第五章 地下水的作用

潜
水
承 压 水
根据埋藏条件分类
1.包气带水：包括气态水、结合水、毛细管水、过
路重力水、上层滞水(局部隔水层中蓄的水)
2.潜水：地面下第一个稳定隔水层上的饱和水 潜水层厚度=潜水面至下伏隔水层顶板的距离 潜水埋藏深度=潜水面至地表的距离 潜水面的特征：波状起伏、随季节而变化。
3.承压水：充满于二个隔水层中间的含水层中的地
2）颜色：地下水的颜色取决于其化学成分及悬浮物
硬水
浅兰
氧化亚铁 氢氧化铁
浅灰兰 锈黄
硫化氢
浅兰绿
硫细菌 锰化合物 腐殖质
红 暗红 暗黄 灰兰
• 3）透明度：取决于地下水所含物质（矿物质、
有机质、胶体物）类型及多少 透明的：无悬浮物及胶体，60cm水深可见3mm粗线 微浊的：有少量悬浮物，大于30cm水深可见3mm粗 线
蒸 发
受人类 影响显 著
降 水
一. 地下水的定义及其形成条件
• 1. 定义
是指储存在地表面以下岩土体空隙 （土中的孔隙、岩体中的孔隙和裂隙） 中的各种水。
• 地下水的富集必须具备三个条件
有较多的储水空间 有充足的补给水源 有良好的汇水条件
地下水的有关概念：
1）.岩土体空隙：孔隙(松散沉积物或沉积 岩颗粒之间的空间)；裂隙(岩体中的破裂)； 洞穴(Cave 可溶性岩石溶蚀后形成的空洞)
潜水
•潜水面的特征
⑴ 潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。 ⑵ 潜水面的起伏经常与地形一致，只是 比地形起伏平缓一些；潜水面与地表面的形 态具有相似性。 ⑶当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓； ⑷当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。
地球上水的组成 99.389% 海水 0.61% 咸水 0.001% 淡水
97.23% 0.008% 2.762%
海水 湖水 河水 冰川水 地下水 土壤水
97.23% 0.017% 0.0001% 2.14% 0.61% 0.005%
地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在于空中、 地表与地下，成为海洋水、河流水、湖泊水、沼泽水、土 壤水、地下水、冰川水、大气水以及存在于动、植物有机 体内的生物水。这些水体，通过水循环组成了一个统一的 相互联系的包围地球的水圈。在这其中，海水构成水圈的 绝大部分，海水量约占地球总水量的96%～97%；其次为 分布在极地及陆地上的冰川固态水，约为3x1016 m3；而陆 地上的河、湖、土壤水、地下水等约为4x1012 m3，水体分 布很广，但其所占比重却很小。
下水。承受着一定的静水压力，形成环境主要为向
斜盆地。
地下水的补给与排泄 1.含水层失去水量称排泄，含水层从外界获得水称补 给。 ●流动的地下水称地下径流。它从补给区向排泄区流 动。 2.补给来源：大气降水、地表水。 3.地下水的露头：地下水的人工露头为井 天然露头为泉 （上升急喷的泉即喷泉，重力向下 者为下降泉）。 台湾和云南有“蝴蝶泉”;南京有“珍珠泉”、 “江南
η=Vn/V×100%
式中： η，孔隙度(孔隙的数量)；Vn， 孔隙体积；V，沉积物或岩石总体积 影响孔隙度的4因素：颗粒粗则η低、颗粒 形态不规则则η低、分选性差则η低、胶结好 则η低。
岩石的空隙
地表10km以上范围，有空隙 浅部1～2km范围，空隙普遍
岩石空隙是地下水储存场所，也是渗透通道 空隙的多少、大 小及其分布规律
3）地下水的总矿化度
总矿化度——指地下水中所含的各种离子、分 子及化合物的总量。
地下水按矿化度分类： 地下水类型 总矿化度 （g/L） 淡水 ＜1 微咸水 1～3 咸水 3～10 盐水 卤水
10～50 ＞50
含有对人体有益矿物质的水称为矿泉水
4）地下水的氢离子浓度
按pH值分类
强 酸 性弱 酸 性 弱 碱 性强 碱 性 地下水类型 中性水 水 水 水 水
三. 地下水主要的类型
地下水分类表
含水介质类型 埋藏条件
孔 隙 水 局部粘性土隔 水层上季节性 存在的重力水 （上层滞水） 各类松散堆积物 浅部的水 山间盆地及平 原松散堆积物深 部的水，向斜构 造的碎屑岩孔隙 中的水
裂 隙 水
岩 溶 水
包气带水
裸露的岩溶化 裂隙岩层浅部季 岩层上部岩溶通 节性存在的重力水 道中季节性存在 及毛细水 的重力水 裸露于地表的 裸露于地表的各 岩溶化岩层中的 类裂隙岩层中的水 水 组成构造盆地、 组成构造盆地、 向斜构造或单斜 向斜构造或单斜断 断块的被掩覆的 块的被掩覆的各类 岩溶化岩层中的 裂隙岩层中的水 水
pH值
＜5
5～7
7
7～ 9
＞9
5）地下水的硬度： 地下水中Ca++和Mg++的含量称为总硬度；将水 煮沸后损失的硬度称为暂时硬度，总硬度与暂时 硬度之差为永久硬度。
• 地下水按存在形式分类： ①气态水 ②液态水 ③固态水 • 地下水按埋藏条件分类： ①上层滞水 ②潜水 ③承压水 • 地下水按含水层性质分类： ①孔隙水 ②裂隙水 ③溶隙水
第五章 地下水的地质作用
一. 地下水的概念及其形成 二. 地下水的物理性质与化学成分
三. 地下水的主要类型及其主要特征
学习地下水地质作用的工程意义
地下水既是重要的资源，同时也是影响工程活动 的重要因素： 地下水与土石相互作用会使土体和岩体的强度和 稳定性降低，产生各种不良的自然地质现象和工程 地质现象，给工程的建筑和正常使用造成危害。 如：
1)、地下水的补给——含水层自外界获得含水量的过程
主要的补给来源有：
（1）大气降水补给：最主要来源，补给数量与降水性质、 植物覆盖、地形、地质构造、包气带厚度及岩石透水性有关。 暴雨、连绵细雨不同。 （2）地表水补给——河流、湖泊、水库与海洋等 （3）含水层之间的补给： 透水“天窗”或断层、弱透水层 （4）人工补给
wk.baidu.com）地下水的主要化学成分
离 子
阳离子:H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、 Fe2+、Fe3+、Mn2+等 阴离子:OH-、Cl-、HCO3-、NO2-、SO42-、 CO32-、SiO32-、PO43-等 N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性气体等
气 体
化合物 Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等
滑坡、岩溶、潜蚀、土体盐渍化和路基盐胀、多年 冻土和季节冻土中冰的富集、地基沉陷、道路冻胀 和翻浆等都与地下水的存在和活动有关，地下水还
常常给隧道等地下工程的施工和运营带来困难，甚 至带来灾害。 可造成： 软化性---动水压力 ---静水压力---浮 托力---腐蚀性及侵蚀性---淹埋性---胀缩性
• 1）温度：地下水的温度与其埋藏深度、补给 条件及地质条件等有关。
3~5m以内地下水之温度随昼夜气温变化 一般 50m以内地下水之温度随年度季节气温变化 50m以下地下水之温度随深度变化
地下水按其温度可分为
过冷水 ≤0°C 极冷水 0~4°C 冷水 温水 热水 极热水 过热水 4~20°C 20~37° 37~42° 42~100° ≥100° C C C C
水的循环——大气水、地表水和地下水之 间不间断的运动和相互转化的过程。
水循环按其循环范围分为：
大循环——指整个地球范围内，在海洋和 陆地之间的循环。 小循环——指地球局部范围内的循环。
水的运动:水循环
水 循 环 的 类 型 及 主 要 环 节
凝结
植 物 蒸 腾
水量平 衡原理
凝结 蒸 发
凝结
水汽输送
3)、地下水的径流 ——地下水由补给区流向排泄 区的过程
地下水的循环：补给区→径流区→ 排泄区
径流包括(1).径流方向、
(2).径流速度、
(3).径流量、 地下水的成分、性质及其地质作用等都与径流有 关。
1）.上层滞水---存在于饱气带内局部隔水层上 的重力水。其主要特征如下：
(1)水量不大，但季节性变化强烈。 (2)补给区和分布区是一致的。 (3)一般矿化度低，但水质最易受污染。 (4) 所含的上层滞水水量不大，但其常常是引起土 质边坡滑坍，地基、路基沉陷、冻胀等病害的 重要因素。
2.地下水的存在方式
本章要研究的地下水存在状态主要指：
气态水 吸着水（强结合水）
薄膜水（弱结合水）
岩土体中的地下水 毛细水 重力水（自由水） 固态水
二. 地下水的物理性质和化学成分
主要介绍： 物理性质 ： 包括温度、颜色、透明度、嗅
（气味）、味（味道）和导电性等 。
主要化学成分：
• • • 地下水中常见的成分
2).潜 水
• 定义：地表下面第一个连续隔水层之上具有自由 表面的含水层中的水称为潜水。 • 埋藏条件：在距地表较深的饱水带内的第一个连 续隔水层上的含水层。 • 补给径流排泄：以大气降水和地表水的下渗补给， 由水位高处向水位低处流动，排泄有以蒸发为主 的垂直排泄，水平方向上流到其它含水层及地表 低处的水平排泄。 • 特征：范围较大，水量较多。分布区与补给区一 致。具有连续的自由水面－潜水面（形状与地形 相似，但比地形平缓）受气候、水文因素的影响 较大，动态变化较不稳定。 • 工程特征：对工程的危害视潜水的埋藏深度及所 处岩石的土体性质决定（液化）。
地下水与人类的关系
地下水是河流补给来源之一；积极参与水 循环；宝贵的自然资源-水源； 在某些地区，深层地下水含有较高的矿物 质成分，如食盐、芒硝、钾盐、碘等，可 以提炼作为化学工业的原料；
有些矿泉水具有医疗上的作用；
地下水与人类的关系
地下热水-发电； 地下水影响农作物生长，如地下水水位过 高易产生盐渍化，不利于农作物生长； 地下水产生不良地质地貌现象，如山崩、 滑塌、陷穴、溶洞等，若过量的开采和不 合理利用地下水，则会造成地面沉降，地 下水源遭受污染等。
岩（石）层按水理性质不同分：含水层与隔水层 含水层—能够给出并透过相当数量重力水的岩层。 条件：1、空隙存在并充满足够的水 2、重力水能在空隙中自由运动 隔水层—不能给出并透过水的岩层。 水量小；渗透性差，如粘土
液态水 固态水 气态水
97.859% 2.14% 0.001%
地表水 地下水 大气水
混浊的：有较多悬浮物，小于20cm水深可见3mm粗 线 极浊的：有大量悬浮物或胶体，似乳状，水深很 小，即是在5cm内也看不清3mm粗线。
• 4）气味：取决于水中所含某些气体或有机质及温 度高低： H2S—臭鸡蛋味 腐殖质—霉味 • 5）味道：取决于其化学成分
NaCl Na2SO4 MgCl2 MgSO4 大量有机质 H2S与碳酸 CO2与适量 气同时存在 Ca(HCO3)2
决定
地下水分布与 渗透特点
按成因空隙分：孔隙、裂隙、溶隙
2）.岩土体的透水性:岩土体的透水能力取决于其空 隙大小（能否自由透水）、多少与贯通程度（透水 多少） ●透水层：在常压下水能自由通过的地层。 ●隔水层：(不透水层)水不能自由通过的地层 ●含水层：饱含地下水的隔水层。 3）.地下水面:某地区内地下彼此连通连续的水面, 为饱水带顶面。 ●地下水位：地下水的出露高度(不同地方地下水位 高度并不同，与地表起伏无关) ●包气带：地下水面以上部分岩土层空隙中的气体 与大气相通，含不饱和液态水。 ●饱水带：地下水面以下的部分,岩土空隙中充满了 水。
涩 苦 甜 酸 良好适口 6）比重：取决于各种成分含量，多在 1.0~1.3 • 7）导电性：取决于地下水所含电解质（离子）的 数量和性质（电价—离子价），数量越多，离子价 越高，导电性强。 • 8）放射性：取决于地下水中的气态镭射气（氢） 及少量放射性盐类
咸
2.地下水的化学成分
1）.自然界中绝大多数元素在地下水中均被 发现，这既取决于各元素在地壳中的含量，也 取决于各元素的溶解度。其中O、 K、 Na、 Ca 、Mg 、Cl等以离子状态大量存在于水中。 ● O、 K、 Na 、Ca、 Mg克拉克值大,溶解度 也大，水中含量就高。 ● Cl克拉克值小,但溶解度大,故水中含量高 ● Si，Fe克拉克值大,但溶解度小,故水中含 量就小。
一般在山区地下水补给地表水，而在平原区地表水 补给地下水；丰水期地表水补给地下水；枯水期地下 水补给地表水。
2)、地下水的排泄——含水层失去水量的过程
主要的排泄方式有： （1）蒸发：土壤蒸发、植物蒸发 （2）泉水：山区与平原，上升泉与下降泉 （3） 向地表水排泄 （4）含水层之间的排泄 （5）人工排泄
地壳中分布广、含量高的元素，如O、Ca、Mg、Na、K 等在地下水中最常见。
氢离子浓度
指水的酸碱度，以PH值表示。
总矿化度
水中离子、分子和各种化合物的总称称为总矿化度。表示 水的矿化程度。通常以105-110℃温度下将水蒸干后所得 的干涸残余物的含量来确定。
•
水的硬度
水中、的总含量称为总硬度。
1.地下水的物理性质