4884533887第二章 地下水资源的形成.ppt
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1、第二章 地下水资源的形成,在地壳表层10余公里范围内,都或多或少地存在着各种空隙(包括孔隙、裂隙和溶隙),这为地下水的赋存提供了必要的空间条件。就广义而言,地下水不仅存在于岩石的空隙之中,也可存在于岩石的骨架之中,因此地壳表层就好象是饱含着地下水的“海绵”。,第一节 地下水的赋存形式 一、岩石中的空隙 二、地下水的存在形式 三、包气带和饱水带、含水层和隔水层 四、地下水分类 五、上层滞水和潜水 六、承压水 七、地下水的补给、排泄和径流第二节 地下水运动的基本规律 一、基本概念 二、重力水运动的基本规律 三、饱水粘性土中水的运动规律 四、地下水运动的基本微分方程,第一节 地下水的赋存形式,岩石空
2、隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律,对地下水的分布和运动具有重要影响。,将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时,可分为三类:松散岩石中的孔隙 坚硬岩石中的裂隙 可溶岩石中的溶穴,一、岩石中的空隙,1、孔隙(1)孔隙松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒与颗粒集合体之间的空隙,称为孔隙。,1、分选良好,排列疏松的砂;2、分选良好,排列紧密的砂;3、分选不良,含泥、砂的砾石;4、经过部分胶结的岩石;5、具有结构性孔隙的粘土;6、经过压缩的粘土;,(2)孔隙度孔隙度是指某一体积岩石(包括孔隙)中孔隙体积所占的比例。它表示孔隙体积的多少。n=Vn/V 或 n
3、=(Vn/V)*100%孔隙度是一个比值,可用小数或百分数表示。(3)孔隙度的影响因素 孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况,另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。对于粘性土,结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素,构成松散岩石的颗粒均为等粒圆球:a、立方体排列时,孔隙度为:47.64%b、四面体排列时,孔隙度仅为25.95%立方体排列为最松散排列,四面体排列为最紧密排列,自然界松散岩石的排列多介于这两者之间。,三种颗粒直径不同的等粒岩石,排列方式相同时,孔隙度完全相同,2、裂隙 固结的坚硬岩石,包括沉积岩、岩浆岩和变质岩,一般不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙,而主要发育各种应力作
4、用下岩石破裂变形产生的裂隙。,按裂隙的成因可分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。成岩裂隙岩石在成岩过程中由于冷凝收缩(岩浆岩)或固结干缩(沉积岩)而产生的。构造裂隙岩石在构造变动过程中受力而产生的。这种裂隙具有方向性,大小悬殊,分布不均一。风化裂隙风化营力作用下,岩石破坏产生的裂隙,主要分布在地表附近。,裂隙率是指裂隙体积(Vr)与包括裂隙在内的岩石体积(V)的比值。Kr=Vr/V 或 Kr=(Vr/V)*100%面裂隙率线裂隙率,、溶穴 可溶的沉积岩,如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等,在地下水溶蚀下会产生空洞,这种空隙称为溶穴(隙)。溶穴的体积(Vk)与包括溶穴在内的岩石体积的比值即为岩溶率(V
5、)。Kk=Vk/V 或 Kk=(Vk/V)*100%,二、地下水的存在形式,1、重力水(自由水):在重力作用下能自由运动的地下水。它是一种重要的液态水,能充满岩石中所有的大小孔隙,并在地壳中自由运动。重力水能从泉眼中流出地面,也能从井孔中被抽出地面或自溢出地面,为极重要的供水水源。重力水能形成地下径流,由补给区经过长距离的运动流向排泄区。重力水在地下运动时服从达西定律。,2、薄膜水(弱结合水):在吸着水外围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的,厚度可达几百个水分子直径。薄膜水不受重力的影响,也不传递压力,但可以由薄膜较厚的地方向薄膜较薄的地方移动,直到各处的薄膜厚度相
6、等为止。,3、吸着水(吸附水、强结合水):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,其吸附力常可高达101325MPa。因此停留在岩石中的吸着水只能在将岩石加热时才能被排出。吸着水不受重力作用的影响,密度大,在零下78度时不结冰,没有溶解能力,不传导静水压力,不导电。,4、气态水:以水蒸气的形式储存在地下的水。它和大气中所含的水蒸气完全一样,并和大气中的水蒸气相联系。它的活动性很大,可以随着空气一起在岩石空隙中运动。,5、固态水:岩石中温度在零度以下的重力水,即以冰的形态出现的重力水,常分布在季节性或永久性冻结地区。,6、毛细水:存在于岩石毛细
7、孔隙中或孔道狭窄部分的水。岩石中的细小孔隙如自然界的毛细管。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。毛细上升现象是地下水对孔壁的吸附力和水的表面张力二者与毛细管中水的重力产生平衡作用的结果。毛细水能够传递静水压力,具有溶解能力,其性质近似普通水。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。,7、岩石骨架中的水:指保存于矿物结晶格架中,已成为矿物组成部分的水。(1)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)等矿物中的水。(2)当所含水的比例可变且较易脱出时称沸石水,如蛋白石(SiO2.nH2O)、方沸石(NaA
8、l2Si4O2.nH2O)等矿物中的水。(3)一些水以(OH)或(H)的形式参与矿物组分,互相结合紧密,只有当矿物结构破坏后,并加热到400至500度时才能分离出来,这种水称为结构水,如水铝石(AlO.OH)、白云母(K、H2Al2Si2O3)等矿物中的水。,三、包气带和饱水带、含水层和隔水层,1、包气带和饱水带 在地表以下一定深度处存在着地下水面。地下水面以上,称之为包气带(非饱和带);地下水面以下,称为饱水带(饱和带)。,自上而下包气带分为:土壤水带、中间带和毛细水带,饱水带岩石空隙全部为液态水充满,既有自由水,又有结合水。由于饱水带中的地下水连续分布,能够传递静水压力,故在水头差的作用下
9、,可以发生连续运动。,2、含水层和隔水层 饱水带岩层按其透过和给出水的能力,可划分为含水层和隔水层。(1)含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层。隔水层则是不能透过并给出水,或透过和给出水的数量微不足道的岩层。空隙细小的岩层(如泥岩层)含的几乎都是结合水,结合水在平常条件下不能移动,这类岩层实际上起着阻隔水透过的作用,所以为隔水层。而空隙较大的岩层(如砂岩层),主要含有自由水,在水头差作用下能够透过和给出水,就构成了含水层。,(2)应当注意的几个问题:含水层与隔水层划分的相对性含水层和隔水层在一定条件下可 相互转化岩层的透水性往往具有各向异 性,很难用层来表示,用含水带 可能更好。,5个含水
10、层被4个弱透水层所阻隔。当含水层3中抽水时,短期内相邻的含水层2和4的水位均未变动,图中a范围构成一个有水力联系的单元。但当抽水持续时,最终将波及图中b的范围,这时5个含水层与4个弱透水层构成一个发生统一水力联系的单元。,根据地下水的埋藏条件和含水层的介质类型对地下水分类。地下水的埋藏条件:含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水层(弱透水层)限制的情况。据此可将地下水分为包气带水、潜水和承压水(层间水、地层水)。按含水介质(空隙)类型,可将地下水分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。,四、地下水分类,表1 地下水分类表,五、上层滞水和潜水,1、上层滞水,(1)当包气带中存在局部隔水层时,在局部隔水层上积
11、聚具有自由水面的自由水,这便是上层滞水。(2)上层滞水最接近地表,接受大气降水补给,以蒸发形式排泄或向隔水底板边缘排泄。(3)水量一般不大,动态变化比较显著,当分布范围较小而补给不很经常时,不能终年保持有水,只在缺水地区才能成为供水水源。(4)容易受到污染,2、潜水(1)定义:饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称为潜水。,(2)埋藏特征:潜水没有隔水顶板,或只有局部的隔水顶板。潜水的表面为自由水面,称作潜水面;从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层的厚度。潜水面到地面的距离为潜水的埋藏深度。潜水含水层厚度与潜水面埋藏深度随潜水面的升降而发生相应的变化。,(3)补、径、排特征:在潜水的全部分
12、布范围都可以通过包气带接受大气降水、地表水补给。潜水在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方径流。潜水的排泄,除了流入其它含水层外,主要有两种排泄方式,一类为径流排泄,即径流到地形低洼处,以泉、泄流等形式向地表或地表水体排泄,另一类为蒸发排泄,即通过土面蒸发或植物蒸腾的形式进入大气。,(4)潜水的动态变化大,具明显的季节变化特点。丰水季节或年份,潜水接受的补给量大于排泄量,潜水面上升,含水层厚度增大,埋藏深度变小。干旱季节排泄量大于补给量,潜水面下降,含水层厚度减小,埋藏深度变大。(5)潜水积极参与水循环,资源易于补充恢复,但受气候影响,且含水层厚度一般比较有限,其资源通常缺乏多年调节性。,(
13、6)潜水的水质主要取决于气候、地形和岩性条件。湿润气候及地形切割强烈的地区,有利于潜水的径流排泄,往往形成含盐量不高的淡水。干旱气候下由细粒组成的盆地平原,以蒸发排泄为主,常形成含盐高的咸水。潜水容易受到污染。,(7)潜水位、潜水等水位线图、潜水流向、潜水水力梯度,潜水位:潜水面上任一点的高程称为该点的潜水位。潜水等水位线图:将潜水位各点的连线,即得潜水等水位线图。潜水流向:垂直等水位线由高到低为潜水流向。,(7)潜水位、潜水等水位线图、潜水流向、潜水水力梯度,潜水水力梯度:相邻两条等水位线的水位差除以其水平距离即为潜水面坡度。当潜水面坡度不大时,即可视为潜水水力梯度。,潜水的基本特点:与大气
14、圈、地表水圈联系密切,积极参与水循环根本原因:埋藏特征位置浅且上面没有连续的隔水层,1、定义:充满于两个隔水层(弱透水层)之间的含水层中的水叫作承压水,亦称地层水、层间水。,六、承压水(层间水、地层水),承压水,2、埋藏条件:承压水含水层上部的隔水层(弱透水层)称作隔水顶板,或叫限制层。下部的隔水层(弱透水层)叫做隔水底板。顶底板之间的距离为含水层厚度。,承压性是承压水的一个重要特征。承压区/非承压区(补给区/排泄区);承压高度:钻孔中静止水位到含水层顶面之间的距离。为作用在隔水顶板的以水柱高度表示的附加压强。测压水位:井中静止水位的高程就是承压水在该点的测压水位。测压水位高出地表的范围是承压
15、水的自溢区。,3、补给、径流、排泄:承压水受隔水层的限制,与大气圈、地表水圈的联系较弱。当顶底板隔水性能良好时,它主要通过含水层出露地表的补给区(这里的水实际上已转为潜水)获得补给,并通过范围有限的排泄区排泄。,当顶底板为半隔水层时,它还可通过半隔水层,从上部或下部的含水层获得补给,向上部或向下部含水层排泄。,越流补给,4、动态特征:无论在哪一种情况下,承压水参与水循环都不如潜水那样积极。因此,气候、水文因素的变化对承压水的影响较小,承压水动态比较稳定。5、承压水在很大程度上和潜水一样来源于现代渗入水(大气降水、地表水的渗入)。但是,由于承压水的埋藏条件使其与外界的联系受到限制,在一定条件下,
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