2章 地下水的赋存

1第二章地下水的赋存2本章内容2.1

岩石中的空隙2.2空隙中的水2.3

岩石的水理性质2.4

地下水的垂直分布2.5

含水层与隔水层2.6

含水层的类型32.1岩石中的空隙Intersticesinrocks岩石—水文地质学中指坚硬岩石及松散的土层。空隙—岩、土中各种类型空洞的总称。

空隙—是地下水的储存场所（places）和运移通道(conduits)。空隙可分为：孔隙（pore）:松散岩石颗粒间的空隙（第四系地质学）裂隙（fissure）:坚硬岩石破裂产生的空隙（构造地质学）溶穴（cave）:可溶性岩石被溶蚀后产生的空隙（岩溶地质学）以下以孔隙为例，重点讨论描述空隙特征的有关概念，参数（指标）和分析方法。4松散砂土孔隙

粘土孔隙裂隙溶隙5孔隙溶隙裂隙6岩石中的空隙孔隙性能容纳水的性质渗透性能让水通过的性能VS72.1.1孔隙（pore，viod）松散岩石颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。土体孔隙的描述内容包括：

孔隙的大小、多少、形状、连通程度与分布规律松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土8a—砾石(模型)

b—砂土样品c—砂砾混合样品孔隙与粒径关系2.1.1孔隙——与粒径关系1、砂砾石孔隙大小及其影响因素9与颗粒大小有关岩石颗粒愈粗，孔隙愈大；颗粒愈细，孔隙愈小!2.1.1孔隙——与粒径关系10砂样与砾石样混合时，砾石样中孔隙体积变小，因此孔隙度变小。当粗细颗粒完全混合时，混合样的孔隙度：n混=n粗×n细因此影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度，分选愈差，孔隙度愈小！2.1.1孔隙——与分选的关系112.1.1孔隙——与分选的关系12颗粒排列——等径圆球最疏松与最紧密立方体排列四面体排列2.1.1孔隙——与颗粒排列的关系132.1.1孔隙——孔腹和孔喉立方体排列与四面体排列——孔腹和孔喉立方体排列的理想等径园球颗粒孔隙大小的描述：孔喉(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732D14孔隙大小对地下水运动影响很大孔喉(d)与孔腹(d’)孔隙通道最细小的部分称作孔喉;最宽大的部分称作孔腹孔喉对水流影响更大，讨论孔隙大小可用孔喉直径进行比较。15理想的情况：构成松散岩石的颗粒均为等粒圆球立方体排列时，孔隙度为47.64％四面体排列时，孔隙度仅为25.95％六方体排列为最松散，四面体排列为最紧密，自然界中松散岩石的孔隙度大多介于此两者之间。2.1.1孔隙——与颗粒排列的关系(紧密与疏松)16孔隙度(porosity)及其影响因素（1）孔隙度的概念孔隙度是描述松散岩体中孔隙体积的多少的指标岩石中孔隙体积的多少是影响其储容地下水能力大小的重要因素。A、定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。通常用n

表示或n—

表示岩石的孔隙度V—

表示包括孔隙在内的岩石体积Vn—表示岩石中孔隙的体积17思考：孔隙度的大小与什么有关？（1）与颗粒大小有关（2）与排列方式有关——紧密与疏松（3）与分选程度有关下面试样哪个孔隙度大？哪个小？

试样：①砾石②砂石③混合样

完全混合试样时，孔隙度n混=n砾×n砂影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。孔隙度(porosity)及其影响因素18不同颗粒大小的试样——孔隙度？不同排列的试样——孔隙度？理想最疏松孔隙为47.64%，最紧密排列孔隙为25.95%。D

dDd立方体排列四面体排列孔隙度(porosity)及其影响因素19（4）与颗粒形状有关（5）与胶结充填程度有关组成岩石的颗粒形状愈不规则，棱角愈明显，通常排列就愈松散，孔隙度也愈大。胶结充填程度愈差，孔隙愈大。20自然界中主要松散岩石孔隙的参考数值21粘性土的孔隙与孔隙度粘土颗粒（指直径<0.005mm的颗粒）；粘性土颗粒细小，比表面积大，连结力强；颗粒表面带电，粘粒在悬浮、推移、互相接触时，易连结起来形成粘粒团，细小粘粒集合（团）构成颗粒集合体。颗粒集合体在重力作用下沉积下来，形成峰窝或絮状结构。粘土孔隙

结构孔隙—集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的空隙;如同海绵、峰窝，或呈絮状结构。

次生孔隙—虫孔、根系孔、干裂缝等。22粘性土的结构，不同比例电镜扫描片23影响孔隙度大小的因素主要有：颗粒排列方式分选程度胶结充填程度结构及次生孔隙分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度愈差，孔隙度愈大；反之愈小；粘性土的孔隙度还取决于其结构及次生孔隙。小结：24概念

固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而主要发育各种内、外力作用下产生的裂缝（缝隙）。按成因分为：风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙裂隙的空间形态：两向延伸长、横向伸短的“饼状”从水的赋存与运移角度，裂隙描述内容包括：1)连通性（裂隙的组数、产状、长度和密度）2)张开性（裂隙宽度）3)裂隙率等(体积裂隙率Kr、面裂隙率Ka、线裂隙率Kl）2.1.2裂隙(fissure，fracture)25花岗岩风化裂隙2627砂岩岩芯中的空隙28在裂隙的基础上，水流对可溶岩进一步作用的结果——是扩大了的裂隙溶穴：可溶岩在地下水溶蚀作用下产生的空隙。

溶孔、溶隙、溶穴、溶洞等对可溶岩要描述岩溶发育特征（裂隙+溶洞）1）岩溶发育方向2）岩溶率--表示岩溶发育程度3）溶洞（方向、规模等）2.1.3溶穴(solutioncavity)cavern29含水介质——由空隙所构成的岩石称为含水介质。含水介质有三种：孔隙介质、裂隙介质、溶穴介质。介质的比较连通性—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，溶穴极悬殊空隙率—孔隙介质最大，裂隙最小渗透性—孔隙介质属各向同性，裂隙与溶穴为各向异性造成空隙介质差异的主要原因：

沉积物形成和空隙形成的地质环境差异。空隙特征的比较3031思考题：（1）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？（2）粘性土孔隙度大——是含水层吗？32空隙特征的比较含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质（孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质），也称为介质场。含水介质的空间分布与连通特征不同，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-各向异性造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境

2.1.4空隙特征的对比332.2岩石中的水水在岩土体中的存在形式岩石骨架中的水岩石空隙中的水沸石水结晶水结构水结合水液态水固态水气态水毛细水重力水弱结合水强结合水342.2.1结合水定义附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水。

具有抗剪强度（由内层向外层减弱），一般不能流动，必须施一定外力使其发生变形。

？抗剪强度的产生及大小与什么有关

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）35结合水与重力水强结合水抗剪强度很大，不能流动，不被植物根系吸收特点弱结合水抗剪强度较小，施加一定外力能流动，被植物根系吸收36

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37重力水

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。在自身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

2.2.2重力水特点：可传递静水压力，被植物根系全部吸收，可以自由流动38毛细水

1、基本概念

毛细现象：将细小管插入水中，水上升至一定高度停下来毛细力：毛细水：受到表面吸引力，重力，还有另一种力—称毛细力的作用，产生毛细现象2.2.3毛细水毛细水：在毛细力的作用下发生运动的水特点：传递静水压力，植物根系全部吸收，张力、重力、吸附力平衡39毛细水，孔角毛细水40毛细力：

毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起——液面弯曲产生的毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹处凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的凹形弯液面—负的毛细压强（negative）---如同真空吸力凸形弯液面—正的毛细压强（positive）

毛细力的大小：毛细力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）

一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；反之亦然

毛细力大，毛细上升高度也越大41CompanyLogo2、毛细水的存在形式

在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：a)支持毛细水

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，称为悬挂毛细水上粗下细或上细下粗砂砾试样的例子。c)孔角毛细水（触点毛细水）孔角毛细水与悬挂毛细水是不同——？

悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的

42支持毛细水与悬挂毛细水地下水位下降43气态水、固态水、矿物结合水

气态水在未被饱和岩石空隙中，因水蒸气张力差而引起运动的水为气态水由张力大的地方向小的地方运动，可随空气流动，可与液态水转换概念特点44矿物结合水赋存于矿物结晶内部的水称矿物结合水，有结构水、结晶水、沸石水保存于矿物结晶骨架中，肉眼看不见，加热时可从矿物中分离出来固态水在低于冰点时岩石空隙中的水称为固态水多年中以固态的形式存在于岩石空隙中，温度低于0℃，不能流动概念特点概念特点45沸石水以H+和OH-形式存在于矿物结晶格架的某一位置上的水称为结构水。脱水温度高，如滑石四面体中的(OH)-高峰温度950℃。以H2O的形式存在于矿物结晶格架的一定位置上的水称为结晶水。一般低于500℃，有时可低到几十℃。以H2O的形式存在于矿物晶包和晶包之间的水称为沸石水。失水温度几十到110℃结构水结晶水46岩土的主要水理性质容水性含水性持水性给水性透水性2.3岩石的水理性质47岩石（包括骨架与空隙在内的总称）水理性质：就水文地质学主要涉及是与水分储容、释出与运移有关的性质包括：一、容水度和孔隙度（反映岩石最大含水能力）

孔隙度——n;容水度——nr

？两者有何关系

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二、含水量

岩石样实际保留水分的状况，（是某岩样某时的含水状态）又称岩石的天然含水量三、持水度__Sr

岩石的持水能力——最大保持水分的能力岩石的持水量（持水体积）与岩石总体积之比48四、给水度——

(

e

d)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，称为给水度

思考：当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？在土层中会保留什么形式的水？结合水(膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水49

均质土包气带水分分布502、影响给水度——μ值的因素

？砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种样给水度大a)岩性：空隙大的样品，给水度大，μ≈n砾＞粗砂＞…＞粉砂——（与粒径有关）颗粒细小者，比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，除岩性外，同一岩层中其它原因也可造成μ不同，为什么？b)地下水位初始埋深（H0）当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时H0＞＞hc,可达最大μ值H0＜＜hc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，土层给水量大大降低，μ变小。土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度—也是最大理论给水度51给水度与地下水位埋深的关系52c)与地下水位下降速度有关

地下水位下降快慢会影响到μ的大小

——（下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理）这是因为释水滞后，而导致的释水减量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μ值，多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响是不同的。53无膨胀性岩石容水度在数值上与空隙度相当

有膨胀性岩石容水度大于孔隙度容水度与孔隙度的关系54给水度小结——野外实际测定时：

均质土，当地下水位初始埋深大于hc，降速缓慢，μ=ωS-ω0

初始埋深小于hc时，埋深愈浅，μ↓

水位降速愈快，μ↓

一般而言，层状土μ小于均值土。

给水度小结55五、透水性——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！

2.3岩石的水理性质衡量指标为渗透系数K。

岩石透水性的好坏，首先决定于岩石空隙的大小，同时与空隙的形状、多少、连通程度有关。给水度的大小在很大程度上可以反映透水性的好坏。56

土的渗透系数参考表土的名称渗透系数(m/d)土的名称渗透系数(m/d)粘土＜0.001中砂5.00～20.00亚粘土0.001～0.10均质中砂35～50亚砂土0.10～0.50粗砂20～50黄土0.25～0.50圆砾石50～100粉砂0.50～1.00卵石100～500细砂1.00～5.0057

水利水电工程地质勘察规范582.4地下水的垂直分布59包气带与饱水带地下水位60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）61包气带

特点：

①岩石空隙未被水充满②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。62饱水带

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：①重力水②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。地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来！632.5含水层与隔水层一、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：是能够透过并给出相当数量水的岩层—各类砂土，砂岩等

隔水层：不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层——裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）

弱透水层：

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——各种粘土，泥质粉砂岩64注意：概念的相对性定义中的模糊概念—“相当水量，微不足道，较大水力梯度”等不是严格的“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

满足需要就可以了。如在某处一口井出水量80m3/d，作为1万人的供水，为非含水层；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/s≈8.6m3/d，大厂——非，村用——是。

从理论意义来看——微不足道

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”。现在进行水文地质计算、模拟时，不再简单二分了，而是用模糊学的研究方法，给个隶属度1，0之间，可以为0.8,0.7,…0.3,表示“透水性”65二含水系统—Groundwateraquifersystem

地下水含水系统：是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层含水系统：可以进行子系统划分含水系统的定义是从大的空间尺度研究含水层、隔水层、与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行划分的分析方法(或给出的概念)66含水系统层次划分—系统与子系统67冲洪积平原地下水含水系统丘陵

倾斜平原区

低平原

682.6含水层的类型广义地下水：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

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）

表2-2含水介质分三类，埋藏分三类，组合共分为9类孔隙水裂隙水岩溶水包气带上层滞水上层滞水上层滞水潜水孔隙潜水裂隙潜水岩溶潜水承压水孔隙承压水裂隙承压水岩溶承压水69潜水包气带水承压水70abc潜水(b)、承压水(c)、上层滞水(a)71潜水指埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具有自由水面的饱水带中的重力水。72

基本要素（专业术语）

潜水面潜水位潜水含水层

含水层厚度

潜水埋深

73（1）自由表面—即没有隔水层限制，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）以示区分上层滞水潜水含水层

---赋存潜水的岩层742

3

4

5

6

7

8

D

1

M

潜水与潜水含水层图1-潜水含水层2-隔水层3、4潜水面潜水位M-含水层厚度D-潜水埋深5-大气降水入渗6-蒸发7-流向8-泉

75⑵潜水面的起伏经常与地形一致，只是比地形起伏平缓一些；潜水面与地表面的形态具有相似性。地表地形的影响76⑶当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；含水层厚度的影响77⑷当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。岩层透水性的影响78潜水等水位线图的用途⑵反映潜水与地表水的相互关系；⑶确定潜水的埋藏深度；⑷如有隔水层顶板标高，可以确定含水层的厚度⑴可以确定潜水的流向及潜水面的水力坡度；7980编制潜水等水位线图潜水由水位高处流向水位低处。潜水位线相当于含水层的测压水头线。一般根据等水位线图形状可判断潜水流向、潜水与地表水的关系、含水层岩性、隔水底板形状。潜水等水位线与地形等高线交点数值差即为潜水位埋深。潜水等水位线图的画法与地形等高线图相同。81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82如何编制潜水等水位线图目的：1．熟悉潜水等水位线图的编制方法。2．初步学会阅读和利用潜水等水位线图。内容：

1．根据有关资料，在图上编制沙河地区潜水等水位线图(水位等高距2m，取偶数)。

2．用箭头标出AB、CD两处的潜水流向，并计算水力梯度的近似值。

3．根据平面图上的资料，在剖面图上绘出潜水位线及潜水流向。

4．阅读沙河地区潜水等水位线图，回答下列问题：

(1)根据所作潜水等水位线图及所提供的有关资料，总结影响潜水