水文地质学基础.pptx

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1、2023/3/17参考教材教 材：水文地质学基础-王大纯等编著，地质出版社，95版/2010版 第1页/共93页2023/3/17提纲第一章 绪论 第二章 岩土中的空隙和水第三章 地下水的赋存第四章 地下水运动的基本规律第五章 地下水的补给与排泄第2页/共93页2023/3/17Company Logo 1.1 地球上的水与水资源：v地球上的水及所占比例水体种类水体种类亿亿 km3%淡水亿淡水亿 km3%海洋水海洋水13.3896.5400地表水地表水0.24251.750.241769.0地下水地下水0.23701.710.108330.92土壤水土壤水0.000160.0010.00016

2、50.05大气水大气水0.0001290.00090.0001290.04生物水生物水0.0000110.000010.0000110.003总储量总储量13.85981000.3503100淡水占全球水量的淡水占全球水量的2.528%第一章绪论第3页/共93页2023/3/17地球上的水与水资源：淡水 冰冰冻积雪雪地下水地下水河湖水河湖水淡水淡水 2.5%咸水咸水 第4页/共93页2023/3/171.2 地下水的功能（作用）概念：水文地质学简言之概念：水文地质学简言之研究地下水的科学研究地下水的科学。它研究与。它研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用岩石圈、水圈、大气圈、生

3、物圈以及人类活动相互作用下地下水下地下水水量水量和和水质水质的时空变化规律，并研究如何运用的时空变化规律，并研究如何运用这些规律去兴利除害，为人类服务。这些规律去兴利除害，为人类服务。地下水地下水赋存于地面以下岩石空隙中的水赋存于地面以下岩石空隙中的水。地下水是水资源组成部分 其主要功能为：1 1、地下水是一种宝贵的资源、地下水是一种宝贵的资源 2 2、地下水是极其重要的生态环境因子、地下水是极其重要的生态环境因子 3 3、地下水是一种很活跃的地质营力、地下水是一种很活跃的地质营力 4 4、地下水是地球内部地质演变的信息载体、地下水是地球内部地质演变的信息载体第5页/共93页2023/3/17

4、我国西北缺水剪影第6页/共93页2023/3/17我国耕地与农村用水我国耕地与农村用水 Company Logo60%60%全国60%的耕地 全部或部分使用地下水灌溉95%95%95%95%全国95以上的农村饮用地下水第7页/共93页2023/3/17Company Logo地下水开采利用产生的环境问题：地下水开采利用产生的环境问题：地下水开采利用产生的环境问题：地下水开采利用产生的环境问题：沙化荒漠化加重沙化荒漠化加重沙化荒漠化加重沙化荒漠化加重第8页/共93页2023/3/17Company Logo地下水开采利用产生的环境问题：地下水开采利用产生的环境问题：地下水开采利用产生的环境问题：

5、地下水开采利用产生的环境问题：上海地面沉降上海地面沉降上海地面沉降上海地面沉降城市防洪设施标准降低，城市防洪设施标准降低，外滩防洪挡水墙越筑越高外滩防洪挡水墙越筑越高第9页/共93页2023/3/17苏锡常苏锡常40水位埋深等值线和水位埋深等值线和200mm地面沉降等值线地面沉降等值线 地下水位下降与地面沉降的相关性明显第10页/共93页2023/3/17Company Logo地下水开采利用产生的环境问题：地下水开采利用产生的环境问题：地下水开采利用产生的环境问题：地下水开采利用产生的环境问题：地下水污染地下水污染v 地下水污染主要分布在城区附近和地表水污染严重的地区地下水污染主要分布在城区

6、附近和地表水污染严重的地区第11页/共93页2023/3/17自然界的水循环自然界的水循环自然界的水循环自然界的水循环v 第12页/共93页2023/3/17v 自然界的水循环自然界的水循环自然界的水循环自然界的水循环第13页/共93页2023/3/17 第二章 岩土中的空隙和水（a）分选好的高孔隙度沉积 （b）分选差的低孔隙度沉积 （c）分选好的高孔隙度卵石沉积 （d）分选好的矿物充填沉积（e）岩体溶解空隙 （f）岩体裂隙 2.1 2.1 岩土中的空隙孔隙度是指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例第14页/共93页2023/3/17第15页/共93页2023/3/17 裂隙:坚硬

7、岩石中的空隙，岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。体积裂隙率（Kr）裂隙体积（Vn）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值 面积裂隙率（Ka）单位面积岩石上裂隙面积的大小 线裂隙率（Kl）垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数第16页/共93页2023/3/17 溶穴溶穴:可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩云岩 等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为为 溶穴（隙）。溶穴（隙）。岩溶率（岩溶率（Kk）：）：岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式第17页/共93页2023/3/17

8、2.2 岩土中的水第18页/共93页2023/3/17 （1）强结合水的特点 密度大于1，平均2g/cm3左右；不受重力影响；不能流动。只有在温度105110时才以气态的形 式脱离颗粒表面而移动；溶解盐类能力弱；-80 时仍不结冰；有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度；不能传递静水压力；无导电性。第19页/共93页2023/3/17 （2）弱结合水的特点 密度大于1，为3；不受重力影响；可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但 速度十分缓慢；溶解盐类能力较弱 冰点为-15 有一定的粘滞性和抗剪强度 在一定条件下（饱水带）可传递静水压力 弱结合水的外层能被植物吸收利用第20页/共93页2023/3

9、/17 （3 3）毛细水）毛细水 依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水毛细水。毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm1mm的的 孔隙或宽度小于的裂隙。孔隙或宽度小于的裂隙。第21页/共93页2023/3/17 毛细水类型支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连 的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于0时结冰。悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的 毛细空隙中的水。呈“悬挂”状态，经蒸发后消失。成因：入渗重力水；由支持毛细水转化而成。第22页/共93页2023/3/17 （4）矿物水

10、 存在于矿物结晶内部及其间的水。结构水：以H+和OH-离子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。结晶水：以H2O分子形式存在于矿物结晶格架中，与矿 物结合紧密。沸石水：以H2O分子形式存在于矿物晶格的空隙中，与 矿物结合不紧密。第23页/共93页2023/3/172.3 与水有关的岩土性质 容水性岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度 表示。持水性岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量 水的性质。用持水度表示。给水性饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水 的性质。用给水度表示。透水性岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位 吸水量表示。第24页/共93页2023/3/17第25页/共93页

11、2023/3/17第三章 地下水的赋存3.1 包气带与饱水带3.2 含水层、隔水层与弱透水层3.3 地下水分类3.4 潜水3.5 承压水3.6 潜水与承压水的相互转化3.7 上层滞水第26页/共93页2023/3/173.1 3.1 3.1 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带 包气带与饱水带的划分 地地下下水水面面（水水位位）：地地下下一一定定深深度度岩岩石石中中的的空空隙隙被被重重力力水水所所充充满，形形成成一一个个自自由由水水面面，称为地地下下水水面面，以以海拔高度表示称之海拔高度表示称之地下水位地下水位 。（一般通（一般通过打井，地下开挖来确定）打井，地下开挖来确定）地地下下水水面面以

12、以上上部部分分，包包括括毛毛细水水带、中中间带和和土壤水土壤水带，岩石中的空隙未被水充，岩石中的空隙未被水充满，称，称为包气包气带。地地下下水水面面以以下下部部分分，岩岩石石中中的的空空隙隙被被水水充充满，称称为饱水水带。第27页/共93页2023/3/17Company Logo包气带与饱水带地下水位地下水位第28页/共93页2023/3/17Company Logo3.1 3.1 3.1 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带包气带（zone of aeration or zone of unsaturation）v特点特点：岩石空隙未被水充岩石空隙未被水充满 是固、液、气三相介是固、液、气

13、三相介质并存介并存介质 v水的存在形式（多水的存在形式（多样）结合水、毛合水、毛细水（各种）、气水（各种）、气态水、水、（过路）重力水重力水v包气包气带的垂直分的垂直分带 土壤水土壤水带 毛毛细水水带（支持毛（支持毛细水水带、毛毛细饱和水和水带）中中间带（过渡渡带）v包气包气带水的水的来源 大气降水的入渗、地表水体的渗漏、大气降水的入渗、地表水体的渗漏、饱水水带水分上移（毛水分上移（毛细水水进入包气入包气带、地下水蒸、地下水蒸发进入包气入包气带）第29页/共93页2023/3/17Company Logo饱水带（saturation zone）v岩石空隙被水完全充满 是二相介质（固相+液相水）

14、v空隙中水的存在形式：重力水重力水 结合水合水 重重力力水水：连续分分布布（孔孔隙隙是是连通通）传递静静水水压力力在水在水头差作用下，地下水（空隙中的水）可以差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运运动。饱水水带中中的的重重力力水水是是开开发利利用用或或者者排排除除的的主主要要对象象，是水文地是水文地质学研究的重点。学研究的重点。地地下下开开挖挖，坑坑道道，巷巷道道，基基坑坑，打打井井在在此此带带均均有有重重力水涌出来力水涌出来 3.1 3.1 3.1 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带第30页/共93页2023/3/17Company Logo3.2 3.2 3.2 3.2 含水层含水层

15、隔水层隔水层 弱透水层弱透水层一、一、基本概念基本概念 饱水岩水岩层中，根据岩中，根据岩层给给水水水水与与与与透水能力透水能力透水能力透水能力而而进行的划分：行的划分：v 含水层（AquiferAquifer）：是能够是能够透过透过并并给出给出相当数量水的岩层相当数量水的岩层各类砂土，砂岩等各类砂土，砂岩等 v 隔水层（Aquifuge)Aquifuge)：不不能能透透过过与与给给出出水水或或透透过过与与给给出出的的水水量量微微不不足足道道的的岩岩层层裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）v 弱透水层（AquitardAquitard）：渗渗透透性

16、性很很差差，给给出出的的水水量量微微不不足足道道，但但在在较较大大水水力力梯梯度度作作用用下下，具具有有一一定定的的透透水水能能力力的的岩岩层层各各种种粘粘土土，泥泥质粉砂岩、砂质页岩质粉砂岩、砂质页岩第31页/共93页2023/3/17Company Logo定义中的模糊概念“相当水量，微不足道，较大水力梯度”等 严格格的的“是是与与非非”的的逻辑思思维，在在很很多多情情况况下下是是相相对的的和和模模糊糊的的概念概念相对性的意义：相对性的意义：v 从实际应用角度来看划分的相对性相当水量 满足足需需要要就就可可以以了了。如如在在某某处处一一口口井井出出水水量量80m80m3 3/d/d，作作为

17、为1 1万万人人的的供供水水，非非含含水水层层；作作为为饮饮料料厂厂、装装瓶瓶生生产产则则为为含含水水层层。又又如如一一个个小小泉水流量泉水流量3 3/d/d，大厂，大厂非，村用非，村用是。是。v 从理论意义来看微不足道 微不足道，有微不足道，有时空尺度的制空尺度的制约。如如华华北北平平原原早早期期地地下下水水开开采采就就是是典典型型的的例例子子，深深层层水水与与浅浅层层水水的的开开采采有有一一粘粘土土隔隔水水层层；开开采采深深层层，水水量量大大，水水位位降降低低快快，浅浅层层水水向深层向深层“越流越流”-粘土层成为粘土层成为“透水层透水层”。现现在在进进行行水水文文地地质质计计算算、模模拟拟

18、时时，不不再再简简单单二二分分了了，而而是是用用模模糊糊学学的的研研究究方方法法，给给个个隶隶属属度度1 1，0 0之之间间，可可以以为为 0.8,0.7,0.8,0.7,0.3,0.3,表示表示“透水性透水性”？3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 概念的相对性概念的相对性第32页/共93页2023/3/17岩岩层层渗渗透透性性与与时时间间尺尺度度的的关关系系54321第33页/共93页2023/3/173.2.3 3.2.3 3.2.3 3.2.3 含水系统含水系统含水系统Groundwater aquifer system 地下水含水系统：地下水含水系统：v是指由隔水或相对隔水

19、岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系 v含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层 v含水系统：可以进行子系统划分 v含水系统的定义是从大的空间尺度研究含水层、隔水层、与弱透水层的组合关系，是从地质成因角度对岩层的水文地质特征进行划分的分析方法(或给出的概念)第34页/共93页2023/3/17Company Logo含水系统层次划分含水系统层次划分系统与子系统系统与子系统AB第35页/共93页2023/3/17Company Logo冲洪积平原地下水含水系统冲洪积平原地下水含水系统丘陵丘陵 倾斜平原区斜平原区 低平原低平原 第36页/共93页2023/3/17v 广义地下水：赋存于地

20、面以下岩石空隙中的水存于地面以下岩石空隙中的水(包气包气带、饱水水带中的水中的水)狭义地下水：地表以下地表以下饱水水带岩岩层空隙中的水空隙中的水重力水重力水 v 地下水分类：主要依据主要依据含水介含水介质的的类型（型（赋存空存空间）埋藏条件（埋藏条件（赋存部位）存部位）地地下下水水的的埋埋藏藏条条件件：指指含含水水岩岩层在在地地质剖剖面面中中所所处的的部部位位及及受隔水受隔水层（弱透水（弱透水层）限制的情况。）限制的情况。v表3-13-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9 9类 3.3 3.3 3.3 3.3 地下水分类地下水分类孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水包气带包气带上层滞水上层滞

21、水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水潜水潜水孔隙潜水孔隙潜水裂隙潜水裂隙潜水岩溶潜水岩溶潜水承压水承压水孔隙承压水孔隙承压水裂隙承压水裂隙承压水岩溶承压水岩溶承压水 第37页/共93页2023/3/17上层滞水(a)、潜水(b)、承压水(c)abc第38页/共93页2023/3/17Company Logo一、潜水与潜水含水层概念 v潜水：饱水水带中中第第一一个个具具有有自自由由表表面面的的稳定定含含水水层中中的的水。水。自自由由表表面面没没有有隔隔水水顶顶板板或或只只有有局局部部隔隔水水顶顶板板，与与大大气直接相通，除大气压强外不受其它任何附加压强。气直接相通，除大气压强外不受其它任何附加压强

22、。稳稳定定具具有有一一定定的的空空间间连连续续性性（范范围围），以以与与上上层层滞滞水水区分。区分。v潜水含水层：赋存潜水的岩存潜水的岩层。建筑建筑房房屋时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）屋时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）3.4 3.4 3.4 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层第39页/共93页2023/3/17Company Logo二、基本要素（专业术语）v潜水面潜水面(water table)：潜水表面是一个自由的水面。：潜水表面是一个自由的水面。v潜水位潜水位(water level)：潜水面上任一点的海拔高程。：潜水面上任一点的海拔高程。v潜水含水潜水含水层

23、厚度厚度：从潜水面到隔水底板的垂直距离。：从潜水面到隔水底板的垂直距离。v潜水埋藏深度潜水埋藏深度：潜水面到地面的垂直距离。：潜水面到地面的垂直距离。潜水含水潜水含水层厚度与潜水埋藏深度随潜水面的升降而厚度与潜水埋藏深度随潜水面的升降而发生相生相应的的变化。化。3.4 3.4 3.4 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层第40页/共93页2023/3/17Company Logo2 3 4 5 6 7 8 D 1 M 潜水与潜水含水层图1-1-潜水含水层 2-2-隔水层 3 3、4 4 潜水面 潜水面 M-M-含水层厚度 D-D-潜水埋深 5-5-大气降水入渗 6-6-蒸发 7-7-流向

24、8-8-泉 第41页/共93页2023/3/17四、潜水研究基本方法潜水研究基本方法潜水等水位潜水等水位线图v潜潜水水等等水水位位线图：由由某某时刻刻潜潜水水位位相相等等的的各各点点连线组成的成的图件件。（某（某时刻潜水面的等高刻潜水面的等高线图）v潜水流向：潜水流向：垂直等水位垂直等水位线由高到低由高到低为潜水的流向。潜水的流向。v潜潜水水面面坡坡度度：相相邻两两条条等等水水位位线的的水水位位差差除除以以其其水平距离。水平距离。当潜水面坡度不大当潜水面坡度不大时，即可，即可视为潜水水力梯度。潜水水力梯度。3.4 3.4 3.4 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层第42页/共93页202

25、3/3/17Company Logo某地潜水等水位线图（平面）河河河河流流流流第43页/共93页2023/3/17Company Logo一、承压水定义 充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水，称之为承压水。二、基本要素 承承压含水含水层；隔水隔水顶板；板；隔水底板；隔水底板；承承压含含水水层厚厚度度（M）；承承压高高度度（H）：钻孔孔中中静静止止水水位位到到含含水水层顶面面的的距距离离；测压水水位位：钻孔孔中中静止水位的高程即静止水位的高程即为承承压水在水在该点的点的测压水位；水位；测压水水位位线（面面）：测压水水位位的的连线（面面）此此线是是虚虚拟的；的；补给区；区；承承压区；区；

26、排泄区排泄区 自溢区自溢区测压水位水位线与地形等高与地形等高线的交点的交点连接区接区 3.5 3.5 3.5 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层第44页/共93页2023/3/17Company Logo基岩自流盆地中的承压水承压含水层承压含水层 隔水顶板隔水顶板 隔水底板隔水底板 承承压压含含水水层层厚度（厚度（M M）承承 压压 高高 度度（H H）测测压压水水位位线线（面）：（面）：补给区补给区 承承压区区 排泄区排泄区 自溢区自溢区第45页/共93页2023/3/17三、特征 承承压性性承承压性是受到了大气性是受到了大气压以外的以外的压力。力。承承压区区含含水水层的的水水受受

27、到到了了来来自自出出露露区区地地下下水水的的静静水水压力力作作用用，不但充不但充满含水含水层，而且承受了附加，而且承受了附加压强。概念：概念：承承压高度；高度；测压水位。水位。补给与排泄与排泄 主要主要补给来源：大气降水入渗与地表水入渗来源：大气降水入渗与地表水入渗有有限限区区域域与与外外界界联系系，水水循循环迟缓些些，水水交交替替慢慢，平平均均滞滞留留时间长（年（年龄老或老或长）恢复性差恢复性差 ；高高补低排（从高低排（从高处获得得补给，在低，在低处排泄）；排泄）；隔水隔水顶底板底板对承承压区区补水的影响。水的影响。3.5 3.5 3.5 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层第46页

28、/共93页2023/3/17Company Logo承压含水层的储水与释水机理 v 贮水系数S(弹性给水度e)承承压含含水水层中中当当测压水水位位下下降降(或或上上升升)1)1个个单位位深深度度，单位位水水平面平面积含水含水层所所释出出(或或储存存)的水的体的水的体积。v 测压水位降低导致 含含水水层孔孔隙隙中中水水的的压力力降降低低水水体体积膨膨胀释水水，水水的的膨膨胀系系数数约为 1/20000 1/20000 孔隙水孔隙水压力降低，岩力降低，岩层颗粒粒间承受承受压力增加力增加骨架被骨架被压缩 颗粒不粒不变骨架骨架压缩 =空隙体空隙体积减小（排列改减小（排列改变）发生生释水（水（挤出来）水

29、出来）水 v 这两部水很有限，所以两部水很有限，所以 S S很小很小 ；v一般，一般，贮水系数水系数S S为，与重力，与重力给水度水度 相比要相比要 小小1010-1-1 10 10-3-3 3.5 3.5 3.5 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层第47页/共93页2023/3/17Company Logo承压含水层的贮水系数与潜水含水层给水度的比较承压含水层的贮水系数与潜水含水层给水度的比较第48页/共93页2023/3/17Company Logo等水压线图 等水压线 承压含水层测压水位相等的各点连线。等水压线图 根据承压水测压水位，按一定高差间距绘制的各条等水位线所构成的图。

30、等水压线图反映的水文地质信息 承压水的流向、水力梯度。（方法同潜水流向、水力梯度）测压水位 静止水位的海拔。测压水位的埋深 地表高程与测压水位之差。承压高度 静止水位（测压水位）高出含水层顶板的距离。含水层埋深 地表高程与隔水顶板高程之差。承压水自溢区 地形等高线与同高的测压水位线各个交点连线所圈围的范围。确定与其它含水层或地表水体的相互补给关系。（需有等水位线图或地表水体水位）3.5 3.5 3.5 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层第49页/共93页2023/3/17Company Logo等水压线图等水压线图第50页/共93页2023/3/173.6 3.6 3.6 3.6 潜

31、水与承压水的相互转化潜水与承压水的相互转化正仪-化肥厂含水层剖面示意图第51页/共93页2023/3/17Company Logo3.7 3.7 3.7 3.7 上层滞水上层滞水 上上层滞滞水水：当当包包气气带存存在在局局部部隔隔水水层（弱弱透透水水层）时，局局部部隔隔水水层（弱弱透透水水层）上上会会积聚聚具具有有自自由由水水面面的的重重力力水水，这便便是上是上层滞水。滞水。v分布最接近地表，接受大气降水的补给，通过蒸发或向隔水底板（弱透水层底板）的边缘下渗排泄；v水量小，动态变化显著，只有在缺水地区才能成为小型供水水源或暂时性供水水源；v包气带中的上层滞水，对其下部的潜水的补给与蒸发排泄，起

32、到一定的滞后调节作用；v极易受污染，利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护。第52页/共93页2023/3/17上层滞水abc第53页/共93页2023/3/17第四章 地下水运动的基本规律4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态4.2 重力水运动的基本规律4.3 流网4.4 饱水粘性土中水的运动规律第54页/共93页2023/3/17 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态渗流（seepage flow）：地下水在岩石空隙中的运动称为渗流或渗透。地下水渗流地下水渗流遵循水力学基本原理；水力学的遵循水力学基本原理；水力学的许多概念、定律、方法都可用来研究渗流

33、；多概念、定律、方法都可用来研究渗流；两者差异两者差异：水力学研究水在管道管道、渠道渠道中的流动，水流速度较快明流明流；流体（水）在岩石空隙岩石空隙中的流动，因空隙细小，水流很缓慢地下水渗流地下水渗流。第55页/共93页2023/3/17 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态渗流场（flow field）：发生渗流的区域称为渗流场。渗流渗流场是是地下水运地下水运动的空的空间；渗流场由固体颗粒骨架和岩石空隙两部分组成，渗流只发生在岩石空隙中；无论是固体颗粒骨架，还是岩石空隙空间，在微观上讲都不是连续的。第56页/共93页2023/3/17 4.1 4.1

34、渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态地下水的运动形态按水流流按水流流态分分为：层流：流：在岩在岩层空隙中渗流空隙中渗流时，水，水质点作有秩序的、互不混点作有秩序的、互不混杂的的流流动，称，称为层流运流运动。如砂、裂隙不很。如砂、裂隙不很宽大的基岩中水的流大的基岩中水的流动。紊流紊流：在岩：在岩层空隙中渗流空隙中渗流时，水，水质点作无秩序的、互相混点作无秩序的、互相混杂的的流流动，称，称为紊流运紊流运动。如大的溶穴、。如大的溶穴、宽大裂隙中水的流大裂隙中水的流动。作紊流运作紊流运动时，水流所受阻力比，水流所受阻力比层流状流状态大，消耗的能量大，消耗的能量较多。多。按地下水

35、运动要素随时间的变化情况分为：稳定流定流：水在渗流场内运动时，各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变，称为稳定流。非非稳定流定流：水质点的各个运动要素随时间改变的水流运动。第57页/共93页2023/3/17 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态水水头：水流中空间上某点所具有的总势能。根据水力学原水力学原理理，水流运动中任意点总水头可表示为：在渗流场中：第58页/共93页2023/3/17（一）达西定律（一）达西定律达西达西(1856年):法国水力学家，通过大量实验得到线性渗透定律。实验实验：装有砂的圆筒（图)。水由筒的上端加入,流经砂柱,由下端

36、流出。上游用溢水设备控制水位,使实验过程中水头始终保持不变。在圆筒的上下端各设一根测压管，分别测定上下两个过水断面的水头。下端出口处设管嘴以测定流量。4.2 4.2 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律第59页/共93页2023/3/17根据实验结果，得到下列关系式：Q=Kh/L=KI （达西公式）式中:Q渗透流量(出口处流量，通过砂柱各断面的流量；过水断面(在实验中相当于砂柱横断面积)；h水头损失(h=H1-H2,即上下游过水断面的水头差)；L渗透途径（上下游过水断面的距离)；I水力梯度(相当于h/L，即水头差除以渗透途径）；k渗透系数。第60页/共93页2023/3/17 由水力学可知

37、,通过某一断面的流量Q等于流速V与过水断面的乘积,即：Q=V 即 V=Q/据此达西定律可以写为另一种形式，即：V=KI 水在多孔介质中的渗透流速与水力梯度的一次方成正比水在多孔介质中的渗透流速与水力梯度的一次方成正比达西定律（线性渗透定律）。第61页/共93页2023/3/17（二）渗透流速（二）渗透流速（V V）过水断面过水断面：指砂柱的横断面积 在该面积中,包括砂砂颗粒所占据的面粒所占据的面积及空隙空隙所占据的面所占据的面积，而水流实际流过的面积是扣除扣除结合水所占据的范合水所占据的范围以外的空隙面以外的空隙面积 ,即:式中:有效空隙度。第62页/共93页2023/3/17有效空隙度有效空

38、隙度 ：指重力水流动的空隙体积(不包括结合水占据的空间）与岩石体积之比。第63页/共93页2023/3/17 讨论可知：不是实际的过水断面,故V V也并非真实的流速,而是假设水流通过包括骨架与空隙在内的断面（）时所具有的一种虚拟流虚拟流速速。令通过实际过水断面 时的实际流速实际流速为u 即:因为Q=VQ=V，比较上两式，比较上两式可写为以下等式：又因为 ，所以可得 即：渗透流速等于实际流速与有效空隙度的乘积。第64页/共93页2023/3/17水力梯度的概念：水力梯度I的定义：沿渗透途径水头损失渗透途径水头损失与相应渗透途径长度相应渗透途径长度的比值。水力梯度I的讨论：水在空隙中运动时水在空隙

39、中运动时,必须克服必须克服水与隙壁水与隙壁以及以及流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力(摩擦阻摩擦阻力随水流速增加而增大力随水流速增加而增大),),而消耗机械能而消耗机械能,造成水造成水头损失。头损失。（三）水力梯度（三）水力梯度（I I）第65页/共93页2023/3/17水力梯度的理解：水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的机械能。驱动力,即克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。从这个角度来说，达西定律的实质是从这个角度来说，达西定律的实质是能量守恒能量守恒与转化定律与转化定律在地下水流运动中的具体体现。在地下水流运动中的具体体现。注意注意：既然机械

40、能消耗于渗透途径上，因此，既然机械能消耗于渗透途径上，因此，求算水力求算水力梯度梯度I I时时,水头差必须与相应的渗透途径相对应水头差必须与相应的渗透途径相对应。第66页/共93页2023/3/17渗透系数的概念：渗透系数表征岩石渗透性能的定量指标。渗透系数的单位：一般采用m/d、cm/s渗透系数的物理意义：由达西公式(V=KI）可知：渗透系数为水力梯度渗透系数为水力梯度I=1I=1时的渗透流速。时的渗透流速。（四）渗透系数（四）渗透系数(K)(K)第67页/共93页2023/3/17渗透系数的影响因素：(V=KI）a.a.渗透系数与渗透系数与水力梯度水力梯度、渗透流速渗透流速有关有关 水力梯

41、度=定值时,渗透系数愈大,渗透流速就愈大；渗透流速=定值时,渗透系数愈大,水力梯度愈小。渗透系数愈大,岩石透水能力愈强。第68页/共93页2023/3/17 b.渗透系数与渗透系数与岩石的空隙性质岩石的空隙性质有关有关 C.C.渗透系数与渗透系数与水的某些物理性质水的某些物理性质有关有关 水流在岩石空隙中运动,需要克服隙壁与水及水质点间的摩擦阻力，例如：粘滞性不同的两种液体在同一岩石中运动,则粘滞性大的液体渗透系数就小于粘滞性小的液体。一般情况下当水的物理性质变化不大时,把渗透系数看成单纯说明岩石渗透性能的参数；但在研究卤水或热水运动时,还需要考虑其它因素。第69页/共93页2023/3/17

42、表表4-1 4-1 松散岩石渗透系数参考值松散岩石渗透系数参考值第70页/共93页2023/3/17达西定律的适用范围：渗透流速V与水力梯度I的一次方成正比,故达西定律又称线性渗透定律。但多次实验表明,只有雷诺数（Re）1-10之间某一数值的层流运动才服从达西定律，超过此范围，V与I不是线性关系。绝大多数情况下,地下水的运动都符合线性渗透定律,因此,达西定律适用范围很广。它不仅是水文地质定量计算的基础，还是定性分析各种水文地质过程的重要依据。深入掌握达西定律的物理实质，灵活的运用它来分析问题，是水文地质工作者应当具备的基本功。第71页/共93页2023/3/17达西定律具体适用范围为：存在一个

43、临界雷诺数Re临（110），Re临是达西定律成立的上限，当Re Re临，即低雷诺数时，属低速流，这时该区域内达西定律适用。当Re临Re2060时，出现一个过渡带，从层流运动过渡到非线性层流运动。高雷诺数时为紊流，达西定律失效。第72页/共93页2023/3/17第五章 地下水的补给与排泄地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环补给补给：含水层或含水系统从外界获得水量的过程排泄排泄：含水层或含水系统向外界排出水量的过程 5.1 地下水的补给5.2 地下水的排泄第73页/共93页2023/3/175.1 5.1 地下水的补给地下水的补给补给使含水层的水量、水化学特征和水温发生变补给使含水层

44、的水量、水化学特征和水温发生变化化思考思考：补给获得水量后，含水层或含水系统会：补给获得水量后，含水层或含水系统会发生什么变化？发生什么变化？地下水位上升，地下水位上升，增加了势能增加了势能，使地下水保持不停的流动，使地下水保持不停的流动由于构造封闭或气候干旱，得不到补给，地下水的流动由于构造封闭或气候干旱，得不到补给，地下水的流动将停滞将停滞补给的研究包括：补给的研究包括：补给来源、影响因素补给来源、影响因素与与补给补给量量地下水的补给来源有：地下水的补给来源有：天然：天然：大气降水、地表水、凝结水大气降水、地表水、凝结水及及相邻含水层相邻含水层的补给的补给等等人类活动有关的：人类活动有关的

45、：灌溉水入渗、水库渗漏灌溉水入渗、水库渗漏及及人工回灌人工回灌第74页/共93页2023/3/175.1.1 5.1.1 大气降水对地下水的补给讨论：入渗机制？影响因素？补给量的确定？1 1、大气降水入渗机制大气降水入渗机制包气带是降水对地下水补给的枢纽，包气带的岩性结构和含水量状况对降水人渗补给起着决定性作用目前认为，松散沉积物的降水入渗有两种方式：降水入渗的现象两类空隙的入渗过程总结：均匀砂土层活塞式 (piston/diffuse)含裂隙的土层捷径式 (bypass)第75页/共93页2023/3/17山西黄土及其入渗第76页/共93页2023/3/17下渗过程中水分分布带下渗水流运移模

46、式的条件？饱和带-厚度 含水量接近-水分传输带 过渡带 含水量在-厚度湿润带 含水量变化大湿润锋（面）含水量%深度cm风干土田间持水量饱和含水量饱和带过渡带水分传输带湿润带湿润锋第77页/共93页2023/3/172 2 2 2、降水补给的影响因素、降水补给的影响因素、降水补给的影响因素、降水补给的影响因素P=Rs+E+S+qG气候因素（P，E）；降水总量,降水强度,降水频率；降水延续时间总量大，强度适中，间隔短，时间长的绵绵细雨最有利。温度适中，温差较小，相对湿度大，蒸发强度小。地形:高或低，陡或缓地质:渗透性愈大则愈有利地下水位埋深：其他：RsEPSqs5.1.1 5.1.1 大气降水对地

47、下水的补给第78页/共93页2023/3/175.1.1 5.1.1 大气降水对地下水的补给3 3、补给量的确定方法、补给量的确定方法平原区一般采用入渗系数法（）降水入渗系数多用年平均值表示由经验与实验等方法得出 全年降水入渗补给量：Q =P F 1000 m3/a，mm，无量纲，km2降水入渗系数可用入渗试验仪、地中渗透仪来测定第79页/共93页2023/3/175.1.2 5.1.2 地表水对地下水的补给地表水对地下水的补给（要求以自学为主）地表水体（河、湖、水库等）都可以成为地下水的补给来源河流补给:因地而异（空间上），不同部位，岩性等；因时而异（时间上），不同季节，不同补排关系比较长年

48、性河流与季节性河流对地下水的补给的异同点？河流补给的主要影响因素有哪些？如何确定河水对地下水的补给量？地表水补给地下水的必要条件有哪些：有水力联系地表水水位高于地下水水位第80页/共93页2023/3/17季节性河流补给地下水第81页/共93页2023/3/17河流不同部位地表水与地下水之间的补给关系第82页/共93页2023/3/175.1.3 5.1.3 含水层之间的补给含水层之间的补给越流地下水量的内部转化潜水承压水之间的补给第83页/共93页2023/3/17越流（Leakage）：具有一定水头差的相邻含水层，通过其间的弱透水岩层发生水量交换的过程经常发生于松散沉积物中，粘性土层构成弱

49、透水层越流量如何计算？第84页/共93页2023/3/17含水层通过钻孔发生水力联系含水层通过导水断层发生水力联系含水层之间的水力联系第85页/共93页2023/3/175.2 5.2 地下水的排泄地下水的排泄地下水排泄的研究地下水排泄的研究包括：包括：排泄方式、影响因素、排泄量的确定排泄方式、影响因素、排泄量的确定排泄方式排泄方式：泉泉（点状点状排泄）排泄）向地表水体向地表水体泄流泄流（河流（河流线状线状）、向）、向相邻含水层相邻含水层的的排泄排泄蒸发（蒸发（面状面状排泄）排泄）前三种排泄方式称为前三种排泄方式称为径流排泄径流排泄，与，与蒸发排泄蒸发排泄的的区区别别：径流排泄径流排泄水分（盐

50、分）呈液态排出水分（盐分）呈液态排出,盐随水去盐随水去蒸发排泄蒸发排泄水分呈气态排出，盐分积累下来，水分呈气态排出，盐分积累下来，水去盐留水去盐留第86页/共93页2023/3/175.2.1 泉 spring泉是地下水的天然露头，多为“点”状，属径流排泄泉的出露是地形、地质与水文地质条件有机结合的结果，据据补补给给泉泉的的含含水水层层类类型型可可将将泉泉划划分分为为上上升升泉泉、下降泉下降泉。1.下降泉(出露潜水含水层中的泉）根据出露条件又将下降泉分为：侵蚀泉：地形切割到潜水面接触泉：地形切割至隔水底板溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉第87页/共93页2023/3/17下降泉 侵