《水文地质学基础》第三章 地下水的赋存

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Company Logo,*,Click to edit Master title style,Fundamentals of,Hydrogeoloy,水文地质学基础,第三章 地下水的赋存,The Occurrence of G.W,主讲教师：张卫民,本章内容,3.3,地下水分类,3.2,含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,3.1,包气带与饱水带,3.4,潜水与潜水含水层,3.5,承压水与承压含水层,Company Logo,3.1,包气带与饱水带,1,、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，形成一个自由水面，即地下水面，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）,2,、包气带与饱水带的概念,地下水面以上称之为,包气带,，,地下水面以下的地带称之为,饱水带,。,包气带与饱水带,Company Logo,包气带与饱水带,地下水位,Company Logo,3.1,包气带与饱水带,3,、,包气带（,zone of aeration or zone of,unsaturation,）,特点：,岩石空隙未被水充满,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（,孔角毛细水、悬挂毛细水,、支持毛细水,）、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,),下部为毛细饱和水带,包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要,通道,；“重力水”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。,毛细饱和水带中水能否进入水井？,Company Logo,4,、,饱水带（,saturation zone,）,特点：,岩石空隙被水完全充满,是二相介质（固相,+,液相水）,饱水带中水的存在形式：,重力水 结合水,重力水：连续分布（孔隙是连通）,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。,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,Company Logo,3.2,含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,一、基本概念,饱水岩层中，根据岩层,给水与透水能力,而划分为：,1,、,含水层,（,Aquifer,）,能够,透过,并,给出,相当数量,水的岩层,各类砂土，砂岩等,2,、,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）,3,、,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,Company Logo,二、概念的相对性,定义中的模糊概念,“,相当水量，微不足道，较大水力梯度,”等。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,划分的相对的性,相当水量,满足需要就可以了。,如在某处一口井出水量,80m,3,/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/s8.6m,3,/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,；后期开采深层，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,含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,Company Logo,时间的相对性,5,4,3,2,1,Company Logo,3.2,含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,三、含水系统,Groundwater aquifer system,定义：,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、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。,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，以接受补给与进行排泄。,含水系统的划分,Company Logo,含水系统层次划分,系统与子系统,A,B,Company Logo,冲洪积平原地下水含水系统,丘陵,倾斜平原区,低平原,Company Logo,广义地下水,：,地表以下岩石空隙中的水,(,包气带、饱水带中的水,),subsurface-,water,under,groundwater,groundwater,狭义地下水：,地表以下饱水带岩石空隙中的水,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）,埋藏条件：,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。,按埋藏条件，,地下水分为,包气带水、潜水、承压水。,按,含水介质的类型，,地下水分为,孔隙水、裂隙水与岩溶水,。,3.3,地下水分类,Company Logo,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,包气带水,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,含水介质类型,埋藏条件,Company Logo,潜水,(b),、承压水,(c),、上层滞水,(a),a,b,c,承压水测压水位,潜水位,Company Logo,一、 潜水与潜水含水层概念,潜水：,地表以下，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,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。,稳定,具有一定的空间连续性（范围）以示区分上层滞水,潜水含水层,-,赋存潜水的岩层,3.4,潜水与潜水含水层,Company Logo,二、基本要素（专业术语）,潜水面,(water table),潜水的自由水面,。,潜水位,(water level ),潜水面上任一点的高程，称之为该点的潜水位。,潜水含水层,(free aquifer ),赋存潜水的岩层。,含水层厚度,( aquifer thickness),潜水面至隔水底板的间距。,潜水埋深,潜水面至地面的距离。,3.4,潜水与潜水含水层,潜水要素图,Company Logo,2,3,4,5,6,7,8,D,1,M,潜水与潜水含水层图,1-,潜水含水层,2-,隔水层,3,、,4,潜水面 潜水位,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,Company Logo,三、主要特征,补给,(,来源,),：,大气降水和河湖地表水入渗补给,径流：,由潜水位高处流向潜水位低处。,排泄,(,汇,),：,泉，（河）泄流，蒸发，,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！,动态：,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）,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,潜水研究基本方法,绘制潜水等水位线图,获取信息,-,资料的手段,调查、,勘探,，分析,3.4,潜水与潜水含水层,Company Logo,四、潜水等水位线图,潜水面的形状 ：,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。,潜水等水位线图：,潜水位相等的各点连线。,绘制方法：,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。,注意问题：,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往是有明显差异的。,潜水位等值线图的作用,确定地下水的流向：,潜水总是沿,水力梯度,变化最大的方向流动，即垂直于等水位线方向流动。,3.4,潜水与潜水含水层,Company Logo,四、潜水等水位线图,潜水位等值线图的作用,确定水力梯度：,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，即为两点间平均,水力梯度,。,确定潜水位埋深 ：,结合地形图可以求潜水位埋深,推断含水层渗透性与厚度的变化：,等水位线变密处，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增强或含水层厚度的变大。,判断沼泽、泉的出露,确定潜水与地表水间的关系,3.4,潜水与潜水含水层,Company Logo,某地潜水等水位线图（平面）,河,河,流,流,Company Logo,一、承压水定义,充满于,2,个隔水层（或弱透水层）之间的含水层中的水（注意：,“,充满,”,二字，否则叫无压层间水）,二、基本要素,承压含水层；,隔水顶板；,隔水底板；,承压含水层厚度（,H,）；,埋深（,D,）,测压水位线（面）：测压水位线的连线（面）,此线是虚拟的（如图有压管）,承压高度；,补给区；,承压区；,排泄区,自溢区,测压水位线与地形等高线的交点连接区,绘制一张承压含水层的等测压水位线图（加地形等高线）,3.5,承压水与承压含水层,Confined aquifer,承压水要素,Company Logo,基岩自流盆地中的承压水,承压含水层,隔水顶板,隔水底板,承压含水层厚度（,M,）,埋深（,D,）,测压水位线（面）：,承压高度,-H,补给区,承压区,排泄区,自溢区,D,Company Logo,承压水等水压线图,A,地形等高线,含水层顶板等高线,等测压水位线,A,承压水自溢区,A,A,A,Company Logo,三、特征,承压性：,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止下来。,补给与排泄：,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）,恢复性差,水化学：,变化较大，矿化度一般要高点，可以保留“古老”的水,动态：,比较稳定，如果分布面积大，厚度稳定,则调节能力很强,受人为因素影响不显著，不易污染,问题？,承压含水层的变化：在储水与释水时，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？！,3.5,承压水与承压含水层,Company Logo,四、承压含水层的储水与释水,承压含水层的贮水系数,S,（弹性给水度,e,）,承压含水层中当测压水位下降,(,或上升,)1,个单位，单位水平面积含水层柱体所释放,(,或储存,),水的体积,测压水位降低导致,含水层孔隙中水的压力降低,水体积膨胀,释水，水的膨胀系数约为,1/20000,孔隙水压力降低，岩层颗粒间承受压力增加,骨架被压缩,颗粒不变,骨架压缩,=,空隙体积减小（排列改变）,发生释水（挤出来）水,这两部水很有限，所以,e,很小 ；,与重力给水度,d,相比要,小,10,-1, 10,-3,，,1,3,个数量级,3.5,承压水与承压含水层,Company Logo,承压含水层的弹性给水度与潜水含水层的重力给水度比较,3.5,承压水与承压含水层,隔水层,隔水层,含水层,含水层,隔水层,单位水平面积,单位水平面积,地下水位,地下水位的单位下降,测压水位的单位下降,测压水位,两者释水方式有何差异？,Company Logo,承压含水层的弹性给水度,从理论上来看：,弹性给水度是可以恢复的,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,Company Logo,3.5,承压水与承压含水层,五、潜水与承压水的相互转化,在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的,有时很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水，,例子,：,开采前,潜水含水层；,开采后,承压含水层,潜水转化为承压水的情况,除封闭构造条件外，其它所有承压水均是由潜水转化而来：或是潜水的侧向流入；或是通过弱透水层接受潜水的补给；或是通过,“,天窗,”,接受潜水的补给。,承压水转化为潜水的情况,或是承压水的侧向流出转化为潜水；,或是承压水通过弱透水层排泄转化为潜水；,或是承压水通过,“,天窗,”,排泄转化为潜水。,开采潜水与承压水的转化,Company Logo,例：潜水与承压水的转化,Company Logo,例：承压水与潜水的转化,Company Logo,3.5,承压水与承压含水层,介绍内容,上层滞水（,perched water,）,要求自学,P35,这是包气带中唯一有实际利用价值的重力水,定义：,当包气带存在局部隔水层,(,弱透水层,),时，局部隔水层,(,弱透水层,),上会积聚具有自由 面的重力水，这便是上层滞水。,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,后几章将着重介绍一些基本理论与方法,有关地下水运动的内容，请参考学习,水力学,中有关水头、水力梯度的概念。,第三章结束,上层滞水,Company Logo,本章内容,3.3,地下水分类,3.2,含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,3.1,包气带与饱水带,3.4,潜水与潜水含水层,3.5,承压水与承压含水层,Company Logo,