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1 水文地质学基础 FundamentalsofHydrogeology 2 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 3 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 4 CompanyLogo 1 1地球上的水与水资源 地球上的水及所占比例 淡水占全球水量的2 528 第一章绪论 5 地球上的水与水资源 淡水 冰冻 积雪 地下水 河湖水 淡水2 5 咸水 6 1 2地下水的功能 作用 概念 水文地质学简言之 研究地下水的科学 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下地下水水量和水质的时空变化规律 并研究如何运用这些规律去兴利除害 为人类服务 地下水 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 地下水是一种宝贵的资源2 地下水是极其重要的生态环境因子3 地下水是一种很活跃的地质营力4 地下水是地球内部地质演变的信息载体 7 我国西北缺水剪影 8 我国耕地与农村用水 CompanyLogo 9 CompanyLogo 地下水开采利用产生的环境问题 沙化荒漠化加重 10 CompanyLogo 地下水开采利用产生的环境问题 上海地面沉降 城市防洪设施标准降低 外滩防洪挡水墙越筑越高 11 苏锡常40水位埋深等值线和200mm地面沉降等值线 地下水位下降与地面沉降的相关性明显 12 CompanyLogo 地下水开采利用产生的环境问题 地下水污染 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 13 自然界的水循环 14 自然界的水循环 15 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 16 17 裂隙 坚硬岩石中的空隙 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 18 溶穴 可溶的沉积岩 如岩盐 石膏 石灰岩和白云岩等 在地下水溶蚀下会产生空洞 这种空隙称为溶穴 隙 岩溶率 Kk 岩石中水的存在形式 19 2 2岩土中的水 20 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105 110 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 21 2 弱结合水的特点密度大于1 为1 3 1 774g cm3 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 22 3 毛细水依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水 称为毛细水 毛细空隙是岩土中的细小空隙 一般指直径小于1mm的孔隙或宽度小于0 25mm的裂隙 23 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 24 4 矿物水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 25 2 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 26 27 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 28 3 1包气带与饱水带 包气带与饱水带的划分地下水面 水位 地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满 形成一个自由水面 称为地下水面 以海拔高度表示称之地下水位 一般通过打井 地下开挖来确定 地下水面以上部分 包括毛细水带 中间带和土壤水带 岩石中的空隙未被水充满 称为包气带 地下水面以下部分 岩石中的空隙被水充满 称为饱水带 包气带与饱水带 29 CompanyLogo 包气带与饱水带 地下水位 30 CompanyLogo 3 1包气带与饱水带 包气带 zoneofaerationorzoneofunsaturation 特点 岩石空隙未被水充满 是固 液 气三相介质并存介质水的存在形式 多样 结合水 毛细水 各种 气态水 过路 重力水包气带的垂直分带土壤水带毛细水带 支持毛细水带 毛细饱和水带 中间带 过渡带 包气带水的来源大气降水的入渗 地表水体的渗漏 饱水带水分上移 毛细水进入包气带 地下水蒸发进入包气带 31 CompanyLogo 饱水带 saturationzone 岩石空隙被水完全充满 是二相介质 固相 液相水 空隙中水的存在形式 重力水 结合水重力水 连续分布 孔隙是连通 传递静水压力 在水头差作用下 地下水 空隙中的水 可以连续运动 饱水带中的重力水是开发利用或者排除的主要对象 是水文地质学研究的重点 地下开挖 坑道 巷道 基坑 打井在此带均有重力水涌出来 3 1包气带与饱水带 32 CompanyLogo 3 2含水层隔水层弱透水层 一 基本概念饱水岩层中 根据岩层给水与透水能力而进行的划分 含水层 Aquifer 是能够透过并给出相当数量水的岩层 各类砂土 砂岩等隔水层 Aquifuge 不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层 裂隙不发育的基岩 页岩 板岩 粘土 致密 弱透水层 Aquitard 渗透性很差 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 各种粘土 泥质粉砂岩 砂质页岩 33 CompanyLogo 定义中的模糊概念 相当水量 微不足道 较大水力梯度 等严格的 是与非 的逻辑思维 在很多情况下是相对的和模糊的概念相对性的意义 从实际应用角度来看划分的相对性 相当水量满足需要就可以了 如在某处一口井出水量80m3 d 作为1万人的供水 非含水层 作为饮料厂 装瓶生产则为含水层 又如一个小泉水流量0 11 s 8 6m3 d 大厂 非 村用 是 从理论意义来看 微不足道微不足道 有时空尺度的制约 如华北平原早期地下水开采就是典型的例子 深层水与浅层水的开采有一粘土隔水层 开采深层 水量大 水位降低快 浅层水向深层 越流 粘土层成为 透水层 现在进行水文地质计算 模拟时 不再简单二分了 而是用模糊学的研究方法 给个隶属度1 0之间 可以为0 8 0 7 0 3 表示 透水性 3 2 2概念的相对性 34 岩层渗透性与时间尺度的关系 35 3 2 3含水系统 含水系统 Groundwateraquifersystem地下水含水系统 是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的 具有统一水力联系的含水岩系含水系统 包含多个含水层和弱透水层 或局部隔水层含水系统 可以进行子系统划分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 含水系统的划分 36 CompanyLogo 含水系统层次划分 系统与子系统 A B 37 CompanyLogo 冲洪积平原地下水含水系统 38 广义地下水 赋存于地面以下岩石空隙中的水 包气带 饱水带中的水 狭义地下水 地表以下饱水带岩层空隙中的水 重力水地下水分类 主要依据 含水介质的类型 赋存空间 埋藏条件 赋存部位 地下水的埋藏条件 指含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水层 弱透水层 限制的情况 表3 1含水介质三类 埋藏三分 组合共分为9类 3 3地下水分类 39 上层滞水 a 潜水 b 承压水 c 40 CompanyLogo 一 潜水与潜水含水层概念潜水 饱水带中第一个具有自由表面的稳定含水层中的水 自由表面 没有隔水顶板或只有局部隔水顶板 与大气直接相通 除大气压强外不受其它任何附加压强 稳定 具有一定的空间连续性 范围 以与上层滞水区分 潜水含水层 赋存潜水的岩层 建筑房屋时的基坑排水 大堤堤角处的散浸渗漏 潜水 3 4潜水与潜水含水层 41 CompanyLogo 二 基本要素 专业术语 潜水面 watertable 潜水表面是一个自由的水面 潜水位 waterlevel 潜水面上任一点的海拔高程 潜水含水层厚度 从潜水面到隔水底板的垂直距离 潜水埋藏深度 潜水面到地面的垂直距离 潜水含水层厚度与潜水埋藏深度随潜水面的升降而发生相应的变化 3 4潜水与潜水含水层 潜水要素图 42 CompanyLogo 潜水与潜水含水层图 1 潜水含水层2 隔水层3 4潜水面潜水面M 含水层厚度D 潜水埋深5 大气降水入渗6 蒸发7 流向8 泉 43 四 潜水研究基本方法 潜水等水位线图潜水等水位线图 由某时刻潜水位相等的各点连线组成的图件 某时刻潜水面的等高线图 潜水流向 垂直等水位线由高到低为潜水的流向 潜水面坡度 相邻两条等水位线的水位差除以其水平距离 当潜水面坡度不大时 即可视为潜水水力梯度 3 4潜水与潜水含水层 44 CompanyLogo 某地潜水等水位线图 平面 河 河 流 流 45 CompanyLogo 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 承压含水层 隔水顶板 隔水底板 承压含水层厚度 M 承压高度 H 钻孔中静止水位到含水层顶面的距离 测压水位 钻孔中静止水位的高程即为承压水在该点的测压水位 测压水位线 面 测压水位的连线 面 此线是虚拟的 补给区 承压区 排泄区 自溢区 测压水位线与地形等高线的交点连接区 3 5承压水与承压含水层 承压水要素 46 CompanyLogo 基岩自流盆地中的承压水 承压含水层 隔水顶板 隔水底板 承压含水层厚度 M 承压高度 H 测压水位线 面 补给区 承压区 排泄区 自溢区 47 三 特征承压性承压性是受到了大气压以外的压力 承压区含水层的水受到了来自出露区地下水的静水压力作用 不但充满含水层 而且承受了附加压强 概念 承压高度 测压水位 补给与排泄主要补给来源 大气降水入渗与地表水入渗有限区域与外界联系 水循环迟缓些 水交替慢 平均滞留时间长 年龄老或长 恢复性差 高补低排 从高处获得补给 在低处排泄 隔水顶底板对承压区补水的影响 3 5承压水与承压含水层 48 CompanyLogo 承压含水层的储水与释水机理贮水系数S 弹性给水度 e 承压含水层中当测压水位下降 或上升 1个单位深度 单位水平面积含水层所释出 或储存 的水的体积 测压水位降低导致含水层孔隙中水的压力降低 水体积膨胀释水 水的膨胀系数约为1 20000孔隙水压力降低 岩层颗粒间承受压力增加 骨架被压缩颗粒不变 骨架压缩 空隙体积减小 排列改变 发生释水 挤出来 水这两部水很有限 所以S很小 一般 贮水系数S为0 005 0 00005 与重力给水度 相比要小10 1 10 3 3 5承压水与承压含水层 49 CompanyLogo 承压含水层的贮水系数与潜水含水层给水度的比较 50 CompanyLogo 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 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承压水与承压含水层 51 CompanyLogo 等水压线图 52 3 6潜水与承压水的相互转化 正仪 化肥厂含水层剖面示意图 53 CompanyLogo 3 7上层滞水 上层滞水 当包气带存在局部隔水层 弱透水层 时 局部隔水层 弱透水层 上会积聚具有自由水面的重力水 这便是上层滞水 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 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 包气带中的上层滞水 对其下部的潜水的补给与蒸发排泄 起到一定的滞后调节作用 极易受污染 利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护 上层滞水 54 上层滞水 55 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 56 4 1渗流基本概念及地下水的运动形态 渗流 seepageflow 地下水在岩石空隙中的运动称为渗流或渗透 地下水渗流 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 两者差异 水力学研究水在管道 渠道中的流动 水流速度较快 明流 流体 水 在岩石空隙中的流动 因空隙细小 水流很缓慢 地下水渗流 57 4 1渗流基本概念及地下水的运动形态 渗流场 flowfield 发生渗流的区域称为渗流场 渗流场是地下水运动的空间 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 58 4 1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态分为 层流 在岩层空隙中渗流时 水质点作有秩序的 互不混杂的流动 称为层流运动 如砂 裂隙不很宽大的基岩中水的流动 紊流 在岩层空隙中渗流时 水质点作无秩序的 互相混杂的流动 称为紊流运动 如大的溶穴 宽大裂隙中水的流动 作紊流运动时 水流所受阻力比层流状态大 消耗的能量较多 按地下水运动要素随时间的变化情况分为 稳定流 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 非稳定流 水质点的各个运动要素随时间改变的水流运动 59 4 1渗流基本概念及地下水的运动形态 水头 水流中空间上某点所具有的总势能 根据水力学原理 水流运动中任意点总水头可表示为 在渗流场中 60 一 达西定律 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 装有砂的圆筒 图 水由筒的上端加入 流经砂柱 由下端流出 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重力水运动的基本规律 61 根据实验结果 得到下列关系式 Q K h L K I 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 62 由水力学可知 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 达西定律 线性渗透定律 63 二 渗透流速 V 过水断面 指砂柱的横断面积在该面积中 包括砂颗粒所占据的面积及空隙所占据的面积 而水流实际流过的面积是扣除结合水所占据的范围以外的空隙面积 即 式中 有效空隙度 64 有效空隙度 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 65 讨论可知 不是实际的过水断面 故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速 令通过实际过水断面时的实际流速为u即 因为Q V 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 66 水力梯度的概念 水力梯度I的定义 沿渗透途径水头损失与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 必须克服水与隙壁以及流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力 摩擦阻力随水流速增加而增大 而消耗机械能 造成水头损失 三 水力梯度 I 67 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 达西定律的实质是能量守恒与转化定律在地下水流运动中的具体体现 注意 既然机械能消耗于渗透途径上 因此 求算水力梯度I时 水头差必须与相应的渗透途径相对应 68 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I 1时的渗透流速 四 渗透系数 K 69 渗透系数的影响因素 V KI a 渗透系数与水力梯度 渗透流速有关水力梯度 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 70 b 渗透系数与岩石的空隙性质有关C 渗透系数与水的某些物理性质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 71 表4 1松散岩石渗透系数参考值 72 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 73 达西定律具体适用范围为 存在一个临界雷诺数Re临 1 10 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 Re 20 60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 74 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 含水层或含水系统从外界获得水量的过程排泄 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 75 5 1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化思考 补给获得水量后 含水层或含水系统会发生什么变化 地下水位上升 增加了势能 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 地下水的流动将停滞补给的研究包括 补给来源 影响因素与补给量地下水的补给来源有 天然 大气降水 地表水 凝结水及相邻含水层的补给等人类活动有关的 灌溉水入渗 水库渗漏及人工回灌 76 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 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 山西黄土 77 山西黄土及其入渗 78 下渗过程中水分分布带 下渗水流运移模式的条件 饱和带 厚度1 5cm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 79 2 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 Rs E P S qs 5 1 1大气降水对地下水的补给 80 5 1 1大气降水对地下水的补给 3 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 1000m3 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 81 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 季节性河流 河流不同部位 82 季节性河流补给地下水 83 河流不同部位地表水与地下水之间的补给