2-供水水文地质学

第2章地下水的储存与循环地下水储存地下水定义：埋藏于土壤岩石（岩土）的孔隙、裂隙和溶隙（统称空隙）中各种不同形态的水，统称为地下水。储存地下水的空隙岩土称为多孔介质。1．岩土中的空隙为地下水的储存场所和运移通道，因此空隙的大小、多少、联通状况和分布规律，对地下水的分布和运动有着重要影响。2.1地下水的储存与岩石的水理性质2.1.1岩石的空隙特征和地下水储存1．岩土中的空隙指标空隙分为三大类：松散岩土中的孔隙坚硬岩石中的裂隙可溶性岩石中的溶隙2.1地下水的储存与岩石的水理性质岩石的各种空隙1）孔隙100%VVnP式中，n~岩土的孔隙度；V~包括孔隙在内的岩土体积；VP~岩土中孔隙的体积。衡量岩土内孔隙多少的重要指标是用孔隙度表示：VaVwVsVMaMwMsM土壤三相图VP松散岩土是大小不等的碎屑颗粒组成的。在颗粒或颗粒集合体之间普遍存在着孔状空隙，称为孔隙。岩土名称孔隙度（％）粘土45－55粉土40－50中、粗粒混合砂35－40均匀砂30－40细、中粒混合砂30－35砾石30－40砾石与砂20－35页岩1－10常见岩土的孔隙度孔隙大小的相关因素岩石的密实程度颗粒的均匀性颗粒的形状颗粒的胶结程度2）裂隙主要存在固结的坚硬岩石中。固结的坚硬的岩石，一般不存在或只保留一部分颗粒间的空隙，而发育各种成因形成的裂缝状空隙，称为裂隙。裂隙按其成因可分为三种类型：风化裂隙成岩裂隙构造裂隙衡量裂隙的体积多少的指标以裂隙率KT表示，即式中，Vf~岩石中裂隙的体积；V~岩石总体积（包括裂隙在内）。%100VVKfT可溶性岩石（如岩盐、石膏、石灰岩等）在地表水和地下水长期溶蚀下会形成空洞，这种空隙称为溶隙(穴)。衡量溶隙多少的定量指标称岩溶率KK式中，VK~岩石中溶隙的体积；V~岩石总体积（包括溶隙在内）。%VVKKK100溶隙与裂隙比较，发育的规模十分悬殊，具有很大的不均匀性和空间上的差异性。3）溶隙地下水资源分类表（单位：亿方/年）分布地区地下水类型地下水天然资源量占全国地下水资源（％）平原区孔隙水250329山区裂隙水417948岩溶水204023孔隙水29%裂隙水48%岩溶水23%全国平原孔隙水主要补给项统计表（单位：亿方/年）63%14%14%7%2%降水渗入河流渗入渠道渗入灌溉回归量山区侧向补给降水渗入河流渗入渠道渗入灌溉回归量山区侧向补给总计156934536016960250364%13%14%7%2%100%2.岩土中的水的存在形式（1）岩石骨架中的水：结构水是以（OH）-1、H+1或（H3O）+1离子的形式参加矿物晶格的“水”。如高岭石（Al4[Si4O10]（OH）3。结晶水以中性水分子（H2O）存在于矿物中。如石膏（Ca[SO4]·2H2O）。沸石水沸石水是存在于沸石族矿物中的中性水分子。地下水泛指存在于地表面以下岩土空隙中的水体。存在于空隙中水有各种形态。2.岩土中的水的存在形式（2）岩土空隙中的水按其物理性质不同，形态可分为：液态水气态水固态水。是地下水重点研究的对象。地下水泛指存在于地表面以下岩土空隙中的水体。存在于空隙中水有各种形态。1）液态水根据水分子受力状况又可分为结合水、重力水和毛细水。结合水又可分为强结合水（吸湿水）和弱结合水（薄膜水）：①吸湿水（强结合水/吸着水）指由分子引力和静电引力将水分子吸附在土壤颗粒表面的那一部分水，故土壤颗粒表面能吸附大气中的水分子，则称这部分水为吸湿水。指土粒表面吸湿水达到最大量后，土颗粒剩余的分子力和静电力还能吸附水分，在吸湿水外层形成的膜状液态水。②薄膜水（弱结合水）土壤颗粒土壤颗粒吸湿水薄膜水薄膜水的特点：薄膜水主要受分子引力和静电引力作用（为31～6.25大气压），与液态水的性质基本相似，在引力作用下能以湿润的方式，从水膜厚处向水膜薄处缓慢移动，即从土壤湿润的地方向干燥的地方运移，属于非饱和土壤水运动研究的范畴。当薄膜水达到最大厚度时的土壤含水量成为最大薄膜水含水量。多余的水分子在重力和毛细管力作用下运动。结合水、重力水指土壤中主要受重力作用影响下运动的水分。既受重力作用又受毛管力作用；受重力作用而下渗，受毛管力作用而保持在孔隙中；可传递静水压力；可被植物吸收利用。③重力水重力水的特点：重力水：是受重力作用而能自由运动的那一部分水，具有一般液态水性质，如可以在重力作用下产生水流运动，能传递压力等，因此，重力水不易保持在土壤上层，是形成地下水的重要来源。毛管水按其是否与地下水潜水面有联系又分为：指依靠土壤中毛细管（一般指d1mm的空隙称毛细管）的吸引力（毛管力）而被保持在土壤孔隙中的水分。所受的吸力为6.25～0.08大气压。支持毛细水悬挂毛细水孔角毛细水④毛细水在地下水面以上，毛管水影响到的范围内称作支持毛管带或毛管水活动层，毛管水高度随土壤性质不同而不同。毛管上升水/毛管支持水从地下水面上升由毛管力吸附而存于土壤毛细孔隙中的水，故其与地下水有水力联系。毛细管悬着水支持毛管带地下水包气带地表岩土名称颗粒尺度（mm）毛细管上升高度（cm）细砂砾岩2~52.5极粗砂1~20.65粗砂0.5~113.5中砂0.2~0.524.6细砂0.1~0.242.6淤泥0.05~0.1105.5松散岩土毛细管上升高度由降水或灌溉水下渗，由毛细管引力作用而保持在土壤上层空隙中的水，其与地下水没有水力联系，呈现“挂悬”状态，故称毛细管悬着水。毛管悬着水：可见，毛细水在地下水与大气水、地表水相互转化过程中起着重要的作用和影响。毛细管悬着水支持毛管带地下水包气带地表饱和带、包气带、毛细水饱和带包气带潜水面重力排水区2）气态水气态水指以水蒸气状态存在于非饱和含水岩土空隙中的水。气态水在一定条件下可与液态水相互转化，两者之间保持动平衡。当岩土空隙内水汽达饱和时，或温度降至露点时，气态水即开始凝结形成液态水。气态水对岩土中水的重新分布有一定影响。3）固态水当岩土温度低于0oC时，岩土空隙中的液态即凝结为固态水，此时储存地下水的岩土称为冻土。岩土空隙的大小和多少等有关的岩土性质与水分的存在形式及储存和运移性能密切相关。1）容水性岩土能容纳一定水量的性能称为容水性，常用容水度这一指标表示容水状况:2.1.2岩石的水理特征式中:Vn～土壤中水的容积，cm3；V～土样总体积，cm3；%100VVWnn因此，容水度在孔隙上完全被水饱和时在数值上一般与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。容水度小于空隙度容水度大于空隙度容水度：2）持水性含水岩土在重力作用下释水后，由于固体颗粒表面的吸附力和毛管力的作用，使岩土空隙中能保持一定水量的性能，称为持水性。式中:Vr～土壤空隙中所能保持水的容积，cm3；V～土样总体积，cm3；%100VVWrm3）给水性含水岩土在重力作用下能自由释出一定水量的性能，称为给水性。度量绐水性指标为给水度，系指饱水岩土在重力作用下所释出的水体积与岩土总体积之比。给水度的最大值在数值上它等于容水度减去持水度，给水度=Wn-Wm。给水度是对于潜水运移起到重要的作用的一个参数。%100VVg4）透水性度量岩土透水性的指标是渗透系数K。渗透系数愈大，表明岩土的透水性愈强；反之，则愈弱。透水性的好坏是相对。岩土允许水体透过本身的性能称为透水性。岩土的透水性主要取决于岩土空隙的大小、形状、数量及联通性。2.2含水层和隔水层2.2.1概述1）含水层：是指能够透过并给出相当数量水的岩层。故符合含水层定义的有二个条件：储存有水；水可以在其中运移。2）隔水层（不透水层）：可以储存有水但是不能透过和给出水，或透过和给出水的数量很小的岩层。划分含水层和隔水层的标志并不在于岩层是否含水，关健在于所含水的运动性质。含水层和隔水层的划分又是相对的，并不存在截然的界限。含水层和隔水层在一定条件下还可以相互转化。对于这类兼具隔水和透水性能的岩层，一般就称为半含水～半隔水层。2.2.2构成含水层的基本条件1）岩层要具有容纳重力水的空隙2）有储存和聚集地下水的地质条件3）具有充足的补给来源不同埋藏条件下的地下水埋藏条件是指含水层在地质剖面中所处的部位及所受隔水层限制的情况。根据埋藏条件地下水分为三种类型：1.包气带水(含上层滞水)2.潜水3.承压水2.2.3含水层的类型潜水含水层承压含水层包气带水：泛指贮存在包气带中的水，包括通称为土壤水的吸着水、薄膜水、毛细水，气态水和过路的重力渗入水，以及上层滞水（由特定条件所形成的属于重力水状态的）。包气带：指地表以下地下水面以上的岩土层，其空隙未被水分所充满，包含着部分空气的土层即称为包气带或非饱和带。2.3地下水的类型2.3.1包气带水(含上层滞水)饱和带地下水潜水面上层滞水指在包气带中存在局部隔水层时，其上部可积聚具有自由水面的重力水，称之为上层滞水。上层滞水包气带（非饱和带）潜水是指埋存于地表以下，第一个连续稳定的隔水层以上具有自由水面的重力水。它主要的补给来源是降水和地表水的渗入。第一个隔水层h00Dh1L基准面2.3.2潜水有关潜水的几个专有名词:潜水面：潜水的自由水面；水力梯度：任意二点水位差与该二点的水平距离比值。J=(h-h1)/L埋深：潜水面与地面之间的距离；潜水位：潜水面上的任一点高程，与基准面的相对高度；1）它具有自由水面（潜水面）通过包气带与大气相通，因此潜水可以直接受到降水和地表水的补给（入渗补给）。易受污染。潜水的特点：潜水示意图2）动态具有明显的季节性变化。水流、水位随着季节发生变化。潜水示意图3）潜水面不是一个平面，是向排泄区倾斜的一个曲面。坡度小于地表，二者大致差不多。4）排泄方式有二种。潜水大致沿潜水位较高处向水位较低处流动，由于地形切割或岩性变化，潜水流可以泉的形式集中排泄于地表，或者直接泄流进入河流、湖或海中（称为径向排泄或水平交换）。另一方面也可以通过蒸发、植物散发方式从包气带垂向向大气排泄(垂向交替)。潜水示意图两种表示方法：剖面图；平面图（潜水面等高线图）潜水的等水位线图定义：将同一时间测得的潜水水位标高相同的各点用线连起来。用途：（1）确定水流方向；用途：（2）确定水力坡度；（3）确定某一点地下水位埋深；（4）确定合理的取水部位；地下水汇集处，埋深最小处；用途：（5）判断含水层的变化。等水位线越密集，潜水面坡度越陡，潜水流速越快。等水位线变疏，岩性透水性能由差变好。用途：（5）判断含水层的变化。等水位线越密集，潜水面坡度越陡，潜水流速越快。等水位线变疏，岩性透水性能由差变好。用途：（6）判断地下水与地表水的补给关系；（7）确定泉和沼泽湿地的位置。泉地面高程=地下水的高程沼泽湿地地下水位接近等于地面高程时的一个区域承压水是充满于上下两个隔水层之间含水层中的地下水，它承受一定的压力，当钻孔打穿上覆隔水层时，水能从钻孔内上升到一定的高度。下隔水层上隔水层承压水承压水头线2.3.3承压水承压水位的埋深：地面至承压水位的距离。H有关承压水的几个专有名词:初见水位：承压含水层隔水顶板底面的高程。H1承压水面：所有钻孔中的承压水位连成一个面，为水压面。承压水头：测压水位高出含水层顶面的距离为承压水的压力水头。h承压水位或测压水位：静止水面的高程即承压含水层的测压水位。H2a.补给区：补给区的上部没有隔水层，该区地下水具有自由水面，实际上与潜水没有区别，该区可以直接接受降水及地表水的补给。大气降水、地表水、潜水、其它承压含水层的承压水均可以作为补给。2.承压水的特点：具有承压性质，含水层可明显地分为补给区、承压区及排泄区三个部分。b.承压区：系指上下均有隔水层被水充满的含水层。其主要特征是：承受静水压力具有压力水头；由于承压区与补给区在地域上不一致，故其性质受当地气象水文因素影响较小，参与水文循环远不如潜水积极，水流动态较为稳定，一旦过量开采不易补充恢复。c.排泄区：系指承压水流出地表或流向潜水的地段。承压水常以地表水、潜水、泉水的形式排出。承受静水压力具有压力水头；承压水含水层的补给与排泄示意图基准面承压水位00A点的压力水头A补给区承压区排泄区层