[工学]水文地质学基础第三章

'FundamentalsofHydrogeology水文地质学基础 第二章地下水的赋存3.1包气带与饱水带3.2含水层、隔水层与弱透水层3.3地下水分类3.4潜水3.5承压水3.6潜水与承压水的相互转化3.7上层滞水 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，称为地下水面，以海拔高度表示称之地下水位。包气带与饱水带（一般通过打井，地下开挖来确定）地下水面以上部分，包括毛细水带、中间带和土壤水带，岩石中的空隙未被水充满，称为包气带。地下水面以下部分，岩石中的空隙被水充满，称为饱水带。www.themegallery.com 包气带与饱水地下水位带CompanyLogowww.themegallery.com 包气带（zoneofaerationorzoneofunsaturation）v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v水的存在形式（多样）结合水、毛细水（各种）、气态水、（过路）重力水v包气带的垂直分带土壤水带毛细水带（支持毛细水带、毛细饱和水带）中间带（过渡带）v包气带水的来源大气降水的入渗、地表水体的渗漏、饱水带水分上移（毛细水进入包气带、地下水蒸发进入包气带）CompanyLogowww.themegallery.com 包气带（zoneofaerationorzoneofunsaturation）v包气带水的赋存与运移受毛细力与重力的共同影响雨季及雨后的影响v包气带水的影响因素除受包气带岩性、地下水位埋深、植被发育情况及人类生活与生产活动影响外，气象因素的影响极为显著。v研究包气带水的重要意义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。研究包气带水盐的形成及其运动规律对阐明饱水带水的形成具有重要意CompanyLogowww.themegallery.com义。 饱水带（saturationzone）v岩石空隙被水完全充满→是二相介质（固相+液相水）v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）→传递静水压力→在水头差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。§饱水带中的重力水是开发利用或者排除的主要对象，是水文地质学研究的重点。§地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来CompanyLogowww.themegallery.com CompanyLogowww.themegallery.com 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：v从实际应用角度来看划分的相对性——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。v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；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”？CompanyLogowww.themegallery.com 54321岩层渗④透性与③时间尺度②的关系① 大坝ABCompanyLogowww.themegallery.com 含水系统—Groundwateraquifersystem地下水含水系统：v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v含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层v含水系统：可以进行子系统划分含水系统的划分v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) ABCompanyLogowww.themegallery.com 丘陵倾斜平原区低平原CompanyLogowww.themegallery.com v广义地下水：赋存于地面以下岩石空隙中的水(包气带、饱水带中的水)狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水—重力水v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）地下水的埋藏条件：指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。v表3-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9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.com 上层滞水(a)、潜水(b)、承压水(c)abc 一、潜水与潜水含水层概念v潜水：饱水带中第一个具有自由表面的稳定含水层中的水。自由表面—没有隔水顶板或只有局部隔水顶板，与大气直接相通，除大气压强外不受其它任何附加压强。稳定—具有一定的空间连续性（范围），以与上层滞水区分。v潜水含水层：赋存潜水的岩层。建筑房屋时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）CompanyLogowww.themegallery.com 二、基本要素（专业术语）潜水要素图v潜水面(watertable)：潜水表面是一个自由的水面。v潜水位(waterlevel)：潜水面上任一点的海拔高程。v潜水含水层厚度：从潜水面到隔水底板的垂直距离。v潜水埋藏深度：潜水面到地面的垂直距离。潜水含水层厚度与潜水埋藏深度随潜水面的升降而发生相应的变化。CompanyLogowww.themegallery.com 潜水与潜水含水层图563D487M121-潜水含水层2-隔水层3、4潜水面潜水面M-含水层厚度CompanyLogowww.themegDa-ll潜ery.水com埋深5-大气降水入渗6-蒸发7-流向8-泉 三、主要特征—学习P30，总结v分布特征：分布广泛、均匀，埋藏深度小、水面自由。v运动特点：在重力作用下，由水位高的地方向水位低的地方径流。v补给(源)：分布区与补给区一致，大气降水入渗、地表水补给。v排泄(汇)：除流入其它含水层外，排泄入大气圈与地表水圈的方式，一是径流排泄、一是蒸发排泄。潜水补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水！v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）受人为因素影响显著，易污染v水量与水质：水量易于补充恢复，但缺乏多年调节性；水质主要取决于气候、地形及岩性条件。v水循环：水循环交替迅速、周期短，更新恢复快 四、潜水研究基本方法—潜水等水位线图v潜水等水位线图：由某时刻潜水位相等的各点连线组成的图件。（某时刻潜水面的等高线图）v潜水流向：垂直等水位线由高到低为潜水的流向。v潜水面坡度：相邻两条等水位线的水位差除以其水平距离。当潜水面坡度不大时，即可视为潜水水力梯度。 某地潜水等水位线图（平面）河流河流CompanyLogowww.themegallery.com 潜水面形状³由于潜水在重力作用下由高处向低处流动，一般情况下，潜水面不水平，是一个向排泄区微微倾斜的曲面。该曲面往往与地表面一致，但起伏比较平缓。³潜水面首先受地表水文网密度和切割深度的控制。在地形切割强烈地区，地下水补给河水，潜水面向河道倾斜；在河流的下游，河床往往高于地面，河水位高于潜水位，河水补给潜水，则潜水面向河流外侧倾斜。³潜水面形状还受含水层岩性及过水断面大小影响含水介质透水性越强，其中潜水水面越缓；介质透水性越差，潜水面越陡。在均质的介质中，当潜水流经较大的过水断面时，其水力坡度变缓。 绘制潜水等水位线图³根据什么绘制潜水等水位线图？统一测得的均匀分布的各个水点（机井、民井、泉等）的地下水位数据。³怎样绘制潜水等水位线图？在水文地质学理论的指导下，按规定的水位差间隔用内插法勾绘出各条等水位线³为什么绘制潜水等水位线图？潜水等水位线图可以揭示出一个地区的许多水文地质信息。如：潜水面的形状、潜水流向、潜水水力梯度、潜水埋藏深度、潜水与地表水的关系、潜水含水层厚度与渗透性等。 一、承压水定义充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水，称之为承压水。二、基本要素承压水要素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承压高度（H）：钻孔中静止水位到含水层顶面的距离；⑥测压水位：钻孔中静止水位的高程即为承压水在该点的测压水位；⑦测压水位线（面）：测压水位的连线（面）—此线是虚拟的；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CompanyLogowww.themegallery.com 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承压高度（H）⑥测压水位线（面）：⑦补给区⑧承压区⑨排泄区⑩自溢区CompanyLogowww.themegallery.com 三、特征※承压性承压性是受到了大气压以外的压力。承压区含水层的水受到了来自出露区地下水的静水压力作用，不但充满含水层，而且承受了附加压强。概念：承压高度；测压水位。※补给与排泄主要补给来源：大气降水入渗与地表水入渗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；高补低排（从高处获得补给，在低处排泄）；隔水顶底板对承压区补水的影响。 ※水质承压水的水质取决于埋藏条件及其与外界联系的程度；变化较大，矿化度一般要高点，可以保留“古老”的水；※动态水循环交替较弱，受气象、水文因素影响较小，动态稳定，不易污染。动态要稳定些，如果分布面积大，厚度稳定—则调节能力很强 四、承压含水层补给与排泄特点※承压含水层接受其它水体补给必须同时具备的两个条件：a.其它水体（地表水、潜水或其它承压含水层）的水位必须高出承压含水层的测压水位；b.其它水体与该含水层之间必须有联系通道。当承压含水层测压水位高于其它水体水位且与其它水体有联系通道时，承压水向其它水体排泄。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？！※承压含水层对水量增减的反应由于隔水顶板的限制，不通过增加含水层厚度而容纳增加的水量，通过水的密度加大及含水介质空隙的增加而容纳；排泄时，减少的水量表现为水的密度变小及含水介质空隙缩减。 承压含水层的储水与释水机理v贮水系数S(弹性给水度μe)§承压含水层中当测压水位下降(或上升)1个单位深度，单位水平面积含水层所释出(或储存)的水的体积。v测压水位降低导致v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1/200001)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这两部水很有限，所以S很小；v一般，贮水系数S为0.005—0.00005，与重力给水度μ相比要ww小w.t1he0m-e1ga—llery.c1om0-3CompanyLogo 承压含水层的贮水系数与潜水含水层给水度的比较CompanyLogowww.themegallery.com 承压含水层的弹性给水度v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储水与释水能力降低vCompanyLogowww.themegallery.com ※等水压线图³等水压线—承压含水层测压水位相等的各点连线。³等水压线图—根据承压水测压水位，按一定高差间距绘制的各条等水位线所构成的图。※等水压线图反映的水文地质信息³承压水的流向、水力梯度。（方法同潜水流向、水力梯度）³测压水位—静止水位的海拔。³测压水位的埋深—地表高程与测压水位之差。³承压高度—静止水位（测压水位）高出含水层顶板的距离。³含水层埋深—地表高程与隔水顶板高程之差。³承压水自溢区—地形等高线与同高的测压水位线各个交点连线所圈围的范围。³确定与其它含水层或地表水体的相互补给关系。（需有等水位线图或地表水体水位）CompanyLogowww.themegallery.com 等水压线图CompanyLogowww.themegallery.com v在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的v在自然与人为条件下，潜水与承压水经常处于相互转化之中，除了构造封闭条件下与外界没有联系的承压含水层外，所有承压水最终都是由潜水转化而来；或由补给区的潜水侧向流入，或通过弱透水层接受潜水的补给。v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 例：潜水与承压水的转化CompanyLogowww.themegallery.com 例：潜水与承压水的转化CompanyLogowww.themegallery.com 上层滞水：当包气带存在局部隔水层（弱透水层）时，局部隔水层（弱透水层）上会积聚具有自由水面的重力水，这便是上层滞水。上层滞水v分布最接近地表，接受大气降水的补给，通过蒸发或向隔水底板（弱透水层底板）的边缘下渗排泄；v水量小，动态变化显著，只有在缺水地区才能成为小型供水水源或暂时性供水水源；v包气带中的上层滞水，对其下部的潜水的补给与蒸发排泄，起到一定的滞后调节作用；v极易受污染，利用其作为饮用水源时要格外注意卫生C防ompa护nyL。ogowww.themegallery.com 上层滞水abc'