地下水的基本知识

关于地下水的基本知识§1地下水的概念一、自然界中水的分布二、地下水的概念埋藏在地表以下岩土空隙中的水。主要是由渗透作用和凝结作用形成的，此外还有极少量的原生水。第2页,共75页，2024年2月25日，星期天§2地下水的赋存状态一、岩土的空隙性二、水在岩土中存在的形式三、岩土的水理性质第3页,共75页，2024年2月25日，星期天一、岩土的空隙性岩土中的空隙是地下水的储存空间，岩土空隙按其成因可分为孔隙、裂隙和溶隙（岩溶溶洞）。＋＋＋＋＋＋＋可溶性岩石，如灰岩坚硬岩石，如花岗岩松散岩土溶洞裂隙孔隙第4页,共75页，2024年2月25日，星期天1、孔隙：指松散岩土颗粒与颗粒集合体之间小孔状或细管状的空隙。孔隙体积多少用孔隙度（n）来量度。n=（Vn/V）×100%孔隙的体积V岩石总体积影响孔隙度的因素：岩石的密实程度、颗粒的均匀性、颗粒形状和颗粒间的胶结程度等。第5页,共75页，2024年2月25日，星期天孔隙度测定方法砂子水液面n=V水/V砂2、准确测定方法：n=（1-δ/γ)×100%δ—松散岩石的容重γ—松散岩石的比重1、概略测定方法：3、坚硬岩石：饱和液体法第6页,共75页，2024年2月25日，星期天2、裂隙：指固结的坚硬岩石在构造运动以及其他各种内、外地质应力作用下，产生于岩体中的各种扁平状空隙。用裂隙度（Kt）来衡量。Kt=（Vt/V）×100%=（∑L·b）/F×100%裂隙的体积V岩石总体积露头中裂隙的长度岩层露头面积裂隙的平均宽度第7页,共75页，2024年2月25日，星期天3、溶隙：可溶性岩体中的裂隙再经过地下水流的长期溶蚀、冲刷而形成的空隙或空洞称为溶隙或溶洞。用溶洞（岩溶）率（Kk）来衡量。Kk=（Vk/V）×100%溶隙的体积，通常由钻孔中所取得的岩心测量而得V岩石总体积第8页,共75页，2024年2月25日，星期天二、水在岩土中的存在形式地壳岩石中的水矿物结合水空隙中的水沸石水、结晶水结构水结合水强结合水（吸着水）弱结合水（薄膜水）液态水重力水毛细水固态水气态水第9页,共75页，2024年2月25日，星期天薄膜水——又叫弱结合水，是指在吸着水层以外的液态水膜。这层水不受重力影响，但由于引力不等薄膜水质点可由厚的地方向薄处转移。土粒吸着水——又叫强结合水，指由分子引力和静电引力牢固地吸附在土壤颗粒表面的薄层（通常只有几个水分子厚）水膜。是一层近于固态的水。吸着水薄膜水重力水——指在重力作用下，贮存在岩石和土壤的非毛管孔隙中自由运动的水。重力水毛细管水——受毛管力作用而保持在土壤毛细管孔隙（直径0.001-0.1毫米）中的水。第10页,共75页，2024年2月25日，星期天地表地下水面毛细水气态水吸着水薄膜水重力水各种形式的水在地壳中的分布水井结合水包气带饱水带第11页,共75页，2024年2月25日，星期天三、岩土的水理性质岩石的空隙虽然为地下水提供了储存的空间，但是水能否自由进出这些空间却与岩石表面控制水分活动的条件、性质有很大关系。与水分的贮存运移有关的岩石性质称为岩石的水理性质。包括容水性、持水性、给水性和透水性。第12页,共75页，2024年2月25日，星期天容水性—指岩石空隙能容纳一定水量的性能。用容水度衡量，数值上等于岩土的孔隙度、裂隙度或岩溶率。指岩土体在重力作用下释水后仍能保持住的一定水量的性质。用持水度衡量。松散岩土颗粒越小，其表面积越大，表面吸附的结合水越多，持水度越大；而坚硬岩石的裂隙和溶隙持水度几乎为零。持水性—第13页,共75页，2024年2月25日，星期天给水性—岩石名称给水度（μ）岩石名称给水度（μ）砾石0.35-0.30细砂0.20-0.15粗砂0.30-0.25极细砂0.15-0.10中砂0.25-0.2粘土<0.10常见松散岩土的给水度指饱和含水的岩石在重力作用下，能自由流出（排出）若干水量的性能。以给水度（μ）作为衡量指标，数值上等于容水度减去持水度。第14页,共75页，2024年2月25日，星期天透水性—指在一定压力梯度下岩石允许水透过的性能。取决于空隙直径的大小和连通程度，其次是空隙的多少。岩土根据透水性好坏可分为：透水岩土：半透水岩土：不透水岩土：表示岩土透水性能大小的指标，称为渗透系数，用符号K表，单位m/d（米/天）砂砂、砾砾、粘土粘土、粉质粘土粉质粘土、粉土粉土、卵石卵石、黄土黄土、淤泥淤泥、泥岩泥岩、砂岩砂岩、页岩页岩、裂隙和溶隙不发育的坚硬岩石裂隙和溶隙不发育的坚硬岩石。裂隙与岩溶发育的坚硬岩石裂隙与岩溶发育的坚硬岩石；裂隙与岩溶不太发育的坚硬岩石裂隙与岩溶不太发育的坚硬岩石；第15页,共75页，2024年2月25日，星期天一、概念二、构成含水层的基本条件§3含水层和隔水层第16页,共75页，2024年2月25日，星期天含水层：砂岩含水层松散含水层泥岩湖指能够透过并给出相当数量水的岩层。不能透过并给出水，或透过和给出水的数量微不足道的岩层（渗透系数<0.001m/d）隔水层：一、概念第17页,共75页，2024年2月25日，星期天二、构成含水层的基本条件1、储水空间。即应有孔隙、裂隙和溶隙等空隙。这是储存地下水的前提条件。2、储水构造。有了储水空间，只是有了能含水的条件，但能否储存水，成为含水层，还必须具备保存住地下水的地质构造：下部要有隔水层托住重力水，并在水平方向上具有某种隔水边界，使之不致完全流失，水能在岩层空隙中保存住，从而形成含水层。也就是说，透水岩层与隔水岩层组合起来，才能成为含水层。3、良好的补给来源。有足够的水源，使储水空间能不断地获得补给，方能成为含水层。第18页,共75页，2024年2月25日，星期天§4、地下水的分类及各类地下水的特征孔隙水、裂隙水、岩溶水上层滞水、潜水、承压水（自流水）孔隙（裂隙、岩溶）—上层滞水，孔隙（裂隙、岩溶）—潜水，孔隙（裂隙、岩溶）—承压水。一、地下水的分类：1、按岩石空隙性质分类的地下水：2、按埋藏条件分类的地下水：3、我国地下水分类：二、按埋藏条件分类的各类地下水特征1、上层滞水；2、潜水；3、承压水三、按空隙性质分类的各类地下水特征1、孔隙水；2、裂隙水；3、岩溶水第19页,共75页，2024年2月25日，星期天孔隙水主要存在和运动于松散岩石（即未完全胶结和未胶结的砂、砾石和粘性土等）孔隙中。＋＋＋＋＋＋＋可溶性岩石，如灰岩坚硬岩石，如花岗岩松散岩土溶洞水裂隙水孔隙水裂隙水存在和运动于坚硬岩石的裂隙中岩溶水存在和运动于可溶性岩石的溶洞中1、按岩石空隙性质分类的地下水第20页,共75页，2024年2月25日，星期天（潜水面）2、潜水3、承压水包气带2、按埋藏条件分类的地下水饱水带1、上层滞水第21页,共75页，2024年2月25日，星期天1、包气带水和上层滞水存在于包气带中的水叫做包气带水，以气态水、吸着水、薄膜水和毛细管水的形式存在，农业上称为土壤水。其中局部隔水层上的重力水称为上层滞水。饱水带包气带潜水面局部隔水层上层滞水地表第22页,共75页，2024年2月25日，星期天（1）有关潜水埋藏的术语：2、潜水潜水含水层厚度：潜水面至隔水层顶面的距离潜水位：潜水面上任一点的标高潜水埋藏深度：潜水至地表的距离潜水面：潜水的自由表面埋藏在地表以下、第一个稳定的隔水层以上，具有自由水面的重力水。第23页,共75页，2024年2月25日，星期天承压水盆地剖面示意图1—隔水层；2—含水层；3—地下水位；4—地下水流向；5—上升泉；6—钻孔，虚线为进水部分；7—自流钻孔；8—大气降水补给；H—承压水头高度；M—含水层厚度3、承压水（自流水）初见水位=含水层顶板标高；承压水位=稳定后的水位标高水头高度H=承压水位-初见水位H第24页,共75页，2024年2月25日，星期天1、上层滞水的一般特征（1）一般分布不广；（2）季节性存在，存在时间的长短受其下部隔水层分布范围及包气带厚度控制，其动态变化与气候及水文因素的变化关系密切；（3）补给区和分布区一致；（4）一般只能作小型或暂时性供水水源，对采矿几乎没有影响。第25页,共75页，2024年2月25日，星期天第26页,共75页，2024年2月25日，星期天2、潜水的特征①潜水具有自由水面，为无压水；②潜水的分布区和补给区基本上是一致的；③在重力作用下，潜水可以由水位高处向水位低处运动，形成潜水径流。④平原区主要以蒸发形式排泄，易形成盐碱地；高山丘陵区则以泉、地下渗流形式排泄于地表沟谷或地表水体。⑤潜水的动态如水位、水温、水质、水量等要素随季节不同有明显变化。1）潜水的一般特征：2）潜水面形状及其表示方法（水文地质剖面图和潜水等水位线图）第27页,共75页，2024年2月25日，星期天一般情况下，潜水面是呈向排泄区（如相邻沟谷、河流、湖泊等）倾斜的曲面。潜水面的形状与地形、含水层的透水性及厚度、气象水文条件、人工抽水和排水等因素有关。1、含水砂；2、含水砾石；3、隔水底板；4、流向潜水面的形状第28页,共75页，2024年2月25日，星期天1—砂土；2—粘性土；3—潜水面；4—钻孔；5—钻孔编号×××水文地质剖面图第29页,共75页，2024年2月25日，星期天潜水等水位线图第30页,共75页，2024年2月25日，星期天等水位线图的用途

①确定潜水的流向及水力坡度②确定潜水的埋藏深度、泉水出露点和沼泽化范围

③提供合理的取水位置④确定潜水与地表水的相互补给关系⑤确定含水层厚度⑥分析推断含水层透水性及厚度变化第31页,共75页，2024年2月25日，星期天潜水的流向：垂直等水位线从高水位指向低水位的方向，常用箭头表示；两点间的平均水力坡度：在流动方向上，任意两点的水位差除以该两点间的实际水平距离第32页,共75页，2024年2月25日，星期天第33页,共75页，2024年2月25日，星期天（a）潜水补给河水；（b））河水补给潜水；（c）河水一岸得到潜水补给，另一岸则河水补给潜水。第34页,共75页，2024年2月25日，星期天埋藏深度：某点地面标高减去该点潜水位。如A点埋藏深度=135-115=20米115135A第35页,共75页，2024年2月25日，星期天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（沼泽区）；6、埋深0~2m区；7、埋深2~4m；8、埋深大于4m区第36页,共75页，2024年2月25日，星期天11595135隔水层A含水层厚度=该点潜水位与隔水顶板标高之差。如A点含水层厚度=115-95=20米第37页,共75页，2024年2月25日，星期天利用等水位线图分析推断含水层透水性及厚度变化

若等水位线由密变疏，说明潜水面坡度由陡变缓，可以推断含水层透水性由弱变强或含水层厚度由薄变厚。反之，则可能是含水层透水性变弱或厚度变薄1、含水砂；2、含水砾石；3、隔水底板；4、流向第38页,共75页，2024年2月25日，星期天3、承压水的特征

(1)承压性，为有压水，其顶面为非自由水面；(2)承压水的分布区与补给区不一致；(3)承压水在静水压力作用下，可以由高水位向低水位运动，形成承压水的径流；(4)承压水的水位、温度和矿化度等受气候、水文因素等的影响较小；(5)承压水的水质变化大，从淡水直到矿化度很高的卤水都有。1、形成承压水的地质构造：自流盆地和承压斜地2、承压水的一般特征：3、等水压线图及其作用第39页,共75页，2024年2月25日，星期天（1）自流盆地：形成承压水的向斜或盆地构造第40页,共75页，2024年2月25日，星期天（2）承压斜地：单斜储水构造承压斜地剖面示意图（a）含水层尖灭形成的承压斜地；（b）单斜构造形成的承压斜地；（c）阻水断层形成的承压斜地；（d）导水断层形成的承压斜地第41页,共75页，2024年2月25日，星期天3）等水压线图及其应用（1）确定水流方向及水力坡度（2）确定承压含水层的埋藏深度（3）确定承压水位的埋藏深度（4）确定水头高度第42页,共75页，2024年2月25日，星期天1、孔隙水含水层松散未经胶结，这些松散层包括第四系及部分第三系沉积岩和坚硬基岩的风化壳。可为潜水或承压水。水量的大小取决于含水层的成因类型、岩性结构、颗粒成分、厚度和分布面积，当井筒施工通过第四系松散含水层或开采接近含水层底板，出现涌水、涌砂、片帮：当第四系含水层与矿体上覆基岩含水层有水力联系时，成为矿坑充水的主要水源。第43页,共75页，2024年2月25日，星期天2、裂隙水（1）风化裂隙水（2）成岩裂隙水（3）构造裂隙水是赋存在风化裂隙中的地下水，受风化裂隙的分布和发育程度控制，多分布于出露基岩的表层，新鲜的基岩为含水层的下限，绝大多数为潜水，受大气降水补给。是指岩石形成过程中产生的裂隙中的地下水，主要的成岩裂隙水包括玄武岩中的地下水和接触带地下水。是指赋存于地壳运动产生的裂隙中的地下水，主要的埋藏于沉积岩、变质岩的节理及片理等裂隙中的层状地下水和埋藏于构造破碎带中的脉状地下水。第44页,共75页，2024年2月25日，星期天3、岩溶水岩溶的发育规律岩溶发育的基本条件地质构造对岩溶发育的控制作用岩溶水的储存形式地下河岩溶地下水脉岩溶水的基本特征

返回第45页,共75页，2024年2月25日，星期天岩溶发育的基本条件1、岩石的可溶性可溶岩的岩性愈纯，含易溶组分就愈多，岩溶也愈发育。2、岩石的透水性岩石的透水性愈好，水就愈容易进入岩石内部进行溶蚀。3、水的流动条件地下水径流愈强烈，侵蚀性CO2含量愈多，岩溶也愈发育。返回第46页,共75页，2024年2月25日，星期天地质构造对岩溶发育的控制作用1、控制机理（1）地质构造破坏了岩石的完整性，使岩石的渗透性能增强，提高岩石与含侵蚀性CO2水接触的机会，因而提高了岩溶发育程度；（2）地质构造控制了地下水流动的方向，从而控制了岩溶发育的范围和延伸方向。2、控制形式（1）岩溶主要沿断裂带发育（2）岩溶常在褶曲轴部或平行于褶曲轴成带状发育（3)构造体系控制岩溶的空间分布规律；构造复合关系对岩溶发育的尤其有利。返回第47页,共75页，2024年2月25日，星期天岩溶水的基本特征（一）岩溶水的分布特征1、总的来说富水性较强，但含水极不均匀；2、岩溶有向深部减弱的规律，使含水层的富水性也呈现垂向上的强弱分带性；3、岩溶水在水力联系上有明显的各向异性。

（二）岩溶水的埋藏特性岩溶水可以是潜水，也可以是承压水。（三）岩溶水的循环特征岩溶水主要由大气降水和地表水补给，并以集中径流和集中排泄为特点。因此，在石灰岩裸露区不仅缺乏地表水，而且地下水露头也很少，常表现出严重缺水现象。返回第48页,共75页，2024年2月25日，星期天§4地下水的循环一、地下水的补给二、地下水的排泄三、地下水的径流四、地下水补、径、排条件的改变第49页,共75页，2024年2月25日，星期天（一）地下水的补给1、概念：含水层从外界获得水量的作用。2、补给来源：（1）

大气降水的补给（2）

地表水的补给（3）

凝结水的补给（4）

含水层之间的补给（5）

人工补给。第50页,共75页，2024年2月25日，星期天大气降水补给第51页,共75页，2024年2月25日，星期天地表水补给第52页,共75页，2024年2月25日，星期天含水层之间的补给越流：当抽水含水层的顶、底板为弱透水层时，在抽水含水层抽水的条件下，由于水头降低，和相邻含水层之间产生水头差，相邻含水层通过弱透水层与抽水含水层之间发生水力联系，这种水力联系称为“越流”第53页,共75页，2024年2月25日，星期天人工补给第54页,共75页，2024年2月25日，星期天（二）地下水的排泄1、概念：含水层失去水量的过程2、排泄方式：（1）泉水排泄（2）向地表水排泄（泄流）（3）蒸发排泄（土面蒸发和叶面蒸发）（4）不同含水层之间的排泄第55页,共75页，2024年2月25日，星期天（三）地下水径流

1、概念：地下水在岩石空隙中的流动过程

2、地下径流产生原因：根本原因是地下水循环。大气降水或地表水通过包气带向下渗漏，补给含水层成为地下水，地下水又在重力作用下由水位高处向水位低处流动，最后在地形低洼处以泉的形式排出地表或直接排入地表水体，如此反复地循环是地下水径流产生的原因。

3、影响因素：地下径流的方向、速度、类型、径流量主要受含水层的空隙性、地下水的埋藏条件、补给量、地形、地下水的化学成分以及人为因素的影响。第56页,共75页，2024年2月25日，星期天（四）地下水补、径、排条件的转化1、自然条件改变引起的转化（1)河流水位变化(2)地下分水岭的改变

2、人类活动引起的变化(1)修建水库(2)人工开采和矿区排水(3)农田灌溉和人工回灌

第57页,共75页，2024年2月25日，星期天（1)河流水位变化第58页,共75页，2024年2月25日，星期天(2)地下分水岭的改变改变原因：地壳升降运动、自然条件的变化以及岩溶地区地下水的袭夺等。第59页,共75页，2024年2月25日，星期天§6地下水运动的基本规律返回一、地下水运动的特点二、地下水运动的基本规律三、地下水向井的运动的基本规律四、水文地质参数的确定第60页,共75页，2024年2月25日，星期天一、地下水运动的特点1、水流通道曲折复杂；2、流速迟缓；3、一般呈层流运动，个别条件下呈紊流运动；4、绝大多数情况下为非稳定流运动。返回第61页,共75页，2024年2月25日，星期天1、地下水运动的流动通道平均直线水流通过研究通道内平均直线水流（假想水流）的运动特征，掌握真正水流的运动规律。水量，水头、阻力相等假想水流代替真正水流的条件：返回第62页,共75页，2024年2月25日，星期天2、地下水的流速地下水在曲折的通道中缓慢地流动称为渗透，或称渗透水流。

：一般几m/d，甚至<1m/d返回第63页,共75页，2024年2月25日，星期天（1）层流运动：在岩石空隙中渗透时，水质点有秩序的、互不混杂的流动称作层流运动(a)（2）紊流运动：水流质点无秩序地、互相混杂的流动，称为紊流运动(b)。3、地下水运动的基本状态大孔隙，大裂隙，大溶洞，取水构筑物附近返回第64页,共75页，2024年2月25日，星期天4、地下水运动随时间的变化规律稳定流：流量(Q)、流速（V）和水位（S）不随时间变化非稳定流：流量(Q)、流速（V）和水位（S）随时间变化返回第65页,共75页，2024年2月25日，星期天二、地下水运动基本规律1、线性渗透定律（达西定律）

Q=K··ω=K·I·ω=ν·ω（层流运动）2、非线性渗透定律（1）哲才公式：或（紊流运动）（2）斯姆莱公式：（1<m<2）（混合运动）返回第66页,共75页，2024年2月25日，星期天1、线性渗透定律达西定律地下水作雷诺数很小（Re<1~10）的层流运动时满足达西定律，即：Q=K··ω=K·I·ω=ν·ω

Re=其中u为地下水实际流速，d为孔隙的直径，γ为地下水地运动粘滞系数m2/d）Q—渗流量（m3/d）；L—渗流途径长度（m）；h—在渗流途径L长度上的水头损失（m）；ω—渗流的过水断面面积（m2）；K—渗透系数（m/d）；I—水力坡度，单位渗流途径上的水头损失（无量纲）；ν—渗透速度；

返回地下水在孔隙中的实际流速：

U=

n—岩石的孔隙度