水文学课件ppt版 第三章1

第三章地下水（GroundWater）

第一节概述第二节地下水的运动第三节地下水的理化性质第四节地下水的主要类型第一节概述第一节概述一、地下水的定义及其用途二、地下水的形成条件三、岩石的空隙四、岩石的水理性质一、地下水的定义及其用途1、定义：存蓄于岩石和土壤空隙中的水,统称为地下水。地下水垂向结构基本模式图

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)

subsurface-water,

undergroundwater,groundwater

狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水—重力水地下水库——调蓄补给量地下水库—储存输入—补给流量时间输出—利用流量时间2、地下水的用途二、地下水的形成条件1、地质条件（提供蓄水空间)

（1）岩性：

主要是指岩石中空隙的大小。

（2）地质构造：

要有相对的隔水层和含水层的配合，而且含水层要与水源连接。二、地下水的形成条件2、水源条件（1）补给(来源)：降水入渗地表水入渗冰雪融水岩石中空气凝结水（2）排泄(汇)

泉（河）泄流蒸发二、地下水的形成条件3、影响地下水补充的因素

（1）降水：包括降水量，降水历时，降水形式（降雨或降雪）降雨强度。（2）蒸发主要指地下水供给区域的蒸发（3）地形（坡度）

（4）地面蓄水面积

（5）植被

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；是地下水赋存场所（places）和运移通道（conduits）。空隙分为:孔隙（pore）（第四纪地质学）裂隙（fissure）（构造地质学）溶隙(穴)（cavity）（岩溶地貌学）三、岩石的空隙（孔隙、裂隙、溶隙）×800（一）孔隙孔隙（pore,void）：

岩石、土壤颗粒之间的空隙。

孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与分布；1、孔隙度（porosity）孔隙度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,通常用n表示:2、影响孔隙度大小的因素（1）排列方式：（指同样大小和形状的岩石颗粒排列）A、正方体

岩石颗粒的粒径为d，半径为

0.5d，正方体的边长也为d，求孔隙度：2、影响孔隙度大小的因素（1）排列方式：B、菱形体(四面体排列)n=0.26

理想最疏松孔隙为0.48，最紧密排列孔隙为0.26。2、影响孔隙度大小的因素（2）颗粒形状和大小：一般岩石颗粒都不完全是球形，离球形相差越大，其孔隙度越小。一般颗粒越大，孔隙度越大，但颗粒太小情况会比较复杂。×36×240×800粘性土的结构（不同比例电镜扫描片）2、影响孔隙度大小的因素（3）颗粒的分选度：

大小不等的岩石组合在一起，小颗粒能填充大颗粒之间的空隙，所以分选度越大，孔隙度就越小。2、影响孔隙度大小的因素（4）胶结和压实程度

：岩石中有SiO2（二氧化硅）和Fe（铁）作为胶结剂，使岩石粘结在一起，另外一定压力条件下被压实，这都会使孔隙度变小。（二）裂隙（fissure,fracture）1、定义：

岩石中的各种裂缝统称为裂隙。

固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙）。

根据成因分类构造裂隙

成岩裂隙

风化裂隙（二）裂隙（fissure,fracture）

构造裂隙：

主要分布在断裂带和褶皱带；

成岩裂隙：

是喷出岩冷却收缩而形成，如玄武岩中就多成岩裂隙；

风化裂隙：

主要在岩石表面，普遍存在于裸露岩石表面。（二）裂隙（fissure,fracture）2、裂隙度(率)（KT）：

3、裂隙度的测定b：裂隙的宽，L：裂隙的长（三）溶隙(穴)

(solutioncavity,cavern)1、定义：可溶性岩石中的溶蚀空间，有溶孔、溶隙、溶洞等。

特点：（1）分布不均匀，且没有规律。其中有些很大（溶洞），有的则很小。大裂隙主要分布在褶皱带，受水蚀作用产生的。（2）溶隙比孔隙和裂隙都大，所以地下水很丰富。

溶隙是在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果——是扩大了的裂隙

地下河竖井国际探险队探索我国千米深地下洞穴/

2008年10月31日

12:02

据英国《每日邮报》邓肯竖井，深1026m边槽潜流滞洞天锅2、溶隙度（Kk）空隙度（S）四、岩石的水理性质

岩石(包括骨架与空隙)具有的与水相关的性质叫水理性质,主要包括与水分储容、释出与运移有关的性质。①岩石蓄水和保存水的性质称为容水性；②能将水保持在岩石体内的性质称为持水性；③岩石在重力作用下能排出重力水的性质称为给水性；④岩石能让水透过的性质称为透水性。（一）容水性岩石能容纳水的性能称为容水性。１、容水度()

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。影响容水度的因素：空隙度（S）（一）容水性2、相对含水量(KW)

在自然条件下，由于供水量不充分，以及大气蒸发，岩石部分空隙没被水充满，实际含水量总是小于容水量。当Kw=1时，土壤或岩石空隙达到饱和，称饱和含水量。当Kw<1时，称非饱和含水量。（二）给水性和持水性1、定义

给水性：

在重力作用下，饱和含水的岩体能排出水的性能。持水性：在分子力和毛管力的作用下，岩体能保持水的性能。（二）给水性和持水性2、给水度、持水度

（三）透水性1、定义：

岩石、土壤允许水透过的性能称透水性。

用渗透系数“K”表示，单位为（cm/h，m/h，或m/d）。2、影响“K”值的因素

（1）孔隙直径:

孔隙直径越大，K值越大，过水能力越强；

（2）孔隙的连通性:

连通性越好，透水性就越大。（四）几种水理性的关系1、给水性与持水性的区别

（1）作用力不一样。给水性主要是重力作用，排出的是重力水，持水性主要是分子力和毛管力的作用，保持的是毛管水和分子水，薄膜水。图（2）空隙直径的大小对二者的影响相反。空隙大则有利于给水，给水性好，但持水性差。空隙小则不利于给水，即给水性差，持水性强。

结合水与重力水

表面引力—服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱结合水与重力水

毛细水和孔角毛细水H：毛管上升高度，r:毛管直径（四）几种水理性的关系2、容水性、给水性、持水性三者的关系

容水度=持水度+给水度

当容水度一定时，持水度越大，给水度就小，如粘土层。

当容水度一定时，给水度好，持水度就差，如沙土层。（四）几种水理性的关系3、容水性、持水性的区别

（1）水的作用力：

容水性是指容纳各种水的性质，其水体包括了分子水（吸着水、薄膜水）毛管水和重力水。而持水性是指保持的非重力水的性质（不包括重力水）。（2）影响因素:

容水性主要取决于空隙度的大小，持水性主要受空隙（或孔隙）直径的大小的影响。（四）几种水理性的关系4、给水性、透水性的区别

（1）在定义上：

给水性是饱和容水的情况下，能排出多少水的性能，与时间无关。透水性是能让地下水通过的性能，与含水量无关。（2）计量单位：

给水量是m3，是体积单位，与时间无关。透水性的单位是每天能透过的距离（m/h），是速度单位。第一节概述一、地下水的定义及其用途二、地下水的形成条件三、岩石的空隙四、岩石的水理性质第二节地下水的运动

地下水与地表水运动的区别：地下水是在岩石介质中运动，要受到岩石的阻滞，其运动形式是渗透和渗流。而河水是明流。①地下水为暗流，地表水为明流。②流速比地表水小得多，多是层流。地表水是紊流。③流量比河水稳定，变化慢。第二节地下水的运动（Motionofgroundwater）

一、线性渗透定律二、非线性渗透定律三、渗流速度与实际流速的关系四、渗透系数K值的确定一、线性渗透定律（linearlaw）1、基本原理

线性渗透定律（linearlaw）——达西定律（Darcy’slaw）H.Darcy—

法国水力学家，1856年（以实验为基础研究时期）通过大量的室内实验得出的。一、线性渗透定律（linearlaw）

实验条件：QOO’断面1断面2hH2H1LF1）等径圆筒装入均匀砂样（uniformsand），断面为F。2）上下各置一个稳定的溢水装置——保持稳定水流。3）实验时上端进水，下端出水。4）砂筒中安装了2个测压管。5）下端测出水量（outflow）—Q

多次实验得出：出水端的流量Q与砂柱、测压管水头差之间的关系为：

Q:渗流量F:砂柱断面面积h

:水头损失（m）L

:渗流途径K:渗透系数由水力学中水动力学基本原理：FhL

渗透流速V称为渗透流速（seepagevelocity）

为单位面积上的流量比流量达西定律中由此看出：渗透流速与水力梯度的一次方成正比故达西定律又称为线性渗透定律V——I曲线砂样VIO12V=K·I一、线性渗透定律（linearlaw）2、线性渗透定律的使用用达西定律测定地下水的流量要求：求出h断面的出水量。

从I到II断面的水力坡度为：F取一个单位宽度的横断面面积

单宽流量等式两端积分：因为：渗流上下两断面间的距离所以：B：研究区宽度

一、线性渗透定律（linearlaw）3、适用条件达西定律只适用于层流，而不适用于紊流。

层流与紊流的流态与流速大小的关系:

层流：Vcp≤0.3cm/s，或Vcp≤260m/d；

紊流：Vcp>1.157cm/s，或Vcp>1000m/d；

过渡流：0.3≤V≤1.157cm/s

二、非线性渗透定律

1、紊流方程式谢才公式：表示河床的阻力；K表示岩石对地下水流的阻力。二、非线性渗透定律

2、过渡流方程式m=1为层流，m=2为紊流，m在1和2之间为过渡流，可根据实际情况取值。三、渗流速度（V）与实际流速（u）的关系

给水度实际过水断面面积

这就表明：

三、渗流速度（V）与实际流速（u）的关系

在实际工作中，可先求得u，再求V。L:两井间的距离