第三章地下水的赋存

第三章地下水的赋存第一节包气带与饱水带一、包气带与饱水带的划分地下水面：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。地下水位：地下水面至基准面的高度，一般用海拔高程来表示。地下水面通过打井或地下开挖来确定（图3-1）。包气带：地表以下到地下水面之上，岩石中的空隙未被重力水所充满。饱水带：地下水面以下，岩石中的空隙被重力水所充满的带。二、包气带特点：①岩石空隙未被水充满，②是固、液、气三相介质并存水的存在形式多样：结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水土层含水量垂直分带：图3—1包气带与饱水带作用：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、饱水带特点：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（孔隙是连续的）→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。意义：地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来！第二节含水层，隔水层与弱透水层一、基本概念划分原则：在地下水位以下，饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而进行划分含水层：是能够透过并给出相当数量水的岩层，如各类砂土、砂岩等。隔水层：不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层，如裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）弱透水层：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（驱动），如各种粘土，泥质粉砂岩。二、概念的相对性上述的含水层、隔水层与弱透水层的划分，有几个模糊概念“相当水量，微不足道，较大水力梯度”等。在“地质学”思考问题中，通常很难用严格的“是与非”的逻辑思维很多情况下是相对的和模糊的概念，这样更切合实际。（1）从理论意义来看微不足道，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与评价，以中间的粘性土层视为“隔水层”，分别使用与开采深层水与浅层水；在最先开采深层水时发现，深层水水量大、水位高（部分自流），开采一段时间后，深层水位下降很快，浅层水开始向深层水“越流”。显然，在时间空间足够长和大时，被视为隔水的粘土层变为了“透水层”。（2）从概念应用来看，相对性的意义在于从实际应用角度来看划分是相对的，满足需要就可以了，在某处打一口井，出水量80，作为小规模的供水，不能满足需要，地层定为隔水层；但作为饮料厂的装瓶生产，水量又能够满足需要，该地层就会定为含水层。再如，某种岩层的渗透性比较低，从供水的角度，它可能被看作隔水层，而从水库渗漏的角度，由于水库的周界长，渗漏时间长，此类岩层的渗漏水量不能忽视，这时又必须将它看作含水层。严格地说，自然界中并不存在绝对不发生渗透的岩层，只不过某些岩层(如缺少裂隙的致密结晶岩)的渗透性特别低罢了。从这个角度说，岩层之是否透水（即地下水在其中是否发生具有实际意义的运移）还取决于时间尺度。当我们所研究的某些水文地质过程涉及的时间尺度相当长时，任何岩层都可视为可渗透的。随着模拟技术的发展，现代水文地质学在分析与模拟时，不再将地层简单的划分为“含水或隔水层”的了，采用模糊数学的研究方法，给个相当于隶属度的1和0之间的任一个数，如0.8，0.75，0.7，……0.3等等；引用地层的“透水性”描述地层，具有重要的理论意义。第三节地下水分类广义地下水：地表以下岩石空隙中的水称之，包括包气带中和饱水带中的所有水。狭义地下水：地表以下饱水岩层空隙中的水（饱水带中重力水）。地下水分类依据含水介质的类型（赋存空间）：孔隙水、裂隙水和岩溶水埋藏条件（赋存部位）：包气带（上层滞水）、饱水带（潜水和承压水）表3-1是根据含水介质三类与埋藏条件（三类）划分的9类地下水。表3—1地下水分类表图3—3是按含水介质（空隙）类型与埋藏条件划分地下水的图示。图3—3潜水、承压水及上层滞水1—隔水层；2—透水层；3—饱水部分；4—潜水位；5—承压水测压水位；6—泉（上升泉）；7—水井，实线表示井壁不进水；a—上层滞水；b—承压水第四节潜水与潜水含水层一、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——即没有隔水层限制，与大气直接相通，水面不承受大气压强以外的任何附加压强。稳定——具有一定的空间连续性（范围），以区分上层滞水。潜水含水层：赋存潜水的岩层。一般地，房屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏多为潜水。二、基本要素（专业术语）潜水含水层的基本构成：（参见图3-4）（以下要素结合图制作动画）图3—4潜水1—含水层；2—隔水层；3—高水位期潜水面；4—低水位期潜水面；5—大气降水入渗；6—蒸发；7—潜水流向；8—泉三、主要特征潜水的基本特征：1）补给：降水入渗，河湖入渗2）排泄：泉，河，蒸发3）动态：补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水！4）水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快5）影响因素：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，易污染潜水的基本特点是与大气圈、地表水圈联系密切，积极参与水循环；决定这一特点的根本原因是其埋藏特征——位置浅且上面没有连续的隔水层。第五节承压水与承压含水层一、定义承压水：充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水。承压含水层：赋存承压水的岩层。图3-6图3—6基岩自流盆地中的承压水1—隔水层；2—含水层；3—潜水位及承压水测压水位；4—地下水流向；5—泉；6—钻孔，虚线为进水部分；7—自喷井；8—大气降水补给；H—承压高度；M—含水层厚度二、基本要素与特征结合图3-6，认真理解承压水和承压含水层的组成要素：承压含水层：赋存承压水的岩层隔水顶板隔水底板承压含水层厚度（H）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：含水层某点的承压高度数值上等于该点的测压高度⑧补给区：仅分布于出露区⑨承压区：含水层中具有承压高度的分布区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主要特征（与潜水相比）：补给与排泄：有限区域与外界联系，水循环迟缓，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，一般矿化度较高，可以保存很“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。承压含水层的厚度不变，储水与释水时，厚度是如何进行的？！研究方法之一：绘制承压含水层的等测压水位线图（加地形等高线）承压水的基本特征是由于上部受到隔水层或弱透水层的隔离，承压水与大气圈、地表水圈的联系较差，水循环也缓慢得多。承压水不像潜水那样容易污染，但是一旦污染后则很难使其净化。三、承压含水层的贮水与释水与潜水不同，承压含水层接受补给与排泄时，由于隔水顶板的限制，不通过增加或减少含水层厚度而容纳或排除增减的水量。补给增加水量：通过水的密度加大及含水介质空隙的增加而容纳。排泄减少水量：表现为含水层中水的密度变小及含水介质空隙缩减。比照潜水含水层的给水度定义，承压含水层定义为贮水系数。贮水系数：是指其测压水位下降（或上升）一个单位深度，单位水平面积含水层释出（或储存）的水的体积（图3—8）。图3－8承压含水层的贮水系数与潜水含水层给水度的比较〔Ferris，1962〕（a）承压水含水层；（b）潜水含水层承压含水层的贮水系数，在形式上，潜水含水层的给水度（也有人称之为潜水含水层的贮水系数）与承压含水层的贮水系数（也有人称之为弹性给水度）非常相似，但是在释出（或储存）水的机理方面是很不相同的。水位下降时，潜水含水层所释出的水来自部分空隙的排水。测压水位下降时，承压含水层所释出的水来自含水层体积的膨胀及含水介质的压密（从而与承压含水层厚度有关）。测压水位下降时承压含水层释出的水，远较潜水含水层水位下降时释出的小。一般，承压含水层的贮水系数为0.005—0.00005，常较潜水含水层小l—3个数量级。由此不难理解，开采承压含水层往往会形成大面积测压水位大幅度下降。第六节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。有时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。如在山区多层地层结构时，强烈的切割作用，往往会形成多个地下水面在厚度很大的含水层中，部分地段可能为承压水，部分段就会出现无压水（也有称层间水）一个封闭的含水层有时也很难给出是潜水？还是承压水？的划分，如图3-9。开采前—为潜水含水层；开采后—转变为承压含水层。图3—9潜水与承压水的转化1—含水层；2—隔水层；3—阻水断层；4—天然地下水位；5—开采后的地下水位；6—潜水流线；7—承压水流线；8—泉；9—开采钻孔第七节上层滞水上层滞水：分布在包气带，局部隔水层（弱透水层）上，积聚的具有自由水面的重力水。上层滞水是包气带中有实际利用价值的重力水。特点：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。雨季积存一定水量，旱季逐渐耗失；不能终年保持有水；动态变化显著。作用：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。上层滞水极易受污染，利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护。