地下水数值模拟基础知识

地下水的赋存
➢(1)岩石中的空隙与水 ➢(2)包气带与饱水带 ➢(3)含水层、隔水层、弱透水层
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包气带
特点：
（1）岩石空隙未被水充满； （2）固、液、气三相介质并存； （3）水的存在形式多样：结合水、毛细水、重力水、
气态水。
包气带水的垂直分带：
（1）土壤水带 （2）中间带（过渡带）
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④
③
含水层
隔水层/弱透水层
②
①
隔水层与弱透水层（诺曼与威瑟斯庞）
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含水层,隔水层与弱透水层: 应用的相对性
岩性相同的地层根据不同研究目的可划分为含水 层或隔水层。
修水库时，要考虑建库后水库是否渗漏？ 供水时，考虑水量是否足够，是否为含水层？ 某组地层是含水层还是隔水层？其界定要灵活运 用！
现代水文地质模拟计算，不再简单地划分为含水 层、隔水层，而是把不同岩层附于不同渗透参数。
（3）弱透水层（Aquitard）：渗透性很差，给出的水量微不足道， 但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层，例 如，各种粘土，泥质粉砂岩。
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含水层,隔水层与弱透水层：概念相对
性
定义中的“相当水量，微不足道，较大水力梯度” 是模糊的；含水层与隔水层的划分是相对的。从实际应 用来看，区分含水层与隔水层应考虑岩层给出的水量是 否具有实际意义。从理论意义来看，岩层是否透水还取 决于时间尺度。
基岩自流盆地中的承压水
②隔水顶板 ③隔水底板
⑦
⑧
⑨
④承压含水层厚 ⑤测压水位线
⑤
⑩
⑥承压高度-H ⑦补给区 ⑧承压区 ⑨排泄区
②
①
⑥
③
④Leabharlann ⑩自溢区精品课件承压水:主要特征
✓ 补给与排泄：有限区域与外界联系，水循环交替 慢，平均滞留时间长（年龄老）—可恢复性差。
✓ 水化学：变化较大，可以是淡水，也可能是卤水。 不易污染，一旦污染，很难净化！
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地下水分类
• 广义地下水（subsurface water）：地表以下岩石空隙中的水(包气带、 饱水带中的水)
• 狭义地下水（groundwater）：地表以下饱水带岩石空隙中的水（重力水）
包气带 潜水
承压水
孔隙水 上层滞水 孔隙潜水 孔隙承压水
裂隙水 上层滞水 裂隙潜水 裂隙承压水
岩溶水 上层滞水 岩溶潜水 岩溶承压水
第一讲 地下水数值模拟基础知 识
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一、水循环与地下水
地下水赋存于地下介质
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地下水是水循环的一个阶段
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土壤持水带、包气带、饱和带
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The common assumption that the rate of groundwater withdrawal is “safe” or “sustainable” if it does not exceed the natural rate of recharge is not correct, because it ignores these changes in discharge from and recharge to the groundwater system
地下水分类：依据含水介质类型、埋藏条件划分含水介质三类，埋藏条件分三类， 组合共分为9类。
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潜水:概念
潜水：地表以下第一个具有自由表面的稳定含水层中 的水
自由表面：即设有隔水层限制，与大气直接相通， 除大气压强外不受其它力
稳定：具有一定的空间连续性（范围）以示区分 上层滞水
潜水含水层：赋存潜水的岩层。 屋建筑时的基坑 排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）
✓ 动态：较稳定，如果分布面积大，厚度稳定，则 调节能力很强。
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承压水:含水层的储水与释水
弹性给水度Ss：承压含水层中当测压水位下降1个 单位，单位水平面积含水层柱体所释放的水量。测区 水位降低导致：
（1）含水层孔隙中水的压力降低—水体积膨胀释 水
（2）孔隙水压力降低，含水层颗粒间有效应力增 加—骨架被压缩（颗粒不变—骨架压缩=空 隙体积减小)—发生释水。
度变
化而储水与释水！
动态：受气象，水文因素影响明显，
变化快（水量、水位季节性变化）
受人为因素影响也显著，易污染
水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快
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？
一
张
潜
水
等
水
位
线
图
可
以
提
供
潜水等水位线图
哪
些
信
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息
承压水:概念
1）定义： 充满于2个隔水层（弱透水层）之间的含水层中
的水。
2）基本要素： ①承压含水层
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潜水:基本要素
潜水面
潜水位
潜水含水层
8
含水层厚度
5 6
3
D
4 4
M
1
7
潜水埋深
2
1 潜水含水层 D 潜水埋深
2 隔水层 3、4 潜水面 潜水位 M 含水层厚度 5 大气降水入渗 6 蒸发 7 流向 8 泉
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潜水:主要特征
补给：降水入渗，河湖入渗
排泄：泉，（河）泄流，蒸发补给或排泄通过含水层厚
如华北平原早期地下水开采，深层水与浅层水之 间水位差别不大，深层水与浅层水之间的粘土可 作为隔水层；随着深层水的不断开采，水位大幅 度降低，浅层水向深层“越流”，粘土层成为“ 透水层”。
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含水层,隔水层与弱透水层：时间相对
性
自然界中不存 在绝对的隔水 层，岩层是否 透水取决于时 间尺度。
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含水层,隔水层与弱透水层：基本概念
饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而进行 的划分：
（1）含水层（Aquifer）：是能够透过并给出相当数量水的岩层， 例如，各类砂土，砂岩等；
（2）隔水层（Aquifuge)：不能透过与给出水或透过与给出的水 量微不足道的岩层，例如，裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、 粘土（致密）；
这两部水是很有限的，所以μe很小（较μd小10-
2—10-3）
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二、为什么需要开展地下水模 拟工作
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地下水相关问题
• 过度抽水、采矿疏干、地面沉降 • 地下水位上升、盐渍化、工程问题 • 地下水污染 • 海水入侵与地下水排放
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（3）毛细水带（支持毛细水带、饱和毛细水带）
饱水带
岩石空隙被水完全充满 →是二相介质（固相+液相 水）
空隙中水的存在形式： ①重力水
重力水：连续分布（孔隙是连边）→传递压力→在水头差 作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。
地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来！
②结合水
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