1、Fundamentals of Hydrogeology 水文地质学基础水文地质学基础第三章第三章 地下水的赋存地下水的赋存The Occurrence of G.W主讲教师：张卫民主讲教师：张卫民本章内容本章内容 3.3 地下水分类地下水分类3.2 含水层含水层 隔水层隔水层 弱透水层弱透水层 含水系统含水系统 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层 1、地下水面（水位）、地下水面（水位）地下一定深度上，岩石中的空隙被重力水所充满，形地下一定深度上，岩石中的空隙被重力水所充满，形成一个自由水面，即地下水面，
2、以海拔高度表示称之成一个自由水面，即地下水面，以海拔高度表示称之地地下水位下水位（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）2、包气带与饱水带的概念、包气带与饱水带的概念 地下水面以上称之为地下水面以上称之为包气带包气带，地下水面以下的地带称之为地下水面以下的地带称之为饱水带饱水带。包包气气带带与与饱饱水水带带地下水位地下水位 3、包气带（包气带（zone of aeration or zone of unsaturation）v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、气三相介质并存是固、液、气三相介质并存v水的存在形式（多样）：水的存在形式（多样）：结
3、合水、毛细水（结合水、毛细水（孔角毛细水、孔角毛细水、悬挂毛细水悬挂毛细水、支持毛细水、支持毛细水）、重力水）、重力水v包气带水的垂直分带包气带水的垂直分带 土壤水带土壤水带 中间带（过渡带）中间带（过渡带）毛细水带（支持毛细水带毛细水带（支持毛细水带):上部为上部为不饱和毛细水带不饱和毛细水带,下部下部为为毛细饱和水带毛细饱和水带 包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道通道；“饱水带重力水饱水带重力水”通过包气带获得降水、地表水的入渗通过包气带获得降水、地表水的入渗补给补给（补充），部分水又通过包气带将水分传输，（补充），部分水又通过包气
4、带将水分传输，蒸发蒸发，消耗出去。，消耗出去。毛细饱和水带中水能否进入水井？毛细饱和水带中水能否进入水井？4、饱水带（饱水带（saturation zone）v特点：特点：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）v饱水带中水的存在形式：饱水带中水的存在形式：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）传递压力传递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。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
5、，均有重力水涌出来！水涌出来！一、基本概念一、基本概念饱水岩层中，根据岩层饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力给水与透水能力而划分为：而划分为：v 1、含水层含水层（Aquifer）能够能够透过透过并并给出给出相当数量相当数量水的岩层水的岩层各类砂土，砂岩等各类砂土，砂岩等v 2、隔水层隔水层（Aquifuge)不能透过与给出水或透过与给出的不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道水量微不足道的岩层的岩层裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）v 3、弱透水层弱透水层（Aquitard）渗透性很差，给出的渗透性很差，给出的水量微不足道水量微不足道，但
6、在，但在较大水力梯度较大水力梯度作作用下，具有一定的透水能力的岩层用下，具有一定的透水能力的岩层各种粘土，泥质各种粘土，泥质粉砂岩粉砂岩二、概念的相对性二、概念的相对性 定义中的模糊概念定义中的模糊概念“相当数量，微不足道，较大水力梯度相当数量，微不足道，较大水力梯度”等。在很多情况下是等。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：v 从实际应用角度来看从实际应用角度来看划分的相对性划分的相对性相当数量相当数量 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 1万人的万人的供水，供水，
7、非含水层非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层含水层。又如一个小。又如一个小泉水流量泉水流量0.11/s8.6m0.11/s8.6m3 3/d/d，大厂，大厂非，村用非，村用是。是。v 从理论意义来看从理论意义来看划分的相对性划分的相对性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，深层水与浅层水之间有一粘土如华北平原早期地下水开采，深层水与浅层水之间有一粘土隔水隔水层层；后期开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层；后期开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层“越越流流”-粘土层成为粘土层成为“透水层透水层”
8、。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，给个隶属度学的研究方法，给个隶属度1 1，0 0之间，可以为之间，可以为 0.8,0.7,0.3,0.8,0.7,0.3,表示表示“透水性透水性”？时时间间的的相相对对性性54321三、含水系统三、含水系统Groundwater aquifer systemv 定义：定义：指有隔水或相对隔水边界圈闭的，由含水层和相指有隔水或相对隔水边界圈闭的，由含水层和相对隔水层组合而成的，内部具有统一水力联系的赋存地下对隔水层组合而成的，内部具有统一水力联系的赋存地下水的岩系水的岩
9、系。含水系统：包含。含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或多个含水层和弱透水层，或局部隔水层局部隔水层v 含水系统：可以进行子系统划分含水系统：可以进行子系统划分v 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、弱透水层的组合关系，是从弱透水层的组合关系，是从地质成因角度地质成因角度对岩层的水文地对岩层的水文地质特征进行划分的分析方法。质特征进行划分的分析方法。v 圈闭不是绝对的，而是相对的？除极少数构造封闭的含水圈闭不是绝对的，而是相对的？除极少数构造封闭的含水系统外，通常含水系统总有某些向环境开放，以接受补给系统外，通常含水系统总有某些
10、向环境开放，以接受补给与进行排泄。与进行排泄。AB隔水层隔水层丘陵丘陵倾斜平原区倾斜平原区低平原低平原v 广义地下水广义地下水：地表以下岩石空隙中的水地表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)subsurface-water,under groundwater,groundwaterv 狭义地下水：狭义地下水：地表以下饱水带岩石空隙中的水地表以下饱水带岩石空隙中的水重力水重力水v 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）和埋藏条件（赋存部位）和埋藏条件（赋存部位）埋藏条件：埋藏条件：指含水层在地质剖面中所处的部位及受隔
11、指含水层在地质剖面中所处的部位及受隔水层（或弱透水层）限制的情况。水层（或弱透水层）限制的情况。按埋藏条件，按埋藏条件，地下水分为地下水分为包气带水、潜水、承压水。包气带水、潜水、承压水。按按含水介质的类型，含水介质的类型，地下水分为地下水分为孔隙水、裂隙水与岩孔隙水、裂隙水与岩溶水溶水。v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水包气带水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
12、压水岩溶承压水 含水介质类型含水介质类型埋藏条件埋藏条件潜水潜水(b)、承压水、承压水(c)、上层滞水、上层滞水(a)abc承压水测压水位承压水测压水位潜水位潜水位一、一、潜水与潜水含水层概念潜水与潜水含水层概念v 潜水：潜水：地表以下，饱水带中第一个具有地表以下，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含水层中的水层中的水 自由表面自由表面即上部没有隔水层限制，与大气直接相通，即上部没有隔水层限制，与大气直接相通，除大气压强外不受其它力。除大气压强外不受其它力。稳定稳定具有一定的空间连续性（范围）以示区分上层具有一定的空间连续性（范围）以示区分上层滞水滞水v 潜水含水层潜水含水层-
13、赋存潜水的岩层赋存潜水的岩层二、基本要素（专业术语）二、基本要素（专业术语）v 潜水面潜水面(water table)潜水的自由水面潜水的自由水面。v 潜水位潜水位(water level)潜水面上任一点的高程，称之为该点的潜水位。潜水面上任一点的高程，称之为该点的潜水位。v 潜水含水层潜水含水层(free aquifer )赋存潜水的岩层。赋存潜水的岩层。v 含水层厚度含水层厚度(aquifer thickness)潜水面至隔水底板的间距。潜水面至隔水底板的间距。v 潜水埋深潜水埋深 潜水面至地面的距离。潜水面至地面的距离。D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
14、2-2-隔水层隔水层 3 3、4 4 潜水面潜水面 潜水位潜水位 M-M-含水层厚度含水层厚度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23456781MD三、主要特征三、主要特征v 补给补给(来源来源)：大气降水和河湖地表水入渗补给大气降水和河湖地表水入渗补给v径流：径流：由潜水位高处流向潜水位低处。由潜水位高处流向潜水位低处。v 排泄排泄(汇汇)：泉，（河）泄流，蒸发，泉，（河）泄流，蒸发，流入其它含水层流入其它含水层 补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水！补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水！v 动态：动态：不稳定
15、，受气象，水文因素影响明显，变化快不稳定，受气象，水文因素影响明显，变化快（水量、水位、水质季节性变化）（水量、水位、水质季节性变化）受人为因素影响也显著，易污染受人为因素影响也显著，易污染v 水循环交替迅速水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快：水循环周期短，更新恢复快v潜水研究基本方法潜水研究基本方法绘制潜水等水位线图绘制潜水等水位线图获取信息获取信息-资料的手段资料的手段调查、调查、勘探勘探，分析，分析 四、潜水等水位线图四、潜水等水位线图 v 潜水面的形状潜水面的形状：是一个向排泄区倾斜的曲面，起伏大是一个向排泄区倾斜的曲面，起伏大体与地形一致，但比地形更缓和。体与地形一致，但比地形
16、更缓和。v 潜水等水位线：潜水等水位线：潜水位相等的各点连线潜水位相等的各点连线v 绘制方法：绘制方法：利用潜水位数据按一定的等差间距绘制潜水利用潜水位数据按一定的等差间距绘制潜水位等值线即可。类似于地形等高线的绘制。位等值线即可。类似于地形等高线的绘制。注意问题：注意问题：要利用同一时期的观测水位资料绘制，要利用同一时期的观测水位资料绘制，因为潜水位动态变化较大，不同时期同一点处的水位往因为潜水位动态变化较大，不同时期同一点处的水位往往是有明显差异的。往是有明显差异的。v 潜水位等值线图的作用潜水位等值线图的作用 1、确定地下水的流向：、确定地下水的流向：潜水总是沿潜水总是沿水力梯度水力梯度
17、变化最变化最大的方向流动，即垂直于等水位线方向流动。大的方向流动，即垂直于等水位线方向流动。四、潜水等水位线图四、潜水等水位线图 v 潜水位等值线图的作用潜水位等值线图的作用 2、确定水力梯度、确定水力梯度(潜水面坡度潜水面坡度)：沿流向上任取两沿流向上任取两点，两点之间水位差除以两点在平面上的水平间距，点，两点之间水位差除以两点在平面上的水平间距，即为两点间平均即为两点间平均水力梯度水力梯度(潜水面坡度潜水面坡度)。3、确定潜水位埋深、确定潜水位埋深：结合地形图可以求潜水位埋结合地形图可以求潜水位埋深深 4、推断含水层渗透性与厚度的变化：、推断含水层渗透性与厚度的变化：等水位线变等水位线变密
18、处，表征含水层渗透性能的变弱或含水层厚度的变密处，表征含水层渗透性能的变弱或含水层厚度的变小。相反，等水位线变疏处，表征含水层渗透性能的小。相反，等水位线变疏处，表征含水层渗透性能的增强或含水层厚度的变大。增强或含水层厚度的变大。5、判断沼泽、泉的出露、判断沼泽、泉的出露 6、确定潜水与地表水间的关系、确定潜水与地表水间的关系某地潜水等水位线图（平面）某地潜水等水位线图（平面）河河河河流流流流本章内容本章内容 3.3 地下水分类地下水分类3.2 含水层含水层 隔水层隔水层 弱透水层弱透水层 含水系统含水系统 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层 3.5
19、 承压水与承压含水层承压水与承压含水层一、承压水定义一、承压水定义 充满于充满于2 2个隔水层（或弱透水层）之间的含水层中的个隔水层（或弱透水层）之间的含水层中的水（水（注意：注意：“充满充满”二字，否则叫无压层间水二字，否则叫无压层间水）二、基本要素二、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（H）；）；埋深（埋深（D）测压水位线（面）：测压水位线的连线（面）测压水位线（面）：测压水位线的连线（面）此线此线是虚拟的（如图有压管）是虚拟的（如图有压管）承压高度；承压高度；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
20、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 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承压含水层厚度（厚度（M M）埋深（埋深（D D）测压水位线测压水位线（面）：（面）：承压高度承压高度-H-H补给区补给区承压区承压区排泄区排泄区自溢区自溢区D A地形等高线地形等高线含水层顶板等高线含水层顶板等高线等测压水位线等测压水位线A承压水自溢区承压水自溢区AAA 三、特征三、特征v 承压性：承压性：钻孔揭穿承压含水层隔水顶板时，承压水会沿钻孔揭穿承压含水层隔水顶板时，承压水会沿钻孔上升到高出含水层顶面某一高度才静
21、止下来。钻孔上升到高出含水层顶面某一高度才静止下来。v补给与排泄：补给与排泄：有限区域与外界联系，水循环迟缓些，水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）交替慢，平均滞留时间长（年龄老或长）恢复性差恢复性差v水化学：水化学：变化较大，矿化度一般要高点，可以保留变化较大，矿化度一般要高点，可以保留“古古老老”的水的水v动态：动态：比较稳定，如果分布面积大，厚度稳定比较稳定，如果分布面积大，厚度稳定则调节则调节能力很强能力很强 受人为因素影响不显著，不易污染受人为因素影响不显著，不易污染v 问题？问题？承压含水层的变化：在储水与释水时，含水层厚度承压含水层的变化：在
22、储水与释水时，含水层厚度是不变的，承压含水层的储水与释水是如何进行的？！是不变的，承压含水层的储水与释水是如何进行的？！四、承压含水层的储水与释水四、承压含水层的储水与释水v承压含水层的贮水系数承压含水层的贮水系数S（弹性给水度（弹性给水度 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个单位，单位水平个单位，单位水平面积含水层柱体所释放面积含水层柱体所释放(或储存或储存)水的体积水的体积v 测压水位降低导致测压水位降低导致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水体积膨胀释水，水的膨胀系释水，水的膨胀系数约为数约为 1/20000孔隙水压力降低，
23、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v 这两部分水很有限，所以这两部分水很有限，所以 e e 很小很小 ；与重力给水度与重力给水度 d相比要相比要 小小10-1 10-3，13个数量级个数量级承压含水层的承压含水层的弹性给水度弹性给水度与潜水含水层的与潜水含水层的重力给水度重力给水度比较比较隔水层隔水层隔水层隔水层含水层含水层含水层含水层隔水层隔水层单位水平面积单位水平面积单位水平面积单位水平面积地下水位地下水位地下水位的单位地
24、下水位的单位下降下降测压水位的单位测压水位的单位下降下降测压水位测压水位两者释水方式有何差异？两者释水方式有何差异？承压含水层的弹性给水度承压含水层的弹性给水度v从理论上来看：从理论上来看：弹性给水度是可以恢复的弹性给水度是可以恢复的 实际上弹性恢复是有限的恢复实际上弹性恢复是有限的恢复 越过含水层弹性范围（限定），将产生一次性的越过含水层弹性范围（限定），将产生一次性的变形变形即永久性不可恢复的变形即永久性不可恢复的变形 最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低五、潜水与承压水的相互转化五、潜水与承压水的相互转化v 在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也
25、是相对的在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的v 有时很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水，有时很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水，例例子子：开采前开采前潜水含水层；潜水含水层；开采后开采后承压含水层承压含水层v 潜水转化为承压水的情况潜水转化为承压水的情况 除封闭构造条件外，其它所有除封闭构造条件外，其它所有承压水均是由潜水转承压水均是由潜水转化而来化而来：或是潜水的：或是潜水的侧向侧向流入；或是通过流入；或是通过弱透水层（越弱透水层（越流）流）接受潜水的补给；或是通过接受潜水的补给；或是通过“天窗天窗”接受潜水的补接受潜水的补给。给。v 承压水转化为潜水的情况承压水转化
26、为潜水的情况 或是承压水的或是承压水的侧向侧向流出转化为潜水；流出转化为潜水；或是承压水通过或是承压水通过弱透水层（越流）弱透水层（越流）排泄转化为潜水；排泄转化为潜水；或是承压水通过或是承压水通过“天窗天窗”排泄转化为潜水。排泄转化为潜水。例：潜水与承压水的转化例：潜水与承压水的转化例：承压水与潜水的转化例：承压水与潜水的转化介绍内容介绍内容上层滞水（上层滞水（perched water）要求自学要求自学这是包气带中唯一有实际利用价值的重力水这是包气带中唯一有实际利用价值的重力水v定义：定义：当包气带存在局部隔水层当包气带存在局部隔水层(弱透水层弱透水层)时，局部隔时，局部隔水层水层(弱透水
27、层弱透水层)上会积聚具有自由面的重力水，这便是上会积聚具有自由面的重力水，这便是上层滞水。上层滞水。v 前第一、二、三章，是水文地质学中常用的基本概念和前第一、二、三章，是水文地质学中常用的基本概念和术语，要求掌握术语，要求掌握v 后几章将着重介绍一些基本理论与方法后几章将着重介绍一些基本理论与方法v 有关地下水运动的内容，请参考学习有关地下水运动的内容，请参考学习水力学水力学中有关中有关水头、水力梯度的概念。水头、水力梯度的概念。v 作业与课堂练习作业与课堂练习-实验指导书实验指导书51页。页。第三章结束第三章结束本章内容本章内容 3.3 地下水分类地下水分类3.2 含水层含水层 隔水层隔水层 弱透水层弱透水层 含水系统含水系统 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层
