第02講地下水文學(xué)

地下水水文學(xué)主講：

劉國(guó)東

教授GroundwaterHydrology電話mail:liugd988@163.com

1.4不同含水介質(zhì)中的地下水1.4不同含水介質(zhì)中的地下水孔隙水(porewater)洪積物(diluvialdeposit)中的地下水洪積扇(proluvialfan)以山口為頂點(diǎn)的扇形或錐形的堆積地貌，稱洪積扇或沖積錐在綿延的山嶺與平原交接地帶，每個(gè)山口都堆積有或大或小的洪積扇，在扇與扇間形成洼地，遠(yuǎn)看呈波狀起伏，或連成一片，俗稱洪積裙(1)砂礫石帶位于洪積扇上部，此帶地形坡度陡，水動(dòng)力條件強(qiáng)，沉積物多為礫石、卵石、漂礫等，沉積物不顯層理，或僅在其間所夾細(xì)粒層中顯示層理。(2)租粒沉積交錯(cuò)過渡帶位于洪積扇的中下部，此帶地形變緩，水動(dòng)力條件漸弱，沉積顆粒逐漸變細(xì)，由砂礫、砂過渡為亞砂土、亞粘土，并在垂直方向上出現(xiàn)連續(xù)的粘土夾層。(3)粘性細(xì)土帶位于洪積扇下部，即扇的邊緣沒入平原的部分，沉積物顆粒更細(xì)，并有淤泥質(zhì)沉積。1.4不同含水介質(zhì)中的地下水地下水分布特征砂礫石帶粗粒沉積交錯(cuò)過渡帶粘性細(xì)土帶基巖礫石砂粘性土潛水深埋帶/鹽分溶濾帶潛水溢出帶/鹽分過路帶潛水下沉帶/鹽分堆積帶洪積物總的分布規(guī)律是：從山前到平原，地形坡度由陡變緩，巖性由粗變細(xì)，透水性由強(qiáng)變?nèi)?。而賦存其間的地下水則是：含水量由多變少，潛水埋深由大變小，承壓水水頭由小變大。水化學(xué)：HCO3SO4Cl沖積物(alluvialdeposit)中的地下水山間河谷地下水平原區(qū)地下水(“地上河”)基巖砂礫石亞粘土山間河谷地下水沖積物中的潛水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，平原區(qū)潛水水力梯度小，主要是蒸發(fā)排泄，因此在干旱區(qū)平原或盆地的地表常形成土壤鹽漬化。沖積物中的承壓水主要接受來自山前洪積扇補(bǔ)給區(qū)潛水的補(bǔ)給，最終以徑流方式排入地勢(shì)低處的潛水或地表水體。1.4不同含水介質(zhì)中的地下水湖積物(lacustrinedeposit)中的地下水湖岸區(qū)，常埋藏有潛水湖心區(qū)，泥質(zhì)粘土，有細(xì)砂透鏡體，有承壓水，水質(zhì)差河口三角洲，含有較豐富的地下水(潛水或淺層承壓水)濱海沉積物(littoralsediment)中的地下水三角洲沉積，細(xì)砂和粉細(xì)砂，富水性差，含鹽量高有時(shí)埋藏有水量豐富、水質(zhì)良好的承壓水(80~200m以下)黃土(loess)中的地下水(高原地貌)以粉土顆粒為主，并發(fā)育有垂直裂隙及孔洞、根管、蟲穴等，故黃土又稱大孔土。垂直空隙的發(fā)育，使垂向滲透能力遠(yuǎn)較水平方向強(qiáng)黃土見水后往往下沉，稱黃土的濕陷性地下水埋深較大，補(bǔ)給較差，缺水!黃土塬可形成較豐富的地下水，黃土梁、黃土峁常為嚴(yán)重缺水地區(qū)梁、峁之間的寬淺溝谷(俗稱掌地或杖地)，常能匯集部分地下水，埋深較小，可成為生活用水的小型水源地下水含鹽量一般較高，北部地下水礦化度可達(dá)3~10g/L冰川沉積物(glacialdebris)中的地下水1.4不同含水介質(zhì)中的地下水裂隙水裂隙水的一般特征裂隙水的分布特征地下水分布不均層狀裂隙水：相對(duì)均勻，水力聯(lián)系良好，有統(tǒng)一的地下水面脈狀裂隙水：水力聯(lián)系差，往往無統(tǒng)一水面裂隙水的分布與富集受地質(zhì)構(gòu)造條件控制明顯裂隙水的運(yùn)動(dòng)特征在流動(dòng)過程中水力聯(lián)系呈明顯的各向異性局部地段的流向并不總和水流的總體方向一致，局部承壓運(yùn)動(dòng)速度一般不大，呈層流狀態(tài)。個(gè)別除外。1.4不同含水介質(zhì)中的地下水不同成因類型裂隙中的地下水風(fēng)化裂隙水風(fēng)化裂隙：長(zhǎng)期暴露地表的巖石，在溫度、水、空氣、生物等風(fēng)化營(yíng)力作用下，其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、成分將發(fā)生變化，并逐漸疏松破碎，從而在巖石中形成裂隙風(fēng)化裂隙水大多為埋藏較淺的潛水，且成層分布，水力聯(lián)系較好，具統(tǒng)一的地下水面(見圖1-16)影響風(fēng)化裂隙水分布的因素：氣候：氣候干燥、溫差大的地區(qū)，物理風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)風(fēng)化帶地下水豐富；濕熱地區(qū)，化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)烈，半風(fēng)化帶地下水較豐富巖性：結(jié)構(gòu)致密、成分均勻且穩(wěn)定的巖石(如石英巖)較難風(fēng)化。泥巖風(fēng)化裂隙易被充填。多種礦物組成的粗粒結(jié)晶巖，風(fēng)化裂隙開啟性好，常賦存風(fēng)化裂隙水地形條件：地形低緩、剝蝕作用微弱的地帶，有利于風(fēng)化殼的發(fā)育與保存，如為匯水區(qū)，則可形成大規(guī)模的含水層風(fēng)化裂隙水分布廣泛，埋藏淺，水質(zhì)較好，易于開采。但因風(fēng)化殼厚度有限，一般水量不大。1.4不同含水介質(zhì)中的地下水成巖裂隙水成巖裂隙：指巖石在成巖過程中受內(nèi)部應(yīng)力作用而產(chǎn)生的原生裂隙以噴出巖和侵入巖的成巖裂隙最具水文地質(zhì)意義玄武巖內(nèi)部張應(yīng)力作用產(chǎn)生柱狀裂隙。裂隙開張，發(fā)育均勻，連通性好，常構(gòu)成貯水豐富、導(dǎo)水暢通的層狀裂隙含水層侵入巖中的成巖裂隙，則是在強(qiáng)大壓力及冷凝收縮作用下形成的，裂隙的分布與巖體產(chǎn)狀有密切關(guān)系，一般分布在侵入巖體與圍巖的接觸帶沉積巖主要是層間裂隙構(gòu)造裂隙水構(gòu)造裂隙：是因巖石在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中受地應(yīng)力作用產(chǎn)生的。影響因素：主要受巖性和構(gòu)造應(yīng)力控制。巖性塑性巖石(泥巖、頁巖)塑性變形細(xì)微裂隙隔水層脆性巖石(砂巖、灰?guī)r)彈性變形張性裂隙含水層應(yīng)力富水部位夾于塑性巖石之間的脆性巖石即“兩軟夾一硬”層狀裂隙水脆性巖層背斜的軸部脆性巖層中的張性斷層即“正斷層”破碎帶導(dǎo)水?dāng)鄬?圖)貯水空間集水廊道導(dǎo)水通道壓性斷層的上盤張性裂隙區(qū)斷層交會(huì)帶（圖）低序次小斷層的斷裂密集帶張應(yīng)力導(dǎo)水裂隙

剪應(yīng)力閉合裂隙1.4不同含水介質(zhì)中的地下水1.4不同含水介質(zhì)中的地下水巖溶水巖溶現(xiàn)象(Karst)是可溶性巖石在水的溶蝕作用下所形成的地表及地下各種地質(zhì)現(xiàn)象的綜合可溶巖類：碳酸鹽類巖石(灰?guī)r、白云巖)、硫酸鹽類巖石如石膏)、鹵化物類巖石(如巖鹽、鉀鹽)典型巖溶形態(tài)：地表有溶溝、溶槽、溶芽、石林、落水洞、溶蝕漏斗等；在地下有溶孔、溶蝕裂隙、溶洞、管道等巖溶發(fā)育的基本條件：可溶的透水巖層侵蝕性水流水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：水在巖層中循環(huán)與交替。水交替快，巖溶發(fā)育快。氣候：區(qū)域控制條件必備條件1.4不同含水介質(zhì)中的地下水巖溶水的特征巖溶水：貯存并運(yùn)動(dòng)于溶蝕洞隙中的地下水巖溶水的分布特征：空間分布極不均勻差異溶蝕(圖1-17)地下水河系(圖1-18)巖溶富水地帶(濟(jì)南泉群)巖溶水的補(bǔ)給特征降水通過落水洞、溶斗補(bǔ)給降水入滲量大，南方可達(dá)80%，北方40%~50%導(dǎo)致地表水貧乏巖溶水的排泄特征集中排泄：地下水河口、大泉或泉群（娘子關(guān)泉）巖溶水的運(yùn)動(dòng)特征運(yùn)動(dòng)異常復(fù)雜：層流和紊流；潛水和承壓水；同一水體有不同水位(圖1-19)1.4不同含水介質(zhì)中的地下水巖溶水的動(dòng)態(tài)特征巖溶水水位、水量變化幅度大，對(duì)降水反映明顯，地下水位陡漲陡落，表現(xiàn)為河水特征（圖1-20）在北方，巖溶水動(dòng)態(tài)較為穩(wěn)定（圖1-21）巖溶水化學(xué)特征巖溶水的化學(xué)特征巖溶水的補(bǔ)給、徑流及排泄等條件，決定了巖溶水的水化學(xué)特征由于水流交替條件良好，故巖溶水特別是淺部的巖溶水，礦化度較小，一般在0.5g/L以下，水質(zhì)多為HCO3-Ca型水，白云巖分布區(qū)則多為HCO3-Ca-Mg型埋藏較深的巖溶水化學(xué)成分則隨水交替條件而異，通常補(bǔ)給區(qū)礦化度較低，隨深度的增加礦化度逐漸升高。在構(gòu)造封閉良好的古巖溶含水系統(tǒng)中，可保存礦化度高達(dá)50～200g/L的Cl-Na型沉積同生鹵水。此外，由于巖溶水的獨(dú)特補(bǔ)給方式，使得降水與地表水未經(jīng)過濾便直接進(jìn)入巖溶含水層，因此巖溶水極易被污染，利用巖溶水作供水水源時(shí)，應(yīng)予以注意。1.4不同含水介質(zhì)中的地下水多年凍土區(qū)地下水寒冷區(qū)年均氣溫>0C為季節(jié)凍土，<0C為多年(永久)凍土全球多年凍土面積20~50%，主要分布于兩極和中低緯度的寒冷高山和高原，我國(guó)主要分布于大小興安嶺北部高緯山地及青藏高原、阿爾泰山、天山、祁連山等中低緯度高原和高山?？偯娣e近190萬km2，約占我國(guó)總面積五分之一多年凍土是一種特殊的含水結(jié)構(gòu)，通常液態(tài)水與固態(tài)水共存，使得多年凍土區(qū)的水文地質(zhì)條件復(fù)雜化，地下水的賦存與運(yùn)動(dòng)，不僅受地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制，而且還受多年凍土的影響。固態(tài)地下水所構(gòu)成的凍層，起著隔水層的作用，而這種“隔水層”在溫度、礦化度等因素影響下，隨時(shí)間和空間又可以發(fā)生變化，轉(zhuǎn)化為含液態(tài)水的含水層。而當(dāng)水由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時(shí)，體積約膨脹10％，對(duì)地下水會(huì)產(chǎn)生附加壓力。因此，在多年凍土區(qū)，地下水具有獨(dú)特的動(dòng)態(tài)特征。1.4不同含水介質(zhì)中的地下水凍結(jié)層上水埋藏在多年凍結(jié)層之上，由于多年凍結(jié)層構(gòu)成隔水底板，凍結(jié)層上水的全部或部分在冬季凍結(jié)而夏季融化，這個(gè)變化層稱活動(dòng)層或融凍層類型(圖1-22)全部季節(jié)凍結(jié)的凍結(jié)層上水部分季節(jié)凍結(jié)的凍結(jié)層上水季節(jié)凍結(jié)未達(dá)到凍結(jié)層上水未融解的季節(jié)性凍結(jié)層上水分隔為兩層液態(tài)水凍結(jié)層間水埋藏于多年凍結(jié)層內(nèi)部的液態(tài)水和固態(tài)水稱為凍結(jié)層間水。液態(tài)水往往以層狀、透鏡狀、脈狀或管狀等形式存在于固態(tài)水之間，通常具有承壓性。液態(tài)的凍結(jié)層間水周圍皆為負(fù)溫的環(huán)境中，只有當(dāng)其與較大的地表水體存在強(qiáng)烈的水力聯(lián)系，且處于不斷流動(dòng)的狀態(tài)下，或是具有較高的礦化度時(shí)，才有可能保持液相凍結(jié)層間水可通過融區(qū)或其它通道，接受凍結(jié)層上水或凍結(jié)層下水的補(bǔ)給。當(dāng)由凍結(jié)層上水補(bǔ)給時(shí)，水溫較低，且變化較大；當(dāng)由凍結(jié)層下水補(bǔ)給時(shí)，水溫則較高，變化也較小1.4不同含水介質(zhì)中的地下水凍結(jié)層下水埋藏于凍結(jié)層之下的水體稱為凍結(jié)層下水。與一般承壓水相似，只是隔水頂板為多年凍結(jié)層，內(nèi)能通過融區(qū)獲得補(bǔ)給并進(jìn)行排泄。冰椎和冰丘冰椎:地表水或地下水由于冰凍膨脹受壓而涌溢地表，并凍結(jié)形成錐形或丘形冰體。河水冰椎：因河水表面凍結(jié)后，其下部未凍結(jié)的河水受壓，突破水層，溢出地表并不斷凍結(jié)而形成的地下水冰椎：可由泉水不斷凍結(jié)而形成，也可由于地下水凍結(jié)受壓流出地表不斷凍結(jié)而形成混合冰椎冰丘：地下水在融凍層的某些地方積聚并在地下凍結(jié)，使地表產(chǎn)生丘狀隆起。多年凍土區(qū)尋找地下水的良好標(biāo)志冰椎和冰丘在寒冷季節(jié)產(chǎn)生，體積逐漸擴(kuò)大，溫暖季節(jié)則開始融化，表面產(chǎn)生裂縫，并在隆起處發(fā)生坍塌、流水，而逐漸消亡。但有些冰丘在溫暖季節(jié)并不完全消失，只有范圍稍有縮小，而寒冷季節(jié)繼續(xù)增大，這種多年生成的大規(guī)模的冰丘稱作冰水巖盤第2講結(jié)束作業(yè)二1.洪積扇和濱海三角洲中地下水分布的主要差異有哪些？2.簡(jiǎn)述基巖地區(qū)地下水的富水規(guī)律。3.在巖溶地區(qū)，壓扭性斷層下盤可否富水？為什么？請(qǐng)分析原因。瘋神抓碎的土地——鬼斧神工創(chuàng)造的世界黃土塬(洛川)黃土梁黃土峁梁峁梁峁掌地裂隙帶泥巖、頁巖砂巖砂巖泥巖、頁巖斷層帶裂隙平原漏斗溶溝平原平臺(tái)和圓臺(tái)石林丘陵峰叢洼地峰林洼地孤峰平原殘峰平原溶蝕平原裂隙溶溝溶蝕漏斗溶蝕洼地盲谷干河谷溶蝕峽谷坡立谷石牙溶柱峰林孤峰殘丘天生橋落水洞豎井地下溶洞地下溶洞地下廊道石鐘乳石筍石柱石幔伏流溶斗湖地下河地下瀑布地下湖陷落湖山麓泉噴泉圖1-18廣西地蘇地下水河系略圖巖溶含水區(qū)巖溶含水區(qū)娘子關(guān)泉位于山西省平定縣娘子關(guān)附近。它由13個(gè)主要泉點(diǎn)組成，沿綿河及其上游桃河、溫河河谷出露，分布范圍長(zhǎng)達(dá)7公里。泉水溫度1