水文地质学基础

2020/1/17水文地质学基础FundamentalsofHydrogeology2020/1/17参考教材•教材：《水文地质学基础》-王大纯等编著，地质出版社，95版/2010版2020/1/17提纲第一章绪论第二章岩土中的空隙和水第三章地下水的赋存第四章地下水运动的基本规律第五章地下水的补给与排泄2020/1/17CompanyLogo地球上的水与水资源：地球上的水及所占比例水体种类亿km3%淡水亿km3%海洋水13.3896.5400地表水0.24251.750.241769.0地下水0.23701.710.108330.92土壤水0.000160.0010.0001650.05大气水0.0001290.00090.0001290.04生物水0.0000110.000010.0000110.003总储量13.85981000.3503100淡水占全球水量的2.528%第一章绪论2020/1/17地球上的水与水资源：淡水冰冻\积雪地下水河湖水淡水2.5%咸水2020/1/171.2地下水的功能（作用）概念：水文地质学简言之──研究地下水的科学。它研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律，并研究如何运用这些规律去兴利除害，为人类服务。地下水——赋存于地面以下岩石空隙中的水。※地下水是水资源组成部分※其主要功能为：1、地下水是一种宝贵的资源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2020/1/17我国西北缺水剪影2020/1/17我国耕地与农村用水CompanyLogo地下水灌溉面积其它灌溉面积60%全国60%的耕地全部或部分使用地下水灌溉农村饮用地下水饮用其它水95%全国95％以上的农村饮用地下水2020/1/17CompanyLogo地下水开采利用产生的环境问题：沙化荒漠化加重2020/1/17CompanyLogo地下水开采利用产生的环境问题：上海地面沉降城市防洪设施标准降低，外滩防洪挡水墙越筑越高2020/1/17苏锡常40水位埋深等值线和200mm地面沉降等值线●地下水位下降与地面沉降的相关性明显常州市无锡市苏州市苏州市无锡市常州市常州市无锡市苏州市1980年1990年2000年01020km40m水位埋深等值线200mm地面沉降等值线沪宁铁路2020/1/17CompanyLogo地下水开采利用产生的环境问题：地下水污染地下水污染主要分布在城区附近和地表水污染严重的地区2020/1/17自然界的水循环2020/1/17自然界的水循环2020/1/17第二章岩土中的空隙和水（a）分选好的高孔隙度沉积（b）分选差的低孔隙度沉积（c）分选好的高孔隙度卵石沉积（d）分选好的矿物充填沉积（e）岩体溶解空隙（f）岩体裂隙2.1岩土中的空隙孔隙度是指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例2020/1/172020/1/17裂隙:坚硬岩石中的空隙，岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙——成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。⑴体积裂隙率（Kr）裂隙体积（Vn）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值⑵面积裂隙率（Ka）单位面积岩石上裂隙面积的大小⑶线裂隙率（Kl）垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数2020/1/17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）。岩溶率（Kk）：岩石中水的存在形式VVrKk/2020/1/172.2岩土中的水2020/1/17（1）强结合水的特点密度大于1，平均2g/cm3左右；不受重力影响；不能流动。只有在温度105~110℃时才以气态的形式脱离颗粒表面而移动；溶解盐类能力弱；-80℃时仍不结冰；有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度；不能传递静水压力；无导电性。2020/1/17（2）弱结合水的特点密度大于1，为1.3~1.774g/cm3；不受重力影响；可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但速度十分缓慢；溶解盐类能力较弱冰点为-15℃有一定的粘滞性和抗剪强度在一定条件下（饱水带）可传递静水压力弱结合水的外层能被植物吸收利用2020/1/17（3）毛细水依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。2020/1/17毛细水类型•支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于0℃时结冰。•悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈“悬挂”状态，经蒸发后消失。成因：入渗重力水；由支持毛细水转化而成。2020/1/17（4）矿物水存在于矿物结晶内部及其间的水。结构水：以H+和OH-离子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。结晶水：以H2O分子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。沸石水：以H2O分子形式存在于矿物晶格的空隙中，与矿物结合不紧密。2020/1/172.3与水有关的岩土性质容水性——岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。持水性——岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量水的性质。用持水度表示。给水性——饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的性质。用给水度表示。透水性——岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位吸水量表示。2020/1/172020/1/17第三章地下水的赋存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2020/1/17包气带与饱水带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。（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。包气带与饱水带2020/1/17CompanyLogo包气带与饱水带包气带（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）、气态水、（过路）重力水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）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）2020/1/17CompanyLogo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3.1包气带与饱水带2020/1/17CompanyLogo含水层隔水层弱透水层一、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：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）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、砂质页岩2020/1/17CompanyLogo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；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2020/1/17岩层渗透性与时间尺度的关系①②③④543212020/1/173.2.3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、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)含水系统的划分2020/1/17CompanyLogo含水系统层次划分—系统与子系统AB2020/1/17CompanyLogo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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。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2020/1/17上层滞水(a)、潜水(b)、承压水(c)abc2020/1/17CompanyLogo一、潜水与潜水含水层概念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。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）3.4潜水与潜水含水层2020/1/17CompanyLogo二、基本要素（专业术语）潜水面(watertable)：潜水表面是一个自由的水面。潜水位(waterlevel)：潜水面上任一点的海拔高程。潜水含水层厚度：从潜水面到隔水底板的垂直距离。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。3.4潜水与潜水含水层潜水要素图2020/1/17CompanyLogo、4潜水面潜水面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2020/1/17四、潜水研究基本方法—潜水等水位线图潜水等水位线图：由某时刻潜水位相等的各点连线