水文地质学基础讲义

'水文地质学基础讲义第0章绪言2学时第1章自然界的水循环2学时第2章地下水的赋存6学时第3章地下水运动的基本规律6学时第4章地下水的化学成分及其形成作用4学时第5章地下水的补给、排泄与径流4学时第6章地下水的动态与均衡4学时第7章孔隙水2学时第8章裂隙水2学时第9章岩溶水2学时第10章特殊类型地下水2学时第11章地下水资源分析及其开发管理1学时第12章地下水调查概要1学时教材：《水文地质学基础》，章至洁，中国矿业大学出版社，2004.参考教材： 绪论Ø与水文地质学相关的学科：1.从水文循环来看，地球上的水资源是个整体，研究地下水科学需要与相关学科相结合《地质学（普通）》、《第四纪地质学》、《自然地理学》、《陆地水文学》、《水文气象学》等相关知识参考2.与工程应用角度《水资源开发工程》、《土质土力学》、《岩体力学》、工程地质学等3.后续课程《地下水动力学》《水文地球化学》《水资源开发与保护》、《专门水文地质学》等基础类、应用类和技术方法类课程§0.1地球上的水与水资源地球上的水及所占比例：l海洋水：占96.54%l淡水占全球水量的2.527%l地下水占淡水资源的30%一、利用自然资源有两种方式：1.不可再生资源： 如果某种资源的存量大到足以保证上百年的需要，而且在资源耗竭以后，可以开发替代资源。——————矿产资源是典型的不可再生资源2.可再生资源：如果某种资源的再生速率高于人们的消费速率，就可以保证永续利用。可再生资源是永远不会耗竭的——————淡水资源的主体是可再生的二、地球上的水与水资源的重要性1.水——自然界存在，自然属性l不断循环运动l良好的溶剂，重要载体l水具有能量2.水——人类生存、社会经济发展不可或缺，社会属性l生命之源，是地球系统的“血液”l旱灾、水灾、水污染，对人类发展不协调l水资源可再生，但水资源有价值（价值规律）l水资源管理不当，成为社会不稳定因素之一三、地球上的水与水资源：我国水资源概括Ø中国的大气降水与水资源分带Ø中国的人口密度与分省人均淡水资源我国是世界上最缺水的13个国家之一人均水资源占有量仅为世界平均值的1/4§0.2地下水的功能（作用）n概念：水文地质学简言之──研究地下水的科学Ø水对人类生活与生产起着不可或缺的重大影响Ø地下水是水资源组成部分Ø其主要功能（functions）为：1、地下水是一种宝贵的资源（resource）2、地下水是极其重要的生态环境因子3、地下水是一种很活跃的地质营力4、地下水是地球内部地质演变的信息载体一、地下水是一种宝贵的资源1.供水水源——优点：分布广，动态变小，洁净，不易污染据报道：陆地一半为干旱、半干旱地区1/3耕地，2/3牧区水源不足城市供水不足，近来更有增加趋势世界上，阿拉伯国家-进口雨水，中东的长期摩擦一是石油，二是水80年代以来，我国城市缺水总体也愈来愈严重，很显然：水资源的欠缺严重制约着国民经济的可持续发展。全国60%的耕地全部或部分使用地下水灌溉，全国95％以上的农村饮用地下水。2.液体矿产（liquidmining）Ø地下水高含盐类或稀有元素，开发提炼具有工业开采价值———如四川自贡，三叠纪岩层中的卤水，每升达300g之多。Ø医疗或健身功能的矿泉水（Naturalmineralwater）——--疗养院，天然矿泉水厂，啤酒厂等—寻找特殊功能的水资源Ø开发提取一定的能量（热能，冷能）地下水1）地下水的露头──泉井，往往具有冬暖夏凉的特点，地球浅层是常温带─保温作用， 起到“冬灌夏用，夏灌冬用”2）地球是个天然热库──可以供热，供取暖等用处二、地下水是极其重要的生态环境因子———地下水是影响生态与环境的重要因素之一1.地下水的变化往往会打破原有的生态平衡，使环境发生变化──即可以有益，也可以是有害的2.有害的例子：农业用水不当的次生盐渍化、不统一开采，河西走廓的民勤县，绿州变沙漠、过量开采地下水──地面沉降（上海、天津）、海水入侵，地面塌陷，地下水污染等3.地下水与其周围的环境，人、水、热、动是个相互依存的有着内在联系的生物生存链，打破一个环节就会引起或正或负的反馈（报复）Ø地下水利用产生的环境问题：沙化荒漠化加重Ø地下水利用产生的环境问题：上海地面沉降Ø地下水利用产生的环境问题：地下水污染三、地下水是一种很活跃的地质营力—————地壳内能量、热量的传输者Ø1.传递应力：水为诱发地震，地质灾害是地下水作用Ø2.人工地震预报──观测地下水Ø3.地球是个天然热库——在地质循环和水文循环中传输地壳内部的能（热）量的传输者四、地下水是地球内部地质演变的信息载体————地下水是（地球内部地质演变的）信息载体Ø1.由于是应力传递者，同时又是在流动——所以地下水水位，水量，水温，水化学等的变化或异常可以提供埋藏在地下的许多信息.Ø2.强的溶剂：在地质循环和水文循环中化学组分溶解，传递到适宜的部位沉淀（沉积）：成矿如找矿、找油、地震预报、地质演变.§0.3水文地质学的发展与趋势一、发展阶段：四个时期：1856年以前的萌芽时期——1856年至本世纪中叶的奠基时期——20世纪中叶至今的发展时期——21世纪的转变时期Ø1.萌芽时期：由逐水而居到凿井取水----一大转折Ø2.奠基时期：1856年，达西定律--地下水定量计算——奠定了水文地质学的基础Ø3.发展阶段：二次世界大战战后，科学技术推动生产力迅猛发展以及人口的急剧增长1）泰斯非稳定流理论提出，对地下水资源量的认识—革命2）计算机技术的发展，在地下水模拟、规划管理等推进Ø4.转变时期：核心内容的转变，可持续发展观的提出——————水文地质学的发展正向“地下水科学”的转变——发展趋势。二、水文地质学的趋势——简况趋势：Ø1.核心课题转移：找水水文地质学→资源…→生态环境…Ø2.视野扩展：含水层→地下水系统→水文-生态环境→技术-社会系统。Ø3.目标改变：由当前的问题转向长期的可持续发展…Ø4.内容扩展：从地下水的水量为主，转向水量与水质的研究并重；从狭义地下水，扩大到广义地下水,乃至地下水圈…Ø5.思路的改变：从成生角度，加强过程与机理研究…Ø6.多学科交叉渗透成为主流：地下水科学与其它自然科学以及社会科学交叉渗透，以多学科方式研究与处理问题Ø7.服务方式转变：…方式发生了很大改变，如何使水文地质工作成果转化为生产力，成为 一个急需解决的重大课题。三、水文地质学的发展与趋势—任务1.目前任务：Ø1.正确地预测在人类活动干预下地下水的变化Ø2.正确地评价、开发、管理与保护地下水资源Ø3.保护与地下水有关的生态环境，成为当务之急Ø4.正确地预测矿产开发的地下水问题，避免地下水害Ø5.。。。§0.4课程内容本课主要内容:一、水文地质学基本概念概念、名词与术语二、水文地质学基本原理地下水形成基本规律——赋存、分布、运动三、地下水科学的分析方法Ø微观——以概念为基础的分析方法Ø宏观——地下水系统理论为基础的综合分析四、应用分析——概念与原理的掌握思考题:1、为什么说“水资源”是可再生的资源？2、为什么说“水资源”既有自然属性，又有社会属性 第一章自然界中的水循环§1.1水循环Ø地球上各部位、各层圈都存在着水，各部位的水是相互联系、相互转化的整体也称为水圈──水系统Ø自然界的水循环──一、各部位水的联系与转化关系Ø水循环分为：地质循环，水文循环Ø本章重点讨论水文循环§1.2水文循环1.定义—水文循环示意图——环节或要素2.水文循环的划分（1）循环路径不同：大循环（海-陆）与小循环（海-海，陆-陆）（2）时空尺度不同：全球水文循环，流域水文循环，水-土-生系统水文循环3.水文循环的运动规律（1）海洋的蒸发量大于降水量（2）陆地的降水量大于蒸发量（3）大陆输入水汽量与输出水量基本平衡 §1.3水量平衡（Waterbalance）一、通用水量平衡方程1.水文学（水文地质学）研究的基本原理物质不灭（质量）、能量守恒定律为基本原理2.通用水量平衡方程：区域—段—要素I=O+(W1--W2)=O+△W其中，I：时段内输入区域的各种水量之和O：时段内输出区域的各种水量之和△W=W1-W2：区域内时段始末的储水量不同区域、不同研究对象可以写出具体的水量平衡方程式二、我国的水量平衡 §1.4水文循环的作用一、水文循环的作用：通过循环—水的质量得以净化、水的数量得以再生水资源不断更新与再生，可以保证在其再生速度水平上的永续利用──也是可持续发展保证。§1.5影响水文循环的因素—自学u1.气象因素u2.自然地理条件u3.人类活动等结果：有利于蒸发，不利于径流，促进内陆水文循环思考题u1.水文循环的内、外因是什么？u2.为什么称水资源为可再生资源，可再生的水资源是，取之不尽的吗？u4.举例说明人类活动对“水文循环”产生的影响。u5.研究一个地区水量平衡有何意义？ 第二章地下水的赋存§2.1岩石中的空隙基本概念：1.岩石——水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层2.空隙——岩、土中各种类型的空洞的总称空隙—是地下水赋存场所（places）和运移通道（conduits）空隙分为（1）.孔隙（pore）--unconsolidatedsoil--（第四纪地质学）（2）.裂隙（fissure）--hardrock---（构造地质学）（3）.溶穴（cavity）--dissolublerock--（岩溶地貌学）《工程地质学》是从土层的物理力学指标（性能）来讨论，如土的压缩性或强度变形。一、孔隙（pore,void）土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与分布。松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类1、砂砾石孔隙大小及其影响因素v试样a—砾石(模型)，试样b—砂土样品，试样c—砂砾混合样品？提问：试样a与b构成的孔隙哪种大？哪种小？颗粒大小----有关？Ø简单归纳---砂砾石土孔隙大小与什么有关？颗粒大小、排列——立方体或四面体、分选、胶结与充填等Ø孔隙大小特征的描述：孔喉(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732D(上述为：立方体排列的理想等径园球颗粒）2.砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标（1）.定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。通常用n表示 Ø？问：孔隙度的大小与什么有关？——与颗粒大小有关？a.与排列有关——紧密与疏松理想最疏松孔隙为47.64%，最紧密排列孔隙为25.95%。b.与分选有关——下面试样哪个孔隙度大？哪个小？试样：①砾石；②砂石；③混合样Ø完全混合试样时，孔隙度n混=n砾×n砂（请自己推导证明）Ø影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。Ø自然界中松散岩石的孔隙度：Ø矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？Ø矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%—达到70%2.粘性土的孔隙度（porosity）及其影响因素（1）粘土颗粒Ø粘性土是指土体颗粒＜0.005mm的直径Ø粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强Ø粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成粘粒团”Ø细小粘粒集合（团）构成（称为）颗粒集合体。Ø集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征（2）粘土孔隙粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构Ø结构孔隙——集合体与集合体、粘粒与粘粒之间Ø次生孔隙——虫孔、根系孔、裂隙裂痕等二、裂隙1.裂隙的概念（fissurefracture）固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙）：风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙2．空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状”空隙，单个裂隙是孤立的3.裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：1)裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）2)张开性（裂隙宽度）3)裂隙率等三、溶穴（solutioncavity）cavern1.在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果——是扩大了的裂隙溶穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等2.岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+溶洞）1）岩溶发育方向 2）溶蚀率--钻孔岩溶发育程度3）溶洞（方向、规模等）四、空隙特征的对比空隙特征的比较1.含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场。含水介质的空间分布与连通特征（孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质）是不同的，三种主要类型的含水介质比较：Ø连通性—孔隙介质最好，其它较差Ø空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊Ø空隙比率—孔隙介质最大，裂隙最小Ø空隙渗透性—孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向异性造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境思考题：1.什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？2.坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？（可以通过查阅资料和文献回答）3.试总结砂砾类土体的孔隙形状特点§2.2岩石空隙中水的存在形式Ø存在形式：气态、固态、液态设想实验：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）（1）2个玻璃珠子之间滴上几滴水，接触部位就会有所残留水（2）在饱水试样中取1颗和2个颗粒，颗粒和颗粒孔隙间的水？（3）将玻璃细管插入水中，取出，管中残留水？通过上述3例及图示→空隙中水的存在形式：结合水——（absorbedwater,boundwater）重力水——（gravitationalwater;bulkwater）毛细水——（capillarywater）一、结合水（absorbedwater,boundwater）1.定义附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水即结合水具有一定的抗剪强度？抗剪强度的产生与大小与什么有关表面引力—服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱（1）性质：结合水具有固态和液态水的双重性质；即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）及变形（2）意义：只要有固相表面就存在结合水，存在范围广，其量很小（结合水膜很薄），当孔隙直径小于2倍结合水膜厚度时，孔隙中只含有不能自由运动的结合水（又称无效空间）2.强结合水和弱结合水（1）强结合水（吸着水）：厚度：几个水分子或几百个水分子，受到的引力：1万个大气压。（2）弱结合水（薄膜水）：厚度：几十、几百或几千个水分子厚度。二、重力水重力水（gravitationalwater;bulkwater）远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由 运动u无重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布—受表面吸引的作用液态水的特征u地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽出）u重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的主要对象三、毛细水毛细水（capillarywater）1、基本概念u毛细现象：①根据细小管插入水中，水上升至一定高度停下来u毛细力：毛细水：受到表面吸引力，重力，还有另一种力—称毛细力的作用，产生毛细现象。（1）毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起——液面弯曲产生的（2）毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹侧l凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的l凹形弯液面—负的毛细压强（negative）---如同真空吸力l凸形弯液面—正的毛细压强（positive）（3）毛细力的大小：毛细力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大,毛细力大;曲率小，毛细力小）。一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；反之亦然毛细力大，毛细上升高度也越大。2、毛细水的存在形式（statesforms）在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：（1）支持毛细水（supportingcapillarywater）在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关（2）悬挂毛细水（suspensioncapillarywater）脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分，称为悬挂毛细水。上粗下细或上细下粗砂砾试样的例子。？悬挂毛细水的高度思考：一个等径园管，如果支持毛细水高度为hc，悬挂毛细水高度？（3）孔角毛细水（触点毛细水）（cornerwater,contiguitywater?）孔角毛细水与悬挂毛细水是不同——？悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的§2.3岩石的水理性质岩石（包括骨架与空隙在内的总称）水理性质：就水文地质学主要涉及是与水分储容、释出与运移有关的性质包括：一、容水度和孔隙度（porosity）（反映岩石最大含水能力）孔隙度——n;容水度——nr？两者有何关系n岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比二、含水量（watercontent）__wn岩石样实际保留水分的状况，（是某岩样某时的含水状态）又称岩石的天然含水量1.重量含水量：松散岩石中孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比值。2.体积含水量：含水的体积与包含孔隙在内的岩石体积的比值。3.饱和差：岩石容水度和体积含水量之间的差值。4.饱和度：体积含水量与容水度之比成为饱和度。 三、持水度（specificretention）__Sr岩石的持水能力——最大保持水分的能力n饱水岩石在重力作用下释水后，岩石中保持的水的体积与岩石总体积之比四、给水度1、定义：当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度。当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？在土层中会保留什么形式的水？结合水(膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水2.影响因素：（1）岩性：空隙大的岩石，给水度大l砾＞粗砂＞…＞粉砂——（与粒径有关）lØ颗粒细小者，比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多（2）地下水位初始埋深（H0）lØ当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时H0＞＞hc,可达最大μ值lH0＜＜hc时，地下水位下降1个高度时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，μ变小。l土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度—也是最大理论给水度（3）与地下水位下降速度有关地下水位下降快慢会影响到μ的大小——（下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理），这是因为释水滞后，而导致的释水减量（4）土层结构l岩土层为层状非均质土时，往往会影响μ值，l多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响是不同的。五、透水性（permeability）——（先自学一下）l反映岩土透过水的能力l后续讲“地下水的运动”时再讨论l岩石空隙直径越大—透水能力越强—透水性越好！§2.4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） 二、包气带包气带（zoneofaerationorzoneofunsaturation）1.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2.水的存在形式（多样）结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水3.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。三、饱水带饱水带（saturationzone）1.岩石空隙被水完全充满→是二相介质（固相+液相水）2.空隙中水的存在形式：①重力水；②结合水u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。u地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来！§2.5含水层和隔水层一、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1.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2.隔水层（Aquifuge)：不能透过与给出水或透过与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）3.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，泥质粉砂岩二、概念的相对性 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：1.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。2.从理论意义来看——微不足道微不足道，有时空尺度的制约三、含水系统含水系统—Groundwateraquifersystem1.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2.含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层3.含水系统：可以进行子系统划分4.含水系统的定义是从大的空间尺度研究含水层、隔水层、与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)§2.6地下水的分类1.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)2.狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水—重力水3.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）v表3-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9类4.地下水分类§2.7潜水与承压水及上层滞水一、潜水与潜水含水层 1.潜水与潜水含水层概念（1）潜水：地表以下，第一个具有自由表面的稳定含水层中的水。u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。u稳定——具有一定的空间连续性（范围）以示区分上层滞水（2）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）2.潜水面(watertable)[1]潜水位(waterlevel)[2]潜水含水层-[3]含水层厚度-[4]潜水埋深-潜水与潜水含水层3、主要特征[1]补给(来源)：降水入渗，河湖入渗[2]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！[3]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[4]水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快[5]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 二、承压水与承压含水层1.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。2.基本要素与特征（1）基本要素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）：测压水位线的连线（面）—此线是虚拟的（如图有压管）；⑦承压水头（H）；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。承压水与承压含水层（2）特征：u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u动态要稳定些，如果分布面积大，厚度稳定—则调节能力很强n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）承压含水层的储水与释水u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u测压水位降低导致1)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 2)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v这两部分水很有限，所以μe很小；与重力给水度μd相比要小10-1-10-3u承压含水层的弹性给水度从理论上来看：u弹性给水度是可以恢复的u实际上弹性是有限恢复的u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u最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低三、潜水与承压水的相互转化u在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的u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v几个例子：u山区基岩互层u一个较厚的含水层u一个封闭的含水层—潜水？n开采前—潜水含水层n开采后—承压含水层学习提示：u前第一、二、三章，是水文地质学中常用的基本概念和术语，要求掌握uv后几章将着重介绍一些基本理论与方法 第四章地下水运动的规律§4.1重力水的运动一、基本概念：1、渗透与渗流：1）渗透：地下水在岩石空隙中的运动称为渗透（或渗流）。特点：（1）曲折复杂的水流通道；（2）迟缓的水流（由于所受到的摩擦阻力较大，所以运动迟缓，通常用每日（昼夜）多少米来计算其流通量。）实质：用充满含水层中的假想水流来代替仅仅在岩石空隙中运动的真正水流。其条件是：（1）假想水流通过任意断面的流量必须等于真正水流通过同一断面的流量；（2）假想水流在任意断面的水头必须等于真正水流在同一断面的水头；（3）假想水流通过岩石所受到的阻力必须等于真正水流所受到的阻力。2、层流与紊流：1）层流：在岩层空隙中渗流时，水的质点有秩序的、互不混杂的流动。在具有狭小空隙的岩石中流动时，重力水受介质的吸引力较大，水的质点排列较有秩序。2）紊流：在岩层空隙中渗流时，水的质点无秩序地、相互混杂的流动。3、稳定流与非稳定流u稳定流与非稳定流：水在渗流场中运动，各个运动要素（水位、流速、流向）不随时间改变时，称为稳定流。运动要素随时间变化的水流运动，称为非稳定流。4、地下水的运动的空间变化类型：1）线状流：渗流场中任一点的速度变化只与空间坐标的一个方向有关时的水流。2）平面流：渗流场中任一点的速度变化只与空间坐标的两个方向有关时的水流。3）空间流：渗流场中任一点的速度变化只与空间坐标的三个方向有关时的水流。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）二达西定律（Darcy’slaw）达西定律—线性渗透定律（linearlaw）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1、实验条件：装置图—P44，图3-61）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）—Q 2）渗透流速根据水力学流速与流量的关系于是：v=KI渗透流速等于渗透系数与水力坡度的乘积。V与I的一次方成正比。在实际的水流中，水力坡度在各处不同2达西定律讨论1）渗透流速（V）与过水断面（ω）Q=KωI=ωVv过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否Ø过水断面——ω，假想的断面Ø实际孔隙断面——ωn孔隙度Ø实际水流断面——ωne有效孔隙度Q/ω=V比照水力学，实际流速u=Q/ω’Ø关系：地下水渗透流速V=uneØ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。Ø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 2)水力梯度水力梯度（I）（hydraulicgradient）Øa)概念：水力学中水力坡度（J）:单位距离上的水头损失Ø是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比ØB)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：ØC)任意点的水头表达式其原因是u2/2g很小而忽略:ØD)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ØE)渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）1)流体的粘滞性引起的——内摩擦阻力（分子间）2)固体颗粒表面对水流的反作用力ØF)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3渗透系数 在有些教科书中也称为水力传导率1)定义：水力梯度为I=1时的渗透流速（V=KI）具有速度量纲L2T-12)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3)影响因素：——以松散岩石,等径孔隙为例来分析v从公式即得出：Ko____内在透水率p---水的比重；v——水的粘滞系数。Ø表3-1列出常见岩石渗透系数的参考值4达西定律的适用范围（自学P38中间一段）雷诺数数介于1~10之间5达西定律的应用实例：（自学）关键问题：利用达西公式和微积分的简单计算。三、流网（Flownet）1基本概念（concept）1）渗流场：地下水流动（运动）的空间2）流网：是由一系列等水头线与流线组成的网格，称流网（flownet）流网是描述渗流场中地下水流动状况的有效工具3）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）4）迹线：流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹5）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）2二维流网图：1）平面流网：潜水等水位线图，承压水等测压水位线图2）剖面流网：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的水流3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）4定性流网绘制Ø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v思考回答：n边界条件？有哪几类？n流线起点和终点？等水头线如何控制？n等流量如何确定？n“源”—resource（发散流线处）n“汇”—sink（吸收流线处）n“地下分水线”—divideline（分水或分流处为“流线”）1）绘制步骤（简要）：（1）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）a）定水头边界：河渠湿周---等水头线;b)隔水边界：流线（“零通量”） c）地下水面边界：当无渗入补给与蒸发排泄，有侧向补给，作稳定流时，地下水面是一条流线；当有入渗补给时，既不是流线，也不是等水头线。（2）分水线、源、汇的确定（3）画出渗流场周边流线与条件（4）中间内插河5流网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：Ø 流网相邻两条流线之间通过的流量相等，流线的疏密可以反映地下径流强度，等水头线的疏密则说明水力梯度的大小。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5.1毛细负压与毛细压力水头v包气带特点——复习v毛细水中：讨论过毛细现象、毛细力、毛细水的存在形式v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 5.1毛细负压与毛细压力水头v当弯曲液面为半圆时（湿润角β=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v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）v压强转化为水柱高度表示（hc）5.1毛细负压与毛细压力水头v压强转化为水柱高度表示（hc）vρ取1g/cm3;g=981cm/s2,α=74dyh/cm=74×10-3N/mD——毛细管直径（用mm表示）vhc——毛细压力水头（m）又称毛细压头5.2毛细压力水头的测定方法：v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+hAv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）n如果测得包气带中HB﹥HC，其意义如何（与水力学水头概念一致），水流运动方向为B→C，入渗水流n如果测得包气带中HB