第4章 地下水及其对工程的影响.ppt

第一节自然界水循环与水的分布一、自然界的水循环:水循环.swf存在形式:固态；液态；气态上限:大致可达地面以上16km的高度，既大气对流层。下限:可达到地面以下平均2km左右深度。循环类型:大循环海洋小循环陆地小循环,全球水循环示意图,更替周期：指补给停止的条件下，各类水从水体中排干所需要的时间。估算式：例如：大气水的储量为12.9万亿m3，全球从水面和地面平均每年有577万亿m3的水蒸发到大气中，由此，大气水的平均更替周期为：冰川和深层地下水和海洋水的更替周期很长，一般都在千年以上。河水更替周期较短，平均16天左右。,二、自然界的水量分布海洋中：面积71，储量96.54陆地上：面积29，储量3.46陆地上：固态形式存在于两极及陆地的高山上；或地下水；或地表水体；大气水；生物水。世界上水资源最丰富的大洲是南美洲，其中尤以赤道地区水资源最为丰富。各地分布情况：就各大洲的水资源相比较而言，欧洲稳定的淡水量占其全部水量的43%，非洲占45%，北美洲占40%，南美洲占38%，澳大利亚和大洋洲占25%。地球上水的分布比例.swf,第二节地下水的类型及其特征地下水：赋存并运移于地表之下的岩石和土壤空隙中的自然水称为。地下水.swf地下水的运动和聚集，须具有一定的岩性和构造条件。透水层：空隙多而大的岩层构造类型：含水层：贮存有地下水的透水岩层隔水层：空隙少而小的致密岩层分类：概括起来主要有两种；单一因素分类综合特征分类,单一因素分类根据地下水的埋藏条件分为包气带水；潜水；承压水按含水层的空隙性质分为孔隙水；裂隙水；岩溶水综合特征分类，例如孔隙承压水裂隙潜水承压岩溶水,一、包气带水包气带水：位于潜水面以上未被水饱和的地下水。土壤水；上层滞水（一)土壤水：埋藏于包气带土壤层中的水。（二）上层滞水：包气带中局部隔水层之上的重力水。上层滞水接近地表，补给区和分布区一致接受大气降水补给，以蒸发的形式排泄雨季获得补充，旱季水量逐渐消耗，或干涸上层滞水一般含盐量低，易受污染水量不大，季节变化强烈,包气带和饱气带水示意图,二、潜水（一)潜水及其特征潜水：埋藏于地表以下第一个稳定隔水层之上的具有自由水面的重力水。潜水的要素；潜水位：潜水面任意一点的高程（H）埋藏深度：潜水面至地面的距离（T）含水层厚度：潜水面至隔水底板的垂直距离,潜水埋藏示意图沙层；2隔水层；3含水层；4潜水面；5基准面；T潜水埋藏深度；H0含水层厚度；H潜水位,1潜水的特征根据潜水的埋藏条件，潜水具有以下基本特征；（1）潜水具有自由水面（2）潜水的分布区和补给区基本上是一致的（3）潜水的动态随季节不同而有明显变化（4）上部因无连续隔水层覆盖，易受到污染,2潜水面的形状及其表示方法（1）潜水面的形状在自然界中，潜水面的形状因时因地而异，受地形、地质、气象、水文等自然因素和人为因素的影响。一般情况下，潜水面不是水平的，邻近洼地是倾斜的曲面。潜水面的形状与地形有一致性，一般地面坡度越陡，潜水面坡度也越大。但潜水面坡度总是小于地面坡度，比地形要平缓得多。气象、水文因素会直接影响潜水面的变化，如大气降水和蒸发，可使潜水面上升或下降。,（2）潜水面的表示方法常用两种图示方法，两种方法常配合使用。剖面图；平面图剖面图:根据钻孔、试坑和井、泉的地层柱状图资料，绘制地质剖面图。后画出剖面图上各井、孔等的潜水位、连出潜水面，即绘成潜水剖面图。平面图：等水位线图。其绘制方法与绘制地形等高线图基本相同，潜水面随季节变化非常明显，所以等水位线图要注明测定水位的日期。,水文地质剖面图1粘性土；2砂；3砂砾石；4砂；5页岩；6石灰岩；7地下水位,潜水等水位线图及埋藏深度图1地形等高线；2等水位线；3等埋深线；4潜水流向；5潜水埋藏深度为零区；6埋深0-2m区；7埋深2-4m区；8埋深大于4m区,根据潜水等水位线图可以解决下列问题：1)确定潜水的流向2)确定潜水面的坡度3)确定潜水与河水的相互关系4)确定潜水的埋藏深度5)确定含水层的厚度6)推断含水层透水性及厚度的变化,三、承压水（一)承压水及其特征承压水：是充满于两个稳定隔水层之间的具有静水压力的重力水。隔水顶板：承压水含水层上部的隔水层。隔水底板：下部的隔水层。承压含水层的厚度:稳定水位：初见水位：正水头：承压水位高出地面的称作（H1)，负水头：低于地面的称作（H2)。,承压水的埋藏条件，决定了它与潜水具有不同的特征：1)具有承压性能，其顶面为非自由水面；2)分布区与补给区不一致；3)动态受气象、水文因素的季节性变化影响不显著；4)厚度稳定不变，不受季节变化的影响；5)水质不易受到污染。,（三)承压水等水压线图承压水等水压线：承压水位标高相同点的连线。根据等水压线图，可以分析确定以下几个问题：1)确定承压水的流向2)计算承压水某地段的水力坡度3)确定承压水位距地表的深度4)确定承压含水层的埋藏深度5)确定承压水头的大小承压水位与含水层顶板高程之差，即为承压水头高度。,承压水等水位线图地形等高线；2含水层顶板等高线；3等水压线；4地下水流向；5承压水自流区；6钻孔；7自喷钻孔；8含水层；9隔水层；10承压水位线；11钻孔剖面图；12自喷钻孔剖面图,第三节地下水的补给、径流、排泄条件一、地下水的补给地下水的补给：地下水含水层从外界获得水量的过程称。地下水的补给来源：（一)大气降水的补给（二)地表水的补给河水补给地下水.swf（三)凝结水的补给（四)含水层之间的补给（五)人工补给注水隆升.WMV,二、地下水的径流地下水的径流：地下水在岩层空隙中的流动过程。（一)地下水径流的产生及影响因素重力和自然地质营力是径流产生的根本原因。地下水径流主要受下列因素影响：（1)含水层的空隙性（2)地下水的埋藏条件（3)补给量（4)地形（5)地下水的化学成分（6)人为因素,（二）地下径流量的表示方法径流率（径流模数M）：单位（1km2）含水层面积上的地下水流量m3/（Skm2）如：年平均地下径流率可按下式计算：受补给、径流条件的控制，其数值大小是随地区和季节而变化的。,三、地下水的排泄地下水的排泄：含水层失去水量的过程。地下水的排泄方式：泉、河流、蒸发、人工排泄。抽水地面沉陷.WMV（一)泉水排泄泉：地下水的天然露头。自流形成原理.swf（2)泉的分类按其补给来源1)上层滞水泉2)潜水泉3)承压水泉根据泉的出露原因可分为：1)侵蚀泉2)接触泉3)溢出泉4)断层泉,（二)向地表水的排泄地表水接受地下水排泄的方式有两种：散流式，集中式：（三)蒸发排泄蒸发：水由液态变为气态的过程。是垂直排泄排泄形式。土壤蒸发；植物蒸发（蒸腾）；受温度、湿度、风速、埋深、岩性影响。（四）不同类型含水层之间的排泄作用潜水承压水承压水潜水补给条件：水流通道；有水位（头)差。,第四节地下水的物理性质和化学成分一、地下水的物理性质地下水的物理性质包括：温度、颜色、透明度、嗅味、味道、相对密度、等。（一)温度地热增温率：温度升高一度需增加的深度。地温梯度：深度下降100米升高的度数。/100米。通常根据温度将地下水划分为：过冷水（低于0)冷水（020)温水（2142)热水（43100)过热水（高于100),（二)颜色地下水颜色与其中所含物质的关系水中物质地下水颜色含硫化氢翠绿色含低铁浅绿灰色含高铁黄褐色或锈色含硫细菌红色含锰的化合物暗红色含粘土无荧光的淡黄色含腐殖质暗或黑黄灰色（带荧光)含悬浮物质决定于悬浮物颜色,（三）透明度按透明度将地下水分为4级：分级鉴定特征透明的无悬浮物及胶体，60cm水深，可见3mm粗线微浊的少量悬浮物，大于30cm水深，可见3mm粗线浑浊的较多的悬浮物，小于30cm水深，可见3mm粗线极浑的大量悬浮物或胶体，水很浅也不可见3mm粗线（四)嗅味地下水通常是无气味的，但当其中含有某些离子或某种气体时，则出现特殊的气味。含亚铁盐：铁腥气味硫化氢气体：臭鸡蛋气味腐殖质：腐草气味,（五)味道取决于地下水的化学成分，纯水是无味的，由于地下水中溶解了一些盐类或气体，具有一定的味感。二氧化碳：清凉爽口重碳酸钙：可口、甜水有机物：甜味，对人体有害硫酸钠：苦涩味NaCl：咸味地下水味的强弱，决定于其中某种成分的浓度、地下水的温度和人的味感神经的敏感性。（六)相对密度（七)导电性（八)放射性,二、地下水的化学性质（一)地下水的化学成分（1)地下水中主要气体成分1)氧（O2)，氮（N2)2)硫化氢（H2S)地下水中出现硫化氢，说明处于缺氧的还原环境。在与大气较为隔绝的环境中，当有有机质存在时，由于微生物的作用，SO将还原生成H2S。3)二氧化碳（CO2)地下水中的二氧化碳主要有两个来源。有机物的氧化形成。深部变质作用形成,（2)地下水中主要离子成分地下水中分布最广、含量较多的离子共有八种，即：氯离子（CI-)硫酸根离子（SO4-)重碳酸根离子（HCO3-)重碳酸根离子（CO3-)钠离子（Na+)钾离子（K+)钙离子（Ca2+)镁离子（Mg2+)（3)地下水中的胶体成分有机胶体：无机胶体：,4)地下水中的有机成分和细菌成分有机成分：主要是生物遗体的分解，多富集于沼泽水中，有特殊臭味。细菌成分可分为两种。病源菌非病源菌地下水的卫生程度一般采用菌度、检定量鉴别。菌度：含有单位细菌的水的毫升数。检定量：1L水中细菌的含量。,（二)地下水的主要化学性质（1)地下水的酸碱性根据地下水pH值的大小，分成以下几级：强酸性（pH9)。（2)地下水的总矿化度矿化度：水中所含各种离子、分子与化合物的总量。（3)地下水的硬度硬度：水中Ca2+、Mg2的含量。总硬度暂时硬度永久硬度碳酸盐硬度：地下水中与HCO3-含量相当的Ca2+、Mg2的总量为碳酸盐硬度。,第五节地下水运动与动态渗流：地下水在多孔介质的空隙和裂隙介质中的运动。存在形式：吸着水、薄膜水、毛管水和重力水等形式。地质学中一般只研究重力水在多孔介质和裂隙介质中的运动。地下水运动的基本要素：水位、流速、流向等。各要素的大小和方向不随时间而变化的地下水运动称为地下水的稳定运动。否则称为地下水的非稳定运动。,将地下水的流束在流动过程中相互混杂而无规则的运动称为紊流运动。否则称为层流运动。层流运动符合达西定律和流向井的稳定运动。一、地下水运动的基本定律和基本方程1852年至1855年，法国水力学家达西（Darcy）通过大量的试验，发现渗透速度与水力坡度的一次方成正比，为线性关系，既达西定律。其表达式为：或,式中Q渗流量（m3/d，L/s）；J水力坡度；A过水断面面积（m2）；V渗透速度（m/d，m/s）；K渗透系数（m/d，m/s）。K是表示岩石透水性大小的水文地质参数。数值上等于水力坡度为1时的渗透速度，具有速度的量纲。,二、地下水流向井的稳定运动地下水取水井的基本类型按其完整程度又可分为：完整井非完整井（一）地下水流向潜水完整井根据裘布依（Dupuit）的稳定流理论，当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，同时在抽水井周围也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Sw叫水位下降值，从井中抽出的水量称单井出水量q。,潜水完整井稳定流（裘布依公式）的推导假设条件是：（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，则要求井附近的水力坡度不大于0.25。（2）含水层为均质各向同性，含水层底板是隔水的。（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）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）。,裘布依公式推导是从达西公式开始的，因为有：Q=KJA就是说要确定出水量Q，必须先确定A、K及J这三个参数。但K值对于均质各向同性的含水层是一个常数，因此公式的推导实际上是如何确定A和J值。从图423中可得出：A=2xy任意断面处的水力坡度均可表示为：,将上述A和J代入达西公式，即可求得地下水通过任意过水断面BB的运动方程：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：移项整理得：,因h=H-Sw，所以也可变为：式中：K渗透系数，md；H潜水含水层天然水位，m；h井内动水位至含水层底板的距离，m；R影响半径，m；r井半径或管井过滤器半径，m。,裘布依公式通常可以解决以下两方面