2地下水的賦存

2.1巖石的空隙巖石——水文地質(zhì)學(xué)中指堅(jiān)硬的巖石及松散的土層空隙——巖、土中各種類型的空洞的總稱空隙—是地下水儲(chǔ)存場(chǎng)所和運(yùn)動(dòng)通道。———意義空隙分類：松散巖石中的孔隙(松散沉積物及某些膠結(jié)不好的半堅(jiān)硬巖石中的空隙

)堅(jiān)硬巖石中的裂隙可溶巖石中的溶穴

下面以孔隙為例，討論描述空隙特征的有關(guān)概念，參數(shù)（指標(biāo)）和分析方法。第1頁(yè)/共56頁(yè)2.1.1孔隙

孔隙:描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與分布松散土體宏觀上可以分為2大類：砂性土與粘性土類一、砂礫石孔隙大小及其影響因素試樣

a—礫石(模型)，試樣b—砂土樣品，試樣c—砂礫混合樣品？試樣a與b構(gòu)成的孔隙哪種大？哪種小？顆粒大小----有關(guān)？簡(jiǎn)單歸納---砂礫石土孔隙大小與什么有關(guān)？

顆粒大小、排列方式（立方體或四面體）、分選程度、膠結(jié)程度、顆粒形狀孔隙大小特征的描述：孔喉(d)d=0.414D

孔腹(d’)d’=0.732D(上述為：立方體排列的理想等徑園球顆粒）下一頁(yè)第2頁(yè)/共56頁(yè)孔隙與粒徑關(guān)系a—礫石(模型)b—砂土樣品c—砂礫混合樣品第3頁(yè)/共56頁(yè)顆粒排列-等徑圓球最疏松和最緊密排列第4頁(yè)/共56頁(yè)立方體排列與四面體排列第5頁(yè)/共56頁(yè)立方體排列與

四面體排列DdDd第6頁(yè)/共56頁(yè)二、砂礫石的孔隙度及其影響因素

孔隙度：一定體積巖石中的孔隙體積與該巖石總體積（包括顆粒骨架與空隙在內(nèi)）之比。。通常用n表示：孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標(biāo)？問(wèn)：孔隙度的大小與什么有關(guān)？——與顆粒大小有關(guān)？

a.排列方式——緊密與疏松

b.分選程度——下面試樣哪個(gè)孔隙度大？哪個(gè)小？

試樣：①礫石②砂石③混合樣完全混合試樣時(shí)，孔隙度n混=n礫×n砂（自己推導(dǎo)證明）

C.顆粒形狀

D.膠結(jié)情況影響孔隙度大小的主要因素是試樣的排列和分選程度?？紫抖鹊臏y(cè)定方法下一頁(yè)第7頁(yè)/共56頁(yè)不同顆粒大小的試樣——孔隙度？不同排列：最松散排列：n=47.64%最緊密排列：n=25.95%第8頁(yè)/共56頁(yè)孔隙大小和孔隙多少對(duì)地下水的影響？孔隙大?。嚎缀怼叵滤倪\(yùn)動(dòng)孔腹孔隙多少：孔隙度——地下水的賦存第9頁(yè)/共56頁(yè)2.1.1孔隙自然界中松散巖石的孔隙度與上述討論的還有些不同松散巖石孔隙度參考數(shù)值矛盾：孔隙度超過(guò)最疏松排列的47.64%—達(dá)到70%第10頁(yè)/共56頁(yè)3、粘性土的孔隙與孔隙度粘土顆粒粘性土是指土體顆粒＜0.005mm的直徑“粘性土由于顆粒細(xì)小，比表面積大，連結(jié)力強(qiáng)粘粒在懸浮推移互相接觸時(shí)，就會(huì)連結(jié)起來(lái)形成“粘粒團(tuán)”細(xì)小粘粒集合（團(tuán)）構(gòu)成（稱為）顆粒集合體。集合體與集合體結(jié)合構(gòu)成粘性土的沉積結(jié)構(gòu)特征粘土孔隙粘性土如同海綿、峰窩或絮狀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)孔隙——集合體與集合體、粘粒與粘粒之間次生孔隙——蟲孔、根系孔、裂隙裂痕等2.1.1孔隙——粘土下一頁(yè)第11頁(yè)/共56頁(yè)蒙脫石、片狀粘土礦物——淤泥粘土×2000第12頁(yè)/共56頁(yè)×36×240×800粘性土的結(jié)構(gòu)，不同比例電鏡掃描片第13頁(yè)/共56頁(yè)2.1.2裂隙裂隙：是堅(jiān)硬巖石中的空隙。

固結(jié)的堅(jiān)硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙，而存在有各種內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的裂縫（縫隙） 風(fēng)化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙裂隙：空間形態(tài)是兩向延伸長(zhǎng)，橫向延伸短的“餅狀”空隙單個(gè)裂隙是孤立的裂隙巖體：從水的賦存與運(yùn)移角度來(lái)看，裂隙的描述包括：

1)裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長(zhǎng)度和密度）

2)張開性（裂隙寬度）

3)裂隙率第14頁(yè)/共56頁(yè)

裂隙率：Kr就是巖石中的裂隙體積（Vr）與巖石總體積（V）之比：Kr、Ka

、Kl—裂隙率、面裂隙率、線裂隙率。第15頁(yè)/共56頁(yè)裂隙率的測(cè)量水泡法測(cè)體積裂隙率：在巖石露頭或巷道中測(cè)量面裂隙率利用鉆探巖芯測(cè)線裂隙率第16頁(yè)/共56頁(yè)溶穴在裂隙基礎(chǔ)，水流對(duì)可溶巖進(jìn)一步作用的結(jié)果

——是擴(kuò)大了的裂隙溶穴：溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等巖溶巖體：要描述裂隙特征及巖溶發(fā)育特征（裂隙+溶洞）1）巖溶發(fā)育方向2）溶蝕率--鉆孔巖溶發(fā)育程度3）溶洞（方向、規(guī)模等）2.1.3溶穴

第17頁(yè)/共56頁(yè)空隙特征的比較含水介質(zhì)——由各類空隙所構(gòu)成的巖石稱為含水介質(zhì)，也稱為介質(zhì)場(chǎng)。含水介質(zhì)的空間分布與連通特征（孔隙含水介質(zhì)、裂隙含水介質(zhì)、溶質(zhì)含水介質(zhì)）是不同的，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，溶穴極懸殊空隙滲透性—孔隙介質(zhì)-各向同性，裂隙與溶穴-各向異性造成空隙介質(zhì)上述差異的主要原因：沉積物形成和空隙形成的環(huán)境2.1.4空隙特征的對(duì)比第18頁(yè)/共56頁(yè)孔隙、裂隙和溶穴的區(qū)別

孔隙裂隙溶穴分布較均勻各向同性連通性好分布不均各向異性連通性不好分布最不均勻各向異性更強(qiáng)連通性最差第19頁(yè)/共56頁(yè)2.2巖石中水的存在形式存在形式：氣態(tài)固態(tài)液態(tài)設(shè)想實(shí)驗(yàn)：材料（玻璃珠子、細(xì)管）+水（水杯）2個(gè)玻璃珠子之間滴上幾滴水在飽水試樣中取1顆和2個(gè)顆粒將玻璃細(xì)管插入水中，取出，管中殘留水？通過(guò)上述3例及圖示→空隙中水的存在形式：結(jié)合水重力水毛細(xì)水氣態(tài)水固態(tài)水第20頁(yè)/共56頁(yè)第21頁(yè)/共56頁(yè)2.2.1結(jié)合水結(jié)合水定義：受到固相表面的吸引力大于其自身重力的水。附著于固體表面，在自身重力下不能運(yùn)動(dòng)。即結(jié)合水具有一定的抗剪強(qiáng)度？抗剪強(qiáng)度的產(chǎn)生與大小與什么有關(guān)

表面引力—服從庫(kù)侖定律，隨固體表面的距離加大而減弱性質(zhì)結(jié)合水具有固態(tài)和液態(tài)水的雙重性質(zhì)；即自身重力作用下不能運(yùn)動(dòng)，在外力作用下能夠移動(dòng)（運(yùn)動(dòng)）及變形；具有抗剪強(qiáng)度。結(jié)合水第22頁(yè)/共56頁(yè)2.2.1結(jié)合水分類強(qiáng)結(jié)合水（吸著水）——最靠近顆粒表面的結(jié)合水 厚度為幾個(gè)到幾百個(gè)水分子厚，靜電引力達(dá)1000MPa，密度為2g/cm3,冰點(diǎn)為-78℃；粘滯性、抗剪強(qiáng)度、彈性大。弱結(jié)合水（薄膜水）——位于強(qiáng)結(jié)合水外側(cè) 厚度為幾十個(gè)到幾千個(gè)水分子厚，靜電引力小于1000MPa，密度為1.3-1.7g/cm3,冰點(diǎn)仍低于0℃； 粘滯性抗剪強(qiáng)度、彈性小于強(qiáng)結(jié)合水。意義

1.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(shí)，孔隙中只含有不能自由運(yùn)動(dòng)的結(jié)合水（又稱無(wú)效空間）。

2.弱結(jié)合水可以慢慢地流動(dòng)，弱結(jié)合水的這個(gè)性質(zhì)對(duì)巖石中地下水的分布有一定的意義，它能使水分從濕度大的地方向濕度小的地方運(yùn)動(dòng)。結(jié)合水與重力水結(jié)合水第23頁(yè)/共56頁(yè)結(jié)合水與重力水

表面引力—服從庫(kù)侖定律，隨固體表面的距離加大而減弱重力水第24頁(yè)/共56頁(yè)重力水遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)地層內(nèi)巖石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通過(guò)泉，或井流出（抽出）重力水是水文地質(zhì)學(xué)研究的主要對(duì)象，也是勘察的主要對(duì)象2.2.2重力水第25頁(yè)/共56頁(yè)1.毛細(xì)力的產(chǎn)生：凹液面在氣壓下產(chǎn)生表面張力，使水向上運(yùn)動(dòng)重力使水向下運(yùn)動(dòng)當(dāng)二者平衡時(shí)，液面不再上升毛細(xì)力的方向：作用方向始終指向彎曲液面的凹側(cè)凹凸彎液面是指相對(duì)于液相一側(cè)而言的毛細(xì)力的大?。?/p>

一根毛細(xì)管子，管徑越小，毛細(xì)力越大；反之亦然2.2.3毛細(xì)水第26頁(yè)/共56頁(yè)2.2.3毛細(xì)水2.毛細(xì)上升高度及其影響因素上升高度：影響因素：毛細(xì)孔隙的大小——孔隙直徑或裂隙寬度（粘土：6-12m）巖石的礦物成分：D=0.25-0.1mm，云母砂：65.8cm，石英砂：56cm，長(zhǎng)石砂49.2cm水的溫度（粘滯性）毛細(xì)上升速度及其影響因素

毛細(xì)孔隙的大小上升時(shí)間水的礦化度：一般情況下，毛細(xì)上升速度雖礦化度的增大而減小。

L是隨著時(shí)間的增大而增大的，t小時(shí)，L很小，所以v很大。第27頁(yè)/共56頁(yè)3.毛細(xì)水的存在形式（分類）在巖石空隙中，毛細(xì)水的存在形式可分為三種：a)支持毛細(xì)水

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。b)懸掛毛細(xì)水（suspensioncapillarywater）

脫離水面，巖石細(xì)小孔隙中保留的水分，稱為懸掛毛細(xì)水

思考：一個(gè)等徑園管，如果支持毛細(xì)水高度為

hc，懸掛毛細(xì)水高度？c)孔角毛細(xì)水（觸點(diǎn)毛細(xì)水）2.2.3毛細(xì)水支持與懸掛毛細(xì)水孔角毛細(xì)水第28頁(yè)/共56頁(yè)毛細(xì)水，孔角毛細(xì)水第29頁(yè)/共56頁(yè)支持毛細(xì)水與懸掛毛細(xì)水第30頁(yè)/共56頁(yè)2.2.4氣態(tài)水運(yùn)動(dòng)：巖石空隙中的氣態(tài)水和大氣中的氣態(tài)水類似，性質(zhì)也是相同的。這些氣態(tài)水受到蒸汽張力差，也就是水汽壓的作用，由水汽壓大的地方向水汽壓小的地方運(yùn)動(dòng)。凝結(jié)：空氣中的水汽過(guò)飽和之后就會(huì)形成降水，巖石內(nèi)的水汽也一樣。當(dāng)水汽達(dá)到飽和狀態(tài)，或者是溫度下降達(dá)到露點(diǎn)時(shí)，水汽便開始凝結(jié)，成為液態(tài)水?！淖兊叵滤姆植嫉?1頁(yè)/共56頁(yè)2.2.5固態(tài)水固態(tài)水：以固體冰形式存在于巖石空隙中的水稱為固態(tài)水。注意，凍結(jié)巖石中不是所有的水都成固態(tài)狀態(tài)，結(jié)合水尤其是強(qiáng)結(jié)合水，冰點(diǎn)比較低，在沒(méi)有達(dá)到冰點(diǎn)之前，仍以結(jié)合水的形式存在。第32頁(yè)/共56頁(yè)2.2.6礦物水礦物水：存在于礦物晶體內(nèi)部或者晶格之間的水，又稱為化學(xué)結(jié)合水，包括沸石水、結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水等。沸石水：以水分子形式存在于礦物晶格孔隙之中的水。結(jié)晶水：以水分子的形式進(jìn)入礦物的晶格骨架，并成為某些礦物的組成成分時(shí)，叫結(jié)晶水結(jié)構(gòu)水：結(jié)構(gòu)水是以H+和OH—的形式存在于礦物結(jié)晶格架中的水，在礦物中并保持水分子的結(jié)構(gòu)。

第33頁(yè)/共56頁(yè)2.2空隙中的水——小結(jié)小結(jié)巖石空隙中的水——有三種存在形式三種形式的水有差異——與受力狀態(tài)有關(guān)自己總結(jié)、比較——加深理解____有比較就會(huì)有記憶第二節(jié)空隙中的水結(jié)束第34頁(yè)/共56頁(yè)2.3巖石的水理性質(zhì)

巖石（包括骨架與空隙在內(nèi)的總稱）巖石的水理性質(zhì)：巖石與水接觸過(guò)程中，巖石表現(xiàn)出來(lái)的控制水分活動(dòng)的各種性質(zhì)。（容水性、持水性、給水性和透水性） 就是水文地質(zhì)學(xué)主要涉及到與水分儲(chǔ)容、釋出與運(yùn)移有關(guān)的性質(zhì)2.3.1容水性：巖石具有能容納一定水量的性能稱為巖石的容水性。

容水度（Wn）是巖石所能容納水的體積（Vn）與巖石總體積（V）之比：

反映巖石最大含水能力

容水度和孔隙度：

孔隙度——n;容水度——Wn？

Wn=n

注意：膨脹粘土

含水量—

： 巖石樣實(shí)際保留水分的狀況，（是某巖樣某時(shí)的含水狀態(tài)）第35頁(yè)/共56頁(yè)2.3.2持水性持水性：巖石在重力作用下，排出重力水后仍能保持一定水量的性能稱為巖石的持水性。持水度（Wm）：在重力作用下巖石空隙所能保持的水的體積與（Vm）與巖石的總體積（V）之比：影響因素：巖石顆粒對(duì)水的吸引力（顆粒大?。┲亓ε潘髱r石能夠保持的水：主要是結(jié)合水、孔角毛細(xì)水、有時(shí)有支持毛細(xì)水、懸掛毛細(xì)水）第36頁(yè)/共56頁(yè)2.3.3給水性給水性：飽水巖石在重力作用下能自由流出（排出）一定水量的性能，稱為巖石的給水性。給水度：在重力作用下，從飽水巖石中自由流出的水的體積與巖石總體積之比。給水度、容水度及持水度有如下關(guān)系：給水度（μ）=容水度（Wn）－持水度（Wm）第37頁(yè)/共56頁(yè)影響因素：

礫石、粗砂、細(xì)砂、粉砂，哪種樣給水度大？巖性：空隙大的樣品，給水度大，μ≈n

礫＞粗砂＞…＞粉砂——（與粒徑有關(guān)）地下水位初始埋深（H0）當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谥С置?xì)水帶高度時(shí)H0＞＞hc,可達(dá)最大μ值H0＜＜hc時(shí)，地下水位下降時(shí)，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水，土層給水量大大降低，μ變小。與地下水位下降速度有關(guān) 地下水位下降快慢會(huì)影響到μ的大小

——（下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理）

這是因?yàn)獒屗疁?，而?dǎo)致的釋水量減少

d）土層結(jié)構(gòu)（均質(zhì)、非均質(zhì)）第38頁(yè)/共56頁(yè)均質(zhì)土包氣帶水分分布第39頁(yè)/共56頁(yè)給水度小結(jié)——野外實(shí)際測(cè)定時(shí)：顆粒越小，μ↓初始埋深小于hc時(shí)，埋深愈淺，μ↓水位降速愈快，μ↓給水度小結(jié)第40頁(yè)/共56頁(yè)2.3.4透水性透水性：巖石允許水透過(guò)的性能稱為巖石的透水性。滲透系數(shù)反映土透過(guò)水的能力決定透水性強(qiáng)弱的因素：空隙的大小

空隙的數(shù)量第41頁(yè)/共56頁(yè)小結(jié)一般來(lái)說(shuō)，空隙越大，給水性越好，透水性就越強(qiáng)，持水性就越弱，（水都給出去了，當(dāng)然持有的水就少了）；相反空隙越小，持水性越好（水都留在了里面），給水性及透水性就減弱了。注意：同一種巖石在不同的方向上透水性也會(huì)不同。第42頁(yè)/共56頁(yè)2.4含水層與隔水層

巖層的含水性，根據(jù)巖層給水與透水能力而進(jìn)行劃分的2.4.1含水層與隔水層的概念

含水層：

是能夠透過(guò)并給出相當(dāng)數(shù)量水的巖層——各類砂土，砂巖等（儲(chǔ)存、運(yùn)動(dòng)）

隔水層：不能透過(guò)與給出水或透過(guò)與給出的水量微不足道的巖層——裂隙不發(fā)育的頁(yè)巖、粘土（致密）

弱透水層：

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——松散巖土的亞粘土層第43頁(yè)/共56頁(yè)含水層的構(gòu)成構(gòu)成含水層的必要條件，也就是含水層的三要素

具有儲(chǔ)存重力水的空間具備儲(chǔ)存地下水的地質(zhì)構(gòu)造

有兩種基本形式： （1）透水—含水—隔水 （2）隔水—含水—隔水具備充足的補(bǔ)給來(lái)源第44頁(yè)/共56頁(yè)儲(chǔ)存重力水的空間構(gòu)成含水層，首先要具有良好的儲(chǔ)水空間。巖層的空隙愈大、數(shù)量愈多、連通性愈好，則透水性能就愈好，重力水就愈易滲入及流動(dòng)，有利于形成含水層。對(duì)于孔隙度較大，但孔隙細(xì)小的粘性土，多為結(jié)合水不能構(gòu)成含水層，只有當(dāng)粘性土中發(fā)育有較好的裂隙時(shí)，才有可能構(gòu)成含水層。如河南駐馬店一帶粘土巖是農(nóng)業(yè)灌溉供水較好的含水層；又如山東濟(jì)南附近的粘土，其質(zhì)地非常堅(jiān)硬，干裂收縮之后，裂隙很發(fā)育，成為很好的含水層。第45頁(yè)/共56頁(yè)具備儲(chǔ)存地下水的地質(zhì)構(gòu)造巖層具備了儲(chǔ)水空間，有良好的透水性，還必須具備地質(zhì)構(gòu)造條件，利于地下水的聚集及儲(chǔ)存。要：有隔水（不透水或弱透水）層存在，以免重力水向下、向側(cè)向流失。如分布于向斜構(gòu)造的透水層與隔水層組合，往往構(gòu)成良好的含水層。透水層：透水而不含水的巖層。如南京雨花臺(tái)礫石層；石灰?guī)r地區(qū)的干溶洞，強(qiáng)烈透水但不儲(chǔ)水

第46頁(yè)/共56頁(yè)第47頁(yè)/共56頁(yè)充足的補(bǔ)給來(lái)源巖層具備了良好的儲(chǔ)水空間和構(gòu)造條件，但如果水源不足，仍不能成為含水層。如果一個(gè)巖層中的地下水量有限，不能作為大型供水水源，但對(duì)小型供水，特別是在缺水地區(qū)有一定供水意義時(shí)，仍可劃為含水層。第48頁(yè)/共56頁(yè)2.4.2概念的相對(duì)性隔水層只是相對(duì)含水層而言的，并沒(méi)有截然的界限，自然界中沒(méi)有絕對(duì)的不透水層，只有透水性強(qiáng)弱之分，對(duì)那些透水性小，含水少的巖層就可以劃分為隔水層。（實(shí)際應(yīng)用）含水層的相對(duì)性還表現(xiàn)在它所給出的水是不是有實(shí)際價(jià)值：如果一個(gè)巖層中的地下水量有限，不能作為大型供水水源，但對(duì)小型供水，特別是在缺水地區(qū)有一定供水意義時(shí)，仍可劃為含水層（理論）含水與隔水的相對(duì)性還表現(xiàn)在，在外界條件發(fā)生變化時(shí)，含水層和隔水層可以互相轉(zhuǎn)化。（時(shí)空概念）

現(xiàn)在進(jìn)行水文地質(zhì)計(jì)算、模擬時(shí)，不再簡(jiǎn)單二分了，而是用模糊學(xué)的研究方法，給個(gè)隸屬度1，0之間，可以為0.8,0.7,…0.3,表示“透水性”？第49頁(yè)/共56頁(yè)時(shí)間的相對(duì)性①②③④54321第50頁(yè)/共56頁(yè)2.4.3含水帶、含水段、含水巖組與含水巖系含水帶和含水段在含水極不均勻的巖層中，如果簡(jiǎn)單地把它們劃歸為含水層或隔水層，不合實(shí)際，特別是在裂隙或巖溶發(fā)育的基巖山區(qū)。應(yīng)劃分含水帶或含水段。含水帶：局部的、呈條帶狀分布的含水地段含水段：同一厚度較大的含水層，按其含水程度在剖面上劃分的區(qū)段。如穿越不同時(shí)代、不同成因巖性的飽水?dāng)嗔哑扑閹?，可以劃為一個(gè)含水帶；又如某些含水很弱，厚度較大的巖層，在剖面上某些地段水量富集，劃為含水段。如中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r，總厚度幾百米，從上到下均含水，無(wú)典型隔水層存在，勘探階段劃為一個(gè)統(tǒng)一的含水層。在生產(chǎn)中卻發(fā)現(xiàn)該石灰?guī)r層含水并不均勻，有些地段裂隙、巖溶比較發(fā)育，水量也較大。進(jìn)一步劃分出強(qiáng)含水段、弱含水段及隔水段更符合客觀實(shí)際。第51頁(yè)/共56頁(yè)2.4.3