第11章 地下水.ppt

水圈的循环 第十一章地下水 地质学概论 1 概述2 地下水的赋存3 地下水的运动4 地下水的性质5 饮用天然矿泉水 1 地下水 是指赋存于地面以下岩石圈中的各种状态的水体 地下水主要是由大气降水 冰雪融水 地面流水和海水 湖水等从地面渗入地下积聚而成 称为渗透水 凝结水 古水 原生水 一 概述 地下水是一种重要的矿产资源 它不仅是河水 湖水的重要来源 而且是工农业用水和饮用水的重要来源 地下水的含量 大陆 地面以下深度在17km以上 地下水约有2372km3 地下水的地质作用 地下水在其运动过程中对地壳表层的改造过程 地下水存于岩石 以及松散沉积物 的孔隙中 并在其中运动 固此岩石孔隙度的大小 形状 数量及连通情况 对地水的储量及运动特点有很大的影响 二 地下水的赋存 1 岩石的空隙及其中水的存在形式1 岩石的空隙岩石中空隙的体积 VP 与岩石体积 V 之比 称为空隙度 P 其计算式为 空隙的分类 孔隙 发育于松散沉积物和碎屑岩中 裂隙 发育于致密岩石中 溶穴 发育于易溶岩石中 沉积物及岩石的各种空隙 透水性岩石被水透过的性能 空隙较大 且相互连通的岩石 地下水可以在岩石中流动 有些岩石虽有很高空隙度 但空隙不连通的岩石和空隙过小 且连通性不好的粘土和泥岩 地下水也很难在其中流动 能透水的岩层称透水层 洞隙大 且相互连通的石灰岩和白云岩以及孔隙大的砾石层和砂层是良好的透水层 隔水性 岩石阻挡水通过的性质 具隔水性的岩层称隔水层 粘土岩 粉砂质泥岩及节理不发育的岩浆岩和块状变质岩可视为隔水层 2 岩石空隙中水的存在形式主要是以结合水与重力水的形式存在 此外 还有固态水和气态水 1 结合水水分子和岩石空隙壁面及碎屑表面均可带有一定的电荷 它们间由于电荷的吸引而结合在一起 这部分水即称为结合水 2 重力水在岩石较大空隙中存在的受重力影响而能运动的水 称为重力水 重力水参加水圈大循环 是人们利用的对象 3 气态水和固态水在不饱和的岩石空隙中存在着气态水 随空气流动而流动 一般从气压高处向低处运移 当岩石的温度低于OoC时 空隙中的液态水可以转变为固态水 冰 南极和高纬度的常年冻土区 岩层中蕴藏着大量的固态水 2 不同埋藏条件下的地下水1 包气带与饱水带 1 包气带水 岩石上部水未饱和带 岩石孔隙或裂隙未被液态地下水充满 含有大量空气 在包气带中的地下水称包气带水 如土壤水 2 饱和带水 当地下水向下运动到一定深处 遇到不透水层阻隔时 就不能往下运动了 于是在不透水层之上 地下水便逐渐积成一层饱和带 这就是饱和带水 2 几种重力水的特征若包气带内存在面积不大的隔水层 在降雨时及雨后的短期内自地面向下渗流的重力水会被阻挡而聚集起来 形成小规模水体 达到一定厚度并形成自由水面的局部水体 称为上层滞水 潜水 地表以下第一个稳定的隔水层之上的饱和带水 隔水层顶面即潜水的下界 潜水的上界为自由表面 称为潜水面 潜水面与地表面的形态具有相似性 承压水 处于两个稳定的隔水层之间的地下水 它的运动受到上下隔水层的约束和水压的作用 打井穿过上面的隔水层时 承压水就可向上涌出来 承压水与自流井 地下水在地表的天然露头叫泉 下降泉 泉水由上层滞水或潜水补给 泉水温度相当于当地年平均温度 冬暖夏凉 大多数上升泉 泉水由承压水补给 泉水温度一般高于当地年平均气温 称为温泉 温泉原因 岩浆热 地热 温泉水中含有某些对人体有用的化学成分 则称之为矿泉 补 根据含水层空隙性质划分的类型 1 空隙水 存在于空隙中 呈均匀而连续的层状分布 构成具有同一水力联系的含水层 2 裂隙水 存在于岩石裂缝中 水力联系较差 水的运动受裂隙方向及其连通程度制约和补给条件的影响 故在不同部位的富集程度不同 3 喀斯特水 存在与可溶性岩石的溶蚀裂隙 洞穴 暗河中 在土壤或岩石孔隙中的地下水 流动较缓 呈渗透方式 地下水一天只能流几米或几十米远 地下河 暗河 流动较快 包气带水从地表向深处流动 潜水在重力影响下 从潜水高处向潜水低处流动 即从在形高处向地形低处流动 最后流入河流 湖泊和海洋中 自流水视地质构造而定 与地形关系较小 三 地下水的运动 1 地下水的流动状态1 渗流地下水沿岩石空隙的这种缓慢运动 称为渗流 其运动场所称为渗流场 2 当重力水在岩石的狭小空隙中渗流时 受介质的吸引力影响较大 水的质点排列较为有序 水作层流运动 3 当地下水在一些宽大的空隙中 溶洞或裂缝 流动时 受介质的影响较小 水的流速较大 水的质点呈无序地 互相混杂地流动 形成紊流 4 地下水在渗流场内运动 当其运动要素 水位 流速和流向等 在一定时间内稳定不变时 则称为稳定流 达西定律 地下水呈现层流运动时的基本规律 可以表示为 Q KFh L KFIV KI Q FV 式中 Q 渗流流量 F 为过水断面 h 水头损失 L 渗流长度 I 水力坡度 K 渗透系数 V 流速渗透系数同渗流速度具有相同的因次 一般采用m d或cm s为单位 渗透系数可定量地说明岩石的渗透性能 岩石的渗透系数越大 表明其透水性能越强 当水力坡度为一定值时 渗透系数越大 渗流速度就越大 岩石的渗透系数越大 表明其透水性能越强 渗流系数大于20m d的岩石称为强透水岩 如粗砂与砾石层 裂隙粗大且贯通性好的基岩和溶穴发育的岩石将渗透系数介于1 20m d的岩石称为中等透水岩 如中一细砂 裂隙与溶穴发育中等的岩石 将渗透系数介于1 0 001m d的岩石称为弱透水岩 如粉砂 亚粘土 裂隙与溶穴连通性较差的岩石 将渗透系数小于0 001m d的岩石称为不透水岩石 四 地下水的性质 1 地下水的化学成分地下水是溶有多种不同离子 分子 化合物和气体的溶液 除H20外 含量较多的离子主要是C1 S04 HC03 Na K Ca2 和Mg2 等七种 较常见的化合物有Fe203和A1203 所含的气体成分主要有N2 02 CO2 CH4 H2S Rn等 2 地下水的硬度地下水中的Ca2 和Mg2 离子的浓度之和构成地下水的硬度 人们长期饮用过硬水对健康有害 硬水在工业锅炉中易生成锅垢 既费燃料 又可能引起锅炉炸裂 地下水硬度分级表 3 地下水的矿化度地下水中所含各种离子 分子和化合物的总和 称为地下水的总矿化度 以g L表示 可按矿化度将地下水分为 淡水50g L卤水常是重要的工业原料 4 地下水的温度一般将地下水按其温度分为 冷水0 200C 温水21 420C 热水43 1000C 过热水 1000C 地下水的温度基本上决定于其埋藏深度 饮用天然矿泉是一种不经煮沸和其它消毒处理即可为人们直接饮用的天然饮料 矿泉水的国家标准 1988年8月 规定将含有锶 锌 锂 溴 碘 硒 游离二氧化碳 偏硅酸等八类成分之一达到含量标准的 或矿物盐类总含量超过1g L的地下水定为天然饮用矿泉水 如果有两种或两种以上特征组分达到规定标准 就定为优质饮用天然矿泉水 饮用天然矿泉水必须是通过地下水深循环而形成的 五 天然矿泉水 地下水的研究意义 一 寻找地下水 促进工农业生产 热水发电 取暖 二 掌握岩溶的发育规律 确保工程安全 三 水化学找矿 洞穴矿产 石林 峰林 在潜水面附近 地下水在重力作用下沿