1、2022-7-31水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeology1第1页，共93页。2022-7-31参考教材 教 材：水文地质学基础-王大纯等编著，地质出版社，95版/2010版 2第2页，共93页。2022-7-31提纲提纲第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 岩土中的空隙和水岩土中的空隙和水第三章第三章 地下水的赋存地下水的赋存第四章第四章 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律第五章第五章 地下水的补给与排泄地下水的补给与排泄3第3页，共93页。2022-7-31Company L 1.1 地球上的水与水资源：地球上的水与水资源：地球上的水及所占比例地球上的水
2、及所占比例水体种类水体种类亿亿 km3%淡水亿淡水亿 km3%海洋水海洋水13.3896.5400地表水地表水0.24251.750.241769.0地下水地下水0.23701.710.108330.92土壤水土壤水0.000160.0010.0001650.05大气水大气水0.0001290.00090.0001290.04生物水生物水0.0000110.000010.0000110.003总储量总储量13.85981000.3503100淡水占全球水量的淡水占全球水量的2.528%第一章绪论第一章绪论4第4页，共93页。2022-7-31地球上的水与水资源：淡水 冰冻冰冻积雪积雪地下水地下
3、水河湖水河湖水淡水淡水 2.5%咸水咸水 5第5页，共93页。2022-7-311.2 1.2 地下水的功能（作用）地下水的功能（作用）地下水是水资源组成部分地下水是水资源组成部分 其主要功能为：其主要功能为：6第6页，共93页。2022-7-31我国西北缺水剪影我国西北缺水剪影7第7页，共93页。2022-7-31我国耕地与农村用水我国耕地与农村用水 Company Logo地下水灌溉面积其它灌溉面积60%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全国95以上的农村饮用地下水8第8页，共93页。2022-7-31Company L9第9页，共93页。2022-7
4、-31Company L城市防洪设施标准降低，城市防洪设施标准降低，外滩防洪挡水墙越筑越高外滩防洪挡水墙越筑越高10第10页，共93页。2022-7-31苏锡常苏锡常40水位埋深等值线和水位埋深等值线和200mm地面沉降等值线地面沉降等值线 地下水位下降与地面沉降的相关性明显11第11页，共93页。2022-7-31Company L 12第12页，共93页。2022-7-31 13第13页，共93页。2022-7-31 14第14页，共93页。2022-7-31 第二章第二章 岩土中的空隙和水岩土中的空隙和水（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
5、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 2.1 岩土中的空隙岩土中的空隙孔隙度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15第15页，共93页。2022-7-3116第16页，共93页。2022-7-31 裂隙裂隙:坚硬岩石中的空隙，岩石中的空隙主要由各种坚硬岩石中的空隙，岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙成因的裂隙成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。体积裂隙率（体积裂隙率（Kr）裂隙体积（裂隙体积（Vn）与包括裂隙在内的岩石体积（）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值的比值 面积裂隙率（面积裂隙率（Ka）单位
6、面积岩石上裂隙面积的大小单位面积岩石上裂隙面积的大小 线裂隙率（线裂隙率（Kl）垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数17第17页，共93页。2022-7-31 溶穴溶穴:可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩可溶的沉积岩，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，这种空隙称为等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为 溶穴（隙）。溶穴（隙）。岩溶率（岩溶率（Kk）：）：岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式VVrKk/18第18页，共93页。2022-7-312.2 2.2 岩土中的水岩土中的水19第19页，共93页。2022-7-3
7、1 （1）强结合水的特点强结合水的特点 密度大于密度大于1 1，平均，平均2g/cm2g/cm3 3左右；左右；不受重力影响；不受重力影响；不能流动。只有在温度不能流动。只有在温度105110105110时才以气态的形时才以气态的形 式脱离颗粒表面而移动；式脱离颗粒表面而移动；溶解盐类能力弱；溶解盐类能力弱；-80-80 时仍不结冰；时仍不结冰；有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度；有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度；不能传递静水压力；不能传递静水压力；无导电性。无导电性。20第20页，共93页。2022-7-31 （2 2）弱结合水的特点弱结合水的特点 密度大于密度大于1 1，为，为1.31.774g
8、/cm1.31.774g/cm3 3；不受重力影响；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；速度十分缓慢；溶解盐类能力较弱溶解盐类能力较弱 冰点为冰点为-15-15 有一定的粘滞性和抗剪强度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弱结合水的外层能被植物吸收利用21第21页，共93页。2022-7-31 （3 3）毛细水）毛细水 依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水毛细水。毛细空隙是岩
9、土中的细小空隙，一般指直径小于毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm1mm的的 孔隙或宽度小于孔隙或宽度小于0.25mm0.25mm的裂隙。的裂隙。22第22页，共93页。2022-7-31 毛细水类型毛细水类型 支持毛细水：存在于支持毛细水：存在于饱水带饱水带以上并与地下水面相连以上并与地下水面相连 的毛细空隙中的水。的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于能传递静水压力，当温度低于00时结冰。时结冰。悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的 毛细空隙中的水。呈毛细空隙中的水。呈“悬挂悬挂”状态，经蒸发后消失。状态，经蒸发后消失。
10、成因：入渗重力水；由支持毛细水转化而成。成因：入渗重力水；由支持毛细水转化而成。23第23页，共93页。2022-7-31 （4 4）矿物水）矿物水 存在于矿物结晶内部及其间的水。存在于矿物结晶内部及其间的水。结构水：结构水：以以H H+和和OHOH-离子形式存在于矿物结晶格架中，离子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。与矿物结合紧密。结晶水：结晶水：以以H H2 2O O分子形式存在于矿物结晶格架中，与矿分子形式存在于矿物结晶格架中，与矿 物结合紧密。物结合紧密。沸石水：沸石水：以以H H2 2O O分子形式存在于矿物晶格的空隙中，与分子形式存在于矿物晶格的空隙中，与 矿物结合不紧密。
11、矿物结合不紧密。24第24页，共93页。2022-7-312.3 2.3 与水有关的岩土性质与水有关的岩土性质 容水性容水性岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度 表示。表示。持水性持水性岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量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。水的性质。用持水度表示。给水性给水性饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水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。的性质。用给水度表示。透水性透水性岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位 吸水量表示。吸水量表
12、示。25第25页，共93页。2022-7-3126第26页，共93页。2022-7-31第三章第三章 地下水的赋存地下水的赋存3.1 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带3.2 3.2 含水层、隔水层与弱透水层含水层、隔水层与弱透水层3.3 3.3 地下水分类地下水分类3.4 3.4 潜水潜水3.5 3.5 承压水承压水3.6 3.6 潜水与承压水的相互转化潜水与承压水的相互转化3.7 3.7 上层滞水上层滞水27第27页，共93页。2022-7-包气带与饱水带的划分包气带与饱水带的划分 地下水面（水位）地下水面（水位）：地下一定深度岩石中的空隙被重力地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满水所
13、充满，形成一个自由水面，形成一个自由水面，称为称为地下水面地下水面，以海拔高度以海拔高度表示称之表示称之地下水位地下水位 。（一般通过打井，地下开挖来确定）（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，称为水带，岩石中的空隙未被水充满，称为包气带包气带。地下水面以下部分，岩石中的空隙被水充满，称为地下水面以下部分，岩石中的空隙被水充满，称为饱水带饱水带。包气带与饱水带28第28页，共93页。2022-7-31Company L包包气气带带与与饱饱水水带带地下水位地下水位29第29页，共93页
14、。2022-7-31Company L包气带包气带（zone of aeration or zone of unsaturation）特点特点：岩石空隙未被水充满岩石空隙未被水充满 是固、液、气三相介质并存介质是固、液、气三相介质并存介质 水的存在形式（多样）水的存在形式（多样）结合水、毛细水（各种）、气态水、结合水、毛细水（各种）、气态水、（过路）（过路）重力水重力水包气带的垂直分带包气带的垂直分带 土壤水带土壤水带 毛细水带（支持毛细水带毛细水带（支持毛细水带、毛细饱和水带毛细饱和水带）中间带（过渡带）中间带（过渡带）包气带水的包气带水的来源来源 大气降水的入渗、地表水体的渗漏、饱水带水分
15、上移（毛细水大气降水的入渗、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）进入包气带、地下水蒸发进入包气带）30第30页，共93页。2022-7-31Company L饱水带饱水带（saturation zone）岩石空隙被水完全充满岩石空隙被水完全充满 是二相介质（固相是二相介质（固相+液相水）液相水）空隙中水的存在形式：空隙中水的存在形式：重力水重力水 结合水结合水 重力水：连续分布（孔隙是连通）重力水：连续分布（孔隙是连通）传递静水压力传递静水压力在水在水头差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。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
16、是开发利用或者排除的主要对象，是水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。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地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来水涌出来 31第31页，共93页。2022-7-31Company L 饱水岩层中，根据岩层饱水岩层中，根据岩层而进行的划分：而进行的划分：v 含水层含水层（AquiferAquifer）：）：是能够是能够透过透过并并给出给出相当数量水的岩层相当数量水的岩层各类砂土，砂岩等各类砂土，砂岩等 v 隔水层隔水层（Aquifuge)Aquifuge)：不能透过与给出水或透过与给出
17、的水量微不足道的岩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裂隙不裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）v 弱透水层弱透水层（AquitardAquitard）：）：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，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具有一定的透水能力的岩层各种粘土，泥质粉砂岩、砂质各种粘土，泥质粉砂岩、砂质页岩页岩32第32页，共93页。2022-7-31Company L定义中的模糊概念定义中的模糊概念“相当水量，微不足道，较大水力梯度相当水量，微不足道，较大水力梯度”等等
18、严格的严格的“是与非是与非”的逻辑思维，在很多情况下是的逻辑思维，在很多情况下是相对的和模糊相对的和模糊的概念的概念相对性的意义：相对性的意义：从实际应用角度来看划分的相对性从实际应用角度来看划分的相对性相当水量相当水量 满足需要就可以了。满足需要就可以了。如在某处一口井出水量如在某处一口井出水量80m80m3 3/d/d，作为，作为1 1万人的供水，非含万人的供水，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/s8.6m0.11/
19、s8.6m3 3/d/d，大厂，大厂非，村用非，村用是。是。从理论意义来看从理论意义来看微不足道微不足道 微不足道，有时空尺度的制约微不足道，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，浅层水向深层层“越流越流”-粘土层成为粘土层成为“透水层透水层”。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，给个隶属度方法，给
20、个隶属度1 1，0 0之间，可以为之间，可以为 0.8,0.7,0.8,0.7,0.3,0.3,表示表示“透水性透水性”？33第33页，共93页。2022-7-31岩岩层层渗渗透透性性与与时时间间尺尺度度的的关关系系5432134第34页，共93页。2022-7-31含水系统含水系统Groundwater aquifer system 地下水含水系统：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：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层 含水系统：可以
21、进行子系统划分含水系统：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、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行划分的分析方法(或给出的概念或给出的概念)含水系统的划分35第35页，共93页。2022-7-31Company LAB36第36页，共93页。2022-7-31Company L丘陵丘陵 倾斜平原区倾斜平原区 低平原低平原 37第37页，共93页。2022-7- 广义地下水广义地下水：赋存于地面以下岩石空隙中的水赋
22、存于地面以下岩石空隙中的水(包气带、饱水带中的水包气带、饱水带中的水)狭义地下水：狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水地表以下饱水带岩层空隙中的水重力水重力水 地下水分类地下水分类：主要依据主要依据含水介质的类型（赋存空间）含水介质的类型（赋存空间）埋藏条件（赋存部位）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。（弱透水层）限制的情况。表表3-13-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9 9类类 孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水包气带
23、包气带上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水潜水潜水孔隙潜水孔隙潜水裂隙潜水裂隙潜水岩溶潜水岩溶潜水承压水承压水孔隙承压水孔隙承压水裂隙承压水裂隙承压水岩溶承压水岩溶承压水 38第38页，共93页。2022-7-31上层滞水上层滞水(a)、潜水、潜水(b)、承压水、承压水(c)abc39第39页，共93页。2022-7-31Company L一、潜水与潜水含水层概念一、潜水与潜水含水层概念 潜水潜水：饱水带中第一个具有饱水带中第一个具有自由表面自由表面的的稳定稳定含水层中的水。含水层中的水。自由表面自由表面没有隔水顶板没有隔水顶板或或只有局部隔水顶板只有局部隔水顶板，与大气直接相，与
24、大气直接相通，除大气压强外不受其它任何附加压强。通，除大气压强外不受其它任何附加压强。稳定稳定具有一定的具有一定的空间连续性空间连续性（范围），以与（范围），以与上层滞水上层滞水区区分。分。潜水含水层：潜水含水层：赋存潜水的岩层。赋存潜水的岩层。建筑建筑房房屋时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）屋时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）40第40页，共93页。2022-7-31Company L二、基本要素（专业术语）二、基本要素（专业术语）潜水面潜水面(water table)：潜水表面是一个自由的水面。：潜水表面是一个自由的水面。潜水位潜水位(water level)：潜水面上任一
25、点的海拔高程。：潜水面上任一点的海拔高程。潜水含水层厚度潜水含水层厚度：从潜水面到隔水底板的垂直距离。：从潜水面到隔水底板的垂直距离。潜水埋藏深度潜水埋藏深度：潜水面到地面的垂直距离。：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。的变化。潜水要素图41第41页，共93页。2022-7-31Company L2 3 4 5 6 7 8 D 1 M 潜水与潜水含水层图潜水与潜水含水层图1-1-潜水含水层潜水含水层 2-2-隔水层隔水层 3 3、4 4 潜水面潜水面 潜水面潜水面 M-M-含水层厚度含水层厚度
26、 D-D-潜水埋深潜水埋深 5-5-大气降水入渗大气降水入渗 6-6-蒸发蒸发 7-7-流向流向 8-8-泉泉 42第42页，共93页。2022-7-31四、四、潜水研究基本方法潜水研究基本方法潜水等水位线图潜水等水位线图潜水等水位线图：潜水等水位线图：由某时刻潜水位相等的各点连线组成由某时刻潜水位相等的各点连线组成的图件的图件。（某时刻潜水面的等高线图）（某时刻潜水面的等高线图）潜水流向：潜水流向：垂直等水位线由高到低为潜水的流向。垂直等水位线由高到低为潜水的流向。潜水面坡度：潜水面坡度：相邻两条等水位线的水位差除以其水相邻两条等水位线的水位差除以其水平距离。平距离。当潜水面坡度不大时，即可
27、视为潜水水力梯度。当潜水面坡度不大时，即可视为潜水水力梯度。43第43页，共93页。2022-7-31Company L某地潜水等水位线图（平面）某地潜水等水位线图（平面）河河河河流流流流44第44页，共93页。2022-7-31Company L一、一、承压水定义承压水定义 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，称之为承承压水压水。二、二、基本要素基本要素 承压含水层；承压含水层；隔水顶板；隔水顶板；隔水底板；隔水底板；承压含水层厚度（承压含水层厚度（M）；）；承压高度（承压高度（H）：钻孔中静止：钻孔中静止水位到含水层顶面的距
28、离；水位到含水层顶面的距离；测压水位：钻孔中静止水位的测压水位：钻孔中静止水位的高程即为承压水在该点的测压水位；高程即为承压水在该点的测压水位；测压水位线（面）：测压水位的连线（面）测压水位线（面）：测压水位的连线（面）此线是虚拟此线是虚拟的；的；补给区；补给区；承压区；承压区；排泄区排泄区 自溢区自溢区测压水位线与地形等高线的交点连接区测压水位线与地形等高线的交点连接区 承压水要素45第45页，共93页。2022-7-31Company L基岩自流盆地中的承压水基岩自流盆地中的承压水承压含水层承压含水层 隔水顶板隔水顶板 隔水底板隔水底板 承压含水层厚承压含水层厚度（度（M M）承压高度（承
29、压高度（H H）测 压 水 位 线 测 压 水 位 线（面）：（面）：补给区补给区 承压区承压区 排泄区排泄区 自溢区自溢区46第46页，共93页。2022-7-31三、三、特征特征 承压性承压性承压性是受到了大气压以外的压力。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。但充满含水层，而且承受了附加压强。概念：概念：承压高度；测压水位。承压高度；测压水位。补给与排泄补给与排泄 主要补给来源：大气降水入渗与地表水入渗主要补给来源：大气降水入渗与地表水入渗有限区域与
30、外界联系，水循环迟缓些，水交替慢，平均滞留时间长（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）年龄老或长）恢复性差恢复性差 ；高补低排（从高处获得补给，在低处排泄）；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。隔水顶底板对承压区补水的影响。47第47页，共93页。2022-7-31Company L承压含水层的储水与释水机理承压含水层的储水与释水机理 贮水系数贮水系数S(弹弹性给水度性给水度e)承压含水层中当测压水位下降承压含水层中当测压水位下降(或上升或上升)1)1个单位深度，单位水平面积含水个单位深度，单位水平面积含水层所释出层所释出(
31、或储存或储存)的水的体积。的水的体积。测压水位降低导致测压水位降低导致 1)1)含水层孔隙中水的压力降低含水层孔隙中水的压力降低水体积膨胀释水水体积膨胀释水，水的膨胀系数约为，水的膨胀系数约为 1/20000 1/20000 2)2)孔隙水压力降低，岩层颗粒间承受压力增加孔隙水压力降低，岩层颗粒间承受压力增加骨架被压缩骨架被压缩 颗粒不变颗粒不变骨架压缩骨架压缩 =空隙体积减小（排列改变）空隙体积减小（排列改变）发生释水（挤出来）水发生释水（挤出来）水 这两部水很有限，所以这两部水很有限，所以 S S很小很小 ；一般，一般，贮水系数贮水系数S S为为0.0050.000050.0050.000
32、05，与重力给水度，与重力给水度 相比要相比要 小小1010-1-1 10 10-3-3 48第48页，共93页。2022-7-31Company L承压含水层的贮水系数与潜水含水层给水度的比较承压含水层的贮水系数与潜水含水层给水度的比较49第49页，共93页。2022-7-31Company L等水压线图等水压线图 等水压线 承压含水层测压水位相等的各点连线。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等水压线图反映的水文地质信息 承压水的流向、水力梯度。（方法同潜水流向、水力梯度）测压水位 静止水位的海拔。测压水位的埋深 地表高程
33、与测压水位之差。承压高度 静止水位（测压水位）高出含水层顶板的距离。含水层埋深 地表高程与隔水顶板高程之差。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。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）50第50页，共93页。2022-7-31Company L等水压线图等水压线图51第51页，共93页。2022-7-31正仪正仪-化肥厂含水层剖面示意图化肥厂含水层剖面示意图52第52页，共93页。2022-7-31Company L 上层滞水：上层滞水：当包气带存在局部隔水层（弱透水层）时，局部隔水当包气带存在局部隔水层（弱透水层）时，局部隔水
34、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。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；透水层底板）的边缘下渗排泄；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；时性供水水源；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；定的滞后调节作用；极易受
35、污染，利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护。极易受污染，利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护。上层滞水53第53页，共93页。2022-7-31上层滞水上层滞水abc54第54页，共93页。2022-7-31第四章第四章 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态4.2 4.2 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律4.3 4.3 流网流网4.4 4.4 饱水粘性土中水的运动规律饱水粘性土中水的运动规律55第55页，共93页。2022-7-31 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运
36、动形态 渗流（渗流（seepage flowseepage flow）：）：地下水在岩石空隙中的运动称地下水在岩石空隙中的运动称为为渗流或渗透渗流或渗透。地下水渗流地下水渗流遵循水力学基本原理；水力学的许多概遵循水力学基本原理；水力学的许多概念、定律、方法都可用来研究渗流；念、定律、方法都可用来研究渗流；两者差异两者差异：水力学研究水在水力学研究水在管道管道、渠道渠道中的流动，水流速度较快中的流动，水流速度较快明流明流；流体（水）在流体（水）在岩石空隙岩石空隙中的流动，因空隙细小，水流很缓中的流动，因空隙细小，水流很缓慢慢地下水渗流地下水渗流。56第56页，共93页。2022-7-31 4.1
37、 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态 渗流场（渗流场（flow fieldflow field）：）：发生渗流的区域称为发生渗流的区域称为渗流场渗流场。渗流场是渗流场是地下水运动地下水运动的空间；的空间；渗流场由渗流场由固体颗粒骨架固体颗粒骨架和和岩石空隙岩石空隙两部分组成，渗流两部分组成，渗流只发生在只发生在岩石空隙岩石空隙中；中；无论是固体颗粒骨架，还是岩石空隙空间，在无论是固体颗粒骨架，还是岩石空隙空间，在微观上讲微观上讲都不是连续的都不是连续的。57第57页，共93页。2022-7-31 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下
38、水的运动形态 地下水的运动形态地下水的运动形态 按水流流态分为：按水流流态分为：层流：层流：在岩层空隙中渗流时，水质点作有秩序的、互不混杂的流动，称为在岩层空隙中渗流时，水质点作有秩序的、互不混杂的流动，称为层层流运动流运动。如砂、裂隙不很宽大的基岩中水的流动。如砂、裂隙不很宽大的基岩中水的流动。紊流紊流：在岩层空隙中渗流时，水质点作无秩序的、互相混杂的流动，称为：在岩层空隙中渗流时，水质点作无秩序的、互相混杂的流动，称为紊紊流运动流运动。如大的溶穴、宽大裂隙中水的流动。如大的溶穴、宽大裂隙中水的流动。作紊流运动时，水流所受阻力比层流状态大，消耗的能量较多。作紊流运动时，水流所受阻力比层流状态
39、大，消耗的能量较多。按地下水运动要素随时间的变化情况分为：按地下水运动要素随时间的变化情况分为：稳定流稳定流：水在渗流场内运动时，各个运动要素（水位、流速、流向等）不随：水在渗流场内运动时，各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变，称为稳定流。时间改变，称为稳定流。非稳定流非稳定流：水质点的各个运动要素随时间改变的水流运动。：水质点的各个运动要素随时间改变的水流运动。58第58页，共93页。2022-7-31 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态 水头水头：水流中空间上某点所具有的总势能。根据：水流中空间上某点所具有的总势能。根据水力学原理水力学原
40、理，水，水流运动中任意点总水头可表示为：流运动中任意点总水头可表示为：在渗流场中：在渗流场中：59第59页，共93页。2022-7-31（一）达西定律（一）达西定律 达西达西(1856年):法国水力学家，通过大量实验得到线性渗透定律。实验实验：装有砂的圆筒（图)。水由筒的上端加入,流经砂柱,由下端流出。上游用溢水设备控制水位,使实验过程中水头始终保持不变。在圆筒的上下端各设一根测压管，分别测定上下两个过水断面的水头。下端出口处设管嘴以测定流量。4.2 4.2 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律60第60页，共93页。2022-7-31根据实验结果，得到下列关系式根据实验结果，得到下列关系
41、式：Q=Kh/L=KIQ=Kh/L=KI （达西公式）达西公式）式中式中:Q:Q渗透流量渗透流量(出口处流量，通过砂柱各断面的流量；出口处流量，通过砂柱各断面的流量；过水断面过水断面(在实验中相当于砂柱横断面积在实验中相当于砂柱横断面积)；hh水头损失水头损失(h=H(h=H1 1-H-H2 2,即上下游过水断面的水头差即上下游过水断面的水头差)；LL渗透途径（上下游过水断面的距离渗透途径（上下游过水断面的距离)；II水力梯度水力梯度(相当于相当于h/Lh/L，即水头差除以渗透途径）；，即水头差除以渗透途径）；kk渗透系数。渗透系数。61第61页，共93页。2022-7-31 由水力学可知由水
42、力学可知,通过某一断面的流量通过某一断面的流量Q Q等于流速等于流速V V与与过水断面过水断面的乘积的乘积,即即：Q=V Q=V 即即 V=Q/V=Q/据此达西定律可以写为另一种形式，即：据此达西定律可以写为另一种形式，即：V=KIV=KI 水在多孔介质中的渗透流速与水力梯度水在多孔介质中的渗透流速与水力梯度的一次方成正比的一次方成正比达西定律（线性渗透定律）达西定律（线性渗透定律）。62第62页，共93页。2022-7-31（二）渗透流速（二）渗透流速（V V）过水断面过水断面：指砂柱的横断面积指砂柱的横断面积 在该面积中在该面积中,包括包括砂颗粒所占据的面积砂颗粒所占据的面积及及空隙所空隙
43、所占据的面积占据的面积，而水流实际流过的面积是，而水流实际流过的面积是扣除结合水所占扣除结合水所占据的范围以外的空隙面积据的范围以外的空隙面积 ,即:式中:有效空隙度有效空隙度。enen63第63页，共93页。2022-7-31有效空隙度有效空隙度 ：指重力指重力水流动的空隙体积水流动的空隙体积(不包括结合水占据的空间）不包括结合水占据的空间）与与岩石体积岩石体积之比。之比。en64第64页，共93页。2022-7-31 讨论可知：不是实际的过水断面,故V V也并非真实的流速,而是假设水流通过包括骨架与空隙在内的断面（）时所具有的一种虚拟流速虚拟流速。令通过实际过水断面 时的实际流速实际流速为
44、u 即:因为Q=VQ=V，比较上两式，比较上两式可写为以下等式：又因为 ，所以可得 即：渗透流速等于实际流速与有效空隙度的乘积。uQNoImageuvenunve65第65页，共93页。2022-7-31水力梯度的概念：水力梯度的概念：水力梯度水力梯度I I的定义：的定义：沿渗透途径水头损失渗透途径水头损失与相应渗透途径长度相应渗透途径长度的比值。水力梯度水力梯度I I的讨论：的讨论：水在空隙中运动时水在空隙中运动时,必须克服必须克服水与隙壁水与隙壁以及以及流动流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力快慢不同的水质点之间的摩擦阻力(摩擦阻力随水流速摩擦阻力随水流速增加而增大增加而增大),),而消耗机
45、械能而消耗机械能,造成水头损失。造成水头损失。（三）水力梯度（三）水力梯度（I I）66第66页，共93页。2022-7-31 水力梯度的理解：水力梯度的理解：水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的机械能。驱动力,即克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。从这个角度来说，达西定律的实质是从这个角度来说，达西定律的实质是能量守恒与转化定律能量守恒与转化定律在地下水流运动中的具体体现。在地下水流运动中的具体体现。注意注意：既然机械能消耗于渗透途径上，因此，既然机械能消耗于渗透途径上，因此，求算水力梯度求算水力梯度I I时时,水头差必须与相应的渗透途径相对应水头差必须与相应的渗透途径相对应。6
46、7第67页，共93页。2022-7-31渗透系数的概念：渗透系数的概念：渗透系数渗透系数表征岩石渗透性能的定量指标。渗透系数的单位：渗透系数的单位：一般采用m/d、cm/s渗透系数的物理意义：渗透系数的物理意义：由达西公式(V=KIV=KI）可知：渗透系数为水力梯度渗透系数为水力梯度I=1I=1时的渗透流速。时的渗透流速。（四）渗透系数(K)68第68页，共93页。2022-7-31渗透系数的影响因素：渗透系数的影响因素：(V=KIV=KI）a.a.渗透系数与渗透系数与水力梯度水力梯度、渗透流速渗透流速有关有关 水力梯度=定值时,渗透系数愈大,渗透流速就愈大；渗透流速=定值时,渗透系数愈大,水
47、力梯度愈小。渗透系数愈大,岩石透水能力愈强。69第69页，共93页。2022-7-31 b.b.渗透系数与渗透系数与岩石的空隙性质岩石的空隙性质有关有关 C.C.渗透系数与渗透系数与水的某些物理性质水的某些物理性质有关有关 水流在岩石空隙中运动,需要克服隙壁与水及水质点间的摩擦阻力摩擦阻力，例如：粘滞性不同的两种液体在同一岩石中运动,则粘滞性大的液体渗透系数就小于粘滞性小的液体。一般情况下当水的物理性质变化不大时,把渗透系数看成单纯说明岩石渗透性能的参数；但在研究卤水或热水运动时,还需要考虑其它因素。70第70页，共93页。2022-7-31表表4-1 4-1 松散岩石渗透系数参考值松散岩石渗
48、透系数参考值71第71页，共93页。2022-7-31达西定律的适用范围：达西定律的适用范围：渗透流速V与水力梯度I的一次方成正比,故达西定律又称线性线性渗透定律渗透定律。但多次实验表明,只有雷诺数（Re）1-10之间某一数值的层流层流运动运动才服从达西定律，超过此范围，V与I不是线性关系。绝大多数情况下,地下水的运动都符合线性渗透定律,因此,达西定律适用范围很广。它不仅是水文地质定量计算的基础，还是定性分析各种水文地质过程的重要依据。深入掌握达西定律的物理实质，灵活的运用它来分析问题，是水文地质工作者应当具备的基本功。72第72页，共93页。2022-7-31达西定律具体适用范围为：达西定律
49、具体适用范围为：存在一个临界雷诺数Re临（110），Re临是达西定律成立的上限，当ReRe R Re e临临，即低雷诺数时，属低速流，这时该区域内达西定律适用。当Re临Re2060时，出现一个过渡带过渡带，从层流运动过渡到非线性层流运动。高雷诺数时为紊流紊流，达西定律失效达西定律失效。73第73页，共93页。2022-7-31第五章 地下水的补给与排泄地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环：含水层或含水系统从外界获得水量的含水层或含水系统从外界获得水量的过程过程：含水层或含水系统向外界排出水量的含水层或含水系统向外界排出水量的过程过程
50、5.1 地下水的补给地下水的补给5.2 地下水的排泄地下水的排泄74第74页，共93页。2022-7-31补给使含水层的水量、水化学特征和水温发生变化补给使含水层的水量、水化学特征和水温发生变化 思考思考：补给获得水量后，含水层或含水系统会发：补给获得水量后，含水层或含水系统会发生什么变化？生什么变化？地下水位上升，地下水位上升，增加了势能增加了势能，使地下水保持不停的流动，使地下水保持不停的流动由于构造封闭或气候干旱，得不到补给，地下水的流动将停滞由于构造封闭或气候干旱，得不到补给，地下水的流动将停滞补给的研究包括：补给的研究包括：补给来源、影响因素补给来源、影响因素与与补给量补给量地下水的
