粒集合体之间所存在多孔状的空隙称为孔隙。在水文地质学中，衡量孔隙发育程度的指标是孔隙度。孔隙度（n）指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例；孔隙比（）指某一体积岩石内孔隙的体积（Vn）与固体颗粒体积（Vs）之比。两者之间的关系为：=n/(1-n)。第一节 岩石中的空隙第4页/共174页影响孔隙度的因素影响孔隙度大小的主

3、要因素有颗粒的排列情况及分选程度，另外，颗粒的形状、堆积时间的长短，胶结情况、以及颗粒大小也都影响空隙度的大小。(1)颗粒的排列(2)分选性 (3)磨圆程度(4)充填胶结(5)粘土颗粒的表面能第5页/共174页影响孔隙大小的因素 孔隙度的大小只能反映岩石容纳水能力的大小，并不能说明水流运动是否就能畅通。人们取水时，总希望水大一些，决定水流快慢的主要因素是孔隙大小，当然还有坡度。（1）颗粒愈大，则孔隙大，水流阻力愈小。（2）分选性越差孔隙越小，主要是大孔隙比小颗粒所占据。(3)排列 越松散，孔隙大，越紧密，孔隙小。(4)不同部位，大小不同，如孔腹和孔喉。另外，影响水流运动不仅与孔隙大小。多少有关

4、，还有孔隙的形 态等。第6页/共174页 二 裂隙 指岩石中的裂缝 主要是岩石中的裂缝，由于侵入岩由岩浆缓慢冷凝分异而成，基本没有孔隙，沉积岩中化学堆积物基本没有孔隙，而碎屑岩类孔隙被胶结物充填，故对基岩，一般保留孔隙少，对水的容纳和运动有意义的仅仅是其中的裂隙。裂隙按成因可分为：（1）成岩裂隙；（2）构造裂隙；（3）风化裂隙。裂隙发育程度一般以裂隙率表示：裂隙率（Kr）裂隙体积（Vr）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值。第7页/共174页三 溶穴 起因于水的溶蚀作用，在可溶岩中形成的孔洞。溶穴的发育程度用岩溶率来表示：岩溶率(Kk)指溶穴的体积(Vk)与包括溶穴在内的岩石体积(V)的比值。

5、影响岩溶发育的因素很多，但主要是岩性和地下水的运动，这部分内容将在后面的岩溶水中讨论。第8页/共174页第二节 岩石中水的存在形式地壳岩石中存在着以下各种形式的水岩石空隙中的水：结合水 强结合水 弱结合水 液态水 重力水 毛细水 固态水 气态水岩石骨架中的水：沸石水 结晶水 结构水。水文地质学重点研究的是岩石空隙中的水。第9页/共174页 一 结合水 由于与颗粒表面电荷的吸引，如引力大于水的重力，而被吸附于颗粒表面，这部分水称为结合水。简言之，结合水指与固相表面之间的实际静电引力大于自身重量的水称为结合水。二 重力水 距离固体更远的那部分水分子，重力对它的影响大于颗粒表面对它的吸引力，因而能在

6、自身重力作用下运动，这部分水称之。在国民经济生态环境中起主导作用的水实际是重力水，因而它是水文地质研究的重点，以后如无特殊说明，所说地下水就是重力水 第10页/共174页 三 毛细水 毛细水实际上是重力水，仅由于有毛细现象而存在。毛细水又可分为孔角毛细水和悬挂毛细水，第11页/共174页四 气态水、固态水、及矿物中的水1 气态水 空隙中存在的水汽 在水未充满空隙时，空隙中存在气态水，气态水可以随空气流动而流动，即使空气不流动，它也能从水汽压力大的地方向小的地方运动。2 固态水 当水所处的环境温度低于某一值时。空隙中的液态水转为固态水，我国北方冬季形成的冻土，东北地区及青藏高原有一部分地下水多年

7、保持固态，即所谓的多年冻土，对工程地质带来问题。3 矿物中的水 沸石水 水以分子形式存在于矿物结晶晶团之间，水分子数量与矿物其它成分之间无固定比值，其含量随空气的湿度而变化。高温下能析出，析出后不改变矿物的物理性质。4结构水 以氢或氢氧根离子按一定比例存在于矿物结晶格架的固定位置上，只有当矿物结构发生变化时，水才能分离出来。如白云母，明矾石。第12页/共174页第三节 与水的储容和运移有关的岩石性质一 容水性 容水性：岩石的空隙具有容地下水的能力的性质，衡量岩石容纳地下水能力力大小的定量指标是容水度。容水度：是岩石完全饱水时所能容纳的水的体积与岩石总体积的比值。如果不是完全饱水，岩石中也能含有

8、部分水量，即虽然岩石中有部分水，但它并没有达到饱水空隙并未被完全充满，这时岩石中所含有的水量称为含水量。第13页/共174页含水量：表示某一时刻岩石空隙中实际水量与岩石总体积的比值。又可分为重量含水量和体积含水量。重量含水量(Wg)松散岩石孔隙中所含水的重量(Gw)与干燥岩石重量(Gs)的比值，称为重量含水量。含水的体积(Vw)与包括孔隙在内的岩石的体积(V)的比值，称为体积含水量。当水的比重为1时，岩石的干容重可用来换算两者的含量。孔隙完全充满水时含水量为容水度，数量上即为饱和含水量，饱和含水量与实际含水量之差值称饱和差，实际含水量与饱和含水量之比称为饱和度。容水度或含水量中的水，可以是空隙

9、中各种形式存在的水。第14页/共174页二 给水性 给水性：饱水岩石在重力作用下所能释放出的水的体积与含水岩石总体积之比。给水度：地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积称为给水度 影响给水度的因素：（1）岩性；（2）初始地下水位埋藏深度；（3）地下水位下降速率；（4）释水时间，释水比较充分时理论最大值。第15页/共174页三 持水性Sr 定义：含水量较大的岩石，在重力作用下释水，但依赖静电引力及毛细力仍然能保持一部分水于其中的性质。持水度：含水量大于其结合水和毛细水之和的岩石，在重力作用下所能保持的水的体积与岩石总体积的比值。持水度又指地

10、下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量称为持水度。影响持水度的因素：颗粒大小、毛细水、和影响给水度的因素、Sr、n三者之间的关系：Srn 第16页/共174页 四 透水性指岩石允许水透过的能力。表征岩石透水性的定量指标是渗透系数K。影响岩石透水性的因素：(1)孔隙的大小 结合水在寻常条件下是不流动的，孔隙直径小于2倍的结合水厚度，则水流不能通过。如孔隙大，则平均流速大，透水性大且秀水性主要受流程上细小孔隙的控制。(2)分选性 决定水所能通过的直径变化的曲折性，越弯曲，水流渡过所受的阻力越大。第17页/共174页第四节 有效应力原理与松散岩土压 密一、有效

11、应力原理 作用于沙层骨架上的应力称为有效应力：PzPu。有效应力等于总应力减去孔隙水压力称为太沙基有效应力原理。第18页/共174页二、地下水位变动引起的岩土压密 （1）水头下降（孔隙水压力降低）岩土压密；（2）水头上升（孔隙水压力恢复）砂层基本上恢复原状。砂砾类岩土基本上呈弹性变形，粘性土以塑性变形为主。第19页/共174页第二章 地下水和赋存 学习目的和要求：了解包气带与饱水带的划分。掌握含水层、隔水层与弱透水层概念，以及地下水的分类。重点：掌握潜水、承压水的概念、特点、以及等水位线图的作图及其提取的水文地质信息。理解潜水与承压水的相互转换和上层滞水的概念。第一节 包气带与饱水带第二节 含

12、水层、隔水层、与弱透水层第三节 地下水分类第六节 潜水等水位线图的绘制第五节 潜水与承压水的相互转化第四节 不同埋藏条件下的地下水第20页/共174页第一节 包气带与饱水带 一 概念 包气带：地下水面以上称为包气带，或非饱和带。饱水带：地下水面以下称为饱水带，或饱和带。包气带是饱水带与大气圈联系的必经之路。饱水带通过包气带获得大气降水和地表水的补给，又通过包气带蒸发与蒸腾排泄到大气圈参与水循环。第21页/共174页第22页/共174页含水层：指能透过并给出相当数量水的饱水岩层。隔水层：指不能透过并给出相当数量水或者给出的水量微不足道的岩层。弱透水层：指渗透性能相当差的岩层，提供水量微不足道，但

13、在发生越流时，由于驱动水流的水力坡度大且发生渗透的过水断面很大，因此，使其相邻含水层通过它交换水量很大，称之弱透水层。二 含水层的构成条件 1岩石必须具备饱含重力水的空隙。2具有有利于地下水聚集的储存的地质构造。3 要有充足的补给来源第23页/共174页 三 含水层与隔水层的相对性1 含水层在划分上的相对性 在饱水带，没有一点水都给不出的岩层，那么，一个井出多少水的含水岩层定为含水层，没有标准，看其是否满足要求及研究总量的目的。2 隔水层的相对性没有绝对的隔水岩层，只能是透水性能相对较差。第24页/共174页四 含水层、隔水层、弱透水层的转化 在一定条件下，含水层、隔水层、透水层是可以相互转化

14、的。例如在一般条件下粘性土层仅包含结合水，不能给出水不能透水，起着隔水作用，但在较大水头差的作用下，由于部分结合水发生运动，粘土层便能透水，并给出一定数量的水，把它们作为隔水层就不合适了。当然，在这种条件消失后，又由透水层变为隔水层。由于降水分布时间上的不均匀性，及其他人为因素，饱水带的水面有升有降，有时一年之内可达好多米，从年最高水位到年最低水位之间这一带低水位没有水，是透水层，高水位 是饱水又成为重力水。第25页/共174页第二节 地下水分类一 上层滞水 1 概念 上层滞水有两种解释 (1)广义 储存在包气带以各种形式出现的水，包括结合水毛细水重力水，过路性质的重力水，存在于局部隔水层之上

15、的水 (2)狭义 存在于包气带中局部隔水层之上具有自由水面的重力水。2 特点 (1)一般水量小，动态不稳定，水量水位季节变化明显；(2)一个局部隔水层之上的上层滞水与周围水层之间没有水力联系，无统一的水位；(3)埋深浅、径流短、矿化度低，易污染；第26页/共174页 二 潜水 1 概念 ：在饱水带中第一个具有自由水面的含水层中的地下水。2 要素：一个隔水底板、潜水面、潜水位、含水层厚度、潜水面到隔水底板的距离、水位埋深 地面到潜水面的距离。3 埋藏条件：埋深浅挖掘埋深的主要因素是岩性地貌。4 基本性质：无压、具有自由表面，表面所压力与时间位置无关即任何时刻任何点上潜水面的压力都为当地大气压。5

16、 储水性质：水是不可压缩的液体，水的释放是由含水层体积的增减来完成。第27页/共174页6 补给排泄 大气水地表水可通过包气带直接入渗，补给区和分布区一致，可直接在本区排泄。7 径流运动 在重力作用下，由高水头的处向低水头处流动，主要受地形控制。8 动态 具有季节性，动态变化大。9 水质 大气水地表水是淡水，因此潜水一般是淡水，受污染影响大，易污染。10 水资源 季节调节，调节能力较小，易恢复。第28页/共174页第29页/共174页第30页/共174页11 表示方法 潜水等水位线图 水位埋深图 潜水面在图上的表示方法有两种：一种是以剖面图的形式表示，如另一种是以平面图形式表示，即等水位线图(

17、潜水面等高线图)。潜水等水位线图是把同一时间测得的潜水位标高相同的各点用线连起来。第31页/共174页三 承压水(一)承压水的埋藏恃点概念：承压水是指充满于上下两个稳定隔水层之日的含水层中的重力水。持点：1.有稳定的隔水项板存在，没有自由水面。水体承受静水压力，与有压管道中的水流相似。2.埋藏区与补给区不一致。3.承压水的排泄方式更是多种多样，它可通过标高较低的含水层出露区或断裂带排泄到地表水、潜水含水层或另外的承压含水层，也可直接排泄到地表成为上升泉。4.受水文气象因素、人为因素及季节变化的影响较小。5.稳定水位都常常接近或高于地表，这就为开采利用创造了有利条件。第32页/共174页第33页

18、/共174页几个基本概念承压水的上部隔水层称为隔水顶板，下部隔水泛称为隔水底板；两隔水层之间的含水层称为承压含水层；隔水顶板到底板的垂直距离。隔水顶板底面的高程，即为该点承压水的初见水位(H1)；承压水沿钻孔上升最后稳定的高程，即为该点的承压水位或称测压水位(H2)。地面至承压水位的距离称为承压水位的埋深(H)；自隔水顶板底面到承压水位之间的垂直距离称为承压水头(h)。在地形条件适合时，承压水位若高于地面高程，承压水就可喷出地表面成为自流水。打井时，在隔水顶板被凿穿之前见个到承压水，凿穿后水便立即自含水层中上升到隔水顶板的底面之上，最后稳定在一定的高程上。第34页/共174页第35页/共174

19、页(二)承压水的形成条件下列几种岩层组合，常可形成承压水。1粘土覆盖在砂层上；2页岩覆盖在砂岩上，3页岩覆盖在溶蚀灰岩上，4致密不纯的灰岩(如泥质灰岩、硅质灰岩等)覆盖在溶隙发育的灰岩上5致密的岩流(喷出岩层)覆盖在裂眩发育的基岩或多孔状岩流之上。承压水的形成与地层、岩性和地质构造有关，裂隙水或岩溶水都可以形成承压水。1.不透水层覆益在透水性好的岩层上面，透水层的下部还应有稳定的隔水底板，这样才能储存地下水。2.上下隔水层之间的地下水必须充满整个含水层，并承受静水压力；第36页/共174页最适宜形成承压水的地质构造条件是下列两种：1.向斜盆地中的承压水第37页/共174页2单斜地层中的承压水(

20、1)透水层和隔水层相间分布的承压斜地：由透水岩层和隔水层互层所组成的单斜构造，在适宜的地质条件下可以形成单斜承压含水层，也称为承压斜地。一般由下列构造条件形成：第38页/共174页(2)含水层发生相变或尖灭形成承压斜地：第39页/共174页（3)含水层被断层所阻形成承压斜地：第40页/共174页(三)等水压线图 为了在平面图上反映承压水位的变化情况可根据若干个井孔中承压水位的高程资料绘制出承压水等水压线图，第41页/共174页第三章 地下水的物理性质、化学成分及其形成作用学习目的和要求：了解地下水的温度等物理性质。掌握地下水的主要化学成分、化学成分的来源及特点，理解和掌握地下水化学成分的形成作

21、用，熟悉和掌握地下水化学成分的分析内容与分类图示。第一节 地下水的物理性质第二节 地下水的化学成分第三节 地下水化学成分的形成作用第42页/共174页研究地下水化学成分的意义 帮助我们阐明地下水的起源、形成和分布；完善成矿理论；找矿标志；宝贵的液体矿产；工、农业生产及饮用水都有一定的水质要求。第43页/共174页第一节 地下水的物理性质地下水的温度随自然地理条件、地质条件、和水文地质条件不同，有很大差异。地下水的温度主要受当地地温的变化。要研究地下水的温度，首先要研究地温的变化规律。一、温度 地下水的物理性质一般指：温度、颜色、透明度、嗅、味、比重、导电性、放射性等第44页/共174页 地温变

22、化规律 从地表向下可划分三个带变温带 主要受太阳辐射热的影响，地温具有周期性变化的规律，周期性可分为昼夜周期的季节性周期；常温带 受太阳辐射影响很小，温度变化趋近于零，一般比当地年平均气温高度；增温带 主要受地球内热的影响，温度随深度的增加而增加。深度每增加米温度增加的值称地热增温率；温度每增加 度深度增加的值称地热增温级。第45页/共174页 地温与水温的关系 地下水的温度受地温控制：（1）变温带地下水：水温有较小的季节性变化；（2）常温带地下水：水温与当地平均气温接近；（3）增温带地下水：随地温梯度的增加而增加，甚至成为热水。计算方法：利用增温级，概略计算某一深度的地下水水温（T）第46页

23、/共174页 按照地下水的水温可把地下水分为以下各类，见表。冷水很适于作冷却机器和空调降温的水源；而热水则是廉价的能源，可用以取暖、发电和医疗。3 地下水分类第47页/共174页二、颜色 一般地下水是无色的，当含有过量的某些离子成分或悬浮物和胶体物质时，就会出现各种颜色。如含有机质过多时里黄色，含硫化氢的水微带翠绿色，含氧化铁的水里浅红褐色，含氧化亚铁的水里浅蓝绿色，硬度大(钙镁离子多)的水为浅蓝色，含悬浮物较多的水，其颜色与悬浮物相同。三、透明度 地下水一般是透明的，当含有大量有机物、固体矿物质及胶体悬浮物时，才呈浑浊现象。按透明度把地下水分为四级：透明的、半透明的(微浑浊的)、微透明的(浑

24、浊的)、不透明的(极浑浊的)。第48页/共174页四、味纯水是谈而无味的，水味来源于其中的盐分及气体。五、气味 一般地下水无气味。（当含有硫化氢时发臭蛋气味；含有氧化亚铁时有铁腥味；含腐殖质会使水有色腥气味。般低温下气味不易辨别，而在40 C左有时气味最显著。）（含有重碳酸钙、重碳酸镁及碳酸时，水味便爽快、适口，人们称这种水为“甜水”；如含氯化物会使水发咸味；含硫酸钠、硫酸镁使水变苦，而且常引起饮用者呕吐、腹痛和腹泻；合盐分过多时木味发涩；大量的有机物能使水发甜昧，但不育饮用。）第49页/共174页六、导电性七、放射性第50页/共174页第二节 地下水的化学成分 地下水的化学成分总的特点是复杂

25、，自然界所发现的元素中绝大部分在地下水中均有出现，含量的多少一是取决于各种元素在地壳中的丰度，二是要具有一定的溶解度。地下水中组分以气体、离子、化合物、络阴离子等形式出现。一、地下水中的主要气体成分 地下水中的气体成分有空气来源的气体：N2、O2、CO2、Ne、Ar。生物来源的气体 CH4、CO2、N2、H2S、H2、O2 。化学来源的气体 CO2、H2S、H2、CH4、CO、N2、HCl、HF、SO2、Cl2。放射性的核反应来源的气体 He Rn第51页/共174页二、地下水中的主要离子成分 地下水中以离子形态存在的成分很多，天然水中普遍存在，且含量较大的通常有七种 氯离子 来源：氯化钠与其

26、它氯化物的溶解；含氯的矿物如方腊石、氯磷灰石等的溶解；沿海地区与海水有关，海水飞沫、海水入侵；火山喷发物中氯气含量较高，到大气中随大气降水入渗；西北干旱地区地表常结有一层盐的结皮，在大气降水的溶滤下带入地下；工业污染、排放污水；动物体中排出，生活污染。硫酸根离子来源 硫酸盐矿物的溶解；含硫金属矿物的氧化 第52页/共174页 重碳酸根离子来源 碳酸盐岩溶解 二氧化碳 含量 一般数毫克到数百毫克。钠离子来源 岩盐及其它钠盐的溶解 海水 含钠硅酸盐。含量 变化幅度在数毫克到上百克升。钾离子来源 基本上同钠。但在一般地下水中钾离子含量很少，大致为钠离子浓度的。第53页/共174页 钙离子来源 含钙矿

27、物及胶结物的溶解；主要来自石灰岩和白云岩的溶解。含量 以不超过毫克升为主，只有在深层氯化钙水中，可达数十克升。镁离子镁在元素周期表中第二主族第三周期，地壳中含量。来源 主要为白云岩、泥灰岩、基性岩、超基性岩。含量 一般少于钙，有时也占首位。第54页/共174页三、地下水的其它成分 地下水中的微量组分 胶体及有机质 地下水中的细菌成分及污染问题 地下水中的放射性 铀、镭、氡、钍等 5 微生物第55页/共174页四、地下水的主要性质 地下水的酸碱度分类强酸性水 。弱酸性水 .中性水 .弱碱性水 .强碱性水 .第56页/共174页 硬度水的硬度分类毫克当量数德 国 度碳 酸 钙（毫克）极软水软水.微

28、硬水.硬水.。极硬水.我国现行饮用水标准饮用水的硬度不得超过毫克升（以碳酸钙计）第57页/共174页 地下水的总矿化度 总矿化度 地下水中所含各种离子分子与化合物的总量称为总矿化度。单位为每升克。4 地下水水化学成分表示库尔洛夫式 将毫克当量百分数大于10的阴离子按由大到小的次序排列在分子位置，以同样方法把阳离子排列在分母位置上，水中的总溶解固体(M)和持殊元素则以gL为单位依次排列于公式之前，水温(t)则附于分式之后。例如某水样的库尔洛夫表示式为：（以毫克当量百分数大于25参加命名）第58页/共174页第三节 地下水化学成分的形成作用一 溶滤作用 在水和岩石相互作用下岩石中一部分物质转入地下

29、水中的作用。有广义与狭义身份两种解释。狭义的溶滤作用 在不破坏晶体结晶格架情况下，部分组分进入地下水中的作用。如难溶的硅铝酸盐中的某些成分。广义的溶滤作用 包括溶滤作用，也包括了溶解作用。溶解作用破坏了矿物的结晶格架，使矿物的全部成分进入地下水中。如氯化钠。我们这时所说的是广义的溶滤作用。第59页/共174页二 蒸发浓缩作用 主要发生在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处。当地下水位埋藏较浅时，蒸发强烈，蒸发成为地下水的主要排泄去路。随着时间的增加，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度增大。随着矿化度的上升，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如NaCl）的离子逐渐成为水中主要成分。三

30、 脱碳酸作用CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。结果：地下水中HCO3-、Ca2+、Mg2+减少；矿化度降低，碱度增大。第60页/共174页 四 脱硫酸作用在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌使SO42+还原为H2S脱硫酸作用。结果：水中SO42+减少以至消失；HCO3-增加，pH值变大。五 阳离子交替吸附作用土的颗粒表面带有负电荷，能吸附阳离子，被土所吸附的阳离子与水中的阳离子发生交换，使水中的组分发生变化的作用过程称为阳离子交替吸附作用。例如，吸附综合体中的钠与水中的钙交换，钙进入吸附综合体，钠进入水中。第61页/共17

31、4页六 混合作用 成分和浓度不同的两种地下水汇合在一起，形成浓度与化学成分与原来不同的地下水的作用 七 人为因素影响下的作用这种作用很复杂，目前研究不够。（1）污染地下水：工业三废：废气、废水、废渣，以及农业上大量使用的化肥、农药等，使地下水中含有原来含量很低的有害元素；（2）改变地下水的形成条件，水质发生变化：过量开采地下水引起海水入侵，不合理灌溉引起次生盐渍化，使浅层水变咸等；引淡补咸使地下水淡化。第62页/共174页第四章 地下水的运动第一节 地下水运动的特征及其基本规律 学习目的和要求：理解和掌握达西定律。会绘制流网图。了解饱水粘土中水的运动规律。了解地下水取水构筑物的基本类型。了解地

32、下水流向井的稳定运动。了解地下水流向井的非稳定运动。第二节 地下水流向井的稳定运动第三节 地下水流向井的非稳定运动第63页/共174页第一节 地下水运动的特征及其基本规律一、地下水运动的特点（一)曲折复杂的水流通道 地下水是储存并运动于岩石颗粒间象串珠管状的孔隙和岩石内纵横交错的裂隙之中，由于这些空隙的形状、大小和连通程度等的变化，因而地下水的运动通道是十分曲折而复杂，第64页/共174页 研究方法：人们研究地下水运动规律时，是研究岩石内平均直线水流通道中的水流运动特征。这种研究方法的实质是用充满含水层(包括全部空隙和岩石颗粒本身所占的空间)的假想水流来代替仅仅在岩石空隙中运动的真正水流。用假

33、想水流代替真正水流的条件是：1假想水流通过任意断面的流量必须等于真正水流通过同一断面的流量。2假想水流在任意断面的水头必须等于真正水流在同一断面的水头。3假想水流通过岩石所受到的阻力必须等于真正水流所受到的阻力。第65页/共174页(二)迟缓的流速 地下水由于在曲折的通道中通行，水流受到很大的摩阻力，因面流速一般很缓慢，人们常用每日(昼夜)米来计算其流速。自然界一般地下水在孔隙或裂隙中的流速是每日几米，甚至小于1m。地下水在曲折的通道中缓慢地流动称为渗流，或称渗透水流。渗透水流通过的含水层横断面称为过水断面。(三)地下水的流速很小，一般以层流为主 在岩层空隙中渗流时，水质点有秩序地呈相互平行而

34、不混杂的运动，称为层流运动；水质点相互混杂而无秩序的运动，称为紊流运动。第66页/共174页（四）水位、水量、流速、流向等总是随时间而发生变化 这种地下水的要素随时间而发生变化的称为非稳定流；水流要素不随时间而发生变化的称为稳定流。一般来说，地下水是不稳定的，但从地质年代和我们研究的某一短暂时刻比较，又可以把它看成是稳定流。（五）地下水运动的环境不同，（包气带、饱水带）、存在形式不同，都 使其运动具有不同的规律。第67页/共174页 二、地下水运动的基本规律下水运动的基本规律又称渗透的基本定律。(一)线性渗透定律（达西定律）线性渗透定律反映了地下水作层流运动时的基本规律。Q渗流量，即单位时间内

35、渗过砂体的地下水量(m3d)h在渗流途径L长度上的水头损失(m)；L渗流途径长度(m)；w渗流的过水断面面积(m2)；K渗透系数，反映各种岩石适水性能的参数(md)。第68页/共174页 式中 v渗透速度(md)；i水力坡度，单位渗流途径上的水头损失(无量纲)。表明渗透速度与水力坡度的一次方成正比，因此称为线性(直线)渗透定律。实际情况还表明：地下水在运动过程中，水力坡度常常是变化的，因此应将达西公式写成下列微分形式第69页/共174页使用条件：只有当雷诺数小于110时地下水运动才服从达西公式。即：由于自然界地下水的实际流速一般是每日几米，因此使得大多数情况下的地下水，包括运动在各种砂层、砂砾

36、石层中、甚至砂卵石层中的地下水其雷诺数一般都不超过1，因此说达西公式对于“般地下水运动都是适用的。第70页/共174页(二)非线性渗透定律 当地下水在岩石的大孔隙、大裂隙、大溶洞穴及取水构筑物附近流动时，不仅雷诺数大于10，而且常常呈紊流状态。紊流运动的规律是水流的渗透速度与水力坡度的平方根成正比，这称为哲才公式，表示式为；第71页/共174页第二节 地下水流向井的稳定运动 提取地下水的工程设施称为取水构筑物。当取水构筑物中地下水的水位和抽出的水量都保持不变，这时水流称为稳定流运动。一、地下水取水构筑物的基本类型(一)垂直取水构筑物1潜水完整井2潜水非完整井 凿井至潜水含水层底板(隔水层)，水

37、流从并的四周流入井内第72页/共174页3承压水完整井4承压水非完整井 凿穿承压含水层的顶板，井穿透整个含水层到隔水底板，水流从四周流入井内。凿穿承压含水层的顶板后仅穿透一部分含水层，地下水可从井的四周及井进入井内。第73页/共174页(二)水平取水构筑物 水平取水构筑物是指构筑物的设置方向与地表大体相平行，如渗水管及渗渠等。地下水从渗水管或渗渠的两侧(或一侧)进入构筑物内。第74页/共174页二、地下水流向潜水完整井 在潜水完整井中进行长时间的抽水之后，井中的动水位和出水量都会达到稳定状态，同时在抽水井周围亦会形成有规则的稳定的降落漏斗，漏斗的半径R称为影响半径，井中的水面下降值s叫水位下降

38、值，从井中抽出的水量称单井出水量。潜水完整井稳定流计算公式潜水完整井稳定流计算公式(裘布依公式裘布依公式)的推导假设条件的推导假设条件是：1 1天然水力坡度等于零，抽水时为了用流线倾角的正切代替正弦，则井附近天然水力坡度等于零，抽水时为了用流线倾角的正切代替正弦，则井附近的水力坡度不大于的水力坡度不大于1 14 4；2 2含水层是均质各向同性的，含水层的底板是隔水的；含水层是均质各向同性的，含水层的底板是隔水的；3 3抽水时影响半径的范围内无渗入、无蒸发，每个过水断面上流量不变；在抽水时影响半径的范围内无渗入、无蒸发，每个过水断面上流量不变；在影响半径范围以外的地方流量等于零；在影响半径的圆周

39、上为定水头边界；影响半径范围以外的地方流量等于零；在影响半径的圆周上为定水头边界；4 4抽水井内及附近都是二维流抽水井内及附近都是二维流(抽水井内不同深度处的水头降低是相同的抽水井内不同深度处的水头降低是相同的)。第75页/共174页据达西定律：第76页/共174页 从图可以看出：地下水在向潜水完憨井运动时，上部流线(如流线l、2)曲率最大，向下各流线曲率逐渐变小，底部流线(如流线5)是水平直线，垂直于流线的各过水断面A一A、BB等皆是一系列弯曲程度 不等的曲面，靠近井壁的DD面曲率最大。可见地下水向潜水完整井运动是通过一系列的曲面，计算水量时显然不能用达西公式。假设地下水向潜水完整井的流动仍

40、属缓变流，井边附近的水力坡度不大子1/4，这样就可使那些弯曲的过水断面近似地被看作直面，如把BB曲面近似地用BB直面来代替，地下水的过水断面就是圆柱体的侧面积。第77页/共174页地下水的过水断面就是圆柱体的侧面积：任意断面处的水力坡度均可表示为：得：为使上式变为普通的数学函数关系，可将上式分离变量并积分，将y从h到H，x从r到R进行定积分：第78页/共174页整理得：K渗透系数(md)；H潜水含水层厚度(m)；h井内动水位至含水层底板的距离(m)R影响半径(m)；r井半径(m)；管井过滤器半径。第79页/共174页三、地下水流向承压水完整井第80页/共174页 承压完整井计算公式的推导和潜水

41、完整井的公式推导不同之点是：由于地下水流向承压完整井的流线是相互乎行的，井且乎行于顶、底板，因此垂直于流线的过水断面是真正的圆柱侧面积。则地下水通过任意过水断面的流量为：第81页/共174页 同潜水完整井的推导过程一样，将上式分离变量并积分，将y从h到H，x从r到R进行定积分：进行整理后得：因为hs，所以又可将上式写为如下形式，第82页/共174页裘布依公式公式的讨论：1.抽水井流量与水位降深的关系a.理论上，对于潜水完整井，Q与S呈抛物线分布；对于承压水完整井，Q与S呈直线分布。b.实际上在抽水井中所测得的降深时多种原因造成的水头损失的叠加。第83页/共174页2.2.抽水井流量与井径的关系

42、抽水井流量与井径的关系抽水井流量与井径的关系抽水井流量与井径的关系 理论上，井的半径理论上，井的半径r r与流与流量量QQ的影响并不大，两者之间的影响并不大，两者之间只是对数关系。实际上，当只是对数关系。实际上，当井半径井半径r r增大之后，流量的实增大之后，流量的实际增加要比用裘布依公式计际增加要比用裘布依公式计算结果大的多。算结果大的多。3.3.水跃对公式计算结果的影响水跃对公式计算结果的影响水跃对公式计算结果的影响水跃对公式计算结果的影响第84页/共174页4.4.井的最大流量问题井的最大流量问题第85页/共174页第二节 地下水流向井的非稳定运动 随工业生产的不断发展，以及人口数量的不

43、断增加，工业、农业及生活用水的需水量随工业生产的不断发展，以及人口数量的不断增加，工业、农业及生活用水的需水量的不断增大，地下水作为重要的供水水源其开采量及开采规模迅速扩大，大多数地区普通的不断增大，地下水作为重要的供水水源其开采量及开采规模迅速扩大，大多数地区普通出现区域地下水位的持续下降，而作为地下水运动要素均不随时间发生变化的稳定流理论出现区域地下水位的持续下降，而作为地下水运动要素均不随时间发生变化的稳定流理论及其水量计算公式无法解决和预测这一现象，以及未来地下水动态的变化趋势。及其水量计算公式无法解决和预测这一现象，以及未来地下水动态的变化趋势。在在3030年代中期开始形成的以泰斯为

44、代表的非稳定流理论及其相关的水量运算公式发挥年代中期开始形成的以泰斯为代表的非稳定流理论及其相关的水量运算公式发挥着越来越大的作用着越来越大的作用。第86页/共174页一、基本概念1.弹性储存的概念 从承压含水层，尤其是深层承压含水层中抽出的水量主要是由于水头降低，含水层的弹性压缩和承压水的弹性膨胀而释放出的部分地下水。而当水头升高，承压含水层则会储存这部分地下水，这一现象就称之为“弹性储存”。2越流的概念 如果含水层的顶、底板为隔水层，表明该含水层与其相邻的含水层之间无水力联系。但在大多数情况下，抽水含水层的顶、底板为弱透水层，在抽水含水层抽水条件下，由于水头降低；和相邻含水层之间产生水头差

45、，相邻含水层通过弱透水层与抽水含水层之间发生水力联系，如图418所示，这种水力联系称之为“越流”。第87页/共174页第88页/共174页二、无越流含水层中水流向井的非稳定流运动(一)地下水向完整井非稳定流运动的微分方程1.潜水井 潜水完整井在油水过程中，随着时间t的延长，水位h不断下降，地下水位降落漏斗不断扩大如图419所示。在距井r处取一微分段宽度为dr，平面面积为2rdr，断面面积为2rh。根据达西公式通过断面的流量应当是：第89页/共174页 在dt时间内，通过微分段内外两段面的流量变化 为：根据水流连续性原理，在dt时间内微分段内流量的变化应当等于微分段内水体的变化：则有：第90页/

46、共174页h潜水水位(m)；含水层给水度。TKh导水系数，表示含水层的导水性能；=Kh/潜水含水层的水位传导系数，表示潜水含水层中水位传导速度的参数。将上式两边各乘以Kh并化简得：将T、“代入上式则得潜水完整井非稳定流的微分方程：第91页/共174页2承压水井(1)承压含水层的弹性水量 承压含水层顶板以上的土体压力，由承压含水层中的水和含水层的固体骨架共同承担、才能使之保持平衡。当人工开采地下水时，由于降低承压水头，水承担的压力减小了，而增加了固体骨架的压力，因而使含水层的孔隙度变小而释放出一定水量。同时承压含水层的水由于降低丁水头，水的体积亦会发生膨胀(水是可压缩的)，而使水量得到了增加上述

47、两种水量被称为“弹性水量”，在承压含水层中划取一无限小的单元体dv，其压力变化为dP，则单元体固体骨架因压缩变形而释放的水量dV土为：同理，由于压力减少而引起水体积膨胀所增加的水量dV水为：第92页/共174页故承压含水层全部的弹性水量应当是：第93页/共174页(2)承压水完整井的非稳定流微分方程式 在距井轴r处的断面附近取一微分段，其宽度为dr，平面面积为2rdr，断面面积为2rM，体积为2rMdr，在某一时刻通过此断面的流量可按达西公式求得；在dt时间内，通过微分段内外两个断面流量的变化为：式中 KMH，为承压水的势函数。第94页/共174页 根据水流连续性原理，在dt时间内微分段内流量

48、的变化看作是微分段内弹性水量的变化。因微分段内弹性水量为：所以则可得承压完整井的微分方程：第95页/共174页第四节第四节 水文地质参数的确定水文地质参数的确定1.渗透系数（K）：表示含水层渗透性能的参数。2.导水系数（T）：表示含水层导水能力大小的参数，其数值为含水层的渗透系数与厚度的乘积即TKM。3.给水度（）：表示潜水含水层给水能力的参数。第96页/共174页4.储水系数（*）：指单位面积的承压含水层柱体，在水头降低1m时，释放的水体与柱体体积之比，也称释水系数。5.水位传导系数（a）：表示含水层中水位传导速度的参数，即aT/。6.影响半径（R）：表示含水层补给条件的参数。7.越流系数：

49、表示弱透水层在垂直方向上的导水性能，是含水层上部或下部弱透水层的渗透系数K与弱透水层厚度的比值。第97页/共174页8.越流参数（B）：表示具有越流条件下的越流作用，和导水系数T与越流系数比值的平方根成正比。9.补给系数（E）：表示含水层接受侧向、垂向补给能力的大小。10.降雨入渗系数（a）：降水入渗量与降水量的比值。第98页/共174页第五章 不同地貌地区的地下水特征 按照地貌特征可将地表分为：山前平原区、河谷平原区、黄土地区、滨海平原区、岩溶区等许多类型的地貌区。地貌：是指地球表面因内、外地质营力作用而产生的地形形态。不同的地貌区往往分布有不同的岩石，即使是相同的岩石在各种自然条件下都有其

50、独特的水文地质特征，因此各种地貌区的含水层类型、富水性、补给和排泄条件、水质等也各不相同，现将几种主要地朗区的地下水特征分别进行论述。第99页/共174页第一节 山前倾斜平原区的地下水一、洪积物及其形成规律 由于洪流发生的突然，时间短、来势猛，冲刷携带了巨量的泥砂石块，当洪流携带着粗细不匀的固体物质流出沟口后，由于地势突然开阔，地形坡度急剧变缓，水流就成为分散的漫流(扩散流)，流速和流量也逐渐变小。水流因动能急剧降低，无力挟带原来大量的泥砂和石块，所以出构口后便有大量物质在山麓地带堆积，形成洪积层。这种洪积物组成的地形是由沟口向平原呈放射状展开的扇形近半锥体的堆积，故称洪积扇。其面积自救十平方