水文地質(zhì)學(xué)Hydrogeology第二章地下水的賦存條件和性質(zhì)

1、水文地質(zhì)學(xué) Hydrogeology第二章地下水的賦存條件和性質(zhì)水文地質(zhì)學(xué)：水文學(xué)是關(guān)于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)、運動等變化規(guī)律，以及運用這些規(guī)律為人類服務(wù)的知識體系。地質(zhì)學(xué)是關(guān)于地球的物質(zhì)組成、內(nèi)部構(gòu)造、外部特征、各層圈之間的相互作用和演變歷史的知識體系。水文地質(zhì)學(xué)隸屬于地質(zhì)學(xué)的應(yīng)用分支學(xué)科，是水文學(xué)與地質(zhì)學(xué)的交叉學(xué)科。水文地質(zhì)學(xué)以地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，同時又與巖石學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地史學(xué)、地貌學(xué)、第四紀地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)等學(xué)科關(guān)系密切。水文地質(zhì)學(xué)的研究對象：地下水 寶貴的自然資源 重要的生態(tài)環(huán)境因子 災(zāi)害因子活躍的地質(zhì)營力 地球內(nèi)部信息載體 研究與巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈以及人類活動相互作

2、用下地下水水量和水質(zhì)的時空變化規(guī)律，并研究如何運用這些規(guī)律去興利除害，為人類服務(wù)。水文地質(zhì)學(xué)的研究內(nèi)容： 水文地質(zhì)學(xué)學(xué)科分支：地下水動力學(xué)-地下水的運動規(guī)律，地下水量、水質(zhì)和溫度傳等水文地質(zhì)定量模擬計算方法。水文地球化學(xué)-研究各種元素在地下水中的遷移和富集規(guī)律，地下水的形成和起源、地下水污染形成的機制和污染物在地下水中的遷移和變化、地下水與礦產(chǎn)形成和分布的關(guān)系，尋找金屬礦床、放射性礦床、石油和天然氣，研究礦水的形成和分布等。供水水文地質(zhì)學(xué)-供水水文地質(zhì)學(xué)是為了確定供水水源而尋找地下水，通過勘察，查明含水層的分布規(guī)律、埋藏條件，進行水質(zhì)與水量評價。合理開發(fā)利用并保護地下水資源，按含水系統(tǒng)進行科學(xué)

3、管理。礦床水文地質(zhì)學(xué)-礦床水文地質(zhì)學(xué)是研究采礦時地下水涌入礦坑的條件，預(yù)測礦坑涌水量以及其他與采礦有關(guān)的水文地質(zhì)問題。農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)學(xué)-農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)學(xué)的內(nèi)容主要包括兩方面，一方面為農(nóng)田提供灌溉水源進行水文地質(zhì)研究；另一方面為沼澤地和鹽堿地的土壤改良，防治次生土壤鹽堿化等問題進行水文地質(zhì)論證。 地?zé)崴牡刭|(zhì)學(xué)-如何利用由地下熱水或熱蒸汽攜至地表的地?zé)崮埽脕砣∨?、溫室栽培或地?zé)岚l(fā)電等，以及地下熱水的形成、分布規(guī)律，以及勘察與開發(fā)方法等。區(qū)域水文地質(zhì)學(xué)-研究地下水區(qū)域性分布和形成規(guī)律，以指導(dǎo)進一步水文地質(zhì)勘察研究，為各種目的的經(jīng)濟區(qū)劃提供水文地質(zhì)依據(jù)。古水文地質(zhì)學(xué)-古水文地質(zhì)學(xué)是研究地質(zhì)歷史時期地下

4、水的形成、埋藏分布、循環(huán)和化學(xué)成分的變化等。 2.1 巖土中的空隙和水2.2 包氣帶與飽水帶2.3 含水層、隔水層與弱透水層2.4 潛水、承壓水與上層滯水2.5 含水層的水理性質(zhì)2.1.1 巖石中的空隙2.1.2 巖石中水的存在形式2.1.3 與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)2.1 巖石中的空隙和水2.1.1 巖石中的空隙巖石水文地質(zhì)學(xué)中指堅硬的巖石及松散的土層?？障稁r、土中各種類型的空洞的總稱。巖石空隙是地下水賦存場所和運移通道。堅硬巖石中的裂隙可溶性巖石中溶穴空隙分為：1. 孔隙-（第四紀地質(zhì)學(xué)）2. 裂隙-（構(gòu)造地質(zhì)學(xué)）3. 溶穴-（巖溶地貌學(xué)）松散沉積物中孔隙一、孔隙1. 砂礫石的孔隙度

5、（porosity） 孔隙度（n）是描述松散巖石中孔隙多少的指標。 定義：某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例。 巖石名稱礫 石粗 砂細 砂砂質(zhì)粘土粘 土泥炭土孔隙度n （%） 2740424750802. 孔隙度的影響因素a. 與排列有關(guān)緊密與疏松 理想最疏松孔隙為47.64%（立方體排列），最緊密排列孔隙為25.95%（四面體排列）。b. 與顆粒分選有關(guān)（顆粒均勻程度）c. 與顆粒形態(tài)（棱角）有關(guān) 影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。一、孔隙二、裂隙1. 裂隙（ fissure fracture ） 固結(jié)的堅硬巖石中存在的各種應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫2. 按裂隙的成

6、因： 風(fēng)化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙3. 裂隙巖體描述： 1) 裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長度和密度） 2) 張開性（裂隙寬度） 3) 裂隙率Kr（體積裂隙率、面裂隙率、線裂隙率）三、溶穴1. 溶穴可溶的沉積巖，在地下水溶蝕下會形成的空洞。溶蝕裂隙：溶孔、溶隙、溶洞等2. 巖溶巖體描述：1）巖溶發(fā)育方向（地下水運動方向控制）2）溶蝕率(巖溶率Kk)-鉆孔巖溶發(fā)育程度3）溶洞（方向、規(guī)模等）四、空隙特征的對比1. 含水介質(zhì)（介質(zhì)場）由各類空隙所構(gòu)成的巖石稱為含水介質(zhì)。含水介質(zhì)的空間分布與連通特征的差異較大。2. 三種主要類型的含水介質(zhì)比較連通性 孔隙介質(zhì)最好，其它較差空間分布孔隙介質(zhì)分布最

7、均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊?？障侗嚷士紫督橘|(zhì)最大，裂隙最小?？障稘B透性孔隙介質(zhì)-各向同性，裂隙與溶穴-各向異性造成2.1.2 巖石中水的存在形式存在形式：氣態(tài) 固態(tài) 液態(tài)空隙中水的存在形式：結(jié)合水（absorbed water, bound water）重力水（gravitational water;bulk water）毛細水（capillary water）一、結(jié)合水結(jié)合水（absorbed water）定義：附著于固體表面，在自身重力下不能運動的水，即結(jié)合水具有一定的抗剪強度。 固體顆粒表面引力服從庫侖定律，隨固體表面的距離加大而減弱性質(zhì)：結(jié)合水

8、具有固態(tài)和液態(tài)水的雙重性質(zhì)；即自身重力作用下不能運動，在外力作用下能夠移動（運動）及變形意義：只要有固相表面就存在結(jié)合水，存在范圍廣，其量很?。ńY(jié)合水膜很薄），當(dāng)孔隙直徑小于2倍結(jié)合水膜厚度時，孔隙中只含有不能自由運動的結(jié)合水（又稱無效空間）二、重力水重力水（gravitational water）特點：遠離固相表面，水分子受固相表面吸引力的影響極其微弱，主要受重力影響。重力影響下可以自由運動。地層內(nèi)巖石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通過泉，或井流出（抽出）重力水是水文地質(zhì)學(xué)研究的主要對象，也是勘察的主要對象。三、毛細水1. 毛細力成因： 在三相界面上內(nèi)彎液面引起液面彎曲產(chǎn)生的。表面張力作

9、用。大?。?與彎液面的曲率成正比（曲率大,毛細力大;曲率小，毛細力?。Ｃ毠芄軓皆叫?，毛細力越大；反之亦然；毛細力大，毛細上升高度（hc）也越大。2. 毛細水的存在形式（states forms）a) 支持毛細水 水從地下水面沿著小孔隙上升到一定高度，形成一個毛細水帶，此帶中的毛細水下部有地下水面支持。在地下水面支持下存在的（附著水面上的），隨地下水升降而升降。上升高度與水面上部的巖石孔隙性質(zhì)有關(guān)。b) 懸掛毛細水 脫離水面，巖石細小孔隙中保留的水分。c) 孔角毛細水 懸掛毛細水似串珠狀且連續(xù)分布，孔角毛細水孤立分布。三、毛細水2.1.3 與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)一、容水度和空隙度（p

10、orosity） 定義：巖石完全飽水時，所能容納的最大水體積與巖石總體積之比。反映巖石最大含水能力。 注意：除粘土外，巖石容水度一般與空隙度相當(dāng)。 孔隙度n; 容水度nr2.1.3 與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)二、含水量（water content） 反映巖石樣實際保留水分的狀況 1.重量含水量：巖石空隙中所含水分重量與干燥巖石重量比值 2.體積含水量：含水體積與包括空隙在內(nèi)的巖石體積的比值。 3.飽和差：飽和含水量與實際含水量之間的差值。 4. 飽和度：實際含水量與飽和含水量的比值。三、給水度（specific yield） 1. 定義：當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€單位高度時，單位水平面積巖石柱體，

11、在重力作用下釋放出來的水體積。 2. 影響因素：巖性，地下水位初始埋深，與地下水位下降速度有關(guān)，土層結(jié)構(gòu)2.1.3 與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)巖性空隙大的巖石其給水度大，n。粒徑有關(guān)：礫粗砂 粉砂顆粒細小，比表面積大，結(jié)合水與孔角毛細水殘留多。b) 地下水位初始埋深當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谥С置毸畮Ц叨葧rH0 hc,可達最大值當(dāng)H0 hc 時，地下水位下降1個高度時，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細水，土層給水量降低，值變小。2.1.3 與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)c) 地下水位下降速度地下水位下降快理，下降慢理d) 土層結(jié)構(gòu)均質(zhì)土特征與上述討論一致。巖土層為層狀非均質(zhì)土?xí)r，往往會影響值。多層

12、狀土：上粗下細，上細下粗結(jié)構(gòu)影響不同。2.1.3 與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)給水度小結(jié)：均質(zhì)土中，當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥趆c，降速緩慢,初始埋深小于hc時，埋深愈淺，愈小。水位降速愈快，愈小。一般而言，層狀土的值小于均質(zhì)土的 值。2.1.3 與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)各種巖性給水度經(jīng)驗值 2.1.3 與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)2.1.3 與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)四、持水度（specific retention）巖石的持水能力最大保持水分的能力。持水度（Sr）定義：地下水位下降一個單位深度，單位水平面積巖石柱體中反抗重力而保持于巖石空隙中的水量。思考：1. 給水度、持水度、空隙

13、度之間的關(guān)系？ 2. 巖石持水度的影響因素。五、透水性（permeability） 反映巖土透過水的能力巖石空隙直徑越大透水能力越強透水性越好滲透系數(shù)2.1.3 與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)2.2 包氣帶與飽水帶一、包氣帶與飽水帶的劃分 地下水面（水位）： 地下一定深度巖石中的空隙被重力水所充滿，形成一個自由水面，以海拔高度表示稱之地下水位。 （一般通過打井，地下開挖來確定）包氣帶是飽水帶中地下水參與水文循環(huán)的一個重要通道；“重力水”通過包氣帶獲得降水、地表水的入滲補給（補充），部分水又通過包氣帶將水分傳輸、蒸發(fā)，消耗出去。二、包氣帶包氣帶（zone of aeration / zone o

14、f unsaturation）特點： 巖石空隙未被水充滿； 是固、液、氣三相介質(zhì)并存介質(zhì)。水的存在形式（多樣） 結(jié)合水、毛細水（各種）、重力水、氣態(tài)水包氣帶水的垂直分帶 土壤水帶： 中間帶（過渡帶）； 支持毛細水帶； 毛細飽和水帶三、飽水帶飽水帶（saturation zone）巖石空隙被水完全充滿是二相介質(zhì)（固相+液相水）空隙中水的存在形式： 重力水 結(jié)合水 重力水：連續(xù)分布（孔隙是連通）傳遞壓力在水頭差作用下，地下水（空隙中的水）可以連續(xù)運動。2.3 含水層隔水層弱透水層一、基本概念 飽水巖層中，根據(jù)巖層給水與透水能力而進行的劃分。含水層（Aquifer）：能夠透過并給出相當(dāng)數(shù)量水的巖層。

15、如各類砂土，砂巖含水帶：構(gòu)造裂隙(斷裂帶)中，通過條帶狀的構(gòu)造裂隙含(透)水隔水層（Aquifuge)：不能透過與給出水或透過與給出的水量微不足道的巖層。如裂隙不發(fā)育的基巖、頁巖、板巖、粘土（致密）弱透水層（Aquitard）：滲透性很差，給出的水量微不足道，但在較大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的巖層。如各種粘土，泥質(zhì)粉砂巖砂層粘土層砂層粘土層粘土層 定義中的模糊概念“相當(dāng)水量，微不足道，較大水力梯度”等嚴格的“是與非”的邏輯思維，在很多情況下是相對的和模糊的概念 相對性的意義： 從實際應(yīng)用角度來看劃分的相對的性相當(dāng)水量,以滿足需要為前提。如在某處一口井出水量80m3/d，作為1萬人的供

16、水，非含水層；作為飲料廠、裝瓶生產(chǎn)則為含水層。又如一個小泉水流量3/d，大廠非，村用是。從理論意義來看微不足道，有時空尺度的制約 如華北平原早期地下水開采就是典型的例子，深層水與淺層水的開采有一粘土隔水層；后開采深層，水量大，水位降低快，淺層水向深層“越流”-粘土層成為“透水層”。2.3 含水層隔水層弱透水層思考：構(gòu)成含水層的條件？1.有儲存地下水的空間;2.有儲存地下水的地質(zhì)條件;3.有一定的水量。2.3 含水層隔水層弱透水層2.4 地下水的類型廣義地下水： 地表以下巖石空隙中的水(包氣帶、飽水帶中的水)狹義地下水： 地表以下飽水帶巖層空隙中的水重力水地下水分類：主要依據(jù)含水介質(zhì)的類型（賦存

17、空間） 埋藏條件（賦存部位）含水介質(zhì)三類，埋藏三分，組合共分為9類2.4 地下水的類型 地下水的埋藏條件 含水層在地質(zhì)剖面中所處部位及受隔水層（弱透水層）限制的情況地質(zhì)條件的復(fù)雜性決定了地下水埋藏條件的復(fù)雜性。第一節(jié) 地下水的埋藏類型地下水的埋藏類型潛 水承壓水包氣帶水潛水(b)、承壓水(c)、上層滯水(a)2.5 潛水與潛水含水層一、基本概念 1. 潛水 埋藏在地面以下第一個穩(wěn)定隔水層之上具自由表面的重力水。(地表以下第一個具有自由表面的穩(wěn)定含水層中的水)注意：自由表面與大氣直接相通，除大氣壓強外不受其它力。穩(wěn)定具有一定的空間連續(xù)性（范圍）以示區(qū)分上層滯水2. 潛水含水層： 賦存潛水的巖層。

18、二、基本要素潛水面潛水表面的自由水面潛水埋深D潛水面至地面的距離潛水水位H潛水面上任意一點的標準高程含水層厚度M潛水面至隔水底板的距離三、主要特征1.補給來源：潛水直接與大氣相通，可通過包氣帶接受降水、地表水等補給2.動態(tài)特征：受氣象、水文因素影響明顯，變化快（水量、水位季節(jié)性變化）。受人為因素影響也顯著，易污染。3.循環(huán)交替：水循環(huán)周期短，更新恢復(fù)速度快。2.5 潛水與潛水含水層4.潛水面形態(tài)：潛水面形狀受地形影響，潛水水位與地形的起伏相一致而較緩和。2.5 潛水與潛水含水層5.水化學(xué)特征：水的礦化度與地形、水的交替有關(guān)。濕潤氣候區(qū)，地形切割強烈、水交替強烈地區(qū)地下水礦化度低。干旱氣候區(qū)細顆

19、粒組成的盆地平原易形成咸水。2.5 潛水與潛水含水層小結(jié)：潛水的基本特征 無隔水頂板 積極參與水循環(huán)（補給、排泄） 動態(tài)隨季節(jié)變化明顯 重力釋水 易受污染 一般情況下，潛水面與地形起伏相一致 不適宜作為地震前兆觀測對象2.5 潛水與潛水含水層 確定潛水流向 判斷與地表水的關(guān)系（補給、排泄） 判斷地下分水嶺的分布位置，與地形是否吻合。 結(jié)合地形圖，確定潛水位埋深。 確定含水層厚度，推斷含水層巖性和厚度的變化。 確定給水和排水工程位置 確定潛水面的坡度和潛水水力梯度。 四、潛水等水位線圖2.5 潛水與潛水含水層圖中線條為等水位線，數(shù)字為潛水位標高（m），箭頭為潛水流向 潛水等水位線圖、平面流向圖

20、思考：潛水與地表水的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系？潛水補給河流河流補給潛水河流單側(cè)補給潛水2.5 潛水與潛水含水層水力坡度（I）單位距離上的水頭損失，是沿滲流途徑上的水頭損失與相應(yīng)的滲流長度之比。 I=(HA-HB) /L2.5 潛水與潛水含水層2.6 承壓水與承壓含水層一、承壓水 充滿于2個隔水層（或弱透水層）之間的含水層中的水2.6 承壓水與承壓含水層二、基本要素 承壓含水層； 隔水頂板； 隔水底板； 承壓含水層厚度（M）； 埋深（D） 測壓水位：井孔中靜止水位的高程 測壓水位線（面）：測壓水位線的連線（面）虛擬線 承壓高度（H）：作用于含水層的附加壓強。 補給區(qū)；承壓區(qū)；排泄區(qū) 自溢區(qū)測壓水位線與地形等

21、高線的交點連接區(qū)基巖自流盆地中的承壓水 水頭壓力承壓含水層中任何一點都承受流體壓力，因此當(dāng)有一個鉆孔打入含水層中時含水層中的地下水會在這種壓力作用下流入鉆孔并沿著井筒上升，上升到一定高度。上升到一定高度的鉆孔中的水柱，可以看作是含水層中某一點的一種水頭或水頭壓力。鉆孔水柱高度和測壓水頭與含水層某一點壓強（P）的關(guān)系： 式中，為水的容重；Z為含水層中某一點（A）至基準面（含水層底板）的垂直距離；hn為水柱高度（測壓水頭）； Hn為水頭。地下水是流動的，某一點上承受的壓力除了靜水壓強之外還有動水壓強，因此總水頭（Hd）： 式中，p為靜水壓強；v為實際水流速度。 含水層中實際水流速度很小，較重力加速

22、度小得多，可忽略不計，在一般問題研究中，視測壓水頭與總水頭相等。 2.6 承壓水與承壓含水層三、分類 承壓水主要受控于地質(zhì)構(gòu)造，其次是地形和巖性。1. 形成 最有利于形成承壓水的構(gòu)造是向斜（自流盆地）和單斜（自流斜地）。 2. 根據(jù)構(gòu)造和地形的關(guān)系分類 自流盆地中承壓水：正地形盆地，地形與構(gòu)造形態(tài)一致 自流斜地中承壓水：排泄區(qū)一般為點狀排泄，上升泉2.6 承壓水與承壓含水層四、特征1. 承壓性 承壓性承壓含水層水頭高于隔水頂板2. 補給與排泄條件 有隔水頂板，參與水循環(huán)不積極（補給、排泄），超采后不易恢復(fù) 有限區(qū)域與外界聯(lián)系，水循環(huán)遲緩些，水交替慢，平均滯留時間長（年齡老或長）恢復(fù)性差。3.

23、水化學(xué)特征 不易受污染，水質(zhì)變化大，礦化度一般要高點，可以保留“古老”水。4. 動態(tài)特征 動態(tài)隨季節(jié)不變化明顯，比潛水要穩(wěn)定些，如果分布面積大，厚度穩(wěn)定則調(diào)節(jié)能力很強。2.6 承壓水與承壓含水層5. 儲水與釋水特征 水量增加時測壓水位上升，壓強增大是含水層中水的密度增大；孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力降低，含水層發(fā)生少量回彈，空隙度增大。-增加的水量通過水的密度加大及含水介質(zhì)空隙的增加而容納。 承壓含水層排泄時，減少的水量表現(xiàn)為含水層中水的密度變小及含水介質(zhì)空隙縮減。承壓含水層的儲水系數(shù)S 承壓含水層中當(dāng)測壓水位下降（或上升）1個單位，單位水平面積含水層所釋放(或儲存)的水的體積。測壓水位降低導(dǎo)致

24、1) 含水層孔隙水壓力降低水體積膨脹釋水，水的膨脹系數(shù)約為1/20000 2) 孔隙水壓力降低，巖層顆粒間承受壓力增加骨架被壓縮 顆粒不變骨架壓縮=空隙體積減?。ㄅ帕懈淖儯┌l(fā)生釋水（擠出來）水。 這兩部水很有限，S與重力給水度 相比要小10-1 10-3承壓含水層的彈性給水度：從理論上來看：彈性給水度是可以恢復(fù)的實際上彈性是有限恢復(fù)的越過含水層彈性范圍（限定），將產(chǎn)生一次性的變形即永久性不可恢復(fù)的變形最終導(dǎo)致含水層的彈性給水與釋水能力降低五、承壓水等水壓線圖1. 概念 將某一承壓含水層測壓水位相等的各點進行連線。 2. 繪制 與潛水等水位線圖一致（注：用同時間資料） 3. 用途 確定流向、水力梯度； 結(jié)合地形圖，確定承壓水位的埋深、自溢區(qū)； 結(jié)合含水層頂板等高線圖，確定任一點承