经典水文地质学基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 水文地质学基础,推荐人：,期涛,1,水文地质学基础,1.1,地下水赋存条件,1.2,连续性假设,1.3,达西定律,1.4,水均衡原理,2,1.1,地下水的赋存,(1),岩石中的空隙与水,(2),包气带与饱水带,(3),含水层、隔水层、弱透水层,(4),地下水分类,(5),潜水,(6),承压水,(7),上层滞水,3,（,1,）岩石中的空隙与水,岩石中的空隙,岩石空隙中水的存在形式,与水的储容运移有关的岩石水理性质,4,岩石中的空隙,岩石,包括坚硬岩石及松散土。,空隙,岩、土中各种类型空洞的总称。,空隙是地下水的,赋存场所,和,运移通道,。,孔隙（,pore,）,:,松散岩石颗粒间的空隙,空隙分为,裂隙（,fissure,）,:,坚硬岩石破裂产生的空隙,溶穴（,cave,）,:,可溶性岩石被溶蚀后产生的空隙,5,分选好，排列疏松的砂,分选好，排列紧密的砂,分选不好，含泥砂的砾石,部分胶结的砂岩,岩石中的空隙,6,有结构空隙的粘土,经过压缩的粘土,裂隙发育的岩石,有溶隙和溶穴的可溶岩,岩石中的空隙,7,松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。,土体孔隙的描述内容包括：,孔隙的大小、多少、形状、连通程度与分布规律,松散土体宏观上可以分为,2,大类：,砂性土,与粘性土,岩石中的空隙,一、孔隙,8,孔隙大小及其影响因素,岩石颗粒愈粗，孔隙愈大；颗粒愈细，孔隙愈小,!,思考：,孔隙大小与哪些因素有关？,(1),孔隙大小与,颗粒大小,的关系：,9,孔隙大小与分选程度的关系：,分选愈差，细粒占的比例愈大，孔隙愈小！,胶结程度越好，充填物越多，孔隙愈小！,a,试样的孔隙为细颗粒形成的小孔隙。,？,思考：下列,2,种试样哪种孔隙大？,a,砂砾混合样,b,砾石,10,孔隙大小特征的描述,：,孔喉,(,d),与孔腹,(d,),孔喉对水流影响更大，孔隙大小可用孔喉直径进行比较。,立方体排列：,d=0.414D,四面体排列：,d=0.155D,颗粒排列愈紧密，孔隙越小！,颗粒排列方式对孔隙大小的影响,D,d,D,d,11,（,2,）包气带与饱水带,地下水面：地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，形成的一个自由水面。,地下水面之上称为包气带，之下称为饱水带。,包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道，饱水带地下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。,包气带与饱水带的划分,12,包气带,特点,：,（,1,）岩石空隙未被水充满；,（,2,）固、液、气三相介质并存；,（,3,）水的存在形式多样：结合水、毛细水、重力水、气态水。,包气带水的垂直分带：,（,1,）土壤水带,（,2,）中间带（过渡带）,（,3,）毛细水带（支持毛细水带、饱和毛细水带）,13,饱水带,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,重力水：连续分布（孔隙是连边）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！,结合水,14,重力水与结合水,15,(3),含水层,隔水层与弱透水层：,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：,（,1,）,含水层（,Aquifer,）,：是能够透过并给出,相当数量水,的岩层，例如，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，例如，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，例如，各种粘土，泥质粉砂岩。,16,定义中的,“,相当水量，微不足道，较大水力梯度,”,是模糊的；含水层与隔水层的划分是相对的。,从实际应用来看，区分含水层与隔水层应考虑岩层给出的水量是否具有实际意义。从理论意义来看，岩层是否透水还取决于时间尺度。,含水层,隔水层与弱透水层：,概念相对性,如华北平原早期地下水开采，深层水与浅层水之间水位差别不大，深层水与浅层水之间的粘土可作为隔水层；随着深层水的不断开采，水位大幅度降低，浅层水向深层“越流”，粘土层成为“透水层”。,17,含水层,隔水层与弱透水层：,时间相对性,隔水层与弱透水层（诺曼与威瑟斯庞）,自然界中不存在绝对的隔水层，岩层是否透水取决于时间尺度。,5,4,3,2,1,隔水层,/,弱透水层,含水层,18,含水层,隔水层与弱透水层,:,应用的相对性,岩性相同的地层根据不同研究目的可划分为含水层或隔水层。,修水库时，要考虑建库后水库是否渗漏？,供水时，考虑水量是否足够，是否为含水层？,某组地层是含水层还是隔水层？,其界定要灵活运用,！,现代水文地质模拟计算，不再简单地划分为含水层、隔水层，而是把不同岩层附于不同渗透参数。,19,（,4,）地下水分类,广义地下水（,subsurface water,）：地表以下岩石空隙中的水,(,包气带、饱水带中的水,),狭义地下水（,groundwater,）：地表以下饱水带岩石空隙中的水（重力水）,地下水分类：依据含水介质类型、埋藏条件划分含水介质三类，埋藏条件分三类，组合共分为,9,类。,20,（,5,）潜水,:,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）,21,（,5,）潜水,:,基本要素,潜水面,潜水位,潜水含水层,含水层厚度,潜水埋深,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,2,3,4,5,7,8,D,1,M,6,4,22,（,5,）潜水,:,主要特征,补给：,降水入渗，河湖入渗,排泄：,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,23,潜水等水位线图,？,一张潜水等水位线图可以提供哪些信息,24,（,6,）,承压水,:,概念,1,）定义：,充满于,2,个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水。,2,）基本要素：,承压含水层,隔水顶板,隔水底板,承压含水层厚,测压水位线,承压高度,-H,补给区,承压区,排泄区,自溢区,基岩自流盆地中的承压水,25,（,6,）,承压水,:,主要特征,补给与排泄：,有限区域与外界联系，水循环交替慢，平均滞留时间长（年龄老）,可恢复性差。,水化学：,变化较大，可以是淡水，也可能是卤水。不易污染，一旦污染，很难净化！,动态：,较稳定，如果分布面积大，厚度稳定，则调节能力很强。,26,（,6,）,承压水,:,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,1,个单位，单位水平面积含水层柱体所释放的水量。测区水位降低导致：,（,1,）含水层孔隙中水的压力降低,水体积膨胀释水,（,2,）孔隙水压力降低，含水层颗粒间有效应力增加,骨架被压缩（颗粒不变,骨架压缩,=,空隙体积减小,),发生释水。,这两部水是很有限的，所以,e,很小（较,d,小,10,-2,10,-3,）,27,承压含水层贮水系数与潜水含水层给水度的比较,（,6,）含水层的储水与释水,28,（,6,）,承压水,:,承压水与潜水转化关系,潜,水,与,承,压,水,的,相,互,转,化,29,定义：,包气带局部隔水层,(,弱透水层,),上积聚的具有自由水面的重力水。与潜水的区别：潜水含水层稳定，具有一定的空间连续性。,特点：,水量小、动态变化显著、极易污染。只能作为缺水地区小型供水水源或暂时性供水水源。作为饮用水源时要格外注意卫生防护。,包气带中上层滞水，对其下部潜水的补给与蒸发排泄，起到一定的滞后调节作用。,（,7,）上层滞水,30,水文地质学基础,1.1,地下水赋存条件,1.2,连续性假设,1.3,达西定律,1.4,水均衡原理,31,1.2,连续性假设,假设：,（,1,）不考虑渗流途径的迂回曲折，只考虑水流的主要流向，（,2,）不考虑岩层的颗粒骨架，假象渗流的全部空间被水流所充满。,32,1.3,达西定律,基本概念,达西试验,达西定律,参数讨论,适用范围,33,基本概念,渗流,地下水在岩石空隙中的运动称为渗流。,渗流场,发生渗流的区域,(,地下水运动的空间,),。,在岩层空隙中渗流时，水质点做有序的，互不混杂的运动，称作层流运动。反之，水质点无序的，相互混杂的运动，称作紊流运动。,稳定流,水只在渗流场内运动且各个运动要素（水位，流速，流向等）不随时间改变。,非稳定流,运动要素随时间变化。,达西定律,34,达西试验,1856,年，法国水力学家达西,H.Darcy,通过大量的室内实验得,到线性渗流定律,.,实验条件：,1,）等径圆筒装入均匀砂样，断面为,；,2,）上（下各）置一个稳定的溢水装置,稳定水流 ；,3,）实验时上端进水，下端出水测出水量,Q,示意流线 ；,4,）砂筒中安装了,2,个测压管,。,试验装置图,35,达西定律,通过变水头，多次实验得出：出水端的流量,Q,与砂柱面积,、测压管水头差,h,之间的关系为：,Q,渗透流量；,砂柱断面面积；,h,水头损失；,L,渗流途径；,K,与试样有关的比例常数。,总水头,测压,速度,水头表达式,总水头,测压水头,速度项很小,36,达西定律,:,渗透流速,v,由于流速与流量的关系为：,Q = v,与（,2,）式比较得,:,v = Kh/L=KI,-,（*）,式中,v,称为渗透流速。,(*),式也称为单位面积上的流量，即,比流量,。,达西定律的三个表达式中看出：渗透流速与水力梯度是一次方正比关系 ，故达西定律又称为,线性渗透定律,。,达西定律,37,参数讨论,1,）渗透流速（,v,）,和过水断面（,）,Q = K,I, = V,过水断面与水流过断面是否一致？,过水断面,是假想的断面,实际孔隙断面,应为,n,（孔隙度）,实际水流断面,为,ne,(,有效孔隙度,),否！,达西定律,38,参数讨论,渗透流速,v,=Q/,;,实际流速,u,=Q/,地下水渗透流速与平均实际流速的关系：,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,达西定律,39,参数讨论,:,渗透系数,K,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,）,渗透系数具有速度量纲,L,2,T,-1,由公式,V,KI,分析：,当,I,一定时，岩层的,K,愈大，则,V,也愈大，,Q,也大。,因此，渗透系数,K,是表征岩石透水性的定量指标。,达西定律,40,参数讨论,渗透系数,K,影响因素：,以松散岩石,等径孔隙为例来分析，依据平行板水流,理论可以推出：,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 ,（,/,）,达西定律,41,达西定律,42,达西定律的适用范围,雷诺数数介于,1,10,之间的层流运动,达西定律,43,地下水水均衡原理,地下水的水量和盐分在收支方面的数量关系，称为,地下水均衡,。其中水量均衡为水均衡，盐分均衡的话称为盐均衡。,在均衡期中，均衡区的补给量大于排泄量,-,正均衡,。,在均衡期中，均衡区的补给量小于排泄量,-,负均衡,。,地下水的均衡状况是通过建立地下水均衡方程实现的。其原理就是水量平衡原理，一般,:,W,=,X,+,W,1,+,Z,1,+,Y,1,+,Z,2,+,W,2,+,Y,2,其中：,W,均衡期内地下水量的变化量，,X,：大气降水的入渗补给量，,W,1,：地下水流入量，,Z,1,：凝结水补给量 ，,Y,1,：地表水入渗补给量，,W,2,：地下水流出量，,Z,2,：地下水蒸发量，,Y,2,：地下水补给地表水量。,1.4,水均衡原理,44,