第二章-地下水的赋存条件PPT课件

.,1,水文地质学Hydrogeology,.,2,水文地质学：,水文学是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。地质学是关于地球的物质组成、内部构造、外部特征、各层圈之间的相互作用和演变历史的知识体系。水文地质学隶属于地质学的应用分支学科，是水文学与地质学的交叉学科。水文地质学以地质学为基础，同时又与岩石学、构造地质学、地史学、地貌学、第四纪地质学、地球化学等学科关系密切。,.,3,水文地质学的研究对象：地下水宝贵的自然资源重要的生态环境因子灾害因子活跃的地质营力地球内部信息载体,.,4,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。,水文地质学的研究内容：,.,5,水文地质学学科分支：,地下水动力学-地下水的运动规律，地下水量、水质和温度传等水文地质定量模拟计算方法。水文地球化学-研究各种元素在地下水中的迁移和富集规律，地下水的形成和起源、地下水污染形成的机制和污染物在地下水中的迁移和变化、地下水与矿产形成和分布的关系，寻找金属矿床、放射性矿床、石油和天然气，研究矿水的形成和分布等。供水水文地质学-供水水文地质学是为了确定供水水源而寻找地下水，通过勘察，查明含水层的分布规律、埋藏条件，进行水质与水量评价。合理开发利用并保护地下水资源，按含水系统进行科学管理。矿床水文地质学-矿床水文地质学是研究采矿时地下水涌入矿坑的条件，预测矿坑涌水量以及其他与采矿有关的水文地质问题。农业水文地质学-农业水文地质学的内容主要包括两方面，一方面为农田提供灌溉水源进行水文地质研究；另一方面为沼泽地和盐碱地的土壤改良，防治次生土壤盐碱化等问题进行水文地质论证。地热水文地质学-如何利用由地下热水或热蒸汽携至地表的地热能，用来取暖、温室栽培或地热发电等，以及地下热水的形成、分布规律，以及勘察与开发方法等。区域水文地质学-研究地下水区域性分布和形成规律，以指导进一步水文地质勘察研究，为各种目的的经济区划提供水文地质依据。古水文地质学-古水文地质学是研究地质历史时期地下水的形成、埋藏分布、循环和化学成分的变化等。,.,6,第二章地下水的赋存条件,2.1岩土中的空隙和水2.2包气带与饱水带2.3含水层、隔水层与弱透水层2.4潜水、承压水与上层滞水2.5含水层的水理性质,.,7,2.1.1岩石中的空隙2.1.2岩石中水的存在形式2.1.3与水的储容及运移有关的岩石性质,2.1岩石中的空隙和水,.,8,2.1.1岩石中的空隙,岩石水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层。空隙岩、土中各种类型的空洞的总称。岩石空隙是地下水赋存场所和运移通道。,.,9,坚硬岩石中的裂隙,可溶性岩石中溶穴,空隙分为：1.孔隙-（第四纪地质学）2.裂隙-（构造地质学）3.溶穴-（岩溶地貌学）,松散沉积物中孔隙,.,10,一、孔隙,1.砂砾石的孔隙度（porosity）孔隙度（n）是描述松散岩石中孔隙多少的指标。定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。,.,11,2.孔隙度的影响因素a.与排列有关紧密与疏松理想最疏松孔隙为47.64%（立方体排列），最紧密排列孔隙为25.95%（四面体排列）。b.与颗粒分选有关（颗粒均匀程度）c.与颗粒形态（棱角）有关影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。,一、孔隙,.,12,.,13,二、裂隙,1.裂隙（fissurefracture）固结的坚硬岩石中存在的各种应力作用下产生的裂缝2.按裂隙的成因：风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙3.裂隙岩体描述：1)裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）2)张开性（裂隙宽度）3)裂隙率Kr（体积裂隙率、面裂隙率、线裂隙率）,.,14,三、溶穴,1.溶穴可溶的沉积岩，在地下水溶蚀下会形成的空洞。溶蚀裂隙：溶孔、溶隙、溶洞等2.岩溶岩体描述：1）岩溶发育方向（地下水运动方向控制）2）溶蚀率(岩溶率Kk)-钻孔岩溶发育程度3）溶洞（方向、规模等）,.,15,四、空隙特征的对比,1.含水介质（介质场）由各类空隙所构成的岩石称为含水介质。含水介质的空间分布与连通特征的差异较大。2.三种主要类型的含水介质比较连通性孔隙介质最好，其它较差空间分布孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊。空隙比率孔隙介质最大，裂隙最小。空隙渗透性孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向异性造成,.,16,2.1.2岩石中水的存在形式,存在形式：气态固态液态空隙中水的存在形式：结合水（absorbedwater,boundwater）重力水（gravitationalwater;bulkwater）毛细水（capillarywater）,.,17,一、结合水,结合水（absorbedwater）定义：附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水，即结合水具有一定的抗剪强度。固体颗粒表面引力服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱性质：结合水具有固态和液态水的双重性质；即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）及变形意义：只要有固相表面就存在结合水，存在范围广，其量很小（结合水膜很薄），当孔隙直径小于2倍结合水膜厚度时，孔隙中只含有不能自由运动的结合水（又称无效空间）,.,18,.,19,二、重力水,重力水（gravitationalwater）特点：远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动。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，也是勘察的主要对象。,.,20,三、毛细水,1.毛细力成因：在三相界面上内弯液面引起液面弯曲产生的。表面张力作用。大小：与弯液面的曲率成正比（曲率大,毛细力大;曲率小，毛细力小）。毛细管管径越小，毛细力越大；反之亦然；毛细力大，毛细上升高度（hc）也越大。,.,21,.,22,2.毛细水的存在形式（statesforms）a)支持毛细水水从地下水面沿着小孔隙上升到一定高度，形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持。在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关。b)悬挂毛细水脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分。c)孔角毛细水悬挂毛细水似串珠状且连续分布，孔角毛细水孤立分布。,三、毛细水,.,23,2.1.3与水的储容及运移有关的岩石性质,一、容水度和空隙度（porosity）定义：岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比。反映岩石最大含水能力。注意：除粘土外，岩石容水度一般与空隙度相当。孔隙度n;容水度nr,.,24,2.1.3与水的储容及运移有关的岩石性质,二、含水量（watercontent）反映岩石样实际保留水分的状况1.重量含水量：岩石空隙中所含水分重量与干燥岩石重量比值2.体积含水量：含水体积与包括空隙在内的岩石体积的比值。3.饱和差：饱和含水量与实际含水量之间的差值。4.饱和度：实际含水量与饱和含水量的比值。,.,25,三、给水度（specificyield）1.定义：当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积。2.影响因素：岩性，地下水位初始埋深，与地下水位下降速度有关，土层结构,2.1.3与水的储容及运移有关的岩石性质,.,26,岩性空隙大的岩石其给水度大，n。粒径有关：砾粗砂粉砂颗粒细小，比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多。b)地下水位初始埋深当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时H0hc,可达最大值当H0hc时，地下水位下降1个高度时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量降低，值变小。,2.1.3与水的储容及运移有关的岩石性质,.,27,c)地下水位下降速度地下水位下降快理，下降慢理d)土层结构均质土特征与上述讨论一致。岩土层为层状非均质土时，往往会影响值。多层状土：上粗下细，上细下粗结构影响不同。,2.1.3与水的储容及运移有关的岩石性质,.,28,给水度小结：均质土中，当地下水位初始埋深大于hc，降速缓慢,初始埋深小于hc时，埋深愈浅，愈小。水位降速愈快，愈小。一般而言，层状土的值小于均质土的值。,2.1.3与水的储容及运移有关的岩石性质,.,29,各种岩性给水度经验值,2.1.3与水的储容及运移有关的岩石性质,.,30,2.1.3与水的储容及运移有关的岩石性质,四、持水度（specificretention）岩石的持水能力最大保持水分的能力。持水度（Sr）定义：地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量。,思考：1.给水度、持水度、空隙度之间的关系？2.岩石持水度的影响因素。,.,31,五、透水性（permeability）反映岩土透过水的能力岩石空隙直径越大透水能力越强透水性越好渗透系数,2.1.3与水的储容及运移有关的岩石性质,.,32,2.2包气带与饱水带,一、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，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）,.,33,包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道；“重力水”通过包气带获得降水、地表水的入渗补给（补充），部分水又通过包气带将水分传输、蒸发，消耗出去。,.,34,二、包气带,包气带（zoneofaeration/zoneofunsaturation）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）、重力水、气态水包气带水的垂直分带土壤水带：中间带（过渡带）；支持毛细水带；毛细饱和水带,.,35,三、饱水带,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）传递压力在水头差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。,.,36,.,37,2.3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）：能够透过并给出相当数量水的岩层。如各类砂土，砂岩含水带：构造裂隙(断裂带)中，通过条带状的构造裂隙含(透)水隔水层（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。如裂隙不发育的基岩、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。如各种粘土，泥质粉砂岩,.,38,砂层,粘土层,砂层,粘土层,粘土层,.,39,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的性相当水量,以满足需要为前提。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/s8.6m3/d，大厂非，村用是。从理论意义来看微不足道，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；后开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层“越流”-粘土层成为“透水层”。,2.3含水层隔水层弱透水层,.,40,思考：构成含水层的条件？,1.有储存地下水的空间;2.有储存地下水的地质条件;3.有一定的水量。,2.3含水层隔水层弱透水层,.,41,2.4地下水的类型,广义地下水：地表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,.,42,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）含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9类,2.4地下水的类型,.,43,地下水的埋藏条件含水层在地质剖面中所处部位及受隔水层（弱透水层）限制的情况,.,44,地质条件的复杂性决定了地下水埋藏条件的复杂性。,.,45,第一节地下水的埋藏类型,地下水的埋藏类型,潜水,承压水,包气带水,.,46,潜水(b)、承压水(c)、上层滞水(a),.,47,2.5潜水与潜水含水层,一、基本概念1.潜水埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由表面的重力水。(地表以下第一个具有自由表面的稳定含水层中的水)注意：自由表面与大气直接相通，除大气压强外不受其它力。稳定具有一定的空间连续性（范围）以示区分上层滞水,.,48,2.潜水含水层：赋存潜水的岩层。,.,49,二、基本要素潜水面潜水表面的自由水面潜水埋深D潜水面至地面的距离潜水水位H潜水面上任意一点的标准高程含水层厚度M潜水面至隔水底板的距离,.,50,三、主要特征1.补给来源：潜水直接与大气相通，可通过包气带接受降水、地表水等补给2.动态特征：受气象、水文因素影响明显，变化快（水量、水位季节性变化）。受人为因素影响也显著，易污染。3.循环交替：水循环周期短，更新恢复速度快。,2.5潜水与潜水含水层,.,51,4.潜水面形态：潜水面形状受地形影响，潜水水位与地形的起伏相一致而较缓和。,2.5潜水与潜水含水层,.,52,5.水化学特征：水的矿化度与地形、水的交替有关。湿润气候区，地形切割强烈、水交替强烈地区地下水矿化度低。干旱气候区细颗粒组成的盆地平原易形成咸水。,2.5潜水与潜水含水层,.,53,小结：潜水的基本特征无隔水顶板积极参与水循环（补给、排泄）动态随季节变化明显重力释水易受污染一般情况下，潜水面与地形起伏相一致不适宜作为地震前兆观测对象,2.5潜水与潜水含水层,.,54,确定潜水流向判断与地表水的关系（补给、排泄）判断地下分水岭的分布位置，与地形是否吻合。结合地形图，确定潜水位埋深。确定含水层厚度，推断含水层岩性和厚度的变化。确定给水和排水工程位置确定潜水面的坡度和潜水水力梯度。,四、潜水等水位线图,2.5潜水与潜水含水层,图中线条为等水位线，数字为潜水位标高（m），箭头为潜水流向,潜水等水位线图、平面流向图,.,55,思考：潜水与地表水的相互转化关系？,潜水补给河流,河流补给潜水,河流单侧补给潜水,2.5潜水与潜水含水层,.,56,水力坡度（I）单位距离上的水头损失，是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比。I=(HA-HB)/L,2.5潜水与潜水含水层,.,57,2.6承压水与承压含水层,一、承压水充满于2个隔水层（或弱透水层）之间的含水层中的水,.,58,2.6承压水与承压含水层,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）；埋深（D）测压水位：井孔中静止水位的高程测压水位线（面）：测压水位线的连线（面）虚拟线承压高度（H）：作用于含水层的附加压强。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,.,59,基岩自流盆地中的承压水,.,60,水头压力承压含水层中任何一点都承受流体压力，因此当有一个钻孔打入含水层中时含水层中的地下水会在这种压力作用下流入钻孔并沿着井筒上升，上升到一定高度。上升到一定高度的钻孔中的水柱，可以看作是含水层中某一点的一种水头或水头压力。,.,61,钻孔水柱高度和测压水头与含水层某一点压强（P）的关系：,式中，为水的容重；Z为含水层中某一点（A）至基准面（含水层底板）的垂直距离；hn为水柱高度（测压水头）；Hn为水头。,.,62,地下水是流动的，某一点上承受的压力除了静水压强之外还有动水压强，因此总水头（Hd）：,式中，p为静水压强；v为实际水流速度。,含水层中实际水流速度很小，较重力加速度小得多，可忽略不计，在一般问题研究中，视测压水头与总水头相等。,.,63,2.6承压水与承压含水层,三、分类承压水主要受控于地质构造，其次是地形和岩性。1.形成最有利于形成承压水的构造是向斜（自流盆地）和单斜（自流斜地）。2.根据构造和地形的关系分类自流盆地中承压水：正地形盆地，地形与构造形态一致自流斜地中承压水：排泄区一般为点状排泄，上升泉,.,64,2.6承压水与承压含水层,.,65,四、特征1.承压性承压性承压含水层水头高于隔水顶板2.补给与排泄条件有隔水顶板，参与水循环不积极（补给、排泄），超采后不易恢复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。3.水化学特征不易受污染，水质变化大，矿化度一般要高点，可以保留“古老”水。4.动态特征动态随季节不变化明显，比潜水要稳定些，如果分布面积大，厚度稳定则调节能力很强。,2.6承压水与承压含水层,.,66,5.储水与释水特征水量增加时测压水位上升，压强增大是含水层中水的密度增大；孔隙水压力增大，有效应力降低，含水层发生少量回弹，空隙度增大。-增加的水量通过水的密度加大及含水介质空隙的增加而容纳。承压含水层排泄时，减少的水量表现为含水层中水的密度变小及含水介质空隙缩减。,.,67,承压含水层的储水系数S承压含水层中当测压水位下降（或上升）1个单位，单位水平面积含水层所释放(或储存)的水的体积。测压水位降低导致1)含水层孔隙水压力降低水体积膨胀释水，水的膨胀系数约为1/200002)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，S与重力给水度相比要小10-110-3,.,68,承压含水层的弹性给水度：,从理论上来看：弹性给水度是可以恢复的实际上弹性是有限恢复的越过含水层弹性范围（限定），将产生一次性的变形即永久性不可恢复的变形最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低,.,69,五、承压水等水压线图1.概念将某一承压含水层测压水位相等的各点进行连线。2.绘制与潜水等水位线图一致（注：用同时间资料）3.用途确定流向、水力梯度；结合地形图，确定承压水位的埋深、自溢区；结合含水层顶板等高线图，确定任一点承压高度，承压含水层的埋深、厚度和透水性变化。,.,70,.,71,2.7潜水与承压水的相互转化,在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的在复杂条件下，很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水几个例子：山区基岩互层一个较厚的含水层一个封闭的含水层潜水？开采前潜水含水层开采后承压含水层,.,72,例：潜