第三章-地下水系统

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含水层、隔水层、弱透水层-概念的相对性

定义中 “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。
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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包气带（zone of aeration / unsaturated zone ）
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：土壤水带，中间带（过渡带），毛细水带（支持毛细 水带、饱和毛细水带）。
一部分势能向压能转化；由下至上，储存的压能释放转化为势
能。垂向运动的存在使得传统的“承压”现象在潜水中也可以 出现。
*水平运动中，由于上游的水头高度总要比下游高一些，因而
也是通过水的体积膨胀释放势能的。
在静止的水体，各处的水头相等。在流动的水体中则不然： →势源处流线下降，沿着流线方向，愈来愈多的机械能消耗于粘滞性摩擦，因此， 在垂直断面上自上而下水头愈来愈低，任一点的水头均小于静水压力。 →势汇处流线上升，沿着流线方向，在垂直断面上自下而上水头由高到低，任一 点的水头均大于静水压力。 →在中间地带，流线呈水平延伸，垂直断面各点水头均相等，正好等于静水压力。
地形高处向地形低处运动(图8-7)。
Tóth把受地形控制的重力势能称之为地形势。
>>水头分布：
*地形高处，大气降水和地表水的补给使地下水位持续抬升， 重力势能积累，为高势区(势源)。 *地形低处，地下水面达到或接近地表，地下水位抬升增加地下
水的排泄(转化为地表水或大气水)，从而阻止地下水位不断升
高，因此地形低洼处为低势区(势汇)。 *垂向运动中，由上至下，势能除克服摩擦消耗部分能量外，
呈现统一的水力联系。 >>由于地下水含水系统的发育主要受到地质结构的控制。因此， 松散沉积物与坚硬岩石中的含水系统具有一系列不同的特征 。
2.2 松散沉积物构成的含水系统
>>主要发育在近代构造沉积的堆积盆地之中，其边界通常为不透 水的坚硬基岩。含水系统内部一般不存在完全隔水的岩层，仅有粘
性土层等构成的相对隔水层，并包含由相对隔水层分隔开的含水层。
>>系统的多级性： *多源系统中易产生多级多个地下水流动系统。
*同一介质场中，存在两个或更多个地下水流动系统 时，它们所占据的空间大小取决于以下两个因素： →介质的渗透性，透水性愈好，发育于其中的流动系 统所占据的空间也愈大。 →势能梯度，等于系统中源汇的势差除以源汇的水平 距离。势能梯度愈大的流动系统占据的空间也愈大，反 之亦然。
们从整体上把握地下水各个部分之间及它与外部环境之间相互 联系的完整图景。
3.2 地下水流动系统的驱动力 >>区域水力连续性，从较长的时间尺度与较大的空间尺 度来考察问题，广大范围内的地下水存在着水力联系。
>>地下水在流动中必须消耗机械能以克服摩擦。
>>重力势能差异是地下水运动的主要驱动力←重力势能 来源于地下水的补给←地下水的补给提供了重力势能，驱 动水运动。
在含水层之间也可以通过“天窗”，也可以通过相对隔水层越流产 生广泛的水力联系。
>>但是，在同一含水系统中，各部分的水力联系程度有所不同。
2.4 含水系统的特点
>>含水系统是由隔水或相对隔水岩层圈闭的，并不是说它的全部
边界都是隔水或相对隔水的。除了极少数构造封闭的含水系统以外， 通常含水系统总是有些向环境开放的边界，以接受补给和进行排泄。

含水层（Aquifer）：能够透过并给出相当数量水的岩层。各 类砂土、砂岩、裂隙或岩溶发育的岩层等。

隔水层（ Aquiclude) ：不能透过与给出水或透过与给出的水 量微不足道的岩层，如裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、致 密粘土等。
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， 如粘性土、泥质粉砂岩等。
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含水层、隔水层、弱透水层-概念的相对性

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
是把不同岩层赋予不同渗透参数。

包气带中上层滞水，对其下部潜水的补给与蒸发排泄，起到一定的滞后
调节作用。
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二、 地下水含水系统 2.1 概述
>>地下水含水系统是指由隔水层或相对隔水层圈闭的，具有统一 水力联系的含水岩系。 >>显然，一个含水系统往往由若干含水层和相对隔水层 (弱透水
层)组成。然而，其中的相对隔水层并不影响含水系统中的地下水
这种开放的边界不仅出现在地表，而且也出现在地下：
不同地质结构的含水系统以透水边界邻接是常见的，虽然这时 相邻含水系统之间水力联系相当密切，但是由于两者水的赋存与运
动规律不同，仍然有必要区分为不同的两个含水系统 (图8-5a、c)。
图8-5 不同类型的地下水系统
3.1 概述 >>地下水流动系统是指从源到汇的流面群构成的，具有统一
水头分布小结： *地形高处，为高势区(势源)；地形低处，为低势 区(势汇)。 *垂向运动中，由上至下，势能除克服摩擦消耗部 分能量外，势能向压能转化；由下至上，部分储存的 压能释放转化为势能。 *水平运动中，由于上游的水头高度总要比下游高 一些，因而也是通过水的体积膨胀释放势能的。
>>流动方向的多样性：由上至下，由下至上，水平运动；两条 流线相背运动、相向运动、反向运动。
A B
为布设引水、排水工程的 位置提供依据。
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承压水（Confined Water）
定义：充满于2个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水 基本要素
1承压含水层：赋存承压水的岩层； 隔水顶板；隔水底板；
2承压含水层厚度（M），埋深（D）；
3承压高度（H）：含水层某点的承压高度等于该点的测压高度
4测压水位线（面）：测压水位的连线（面），此线是虚拟的
重力水：连续分布（孔隙是连续的）→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。
饱水带开挖坑道、巷道、基坑，打井均有重Βιβλιοθήκη Baidu水涌出来！
饱水带中的重力水是开发或利用的主要对象。
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1.2 含水层、隔水层、弱透水层 aquifer, aquiclude & aquitard
饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力可划分为
1.1 包气带与饱水带
(unsaturated zone and
包气带与饱水带的划分 地下一定深度岩石中的空隙被重力 水所充满，形成的一个自由水面。 地下水面之上称为包气带，之下称 为饱水带。
saturated zone）
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按地下水的垂向分带性
• 1 土壤水（soil moisture） • 2 过渡带水（intermediate belt） • 3 毛细带水（capillary water） • 4 饱水带水 （water in zone of saturation）
布，可以判定地下水流动系统。
四、地下水地质作用
埋藏在地表以下，存在于岩石和地表松散堆积物的孔 隙、裂隙及溶洞中的水，统称为地下水。全球地下水分布面
积达 1.3×108 km2 ，，总水量 8 300 000 km3 ，占全球总水
量的0.59%，它是重要的淡水来源，占淡水量的22%。
>> 不同地形部位的地下水，接受补给时，重力势能积累 条件不同：
*地形高的补给区，随着补给而势能不断积累。
*地形低洼的排泄区，地下水或者无法接受补给，或者 接受补给的同时排泄增大，势能难以积累。 因此，地形高处构成势源，地形低处则构成势汇。
>>地形控制着重力势能的分布，而不是地质条件。Tóth 认为：从水力学角度看，地下水体的天然单元是地形盆地， 而不是地质盆地，驱动水流的势来自区域地形高处，水从
包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道：饱水带地下水通
过包气带获得降水、地表水的入渗补给（补充），部分水又通过包气带将 水分传输，蒸发，消耗出去。
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饱水带（saturated zone）
特点：（1）岩石空隙被水完全充满，是固、液二相介质； （2）空隙中水的存在形式：①重力水，②结合水
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。 研究方法：潜水等水位线图
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四、潜水等水位线图的绘制
潜水等水位线图：潜水面的等高线图。根据潜水面上各点的水位标高并 按一定的间距把某一时间潜水位相等的各点连结成线而成。

可获取的信息
确定潜水流向。 确定潜水面的水力坡度。 结合地形图可确定地下水 的埋藏深度； 可推断含水层的岩性与厚 度变化； 确定潜水与地表水的互补 关系；
时空演变过程的地下水体。
>>地下水流动系统理论实质上是以地下水流网为工具，以势 场及介质场的分析为基础，将水动力场、化学场、温度场统一 于新的地下水流动系统概念框架之中。这样，就将本来似乎互 不关联的地下水各方面的表现联系在一起，纳入一个易于被人
们所理解的地下水时空连续演变的有序结构之中，这有助于人
孔隙水 包气带 潜水
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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
上层滞水 孔隙潜水 孔隙承压水
承压水
主要特征

补给：降水入渗，河湖水入渗


排泄：泉，河，蒸发
动态：含水层接收补给或排泄，使厚度变化而储水与释水！受
气象、水文因素影响明显，变化快（水量、水位、水质季节性
3.4 地下水流动系统的水化学特征
>>地下水流动系统的水动力特征决定了水化学特征。 >>在地下水流动系统中，水质取决于下列因素： *入渗水质； *流程； *流速； *流动过程中物质补充及其可迁移性； *流程中经受的水化学作用(图8-14)。
在地下水流动系统的不同部位，发生的水化学作用也不相同。 >>地下水流动系统的不同部位，由于流速和流程对水质的控制作 用，显示出良好的水化学分带性(图8-9)。
3.5 地下水流动系统的水温度特征
>>在来自地壳深部大地热流的影响下，年常温带以
下的等温线通常上低下高，呈水平分布。但是，由于
地下水流动系统的存在，补给区的下降水流受入渗水 流的影响，地温偏低；排泄区因上升水流带来深部热 影响，地温偏高(图8-15)。 >>在没有地热异常的地区，可根据地下水温度的分
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1.3 地下水分类

广义地下水（subsurface water, underground 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） 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
5补给区和排泄区；承压区；
6自溢区—测压水位线与地形等高线的交点连接区。
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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！

动态：较稳定，如果分布面积大，厚度稳定，则调节能力 很强。 自学P32-33 等水压线图
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上层滞水（perched water）

包气带中有实际利用价值的重力水。 定义：包气带局部隔水层(弱透水层) 上积聚的具有自由水面的重力水。 与潜水的区别：潜水含水层稳定，具有一定的空间连续性。 特点：水量小、动态变化显著、极易污染。只能作为缺水地区小型供水 水源或暂时性供水水源。作为饮用水源时要格外注意卫生防护。
在地下水流动系统中，补给区的水量通过中间区 输向排泄区。
因此，以中间区为标准，补给是水分不足区，地
表水稀少，地下水埋藏深度大，土壤含水量低，多分 布耐旱植物；排泄区是水分过剩区，地下水埋深浅， 土壤含水量增高，多沼泽、湿地与泉，多喜水植物。 在干旱区则出现盐渍化地，多分布耐盐植物。在岩层 透水性特别良好的岩溶发育区，这种水分分布不均匀 现象优为突出。