【学习课件】第六章包气带水水文地质学基础
合集下载
水文地质基础知识 ppt课件
孔隙－松散岩层 裂隙－基岩 溶隙（溶穴）－可溶性岩石
空隙性
指岩石空隙的大小、多少、形状、分 布特点以及连通情况等。这些特性 对于地下水的埋藏、分布、运动有 重要的影响。
岩石中的空隙
松散岩层孔隙特点
孔隙率（度）：一定体积岩石（包括孔隙）中孔隙体积所占的比例。
n Vn 100% V
影响松散岩层孔隙度的因素
“理想土”模型
颗粒排列方式和密实程度 颗粒大小和形状 分选程度 土壤结构（单粒、团粒结构） 其他因素：次生裂隙、根孔、虫孔等
裂隙
成岩裂隙 构造裂隙 风化裂隙
裂隙性
裂隙的方向、宽度、延伸方向、充填情况等。 裂隙率
Kr Vr V
溶穴
发生在可溶性岩石之中 具有继承性 岩溶率（溶隙率）
岩石空隙的特性（均匀性、方向性、连通性）
松散岩类：空隙分布均匀、连通性好 基岩裂隙：不均匀、具方向性、不同方向裂隙可形成裂隙网
络 可溶岩溶隙：极不均匀、很强的方向性、容易形成各自的岩
溶水流系统。
按含水介质的地下水分类
层。
支持毛细带 中间带 土壤水带
水文地质学研究的重点是饱水带。但包气 带作为补给通道作用也不容忽视。
地下水赋存
含水层
定义：饱含水的透水层，或能够透过并给出相当数量水的岩 层。
辨异：饱含水的弱透水层（粘土、沿粘土等）；不含水的透 水层（沙漠、被疏干的含水层等）
隔水层
定义：不透水的岩层，或不能透过并给出一定水量的岩层。 辨异：隔水层的相对性，并非完全隔水－弱透水层
下可以进行三种状态的相互转化 全球水文循环是闭合系统，局部为开放系统 水文循环过程伴随着能量的转换和其他物质的运移和聚集
空隙性
指岩石空隙的大小、多少、形状、分 布特点以及连通情况等。这些特性 对于地下水的埋藏、分布、运动有 重要的影响。
岩石中的空隙
松散岩层孔隙特点
孔隙率（度）：一定体积岩石（包括孔隙）中孔隙体积所占的比例。
n Vn 100% V
影响松散岩层孔隙度的因素
“理想土”模型
颗粒排列方式和密实程度 颗粒大小和形状 分选程度 土壤结构（单粒、团粒结构） 其他因素：次生裂隙、根孔、虫孔等
裂隙
成岩裂隙 构造裂隙 风化裂隙
裂隙性
裂隙的方向、宽度、延伸方向、充填情况等。 裂隙率
Kr Vr V
溶穴
发生在可溶性岩石之中 具有继承性 岩溶率（溶隙率）
岩石空隙的特性（均匀性、方向性、连通性）
松散岩类：空隙分布均匀、连通性好 基岩裂隙：不均匀、具方向性、不同方向裂隙可形成裂隙网
络 可溶岩溶隙：极不均匀、很强的方向性、容易形成各自的岩
溶水流系统。
按含水介质的地下水分类
层。
支持毛细带 中间带 土壤水带
水文地质学研究的重点是饱水带。但包气 带作为补给通道作用也不容忽视。
地下水赋存
含水层
定义：饱含水的透水层，或能够透过并给出相当数量水的岩 层。
辨异：饱含水的弱透水层（粘土、沿粘土等）；不含水的透 水层（沙漠、被疏干的含水层等）
隔水层
定义：不透水的岩层，或不能透过并给出一定水量的岩层。 辨异：隔水层的相对性，并非完全隔水－弱透水层
下可以进行三种状态的相互转化 全球水文循环是闭合系统，局部为开放系统 水文循环过程伴随着能量的转换和其他物质的运移和聚集
水文地质学基础(第六版)第6章_包气带水
2 Pc r 4 Pc D
附加表面压强的讨论：
当液面为凸形时，附加表面压强为正，P = P0 + Pc；
当液面为凹形时，附加表面压强为负，P = P0 - Pc； 当为平液面时，不产生附加表面压强，P = P0 。
二、毛细负压及其测定方法
水在孔隙中经常形成凹形弯液面,产生的毛细
水文地质学基础 General Hydrogeology
第六章 包气带水
本章内容
6.1 毛细现象和毛细水
6.2 土壤水势及其组成 6.3 包气带水的分布与运动规律
6.4 涉及包气带水的主要领域
毛细现象：
6.1 毛细现象和毛细水
将细小的玻璃管插入水中,水会在管中上升到一定高度才停
止,这便是固、液、气三相界面上产生的毛细现象。
hc
根据茹林公式可知:最大毛细上升高度与毛 细管直径成反比。故土颗粒越细、孔径越小，最 大毛细上升高度越大。
表1 松散孔隙介质支持毛细水高度
悬挂毛细水弯液面：毛细力与重力的平衡：
在上层颗粒细而下层颗粒粗的层状细粒层中可形成悬挂毛细水。
悬挂毛细水上下端均出现弯液面，下端的弯液面可以是凸、平、
D —毛细管直径，单位为mm。
hc为毛细压力水
头，是一个负的
压力水头。
可以用张力计测
定包气带的毛细 压力水头。
从图可以看出它
是一个负的压力 水头,故称为毛
细负压。
在饱水带中（用水力学原理）：测量任一点的压力水头—用测压管（压力
计） H=Z+hp 在包气带中（测负压）：张力计是一端带有陶土多孔杯的充水弯管，多孔
H = Z - hc
式中:
06 包气带水
• 压力势：相对于大气压力所存在的势能差。
• 基质势：由非饱和基质对水的吸附力和毛细力产生。
• 溶质势：溶液与纯水之间存在的势能差。
2R 2 pc 2 R R
对一般曲面， Pc大小（拉普拉斯方程）为：
1 1 pc ( ) R1 R2
R1、R2为二个主要的曲率半径。
6.1 毛细现象和毛细水
6.1.1 毛细现象的实质
2R 2 pc 2 R R
4 pc D
1 1 pc ( ) R1 R2
H=Z+hp （饱水带中）
H=Z-hc （包气带中） 式中Z----由指定基准面算起的位置高度
（位置水头）；
hp----测压高度（压力水头）； hc----毛细负压（由毛细力引起的负的
压力水头）。
6.1 毛细现象和毛细水
6.1.3 毛细上升高度与悬挂毛细水
6.2 土壤水势及其组成
土壤水势：单位数量的水所具有的能量与其在参照状态下 所具有的能量差。 • 高度单位（m/cm）表示单位重量水的水势。 • 总水势： • 重力势：在恒温条件下将单位重量的水从参考基准面移到某一 高度z，纯自由水所做的功。
第五章 地下水运动的基本规律
6.1 毛细现象与毛细水 6.2 土壤水势与组成 6.3 包气带水运动规律 6.4 包气带研究领域
6.1 毛细现象和毛细水
6.1.1 毛细现象的实质
表面张力：液体表面质点互相吸引的力，它产生于液体与气体接触的界面上。 在表面张力作用下，液体表面好像蒙上了一层均匀张紧的薄膜，这一薄膜 力图使液体缩小成最小的表面形状（虽然有时候不可能，这取决于液体与 固体分子的相互作用和液体的重力），液珠所以成球形，就是因为存在表 面张力的缘故。 表面张力产生的机理：分子力相互作用不平衡的结果。
毛细水与包气带
• 通俗地讲，土壤盐泽化是指土壤中“盐”的含 量超出了正常范围，以至于一般植物，特别是 农作物无法生长的现象。其实盐泽化对于构筑 物和建筑物也有危害，如使路面结构或房屋基 础老化等。 • 土壤盐泽化的动力是地下水（包括包气带水） 的蒸发，但也直接与毛细现象和地下水的运动 密切相关。
2018/11/21
• 毛细上升高度；
• 包气带水分的分布规律； • 毛细饱和带的水与饱水带中的水有什么不同？
Байду номын сангаас
• 包气带水分的运动规律以及与饱水带水运动的区 别。
2018/11/21
16
It’s Over! Any questions?
2018/11/21
17
水文地质学
第六讲
毛细现象与包气带水的运动
OUTLINE
• • • • • 毛细现象的实质 毛细负压 毛细上升高度 悬挂毛细水 包气带水的分布与运动
2018/11/21
2
毛细现象
• 图5-1发生在气、液、固三相界面处的毛细现象。
2018/11/21
3
毛细现象的实质
• 毛细现象的产生与水的表面张力有关。表面张力是表 面的分子彼此相吸拉紧引起的。表面张力犹如液体蒙 着一层拉紧的弹性薄膜。 • 设想在液体表面划一根长度为L的线段，则两侧液体 以一定的力f 相互吸引。f =αL， α称为表面张力系数。
• 由于毛细水头是个负压，包气带中任意点的水头值H 应表示为
H z hc
• 若取潜水面作为基准面，则在毛细负压的驱动下，支持 毛细水将上升到Z=hc的高度，才能达到平衡。即支持 毛细水最大上升高度即为hc。因为hc与管径成反比， 则颗粒愈细，最大毛细上升高度也愈大。
2018/11/21 8
2018/11/21
• 毛细上升高度；
• 包气带水分的分布规律； • 毛细饱和带的水与饱水带中的水有什么不同？
Байду номын сангаас
• 包气带水分的运动规律以及与饱水带水运动的区 别。
2018/11/21
16
It’s Over! Any questions?
2018/11/21
17
水文地质学
第六讲
毛细现象与包气带水的运动
OUTLINE
• • • • • 毛细现象的实质 毛细负压 毛细上升高度 悬挂毛细水 包气带水的分布与运动
2018/11/21
2
毛细现象
• 图5-1发生在气、液、固三相界面处的毛细现象。
2018/11/21
3
毛细现象的实质
• 毛细现象的产生与水的表面张力有关。表面张力是表 面的分子彼此相吸拉紧引起的。表面张力犹如液体蒙 着一层拉紧的弹性薄膜。 • 设想在液体表面划一根长度为L的线段，则两侧液体 以一定的力f 相互吸引。f =αL， α称为表面张力系数。
• 由于毛细水头是个负压，包气带中任意点的水头值H 应表示为
H z hc
• 若取潜水面作为基准面，则在毛细负压的驱动下，支持 毛细水将上升到Z=hc的高度，才能达到平衡。即支持 毛细水最大上升高度即为hc。因为hc与管径成反比， 则颗粒愈细，最大毛细上升高度也愈大。
2018/11/21 8
水文地质学基础共40页PPT课件
某地潜水等水位线图（平面）
河
河
流
流
由于潜水在重力作用下由高处向低处流动，一般情况下，潜水面不水平，是一个向排泄区微微倾斜的曲面 。 该曲面往往与地表面一致，但起伏比较平缓 。 潜水面首先受地表水文网密度和切割深度的控制。 在地形切割强烈地区，地下水补给河水，潜水面向河道倾斜；在河流的下游，河床往往高于地面，河水位高于潜水位，河水补给潜水，则潜水面向河流外侧倾斜。 潜水面形状还受含水层岩性及过水断面大小影响 含水介质透水性越强，其中潜水水面越缓；介质透水性越差，潜水面越陡。在均质的介质中，当潜水流经较大的过水断面时，其水力坡度变缓。
3.3 地下水分类
孔隙水
裂隙水
岩溶水
包气带
上层滞水
上层滞水
上层滞水
潜水
孔隙潜水
裂隙潜水
岩溶潜水
承压水
孔隙承压水
裂隙承压水
岩溶承压水
上层滞水(a) 、潜水(b)、承压水(c)
a
b
c
一、潜水与潜水含水层概念 潜水：饱水带中第一个具有自由表面的稳定含水层中的水。 自由表面—没有隔水顶板或只有局部隔水顶板，与大气直接相通，除大气压强外不受其它任何附加压强。 稳定—具有一定的空间连续性（范围），以与上层滞水区分。 潜水含水层：赋存潜水的岩层。 建筑房屋时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）
3.1 包气带与饱水带
3.2 含水层 隔水层 弱透水层
一、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： 含水层（Aquifer）： 是能够透过并给出相当数量水的岩层—各类砂土，砂岩等 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——裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密） 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——各种粘土，泥质粉砂岩、砂质页岩
水文地质学基础ppt课件
表面张力
水的表面张力使水滴呈球形，影响毛细水 的上升高度。
9
岩石中水运动规律
2024/1/28
达西定律
描述水在孔隙介质中的渗流速度与水力梯 度成正比的关系。
渗流基本方程
描述非饱和带与饱和带地下水流运动的偏 微分方程。
地下水流系统
由补给区、径流区和排泄区组成的统一整 体，具有层次性。
地下水资源评价
根据水文地质条件、开采技术经济条件等 ，对地下水资源数量和质量进行评价。
水文地质学基础ppt课件
2024/1/28
1
2024/1/28
CONTENTS
• 水文地质学概述 • 岩石中水存在形式与性质 • 地下水流动系统与补给排泄条
件 • 孔隙裂隙岩溶发育规律及其对
渗透性影响 • 不同类型含水层特征及其富水
性评价
2
2024/1/28
01
水文地质学概述
3
水文地质学定义与研究对象
2024/1/28
评价方法
包括水量评价、水质评价、开采技术条件评价等。水量评价可采用解析法、数值 法等；水质评价可采用单项组分评价、综合评价等；开采技术条件评价可考虑含 水层厚度、渗透性、水位降深等因素。
实例分析
以某地区为例，通过收集资料、野外调查、室内分析等手段，对该地区地下水资 源进行评价。首先分析地下水的补给、径流、排泄条件，然后采用适当的评价方 法对地下水资源进行定量和定性评价，最后提出合理的开发利用建议。
孔隙度与渗透率关系
孔隙度与渗透率之间存在一定 的正相关关系，但并非线性关
系。
16
裂隙发育规律及其对渗透性影响
裂隙类型
根据成因和形态，裂隙可分为构造裂 隙、风化裂隙和溶蚀裂隙等，不同类 型的裂隙对渗透性影响不同。
水的表面张力使水滴呈球形，影响毛细水 的上升高度。
9
岩石中水运动规律
2024/1/28
达西定律
描述水在孔隙介质中的渗流速度与水力梯 度成正比的关系。
渗流基本方程
描述非饱和带与饱和带地下水流运动的偏 微分方程。
地下水流系统
由补给区、径流区和排泄区组成的统一整 体，具有层次性。
地下水资源评价
根据水文地质条件、开采技术经济条件等 ，对地下水资源数量和质量进行评价。
水文地质学基础ppt课件
2024/1/28
1
2024/1/28
CONTENTS
• 水文地质学概述 • 岩石中水存在形式与性质 • 地下水流动系统与补给排泄条
件 • 孔隙裂隙岩溶发育规律及其对
渗透性影响 • 不同类型含水层特征及其富水
性评价
2
2024/1/28
01
水文地质学概述
3
水文地质学定义与研究对象
2024/1/28
评价方法
包括水量评价、水质评价、开采技术条件评价等。水量评价可采用解析法、数值 法等；水质评价可采用单项组分评价、综合评价等；开采技术条件评价可考虑含 水层厚度、渗透性、水位降深等因素。
实例分析
以某地区为例，通过收集资料、野外调查、室内分析等手段，对该地区地下水资 源进行评价。首先分析地下水的补给、径流、排泄条件，然后采用适当的评价方 法对地下水资源进行定量和定性评价，最后提出合理的开发利用建议。
孔隙度与渗透率关系
孔隙度与渗透率之间存在一定 的正相关关系，但并非线性关
系。
16
裂隙发育规律及其对渗透性影响
裂隙类型
根据成因和形态，裂隙可分为构造裂 隙、风化裂隙和溶蚀裂隙等，不同类 型的裂隙对渗透性影响不同。
水文地质学包气带垂直分带
土壤水带：
>>土壤水带的范围为地表向下 直到植物的主根带，厚度随土壤 类型和植物而变化。
>>土壤水带中的水没有达到饱 和状态，只有当从灌溉或降雨获 得大量补给，才会出现暂时性的 饱和。
图3-1 包气带与饱水带
>>土壤水是农作物根系供水的来源，在农业上有着 重要的意义：
*结合水，由于吸附力非常强大，绝大部分不能为 植物所利用；
*毛细水由表面张力所吸引，能为植物所利用； *重力水是过剩的土壤水，在重力的作用下，能够 从土壤中排出。
毛细水带：
包气带底部由地下水面支 持的毛细水构成毛细水带，毛 细水带的高度与岩性有关。
毛细水带的下部也是饱水 的，即毛细饱水带。但是受毛 细负压作用，其压强比大气压 强小，因此，毛细饱水带中的 水是不能进入井中。
图3-1 包气带与饱水带
最大毛细上升高度
带与毛细水带之 间，厚度变化很大，当地下水面 高达地表或接近地表时，中间带 厚度为0；当地下水面埋深很大 时，中间带的厚度可达几百米。
>>中间带的水为气态水、结合 水、毛细水及重力水等。
图3-1 包气带与饱水带
>>土壤水带的范围为地表向下 直到植物的主根带，厚度随土壤 类型和植物而变化。
>>土壤水带中的水没有达到饱 和状态，只有当从灌溉或降雨获 得大量补给，才会出现暂时性的 饱和。
图3-1 包气带与饱水带
>>土壤水是农作物根系供水的来源，在农业上有着 重要的意义：
*结合水，由于吸附力非常强大，绝大部分不能为 植物所利用；
*毛细水由表面张力所吸引，能为植物所利用； *重力水是过剩的土壤水，在重力的作用下，能够 从土壤中排出。
毛细水带：
包气带底部由地下水面支 持的毛细水构成毛细水带，毛 细水带的高度与岩性有关。
毛细水带的下部也是饱水 的，即毛细饱水带。但是受毛 细负压作用，其压强比大气压 强小，因此，毛细饱水带中的 水是不能进入井中。
图3-1 包气带与饱水带
最大毛细上升高度
带与毛细水带之 间，厚度变化很大，当地下水面 高达地表或接近地表时，中间带 厚度为0；当地下水面埋深很大 时，中间带的厚度可达几百米。
>>中间带的水为气态水、结合 水、毛细水及重力水等。
图3-1 包气带与饱水带
水文地质学基础ppt课件
3.2.2 概念的相对性
定义中的模糊概念—“相当水量，微不足道，较大水力梯度”等
严格的“是与非”的逻辑思维，在很多情况下是相对的和模糊 的概念相对性的意义：
从实际应用角度来看划分的相对性——相当水量
满足需要就可以了。如在某处一口井出水量80m3/d，作为1万人的
供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。又如一个小 泉水流量0.11/s≈8.6m3/d，大厂——非，村用——是。
地下水污染地下水污染地下水污染主要分布在城区附近和地表水污染严重的地区地下水污染主要分布在城区附近和地表水污染严重的地区心脑血管病是世界卫生组织总干事讲过只要采取预防措施就能减少一半的死亡也就是说一半的死亡完全是可以预防的1012020自然界的水循环自然界的水循环心脑血管病是世界卫生组织总干事讲过只要采取预防措施就能减少一半的死亡也就是说一半的死亡完全是可以预防的1012020自然界的水循环自然界的水循环心脑血管病是世界卫生组织总干事讲过只要采取预防措施就能减少一半的死亡也就是说一半的死亡完全是可以预防的1012020第二章岩土中的空隙和水a分选好的高孔隙度沉积b分选差的低孔隙度沉积c分选好的高孔隙度卵石沉积d分选好的矿物充填沉积e岩体溶解空隙f岩体裂隙21岩土中的空隙孔隙度是指某一体积岩石包括孔隙在内中孔隙体积所占的比例心脑血管病是世界卫生组织总干事讲过只要采取预防措施就能减少一半的死亡也就是说一半的死亡完全是可以预防的1012020心脑血管病是世界卫生组织总干事讲过只要采取预防措施就能减少一半的死亡也就是说一半的死亡完全是可以预防的1012020裂隙
全国60%的耕地 全部或部分使用地下水灌 溉
全国95％以上的农 村饮用地下水
95%
Company Logo
8
农村饮用地下水 饮用其它水
水文地质学基础--6包气带水
m
PA
W
Hg W
ZHg Z
PA
13.6ZHg Z
图示条件下,当陶土杯在水银柱顶面之上,基质势m=？
A Z Z0
m 13.6ZHg Z
ZHg
负压计的野外安装
1. 负压计陶瓷头 2. 观测板 3. 观测室
压力势(pressure potential)
它是由于压力场中压力差的存在而引起的； 对于非饱和土壤，考虑空隙的连通性，各点承受
➢ 以上各势能，如用单位重量土壤水势能表示，单位为 Bar,Pa,atm,cmH2O,mmHg。
1.01Bar=1.01× 105Pa=1atm=760mmHg=1033.4cmH2O
重力势(geopotential)
由于重力场的存在引起的,其大小取决于所论土壤水在重力场 的位置。
定义：单位重量土壤水所具有的位置势能。
溶质势是土壤水溶液中所有溶质离子和水分子之间存在吸引力引起的，以不 含溶质的纯水作为标准参考状态，即溶质势为零。
在移动过程中，必须克服土壤水溶液中溶质离子和水分子之间的引力，对土
壤水做功，所以溶质势s<0。
在植物根系吸水时，水分吸入根内 要通过半透性的根膜，土壤溶液的 势能必须高于根内势能，否则植物 根系将不能吸水，甚至根茎内水分 还被土壤吸取。
的大气压力变化较小，都近似为大气压，压力差 为零，故在非饱和土壤水运动的研究中，一般忽 略压力势。
对于饱和土壤，单位重量土壤水压力势p=h。
温度势
它是由温度场的温度差引起的，土壤中某一点土壤水分的温度势是 由该点与标准参照状态的温度差所决定的。
目前在分析土壤水分运动时，温度势作用常被忽略。
溶质势（solute potential)
地质大水文地质学课件第6章 包气带水
>>在饱水带中，水势大于参照状态的水势；在包气带中，包气 带水受毛细作用和吸附力的限制，水势低于参照状态的水势。包 气带水势是由各分势组成的：
式中：ψw—总水势，即包气带水的总势能； ψg--重力势； ψp—压力势，包括基质势ψc(或称基膜势)和气压势ψa； ψs--溶质势(渗透压势)； ψT—温度势。
图5-7 均质包气带水分分布
>>由此往下，进入支持毛 细水带，土壤含水量随着接 近潜水面而增大。支持毛细 水带是在毛细力作用下，水 分从潜水面上升形成的(图 5-7)。因此，它与潜水面有 密切的水力联系，随潜水面 的变动而变动。
>>在潜水面之上有一个含 水量饱和(体积含水量等于 孔隙度)的带，称为毛细饱 和带。
6.4 包气带渗透系数与含水量的关系
>>在饱水带中，任一特定的均质岩层，渗透系数K是常数。
>>溶质势的产生是由于可溶性物质(例如盐类)，溶解于土 壤溶液中，降低了土壤溶液的势能所致。
>>当包气带土-水系统中，存在半透膜(只允许水流通过而 不允许盐类等溶质通过的材料)时，水将通过半透膜扩散到溶 液中去，这种溶液与纯水之间存在的势能差为溶质势，也常 称为渗透压势。
>>当包气带土-水系统中，不存在半透膜时，这一现象并不 明显影响整个包气带水的流动，一般可以不考虑。但在植物 根系吸水时，水分吸入根内要通过半透性的根膜，土壤溶液 的势能必须高于根内势能，否则植物根系将不能吸水，甚至 根茎内水分还被土壤吸取。
具有的重力势能ψg=Z；反之，在基准面以下Z时，重力势能为 ψg=-Z。
6.1.2 压力势
相对于大气压力所存在的势能差为压力势，包括气压势和基 质势(或称基膜势)。
第六章包气带水水文地质学基础
附加表面压强的产生：
设想切取一个半径为R 的半圆球形液面。 显然,在液面的圆周状 边线上都存在着指向液层 内部的表面张力；其合力 为α·2πR,垂直于面积为 πR2的投影圆面。
表面张力引起的附加表面压强为：
2R 2 Pc 2 R R
弯液面下的液体实际承受到的表面压强（实际 表面压强）等于大气压强P0与附加表面压强Pc之和 ，即： P = P 0 + Pc
与毛细势；
• 饱水带任一点的压力水头是个定值,包气带的 压力水头是含水量的函数；
• 饱水带的渗透系数是个定值,包气带的渗透系
数随含水量的降低而迅速变小的函数。
降水入渗补给包气带分为：
• 活塞式入渗——piston infiltration/
diffusion infiltration，即下渗水流犹如
R1=R2=r，则得：
2 Pc r 4 Pc D
二、毛细负压及其测定方法
凹形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强, 称为毛细负压。 凹形弯液面的水,由于表面张力的作用,要比
平的液面小一个相当于Pc的压强；或者说,凹形弯
液面下的水存在一个相当于Pc的真空值。
• 简单实验:
使两个玻璃圆 球保持一定间隙,然 后向此间隙滴水,可 看到两个圆球在接
6.2 土壤水势及其组成
• 3.基质势：是由非饱和基质对水的吸附力和毛细力 产生的。此力将水束缚在土壤中，使土壤水的势能 低于自由水。 只存在于包气带固、气、液三相并存时存在； 大小与岩性、含水量状况有关； 饱和带的基质势为零。
6.2 土壤水势及其组成
• 4.溶质势：溶质势是由于溶质溶于水后，因溶质对 水分子的吸引力，降低了土壤溶液的势能，当土-水 系统中存在半透膜（只允许水通过不允许盐类通过 ）时，水将通过半透膜扩散到溶液中去，这种溶液 与纯水之间存在的势能差即溶质势（也称渗透势） 。它恒为负，只有在半透膜存在情况下才起作用， 但土壤中一般不存在半透膜，因此溶质势不显著影 响水分运动。植物根系存在不完全半透膜，因此考 虑植物根系吸水问题是必须考虑溶质势，且只有当 土壤溶液的势能高于根内势能时，植物根系才能吸 收土壤水，否则不能吸水甚至反被土壤吸水。
水文地质学基础.ppt
含水层中渗透系数变化不大的含水层。
均质含水层中，同一点渗透系数在空间各方向上 都是相同的，称之为各向同性含水层。反之，称为 各向异性含水层。
非均质含水层： 含水层的透水性能随区域坐标而变化，即渗透系
数在含水层不同空间位置数值不同。
3．含水层水文地质特征的定量表示
渗透系数（K）：表示含水层过水能力 的大小。
隔水层对地下水的阻隔作用，称为隔水作用。自然
界中岩石的隔水作用是相对的，对于单位厚度的隔水 层，当水压达到一定数值时，没有一种是不透水的。 因而，在实际工作中对隔水层的确定与确定含水层一 样，都是结合工作区岩层结构的特点，进行相对比较 而确定的。例如：含煤地层中的亚砂土相对粘土是含 水的，但相对于富含水的砂砾石可视为隔水层。砂岩 相对富含水的岩溶化灰岩可视为隔水层，而相对于页 岩又可作为含水层。如峰峰某矿石灰岩层，在标高 +50～-100米时，岩溶发育，分布有构造溶蚀破碎带， 标高为-100～-250米时，岩溶不发育，属弱含水带。一 般把下部的弱含水带，作为上部强含水带的相对隔水 层。
1.1水文地质学基础
埋藏在地表下面土中孔隙、岩石孔隙和裂隙中的水，称为地下水。 地下水分布很广，与人们的生产、生活和工程活动的关系也很
密切。它一方面是饮用、灌溉和工业供水的重要水源之一，是宝贵 的天然资源。但另一方面，它与土石相互作用，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 ，如滑坡、岩溶、潜蚀、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等，给工程的 建筑和正常使用造成危害。因此，在工程的设计与施工中，当考虑 隧道围岩的强度与稳定性、地下开采及矿井涌水等问题时，都必须 研究地下水的问题，研究地下水的埋藏条件，地下水的类型及其活 动的规律性，以便采取相应措施，保证建筑物的稳定和正常使用。
均质含水层中，同一点渗透系数在空间各方向上 都是相同的，称之为各向同性含水层。反之，称为 各向异性含水层。
非均质含水层： 含水层的透水性能随区域坐标而变化，即渗透系
数在含水层不同空间位置数值不同。
3．含水层水文地质特征的定量表示
渗透系数（K）：表示含水层过水能力 的大小。
隔水层对地下水的阻隔作用，称为隔水作用。自然
界中岩石的隔水作用是相对的，对于单位厚度的隔水 层，当水压达到一定数值时，没有一种是不透水的。 因而，在实际工作中对隔水层的确定与确定含水层一 样，都是结合工作区岩层结构的特点，进行相对比较 而确定的。例如：含煤地层中的亚砂土相对粘土是含 水的，但相对于富含水的砂砾石可视为隔水层。砂岩 相对富含水的岩溶化灰岩可视为隔水层，而相对于页 岩又可作为含水层。如峰峰某矿石灰岩层，在标高 +50～-100米时，岩溶发育，分布有构造溶蚀破碎带， 标高为-100～-250米时，岩溶不发育，属弱含水带。一 般把下部的弱含水带，作为上部强含水带的相对隔水 层。
1.1水文地质学基础
埋藏在地表下面土中孔隙、岩石孔隙和裂隙中的水，称为地下水。 地下水分布很广，与人们的生产、生活和工程活动的关系也很
密切。它一方面是饮用、灌溉和工业供水的重要水源之一，是宝贵 的天然资源。但另一方面，它与土石相互作用，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 ，如滑坡、岩溶、潜蚀、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等，给工程的 建筑和正常使用造成危害。因此，在工程的设计与施工中，当考虑 隧道围岩的强度与稳定性、地下开采及矿井涌水等问题时，都必须 研究地下水的问题，研究地下水的埋藏条件，地下水的类型及其活 动的规律性，以便采取相应措施，保证建筑物的稳定和正常使用。
水文地质学基础 毛细现象与包气带水运动
本节小结
毛细现象 毛细负压及其计算、测量 包气带水运动的特点
思考题
毛细现象的实质 包气带水的运动与饱水带的区别
谢谢！敬请批评指正！
在包气带中，毛细负压是含水率的函数 毛细负压随含水量的变小而负值变大
在包气带中，K 也是含水量的函数 渗透系数与含水量呈非线性关系 随含水量降低而迅速变小
包气带水运动的描述
包气带水的运动与饱水带的区别
包气带水的运动，同样可以用达西定律描述，但与饱水带的运动相比，有 三点不同： 饱水带只存在重力势，包气带同时存在重力势与毛细势 饱水带任一点的压力水头是个定值，包气带压力水头则是含水量的函数 饱水带的渗透系数是个定值，包气带的渗透系数随含水量的降低而变小
毛细负压的测定
毛细上升高度与悬挂毛细水
最大毛细上升高度与毛细管直径成反比。颗粒细小的土，最大毛细上升高中，细粒层中可形成悬挂毛细水 悬挂毛细水的上下端均出现弯液面
包气带水分分布及运动
由地表向下某一深度内含水量为一定值，相当于残留含水量（ cW ），为反抗 重力保持于土中的最大持水度。与其下的支持毛细水及潜水不发生水力联系 支持毛细水带：含水量随着接近潜水面而增高 毛细饱和带（张力饱和带）：在潜水面之上，含水量饱和（体积含水量等于孔 隙度）的带
表面张力公式： α：表面张力系数，单位dyn/cm（1dyn=10−5 N）
因表面张力的作用，弯曲的液面将对液面以内的液体产生附加表面压强，指 向液体表面的曲率中心方向 凸起的弯液面，对液面内侧的液体，附加一个正的表面压强 凹进的弯液面，对液面内侧的液体，附加一个负的表面压强 实际表面压强：弯液面内液体实际承受的表面压强 附加压强（毛细压强）：弯液面产生的附加压强
提纲
毛细现象的实质 毛细负压 毛细上升高度与悬挂毛细水 包气带水分分布及运动
水文地质学基础(第六版)第6章_包气带水
f=αL α：表面张力系数,单位为dyn/cm （1dyn=10-5N） 。
表面张力的作用：
表面张力使弯曲的液面将对液 面以内的液体产生附加表面压 强；
附加表面压强的方向：总
是指向液体表面的曲率中心方 向：
凸的弯液面,对液面内侧的液 体,附加一个正表面压强；
凹的弯液面,对液面内侧的液 体,附加一个负表面压强。
H=Z + hp = 0 （Z=0，hp =0） B点（包气带支持毛细水 的弯液面位于潜水面B 处），该点上支持毛细 水的水头值： H=Z–hc=0–hc= -hc （Z=0，hp=-hc） 即比周围潜水面水头低hc。
c点：因B点比周围 潜水面水头低hc， 在此水头差驱动下， 毛细水将上升。毛 细水弯液面上升到 hc处时，弯液面处 c点的水头：
一、毛细现象的实质
毛细实验：
松散颗粒中毛细上升高度
(1)装样：选择一种砂样,均匀密实 地装入玻璃管内。
(2)观测毛细上升速度：将装有试 样的玻璃管放入水槽内的透水 石上,使玻璃管的下端紧贴水面。 准确记录对应不同毛细上升高 度的时间。也可记录对应不同 时刻的毛细上升高度。
毛细上升高度测定装置图
1-铜丝网 2-透水石 3-玻璃管 4-砂样 5-水槽 6-进水管
悬挂毛细水：
细粒层与粗粒层 交互成层时，在一
定条件下，由于上 下弯液面毛细力的
作用，在细土层中 会保留与地下水面 不相连接的毛细 水—悬挂毛细水。
孔角毛细水：
在包气带中颗粒接 触点上悬留孔角毛细 水（触点毛细水）。
颗粒接触处孔隙总 可以达到毛细管的程 度而形成弯液面，将 水滞留在孔角上。
毛细现象的实质： 毛细现象的产生与表面张力有关。
三、毛细上升高度与悬挂毛细水
表面张力的作用：
表面张力使弯曲的液面将对液 面以内的液体产生附加表面压 强；
附加表面压强的方向：总
是指向液体表面的曲率中心方 向：
凸的弯液面,对液面内侧的液 体,附加一个正表面压强；
凹的弯液面,对液面内侧的液 体,附加一个负表面压强。
H=Z + hp = 0 （Z=0，hp =0） B点（包气带支持毛细水 的弯液面位于潜水面B 处），该点上支持毛细 水的水头值： H=Z–hc=0–hc= -hc （Z=0，hp=-hc） 即比周围潜水面水头低hc。
c点：因B点比周围 潜水面水头低hc， 在此水头差驱动下， 毛细水将上升。毛 细水弯液面上升到 hc处时，弯液面处 c点的水头：
一、毛细现象的实质
毛细实验：
松散颗粒中毛细上升高度
(1)装样：选择一种砂样,均匀密实 地装入玻璃管内。
(2)观测毛细上升速度：将装有试 样的玻璃管放入水槽内的透水 石上,使玻璃管的下端紧贴水面。 准确记录对应不同毛细上升高 度的时间。也可记录对应不同 时刻的毛细上升高度。
毛细上升高度测定装置图
1-铜丝网 2-透水石 3-玻璃管 4-砂样 5-水槽 6-进水管
悬挂毛细水：
细粒层与粗粒层 交互成层时，在一
定条件下，由于上 下弯液面毛细力的
作用，在细土层中 会保留与地下水面 不相连接的毛细 水—悬挂毛细水。
孔角毛细水：
在包气带中颗粒接 触点上悬留孔角毛细 水（触点毛细水）。
颗粒接触处孔隙总 可以达到毛细管的程 度而形成弯液面，将 水滞留在孔角上。
毛细现象的实质： 毛细现象的产生与表面张力有关。
三、毛细上升高度与悬挂毛细水
水文地质学课件ppt课件
岩石水理性质的意义
影响地下水的赋存状态、分布规律、运动特征以及地下水资源评价和开发利用等。
达西定律是描述地下水运动的基本定律，它表明地下水的运动速度与水力梯度成正比，而与地下水的粘滞性成反比。
地下水运动基本规律
包括含水层的渗透性、地下水的粘滞性、地形地貌、地质构造和气候条件等。
地下水运动的影响因素
生物性污染
加强污染源监管，减少污染物排放。
源头控制
采取工程措施，如截污沟、防渗墙等，防止污染物进入地下水。
过程阻断
对已污染的地下水进行治理，如抽出处理、原位修复等。
末端治理
04
CHAPTER
水文地质调查方法与技术
03
研究地下水与环境的相互作用，为生态环境保护提供科学依据。
01
查明区域水文地质条件，为水资源评价、开发利用和规划管理提供依据。
生态环境保护
随着全球生态环境问题的日益严重，水文地质学将在生态环境保护中发挥更大作用，如地下水生态修复、土壤污染治理等。
多学科交叉融合
未来水文地质学将与更多学科进行交叉融合，形成更为综合的研究领域和应用方向。
国际化合作与交流
加强国际间的合作与交流，共同应对全球性的水资源和环境问题，推动水文地质学的国际化发展。
02
预测人类活动对地下水环境的影响，提出防治措施和建议。
水文地质测绘
通过野外实地观察和测量，收集地形地貌、地层岩性、地质构造、水文气象等资料，编制水文地质图件。
遥感技术应用
利用卫星、航空等遥感技术获取大范围、多时相的地表信息，提取与水文地质相关的特征信息，为区域水文地质调查提供重要手段。
利用地球物理勘探方法（如重力、磁法、电法、地震等）探测地下岩层的物理性质差异，推断地下水的赋存状态和运移规律。
影响地下水的赋存状态、分布规律、运动特征以及地下水资源评价和开发利用等。
达西定律是描述地下水运动的基本定律，它表明地下水的运动速度与水力梯度成正比，而与地下水的粘滞性成反比。
地下水运动基本规律
包括含水层的渗透性、地下水的粘滞性、地形地貌、地质构造和气候条件等。
地下水运动的影响因素
生物性污染
加强污染源监管，减少污染物排放。
源头控制
采取工程措施，如截污沟、防渗墙等，防止污染物进入地下水。
过程阻断
对已污染的地下水进行治理，如抽出处理、原位修复等。
末端治理
04
CHAPTER
水文地质调查方法与技术
03
研究地下水与环境的相互作用，为生态环境保护提供科学依据。
01
查明区域水文地质条件，为水资源评价、开发利用和规划管理提供依据。
生态环境保护
随着全球生态环境问题的日益严重，水文地质学将在生态环境保护中发挥更大作用，如地下水生态修复、土壤污染治理等。
多学科交叉融合
未来水文地质学将与更多学科进行交叉融合，形成更为综合的研究领域和应用方向。
国际化合作与交流
加强国际间的合作与交流，共同应对全球性的水资源和环境问题，推动水文地质学的国际化发展。
02
预测人类活动对地下水环境的影响，提出防治措施和建议。
水文地质测绘
通过野外实地观察和测量，收集地形地貌、地层岩性、地质构造、水文气象等资料，编制水文地质图件。
遥感技术应用
利用卫星、航空等遥感技术获取大范围、多时相的地表信息，提取与水文地质相关的特征信息，为区域水文地质调查提供重要手段。
利用地球物理勘探方法（如重力、磁法、电法、地震等）探测地下岩层的物理性质差异，推断地下水的赋存状态和运移规律。