第7章 地下水资源及其基本特征.ppt

1、第7章地下水资源及其基本特征,广义地下水:指存在于地表以下土壤和岩石空隙中的不同形式水的统称,狭义地下水:特指饱和带中岩土空隙中的重力水,7.1地下水系统的组成与结构,7.1.1地下水的存储空间,1.含水介质、含水层和隔水层,(1)含水介质：自然界的岩石、土壤均是多孔介质，在他们的固体骨架间存在着形状不一、大小不等的孔隙、裂隙或溶隙，其中有的含水，有的不含水，有的虽然含水却难以透水。通常把既能透水，又饱含水的多孔介质称为含水介质,(2)含水层：指储存地下水，并在自然状态或人为条件下，能够流出地下水的岩体。由于这类含水的岩体大多成层状，故名含水层。如砂层、砂砾石层等。,(3)隔水层：指那些既不能

2、给出又不能透过水的岩层，或者它给出或透过的水量都很少。如质地致密的火成岩、变质岩，以及孔隙细小的页岩和粘土层均可成为良好的隔水层。,(4)构成含水层的条件：储水空间（前提条件）：空隙储水构造：保存住地下水的地质构造，即下部有隔水层托住重力水，并在水平方向上具有某种隔水边界良好的补给来源,2.含水介质的空隙性和水理性,(1)含水介质的空隙性空隙的多少、大小、均匀程度及其连通情况，直接决定了地下水的埋藏、分布和运动特性松散沉积物颗粒之间的空隙称为孔隙坚硬岩石因破裂产生的空隙称为裂隙(成岩裂隙、构造裂隙等)可溶性岩石中的空隙称为溶隙,-孔隙率(孔隙度)孔隙体积与包括孔隙在内的岩土体积之比.它是反映含

3、水介质特性的重要指标,孔隙率只有孔隙数量多少的概念,并不说明孔隙本身的大小,-岩溶率溶隙的体积与包括溶隙在内的岩石体积之比溶隙与裂隙相比较,在形状、大小等方面显得更加千变万化,-裂隙率裂隙体积与包括裂隙在内的岩土体积之比.与孔隙相比裂隙的分布具有明显的不均匀性.,岩土的空隙，虽然为地下水提供了存在的空间，但水能否自由的进出这些空间，以及岩土保持水的能力，却与岩土表面控制水分活动的条件、性质有很大的关系。这些与水分的储容、运移有关的岩石性质，称为含水介质的水理性质,(2)含水介质的水理性质（容水性、持水性、给水性、透水性）,-容水性指在常压下岩土空隙能够容纳一定水量的性能,以容水度来表示容水度:

4、岩土空隙能够容纳水量的体积与岩土总体积之比容水度和空隙度的关系？,-持水性饱和岩土在重力作用下释水时,在分子力和毛管力的作用下,能在其空隙中保持一定水量的性能,用持水度来衡量.持水度:饱和岩土经重力排水后所保持水的体积与岩石体积之比.,岩石颗粒越细,空隙越小,持水度越大.,-给水性饱和岩土在重力作用下,能自由排出水的性能,用给水度来衡量.给水度:饱水岩土在重力作用下能排出水的体积与岩石体积之比（给水度与容水度、持水度的关系？）,-透水性在一定条件下,岩土允许水透过的能力,用渗透系数(K)表示.岩石透水性能主要取决于岩石空隙的大小和连通程度,其次才和空隙的多少有关.渗透系数具有与渗透速度相同的量

5、钢(m/d,cm/s).渗透系数K值小于0.001m/d的岩土,列入隔水层,0.001m/d的岩土属透水层,渗透性好的岩层,一定能形成含水层?,1.地下水流系统的基本特征,7.1.2地下水流系统,(1)空间上的立体性,地下水流系统往往自地表面起可直指地下几百米上千米处,形成空间立体分布,并自上到下呈现多层次的结构,2.地下水域,地下水域就是地下水系统的集水区域.地下水域受岩性地质构造的控制,并以地下的隔水边界及水流系统之间的分水界面为界,往往涉及很大深度,表现为立体的集水空间与地表水流域相比,地下水域范围的变化要快速的多.每一个地下水域在地表上均存在相应的补给区与排泄区,其中,补给区由于地表水

6、不断地渗入地下,地面常呈现干旱缺水状态,而在排泄区则由于地下水的流出,增加了地面上的水量,因而呈现相对湿润的状态,7.1.3地下水系统垂向结构,1.地下水垂向层次结构的基本模式,自地表起至地下某一深度出现不透水层基岩为止,可区分为包气带和饱和带两大部分,(1)包气带,-土壤水带从地表向下直到植物的主根带,厚度随土壤和植物类型而变化.土壤水是农作物根系供水的来源.,土壤水带中的水分形式主要有结合水、毛管水和一些过路的性质的重力水。,-中间带界于土壤水带的下界与毛细水带之间中间水带的水分形式主要有气态水、结合水和毛管水,-毛管水带自潜水面向上扩展，其厚度取决于岩土的性质和空隙大小,(2)饱和带,饱

7、和带岩石的所有空隙空间均为水所充满，有重力水、结合水：潜水和承压水,以上是地下水层次结构的基本模式,在具体的水文地质条件下,各地区地下水的实际层次结构不尽一致.有的层次可能充分发育,有的则不发育,2.地下水不同层次的力学结构,（1）结合水：分子力,（2）毛管水（岩土中的空隙小于1mm）：重力和毛管力,（3）重力水:发生渗透移动时，形成渗透重力水饱和带中的重力水：,7.1.3地下水系统垂向结构,7.2地下水的基本类型,7.2.1地下水基本类型的划分,1.按地下水的储存条件分类,(1)包气带水结合水(吸湿水、薄膜水)毛管水（悬着毛管水、上升毛管水）重力水（上层滞水、渗透重力水）,(2)饱和带水潜水

8、承压水,2.按岩石的储水空隙的差异分类,孔隙水裂隙水岩溶水(重庆市喀斯特水占地下水总量的78%),7.2.2包气带水,1.土壤水,位置：地表附近（0.5m左右）土壤层中的水类型：结合水、毛管水补给来源：降水入渗、水汽凝结和地下潜水的补给,2.上层滞水,（1）顶界面:上层滞水的水面（2）季节变化强烈（3）分布区与补给区一致,7.2.3饱和带水,1.潜水,(1)潜水的概念和主要特征,-潜水:赋存于地表之下第一个稳定隔水层之上,具有自由水面的含水层中的重力水,-表征潜水特征的参数:潜水位:潜水面上任一点的海拔高程(HA)潜水埋深:潜水面距地表的垂直距离(h)潜水含水层厚度:潜水面至隔水底板的距离(m

9、A)潜水面的水力坡度:潜水流动方向上单位距离的水位差,-潜水的主要特征,潜水面是一个仅承受大气压力的自由水面潜水在重力作用下,形成潜水流潜水的排泄方式有径流排泄和蒸发排泄大多数情况下,潜水的分布区与补给区一致潜水动态具有季节性变化的特点,(2)潜水面的形状,潜水面虽然是一个自由水面,但由于受到埋藏地区的地形、岩性和水文等条件的制约和影响，可以呈现倾斜、抛物线和水平等多种形状,-潜水面与地形的关系,一般情况,潜水面的形状与地形有一定程度的一致性,二者起伏一致,但潜水面的坡度比地面起伏要平缓得多.,-潜水面与含水层渗透性能及厚度的关系,一般规律是若岩性颗粒变粗,则含水层透水性增强,潜水面坡度趋向平

10、缓,当含水层沿潜水流向增厚,潜水面坡度也变缓,反之则变陡,-潜水湖与潜水流,地表水体附近潜水面的形状,-大气降水、蒸发对潜水面的影响（图7-11）,(3)潜水面表示方法,-绘制水文地质剖面图在研究区域内选择代表性剖面线，在地质剖面图上，将已知各点的潜水位联接而成,它可以反映潜水面形状与地貌、含水层岩性及隔水底板的关系等。,-绘制潜水等水位线图潜水等水位线图就是潜水面的等高线图,-潜水等水位线图潜水等水位线图的绘制:计算各点水位各点水位=孔口标高-潜水埋深利用内插法,按一定间距内插各点将水位相同的各点连成圆滑曲线,即潜水等水位线,-潜水等水位线图潜水等水位线图的应用:,确定潜水流向:等水位线的垂

11、直方向,确定水力坡度,求任一点潜水埋深:,确定地表水和潜水的相互补排关系,分析推断含水层岩性或厚度变化,2.承压水,(1)承压水的概念和主要特征,-表证承压水特征的参数承压含水层的厚度(M)初见水位承压水位（测压水位）承压水头(H),-承压水:充满在两个稳定不透水层(或弱透水层)之间的重力水称为承压水,-承压水的主要特征,承压性,分布区和补给区不一致,受外界影响相对较小，动态变化相对稳定,承压含水层厚度变化较小，不受降水季节变化的支配,承压水水质类型多样,(2)承压水的形成,承压水的形成主要取决于地质构造条件,最适宜于承压水形成的地质构造是向斜构造和单斜构造,-向斜盆地构造,典型的向斜盆地蓄水

12、构造,这种盆地又称承压盆地或自流盆地,它可以是大型的复式结构,亦可以是单一的向斜构造,-承压斜地构造：又称自流斜地,它主要由单斜岩层组所组成.它的重要特征是含水层的倾末端具有阻水条件,其一,是透水层和隔水层相间分布,并向一个方向倾斜,地下水充满在两个隔水层之间的透水层中,便形成承压水.最常见的是图7-15所示的山前承压斜地,其二,是含水层发生相变或尖灭形成承压斜地含水层上部出露地表,下部在某一深度处尖灭,既岩性发生变化,由透水层逐渐转化为不透水层,形成承压条件(图7-16),-承压斜地构造：,其三,是由于含水层倾末端被阻水断层或阻水岩体封闭(图7-7),7.2.4空隙水,1.孔隙水,孔隙水是指

13、埋藏于松散岩层孔隙中的水,即可形成承压水,也可以形成无压水在我国,孔隙水主要储存于第四纪和第三纪末胶结的松散岩土层中,(1)孔隙水的特点孔隙水分布及水量相对比较均匀,连续性好,具有统一的地下水面孔隙水多呈层状分布孔隙水的运动大多属于层流运动,()孔隙水的类型,根据沉积物的成因类型和地貌条件分为,山前倾斜平原孔隙水河谷地区孔隙水冲积平原孔隙水山间盆地孔隙水黄土地区孔隙水沙漠地区孔隙水,-山前倾斜平原孔隙水,山前倾斜平原常由冲积洪积物和山麓的坡积物形成的冲-洪积扇和洪积裙组成,根据地下水埋深、径流条件和水化学特征，一般可分为3个水文地质带：深埋带（）；浅埋溢出带（）；垂直交替带（）,位置;坡度;沉

14、积物特点;地下水埋深;岩层的透水性和给水性;水质特点;径流特点,7.2.4空隙水,2.裂隙水,裂隙水是指赋存于坚硬岩石裂隙中的地下水裂隙水主要受地质构造的控制，裂隙的类型、性质和发育程度等直接影响裂隙水的埋藏、分布和运动规律,(1)裂隙水的特点裂隙水分布不均及水力联系各向异性裂隙水的分布形式可呈层状、脉状或带状分布孔隙水的运动大多呈层流状态，也可呈紊流状态,()裂隙水的类型（按裂隙成因）,风化裂隙水成岩裂隙水构造裂隙水,.岩溶水,赋存和运移于岩溶空隙中的地下水便是岩溶水。岩溶水不仅是一种具有特殊性质的地下水，而且也是一种活跃的地质营力。,岩溶水的分布极不均匀，地下径流动态不稳定,透水性能各向异

15、性岩溶含水层的水量往往比较丰富层流和紊流并存,岩溶水的特征,7.3地下水运动的基本规律,7.3.1概述,(1)基本概念:渗流:地下水在岩石空隙中的运动渗流场:渗流所占据的空间,(2)渗流的运动要素:渗流速度、渗流量、渗流压强、水头等,(3)渗流的类型:稳定运动和非稳定运动,7.3.2重力水运动的基本规律,7.3.2.1线性渗透定律线性渗透定律是描述重力水渗流现象的基本方程.最早是由法国水力学家达西通过均质沙粒的渗透实验得出的.,渗透流量Q与水位差(h1-h2)成正比:,-渗透系数,米/日A-实验管的横截面积,米2L-土样长度(渗透路径长),米,（7-1）,（1）达西公式,根据Q、F与V的关系,

16、（7-2）,（2）达西定律的适用范围,层流状态的水流流速比较小（雷诺系数Re10）,式（7-1）和（7-2）就是达西公式,Re表示惯性力与粘滞力之比,7.3.2.2渗透流速,F=F1+F2F1=nF(n为空隙度),地下水的实际流速是地下水流在岩石空隙中的实际平均流速：,7.3.2.3渗透压强与测压管高度,渗透压强:在静水中有静水压强,动水中有动水压强,在地下水流中同样也有压强(动水压强),水文地质学中称其为渗透压强.,测压高度:用水柱高度表示渗透压强的大小,P-渗透压强;-地下水的重率,n/m3,重率(容重、重率)：液体单位体积所具有的重量,7.3.2.4水头和水力坡度,(一)水头,1.水头的概念:单位重量水体所具有的能量,2.总水头的表达式:,Z-位置水头,代表单位重量液体所具有的位能(位置高度)-压力水头,空隙水压力的水柱高度-流速水头,单位重量液体所具有的动能-测管水头,代表单位重量液体所具有的总势能,3.水头损失:,地下水在渗透过程中,由于不断克服阻力而消耗机械能,出现水头损失,沿渗流方向单位渗透途径上的水头损失叫水力坡度,7.3.2.5非线性渗透定律,-随1/m变化的含水层的渗透系数-液态指数,其范围在0.5-1,1912年哲才提出适用于地下水呈紊流状态时运动规律的数学表达式:,(1