水文地质学基础第三章地下水的赋存.ppt

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1、LOGOFundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础第三章第三章 地下水的赋存地下水的赋存The Occurrence of G.W主讲教师：张卫民主讲教师：张卫民本章内容本章内容 3.3 地下水分类地下水分类3.2 含水层含水层 隔水层隔水层 弱透水层弱透水层 含水系统含水系统 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层Company Logo3.1 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带包气带与饱水带包气带与饱水带 1、地下水面（水位）、地下水面（水位）地地下下一一定定深深度度上上，岩

2、岩石石中中的的空空隙隙被被重重力力水水所所充充满满，形形成成一一个个自自由由水水面面，即即地地下下水水面面，以以海海拔拔高高度度表表示示称称之之地下水位地下水位（一般通过打井，地下开挖来确定）（一般通过打井，地下开挖来确定）2、包气带与饱水带的概念、包气带与饱水带的概念 地下水面以上称之为地下水面以上称之为包气带包气带，地下水面以下的地带称之为地下水面以下的地带称之为饱水带饱水带。包气带与饱水带Company Logo包包气气带带与与饱饱水水带带地下水位地下水位Company Logo3.1 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带包气带与饱水带包气带与饱水带3、包气带（包气带（zone of a

3、eration or zone of unsaturation）v特点：特点：岩石空隙未被水充满岩石空隙未被水充满 是固、液、气三相介质并存介质是固、液、气三相介质并存介质v水的存在形式（多样）：水的存在形式（多样）：结合水、毛细水（结合水、毛细水（孔角毛细水、孔角毛细水、悬挂毛细水悬挂毛细水、支持毛细水、支持毛细水）、重力水、气态水）、重力水、气态水v包气带水的垂直分带包气带水的垂直分带 土壤水带土壤水带 中间带（过渡带）中间带（过渡带）毛细水带（支持毛细水带毛细水带（支持毛细水带),下部为毛细饱和水带下部为毛细饱和水带 包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要包气带是饱水带中地下水参与

4、水文循环的一个重要通道通道；“重力水重力水”通过包气带获得降水、地表水的入渗通过包气带获得降水、地表水的入渗补给补给（补充），部分水又通过（补充），部分水又通过包气带将水分传输，包气带将水分传输，蒸发蒸发，消耗出去。，消耗出去。毛细饱和水带中水能否进入水井？毛细饱和水带中水能否进入水井？Company Logo 4、饱水带（饱水带（saturation zone）v特点：特点：岩石空隙被水完全充满岩石空隙被水完全充满 是二相介质（固相是二相介质（固相+液相水）液相水）v饱水带中水的存在形式：饱水带中水的存在形式：重力水重力水 结合水结合水 重重力力水水：连连续续分分布布（孔孔隙隙是是连连通通）

5、传传递递压压力力在在水水头差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。头差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。地地下下开开挖挖，坑坑道道，巷巷道道，基基坑坑，打打井井在在此此带带，均均有有重重力水涌出来！力水涌出来！3.1 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带包气带与饱水带包气带与饱水带Company Logo3.2 3.2 含水层含水层含水层含水层 隔水层隔水层隔水层隔水层 弱透水层弱透水层弱透水层弱透水层 含水系统含水系统含水系统含水系统一、基本概念一、基本概念饱水岩层中，根据岩层饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力给水与透水能力而划分为：而划分为：v 1、含水层含水层（Aquifer

6、）能够能够透过透过并并给出给出相当数量相当数量水的岩层水的岩层各类砂土，砂岩等各类砂土，砂岩等v 2、隔水层隔水层（Aquifuge)不不能能透透过过与与给给出出水水或或透透过过与与给给出出的的水水量量微微不不足足道道的的岩岩层层裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）v 3、弱透水层弱透水层（Aquitard）渗渗透透性性很很差差，给给出出的的水水量量微微不不足足道道，但但在在较较大大水水力力梯梯度度作作用用下下，具具有有一一定定的的透透水水能能力力的的岩岩层层各各种种粘粘土土，泥泥质粉砂岩质粉砂岩Company Logo二、概念的相对性二、概念的

7、相对性 定定义义中中的的模模糊糊概概念念“相相当当水水量量，微微不不足足道道，较较大大水水力力梯梯度度”等。在很多情况下是等。在很多情况下是相对的和模糊相对的和模糊的概念，的概念，相对性的意义：相对性的意义：v 从实际应用角度来看从实际应用角度来看划分的相对的性划分的相对的性相当水量相当水量满满足足需需要要就就可可以以了了。如如在在某某处处一一口口井井出出水水量量80m80m3 3/d/d，作作为为1 1万万人人的的供供水水，非非含含水水层层；作作为为饮饮料料厂厂、装装瓶瓶生生产产则则为为含含水水层层。又又如如一一个个小小泉水流量泉水流量0.11/s8.6m0.11/s8.6m3 3/d/d，

8、大厂，大厂非，村用非，村用是。是。v 从理论意义来看从理论意义来看微不足道微不足道微不足道，有时空尺度的制约微不足道，有时空尺度的制约。如如华华北北平平原原早早期期地地下下水水开开采采就就是是典典型型的的例例子子，深深层层水水与与浅浅层层水水的的开开采采有有一一粘粘土土隔隔水水层层；后后期期开开采采深深层层，水水量量大大，水水位位降降低低快快，浅浅层水向深层层水向深层“越流越流”-粘土层成为粘土层成为“透水层透水层”。现现在在进进行行水水文文地地质质计计算算、模模拟拟时时，不不再再简简单单二二分分了了，而而是是用用模模糊糊学学的的研研究究方方法法，给给个个隶隶属属度度1 1，0 0之之间间，可

9、可以以为为 0.8,0.7,0.8,0.7,0.3,0.3,表示表示“透水性透水性”？3.2 3.2 含水层含水层含水层含水层 隔水层隔水层隔水层隔水层 弱透水层弱透水层弱透水层弱透水层 含水系统含水系统含水系统含水系统Company Logo时时间间的的相相对对性性Company Logo3.2 3.2 含水层含水层含水层含水层 隔水层隔水层隔水层隔水层 弱透水层弱透水层弱透水层弱透水层 含水系统含水系统含水系统含水系统三、含水系统三、含水系统Groundwater aquifer systemv 定定义义：指指由由隔隔水水或或相相对对隔隔水水岩岩层层圈圈闭闭的的，具具有有统统一一水水力力联

10、联系系的的含含水水岩岩系系。含含水水系系统统：包包含含多多个个含含水水层层和和弱弱透透水水层，或局部隔水层层，或局部隔水层v含水系统：可以进行子系统划分含水系统：可以进行子系统划分v含含水水系系统统的的定定义义是是从从大大的的空空间间尺尺度度研研究究含含水水层层、隔隔水水层层、弱弱透透水水层层的的组组合合关关系系，是是从从地地质质成成因因角角度度对对岩岩层层的的水水文文地质特征进行划分的分析方法。地质特征进行划分的分析方法。v圈圈闭闭不不是是绝绝对对的的，而而是是相相对对的的？除除极极少少数数构构造造封封闭闭的的含含水水系系统统外外，通通常常含含水水系系统统总总有有某某些些向向环环境境开开放放

11、，以以接接受受补给与进行排泄。补给与进行排泄。含水系统的划分Company Logo含水系统层次划分含水系统层次划分含水系统层次划分含水系统层次划分系统与子系统系统与子系统系统与子系统系统与子系统ABCompany Logo冲洪积平原地下水含水系统冲洪积平原地下水含水系统冲洪积平原地下水含水系统冲洪积平原地下水含水系统丘陵丘陵倾斜平原区倾斜平原区低平原低平原Company Logov 广义地下水广义地下水：地表以下岩石空隙中的水地表以下岩石空隙中的水(包气带、饱水带中的水包气带、饱水带中的水)subsurface-water,under groundwater,groundwaterv 狭义地

12、下水：狭义地下水：地表以下饱水带岩石空隙中的水地表以下饱水带岩石空隙中的水重力水重力水v 地下水分类：地下水分类：主要依据主要依据含水介质的类型（赋存空间）含水介质的类型（赋存空间）埋藏条件（赋存部位）埋藏条件（赋存部位）埋埋藏藏条条件件：指指含含水水层层在在地地质质剖剖面面中中所所处处的的部部位位及及受受隔隔水层（或弱透水层）限制的情况。水层（或弱透水层）限制的情况。按埋藏条件，按埋藏条件，地下水分为地下水分为包气带水、潜水、承压水。包气带水、潜水、承压水。按按含含水水介介质质的的类类型型，地地下下水水分分为为孔孔隙隙水水、裂裂隙隙水水与与岩岩溶水溶水。3.3 3.3 地下水分类地下水分类地

13、下水分类地下水分类Company Logov表表3-13-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9 9类类3.3 3.3 地下水分类地下水分类地下水分类地下水分类孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水包气带水包气带水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水潜水潜水孔隙潜水孔隙潜水裂隙潜水裂隙潜水岩溶潜水岩溶潜水承压水承压水孔隙承压水孔隙承压水裂隙承压水裂隙承压水岩溶承压水岩溶承压水 含水介质类型含水介质类型埋藏条件埋藏条件Company Logo潜水潜水(b)、承压水、承压水(c)、上层滞水、上层滞水(a)abc承承压水水测压水位水位潜水位潜水位Compa

14、ny Logo一、一、潜水与潜水含水层概念潜水与潜水含水层概念v潜水：潜水：地地表表以以下下，饱饱水水带带中中第第一一个个具具有有自自由由表表面面的的稳稳定定含含水水层中的水层中的水 自自由由表表面面即即上上部部没没有有隔隔水水层层限限制制，与与大大气气直直接接相相通通，除大气压强外不受其它力。除大气压强外不受其它力。稳稳定定具具有有一一定定的的空空间间连连续续性性（范范围围）以以示示区区分分上上层层滞水滞水v潜水含水层潜水含水层-赋存潜水的岩层赋存潜水的岩层3.4 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层Company Logo二、基本要素（专业术语）二、基本

15、要素（专业术语）v 潜水面潜水面(water table)潜水的自由水面潜水的自由水面。v 潜水位潜水位(water level)潜水面上任一点的高程，称之为该点的潜水位。潜水面上任一点的高程，称之为该点的潜水位。v 潜水含水层潜水含水层(free aquifer )赋存潜水的岩层。赋存潜水的岩层。v 含水层厚度含水层厚度(aquifer thickness)潜水面至隔水底板的间距。潜水面至隔水底板的间距。v 潜水埋深潜水埋深 潜水面至地面的距离。潜水面至地面的距离。3.4 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水要素图Company Logo2345678

16、D1M潜水与潜水含水层图潜水与潜水含水层图1-1-潜水含水层潜水含水层 2-2-隔水层隔水层 3 3、4 4 潜水面潜水面 潜水位潜水位 M-M-含水层厚度含水层厚度D-D-潜水埋深潜水埋深 5-5-大气降水入渗大气降水入渗 6-6-蒸发蒸发 7-7-流向流向 8-8-泉泉Company Logo三、主要特征三、主要特征v 补给补给(来源来源)：大气降水和河湖地表水入渗补给大气降水和河湖地表水入渗补给v径流：径流：由潜水位高处流向潜水位低处。由潜水位高处流向潜水位低处。v 排泄排泄(汇汇)：泉，（河）泄流，蒸发，泉，（河）泄流，蒸发，流入其它含水层流入其它含水层 补给或排泄通过含水层厚度变化而

17、储水与释水！补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水！v 动态：动态：不稳定，受气象，水文因素影响明显，变化快不稳定，受气象，水文因素影响明显，变化快（水量、水位、水质季节性变化）（水量、水位、水质季节性变化）受人为因素影响也显著，易污染受人为因素影响也显著，易污染v 水循环交替迅速水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快：水循环周期短，更新恢复快v潜水研究基本方法潜水研究基本方法绘制潜水等水位线图绘制潜水等水位线图获取信息获取信息-资料的手段资料的手段调查、调查、勘探勘探，分析，分析 3.4 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层Company Logo四、

18、潜水等水位线图四、潜水等水位线图 v潜潜水水面面的的形形状状：是是一一个个向向排排泄泄区区倾倾斜斜的的曲曲面面，起起伏伏大大体与地形一致，但比地形更缓和。体与地形一致，但比地形更缓和。v潜水等水位线图：潜水等水位线图：潜水位相等的各点连线。潜水位相等的各点连线。v绘绘制制方方法法：利利用用潜潜水水位位数数据据按按一一定定的的等等差差间间距距绘绘制制潜潜水位等值线即可。类似于地形等高线的绘制。水位等值线即可。类似于地形等高线的绘制。注注意意问问题题：要要利利用用同同一一时时期期的的观观测测水水位位资资料料绘绘制制，因因为为潜潜水水位位动动态态变变化化较较大大，不不同同时时期期同同一一点点处处的的

19、水水位位往往是有明显差异的。往往是有明显差异的。v潜水位等值线图的作用潜水位等值线图的作用 确确定定地地下下水水的的流流向向：潜潜水水总总是是沿沿水水力力梯梯度度变变化化最最大大的方向流动，即垂直于等水位线方向流动。的方向流动，即垂直于等水位线方向流动。3.4 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层Company Logo四、潜水等水位线图四、潜水等水位线图 v潜水位等值线图的作用潜水位等值线图的作用 确确定定水水力力梯梯度度：沿沿流流向向上上任任取取两两点点，两两点点之之间间水水位位差差除除以以两两点点在在平平面面上上的的水水平平间间距距，即即为为两两点点间

20、间平平均均水水力梯度力梯度。确定潜水位埋深确定潜水位埋深：结合地形图可以求潜水位埋深结合地形图可以求潜水位埋深 推推断断含含水水层层渗渗透透性性与与厚厚度度的的变变化化：等等水水位位线线变变密密处处，表表征征含含水水层层渗渗透透性性能能的的变变弱弱或或含含水水层层厚厚度度的的变变小小。相相反反，等等水水位位线线变变疏疏处处，表表征征含含水水层层渗渗透透性性能能的的增增强强或或含水层厚度的变大。含水层厚度的变大。判断沼泽、泉的出露判断沼泽、泉的出露 确定潜水与地表水间的关系确定潜水与地表水间的关系3.4 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层Company Lo

21、go某地潜水等水位线图（平面）某地潜水等水位线图（平面）河河河河流流流流Company Logo一、承压水定义一、承压水定义 充充满满于于2 2个个隔隔水水层层（或或弱弱透透水水层层）之之间间的的含含水水层层中中的的水（注意：水（注意：“充满充满”二字，否则叫无压层间水）二字，否则叫无压层间水）二、基本要素二、基本要素 承压含水层；承压含水层；隔水顶板；隔水顶板；隔水底板；隔水底板；承压含水层厚度（承压含水层厚度（H）；）；埋深（埋深（D）测测压压水水位位线线（面面）：测测压压水水位位线线的的连连线线（面面）此此线线是虚拟的（如图有压管）是虚拟的（如图有压管）承压高度；承压高度；补给区；补给区

22、；承压区；承压区；排泄区排泄区 自溢区自溢区测压水位线与地形等高线的交点连接区测压水位线与地形等高线的交点连接区 绘制一张承压含水层的等测压水位线图（加地形等高线）绘制一张承压含水层的等测压水位线图（加地形等高线）3.5 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承压含水层 Confined aquiferConfined aquifer承压水要素Company Logo基岩自流盆地中的承压水基岩自流盆地中的承压水承压含水层承压含水层隔水顶板隔水顶板隔水底板隔水底板承承压压含含水水层层厚度（厚度（M M）埋深（埋深（D D）测测压压水水位位线线（面）：（面）：承压高

23、度承压高度-H-H补给区补给区承压区承压区排泄区排泄区自溢区自溢区DCompany Logo承压水等水压线图承压水等水压线图承压水等水压线图承压水等水压线图 A地形等高线地形等高线含水层顶板等高线含水层顶板等高线等测压水位线等测压水位线A承压水自溢区承压水自溢区AAA Company Logo三、特征三、特征v 承承压压性性：钻钻孔孔揭揭穿穿承承压压含含水水层层隔隔水水顶顶板板时时，承承压压水水会会沿沿钻孔上升到高出含水层顶面某一高度才静止下来。钻孔上升到高出含水层顶面某一高度才静止下来。v补补给给与与排排泄泄：有有限限区区域域与与外外界界联联系系，水水循循环环迟迟缓缓些些，水水交替慢，平均滞

24、留时间长（年龄老或长）交替慢，平均滞留时间长（年龄老或长）恢复性差恢复性差v水水化化学学：变变化化较较大大，矿矿化化度度一一般般要要高高点点，可可以以保保留留“古古老老”的水的水v动动态态：比比较较稳稳定定，如如果果分分布布面面积积大大，厚厚度度稳稳定定则则调调节节能力很强能力很强 受人为因素影响不显著，不易污染受人为因素影响不显著，不易污染v 问问题题？承承压压含含水水层层的的变变化化：在在储储水水与与释释水水时时，含含水水层层厚厚度是不变的，承压含水层的储水与释水是如何进行的？！度是不变的，承压含水层的储水与释水是如何进行的？！3.5 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承

25、压含水层承压水与承压含水层Company Logo四、承压含水层的储水与释水四、承压含水层的储水与释水v承压含水层的贮水系数承压含水层的贮水系数S（弹性给水度（弹性给水度 e）承承压压含含水水层层中中当当测测压压水水位位下下降降(或或上上升升)1个个单单位位，单单位位水水平平面积含水层柱体所释放面积含水层柱体所释放(或储存或储存)水的体积水的体积v 测压水位降低导致测压水位降低导致1)含含水水层层孔孔隙隙中中水水的的压压力力降降低低水水体体积积膨膨胀胀释释水水，水水的的膨膨胀胀系系数约为数约为 1/200002)孔隙水压力降低，岩层颗粒间承受压力增加孔隙水压力降低，岩层颗粒间承受压力增加骨架被

26、压缩骨架被压缩颗粒不变颗粒不变骨架压缩骨架压缩=空隙体积减小（排列改变）空隙体积减小（排列改变）发生释水（挤出来）水发生释水（挤出来）水v 这两部水很有限，所以这两部水很有限，所以 e e 很小很小 ；与重力给水度与重力给水度 d相比要相比要 小小10-1 10-3，13个数量级个数量级3.5 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承压含水层Company Logo承压含水层的弹性给水度与潜水含水层的重力给水度比较承压含水层的弹性给水度与潜水含水层的重力给水度比较3.5 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承压含水层隔水层隔水层

27、隔水层隔水层含水层含水层含水层含水层隔水层隔水层单位水平面积单位水平面积单位水平面积单位水平面积地下水位地下水位地下水位的单位地下水位的单位下降下降测压水位的单位测压水位的单位下降下降测压水位测压水位两者两者释水方式有何差异？水方式有何差异？Company Logo承压含水层的弹性给水度承压含水层的弹性给水度v从理论上来看：从理论上来看：弹性给水度是可以恢复的弹性给水度是可以恢复的实际上弹性恢复是有限的恢复实际上弹性恢复是有限的恢复越过含水层弹性范围（限定），将产生一次性的越过含水层弹性范围（限定），将产生一次性的变形变形即永久性不可恢复的变形即永久性不可恢复的变形最终导致含水层的弹性给水与释

28、水能力降低最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低Company Logo3.5 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承压含水层五、潜水与承压水的相互转化五、潜水与承压水的相互转化v在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的v有有时时很很难难将将某某些些含含水水层层中中的的水水划划定定为为潜潜水水或或承承压压水水，例例子子：开采前开采前潜水含水层；潜水含水层；开采后开采后承压含水层承压含水层v潜水转化为承压水的情况潜水转化为承压水的情况 除封闭构造条件外，其它所有承压水均是由潜水转除封闭构造条件外，其它所有承

29、压水均是由潜水转化而来：或是潜水的侧向流入；或是通过弱透水层接受化而来：或是潜水的侧向流入；或是通过弱透水层接受潜水的补给；或是通过潜水的补给；或是通过“天窗天窗”接受潜水的补给。接受潜水的补给。v承压水转化为潜水的情况承压水转化为潜水的情况 或是承压水的侧向流出转化为潜水；或是承压水的侧向流出转化为潜水；或是承压水通过弱透水层排泄转化为潜水；或是承压水通过弱透水层排泄转化为潜水；或是承压水通过或是承压水通过“天窗天窗”排泄转化为潜水。排泄转化为潜水。开采潜水与承压水的转化Company Logo例：潜水与承压水的转化例：潜水与承压水的转化Company Logo例：承压水与潜水的转化例：承压

30、水与潜水的转化Company Logo3.5 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承压含水层承压水与承压含水层介绍内容介绍内容上层滞水（上层滞水（perched water）要求自学要求自学P35这是包气带中唯一有实际利用价值的重力水这是包气带中唯一有实际利用价值的重力水v定定义义：当当包包气气带带存存在在局局部部隔隔水水层层(弱弱透透水水层层)时时，局局部部隔隔水水层层(弱弱透透水水层层)上上会会积积聚聚具具有有自自由由 面面的的重重力力水水，这这便便是是上层滞水。上层滞水。v前前第第一一、二二、三三章章，是是水水文文地地质质学学中中常常用用的的基基本本概概念念和和术语，要求掌握术语，要求掌握v后几章将着重介绍一些基本理论与方法后几章将着重介绍一些基本理论与方法v有有关关地地下下水水运运动动的的内内容容，请请参参考考学学习习水水力力学学中中有有关关水头、水力梯度的概念。水头、水力梯度的概念。第三章结束第三章结束上层滞水Company Logo本章内容本章内容 3.3 地下水分类地下水分类3.2 含水层含水层 隔水层隔水层 弱透水层弱透水层 含水系统含水系统 3.1 包气带与饱水带包气带与饱水带 3.4 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层 3.5 承压水与承压含水层承压水与承压含水层Company Logo