第七章 地下水

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概念:埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的 重力水。 特征:
A)潜水直接接受大气降水和比它水位高的地表水的渗入补给; B)潜水面不承受静水压力; C)潜水的埋深因地而异,与水位、水量变化有关; D)在重力作用下,由高向底流动,称潜水流。
潜水面的形状
• 潜水面虽然是一个自由水面,但由于受到埋藏地区的地形、 岩性和水文等条件的制约和影响,可以呈现倾斜、抛物线 和水平等多种形状。
原因:
渗透破坏-水力劈裂
概况:
土坝,高90m,长1000m,建于 1972-75年,1976年6月失事
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Teton 坝(美国)
1976年6月5日上午 10:30左右,下游坝面 有水渗出并带出泥土。
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Teton 坝(美国)
11:00左右 洞口不断扩大并向坝 顶靠近,泥水流量增 加
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承压水( pressure water )
概念:埋藏并充满在2个隔水层(或弱透水层)之间的含水
层中的地下水,是一种有压重力水。
表征参数:
– 承压含水层的厚度
– 初见水位 – 承压水位 – 承压水头(H)
主要特征:
(1)承受静水压; (2)补给区与分布区不一致 ;
(3)动态变化不显著 ;
(4)其运动方式是在静水压力的作用下,以水交替的形式进行运动。
大气降水和地表水通过潜水补给承压水
排泄 方式
露出地表成泉或直接补给地表水或蒸 发
补给潜水或补给地表水或露出地表成泉
主要 特点
1.具有自由水面 2.受制于地形的坡度,在重力作用下 顺着倾斜方向从高处流向低处 3.分布区与补给区基本一致 4.埋藏较浅,流量不稳定 5.受气候因素影响大,易受污染
1.受隔水层顶的限制,承受静水压力 2.水的运动取决于静水压力 3.分布区、补给区、排泄区基本不在同 一地区 4.埋藏较深,直接受气候影响较小,流 量稳定 5.不易受污染,水质比较好
承压水等水位线图可确定下列 重要指标: 承压水位埋深 承压水头大小 含水层埋深(初见水位)
地下水流向
如图中A点:
地形标高103m,承压水位91m,含 水层顶板标高83m。
则承压水位埋深为:103-91=12m 承压水头为: 91-83=8 m 含水层埋深为:103-83=20m
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潜水与承压水的转化
不同含水层空隙中的地下水
孔隙水:是指埋藏于松散岩层孔隙中的水,即可形
成承压水,也可以形成无压水。
• 特点:
– 孔隙水分布及水量相对比较均匀,连续性好,具有统一
的地下水面; – 孔隙水多呈层状分布; – 孔隙水的运动大多属于层流运动。
不同含水层空隙中的地下水
裂隙水:赋存于坚硬岩石裂隙中的地下水。主要
– 坚硬岩石中的裂隙(分布不均)
– 可溶性岩石中的溶隙(连通性差)
分选良好排列 疏松的砂
分选良好排列 紧密的砂
分选不良含泥、 砂的砾石
部分胶结的砂岩
具有裂隙的岩石
具有溶隙的 可溶岩
水在岩土中的存在形式
强结合水 结合水 弱结合水 毛细水 液态水 重力水 非结合水 固态水 气态水
受地质构造的控制,裂隙的类型、性质和发育程
度等直接影响裂隙水的埋藏、分布和运动规律。
• 特点:
– 裂隙水分布不均及水力联系各向异性
– 裂隙水的分布形式可呈层状、脉状或带状分布
– 孔隙水的运动大多呈层流状态,也可呈紊流状态
不同含水层空隙中的wenku.baidu.com下水
岩溶水:赋存和运移于岩溶空隙中的地下水。不
仅是一种具有特殊性质的地下水,而且也是一种
承压水的形成
• 承压水的形成主要取决于地质构造条件,最适宜于承压水
形成的地质构造是向斜构造和单斜构造。
断裂构造形成承压斜地
岩性变化形成承压斜地
承压水的补给与排泄
承压水等水位线图
(a)等水压线图
(b)水文地质剖面
1.地形等高线;2.承压含水层顶板等高线;3.等水压线 ;4.承压水位线;
5.承压水流向;6.自流区;7.井;8.含水层;9.隔水层;10.干井; 11.非自流井;12.自流井
岩土的水理性质
1.含水性
容水度:岩土孔隙完全被水充满时的含水量。 持水度:岩土在重力作用下释水时仍能保持的含水量。这部分滞留在 岩土中的水为结合水和毛细水。
2. 给水性
岩土在重力作用下能自由排出的含水量。 给水度=容水度-持水度
3. 透水性
岩土可透过水的性能,用渗透系数表示。
含水层(aquifer):给出并透过相当水量的岩土层。 隔水层(interlayer):不透水但可含水的岩土层。 滞水层:弱透水的岩土层。 含水层的形成条件: 岩土层有较大空隙、为隔水层所限、有补给来源。
( )
新疆焉耆盆地土壤次生盐渍化而摞荒
地下水污染
定义:在人为影响下,地下水的物理、化学或生物特性发生 不利于人类生活或生产的变化。 • 地下水污染达到一定程度,便不合乎供水水源的要求(对 于不同用途的地下水,污染标准是不同的)。 • 地下水污染意味着可以利用的宝贵的地下水资源在减少 。
污染源—水中迁移方式—污染途径--污染防治与预测
活跃的地质营力。
• 特点:
– 岩溶水的分布极不均匀,地下径流动态不稳定,透水性 能各向异性; – 岩溶含水层的水量往往比较丰富; – 层流和紊流并存。
第四节
渗流 过水断面 A 渗透流速 V=Q/A 实际流速 u=Q/A’
V<u
地下水的运动
水力坡降 J=-dH/dL
流网:由等水头线与流线正交组成的网格
按进水条件分:
完整井、非完整井
图 6—24
井的类型示意图
a—潜水完整井;b、c、d—潜水非完整井;e—承压水完整井;f、 g— 承压水非完整井
潜水完整井
Q=KAJ=2πKxy
分离变量并积分, x从rw至R,y从hw至H, 得:
2 H 2 hw Q 1.366K lg R lg rw
地下水污染特点
– 隐蔽性、难以逆转性。
地下水污染方式
– 直接污染、间接污染。
地下水污染途径
– – – – 间歇入渗型 连续入渗型 越流型 径流型
喝了污染地下水患上食道癌
地下水污染防治
首先要控制污染源,力求污染物质经处理后再行排放 。 其次,根据岩性、地下水流动系统分析污染条件,将可能 发生污染的工矿企业安置在不易污染地下水的部位 。
基坑涌水量计算:
把基坑假想为圆形大井,其引用半径:
F
r 0

F-基坑面积
第五节 地下水与环境
人 类 的 活 动 对 地 下 水 的 影 响
污染物进入地下水 过量补充地下水 过量抽取地下水
地 下 水 污 染
水 岩 土 力 学 平 衡 破 坏
水 文 循 环 平 衡 破 坏
渗 流 场 平 衡 破 坏
dy Q 2xyk dx
Q
R
r
H dx 2k ydy h x
R R Q ln 0.732Q lg r r k (H 2 h 2 ) (H 2 h 2 )
图 6—21
潜水完整井抽水试验示意图
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地下水涌水量的计算
地下水向完整渗沟的流动:
Q=2KAJ=2KL
H h0 H h0 ( )( ) 2 R
Teton 坝(美国)
11:30洞口继续向上扩大,泥 水冲蚀了坝基,主洞的上方 又出现一渗水洞。流出的泥 水开始冲击坝趾处的设施。
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Teton 坝(美国)
11:50左右洞口扩大加速, 泥水对坝基的冲蚀更加剧 烈。
渗透系数的确定:
1. 据土的粒度分析资料计算
2. 室内测定
1) 常水头试验(适用于砂土)
2) 变水头试验 (适用于黏性土)
3. 现场测定
1) 渗水试验 2) 抽水试验
室内常水头渗透试验
由达西公式:
H Q qt kIAt k At l
得土样的渗透系数为:
Ql k HAt
图 6—19 常水头渗透试验
等水压线图
(1)判断含水层岩性和厚度的变化 (2)确定测压水位的埋藏深度和承 压水的水头 (3)确定潜水与承压水间的关系
地形等高线(m)
等测压水位线
含水层顶板等高线(m)
类型 埋藏 条件
潜水
承压水 埋藏在上下两个隔水层之间,承受一定 压力的地下水
埋藏在第一个隔水层之上的地下水
补给 来源
大气降水和地表水渗入补给
室内变水头渗透试验
dQ a dh
dQ qdt kIAdt k h Adt l
h adh k Adt l h2 dh kA t dt h1 h 0 al
h1 kA ln t h2 al
k h al ln 1 At h2
图 6—20 变水头渗透试验
现场抽水试验
dy dx
( 2 H SW ) SW 1.366K lg R lg rw
承压水完整井
Q=KAJ=2πKxM
分离变量并积分后,得:
dy dx
Q 2.73K 2.73K
M ( H hw ) lg R lg rw
MSW lg R lg rw
图 6—25 地下水向承压水井的流动
从技术层面看,利用地下水运动定律: Q = K Iω
减小污染物(水体)与地下水的水头差 降低污染物(水体)与地下水体之间的渗透性 减小污染物(水体)与地下水的接触面积
思考:有害垃圾堆放何处? A、B、C
C
B
A
Teton 坝(美国)
损失:
直接8000万美元,起诉5500起, 2.5亿美元,死14人,受灾2.5万 人,60万亩土地,32公里铁路
上层滞水(perch ground water)
概念:包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水。 特征:接近地表,接受大气降水补给,以蒸发形式或向隔水 底板边缘排泄。动态变化很不稳定。 意义:常始料不及涌入基坑,供水意义不大,在寒冷地区易 引起道路冻胀和翻浆。
潜水(phreatic water)
渗流分类
均匀流:渗流速度沿流程不变。 非均匀流:渗流速度沿流程变化。 层流:水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。 紊流:水质点相互干扰而呈无秩序的运动。 稳定流:渗流要素不随时间变化的运动。
非稳定流:渗流要素随时间变化的运动。
地下水 运动的基本规律
Darcy定律:Q=KAJ 或V=KJ (线性)
式中
Q-渗流量m3/d或cm3/s;
A-过水断面 K-渗透系数m/d或cm/s, 表征岩土透水性能大小的指标。 还与水的粘滞性有关。 V-渗透流速m/d或cm/s Darcy定律适合于层流(砂土)。
紊流(砾石土)运动规律:V=KJ1/2 (非线性) 黏性土运动规律:V=K(J-Jo) 式中Jo为起始水力坡降
环境水文学之
第七章 地下水
主要内容
1. 地下水的概念
2. 地下水的水质
3. 地下水的类型
4. 地下水的运动 5. 地下水与环境
第一节 地下水的概念
地下水
• (广义)赋存在地表以下岩土空隙中的水(包气带、饱水 带中的水)。 • (狭义)地表以下饱水带岩层空隙中的水(重力水)。 岩土的空隙: – 松散沉积物中的孔隙(连通性好)
第二节 地下水的性质
物理性质:
温度、颜色、透明度、嗅味、味道、导电性
化学成分: 离子成分
ClSO4-2 HCO3Na+ K+ Ca+2 Mg+2
气体成分 O2 H2S CO2
胶体成分 与有机质
SiO2 Fe(OH)3 Al(OH)3
化学性质 PH值 矿化度 硬度
第三节 地下水的类型
地下水分类
地下水向不完整渗沟的流动:
1) 含水层厚度有限 单侧流量:
dy q kx dx
分离变量并积分, x从c至c+R,y从0至H,
得:
q
kH Rc ln c
2)含水层厚度无限 计算同上,但


2

地下水向井的稳定流动
井的类型: 按其揭露含水层的类型分:
潜水井、承压井
潜水的补给与排泄
大气降水 河流补给潜水

潜水补给河流
潜水等水位线图
可解决问题:
(1)确定潜水流向 (2)确定潜水面的水力坡度 (3)判断地表水与潜水的相互补给关系 (4)确定潜水埋藏深度 (5)推断含水层岩性或厚度的变化 (6)确定引水工程的位置
潜水与地表水的关系
潜水补给河流
河流补给潜水
单侧补给
含水介质的类型(赋存空间)
– 孔隙、裂隙、岩溶
埋藏条件(赋存部位)
– 包气带、不透水层
孔隙水 包气带 上层滞水
裂隙水 上层滞水
岩溶水 上层滞水
潜水 承压水
孔隙潜水 孔隙承压水
裂隙潜水 裂隙承压水
岩溶潜水 岩溶承压水
1.隔水层;2.透水层;3.饱水部分;4.潜水位;5.承压水测压水位;6.泉(上升泉);7.水井
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