經(jīng)典：水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ).ppt

1、第一章 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ),推薦人： 期濤水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ),1.1 地下水賦存條件 1.2 連續(xù)性假設(shè) 1.3 達(dá)西定律 1.4 水均衡原理,1.1 地下水的賦存,(1)巖石中的空隙與水 (2)包氣帶與飽水帶 (3)含水層、隔水層、弱透水層 (4)地下水分類 (5)潛水 (6)承壓水 (7)上層滯水,（1）巖石中的空隙與水,巖石中的空隙 巖石空隙中水的存在形式 與水的儲容運(yùn)移有關(guān)的巖石水理性質(zhì),巖石中的空隙,巖石包括堅(jiān)硬巖石及松散土。 空隙巖、土中各種類型空洞的總稱。 空隙是地下水的賦存場所和運(yùn)移通道。,孔隙（pore）: 松散巖石顆粒間的空隙 空隙分為 裂隙（fissu

2、re）: 堅(jiān)硬巖石破裂產(chǎn)生的空隙 溶穴（cave）: 可溶性巖石被溶蝕后產(chǎn)生的空隙,巖石中的空隙,有結(jié)構(gòu)空隙的粘土,經(jīng)過壓縮的粘土,裂隙發(fā)育的巖石,有溶隙和溶穴的可溶巖,巖石中的空隙,松散巖石是由大小不等的顆粒組成的。顆粒或顆粒集合體之間的空隙，稱為孔隙。 土體孔隙的描述內(nèi)容包括： 孔隙的大小、多少、形狀、連通程度與分布規(guī)律 松散土體宏觀上可以分為2大類：砂性土與粘性土,巖石中的空隙,一、孔隙,孔隙大小及其影響因素,巖石顆粒愈粗，孔隙愈大；顆粒愈細(xì)，孔隙愈小!,思考：孔隙大小與哪些因素有關(guān)？,(1)孔隙大小與顆粒大小的關(guān)系：,孔隙大小與分選程度的關(guān)系：,分選愈差，細(xì)粒占的比例愈大，孔隙愈??！

3、膠結(jié)程度越好，充填物越多，孔隙愈??！,a試樣的孔隙為細(xì)顆粒形成的小孔隙。,？ 思考：下列2種試樣哪種孔隙大？,a砂礫混合樣,b礫石,孔隙大小特征的描述： 孔喉(d)與孔腹 (d) 孔喉對水流影響更大，孔隙大小可用孔喉直徑進(jìn)行比較。 立方體排列： d=0.414D 四面體排列： d=0.155D 顆粒排列愈緊密，孔隙越??！,顆粒排列方式對孔隙大小的影響,（2）包氣帶與飽水帶,地下水面：地下一定深度巖石中的空隙被重力水所充滿，形成的一個(gè)自由水面。 地下水面之上稱為包氣帶，之下稱為飽水帶。 包氣帶是飽水帶中地下水參與水文循環(huán)的一個(gè)重要通道，飽水帶地下水通過包氣帶獲得降水、地表水的入滲補(bǔ)給（補(bǔ)充），部

4、分水又通過包氣帶將水分傳輸，蒸發(fā)，消耗出去。,包氣帶與飽水帶的劃分,包氣帶,特點(diǎn)： （1）巖石空隙未被水充滿； （2）固、液、氣三相介質(zhì)并存； （3）水的存在形式多樣：結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水、氣態(tài)水。 包氣帶水的垂直分帶： （1）土壤水帶 （2）中間帶（過渡帶） （3）毛細(xì)水帶（支持毛細(xì)水帶、飽和毛細(xì)水帶）,飽水帶,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 重力水：連續(xù)分布（孔隙是連邊）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(yùn)動。 地下開挖，坑道，巷道，基坑，打井在此帶均有重力水涌出來！ 結(jié)合水,重力水與結(jié)合水,(3)含水層,隔水層與弱透水

5、層：基本概念,飽水巖層中，根據(jù)巖層給水與透水能力而進(jìn)行的劃分： （1）含水層（Aquifer）：是能夠透過并給出相當(dāng)數(shù)量水的巖層，例如，各類砂土，砂巖等； （2）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，例如，裂隙不發(fā)育的基巖、頁巖、板巖、粘土（致密）； （3）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，例如，各種粘土，泥質(zhì)粉砂巖。,定義中的“相當(dāng)水量，微不足道，較大水力梯度”是模糊的；含水層與隔水層的劃分是相對的。從實(shí)際應(yīng)用來看，區(qū)分含水層與隔水層應(yīng)考慮巖層給出的水量是否具有實(shí)際意義。從理

6、論意義來看，巖層是否透水還取決于時(shí)間尺度。,含水層,隔水層與弱透水層：概念相對性,如華北平原早期地下水開采，深層水與淺層水之間水位差別不大，深層水與淺層水之間的粘土可作為隔水層；隨著深層水的不斷開采，水位大幅度降低，淺層水向深層“越流”，粘土層成為“透水層”。,含水層,隔水層與弱透水層：時(shí)間相對性,隔水層與弱透水層（諾曼與威瑟斯龐）,自然界中不存在絕對的隔水層，巖層是否透水取決于時(shí)間尺度。,含水層,隔水層與弱透水層: 應(yīng)用的相對性,巖性相同的地層根據(jù)不同研究目的可劃分為含水層或隔水層。 修水庫時(shí)，要考慮建庫后水庫是否滲漏？ 供水時(shí)，考慮水量是否足夠，是否為含水層？ 某組地層是含水層還是隔水層？

7、其界定要靈活運(yùn)用！ 現(xiàn)代水文地質(zhì)模擬計(jì)算，不再簡單地劃分為含水層、隔水層，而是把不同巖層附于不同滲透參數(shù)。,（4）地下水分類,廣義地下水（subsurface water）：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（groundwater）：地表以下飽水帶巖石空隙中的水（重力水）,地下水分類：依據(jù)含水介質(zhì)類型、埋藏條件劃分含水介質(zhì)三類，埋藏條件分三類，組合共分為9類。,（5）潛水:概念,潛水：地表以下第一個(gè)具有自由表面的穩(wěn)定含水層中的水 自由表面：即設(shè)有隔水層限制，與大氣直接相通，除大氣壓強(qiáng)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 潛水含水層：賦存潛水

8、的巖層。 屋建筑時(shí)的基坑排水，大堤堤角處的散浸滲漏（潛水）,（5）潛水:基本要素,潛水面 潛水位 潛水含水層 含水層厚度 潛水埋深,1 潛水含水層 2 隔水層 3、4 潛水面 潛水位 M 含水層厚度 D 潛水埋深 5 大氣降水入滲 6 蒸發(fā) 7 流向 8 泉,2,3,4,5,7,8,D,1,M,6,4,（5）潛水:主要特征,補(bǔ)給：降水入滲，河湖入滲 排泄：泉，（河）泄流，蒸發(fā)補(bǔ)給或排泄通過含水層厚度變 化而儲水與釋水！ 動態(tài)：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 水循環(huán)交替迅速：水循環(huán)周期短，更新恢復(fù)快,潛水等水位線圖,？一張潛水等水位線圖可

9、以提供哪些信息,（6）承壓水:概念,1）定義： 充滿于2個(gè)隔水層（弱透水層）之間的含水層中的水。 2）基本要素：,承壓含水層 隔水頂板 隔水底板 承壓含水層厚 測壓水位線 承壓高度-H 補(bǔ)給區(qū) 承壓區(qū) 排泄區(qū) 自溢區(qū),基巖自流盆地中的承壓水,（6）承壓水:主要特征,補(bǔ)給與排泄：有限區(qū)域與外界聯(lián)系，水循環(huán)交替慢，平均滯留時(shí)間長（年齡老）可恢復(fù)性差。 水化學(xué)：變化較大，可以是淡水，也可能是鹵水。不易污染，一旦污染，很難凈化！ 動態(tài)：較穩(wěn)定，如果分布面積大，厚度穩(wěn)定，則調(diào)節(jié)能力很強(qiáng)。,（6）承壓水:含水層的儲水與釋水,彈性給水度e：承壓含水層中當(dāng)測壓水位下降1個(gè)單位，單位水平面積含水層柱體所釋放的水

10、量。測區(qū)水位降低導(dǎo)致： （1）含水層孔隙中水的壓力降低水體積膨脹釋水 （2）孔隙水壓力降低，含水層顆粒間有效應(yīng)力增加骨架被壓縮（顆粒不變骨架壓縮=空隙體積減小)發(fā)生釋水。 這兩部水是很有限的，所以e很?。ㄝ^d小10-210-3）,承壓含水層貯水系數(shù)與潛水含水層給水度的比較,（6）含水層的儲水與釋水,（6）承壓水:承壓水與潛水轉(zhuǎn)化關(guān)系,潛 水 與 承 壓 水 的 相 互 轉(zhuǎn) 化,定義：包氣帶局部隔水層(弱透水層) 上積聚的具有自由水面的重力水。與潛水的區(qū)別：潛水含水層穩(wěn)定，具有一定的空間連續(xù)性。,特點(diǎn)：水量小、動態(tài)變化顯著、極易污染。只能作為缺水地區(qū)小型供水水源或暫時(shí)性供水水源。作為飲用水源時(shí)要

11、格外注意衛(wèi)生防護(hù)。 包氣帶中上層滯水，對其下部潛水的補(bǔ)給與蒸發(fā)排泄，起到一定的滯后調(diào)節(jié)作用。,（7）上層滯水,水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ),1.1 地下水賦存條件 1.2 連續(xù)性假設(shè) 1.3 達(dá)西定律 1.4 水均衡原理,1.2 連續(xù)性假設(shè),假設(shè)：（1）不考慮滲流途徑的迂回曲折，只考慮水流的主要流向，（2）不考慮巖層的顆粒骨架，假象滲流的全部空間被水流所充滿。,1.3 達(dá)西定律,基本概念 達(dá)西試驗(yàn) 達(dá)西定律 參數(shù)討論 適用范圍,基本概念,滲流地下水在巖石空隙中的運(yùn)動稱為滲流。 滲流場發(fā)生滲流的區(qū)域(地下水運(yùn)動的空間) 。 在巖層空隙中滲流時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)做有序的，互不混雜的運(yùn)動，稱作層流運(yùn)動。反之，水質(zhì)點(diǎn)無序的，

12、相互混雜的運(yùn)動，稱作紊流運(yùn)動。 穩(wěn)定流水只在滲流場內(nèi)運(yùn)動且各個(gè)運(yùn)動要素（水位，流速，流向等）不隨時(shí)間改變。 非穩(wěn)定流運(yùn)動要素隨時(shí)間變化。,達(dá)西定律,達(dá)西試驗(yàn),1856年，法國水力學(xué)家達(dá)西 H.Darcy 通過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得 到線性滲流定律. 實(shí)驗(yàn)條件： 1）等徑圓筒裝入均勻砂樣，斷面為 ； 2）上（下各）置一個(gè)穩(wěn)定的溢水裝置穩(wěn)定水流 ； 3）實(shí)驗(yàn)時(shí)上端進(jìn)水，下端出水測出水量Q示意流線 ； 4）砂筒中安裝了2個(gè)測壓管。,試驗(yàn)裝置圖,達(dá)西定律,通過變水頭，多次實(shí)驗(yàn)得出：出水端的流量Q與砂柱面積、測壓管水頭差 h 之間的關(guān)系為：,Q 滲透流量； 砂柱斷面面積； h 水頭損失；L 滲流途徑； K與試

13、樣有關(guān)的比例常數(shù)。,水頭表達(dá)式,總水頭 測壓水頭,速度項(xiàng)很小,達(dá)西定律:滲透流速v,由于流速與流量的關(guān)系為：Q = v 與（2）式比較得: v = Kh/L=KI - （*） 式中 v稱為滲透流速。(*)式也稱為單位面積上的流量，即比流量。 達(dá)西定律的三個(gè)表達(dá)式中看出：滲透流速與水力梯度是一次方正比關(guān)系 ，故達(dá)西定律又稱為線性滲透定律。,達(dá)西定律,參數(shù)討論,1）滲透流速（v）和過水?dāng)嗝妫ǎ?Q = KI = V 過水?dāng)嗝媾c水流過斷面是否一致？,過水?dāng)嗝?是假想的斷面 實(shí)際孔隙斷面 應(yīng)為n（孔隙度） 實(shí)際水流斷面 為ne (有效孔隙度),否！,達(dá)西定律,參數(shù)討論,滲透流速v=Q/ ; 實(shí)際流速u

14、=Q/ 地下水滲透流速與平均實(shí)際流速的關(guān)系： v u ne 滲透流速v：是假設(shè)水流通過整個(gè)巖層斷面（骨架+空隙）時(shí)所具有的虛擬的平均流速。 意義：研究水量時(shí)，只考慮水流通過的總量與平均流速，而不去追蹤實(shí)際水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)移軌跡簡化的研究,達(dá)西定律,參數(shù)討論:滲透系數(shù)K,有些教科書中也稱為水力傳導(dǎo)率（hydraulic conductivity） 定義：水力梯度為I1 時(shí)的滲透流速 （VKI） 滲透系數(shù)具有速度量綱L2T-1 由公式 VKI 分析： 當(dāng) I 一定時(shí)，巖層的 K 愈大，則 V 也愈大， Q 也大。 因此，滲透系數(shù) K 是表征巖石透水性的定量指標(biāo)。,達(dá)西定律,參數(shù)討論,滲透系數(shù) K 影響因素： 以松散巖石,等徑孔隙為例來分析，依據(jù)平行板水流 理論可以推出： 水的重率；動力粘滯系數(shù) 從公式即得出： K 與巖石性質(zhì)有關(guān)K （d02，ne） 與流體物理性質(zhì)有關(guān)K （/）,達(dá)西定律,達(dá)西定律,達(dá)西定律的適用范圍,雷諾數(shù)數(shù)介于 110 之間的層流運(yùn)動,達(dá)西定律,地下水水均衡原理 地下水的水量和鹽分在收支方面的數(shù)量關(guān)系，稱為地下水均衡。其中水量均衡為水均衡，鹽分均衡的話稱為鹽均衡。