水文地质第二讲华南理工大学ppt课件

1、LOGO第二讲第二讲 地下水的赋存和地下水的赋存和运动运动3 赋存赋存 3.3 地下水分类地下水分类3.2 含水层含水层 隔水层隔水层 弱透水层弱透水层 含水系统含水系统 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带一、包气带与饱水带的划分一、包气带与饱水带的划分地下水面水位：地下水面水位：地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充溢，地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充溢，构成一个自在水面，以海拔高度表示称之地下水构成一个自在水面，以海拔高度表示称之地下水位位普统统过打井，地下开挖来

2、确定普统统过打井，地下开挖来确定包包气气带带与与饱饱水水带带地下水位地下水位3.1.2 包气带包气带包气带包气带zone of aeration or zone of unsaturation特点：特点： 岩石空隙未被水充溢岩石空隙未被水充溢 是固、液、气三相介质并存介质是固、液、气三相介质并存介质水的存在方式多样水的存在方式多样 结合水、毛细水各种、重力水、气态水结合水、毛细水各种、重力水、气态水包气带水的垂直分带包气带水的垂直分带 土壤水带，土壤水带， 中间带过渡带中间带过渡带 支持毛细水带，毛细饱和水带支持毛细水带，毛细饱和水带包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道；包气带是饱

3、水带中地下水参与水文循环的一个重要通道；“重力水经过包气带获得降水、地表水的入渗补给补重力水经过包气带获得降水、地表水的入渗补给补充，部分水又经过包气带将水分传输，蒸发，耗费出去。充，部分水又经过包气带将水分传输，蒸发，耗费出去。饱水带饱水带saturation zone岩石空隙被水完全充溢岩石空隙被水完全充溢 是二相介质固相是二相介质固相+液相液相水水空隙中水的存在方式：空隙中水的存在方式：重力水重力水 结合水结合水 重力水：延续分布孔隙是连通重力水：延续分布孔隙是连通传送压力传送压力在在水头差作用下，地下水空隙中的水可以延续运水头差作用下，地下水空隙中的水可以延续运动。动。地下开挖，坑道，

4、巷道，基坑，打井在此带均有重力地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来！水涌出来！3.1.3 饱水带饱水带3.2 含水层含水层 隔水层隔水层 弱透水层弱透水层 含水系统含水系统一、根本概念一、根本概念饱水岩层中，根据岩层给水与透水才干而进展的划饱水岩层中，根据岩层给水与透水才干而进展的划分分 含水层含水层AquiferAquifer： 是可以透过并给出相当数量水的岩层是可以透过并给出相当数量水的岩层各类砂土，各类砂土，砂岩等砂岩等 隔水层隔水层Aquifuge)Aquifuge)：不能透过并给出水或透过且给出的水量微缺乏道的不能透过并给出水或透过且给出的水量微缺乏道的岩层岩层裂隙

5、不发育的基岩、页岩、板岩、粘土裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土致密致密 弱透水层弱透水层AquitardAquitard： 浸透性很差，给出的水量微缺乏道，但在较大水力浸透性很差，给出的水量微缺乏道，但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水才干的岩层梯度作用下，具有一定的透水才干的岩层各种各种粘土，泥质粉砂岩粘土，泥质粉砂岩定义中的模糊概念定义中的模糊概念“相当水量，微缺乏道，较大水力梯度等相当水量，微缺乏道，较大水力梯度等严厉的严厉的“是与非的逻辑思想，在很多情况下是相对的和模糊的是与非的逻辑思想，在很多情况下是相对的和模糊的概念相对性的意义：概念相对性的意义： 从实践运用角度来看划分的相对

6、的性从实践运用角度来看划分的相对的性相当水量相当水量满足需求就可以了。如在某处一口井出水量满足需求就可以了。如在某处一口井出水量80m3/d，作为，作为1万万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶消费那么为含水层。又人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶消费那么为含水层。又如一个小泉水流量如一个小泉水流量0.11/s8.6m3/d，大厂，大厂非，村用非，村用是。是。 从实际意义来看从实际意义来看微缺乏道微缺乏道微缺乏道，有时空尺度的制约。微缺乏道，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

7、开采深层，水量大，水位降低快，浅层开采有一粘土隔水层；后开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层水向深层“越流越流-粘土层成为粘土层成为“透水层。透水层。如今进展水文地质计算、模拟时，不再简单二分了，而是用模糊如今进展水文地质计算、模拟时，不再简单二分了，而是用模糊学的研讨方法，给个隶属度学的研讨方法，给个隶属度1，0之间，可以为之间，可以为 0.8,0.7, 0.3,表示表示“透水性？透水性？3.2.2 概念的相对性概念的相对性时时间间的的相相对对性性543213.2.3 含水系统含水系统含水系统含水系统Groundwater aquifer systemGroundwater aquif

8、er system地下水含水系统：地下水含水系统：是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有一致水力是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有一致水力联络的含水岩系联络的含水岩系含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或部分隔含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或部分隔水层水层含水系统：可以进展子系统划分含水系统：可以进展子系统划分含水系统的定义是从大的空间尺度研讨含水层、隔含水系统的定义是从大的空间尺度研讨含水层、隔水层或弱透水层的组合关系，是从地质成因角度水层或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展划分的分析方法对岩层的水文地质特征进展划分的分析方法( (或或给出的概念给出的概念)

9、)含水系统层次划分含水系统层次划分系统与子系统系统与子系统AB冲洪积平原地下水含水系统冲洪积平原地下水含水系统丘陵丘陵倾斜平原区倾斜平原区低平原低平原v 广义地下水：广义地下水：v 地表以下岩石空隙中的水地表以下岩石空隙中的水( (包气带、饱水带中的水包气带、饱水带中的水) )v subsurface-water,under groundwater, groundwater subsurface-water,under groundwater, groundwaterv 狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水重力水重力水v 地下水分类：地下水分类：v

10、主要根据主要根据含水介质的类型赋存空间含水介质的类型赋存空间v 埋藏条件赋存部位埋藏条件赋存部位 v表表3-13-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9 9类类 3.3 地下水分类地下水分类孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水包气带包气带上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水潜水潜水孔隙潜水孔隙潜水裂隙潜水裂隙潜水岩溶潜水岩溶潜水承压水承压水孔隙承压水孔隙承压水裂隙承压水裂隙承压水岩溶承压水岩溶承压水 潜水潜水(b)、承压水、承压水(c)、上层滞水、上层滞水(a)abc3.4.1 3.4.1 潜水与潜水含水层概念潜水与潜水含水层概念潜水：潜水：地表以

11、下，第一个具有自在外表的稳定含水层中的地表以下，第一个具有自在外表的稳定含水层中的水水 自在外表自在外表即设有隔水层限制，与大气直接相通，即设有隔水层限制，与大气直接相通，除大气压强外不受其它力。除大气压强外不受其它力。 稳定稳定具有一定的空间延续性范围以示区分具有一定的空间延续性范围以示区分上层滞水上层滞水潜水含水层潜水含水层-赋存潜水的岩层赋存潜水的岩层 屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏潜屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏潜水水3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层二、根本要素专业术语二、根本要素专业术语 潜水面潜水面 (water table)(water table)

12、潜水位潜水位 (water level )(water level ) 潜水含水层潜水含水层- - 含水层厚度含水层厚度- - 潜水埋深潜水埋深- -3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层2345678D1M潜水与潜水含水层图潜水与潜水含水层图1-1-潜水含水层潜水含水层 2-2-隔水层隔水层 3 3、4 4 潜水面潜水面 潜水位潜水位 M-M-含水层厚度含水层厚度D-D-潜水埋深潜水埋深 5-5-大气降水入渗大气降水入渗 6-6-蒸发蒸发 7-7-流向流向 8-8-泉泉三、主要特征三、主要特征 补给补给(来源来源)：降水入渗，河湖入渗：降水入渗，河湖入渗 排泄排泄(汇汇)：泉，河泄流，蒸发

13、：泉，河泄流，蒸发补给或排泄经过含水层厚度变化而储水与释水！补给或排泄经过含水层厚度变化而储水与释水！ 动态：受气候，水文要素影响明显，变化快动态：受气候，水文要素影响明显，变化快水量、水位季节性变化水量、水位季节性变化 受人为要素影响也显著，易污染受人为要素影响也显著，易污染 水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快潜水研讨根本方法潜水研讨根本方法绘制潜水等水位线图绘制潜水等水位线图获取信息获取信息-资料的手段资料的手段调查、勘探，分析调查、勘探，分析 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层某地潜水等水位线图平面某地潜水等水位线图平面河河河河流流流流

14、一、承压水定义一、承压水定义 充溢于充溢于2个隔水层或弱透水层之间的含水层个隔水层或弱透水层之间的含水层中的水，称之。图中的水，称之。图 P31，图，图3-6二、根本要素与特征二、根本要素与特征 承压含水层；承压含水层； 隔水顶板；隔水顶板； 隔水底板；隔水底板； 承压含水层厚度承压含水层厚度H； 埋深埋深D 测压水位线面：测压水位线的连线面测压水位线面：测压水位线的连线面此线是虚拟的如图有压管此线是虚拟的如图有压管 承压高度；承压高度； 补给区；补给区； 承压区；承压区； 排泄区排泄区 自溢区自溢区测压水位线与地形等高线的交点衔接区测压水位线与地形等高线的交点衔接区 3.5 承压水与承压含水

15、层承压水与承压含水层 Confined aquifer基岩自流盆地中的承压水基岩自流盆地中的承压水承压含水层承压含水层隔水顶板隔水顶板隔水底板隔水底板承压含水层承压含水层厚度厚度M M埋深埋深D D测压水位线测压水位线面：面：承压高度承压高度-H-H补给区补给区承压区承压区排泄区排泄区自溢区自溢区v 特征：特征：v补给与排泄补给与排泄v有限区域与外界联络，水循环缓慢些，水交替慢，有限区域与外界联络，水循环缓慢些，水交替慢，平均滞留时间长年龄老或长平均滞留时间长年龄老或长恢复性差恢复性差v水化学水化学v变化较大，矿化度普通要高点，可以保管变化较大，矿化度普通要高点，可以保管“古老古老的水的水v动

16、态动态v要稳定些，假设分布面积大，厚度稳定要稳定些，假设分布面积大，厚度稳定那么调理那么调理才干很强才干很强v 问题？承压含水层的变化：在储水与释水时，含问题？承压含水层的变化：在储水与释水时，含水层厚度是不变的，承压含水层的储水与释水是如何水层厚度是不变的，承压含水层的储水与释水是如何进展的？！进展的？！3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压含水层的储水与释水承压含水层的储水与释水 弹性给水度弹性给水度 e 承压含水层中当测压水位下降承压含水层中当测压水位下降(或上升或上升)1个单位，单位程度个单位，单位程度面积含水层较体所释放面积含水层较体所释放(或储存或储存)的水量的水量 测压

17、水位降低导致测压水位降低导致含水层孔隙中水的压力降低含水层孔隙中水的压力降低水体积膨胀释水，水的膨胀水体积膨胀释水，水的膨胀系数约为系数约为 1/20000孔隙水压力降低，岩层颗粒间接受压力添加孔隙水压力降低，岩层颗粒间接受压力添加骨架被紧缩骨架被紧缩颗粒不变颗粒不变骨架紧缩骨架紧缩 = 空隙体积减小陈列改动空隙体积减小陈列改动发生释水挤出来水发生释水挤出来水 这两部水很有限，所以这两部水很有限，所以 e 很小很小 ； 与重力给水度与重力给水度 d相比要相比要 小小10-1 10-33.5.3 承压含水层的储水与释水承压含水层的储水与释水承压含水层的弹性给水度承压含水层的弹性给水度v从实际上来

18、看：从实际上来看：v弹性给水度是可以恢复的弹性给水度是可以恢复的v实践上弹性是有限恢复的实践上弹性是有限恢复的v越过含水层弹性范围限定，将产生一次性越过含水层弹性范围限定，将产生一次性的变形的变形即永久性不可恢复的变形即永久性不可恢复的变形v最终导致含水层的弹性给水与释水才干降低最终导致含水层的弹性给水与释水才干降低3.5.4 3.5.4 潜水与承压水的相互转化潜水与承压水的相互转化v在自然或实践条件下，潜水与承压水的划分也是在自然或实践条件下，潜水与承压水的划分也是相对的相对的v在复杂条件下，很难将某些含水层中的水划定为在复杂条件下，很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水潜水或承压水v几个

19、例子：几个例子：v山区基岩互层山区基岩互层v一个一个 较厚的含水层较厚的含水层v一个封锁的含水层一个封锁的含水层潜水？潜水？v 开采前开采前潜水含水层潜水含水层v 开采后开采后承压含水层承压含水层例：潜水与承压水的转化例：潜水与承压水的转化4 运动运动 4.1 达西定律达西定律4.2 达西定律讨论达西定律讨论 4.3 流网流网v渗流渗流地下水在岩石空隙中的运动称为渗流地下水在岩石空隙中的运动称为渗流v地下水渗流地下水渗流遵照水力学根本原理复习遵照水力学根本原理复习v差别差别v水力学研讨水在管、渠水力学研讨水在管、渠明流明流v多孔介质，空隙细小，水流很缓慢多孔介质，空隙细小，水流很缓慢渗流渗流v

20、从流态来看从流态来看地下水多为层流除岩溶管道外地下水多为层流除岩溶管道外v 层流层流紊流紊流v偏重稳定流偏重稳定流不讨论非稳定流不讨论非稳定流4.1 达西定律Darcys law达西定律达西定律线性浸透定律线性浸透定律linear law H.Darcy法国水力学家，法国水力学家，1856年以实验为根底研讨时期年以实验为根底研讨时期经过大量的室内实验得出的经过大量的室内实验得出的4.1.1 实验条件：安装图实验条件：安装图P36，图，图4-11等径圆筒装入均匀砂样等径圆筒装入均匀砂样uniform sand，断面为断面为2上下各置一个稳定的溢水安装上下各置一个稳定的溢水安装坚持稳坚持稳定水流定

21、水流3实验时上端进水，下端出水实验时上端进水，下端出水表示流线表示流线4砂筒中安装了砂筒中安装了2个测压管个测压管5下端测出水量下端测出水量outflowQ4.1.1 达西实验安装达西实验安装QOO断面断面1断面断面2hH2H1LLhK Q 4.1.2 达西定律Darcys lawv 经过变水头，多次实验得出：出水端的流量经过变水头，多次实验得出：出水端的流量Q Q与砂柱、与砂柱、测压管水头之间的关系为：测压管水头之间的关系为：v1 1 LhK Q gradienthydraulicJILh水力梯度n Q Q 渗流量；渗流量； 砂柱断面面积；砂柱断面面积；n h h 水头损失水头损失m m；L

22、 L 渗流途径；渗流途径；n K K与试样有关的比例常数。与试样有关的比例常数。n由水力学中水动力学根本原理：由水力学中水动力学根本原理：2 Q = K I 4.1.2 达西定律Darcys lawv 浸透流速浸透流速v 根据水力学流速与流量的关系对上式转化：根据水力学流速与流量的关系对上式转化：v Q = Vv 与与2式比较式比较v V = KI - 3v 称为浸透流速称为浸透流速seepage velocity Darcy velocity specific dischargev 上式为单位面积上的流量上式为单位面积上的流量-称比流量称比流量v 达西定律中由此看出：达西定律中由此看出：v

23、浸透流速与水力梯度是一次方成正比浸透流速与水力梯度是一次方成正比v 故达西定律又称为线性浸透定律故达西定律又称为线性浸透定律AQU4.2 达西定律讨论4.2.1 4.2.1 浸透流速浸透流速V V与过水断面与过水断面 Q = K I = V Q = K I = V过水断面与水力学中的水流过断面能否一致？否过水断面与水力学中的水流过断面能否一致？否过水断面过水断面，假想的断面，假想的断面实践孔隙断面实践孔隙断面 n n 孔隙度孔隙度 实践水流断面实践水流断面 n n 有效孔隙度有效孔隙度 Q/ =V Q/ =V 对比水力学，实践流速对比水力学，实践流速 Q/ Q/= u= u关系：地下水浸透流速

24、关系：地下水浸透流速 V= u ne V= u ne 浸透流速浸透流速V V：是假设水流经过整个岩层断面骨架：是假设水流经过整个岩层断面骨架+ +空空隙时所具有的虚拟的平均流速。隙时所具有的虚拟的平均流速。意义：研讨水量时，只思索水流经过的总量与平均流意义：研讨水量时，只思索水流经过的总量与平均流速，而不去追踪实践水质点的运移轨迹速，而不去追踪实践水质点的运移轨迹简化的研简化的研讨讨AQU过水断面过水断面与实践过水断面与实践过水断面 过水断面过水断面 实践过断面实践过断面4.2.2 水力梯度水力梯度水力梯度Ihydraulic gradient 水力学中水力坡度水力学中水力坡度J:单位间隔上的

25、水头损失单位间隔上的水头损失 是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比 LhLHLHHI2121gvpZH22v 物理涵义上来看物理涵义上来看I：代表着渗流过程中，机械能的损失：代表着渗流过程中，机械能的损失率，由水力学中水头的概念加以分析：率，由水力学中水头的概念加以分析：v 在地下水渗流研讨中在地下水渗流研讨中v恣意点的水头表达式恣意点的水头表达式 总水头总水头 测压水头测压水头 速度水头速度水头 机械能机械能 势势 能能 动动 能能水力梯度水力梯度I在达西实验中：在达西实验中： 4.2.2 水力梯度gupZH221111111pZH其缘由是

26、其缘由是 u2/2g 很小而忽略很小而忽略在地下水渗流研讨中常：在地下水渗流研讨中常：n总水头总水头 测压水头测压水头 (这是习惯用法这是习惯用法)n我们依然用我们依然用 H = H1-H2 代表该程代表该程 L12 上的总水上的总水头损失，头损失，nI 那么为总能量损失率那么为总能量损失率n渗流过程中总机械能的损耗缘由与水力学相近渗流过程中总机械能的损耗缘由与水力学相近n流体的粘滞性引起的流体的粘滞性引起的内摩擦阻力分子间内摩擦阻力分子间n固体颗粒外表对水流的反作用力固体颗粒外表对水流的反作用力4.2.2 水力梯度水力梯度水力梯度I 从达西公式从达西公式: V = KI 来看：来看：当当I

27、增大时，增大时，V 也愈大；也愈大；即流速即流速V 愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大;反过来，水力梯度反过来，水力梯度I愈大时，驱动水流运动与速度愈大时，驱动水流运动与速度也愈大也愈大留意：水头损失一定要与渗流途径相对应留意：水头损失一定要与渗流途径相对应4.2.3 浸透系数浸透系数浸透系数 K Kcoefficient of permeabilitycoefficient of permeability 在有些教科书中也称为水力传导率在有些教科书中也称为水力传导率 hydraulic conductivityhydraulic conductivity

28、定义：水力梯度为定义：水力梯度为 I =1 I =1 时的浸透流速时的浸透流速 V=KIV=KI具有速度量纲具有速度量纲 L2 T-1 L2 T-1 由公式由公式V = K I V = K I 分析分析当当I I一定时，岩层的一定时，岩层的 K K 愈大，那么愈大，那么 V V 也愈大，也愈大， Q Q 大大因此，浸透系数因此，浸透系数 K K 是表征岩石透水性的定量目的是表征岩石透水性的定量目的4.2.3 浸透系数浸透系数浸透系数 K K影响要素：影响要素： 以松散岩石以松散岩石, ,等径孔隙为例来分析等径孔隙为例来分析水的重率；水的重率； 动力粘滞系数动力粘滞系数从公式从公式 即得出：即得

29、出：K K与岩石性质有关与岩石性质有关 K K d02d02，nene与流体物理性质有关与流体物理性质有关 K K /4.2.4 4.2.4 达西定律的适用范围达西定律的适用范围 雷诺数数介于雷诺数数介于 110 110 之间之间e20nd32 K4.3 流网Flow net4.3.1 根本概念根本概念concept渗流场：地下水流动运动的空间渗流场：地下水流动运动的空间流网是描画渗流场中地下水流动情况的有效工具流网是描画渗流场中地下水流动情况的有效工具流网：是由一系列等水头线流网：是由一系列等水头线equipotential lines与与流线流线flow lines组成的网格，称流网组成的

30、网格，称流网flow net流线：某时辰在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上流线：某时辰在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上各个水质点的流速方向都与这条曲线相切某时辰各点各个水质点的流速方向都与这条曲线相切某时辰各点流向的连线迹线：流体水质点在渗流场中某一时间流向的连线迹线：流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹段内的运动轨迹trace line 等水头线：在某时辰，渗流场中水头相等各点的连线水等水头线：在某时辰，渗流场中水头相等各点的连线水势场的分布势场的分布4.3.1 根本概念 根本概念根本概念二维流网图：二维流网图：平面流网：潜水等水位线图，承压水等测压水平面流网：潜水等水位线图

31、，承压水等测压水位线图位线图剖面流网：含水量厚度较大时，常需求描写剖剖面流网：含水量厚度较大时，常需求描写剖面的水流面的水流流网特点：流网特点： 在各向同性介质中，流线与等水头线正交；在各向同性介质中，流线与等水头线正交；在各向异性介质中，流线与等水头线斜交在各向异性介质中，流线与等水头线斜交 是按一定规那么绘制的，等水头线等水是按一定规那么绘制的，等水头线等水头差绘制，流线等流量宽，单宽流量相头差绘制，流线等流量宽，单宽流量相等等4.3.2 定性流网绘制定性流网的绘制定性流网的绘制-各向同性介质中各向同性介质中在许多实践任务中，绘制定性流网分析问题很重要在许多实践任务中，绘制定性流网分析问题很重要准确流网受许多条件资料缺乏等制约，很难办到准确流网受许多条件资料缺乏等制约，很难办到思索回答：思索回答：边境条件？有哪几类？边境条件？有哪几类？流线起点和终点？等水头线如何控制？流线起点和终点？等水头线如何控制？等流量如何确定？等流量如何确定？“源源resource 发散流线处发散流线处“汇汇sink 吸收流线