工程地质水文地质--第二章-水文地质课件.ppt
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1、工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质第二章 水文地质n 第一节 概述n 第二节 地下水的赋存环境与赋存特征n 第三节 地下水分类n 第四节 地下水的补给、径流与排泄一、研究任务 水文地质是研究地下水的科学。它的任务是研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空分布特征和迁移转化规律，并研究如何运用这些特征和规律去兴利除害，为人类服务。第一节 概述二、水文地质在国民经济建设中的作用 水文地质学在国民经济发展中的作用是与地下水及其赋存的介质的功能有关。1、宝贵的资源 理想的供水水源重要的矿水资源2、敏感的环
2、境因子 地下水是极其重要的环境因子。地下水是极其重要的环境因子。地下水的变化往往会打破原有的环境平衡状态，使环境发生变化可能是有益的，也可能是有害的。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质地下水污染人类活动对地下水的影响污染物进入地下水 过量补充地下水 过量抽取地下水水岩力学平衡破坏渗流场破坏水文循环平衡破坏与地下水有关的环境退化人类活动主要通过三种方式干扰地下水，造成一系列不良后果 过量开发与排除地下水地下水位下降地表径流衰减、沼泽湿地消失、土地沙化、海(咸)水入侵等；过量补充地下水地下水位升高土地的次生盐渍化、次生沼泽化；地下水位下降
3、导致的粘土压密释水释放有害离子、化肥农药的不适当使用、废弃物的无序排放 地下水恶化、污染；地下水位的变动会破坏其与周围岩土构成的统一的力学平衡，而产生某种效应地面沉降与地裂缝、岩溶塌陷、地下洞室垮塌或突水、滑坡、岩崩、水库诱发地震、渗透变形。这些地质灾害与地质环境问题严重地危及了人民的生命财产安全，大大降低了我们的生活质量，极大地增加了社会经济发展的成本。可见，地下水与其周围的环境，是相互依存的、有着内在联系的统一体，打破一个环节就会引起或正或负的反馈(报复)。因此，与地下水有关的地质灾害与地质环境问题都需要水文地质学知识来解决！3、活跃的地质营力 水是一种最常见的溶剂与载体。因而，分布于地表
4、以下各层圈中的地下水在其活动过程中广泛地与周围物质进行各种物理和化学作用，从而不断地改造着周围的地质环境，同时也改造着地下水本身，这种水与环境介质相互作用的过程及结果即是地下水的地质作用。地下水的主要作用是传递应力、传输热量和化学组分、溶蚀和潜蚀等。4、重要的信息载体 由于地下水是应力传递者，同时又是在流动，所以地下水水位，水量，水温，水化学等的变化或异常可以提供埋藏在地下的许多信息，如找矿、地震预报、地质演变。1、地球上的水地球的结构示意图莫霍面谷登堡面 整个地球不是一个均质体，而是具有明显的圈层结构。地球每个圈层的成分、密度、温度等各不相同。三、地球上的水及其循环（1）地球上水的来源 地球
5、上的水源来自太空和地球内部：水从太空来到地球有三个途径：一是来自落在地球上的陨石；二是来自太阳的质子形成的水分子；三是来自太空频繁光顾地球携带有水的彗星和小行星。地球上的水是在原始地壳形成以后，在整个地质时期内从地球内部不断逸出而起源的。（2）地球上水的分布p地球是个富水行星，赋存于各个层圈。p根据地球各层圈水的分布及其存在状态，地球上的水可分为浅部层圈水、深层圈水两大类。p 深层圈水分布于地壳下半部直到下地幔这一范围。在地壳下部深约15-35km处，地温高达400以上，压力也非常大，这里的水不可能以普通液态水或气态水形式存在，而以非自由态的形式存在，为被压密的气水溶液。p浅部层圈：水从大气圈
6、到地壳上半部属于浅部层圈水，其中分布有大气水、地表水、地下水以及生物体中的水，这些水以自由态形式存在，液态为主，气态、固态也存在。地球浅部层圈中水的体积约为13.86108km3。2、自然界的水循环地球深层圈的水和矿物结合水与地球浅层圈中自由态的水相互转化，地球各圈层中以各种形式存在的水是一个相互联系、相互转化的整体，即水圈或水系统。在这个整体内的水相互联系、相互转化的过程即是自然界的水循环。（1）水文循环 水文循环是发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的循环。水文循环通常发生于地球浅层圈中，是H2O分子态水的转换、更替较快；水文循环对地球的气候、水资源、生态环境等影响显著，与人类
7、的生存环境有直接的密切联系；水文循环是水文学与水文地质学研究的重点。自然界的水循环根据循环途径长短、循环速度的快慢以及涉及层圈的范围，分为水文循环、地质循环两类。(2)地质循环 水的地质循环即地球浅部与深部层圈之间水的相互转化过程。在软流圈上升流区，上地幔熔融物质进入地壳或喷出地表时，地幔岩中的水分也随之上升与分异，转化为地球浅层圈的水。由地幔熔岩物质直接分异出来的水，称为初生水。在软流圈下降流区，含有大量水的地壳岩块俯冲沉入地幔，使地幔得到浅层圈水的补充。矿物结合水的形成和脱出也是水地质循环的一部分。在成岩、变质、风化作用等地质过程中，不仅有分子态的水进入矿物或从矿物中脱出，同时还有伴有水分
8、子的分解和合成。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质一、岩石中的空隙岩石是天然产出的具有一定结构构造的矿物集合体，是地质作用的产物。在水文地质学中，指自然界中各类岩土体，包括坚硬的岩石及松散的沉积物。空隙岩、土中各种类型的空洞的总称。自然界中不含空隙的岩石是不存在的。介质一种物质存在于另一种物质之中，后者就是前者的介质。第二节 地下水的赋存环境与赋存特征工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质3、岩石空隙的分类 各类岩石中的空隙千差万别，空隙性质也极不相同，其本质决定因素是岩石空隙的
9、成因。根据空隙成因，可把岩石中的空隙分为三类：孔隙(pore)主要存在于各种成因的松散沉积物；裂隙(fissure)主要存在于各种非溶性坚硬岩石；溶隙(cavity)主要存在于各种可溶性坚硬岩石。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质4、孔隙 松散岩石是由大小不等的颗粒组成。颗粒和颗粒集合体之间的空隙，分布均匀、相互连通成小孔状，称为孔隙。描述孔隙性质的术语主要有分布大小形状多少连通工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质风化(卸荷)裂隙构造裂隙成岩裂隙裂隙按成因可分为：5、裂隙(fi
10、ssure,fracture)固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。裂隙的多少以裂隙率表示：体积裂隙率面裂隙率线裂隙率工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质6 6、溶隙、溶隙 可溶岩，在地下水的溶蚀作用下会产生空洞，这种空洞称为溶隙。溶隙的多少以岩溶率表示。溶隙形态：溶蚀裂隙、溶孔、溶洞、落水洞、地下暗河、地下湖，等等。溶隙特征：规模十分悬殊，分布极不均匀。从水的赋存与运移角度来看，调查岩溶岩体：描述岩溶发育特征(溶洞形态、规模、充填情况、连通程度、数量、分布特征等)；岩溶率。工 工程
11、程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质地壳岩石中的水固态水气态水结晶水 岩石“骨架”中的水（矿物结合水）结构水沸石水岩石空隙中的水(矿物表面)结合水液态水强结合水弱结合水毛细水重力水二、岩石中水的存在形式工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质重力水(gravitational water，bulk water)岩石颗粒表面的水分子增大到一定厚度，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，而主要受重力影响，因此在重力影响下可以自由运动，这部分水就是重力水。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质
12、 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质 重力水存在于较大的岩石空隙中，具有液态水的一般特征，可自由流动，能够传递静水压力，并具有溶解岩石中可溶盐的能力。地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉或井流出(抽出)。重力水是水文地质学研究的主要对象。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质含水层(Aquifer)：能够透过并给出相当数量水的岩层。如各类砂土、砂岩、裂隙或岩溶发育的岩层等。隔水层(Aquiclude)：不能透过与给出水，或透过与给出的水量微不足道的岩层。如裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、致密粘土等。弱透水层(Aq
13、uitard)：渗透性相当差，在一般的供排水中所能给出的水量微不足道；但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层。松散沉积物中的粘性土，坚硬基岩中裂隙稀少而狭小的岩层(如砂质页岩、泥质粉砂岩等)都可以归入弱透水层之列。三、含水层与隔水层岩层按其渗透性可分为透水层 含水层弱透水层不透水层 隔水层工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质n含水层依赖隔水层的存在，没有隔水层的滞水作用，含水层是不能构成的!n定义中“相当水量，微不足道，较大水力梯度”是模糊的。这说明含水层与隔水层的划分是相对的。n实际工作中，区分含水层与隔水层应考虑岩层给出水
14、的数量是否具有实际意义。n从理论意义来看，岩层是否透水还取决于时间尺度。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质埋藏条件含水介质类型孔隙水 裂隙水 岩溶水包气带水土壤水、局部粘性土隔水层上季节性存在的重力水、悬留毛细水及重力水裂隙岩层浅部季节性存在的重力水及毛细水裸露岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水饱水带水潜水各类松散沉积物浅部的水裸露于地表的各类裂隙岩层中的水裸露于地表的岩溶化岩层中的水承压水层间无压水山间盆地及平原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
15、掩覆的岩溶化岩层中的水第三节 地下水分类工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质一、按含水介质类型分类按含水介质类型将地下水分为孔隙水、裂隙水、岩溶水。1、孔隙水：指赋存于第四系松散沉积物孔隙中的地下水。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质扇顶部 过渡带 扇缘砾石、卵石、漂砾 砾石、砂为主，并出现粘土层 砂和粘土互层分选性差 有一定的分选性 分选性好透水性好，地形坡度大，颗粒粗，透水性好，地下水径流强烈。地下水动态变化大。地形变缓，颗粒变细，透水性变差，地下水径流受阻，水位接近地表，
16、成泉或沼泽。地下水动态变化小。地形平坦，岩性变细。蒸发等排泄，水埋深有所增加。半干旱地区洪积扇水文地质剖面图工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质冲积平原中地下水的基本特征 由地势高、堆积粗粒沉积的现代河道与近代河道，到地势低洼、堆积粘性土的河间洼地，显示着良好的微地貌-岩性-地下水分带。冲积平原水文地质剖面示意图工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质不同位置古河道、现代河道河间洼地地形 高 低岩性(粒度)粗 细地下水埋深 深 浅补给条件 好 差排泄方式 径流 蒸发排泄水化学作用 溶
17、滤作用 浓缩作用矿化度(TDS)HCO3-、TDS Cl-、DS冲积平原中地下水的基本特征工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质2、裂隙水 赋存并运移于基岩裂隙系统中的水，称为裂隙水。基岩裂隙含水系统工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质裂隙水的特点：n 裂隙水空间展布具有方向性渗透性不均匀、各向异性：一般第三方向不发育，n 裂隙水空间分布不均匀，局部发育，呈脉状分布，导致同一岩层中相距很近的钻孔，水量悬殊；有的地方打井有水，有的地方无水。n 裂隙含水系统通常具有树状或脉状结构，一些
18、大的导水通道作用突出，使裂隙水表现出明显的不均匀性，有时表现突变性：n 在整个岩体中，裂隙通道所占的比例很低，一般为千分之几至千分之十几，水流只发生在组成导水网络的各裂隙通道内，因此，渗流场实际上是不连续的，很难形成统一的含水层。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质3、岩溶水 水对可溶岩石进行化学溶解，并伴随以冲蚀作用及重力坍塌，在地下形成大小不等的空洞，在地表造成各种独特的地貌现象以及特殊的水文现象，上述作用及由此产生的各种现象称为岩溶(喀斯特)。赋存并运移于岩溶化岩层中的地下水称为岩溶水。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质
19、 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质岩溶水的特征p岩溶含水介质具有很大的不均一性：既有规模巨大、延伸长达数十km的管道溶洞，也有十分细小的裂隙和孔隙(包括沉积物中的孔隙)。p岩溶水的补给：灌入式，入渗系数大(南方：6080%，北方：30%)；排泄：集中的排泄大泉；动态：非常不稳定，岩溶化程度愈高，愈不稳定。p 处于不同演化阶段的岩溶水具有不同的特征：处于演化初期的岩溶水系统往往与裂隙水系统没有很大的区别；处于演化后期的岩溶水系统，管道系统发育，大范围内的水汇成一个完整的地下水河系，某种程
20、度上带有地表水的特征，空间分布极不均匀，时间上变化强烈，流动迅速，排泄集中。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质地下水的赋存示意图包气带水地下水位地下水位饱水带水承压水潜水上层滞水二、按含水介质类型分类按埋藏条件可将地下水分为包气带水、潜水、层间无压水、承压水。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质1、包气带水（1）包气带与饱水带的划分 地下水面地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，形成的一个自由水面。地下水面之上称为包气带(unsaturated zone)，之下称为饱水带(s
21、aturated zone)。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质（2）包气带和饱水带的特点包气带 岩石空隙未被水充满；固、液、气三相介质并存；水的存在形式多样：结合水、毛细水、重力水(过路重力水、上层滞水)等。以各种形式存在于包气带中的水统称为包气带水。饱水带 岩石空隙被水完全充满，是固、液二相介质；空隙中水的存在形式：重力水，结合水。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质毛细水带：包气带底部由地下水面支持的毛细水构成毛细水带，毛细水带的高度与岩性有关。毛细水带的下部也是饱水的，
22、即毛细饱水带。但是受毛细负压作用，其压强比大气压强小，因此，毛细饱水带中的水是不能进入井中。毛细饱水带工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质中间带：介于土壤水带与毛细水带之间，厚度变化很大，当地下水面高达地表或接近地表时，中间带厚度为0；当地下水面埋深很大时，中间带的厚度可达几百米。中间带的水为气态水、结合水、毛细水及重力水等。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质4、包气带水的特点包气带水的来源：大气降水的入渗，地表水体的渗漏，由地下水面通过毛细上升输送的水分，地下水蒸发形成的气态
23、水。包气带水的赋存和运移受毛细力和重力的共同影响：重力使得水分下移，毛细力则将水分输向空隙细小的与含水量低的地方。包气带的水、溶质的时空分布及迁移转化规律受边界条件影响很大：气象因素，天然和人工植被、人类的生活和生产。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质 包气带水是水文循环的一个重要通道：饱水带地下水通过包气带获得降水、地表水的入渗补给(补充)，又通过包气带将水分传输，蒸发，消耗出去。因此，研究包气带水及其中的溶质的迁移转化规律和时空分布特征对阐明饱水带水的形成具有重要意义。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二
24、章 章 水 水文 文地 地质 质2 潜水含水层厚度潜水含水层隔水层潜水面潜水埋深泉河蒸发潜水-地表以下第一个具有自由表面的含水层中的水。基本要素：潜水面、潜水位、潜水埋深、含水层厚度工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质n 潜水面：潜水含水层具有自由水面，该自由界面即为饱水带的上界面，称作潜水面。n 潜水面通常是个起伏的面，其形状与含水层的补给、排泄和渗透性能有关，一般情况下，潜水面是指向排泄区倾斜的曲面，起伏大体与地形一致而较缓和。强大的人类活动正日益改变着潜水面的形状。n 潜水面的升降和高低与含水层内储水量的变化一致。工 工程 程地
25、地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质n 潜水埋深：潜水面到地面的距离为潜水的埋藏深度。n 含水层厚度：从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层的厚度。n 潜水面埋藏深度与含水层厚度随潜水面的升降而发生相应的变化。工 工程 程地 地质 质水 水文 文地 地质 质：第 第二 二章 章 水 水文 文地 地质 质潜水主要特征：补给：其它含水层，降水入渗，河湖水入渗。排泄：其它含水层，泉，河，腾发。动态：含水层接收补给或排泄，使厚度变化而储水与释水！受气象、水文因素影响明显，变化快(水量、水位、水质季节性变化)，受人为因素影响也显著，易污染。水循环：交替迅速，水循环
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