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第11章 地下水的基本知识,1 地下水的概念2 地下水的赋存状态3 含水层和隔水层4 地下水分类及各类地下水的特征5 地下水的循环6 地下水运动的基本规律,重点：岩土的水理性质、含水层与隔水层、降落漏斗、影响半径、地下水的分类及各类地下水的特征，等水位线图和等水压线图及其作用。,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。,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,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,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。,孔隙度测定方法,水,n=V水/V砂,2、准确测定方法：,n=（1-/)100%松散岩石的干重力密度松散岩石的密度,1、概略测定方法：,2、裂隙：指固结的坚硬岩石在构造运动以及其他各种内、外地质营力作用下，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%,=（Lb）/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,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,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,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。,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,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。,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,给水性,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（）作为衡量指标，数值上等于容水度减去持水度。,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；,一、概 念二、构成含水层的基本条件,3 含水层和隔水层,含水层：,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,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。,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,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,（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、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,（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。,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,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。,2、潜水的特征,潜水具有自由水面，为无压水；潜水的分布区和补给区基本上是一致的；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。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。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）,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,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,潜水等水位线图,等水位线图的用途 确定潜水的流向及水力坡度 确定潜水的埋藏深度、泉水出露点和沼泽化范围 提供合理的取水位置 确定潜水与地表水的相互补给关系 确定含水层厚度 分析推断含水层透水性及厚度变化,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,（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。,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,115,135,A,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02m 区；7、埋深24m；8、埋深大于4m 区,115,95,135,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,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,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,（1）自流盆地：形成承压水的向斜或盆地构造,（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,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,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。,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。,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,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,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,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,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,（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。,大气降水补给,地表水补给,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”,人工补给,（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,（1）泉水排泄,1）泉的形成与分类：按补给来源分：上层滞水泉、潜水泉(下降泉）、承压水泉（上升泉）按成因分类：侵蚀泉；接触泉；溢出泉；断层泉2）研究泉水的意义确定岩石的含水性和含水层的富水程度了解含水层或含水通道的分布，以及补给区和排泄区的位置判断地下水的类型确定地下水位的标高了解地下水的水质特点和储水构造特点地下水的埋藏深度判断地质构造,泉城济南的下降泉,1-下奥内统白云质灰岩；2-中奥陶统灰岩；3-闪长岩及辉长岩；4-基岩地层界线；5-断层；6-泉群,广东罗定尖岗顶断裂带上升泉分布图,上升泉,侵蚀泉：地形受到侵蚀，使含水层暴露于地表,侵 蚀 泉,接触泉,接触泉：地形被切割到含水层下面的隔水层，地下水被迫从两者的接触处流出；或地下水沿侵入体接触带裂隙涌出地表。,溢出泉,地下水在运动过程中岩石透水性变弱或受到局部隔水层阻挡，使地下水位抬高溢出地表。,断层泉,断层泉：承压含水层被导水断层切割,（2）向地表水排泄,当河流、湖泊、海洋等侵蚀到含水层时，地下水分散地沿地表水体周界排泄称为泄流。,（4）不同含水层之间的排泄,（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。4、地下径流量的表示方法：地下径流量常用地下径流率或地下径流模数（M）来表示，其意义为1km2含水面积上的地下水流量（m3/skm2）M=Q/（36586400F）F地下径流面积（km2）；Q一年内在F面积上的地下水径流量（m3）,（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,（1)河流水位变化,(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。,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,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,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，掌握直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,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,（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,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）不随时间变化,返回,二、地下水运动基本规律,1、线性渗透定律（达西定律）Q=K=K I=（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：（1m2）（混合运动）,返回,1、线性渗透定律,达西定律 地下水作雷诺数很小（Re110）的层流运动时满足达西定律，即：Q=K=KI=,Re=其中u为地下水实际流速，d为孔隙的直径，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）；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）；渗透速度；,返回,地下水在孔隙中的实际流速：U=n岩石的孔隙度地下水在实际运动过程中，水力坡度常是变化的，I可用微分式表示为：dx沿水流方向无穷小的距离；dH相对dx水流微分段上的水头损失。大多数情况下的地下水，其雷诺数一般都不 超过1,三、地下水流向井的稳定运动,（一）井的类型（二）地下水向井运动的特征（三）地下水流向潜水完整井（四）地下水流向承压水完整井,返回,（一）井的类型,1,2,3,4,1、潜水完整井,2、潜水非完整井,3、承压水完整井,4、承压水非完整井,返回,降落漏斗：是指在井、孔抽水时形成的漏斗状水位下降区。降落漏斗以抽水井为中心，距水井愈近，水位下降愈大，水面坡度愈陡；距水井愈远，水位下降愈小，水面坡度愈缓。对于被井、孔开采的承压含水层，在井孔附近会形成虚拟的承压水头降落漏斗。影响半径：水位稳定时漏斗的半径称为影响半径。,（二）地下水向井运动的特征,返回,（三）地下水流向潜水完整井,裘布依公式：,R,H,y,x,r,h,s,x,R,r,或,Q-井的涌水量，m3/dK-渗透系数，m/dH-潜水含水层厚度，ms-井中稳定水位降深，mR-影响半径，mr-井的半径，m,解决问题：1、求含水层的渗透系数；2、预计潜水完整井涌水量。,返回,（四）地下水流向承压水完整井,裘布依公式：,或,用途与潜水完整井公式完全相同,M承压完整井含水层厚度，其它符号同前。,返回,四、水文地质参数的确定,1、抽水试验测定渗透系数（K）和导水系数（T）,潜水完整井：,承压水完整井：,T=KH 或 T=KM,2、影响半径（R）的测定：作图法,返回,R,R,作图法确定影响半径R,课后练习题,1、名词解释：岩土的水理性质、潜水、承压水、含水层、隔水层、承压水位、水头高度、水力坡度、饱水带。2、简答按埋藏条件的地下水分类及各自的特点？3、岩溶发育的基本条件是有哪些？,