水文地质学基础PPT电子教案-第三讲 包气带水的运动及地下水化学成分.ppt

第三讲 包气带水的运动及地下水化学成分,Company Logo,5 包气带水的运动,5.1 毛细负压与毛细压力水头,5.2 毛细压力水头的测定方法,5.3 毛细上升高度与速度,5.4 包气带水的下渗运动,5.5 包气带岩石的渗透系数,Company Logo,5.1 毛细负压与毛细压力水头,包气带特点复习 毛细水中：讨论过 毛细现象、毛细力、毛细水的存在形式 毛细负压（毛细水头），毛细上升高度，毛细上升速度毛细负压与毛细压力水头液体表面有一个张力（相互吸引，如同一个薄薄的膜）液面就会发生弯曲，当弯曲呈半圆形时（细小）弯液面上，表面张力的合力称为毛细力（f）作用在弯液面（半圆）上，称为毛细压强,Company Logo,当弯曲液面为半圆时（湿润角=0），R1=R2 为液体的表面张力系数，R1与R2为弯曲液面的2个曲率半径毛细压强是有方向的，对液面来说（是水），这是个负压强又称毛细负压（pc）压强转化为水柱高度表示（hc）(下面继续介绍),5.1 毛细负压与毛细压力水头,毛细负压,Company Logo,压强转化为水柱高度表示（hc）取 1g/cm3;g=981cm/s2,=74dyh/cm=7410-3N/mD毛细管直径（用mm表示）hc毛细压力水头（m）又称毛细压头,5.1 毛细负压与毛细压力水头,毛细压头,Company Logo,HA=0HB=？HC=？,HA=ZA+hAHB=ZB+hB,毛细压力水头，又称毛细压头,Company Logo,5.2 毛细压力水头的测定方法：,在饱水带中（用水力学原理）：测量任一点的压力水头用测压管（压力计）HA=ZA+hA在包气带中（测负压）：张力计（tensionmeter）前端装上多孔陶瓷头（捧）；插入土中；张力计管中充满了水，在非饱和土中，空隙中的负压与张力计液面高度平衡后，张力计形成的负压与所测点B相等时，张力计上的-hBc即为测点的负压例：HB=ZB+hBc=ZB+(-hBc)=HB（图示）如果测得包气带中HBHC，其意义如何（与水力学水头概念一致），水流运动方向为BC，入渗水流如果测得包气带中HB HC，水流运动方向为CB,水流？,张力计,Company Logo,负压测量仪张力计,。C,。B,。B,水,陶土头,土体,Company Logo,5.3 毛细上升高度与上升速度,5.3.1 毛细上升高度与毛细上升速度 毛细压力水头与毛细压强的概念，观察毛细管中水的运动1）插入水中初始：瞬时刻 HA=ZA+0=0 HB=？HB=ZB+pc/g HB=ZB+(-hc)=-hc HC=?=ZC+(-hc)=02）最后：HA=HC（管中水不运动静止液体）此时毛细管中的最大上升高度hc 称为毛细上升高度,它在数值上等于该管所具有的毛细压力水头值,毛细水上升高度,转下页,Company Logo,B,O,O,HA=0HB=-hC,HA=ZA+hAHB=ZB+hB,HA=ZA+hAHB=ZB+hB,VB=IBKIB=(HA-HB)/LAB=-(ZB-hC)/ZB=hc/ZB 1,毛细水运动推导,ZB,Company Logo,5.3.2 毛细上升速度,用达西定律分析：水由 BB 毛细水的运动 VC=I K A点水头？HA=ZA+0=0 B点水头？VC=I K IC=(hc/ZB-1)假设K不变，讨论VC，VC=f(IC)ZB0时，毛细上升刚开始，hc/ZB I V 很大 ZB 逐渐增大时，I变小，上升速度变慢 ZBhc 时，hc/ZB1，I0 V0,上升停止毛细水可以上升的最大高度hmax，就等于该毛细管可以产生的最大毛细压力水头hc,毛细水上升速度,Company Logo,5.4 包气带水的下渗运动,包气带水的下渗运动（自学P48最后两个自然段P49第一自然段）上面讨论的是毛细水上升运动的情况 在毛细力的作用，毛细水向下运动时，情况也是一样，请大家试推导 毛细管的毛细压力水头为hc，当下渗深度L小于hc时，某点水下渗速度有毛细力作用,Company Logo,5.5 包气带中岩石的渗透系数,包气带中岩石的渗透系数K由于没有完全饱水，水流仅在饱水的空隙中运动，因此 K（包）=f（）为土层含水率包气带中K不是常数；K包小于饱水带中的K；随含水量增高K包K 毛细上升特点与空径沿程变化有关：当为层状非均质土层时，上升高度？沿孔隙，呈“跳跃”式前进 吸水时由毛细上升的土层含水量曲线，土层含水量较低 退水时由下渗形成土层含水量曲线，土层含水量较高,包气带岩石含水量曲线,小结,Company Logo,包气带中岩石的渗透性,K（包）=f（），为土层含水率,Company Logo,小结,包气带水的运动与饱水带的运动相比，有三点不同：饱水带重力势；包气带重力势+毛细势饱水带任一点水头随水位变化；包气带水头则是含水量的函数饱水带的渗透系数是个定值；包气带渗透系数随含水量的降低而变小,Company Logo,思考题,A B C,当细管毛细上升高度为10cm，粗管毛细上升高度为5cm时，A管、B管、C管毛细上升高度各为多少？,Company Logo,Company Logo,6.3 总矿化度与地下水化学成分分类,6.2 地下水化学成分的形成作用,6 地下水的化学成分及形成作用,6.1 地下水的化学成分,Company Logo,Company Logo,第六章 地下水的化学成分及其形成作用,地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求（如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等）研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合,Company Logo,Company Logo,6.1 地下水的化学成分,一、地下水中常见的气体成分 氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）硫化氢（H2S）、甲烷（CH4），常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关二、地下水中主要离子成分 地下水中含量多的有七种离子阴离子：HCO-3，SO2-4，Cl-阳离子：Ca2+,Mg2+,K+,Na+,Company Logo,Company Logo,6.1.1 气体成分,地下水中常见的气体成分1、氧（oxygen,O2）、氮（nitrogen,N2）起源：大气圈随降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2 说明地下水是大气起源的，氮还有生物起源与变质起源环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且处于封闭环境2、硫化氢（H2S）、甲烷（methane,CH4）这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与的生物化学过程中形成。还原环境下：SO2-4 H2S，成煤过程，煤田水 成油过程，油气藏，油田水,Company Logo,Company Logo,6.1.1 气体成分,3、二氧化碳（CO2）大气降水中的CO2含量较低，地下水中CO2主要源于土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生碳酸盐岩地层：在深部高温下，也可变质生成CO2 人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的CO2增加，（增长20%）地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解能力愈强！,Company Logo,Company Logo,地下水中气体成分的意义：气体成分指示地下水所处的地球化学环境 氧化环境oxidation 还原环境deoxidation 气体成分可以增加水对盐类的溶解能力 促进水岩的化学反应，相互作用,6.1.1 气体成分研究意义,Company Logo,Company Logo,6.1.2 主要离子成分,地下水中的主要离子成分水中离子成分主要取决于：元素的丰度（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的重量百分比；元素组成的化合物在水中的溶解度地壳中主要元素有哪些？地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe（地下水中低）地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C（地下水中高）地下水中主要离子有：Anion 阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl-Cation 阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+,Company Logo,Company Logo,6.1.2 主要离子成分,这与主要离子构成的盐类溶解度有关（参见52页表6-1）：碳酸盐类 硫酸盐类 氯化物常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物（TDS）或矿化度有关：矿化度(g/L):低(1)中(1-10)高(10-30)阴 离 子:HCO-3SO2-4 Cl-阳 离 子:Ca2+Ca2+,Mg2+Na+,K+水中阴离子在地下水水流过程的（分布）变化,Company Logo,Company Logo,+,+,+,+,Cl-,+,+,+,+,SO42-,+,+,+,+,HCO3-,地下水水流过程的阴离子变化,Company Logo,Company Logo,6.1.2 主要离子成分,低矿化度水中的常见离子：HCO-3，Ca2+，Mg2+，常来源与沉积盐岩、岩浆岩、变质岩的风化溶解高矿化度水中的常见离子：Cl-,Na+,K+，沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解、变质岩风化溶解，海水影响中等矿化度的常见离子：SO42-：沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发 H2S 气体氧化、人类活动燃烧煤产生大量SO2，SO2 氧化后形成之，大气中SO2-4过高时，降“酸雨”,地下水中主要离子成分来源(自学 P52-53）,Company Logo,Company Logo,6.2 地下水化学成分形成作用,溶滤作用水岩相互作用时发生浓缩作用蒸发排泄时发生脱碳酸作用在温度与压力发生变化时发生脱硫酸作用在还原环境下发生：SO42-H2S阴离子交替吸附作用岩土表面吸附的阳离子与水中阳离子发生交换混合作用 2种不同类型地下水混合时发生人类活动的作用影响越来越大,Company Logo,Company Logo,6.2.1 溶滤作用,1.定义：水与岩土相互作用下，岩土中某些组分向地下水中转移的过程。其结果是：岩土失去部分可溶物质，地下水中获得相应的化学成分使水中TDS。CaCO3+H2O+CO2 2HCO-3+Ca2+(固)(水)(气)2.影响因素-（水岩作用）?,Company Logo,Company Logo,6.2.1 溶滤作用影响因素,岩土-化学组分（如：石灰岩 HCO3-Ca水、花岗岩HCO3-Na水)组分的可溶性（溶解度、溶解速度）盐分溶解度的差异导致易溶先进入水中，难溶的后进入水中 水-水的溶解能力（TDS，O2、CO2气体组分）水的流动性a.水中已溶组分的多少水中盐份含量增高，溶解能力降低b.水中某些气体组分-O2增加硫化物的，CO2增加碳酸盐类.通常刚渗入到地下的水，矿化度很低，随着水在地下含水岩层的运移，不断有新的盐份溶解到水中，水中TDS，水的溶解能力下降，最终水的溶解能力0，溶滤作用将会停止？是否会？,Company Logo,Company Logo,地下水是如何保持它的溶解能力的？,地下水的流动（交替）性：地下水的径流速度和交替强度（V 与 Q）停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零，溶滤作用停止。水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不断被补充，低TDS水不断更新溶解能力已降低的水 如果某地区地下水流动很快，水交替（循环）迅速，溶滤作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何？该地区地下水中的水质-矿化度是高（TDS）？还是低？水中以哪种阴、阳离子为主？,Company Logo,Company Logo,长期、强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主，HCO3Ca水 或 HCO3Ca Mg这是由溶滤作用的阶段性决定！在由多种盐类组成的岩石中：早期，Cl盐最易溶于水中随水带走，岩土贫Cl盐继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中随水带走，贫SO42-盐类持续（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征：要从地质历史发展的眼光（角度）来理解它是地质历史长期作用的结果 地下水是不断运动的溶解的组分会被带去（岩土组分变化）前期溶滤作用溶滤什么组分，水中获得相应组分后期溶滤作用长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水要用地质历史的观点去考察，去分析与研究问题！,6.2.1 溶滤作用结果,Company Logo,Company Logo,6.2.2 浓缩作用,定义：地下水在蒸发排泄条件下，水分不断失去，盐分相对浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。浓缩作用（过程）理想的蒸发浓缩模式水份失去过程盐分相对浓集，化学成分的变化（实际上与上述理想模式是不同的）地下水在蒸发过程中，水分失去还有补充；盐分积累也有补充。因此，实际的蒸发作用可以产生含盐量很高的地下水(卤水)或盐渍化的土地 浓缩作用的结果：往往形成高矿化度、以易溶离子为主的地下水（Cl-Na+为主）影响因素与蒸发排泄的影响因素相同(气候-地下水位-土层岩性),理想模式图,Company Logo,Company Logo,浓缩作用（过程）理想模式,1.0L水350mg/L蒸发（1）0.5L700mg/L蒸发（2）0.25L1400mg/L蒸发（3）0.125L2800mg/L,Company Logo,Company Logo,浓缩作用水流迟缓矿化度高、Cl-Na,过渡区矿化度中、SO4-MgCa,地下水化学特征具有分带性,溶滤作用水交替迅速矿化度低、HCO3-Ca,由于地下水化学成分形成作用受区域自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。,Company Logo,Company Logo,山西忻州盆地地下水水化学图,Company Logo,Company Logo,6.2 地下水化学成分的形成作用,三、脱碳酸作用（钟乳石、石笋、泉华）Ca2+(Mg2+)+2HCO3-CO2+H2O+CaCO3结果：Ca2+Mg2+HCO3-矿化度pH（略有变化）四、脱硫酸作用(还原环境中脱硫酸细菌使SO42-还原为H2S）SO42-+2C+2H2O H2S+2HCO-3结果：SO42-；HCO3-，pH；寻找油田的辅助标志。五、阳离子吸附交替作用某种阳离子，某另一种阳离子增高六、混合作用结果不一定！七、人为活动的作用（影响）,Company Logo,Company Logo,6.3 总矿化度与地下水化学成分分类,一、地下水化学成分的分析内容是水质评价基础分为简分析和全分析，某些专门性工作进行专项分析。简分析：除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬浮物等）主要定量分析：HCO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、总硬度、pH,Mg2+、K+Na+及 矿化度有时含专项分析：NO-3，NO-2，NH4，Fe2+Fe3+，H2S，耗氧量等,Company Logo,Company Logo,6.3 总矿化度与地下水化学成分分类,一、地下水化学成分的分析内容全分析项目较多，要求精度高，通常在简分析得基础上选择代表性水样进行全分析一般定量分析：HCO-3,SO2-4,Cl-，Ca2+,Mg2+,K+,Na+，NO-3，NO-2，NH4，Fe2+Fe3+，H2S，CO2,耗氧量，总硬度，pH,及干涸残余物；某些微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时需分水的侵蚀性CO2。,Company Logo,Company Logo,全国地下水污染防治规划调查指标（1）,感官指标：肉眼可见物、颜色、嗅、味、透明度、浑浊度、色度、水温等。常规组分：pH值、游离二氧化碳、Cl-、SO4-、HCO3-、CO32-、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、NH4+、Fe2+、Fe3+、NO2-、NO3-、F-、Br-、I-、PO43-、COD、可溶性二氧化硅、总硬度、矿化度等。重金属组分：Hg、Cu、Pb、As、Cd、Mn、Zn、Ni、Co、Cr6+、总Cr、V、W、Sr、Ba、U、Ra、Se、Al3+等。,Company Logo,Company Logo,全国地下水污染防治规划调查指标（2）,有机污染组分：三氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、二氯甲烷、1，2-二氯乙烷、环氧氯丙烷、氯乙烯、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、氯丁二烯、六氯丁二烯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛、三氯乙醛、苯、乙苯、二甲苯、异丙苯、氯苯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、三氯苯、四氯苯、六氯苯、硝基苯、二硝基苯、2，4-二硝基甲苯、2，4，6-三硝基甲苯、硝基氯苯、2，4-二硝基氯苯、2，4-二氯苯酚、2，4，6-三氯苯酚、五氯酚、苯胺、联苯胺。DDT、六六六（总量）、林丹（-六六六）、2，4-滴、七氯、呋喃丹、敌敌畏（含敌百虫）。生物学指标：总大肠菌群、菌落总数。,Company Logo,Company Logo,6.3.2 矿化度或总固体溶解物(TDS）,地下水中各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度 求算方法：105110温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位：g/L,mg/L(ppm)计算中，用全分析实验结果，阴阳离子总和减 1/2 HCO-3含量求算 据矿化度的水样分类：50g/L 淡水 微咸水 咸水 盐水 卤水,矿化度或总固体溶解物(TDS）（total dissolved solids，total dissolved salt),Company Logo,Company Logo,6.3.3 水化学成分的表示方法库尔洛夫式,分式前：特殊成分、气体成分、矿化度 M，单位(g/L)分式上下：阴、阳离子（毫克当量百分数10%或称 视毫摩尔百分数）分式后：水温（oC)特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类型（常用方法）,库尔洛夫式:,Company Logo,Company Logo,6.3.4 舒夫卡列分类,前苏联学者C.A.提出来的:方式：将地下水中主要七种离子合并为6种，取含量（毫克当量百分数，或视毫摩尔百分含量）25%的离子，组合定名。阴、阳离子25%的出现情况各有7种（7种组合）两者（阴、阳）共组合为 77=49 种水型（P61，表6-2）加上矿化度分分为4组：A：TDS 40g/L如：B46 查表 中等矿化度 ClNaCa型 A1 查表 沉积岩地区浅层溶滤水特点：简明易查，被广泛应用实习四练习-第六章 结束-,库尔洛夫式的水型,练习,Company Logo,Company Logo,水化学形成作用练习,2某地区地表为厚约10m的第四纪沉积物，由砂土和亚粘土组成，下伏花岗岩岩体。一温泉源于花岗岩裂隙含水 层中，并通过第四系益溢出 地表，其水化学成分用库尔 洛夫式表示为：,已知 温泉补给区的地下水化学成分的库尔洛夫表示式为：,问：（1）由补给区到排泄区，地下水化学成分有哪些变化？（2）可能发生哪些的水化学形成作用。,