水文地质学基础ppt电子教案-第二讲地下水的赋存和运动

'第二讲地下水的赋存和运动 3赋存3.3地下水分类3.2含水层隔水层弱透水层含水系统3.1包气带与饱水带3.4潜水与潜水含水层3.5承压水与承压含水层www.themegallery.comCompanyLogo 3.1包气带与饱水带一、包气带与饱水带的划分地下水面（水位）：地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，形成一个自由水面，以海拔高度表示称之地下水位（一般通过打井，地下开挖来确定）包气带与饱水带www.themegallery.comCompanyLogo 包气带与饱水带地下水位www.themegallery.comCompanyLogo 3.1.2包气带包气带（zoneofaerationorzoneofunsaturation）特点：①岩石空隙未被水充满②是固、液、气三相介质并存介质水的存在形式（多样）结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水包气带水的垂直分带土壤水带，中间带（过渡带）支持毛细水带，毛细饱和水带包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道；“重力水”通过包气带获得降水、地表水的入渗补给（补充），部分水又通过包气带将水分传输，蒸发，消耗出去。www.themegallery.comCompanyLogo 饱水带（saturationzone）岩石空隙被水完全充满→是二相介质（固相+液相水）空隙中水的存在形式：①重力水②结合水重力水：连续分布（孔隙是连通）→传递压力→在水头差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来！3.1.3饱水带www.themegallery.comCompanyLogo 3.2含水层隔水层弱透水层含水系统一、基本概念饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而进行的划分含水层（Aquifer）：是能够透过并给出相当数量水的岩层—各类砂土，砂岩等隔水层（Aquifuge)：不能透过并给出水或透过且给出的水量微不足道的岩层——裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）弱透水层（Aquitard）：渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层——各种粘土，泥质粉砂岩www.themegallery.comCompanyLogo 定义中的模糊概念—“相当水量，微不足道，较大水力梯度”等严格的“是与非”的逻辑思维，在很多情况下是相对的和模糊的概念相对性的意义：从实际应用角度来看划分的相对的性——相当水量满足需要就可以了。如在某处一口井出水量80m3/d，作为1万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。又如一个小泉水流量0.11/s≈8.6m3/d，大厂——非，村用——是。从理论意义来看——微不足道微不足道，有时空尺度的制约。如华北平原早期地下水开采就是典型的例子，深层水与浅层水的开采有一粘土隔水层；后开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层“越流”--粘土层成为“透水层”。现在进行水文地质计算、模拟时，不再简单二分了，而是用模糊学的研究方法，给个隶属度1，0之间，可以为0.8,0.7,…0.3,表示“透水性”？3.2.2概念的相对性www.themegallery.comCompanyLogo 时间的相对性①②③④54321www.themegallery.comCompanyLogo 3.2.3含水系统含水系统—Groundwateraquifersystem地下水含水系统：是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层含水系统：可以进行子系统划分含水系统的定义是从大的空间尺度研究含水层、隔水层或弱透水层的组合关系，是从地质成因角度对岩层的水文地质特征进行划分的分析方法(或给出的概念)含水系统的划分www.themegallery.comCompanyLogo 含水系统层次划分—系统与子系统ABwww.themegallery.comCompanyLogo 冲洪积平原地下水含水系统丘陵倾斜平原区低平原www.themegallery.comCompanyLogo 广义地下水：地表以下岩石空隙中的水(包气带、饱水带中的水)subsurface-water,undergroundwater,groundwater狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水—重力水地下水分类：主要依据——含水介质的类型（赋存空间）埋藏条件（赋存部位）表3-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9类3.3地下水分类孔隙水裂隙水岩溶水包气带上层滞水上层滞水上层滞水潜水孔隙潜水裂隙潜水岩溶潜水承压水孔隙承压水裂隙承压水岩溶承压水www.themegallery.comCompanyLogo 潜水(b)、承压水(c)、上层滞水(a)abcwww.themegallery.comCompanyLogo 3.4.1潜水与潜水含水层概念潜水：地表以下，第一个具有自由表面的稳定含水层中的水自由表面—即设有隔水层限制，与大气直接相通，除大气压强外不受其它力。稳定—具有一定的空间连续性（范围）以示区分上层滞水潜水含水层---赋存潜水的岩层屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）3.4潜水与潜水含水层www.themegallery.comCompanyLogo 二、基本要素（专业术语）潜水面(watertable)潜水位(waterlevel)潜水含水层-含水层厚度-潜水埋深-3.4潜水与潜水含水层潜水要素图www.themegallery.comCompanyLogo 2345678D1M潜水与潜水含水层图1-潜水含水层2-隔水层3、4潜水面潜水位M-含水层厚度D-潜水埋深5-大气降水入渗6-蒸发7-流向8-泉www.themegallery.comCompanyLogo 三、主要特征补给(来源)：降水入渗，河湖入渗排泄(汇)：泉，（河）泄流，蒸发补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水！动态：受气象，水文因素影响明显，变化快（水量、水位季节性变化）受人为因素影响也显著，易污染水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快潜水研究基本方法—绘制潜水等水位线图—获取信息-资料的手段——调查、勘探，分析3.4潜水与潜水含水层www.themegallery.comCompanyLogo 某地潜水等水位线图（平面）河河流流www.themegallery.comCompanyLogo 一、承压水定义充满于2个隔水层（或弱透水层）之间的含水层中的水，称之。（图P31，图3-6）二、基本要素与特征①承压含水层；②隔水顶板；③隔水底板；④承压含水层厚度（H）；⑤埋深（D）⑥测压水位线（面）：测压水位线的连线（面）—此线是虚拟的（如图有压管）⑦承压高度；⑧补给区；⑨承压区；⑩排泄区⑾自溢区—测压水位线与地形等高线的交点连接区3.5承压水与承压含水层Confinedaquifer承压水要素www.themegallery.comCompanyLogo 基岩自流盆地中的承压水①承压含水层②隔水顶板③隔水底板④承压含水层厚度（M）⑤埋深（D）⑥测压水位线（面）：⑦承压高度-H⑧补给区⑨承压区⑩排泄区⑾自溢区www.themegallery.comCompanyLogo 特征：补给与排泄有限区域与外界联系，水循环迟缓些，水交替慢，平均滞留时间长（年龄老或长）——恢复性差水化学变化较大，矿化度一般要高点，可以保留“古老”的水动态要稳定些，如果分布面积大，厚度稳定—则调节能力很强问题？承压含水层的变化：在储水与释水时，含水层厚度是不变的，承压含水层的储水与释水是如何进行的？！3.5承压水与承压含水层www.themegallery.comCompanyLogo 承压含水层的储水与释水弹性给水度μe承压含水层中当测压水位下降(或上升)1个单位，单位水平面积含水层较体所释放(或储存)的水量测压水位降低导致含水层孔隙中水的压力降低—水体积膨胀释水，水的膨胀系数约为1/20000孔隙水压力降低，岩层颗粒间承受压力增加—骨架被压缩颗粒不变—骨架压缩=空隙体积减小（排列改变）———发生释水（挤出来）水这两部水很有限，所以μe很小；与重力给水度μd相比要小10-1~10-33.5.3承压含水层的储水与释水www.themegallery.comCompanyLogo 承压含水层的弹性给水度从理论上来看：弹性给水度是可以恢复的实际上弹性是有限恢复的越过含水层弹性范围（限定），将产生一次性的变形—即永久性不可恢复的变形最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低www.themegallery.comCompanyLogo 3.5.4潜水与承压水的相互转化在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的在复杂条件下，很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水几个例子：山区基岩互层一个较厚的含水层一个封闭的含水层—潜水？开采前—潜水含水层开采后—承压含水层开采潜水与承压水的转化www.themegallery.comCompanyLogo 例：潜水与承压水的转化www.themegallery.comCompanyLogo 4运动4.1达西定律4.2达西定律讨论4.3流网www.themegallery.comCompanyLogo 渗流——地下水在岩石空隙中的运动称为渗流地下水渗流—遵循水力学基本原理（复习）差异—水力学研究水在管、渠——明流多孔介质，空隙细小，水流很缓慢——渗流从流态来看—地下水多为层流（除岩溶管道外）层流——紊流侧重稳定流——（不讨论非稳定流）www.themegallery.comCompanyLogo 4.1达西定律（Darcy’slaw）达西定律—线性渗透定律（linearlaw）H.Darcy—法国水力学家，1856年（以实验为基础研究时期）通过大量的室内实验得出的4.1.1实验条件：装置图—P36，图4-11）等径圆筒装入均匀砂样（uniformsand），断面为ω2）上（下各）置一个稳定的溢水装置——保持稳定水流3）实验时上端进水，下端出水——示意流线4）砂筒中安装了2个测压管5）下端测出水量（outflow）—Qwww.themegallery.comCompanyLogo 4.1.1达西试验装置QOO’断面1断面2hH2H1Lωwww.themegallery.comCompanyLogo 4.1.2达西定律（Darcy’slaw）通过变水头，多次实验得出：出水端的流量Q与砂柱、测压管水头之间的关系为：（1）Q——渗流量；ω——砂柱断面面积；h——水头损失（m）；L——渗流途径；K——与试样有关的比例常数。由水力学中水动力学基本原理：（2）Q=KIωwww.themegallery.comCompanyLogo 4.1.2达西定律（Darcy’slaw）渗透流速根据水力学流速与流量的关系对上式转化：Q=ω·V与（2）式比较V=K·I-----（3）称为渗透流速（seepagevelocityDarcyvelocityspecificdischarge）上式为单位面积上的流量----称比流量达西定律中由此看出：渗透流速与水力梯度是一次方成正比故达西定律又称为线性渗透定律V—I关系图转下页www.themegallery.comCompanyLogo 4.2达西定律讨论4.2.1渗透流速（V）与过水断面（ω）Q=KωI=ωV过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否过水断面——ω，假想的断面实际孔隙断面——ωn孔隙度实际水流断面——ωn有效孔隙度Q/ω=V比照水力学，实际流速Q/ω’=u关系：地下水渗透流速V=une渗透流速V：是假设水流通过整个岩层断面（骨架+空隙）时所具有的虚拟的平均流速。意义：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而不去追踪实际水质点的运移轨迹——简化的研究过水断面比较www.themegallery.comCompanyLogo 过水断面ω与实际过水断面ω’过水断面（ω）实际过断面（ω’）www.themegallery.comCompanyLogo 4.2.2水力梯度水力梯度（I）（hydraulicgradient）水力学中水力坡度（J）:单位距离上的水头损失是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比物理涵义上来看I：代表着渗流过程中，机械能的损失率，由水力学中水头的概念加以分析：在地下水渗流研究中任意点的水头表达式总水头测压水头速度水头机械能势能动能www.themegallery.comCompanyLogo 水力梯度（I）在达西实验中：4.2.2水力梯度其原因是u2/2g很小而忽略在地下水渗流研究中常：总水头测压水头(这是习惯用法)我们仍然用△H=H1-H2代表该程L1—2上的总水头损失，I—则为总能量损失率渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）流体的粘滞性引起的——内摩擦阻力（分子间）固体颗粒表面对水流的反作用力www.themegallery.comCompanyLogo 4.2.2水力梯度水力梯度（I）从达西公式:V=KI来看：当I增大时，V也愈大；即流速V愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大;反过来，水力梯度I愈大时，驱动水流运动与速度也愈大注意：水头损失一定要与渗流途径相对应www.themegallery.comCompanyLogo 4.2.3渗透系数渗透系数K（coefficientofpermeability）在有些教科书中也称为水力传导率（hydraulicconductivity）定义：水力梯度为I=1时的渗透流速（V=KI）具有速度量纲L2T-1由公式V=KI分析当I一定时，岩层的K愈大，则V也愈大，Q大因此，渗透系数K是表征岩石透水性的定量指标V—I关系图www.themegallery.comCompanyLogo 4.2.3渗透系数渗透系数K影响因素：——以松散岩石,等径孔隙为例来分析γ——水的重率；μ——动力粘滞系数从公式即得出：K与岩石性质有关K∝（d02，ne）与流体物理性质有关K∝（γ/μ）4.2.4达西定律的适用范围雷诺数数介于1~10之间www.themegallery.comCompanyLogo 4.3流网（Flownet）4.3.1基本概念（concept）渗流场：地下水流动（运动）的空间流网是描述渗流场中地下水流动状况的有效工具流网：是由一系列等水头线（equipotentiallines）与流线（flowlines）组成的网格，称流网（flownet）流线：某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上各个水质点的流速方向都与这条曲线相切（某时刻各点流向的连线）（迹线：流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹——traceline）等水头线：在某时刻，渗流场中水头相等各点的连线（水势场的分布）www.themegallery.comCompanyLogo 4.3.1基本概念基本概念二维流网图：平面流网：潜水等水位线图，承压水等测压水位线图剖面流网：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的水流流网特点：①在各向同性介质中，流线与等水头线正交；在各向异性介质中，流线与等水头线斜交②是按一定规则绘制的，等水头线（等水头差绘制），流线（等流量宽，单宽流量相等）www.themegallery.comCompanyLogo 4.3.2定性流网绘制定性流网的绘制---（各向同性介质中）在许多实际工作中，绘制定性流网分析问题很重要精确流网受许多条件（资料不足等）制约，很难办到思考回答：边界条件？有哪几类？流线起点和终点？等水头线如何控制？等流量如何确定？“源”—resource（发散流线处）“汇”—sink（吸收流线处）“地下分水线”—divideline（分水或分流处为“流线”）www.themegallery.comCompanyLogo 4.3.2定性流网绘制绘制步骤（简要）：1）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）2）分水线、源、汇的确定3）画出渗流场周边流线与条件4）中间内插流量等单宽量流量控制流线根数确定等水头差间隔参见河间地块流网图P40，图4-4边界性质图河间地块流网www.themegallery.comCompanyLogo 等水头线、流线与各类边界的关系已知边界a—湿周b—隔水边界cd—水位线www.themegallery.comCompanyLogo 河间地块流网的绘制1）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）2）分水线、源、汇的确定3）画出渗流场周边流线与条件,4）确定等水头值，中间内插www.themegallery.comCompanyLogo 4.3.3流网的应用流网图的应用它反映了渗流场中地下水的流动状况，同时也是介质场与势场的综合反映。提供这两方面的信息：1、可以确定任意点的水头值（H），并了解其变化规律图中A点水头？HA与HB的大小？2、确定水力梯度I的大小，及其变化规律图中A点的I？IA与IB比较谁大？3、确定渗透流速V的大小，及其变化规律图中A点的VA？VA与VB？4、渗流场内的流量分布情况（如果要打井取水，井布置在何处为什么？）5、水质点的渗流途径及长短，当流线与迹线重合，流线近视为水质点的运移轨迹流网的应用思考题www.themegallery.comCompanyLogo 河间地块流网的应用AB比较：HA与HB？IA与IB？VA与VB？www.themegallery.comCompanyLogo 思考题1、在上页图示条件下，在何处打井取水，井水不会受污染物的影响？自选学习内容层状非均质介质中的流网饱水粘性土中水的运动规律www.themegallery.comCompanyLogo'