水文地质学课件

第二章地下水的赋存地下水的来源包气带和饱水带含水层与隔水层地下水分类潜水和承压水(层间水)的基本特点

岩石中的空隙和水分第一节地下水的来源和赋存形式一、地下水的来源—渗入水—沉积水—再生水—初生水—有机成因水二、岩石中的孔隙和水分岩石中的孔隙可分为三类：

孔隙、裂隙和溶孔1、岩石中的孔隙2、有关空隙的几个基本概念

孔隙：组成松散岩石的颗粒或颗粒集合体之间的空隙；裂隙：应力作用下坚硬岩石破裂变形产生的。可分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙；

溶孔（洞）：可溶的沉积岩在地下水溶蚀下产生的空洞；

孔隙度φ：某一体积V岩石中孔隙体积Vn所占的比例

φ=Vn/V

裂隙率Kr：裂隙体积Vr与包括裂隙在内的岩石体积V的比值

Kr=Vr/V

溶岩率K：溶穴的体积Vk与岩石总体积V的比值

K=Vk/V3、影响孔隙度大小的因素（1）颗粒的排列方式 立方体排列，紧密，孔隙度大； 四面体排列，松散，孔隙度小。（2）颗粒分选程度 分选好，孔隙度大；分选差，颗粒大小悬殊，细小颗粒充填于粗大颗粒之间，孔隙度降低。（3）颗粒形状 颗粒形状不规则→→排列松散→→孔隙度大（4）粘性土的结构和次生孔隙 带电粘粒→→聚合→→结构孔隙→→孔隙度增大 次生孔隙（虫洞、根孔、干裂缝）发育→→孔隙度增大

4、空隙的特点

特点孔隙连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少都很接近，赋存于其中的地下水分布与流动比较均匀。裂隙主要为线状缝隙，宽窄不等，长度有限，往往具有一定方向性。连通性较孔隙为差。赋存于其中的地下水相互联系较差分布与流动往往是不均匀的。溶洞（孔）大小悬殊，分布较不均匀，赋存于其中的地下水分布与流动也极不均匀。岩石中的各种空隙孔隙、裂隙和溶穴三、岩石中水的存在形式

地壳岩石中的水岩石“骨架”中的水沸石水结晶水结构水

岩石空隙中的水结合水强结合水弱结合水液态水重力水毛细水固态水

气态水

②固态水：指岩石中温度在0℃以下的重力水。即以冰的形态出现的重力水，常分布在季节性和永久性冰结地区。

①气态水：以水蒸气的形成储存在地下的水。

③结合水：

指受固相表面的引力大于水分子自身重力，束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动的那部分水。

强结合水：也称吸附水或吸着水.

以单独的水分子状态包围在岩石颗粒表面的水。这种水靠水分子对岩石的吸附力而停留在岩石的颗粒上，其吸附力可达101325Mpa。只能在加热时才能被排出。

a水分子排列紧密，不能流动；

b密度大，2.0g/㎝3,在零下78℃时尚不能结冰；

c没有溶解能力，不能溶解盐类;d不受重力作用,不传递导静水压力,不导电；

e很难用机械的方法把它与颗粒分开，只有当空气中的饱和差很大或105℃才能将他们分开f具有极大的粘滞性和弹性。强结合水特点：弱结合水（薄膜水）是吸着水外圈以薄膜形式发展变厚的过程中形成的。它是由静电引力或分子力支撑着的，厚度可达数百个水分子直径。特点：a、水分子排列不如强结合水规则和紧密，水分子离岩石颗粒表面越远，结合力越小；b、外层能被植物吸收利用；c、不受重力支配，不能导电、不能传递静水压力；d、密度和普通水差不多，但有极大的粘滞性e、有较低的溶解盐能力结合水与重力水③

重力水亦称自由水在重力作用下能自由运动的地下水称为重力水。特点内层重力水→层流运动外层重力水→易转为紊流运动④毛细水

在岩石毛细孔隙中或孔道狭窄部分的水。

岩石中的细小孔隙有如自然界的毛细管，水在其中能产生毛细运动。因此在地下水面以上便形成了一个普遍的毛细上升带。支持毛细水与悬挂毛细水毛细水的类型Δ支持毛细水是在毛细力作用下，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支持。Δ悬挂毛细水

是细粒层次与粗粒层次交互成层时，在一定条件下，由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层中保留下的与地下水面不相连接的毛细水。Δ孔角毛细水是悬留于包气带中颗粒接触点上的毛细水。毛细水特点：毛细水能够传递静水压力，具有溶解能力，其性质近似于普通水。在多孔介质中毛细水的运动不服从达西定律，而受毛细管力的控制。⑤

岩石骨架中的水。保存于矿物结晶格架中，已成为矿物组成部分的水.结晶水－

当矿物中水的组成比例固定不变时称结晶水。如石膏（CaSO4•2H2O）芒硝(Na2SO4•10H2O)

结构水－以OH或H的形成参与矿物组分，彼此结合紧密。只有当矿物结构破坏后，并加热到400℃至500℃时才能分离出来的，这种水称为结构水如水铝石（AlO•OH），白云母[K·H]2Al2Si2O3）等矿物。沸石水－当所含水比例可变且易脱出时称沸石水如蛋白石（SiO2•nH2O）、方沸石（NaAl2Si4O2•nH2O）。四、与水分的储容和运移有关的岩石性质1．基本概念（1）容水度－指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积比值。一般说来容水数值上与孔隙度相当。孔隙体积的多少可用孔隙来表示。对于具有膨胀性的粘土，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度（2）重量含水量（Wg）

指松散岩石孔隙中所含水的重量（Gw）与干燥岩石重量（Gs）的比值。Wg=Gw/Gs×100%（3）体积含水量（Wv）

指含水的体积（Vw）与包括孔隙在内的岩石体积（V）的比值。Wv=Vw/V×100%

（4）持水度

指饱水岩石在重力作用下释水后，岩石中保持的水的体积与岩石体积之比。

这部分滞流在岩石空隙中不能自由释出的水包括结合水及孔角毛细水，有时也可能包括一部分悬挂毛细水。

颗粒细小的粘土砂的持水度砾石和具有宽大裂隙或溶穴的岩石（5）给水度

指地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体在重力作用下释放的水的体积。

地下水面下降时，水位变动范围原先饱水岩石及毛细水带中的水，将因重力作用而下移，并部分释出。例：地下水位下降2m，1m2水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水为0.2m3（换算为水柱高度为0.2m），则给水度=0.2/2×100%=10%(0.1)。最大给水度等于岩石的容水度减去持水度2．影响岩石给水度的因素

（1）空隙多少和大小粗粒松散岩石具宽大裂隙及溶穴的坚硬岩石给水度接近容水度（2）均质松散岩层中地下水位埋深及水位下降速率地下水位埋深<最大毛细保持高度→给水度小（一部分重力水转成毛细水）

水位下降速率大→给水度小（释水滞后效应）3．影响岩层透水性的因素决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小，孔隙直径愈小，透水性愈差。当孔隙直径小于两倍结合水层厚度时，在寻常条件下就不透水。只有在孔隙大小相等的前提下，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。第二节地下水及其分类1.基本概念（1）广义地下水：赋存于地面以下岩石空隙中的水；（2）狭义地下水：赋存于饱水带岩石空隙中的水；（3）地下水埋藏条件：含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水层限制的情况。2.地下水分类地下水按埋藏条件可分:

上层滞水潜水承压水（层间水）按其储存空隙的种类又可分:

孔隙水裂隙水岩溶水。向斜构造或单斜断块被掩覆的各类岩溶化岩层中的水向斜构造或单斜断块的被掩覆的各类裂隙岩层中的水山间盆地及平原松散沉积物深部的水承压水裸露于地表的岩溶化岩层中的水裸露于地表的各类裂隙岩层中的水各类松散沉积物浅部的水潜水裸露岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水裂隙浅部岩层季节性存在的毛细水及重力水土壤水局部粘性土隔水层上季节性存在的重力水（上层滞水）过路及悬留毛细水及重力水包气水带岩溶水裂隙水孔隙水类型第三节包气带、饱水带含水层与隔水层包气带：地下水面以上，分为土壤水带、中间带和毛细水带饱水带：地下水面以下一、包气带和饱水带二、含水层和隔水层

1、根据岩层透过和给出水的能力，饱水带岩层可划分为含水层和隔水层。（1）隔水层―起着阻隔水透过作用的细小的岩层，称为隔水层

空隙细小的岩层（如致密粘土、页岩）含的几乎是结合水，结合水在寻常条件下是不能移动的，这类岩层实际上起着阻隔水透过的作用，所以是隔水层。（2）含水层--在水头差作用下能够透过和给出水的岩层称为含水层。

空隙较大的岩层（如砂砾岩，发育溶洞的可溶岩），主要含有自由水，在水头差作用下能够透过和给出水则构成了含水层。

2、含水层与隔水层划分还要就实际需要来定（需求大小）。

3、相对性

划分依据含水层类型特征空隙类型孔隙含水层空隙介质中裂隙含水层裂隙介质中岩溶含水层溶隙介质中埋藏条件潜水含水层含水层上无隔水层，承压含水层含水层上有隔水层，渗透性能空间变化均质含水层渗透系均质各向同性非均质含水层渗透系非均质各向异性4含水层的类型1、上层滞水--当包气带中存在局部隔水层时，在局部隔水层上积聚具有自由水面的自由水，这便是上层滞水。

三、上层滞水和潜水2、潜水潜水：饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称为潜水。潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。3、潜水面：潜水的水面为自由水面，称为潜水面。（1）从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层厚度（H）。

（2）潜水面到地面的距离为潜水埋深（T）。（3）潜水流动方向：潜水通常在重力作用下由水头高的地方向水头低的地方径流。泉水流和泉水湖有两种：径流排泄—径流到适当地形处，以泉、渗流等形式泄出地表或汇入地表水，这是蒸发排泄—通过包气带进入大气。砂含水砂粘土泉（4）潜水的排泄方式潜水直接通过包气带与大气圈及地表水圈发生联系。所以气象、水文因素的变动对它影响较明显。丰水季节（年份）：补给量>排泄量，则潜水面上升，含水层厚度上升，埋藏深度变浅。干旱季节：排泄量>补给量，潜水面下降，含水层厚度变薄，埋藏深度加大。因此潜水的动态有明显的季节性变化。（5）潜水面的变化（6）潜水面的形状可以是水平、倾斜的或抛物线等，或者也可以是各种形状的组合。最常见的潜水面形状为倾斜的曲面。受重力影响，潜水由潜水面高处向低处渗流形成“潜水流”（或称潜流），向地处的低凹地区（如河谷、冲沟）等排泄。（7）潜水面的表示方法

a剖面图：按一定比例，在有代表性的剖面线上绘制的水文地质剖面图，其中，应表示出潜水位、含水层、隔水层厚度、岩性及其变化等。b平面图：即潜水势（头）和潜水等水势（头）线图：潜水面上各点的高程称作潜水势（头），将潜水势（头）相等的各点连线，即得潜水等水势（头）线图。该图可反映潜水面形状。

c潜水等水势（头）线图的用途：

1）确定潜水流向

2）确定水力坡度

水力坡度是指单位渗透途经（水平距离）上的水头损失。或者说，水力坡度是沿渗透途经的水头降与渗透途经长度的比值：

I=h/l

I－水力坡度，无因次量

h-渗透途经上两点的水位差（或落差），m

l-渗透途经上两点的水平距离，m（8）潜水流量和流速的测定自然界中潜水运动缓慢，一般作层流运动，其运动规律服从达西定律，即潜水的运动速度与水力坡度成正比。

V=IKV－渗流速度，cm/s或m/dI－水力坡度，无因次量

K－渗透系数，cm/s或m/d

渗透系数取决于岩性、流体性质（密度、粘度）、外界条件（温度、压力）。

四、层间水（承压水）1、层间水——充满于两个隔层之间含水层中的水叫层间水，亦称地层水、自流水、承压水等。层间水层上部的隔水层称作隔水顶板，下部的隔水层叫做隔水底板。HM含水层厚度：顶底板之间的距离为含水层厚度承压水位埋深（H）承压水初见水位（H1）承压水位（测压水位）(H2)特点：a、有稳定的隔水顶板和底板，没有自由水面，水体承受静水压力；b、与外界联系较差，水位、水量、水质等受气候因素的影响较小，富水性好的承压含水层是理想的供水水源；c、具有补给区、承压区和排泄区；ｄ、地下水体充满整个含水层，否则是潜水承压水（层间水）主要特点2、最适宜形成承压水的两种地质构造（1）向斜盆地（2）单斜地层

a、透水层和隔水层相间分布的承压斜地b、含水层发生变相或尖灭形成的承压斜地c、含水层被断层所阻形成承压斜地

d、倾入体阻截承压斜地3、水头自测压水位到含水层顶面的垂直距离（h）。水头取决于供水区和泄水区的相对高差。正水头负水头正水头：测压水位高于该点的地形高程负水头：测压水位低于该点的地形高程★水头大小用水柱高度来表示：h=10P/ρh:水头,m；P:静水压力atm(按10m淡水柱＝1atm计)；ρ：水的相对重度，无因次。层间水自溢区★等水头图等水头线含水层顶板等高线地形等高线潜水含水层——潜水面变化。层间含水层——反映在水头的变化。层