第4章 地下水的赋存

1FundamentalsofHydrogeoloy第4章地下水的赋存土木工程（岩土方向）2第4章地下水的赋存4.1包气带与饱水带4.2含水层、隔水层、弱透水层4.3地下水分类4.4潜水4.5承压水4.6上层滞水34.1包气带与饱水带(unsaturatedzoneandsaturatedzone）一、包气带与饱水带的划分地下水面：地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，形成的一个自由水面。地下水面之上称为包气带，之下称为饱水带。4特点：（1）岩石空隙未被水充满;（2）固、液、气三相介质并存；（3）水的存在形式多样：结合水、毛细水、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），毛细水带（支持毛细水带、饱和毛细水带）。包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道：饱水带地下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。二、包气带（zoneofaeration/unsaturatedzone）5三、饱水带（saturatedzone）特点：（1）岩石空隙被水完全充满，是固、液二相介质；（2）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。饱水带开挖坑道、巷道、基坑，打井均有重力水涌出来！饱水带中的重力水是开发或利用的主要对象。64.2含水层、隔水层、弱透水层aquifer,aquiclude&aquitard一、基本概念饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力可划分为含水层（Aquifer）：能够透过并给出相当数量水的岩层。各类砂土、砂岩、裂隙或岩溶发育的岩层等。隔水层（Aquiclude)：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、致密粘土等。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，如粘性土、泥质粉砂岩等。7二、概念的相对性定义中“相当水量，微不足道，较大水力梯度”是模糊的；含水层与隔水层的划分是相对的。从实际应用来看，区分含水层与隔水层应考虑岩层给出的水量是否具有实际意义。从理论意义来看，岩层是否透水还取决于时间尺度。如华北平原早期地下水开采，深层水与浅层水之间水位差别不大，深层水与浅层水之间的粘土可作为隔水层；随着深层水的不断开采，水位大幅度降低，浅层水向深层“越流”，粘土层成为“透水层”。89岩性相同的地层（裂隙不发育的基岩）根据不同研究目的可划分为含水层或隔水层。某组地层是含水层还是隔水层？其界定要灵活运用！现代水文地质模拟计算，不再简单地划分为含水层、隔水层，而是把不同岩层附于不同渗透参数。含水层首先应该是透水层，若该透水层为地下水所饱和则为含水层。若该透水层不含水或未被水饱和则为透水不含水层。含水层形成的必要条件是：①岩层必须具有相当的空隙空间。岩石的空隙越大，数量越多，连通性越好，储存和通过的重力水就越多，就越有利于形成含水层，如砂砾层等。②必需具备储存地下水的地质结构。一个含水层的形成必须要有透水层和不透水层组合在一起，才能形成含水地质结构。③必须具有充足的补给水源。若缺乏补给水源，即使该岩层具有很好的空隙空间和储水结构，也不能形成良好的含水层。三、含水层（含水系统）的基本含义地下水分类，至今还没有统一的方法。归纳起来不外乎两类方法：(Ⅰ)根据地下水的单一特征进行分类按地下水起源不同，将地下水分为渗入水、凝结水、初生水和埋藏水；按矿化程度不同，可分为淡水、微咸水、咸水、盐水及卤水。按地下水的埋藏条件不同可将地下水分为上层滞水、潜水及承压水。按含水介质类型，可将地下水分为孔隙水、裂隙水及岩溶水。4.3地下水分类(Ⅱ)根据地下水的综合特征进行分类从狭义上来说，地下水仅指赋存于饱水带岩土空隙中的水。而地下水文学中常把包气带和饱水带作为一个整体来看待，因此地下水研究从广义上来说既要研究包气带的水又要研究饱水带中的地下水。最典型的综合分类是将按照地下水埋藏条件和含水层介质类型的两者组合将地下水分为九类（表4-1），这种分类方法最为常见。表4-1地下水综合分类(ii)含水介质类型埋藏条件孔隙水裂隙水岩溶水上层滞水土壤水局部粘性土隔水层上季节性存在的重力水裂隙岩层浅部季节性存在的重力水及毛细水裸露岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水潜水各类松散沉积物浅部的水裸露于地表的各类裂隙岩层中的水裸露于地表的岩溶化岩层中的水承压水山间盆地及平原松散沉积物深部的水组成构造盆地或单斜断块的被掩覆的各类裂隙岩层中的水组成构造盆地、或单斜断块的被掩覆的岩溶化岩层中的水144.4潜水一、概念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：即没有隔水顶板限制，与大气直接相通。二、基本要素（专业术语）潜水面(watertable)；潜水位（waterlevel）潜水含水层（phreaticaquifer,/unconfinedaquifer)含水层厚度(thicknessofaquifer)潜水埋深(depthtowatertable)15162345678D1M17三、主要特征补给：降水入渗，河湖水入渗排泄：泉，河，蒸发动态：含水层接收补给或排泄，使厚度变化而储水与释水！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。四、潜水等水位线图潜水等水位线图（潜水面等高线图）是表示潜水面形状的图件。它的作图方法和地形等高线图类似。即在同一时间内（同步）测定工作区内各个井、泉、钻孔中的潜水位，然后把这些井、泉、钻孔的位置和相应的潜水位按一定的比例标于底图上，再按一定的等高距联结潜水位相同的点，这些联线就叫做潜水等水位线，该图就叫做潜水等水位线图或潜水面等高线图。如图4-3。图4-3潜水等水位线图72747678801000()0m图3-4潜水等水位线图等水位线图潜水流向BA20潜水等水位线图具有重要的实际意义，利用它可以确定或获得许多有用的信息：a)确定潜水流向；b)确定潜水面的水力坡度；c)确定潜水与地表水之间的互补关系；d)确定潜水面的埋藏深度；图潜水与地表水的互补关系888990(A)888990(B)686970686970606162(C)60616223（1）在（a）图上用尖头标明潜水的流向；（2）已知AB段的距离为240m，求AB间的水力坡度；（3）确定潜水与地表水体的补给关系；（4）求F点的水位埋深。例题讲解图1潜水等水位线图及水文地质剖面图244.5承压水（ConfinedWater）一、定义：充满于2个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水二、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承压高度（H）；⑥测压水位线（面）；⑦补给区和排泄区⑧承压区；⑨自溢区；25隔水底板承压性是承压含水层的一个重要特征。当钻孔凿穿上部隔水层至含水层时，地下水在静水压力的作用下上升到含水层顶板以上某一高度，此时水面的标高称为承压水位（承压水头）。从含水层顶板到承压水位的距离称承压水头高度或承压高度。承压水头高出地表的称正水头，低于地面的称负水头。承压水头高于地表高程的范围称为承压水的自溢区。因此在地形地貌条件和水文地质条件有利结合的条件下，地下水可溢出地表，称为自流（图3-6）。26三、主要特征根据承压水的埋藏条件，可将其特点概括如下：承压水承受静水压力的作用，不具自由水面；承压水的分布区与补给区不一致；由于隔水顶板的隔离，承压水各要素动态变化不显著，受水文气象因素的影响较小；承压含水层的厚度不受季节变化的影响，对于同一地点其厚度为定值；承压水的水质不易遭受污染。但是一旦受到污染，治理将会更加困难。四、等水压线图等水压线图即承压水测压水位等高线图(图3-7)，其编制方法和潜水等水位线图相似，即根据承压水水面上测压水位标高相同各点的连线绘制而成。值得注意的是，对于潜水等水位线既表示地下水面，又表示含水层的顶面。而对于承压水，只有当井孔穿透上覆隔水层达到含水层时，才会在井孔中出现测压水位。在测压水位高度上，并不存在实际的地下水面。等测压水位面是一个虚构的面，钻孔打到这个高度是取不到承压水的，必须穿过含水层的顶板才能见水。因此，等水压线图通常要与含水层顶板等高线一起绘制。图3-7等水压线图（据王大纯等）4地下水流向；5承压水自溢区；6钻孔；7自喷孔；8含水层；1地形等高线，(m)；2含水层顶板等高线，(m)；3等测压水位线，(m)；1301209011010080剖面图例A1158011010090(据王大纯等，1986)9隔水层；10测压水位线；11钻孔；12自喷孔图3-12等水压线图（附含水层顶板等高线）A120(120)130938271120125130(95)126115104A'120115115(95)(100)120130130130(120)130135(110)125(105)(100)120115125130A'(120)135130(115)1401451301451401.地形等高线(m)2.含水层顶板等高线(m)3.等测压水位线(m)4.地下水流向5.承压水自溢区6.钻孔7.自喷孔8.含水层9.隔水层10.测压水位线11.钻孔12.自喷孔294.6上层滞水（perchedwater）包气带中有实际利用价值的重力水。定义：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。与潜水的区别：潜水含水层稳定，具有一定的空间连续性。特点：水量小、动态变化显著、极易污染、只能作为缺水地区小型供水水源或暂时性供水水源。作为饮用水源时要格外注意卫生防护。包气带中上层滞水，对其下部潜水的补给与蒸发排泄，起到一定的滞后调节作用。图4-8上层滞水示意图下渗的重力水上层滞水地下水面