水文地质第二讲华南理工大学

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,LOGO,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,第二讲 地下水的赋存和运动,3,赋存,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,2,3.1,包气带与饱水带,一、包气带与饱水带的划分,地下水面（水位）,：,地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，,形成一个自由水面，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）,包气带与饱水带,3,包气带与饱水带,地下水位,4,3.1.2,包气带,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（各种）、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）,支持毛细水带，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,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。,5,饱水带,（,saturation zone,）,岩石空隙被水完全充满,是二相介质（固相,+,液相水）,空隙中水的存在形式：,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！,3.1.3,饱水带,6,3.2,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进行的划分,含水层,（,Aquifer,）：,是能够,透过,并,给出,相当数量水的岩层,各类砂土，砂岩等,隔水层,（,Aquifuge),：,不能透过并给出水或透过且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）,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,7,定义中的模糊概念,“,相当水量，微不足道，较大水力梯度,”,等,严格的“是与非”的逻辑思维，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”？,3.2.2,概念的相对性,8,时间的相对性,5,4,3,2,1,9,3.2.3,含水系统,含水系统,Groundwater aquifer system,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,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、隔水层或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,(,或给出的概念,),含水系统的划分,10,含水系统层次划分,系统与子系统,A,B,11,冲洪积平原地下水含水系统,丘陵,倾斜平原区,低平原,12,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,：,地表以下饱水带岩层空隙中的水,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）,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,13,潜水,(b),、承压水,(c),、上层滞水,(a),a,b,c,14,3.4.1,潜水与潜水含水层概念,潜水,：,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,即设有隔水层限制，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,屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）,3.4,潜水与潜水含水层,15,二、,基本要素（专业术语）,潜水面,(water table),潜水位,(water level ),潜水含水层,-,含水层厚度,-,潜水埋深,-,3.4,潜水与潜水含水层,潜水要素图,16,2,3,4,5,6,7,8,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,17,三、,主要特征,补给,(,来源,),：,降水入渗，河湖入渗,排泄,(,汇,),：,泉，（河）泄流，蒸发,补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水！,动态,：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,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,18,某地潜水等水位线图（平面）,河,河,流,流,19,一、,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，称之。（图,P31,，图,3-6,）,二、,基本要素与特征,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,3.5,承压水与承压含水层,Confined aquifer,承压水要素,20,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,21,特征,：,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,要稳定些，如果分布面积大，厚度稳定,则调节能力很强,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,22,承压含水层的储水与释水,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较体所释放,(,或储存,),的水量,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,-3,3.5.3,承压含水层的储水与释水,23,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,实际上弹性是有限恢复的,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,24,3.5.4,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,在复杂条件下，很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水,几个例子,：,山区基岩互层,一个 较厚的含水层,一个封闭的含水层,潜水,？,开采前,潜水含水层,开采后,承压含水层,开采潜水与承压水的转化,25,例：潜水与承压水的转化,26,4,运动,4.1,达西定律,4.2,达西定律讨论,4.3,流网,27,渗流,地下水在岩石空隙中的运动称为渗流,地下水渗流,遵循水力学基本原理（,复习,）,差异,水力学研究水在,管,、,渠,明流,多孔介质，空隙细小，水流很缓慢,渗流,从流态来看,地下水多为层流（除岩溶管道外）,层流,紊流,侧重稳定流,（不讨论非稳定流）,28,4.1,达西定律（,Darcys law,）,达西定律,线性渗透定律,（,linear law,）,H.Darcy,法国水力学家，,1856,年（以实验为基础研究时期）通过大量的室内实验得出的,4.1.1,实验条件,：装置图,P36,，图,4-1,1,）等径圆筒装入均匀砂样（,uniform sand,），断面为,2,）上（下各）置一个稳定的溢水装置,保持稳定水流,3,）实验时上端进水，下端出水,示意流线,4,）砂筒中安装了,2,个测压管,5,）下端测出水量（,outflow,）,Q,29,4.1.1,达西试验装置,Q,O,O,断面,1,断面,2,h,H,2,H,1,L,30,4.1.2,达西定律（,Darcys law,）,通过变水头，多次实验得出：出水端的流量,Q,与砂柱、测压管水头之间的关系为：,（,1,）,Q,渗流量；,砂柱断面面积；,h,水头损失（,m,）；,L,渗流途径；,K,与试样有关的比例常数,。,由水力学,中水动力学基本原理：,（,2,）,Q = K I ,31,4.1.2,达西定律（,Darcys law,）,渗透流速,根据水力学流速与流量的关系对上式转化：,Q =,V,与（,2,）式比较,V = K,I,-,（,3,）,称为,渗透流速,（,seepage velocity Darcy velocity specific discharge,）,上式为单位面积上的流量,-,称比流量,达西定律中由此看出：,渗透流速与水力梯度是一次方成正比,故达西定律又称为线性渗透定律,VI,关系图,转下页,32,4.2,达西定律讨论,4.2.1,渗透流速（,V,）与过水断面（,）,Q = K I = V,过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否,过水断面,，假想的断面,实际孔隙断面, n,孔隙度,实际水流断面, n,有效孔隙度,Q/,=,V,比照水力学，实际流速,Q/=,u,关系,：,地下水渗透流速,V,=,u,n,e,渗透流速,V,：,是假设水流通过整个岩层断面（骨架,+,空隙）时所具有的虚拟的平均流速。,意义,：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而不去追踪实际水质点的运移轨迹,简化的研究,过水断面比较,33,过水断面,与实际过水断面,过水断面（,） 实际过断面（,）,34,4.2.2,水力梯度,水力梯度（,I,）,（,hydraulic gradient,）,水力学中,水力坡度,（,J,）,:,单位距离上的水头损失,是沿渗流途径上的水头损失与,相应的渗流长度,之比,物理涵义,上来看,I,：代表着渗流过程中，机械能的损失率，由水力学中水头的概念加以分析：,在地下水渗流研究中,任意点的水头表达式,总水头 测压水头 速度水头,机械能 势 能 动 能,35,水力梯度（,I,）,在,达西实验,中,：,4.2.2,水力梯度,其原因是,u,2,/2g,很小而忽略,在,地下水渗流研究,中常,：,总水头,测压水头,(,这是,习惯用法,),我们,仍然用 ,H = H,1,-H,2,代表该程,L,12,上的总水头损失，,I ,则为总能量损失率,渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）,流体的粘滞性引起的,内摩擦阻力（分子间）,固体颗粒表面对水流的反作用力,36,4.2.2,水力梯度,水力梯度（,I,）,从达西公式,:,V = KI,来看,：,当,I,增大时，,V,也愈大；,即流速,V,愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大,;,反过来，水力梯度,I,愈大时，驱动水流运动与速度也愈大,注意：水头损失一定要与渗流途径相对应,37,4.2.3,渗透系数,渗透系数,K,（,coefficient of permeability,）,在有些教科书中也称为水力传导率,（,hydraulic conductivity,）,定义,：水力梯度为,I,=1,时的渗透流速 （,V=KI,）,具有速度量纲,L,2,T,-1,由公式,V = K I,分析,当,I,一定时，岩层的,K,愈大，则,V,也愈大，,Q,大,因此，渗透系数,K,是表征岩石,透水性,的定量指标,VI,关系图,38,4.2.3,渗透系数,渗透系数,K,影响因素,：,以松散岩石,等径孔隙为例来分析,水的重率；,动力粘滞系数,从公式 即得出：,K,与岩石性质,有关,K ,（,d,0,2,，,n,e,）,与流体物理性质有关,K ,（,/,）,4.2.4,达西定律,的适用范围,雷诺数数介于,110,之间,39,4.3,流网,（,Flow net,）,4.3.1,基本概念（,concept,）,渗流场,：,地下水流动（运动）的空间,流网是描述渗流场中地下水流动状况的有效,工具,流网,：,是由一系列,等水头线,（,equipotential lines,）与,流线,（,flow lines,）组成的网格，称流网（,flow net,）,流线,：,某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上各个水质点的,流速方向,都与这条曲线相切（某时刻各点流向的连线）,（,迹线：,流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹,trace line,）,等水头线,：在某时刻，渗流场中水头相等各点的连线（水势场的分布）,40,4.3.1,基本概念,基本概念,二维流网图,：,平面流网,：潜水等水位线图，承压水等测压水位线图,剖面流网,：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的水流,流网特点,：,在各向同性介质中，流线与等水头线,正交,；在各向异性介质中，流线与等水头线,斜交,是按一定规则绘制的，等水头线（等水头差绘制），流线（等流量宽，单宽流量相等）,41,4.3.2,定性流网绘制,定性流网的绘制,-,（各向同性介质中）,在许多实际工作中，绘制定性流网分析问题很重要,精确流网受许多条件（资料不足等）制约，很难办到,思考回答,：,边界条件？有哪几类？,流线起点和终点？等水头线如何控制？,等流量如何确定？,“,源,”,resource,（发散流线处）,“,汇,”,sink,（ 吸收流线处）,“地下分水线”,divide line,（分水或分流处为“流线”）,42,4.3.2,定性流网绘制,绘制步骤（简要）,：,1,）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）,2,）分水线、源、汇的确定,3,）画出渗流场周边流线与条件,4,）中间内插,流量等单宽量流量控制流线根数,确定等水头差间隔,参见河间地块流网图,P40,，图,4-4,边界性质图,河间地块流网,43,等水头线 、流线与各类边界的关系,已知边界,a,湿周,b,隔水边界,cd,水位线,44,河间地块流网的绘制,1,）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）,2,）分水线、源、汇的确定,3,）画出渗流场周边流线与条件, 4,）确定等水头值，中间内插,45,4.3.3,流网的应用,流网图的应用,它反映了渗流场中地下水的,流动,状况，同时也是,介质场,与,势场,的综合反映。提供这两方面的信息：,1,、可以确定任意点的水头值（,H,），并了解其变化规律,图中,A,点水头？,H,A,与,H,B,的大小？,2,、确定水力梯度,I,的大小，及其变化规律,图中,A,点的,I,？,I,A,与,I,B,比较谁大？,3,、确定渗透流速,V,的大小，及其变化规律,图中,A,点的,V,A,？,V,A,与,V,B,？,4,、渗流场内的流量分布情况,（如果要打井取水，井布置在何处为什么？）,5,、水质点的渗流途径及长短，当流线与迹线重合，流线近视为水质点的运移轨迹,流网的应用,思考题,46,河间地块流网的应用,A,B,比较：,H,A,与,H,B,？,I,A,与,I,B,？,V,A,与,V,B,？,47,思考题,1,、在上页图示条件下，在何处打井取水，井水不会受污染物的影响？,自选学习内容,层状非均质介质中的流网,饱水粘性土中水的运动规律,48,