地下水

第四章地下水
如何寻找地下水
结合地质、地貌和水文条件找水
山区
1 四周高、中间低的盆地中
2 三面环山、一面出口的山谷中
3 两山夹窄谷，谷中利于截堵地下水
平原
1 古河道
2 河流阶地：河漫滩上卵石多，地下潜流似暗河
3 洪积扇中找水
第一节地下水的组成与结构
地下水的概念
地下水的贮存空间
地下水流系统
地下水系统垂向结构
地下水的理化性质
地下水的概念:
广义：地表以下岩土层空隙中各种形式的水
--气态水、液态水、固态水
--结合水、毛管水、重力水
狭义：地表以下岩土层空隙中的重力水
✓分布广泛，便于就地开采：山前倾斜平原、冲积平原、滨海平
原
✓水质较优
✓开发成本相对较低
地下水资源的特点
➢系统性
干旱地区洪积扇地形水系平面图干旱区山前洪积扇水文地质剖面图➢可恢复性
➢复杂性
地下水资源开发利用中存在的问题
1 由过度抽取引起的损耗问题
➢地下水位的持续下降：地面沉降、地面塌陷、桥梁等交通受损、海水倒灌入侵
2 水涝和盐渍化问题
➢由排水不当、粗放灌溉等引起的水涝和盐渍化问题，我国西北地区土地盐渍化形势十分严峻。

➢土壤盐渍化:地下水中的盐分随毛管水上升到地表，水分蒸发后，使盐分积累在表层土壤。

它是易溶性盐分在土壤表层积累的现象或过程，也称盐碱化。

3 污染问题
●工业、生活污水的不合理排放，农业化肥、农药的施用等，导致地下水污染日益严重。

地下水环境污染呈现出由点向面、由城市向农村扩展的趋势。

全国约有一半城市市区地下水污染比较严重，由污染造成的缺水城市和地区日益增多。

地下水的贮存空间
空隙：孔隙、裂隙、溶隙松散沉积物中的孔隙连通性好
坚硬岩石中的裂隙分布不均匀
可溶性岩石中的溶隙连通性差
分选良好排列疏松的砂岩
分选良好排列紧密的砂岩
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
➢含水层：能含水并能透水的岩土层（砂层、砂砾石层）--含水带
➢隔水层：可含水但不透水的岩土层（页岩、粘土层）
➢蓄水空间：岩土层有较大空隙；为隔水层所限；有补给来源。

透水：在一定条件下，岩石允许水通过的性能，即透水性，一般用渗透系数表示。

岩石空隙的大小、多少和空隙是否彼此连通，对透水性有明显的影响。

粘土孔隙度有时虽然可达50％以上，但透水性很差，砂的孔隙度一般只有30％，但孔隙大，故透水性良好。

同一岩石在不同方向上的透水性能也不一样。

岩土水理性质
容水性:常压下，岩土空隙能够容纳一定水量的性能
岩石所容纳水的最大体积与岩石总体积之比，称为岩石的容水度
持水性:饱水岩土在重力作用下排水后，依靠分子力和毛管力保持一定水分的能力。

经重力排水后岩石空隙保持水的体积与岩石总体积之比，即岩石的持水度
给水性:饱水岩土在重力作用下能够自由排出水的性能
饱水岩土在重力作用下，自由排出水的体积与岩土总体积之比，即给水度
容水度= 持水度+ 给水度
地下水流系统
➢在一定的水文地质条件下，汇集于某一排泄区的全部水流，自成一个相对独立的系统。

➢同一地下水流系统具有相同的补给来源和排泄区。

地表水系统与地下水系统的对比
地表水系统地下水系统空间分布平面立体
流线组合简单、有规律复杂、不稳定
流动方向下降上升、下降并存
集水区域以分水岭为界岩性、地质构造控制
地下水垂向结构
土壤水：包气带土壤颗粒吸附的水分和土壤孔隙中存在的水，包括吸湿水、薄膜水、毛管水。

地下水的理化性质
温度
成层分布：日常温层、年常温层（地热增温级：33m/0c)
化学成分
化学性质
•地下水循环交替缓慢
•矿化度变化范围大（肥水：含有硝态氮和其他可溶盐的地下水）•地下水的化学成分的时间变化极为缓慢
•地下水与大气接触有很大的局限性，富集CO2、H2S、CH4等气体
•第二节地下水的类型
一、地下水的分类
●包气带水与饱水带水
●孔隙水、裂隙水、岩溶水
1.包气带水
包气带：地面以下潜水面以上的地带（非饱和带），是岩土颗粒、水、空气同时存在的一个复杂系统，具有吸收水分、保持水分和传递水分的能力。

包气带水：贮存在地下自由水面以上包气带中的水。

结合水（吸湿水、薄膜水）
毛管水（毛管悬着水、毛管上升水）
重力水（上层滞水）
上层滞水：包气带中局部隔水层之上的重力水。

其动态取决于隔水层的分布范围、厚度、透水性及埋藏深度。

因水量有限、季节性变化大，一般只能作为小型或暂时性供水水源
2. 饱水带水
➢潜水：饱水带中自地表向下第一个具有自由水面的含水层中的重力水。

➢承压水：充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水。

二、地下水的特点
1.潜水
（1）定义：埋藏在地表下第一个稳定隔水层上具有自由表面的重力水。

表征潜水特性的参数：
潜水面：隔水层上重力水的自由表面。

潜水埋藏深度：潜水面距地表的铅直距离。

含水层：潜水面到下伏隔水层之间的岩层。

（2）潜水的特点
潜水分布区与补给区基本一致。

深受外界气象、水文因素的影响，动态变化比较大。

呈现明显的季节变化。

潜水面一般包括：倾斜型、水平型、抛物线型；
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；（3）潜水的补给与排泄
潜水与地表水之间的互补关系
潜水与地表水之间的相互补给和排泄关系，称为水力联系。

周期性水力联系
单向的水力联系
常见于山前冲积扇地区及干旱沙漠区，在这些地区的地表江河
水位，常年高于地下潜水位，所以河水长年的渗漏，不断补给地下潜水。

间歇性水力联系
丘陵和低山区潜水含水层较厚的地区比较多见。

隔水层的位置介于河流洪枯水位之间。

当洪水期时河水位高于潜水位，河流与地下水之间发生水力联系，河流成为地下潜水的间歇性补给源；而在枯水期，地表水与地下水脱离接触，水力联系中断，此时仅在潜水出露点，以悬挂泉的形式出露地表。

无水力联系
地下潜水位恒高于江河水位，单向的补给河流。

潜水等水位线图:某一时间潜水位相等各点的连线
用途--
潜水流向(垂直等水位线, 水位线越密流速越大)
给排水工程(平行等水位线,垂直流向)
水力坡度
潜水埋深
潜水出露点
含水层厚度
潜水与地表水关系
判断潜水流向、潜水与河流的补给关系
➢（1）潜水的流向总是垂直于等潜水位线由高水位流向低水位。

➢（2）潜水与河流的补给关系看潜水的流向，通过作垂线来确定。

水井和排水沟位置的选择
➢1）水井位置应选在地下水埋藏较浅的地点。

➢（2）水井位置应选在潜水汇集区。

➢（3）水井位置应选在潜水汇水面积较大的地点。

➢（4）一般沿等潜水位线布置水井和排水沟。

根据疏密状况，判断潜水的流速
等潜水位线越密集的地方，潜水面坡度越陡，潜水流速越快；
等潜水位线越稀疏的地方，潜水面坡度越缓，潜水流速越慢。

根据闭合状况，判断人类对潜水的影响
（1）中心潜水位低，地下水开采过度。

（2）中心潜水位高，降水多或大水漫灌。

2.承压水
（1）定义：充满于两个稳定隔水层
之间的含水层中的地下水。

静水压力：连续水层对它层下的水
产生的压力。

（2）特征
●承压性
●承压水的分布区与补给区不一致。

●受外界的影响相对要小，动态变化相对稳定。

自流盆地示意图
1隔水层 2 含水层3地下水位4地下水流向5泉（上升泉）6钻孔7自喷钻孔8大气降水补给H压力水头高度M含水层厚度
3.包气带水、潜水、承压水对比
包气带水潜水承压水
1、埋藏条件浅较浅深
2、隔水层局部第一个稳定隔水层上下两个隔水层
3、水量小大大
4、补给来源大气降水、地表水大气降水、地表水大气降水、地表水、潜水
5、补给区与分布区一致一致不一致
6、排泄蒸发、散流蒸发、补给地表水、蒸发、补给潜水、泉
承压水
7、动态变化季节变化明显季节变化明显稳定、季节变化不明显
8、污染易污染易污染
不易污染
9、开采易易不易
甘肃月牙泉
成因：1古河道残留湖。

地势较低，由于地下潜流出露，汇集成湖。

2断层渗泉。

月牙泉南侧有一东西向的断层，断层上盘抬高了地下含水层，下盘降到附近潜水面时，潜流通出成泉。

3风蚀湖。

原始风蚀洼地随风蚀作用的加剧，当达到潜水面深度时，在新月形沙丘内湾形成泉湖。

地下暗河
指地面以下的河流。

是地下岩溶地貌的一种。

是由地下水汇集而成的地下河道，广西、贵州两省较常见。

暗河的水位、流量不稳定，旱季与雨季流量差数可达10倍或100多倍。

有些暗河水流湍急，有跌水，甚至有瀑布，有的可形成地下湖泊。

暗河水可用于供水，在一些落差大的地段，可建造地下水电站。

坎儿井
➢适用于山麓、冲积扇缘地带，截取地下潜水来进行农田灌溉和居民用水。

➢是一种结构巧妙的特殊灌溉系统，由竖井、暗渠、明渠和涝坝四部分组成。

➢构造原理是：在高山雪水潜流处，寻其水源，在一定间隔打一深浅不等的竖井，然后再依地势高下在井底修通暗渠，沟通各井，引水下流。

地下渠道的出水口与地面渠道相连接，把地下水引至地面灌溉农田。

第三节地下水水循环
一、补给、径流、排泄
➢补给来源：大气降水、地表水入渗、人工回灌
➢径流类型：畅流型、汇流型、散流型、缓流型、滞流型
➢排泄方式：点状——泉(地下水的天然露头,是含水层或含水通道出露发生地下水涌出的现象)
面状——蒸发线状——径流
二、地下水的运动
地下水的运动形式一般分为两种：层流运动和紊流运动。

地下水在岩石空隙中的运动速度比地表水慢得多，除了在宽大裂隙或空洞中具有较大速度而成为紊流外，一般都为层流。

地下水的这种运动称渗透。

1.线性渗透定律
达西定律：描述饱和土中水的渗流速度与水力坡度之间的线性关系的规律，又称线性渗透定律。

1856年，达西通过饱和砂的实验研究，发现了渗流量Q与上下游水头差（h2- h1）和垂直于水流方向的截面积A成正比，而与渗流路径长度L成反比。

Q=KA （h2- h1）/△L
=（h2- h1）/△L为水力坡度K为渗透系数
P1=（h1-Z1）ρg-----h1= Z1 + P1 /ρg
P2=（h2-Z2）ρg-----h2= Z2+ P2 /ρg
H = Z + P /ρg Z :几何水头，P /ρg：压力水头
促使水流通过土体的是水柱的高以及高于基准面的高度联合作用的结果----地下水水头
从水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面F的乘积，即Q=Fv。

据此，达西定律也可以用另一种形式表达v=K I，v为渗流速度，即水力坡度与渗流速度呈线性关系。

这个定律说明地下水通过多孔介质的速度同水力坡度的大小及介质的渗透性能成正比。

2．非线性渗透定律
当地下水流呈紊流状态，渗透速度v与水力坡度I不再是一次方的关系，
即Q=k m A I1/m或V= k m I1/m
k m为渗透系数，1/m 为流态指数，介于1/2--1之间
三、地下水的动态变化
地下水的流量、水位以及温度和化学成分，在各种因素影响下，发生日变化和季变化，称为地下水的动态。

1. 影响因素
自然因素：气象气候因素水文因素地质地貌因素生物与土壤因素
•气候是影响地下水动态的最积极的因素之一。

降水、蒸发、气温的周期性变化引起地下水相应的变化；暴雨、干旱等则造成地下水的突然性变化。

•河湖水位升降，海岸附近涨落潮，在地表水与地下水位之间有水力联系时，也常引起地下水位的变化。

•地壳的升降运动引起侵蚀基准面位置的变化，也必然引起地下水动态的改变，上升区基准面下降，地下水强烈循环，同时变淡；下降区地下水循环减慢，并发生盐化。

•植物的蒸腾作用使地下水位产生以昼夜为周期的升降。

人为因素：对地下水动态的影响是多方面的，抽水、排水工程可以降低地下水位，农田灌溉、修建水库可使地下水位增高。

2. 地下水动态
地区特征：锯齿状多峰型（华南）、双峰型（华中）、不对称单峰型（华北）、舒缓单峰型（东北）
一、名词解释
上层滞水
潜水
承压水
泉
二、简答题
1、地下水流系统与地表水流系统有何区别？
2、地下水与地表水之间的水力联系有哪几种？绘图说明。

3、过量开采地下水能带来哪些后果？应采取什么措施解决？
三、论述题
包气带水、潜水与承压水有何区别？
第五章章人类活动对水环境的影响
第一节人类活动的水文效应
水文效应：由于自然或人为因素，使地理环境发生改变，从而引起水循环要素、过程、水文情势发生变化。

人类活动对水文情势的影响：直接影响：兴建水库、跨流域调水、农田灌溉、供水排水等
间接影响：植树造林、发展农业、城市化等
一、水利工程对水文要素的影响
1、水库的水文效应
●减少入海流量
●河水运动受人工控制
●小气候效应
●土壤盐碱化
●引发工程地质问题
关于三峡水库的水文效应分析
1、小气候效应
三峡水库蓄水后，这个世界上最大的人工湖将成为全球最大的天然“空调”，三峡区域呈冬暖夏凉的气候特征。

2、对库区生态环境的影响
▪自2003年6月—2008年4月蓄水以来，总体上，水库的水质、泥沙、地震等方面的情况好于预期。

▪三峡库区干流水质基本保持稳定，与蓄水前相比无明显变化，总体达到或优于Ⅲ类水质标准。

▪由于蓄水后流速变缓，受流速、温度和污染物排放等方面的综合影响，库区部分支流局部水域富营养化趋势明显，成为三峡库区最主要的水环境问题。

3、水库蓄水与诱发地震
●三峡坝址的选择：西陵峡的三斗坪，坝址河谷开阔，基岩为坚硬完整的花岗岩，被世
界水电界称为“天然坝址”。

●以三峡坝址为中心，半径320km范围内近2000年历史记载证明，区内地震水平不高，
强度小，频度低，属典型弱震环境。

2、跨流域调水水文效应
调水→改变原有的水文情势
→自然环境的变化
→社会经济的变化
跨流域调水的水文效应可从3个影响区来分析：（1）水量输出区（2）输水通过区（3）水量调入区
南水北调工程的水文效应
水量调出区
中线工程
对汉江中下游的影响主要表现在：
●流量减少，汉江中下游河道水位下降
●丹江口库区水质变化不大，而汉江中下游河道的纳污能力会有所下降
●水库浮游动植物、底栖动物的种类组成以及现存量不会发生明显改变
●丹江口水库库容大，且坝体设有深孔，泥沙淤积不致影响水库寿命
东线工程
●总体对长江口入海水量影响不大，但应关注长江口地区的生态安全及长江干流水质
安全，尤其注意在特殊枯水期上海水源区对于盐水入侵的预防。

输水通过区
中线工程
▪改变取水口附近水生生物和沿渠两侧陆生生物的生态环境
▪与当地道路和原河道发生交叉，造成对天然河流的干扰增加对地下水的补给或成为地下水的排泄渠道，改变地下水的动态
东线工程
▪改变流量和地下水的补给量
▪改变水质和周围的小气候
▪改变河流冲刷和沉积的水动力条件
水量调入区
▪既是资源工程，又是生态工程
▪缓解京津华北平原水资源短缺的状况，缓解受水区灌溉用水与城市生活和工业用水争水的局面
改善该地区生态环境：有利于补充沿线地下水，对地面沉降等起到缓解作用；有利于城镇饮水安全，改善高氟区居民饮水质量（华北平原深层地下水已经形成了跨冀、京、津、鲁的区域下降漏斗，有近7万平方公里的地下水水位低于海平面，整个河北省已形成20多个漏斗区，总面积达4万平方公里左右
二、森林的水文效应
森林水文效应是指森林覆盖对径流、蒸发、降水等水循环要素，及河流水情、地下水、水质、泥沙等水文现象的影响。

1、森林的拦洪作用
2、森林对流域蒸散发的影响
3、森林对降水的影响
4、森林对地下水的影响
林地土壤疏松，孔隙多，渗透性强——绿色水库
三、城市水文效应
城市水文效应是指城市化所及地区内，水文过程的变化及其对城市环境的影响。

城市化的主要指标是：城市人口密度的增加，城镇建筑密度的增大，工、商企业高度密集的发展。

其中人口密度增大是首要的，大量人口拥向城市，要求住房、交通、工、商企业相应发展，则建筑面积迅速扩大。

1.城市化对水文过程的影响
▪洪水过程线比相邻农村明显变得峰高坡陡
在快速城市化区域，由于建筑物面积等不透水面积的大幅增加，导致该地区的雨水汇流特征改变的现象，其表现为洪水总量增多，洪峰流量加大，洪水汇流时间缩短。

▪城市防洪现状
▪全国670个设市城市，有防洪任务的城市639个，标准达到或超过百年一遇的只有4%，标准低于20年一遇的占50%，即300多个；标准为5年一遇或更低的城市100多个。

内涝
外河洪水位抬升，城区雨洪内水难以有效排除而致涝灾。

——洪涝不分，城市洪涝防治的主要问题
2.城市水资源危机
▪水资源量紧张
▪水污染加剧
我国将改变”谁污染、谁治理”的环境管理政策，实施“污染者付费”原则
一、名词解释
水文效应
二、简答题
1、水库的水文效应
2、森林的水文效应
3、城市化的水文效应
三、论述题
跨流域调水的水文效应。