地下水開發(fā)與利用第1章

1、第1章 地下水調(diào)查1.1 水文地質(zhì)測繪定義是指通過對調(diào)查區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)、地貌、地下水露頭和地表水狀況的觀察分析，從宏觀上認(rèn)識(shí)地下水的埋藏、分布和形成條件的一種調(diào)查手段。主要任務(wù)（1）地下水的賦存條件。查明含水介質(zhì)的特征及埋藏分布情況。 （2）地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件。查明地下水的運(yùn)動(dòng)特征及水質(zhì)、水量變化規(guī)律。 （3）地下水的水文地球化學(xué)特征。不僅要查明地下水的化學(xué)成分，還要查明地下水化學(xué)成分的形成條件。 主要內(nèi)容包括：基巖地質(zhì)調(diào)查、地下水露頭調(diào)查、地表水體調(diào)查、氣象資料調(diào)查及與地下水、地表水相關(guān)的環(huán)境地質(zhì)狀況的調(diào)查等內(nèi)容。1.1 水文地質(zhì)測繪基巖地質(zhì)調(diào)查包括：巖性調(diào)查、地層調(diào)查、構(gòu)造調(diào)查、地

2、貌調(diào)查等內(nèi)容。巖性調(diào)查巖性調(diào)查：巖性特征決定了地下水的介質(zhì)類型。從而決定了地下水的類型，并影響地下水的水質(zhì)和水量。 第四紀(jì)松散介質(zhì)往往賦存豐富的孔隙水 火成巖、碎屑巖地區(qū)往往賦存相當(dāng)水量的裂隙水 碳酸鹽地區(qū)主要分布溶巖水（1）對于松散地層：（2）對于非可溶性堅(jiān)硬巖石：（3）對于可溶性堅(jiān)硬巖石：孔隙 松散巖土中顆粒或顆粒集合體之間普遍存在著孔狀空隙，稱為孔隙。孔隙度n:單位體積巖土(包括孔隙在內(nèi))中的孔隙體積，即%100VVnn含泥沙礫石部分膠結(jié)的砂巖裂隙裂隙風(fēng)化裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙裂隙率f：溶隙溶縫、溶孔、溶洞巖溶率Kk：%100VVff%100VVKkk巖石裂隙可溶巖溶隙基巖地質(zhì)調(diào)查地層

3、調(diào)查地層調(diào)查：地層是構(gòu)成地質(zhì)圖和水文地質(zhì)圖的最基本要素，也是識(shí)別地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)，也是地下水賦存運(yùn)移的空間所在。（1）測區(qū)地質(zhì)圖，若無，則需野外實(shí)測并繪制調(diào)查區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)剖面。（2）確定地層的界限（3）判斷區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件構(gòu)造調(diào)查構(gòu)造調(diào)查：地質(zhì)構(gòu)造不僅對地層的分布產(chǎn)生影響，它對地下水的賦存、運(yùn)移等也有較強(qiáng)的控制作用。（1）對于斷裂構(gòu)造：（2）對于褶皺構(gòu)造：地貌調(diào)查地貌調(diào)查：斷層是巖石圈中順破裂面發(fā)生明顯位移的一種斷裂構(gòu)造，斷層在自然界里發(fā)育廣泛，是巖石圈中最重要的地質(zhì)構(gòu)造類型。斷層的研究具有重要的理論意義和實(shí)際意義。斷層帶 巖層在形成時(shí)，一般是水平的。巖層在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，因受力而發(fā)生彎曲，一個(gè)彎曲

4、稱褶曲，如果發(fā)生的是一系列波狀的彎曲變形，就叫褶皺。美國馬里蘭州I-64公路邊，向斜褶皺的核部構(gòu)成山包 地下水調(diào)查地下水天然露頭調(diào)查地下水天然露頭調(diào)查：是水文地質(zhì)測繪的核心工作核心工作。泉泉是地下水的天然露頭。調(diào)查內(nèi)容：（1）泉水出露處的位置、地下和高程。（2）泉水出露的地質(zhì)構(gòu)造條件，分析成因。（3）泉水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件（4）判斷泉水類型。（5）調(diào)查泉水的動(dòng)態(tài)特征。（6）采樣，進(jìn)行水質(zhì)分析研究。地下水的人工露頭是指民用的機(jī)井、淺井以及個(gè)別地區(qū)少數(shù)的鉆孔、試坑、礦坑、老窖等。調(diào)查內(nèi)容：地表水調(diào)查水文地質(zhì)測繪的工作階段1、準(zhǔn)備工作階段、準(zhǔn)備工作階段 收集測繪區(qū)自然地理、地貌、地質(zhì)及水文地質(zhì)資

5、料； 現(xiàn)場踏勘，建立地層層序，確定標(biāo)志層； 按照“規(guī)范”編制設(shè)計(jì)書。2、野外工作階段、野外工作階段 實(shí)測剖面：首先是查明層序、巖性、厚度、接觸關(guān)系，確定標(biāo)志層；其次是研究巖石中 的空隙等水文地質(zhì)特征。 布置觀測點(diǎn)：每個(gè)測點(diǎn)要求觀測仔細(xì)、描述認(rèn)真、測量準(zhǔn)確、記錄全面、繪圖清晰和采樣完整。 進(jìn)行必要的輕型勘探和抽水試驗(yàn)。 作好野外時(shí)期的匯總工作。3、室內(nèi)工作階段、室內(nèi)工作階段 完成編寫測繪成果的階段，是整理、分析所得資料，編寫出高質(zhì)量報(bào)告。1.2 水文地質(zhì)鉆探定義是查明地下水的埋藏條件、補(bǔ)給、徑流、水化學(xué)特征等水文地質(zhì)條件，以獲取合理開發(fā)及利用地下水所需資料而采用的一種主要技術(shù)手段，簡稱水文鉆探。

6、 目的與任務(wù)在水文地質(zhì)測繪、水 文地質(zhì)物探的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步查明含水層的巖性、層次、構(gòu)造、厚度、埋深分布及水量、水質(zhì)、水溫等水文地質(zhì)條件、特征和參數(shù)。解決和驗(yàn)證水文地質(zhì)測繪和物探遙感工作中難以解決的水文地質(zhì)問題，為評價(jià)和合理開發(fā)利用地下水資源提供可靠的水文地質(zhì)資料和依據(jù)。水文勘探鉆孔的布置原則（1）為查明區(qū)域水文地質(zhì)條件布置的鉆孔，一般都布置成勘探線的形式。（2）為地下水資源評價(jià)布置的勘探孔，其布置方案必須考慮擬采用的地下水資源評價(jià)方法。（3）以供水為目的的勘探孔的布設(shè)，應(yīng)考慮勘探與開采結(jié)合。水文地質(zhì)的鉆孔結(jié)構(gòu)和鉆孔設(shè)計(jì)參考水文地質(zhì)鉆探規(guī)程。鉆進(jìn)過程中的水文地質(zhì)觀測工作（1）沖洗液的消耗量、顏色

7、、稠度等的變化。（2）鉆孔中水位變化。（3）統(tǒng)計(jì)巖芯采取率。（4）測量鉆孔水溫變化。（5）觀測記錄鉆孔的涌水、涌砂、涌氣現(xiàn)象；記錄鉆進(jìn)速度、孔底壓力等。1.3 水文地質(zhì)試驗(yàn)與地下水動(dòng)態(tài)調(diào)查水文地質(zhì)試驗(yàn) 抽水試驗(yàn)是確定含水層參數(shù)，了解水文地質(zhì)條件的主要方法。 任務(wù)（1）直接測定含水層的富水程度和評價(jià)井（孔）的出水能力。（2）確定含水層及越流層的水文地質(zhì)參數(shù)：滲透系數(shù)K、導(dǎo)水系數(shù)T、給水度、彈性釋水系數(shù)*。（3）為取水工程設(shè)計(jì)提供所需的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，如影響半徑、單井出水量、單位出水量、井間干擾出水量、干擾系數(shù)等，依據(jù)降深和流量選擇適宜的水泵型號(hào)。（4）直接評價(jià)水源地的可（允許）開采量。（5）查明某

8、些其他手段難以查明的水文地質(zhì)條件。 類型（1）單孔抽水試驗(yàn)。（2）多孔抽水試驗(yàn)。（3）群孔干擾抽水試驗(yàn)。影響半徑（4）試驗(yàn)性開采抽水試驗(yàn)。 故稱為降落漏斗降落漏斗。稱為降深降深S ，隨著抽水繼續(xù)進(jìn)行，降深S加大，漏斗逐漸擴(kuò)大。同時(shí)，井的涌水量Q漸漸減少，到相當(dāng)時(shí)間后，涌水量Q穩(wěn)定不變，S不再下降，漏斗范圍亦不擴(kuò)大，這時(shí)地下水向井的運(yùn)動(dòng)便是穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)。，稱影響半徑影響半徑，如圖所示。 如果在一個(gè)地區(qū)有許多井同時(shí)開采，致使許多單井漏斗互相疊加，從而造成一個(gè)大范圍的地下水面下降，由于范圍大，即使停止抽水，地下水位亦難于迅速恢復(fù)。這種水位下降，代表了區(qū)域性降落漏斗區(qū)域性降落漏斗。一月,靜風(fēng)17.00%

9、NNEESESSWWNW二月,靜風(fēng)15.00%NNEESESSWWNW三月,靜風(fēng)11.00%NNEESESSWWNW四月,靜風(fēng)8.00%NNEESESSWWNW五月,靜風(fēng)8.00%NNEESESSWWNW六月,靜風(fēng)9.00%NNEESESSWWNW七月,靜風(fēng)14.00%NNEESESSWWNW八月,靜風(fēng)21.00%NNEESESSWWNW九月,靜風(fēng)19.00%NNEESESSWWNW十月,靜風(fēng)20.00%NNEESESSWWNW十一月,靜風(fēng)20.00%NNEESESSWWNW十二月,靜風(fēng)19.00%NNEESESSWWNW全年,靜風(fēng)15.00%NNEESESSWWNW石石家家莊莊地地區(qū)區(qū)200

10、3年年地地下下水水流流場場 方法單孔抽水試驗(yàn)采用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)（在抽水工程中，要求抽水流量和水位同時(shí)相對穩(wěn)定）方法，多孔抽水、群孔干擾抽水和試驗(yàn)性開采抽水試驗(yàn)一般采用非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)方法。 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)觀測要求（1）水位觀測時(shí)間一般在抽水開始后第1、3、5、10、20、30、45、60、75、90min進(jìn)行觀測，以后每隔30min觀測一次，穩(wěn)定后可延至1h觀測一次。水位讀數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確到厘米（cm）。（2）涌水量觀測應(yīng)與水位觀測同步進(jìn)行。（3）停泵后應(yīng)立即觀測恢復(fù)水位，觀測時(shí)間間隔與抽水試驗(yàn)要求基本相同。若連續(xù)3h水位不變，或水位呈單向變化，連續(xù)4h內(nèi)每小時(shí)水位變化不超過1cm，或者

11、水位升降與自然水位變化相一致時(shí)，即可停止觀測。 抽水試驗(yàn)資料整理單孔抽水試驗(yàn)應(yīng)提交抽水試驗(yàn)綜合成果表，其內(nèi)容包括：水位和流量過程曲線、水位和流量關(guān)系曲線、水位和時(shí)間(單對數(shù)及雙對數(shù))關(guān)系曲線、恢復(fù)水位與時(shí)間關(guān)系曲線、水質(zhì)化驗(yàn)成果、水文地質(zhì)計(jì)算成果、施工技術(shù)柱狀圖、鉆孔平面位置圖等。 滲水試驗(yàn)試坑法滲水試驗(yàn)是野外測定包氣帶非飽和巖（土）層滲透系數(shù)的簡易方法。利用滲水試驗(yàn)，可提供灌溉設(shè)計(jì)、研究區(qū)域水均衡以及計(jì)算山前地區(qū)地表水滲入量等。 K=V u滲流的基本定律達(dá)西(Darcy)定律1856年，法國水力學(xué)工程師H. Darcy曾就Dijon城的水源問題研究了水在直立砂柱中的流動(dòng)，如圖所示根據(jù)實(shí)驗(yàn)，D

12、arcy得出：h1h2滲流量滲流量Q與過水?dāng)嗝婷娣e與過水?dāng)嗝婷娣eA及上、下及上、下兩測壓管的水頭差兩測壓管的水頭差 h成正比，而與成正比，而與滲透途徑長度滲透途徑長度l成反比。即：成反比。即：lhhKAQ/ )(21這就是著名的達(dá)西定律。AlhKQ或lhIAQV 則KIV 式中，I水力坡(梯)度；V滲透速度若令：比例常數(shù)K稱為滲透系數(shù)滲透系數(shù)在實(shí)際滲流場中使用達(dá)西公式，由于各點(diǎn)的滲透速度包括其大小和方向可能都不相同，為描述滲透速度分布與水頭分布之間的關(guān)系，可建立達(dá)西定律的一般性表達(dá)式，即dldhKV后來的實(shí)驗(yàn)表明，并非所有地下水滲流都服從達(dá)西定律，它有一個(gè)適用范圍：xhKVxyhKVyzhKV

13、z或達(dá)西定律適用范圍：存在一個(gè)臨界雷諾數(shù)Re臨，該值約在110之間，當(dāng)Re Re臨，即低雷諾數(shù)時(shí)，屬低速流，這時(shí)有一個(gè)粘滯力(忽略慣性力)占優(yōu)勢的層流區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)達(dá)西定律是適用的。上述Re臨就是達(dá)西定律成立的上限。同時(shí)說明，服從達(dá)西定律的Re臨比地下水由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r(shí)的雷諾數(shù)要小。也即達(dá)西定律的適用范圍比層流運(yùn)動(dòng)范圍要小當(dāng)Re臨 Re 2060時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)過渡帶，從粘滯力占優(yōu)勢的層流運(yùn)動(dòng)過渡到非線性的層流運(yùn)動(dòng)。該帶當(dāng)滲透速度增大后，慣性力也逐漸增大，當(dāng)慣性力接近摩擦阻力的數(shù)量級(jí)時(shí)，由于慣性力與速度的平方成正比，從而使?jié)B透速度與水力梯度的關(guān)系就不再呈線性關(guān)系，也即偏離了達(dá)西定律高雷諾數(shù)時(shí)為紊

14、流，此時(shí)達(dá)西定律就失效了存在臨界（起始）水力梯度I臨，即達(dá)西定律適用下限實(shí)驗(yàn)證明：0.00005I0.05時(shí)達(dá)西定律都能成立實(shí)際流速V實(shí)V實(shí)=V/n 或 V= nV實(shí)因n1 所以滲透流速永遠(yuǎn)小于實(shí)際流速計(jì)算過水?dāng)嗝?，面積=A滲透速度滲透速度V=Q/A實(shí)際過水?dāng)嗝?，面積=A實(shí)際流速實(shí)際流速V實(shí)=Q/AA =nA V實(shí)=V/n 例1 10C的水通過右下圖所示的砂柱流動(dòng)(L120厘米，A200厘米2，h1-h2 120厘米)。砂的孔隙率n0.36，滲透系數(shù)K20米日。試確定： (a)流量(Q)和滲透速度(V)； (b)砂柱中的實(shí)際流速(V實(shí))。解：根據(jù)達(dá)西公式)/84. 21201202008640

15、01002021s(cm LhhKAQ3) s/(cm 023. 0 120120864001002021LhhKKIV) s/(cm 064. 036. 0/023. 0/nVV實(shí)例題 例2 已知在厚度不變的均質(zhì)各向同性承壓含水層中發(fā)生的是均勻流動(dòng)，假定含水層的厚度M20米，孔隙率n0.2，滲透系數(shù)K15米/日。沿著水流方向位于A、B兩點(diǎn)的兩個(gè)觀測孔的距離為L1200米，兩觀測孔中的水位均高于平均海水位， 測壓管水頭分別為hA+5.4米，hB+3米。砂的平均粒徑d1毫米。水的運(yùn)動(dòng)粘度0.013厘米2/秒。 (a) Darcy定律是否適用? (b) 求孔隙中的平均流速。解：(a)用水力梯度判斷

16、： 3cm/d(m/d) 03. 0120034 . 515LhhKKIVBA 05. 000005. 0 IDarcy定律適用(b)/0.03/0.20.15 (m/d)15cm/dVV n實(shí)例題002. 0120034 . 5LhhIBA地下水動(dòng)態(tài)調(diào)查所謂地下水動(dòng)態(tài)是指表征地下水?dāng)?shù)量與質(zhì)量的各種要素（水位、流量、開采量、溶質(zhì)成分與水溫等）隨時(shí)間的變化規(guī)律。 調(diào)查內(nèi)容包括：地下水含水層系統(tǒng)的水位、水量、水溫和水質(zhì)變化規(guī)律及發(fā)展趨勢，并分析其變化影響因素。1.4 地下水調(diào)查成果地下水調(diào)查成果主要內(nèi)容包括：原始成果、文字報(bào)告、綜合水文地圖、建立區(qū)域水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。主要由水文地質(zhì)圖件和文字報(bào)告兩部

17、分組成。是水文地質(zhì)調(diào)查工作的總結(jié)。 圖件種類：1、基礎(chǔ)性圖件主要反映調(diào)查區(qū)地下水形成、賦存的背景環(huán)境類圖件。如地質(zhì)圖、構(gòu)造圖、地貌圖、第四紀(jì)地質(zhì)圖、降水量分布圖等。 綜合性或?qū)ｉT性圖件直接反映調(diào)查區(qū)地下水特征的圖件。如綜合水文地質(zhì)圖、地下水資源圖、地下水脆弱程度圖、環(huán)境水文地質(zhì)圖、地下水質(zhì)量評價(jià)圖等。 單項(xiàng)地下水特征性圖件地下水等水位線圖、地下水埋深圖、地下水化學(xué)類型分區(qū)圖等。 應(yīng)用性圖件為了滿足實(shí)際生產(chǎn)需要而編制的圖件如地下水開發(fā)利用區(qū)劃圖、土壤改良水文地質(zhì)圖、地下水質(zhì)預(yù)測圖、地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測圖等。二綜合水文地質(zhì)圖簡介 綜合水文地質(zhì)圖，實(shí)際上是把在區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查中所獲得的各種水文地質(zhì)現(xiàn)象和資

18、料，用各種代表符號(hào)和方式，反映到按一定比例尺縮小的圖紙上所編制的一種具綜合內(nèi)容的地質(zhì)水文地質(zhì)圖件。 在圖上明確地反映出調(diào)查區(qū)內(nèi)地下水的形成條件、賦存規(guī)律、地下水的各種特征、與周圍環(huán)境的相互關(guān)系。 綜合水文地質(zhì)圖上包括的內(nèi)容如下： 1.地下水類型 按地質(zhì)礦產(chǎn)部1982年出版的區(qū)域水文地質(zhì)普查規(guī)范補(bǔ)充規(guī)定中的綜合水文地質(zhì)圖編圖方法的基本原則，圖中首先要?jiǎng)澐殖鑫宸N基本類型地下水，即松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水(巖溶水)、基巖裂隙水和凍結(jié)層水。每種基本類型，可根據(jù)不同情況劃分為若干亞類。類和亞類應(yīng)突出表現(xiàn)出富水等級(jí)、埋藏條件和水質(zhì)。 2. 地下水水質(zhì) （1）礦化度 按礦化度分為淡水（1g/L）、微咸水（13g/L）、半咸水（310g/L）、咸水（1050g/L）、鹽鹵水（50g/L）分布區(qū)。 （2）水溫 對熱泉和人工揭露的熱水，可據(jù)溫度按規(guī)定分為：低溫?zé)崴?20一40)，中溫?zé)崴?4060)，中高溫?zé)崴?6080)，高溫?zé)崴?80100)，超高溫?zé)崴?100)。 3.其他水文地質(zhì)要素 （1）控