水文学(黄锡荃)第五章 地下水的结构与运动

o 由于存在隔水层顶板而承受静水压力
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潜水与承压水特征
• 潜水
o 一般情况下，潜水分布区与补给区基本一致
• 承压水
o 承压水的分布区与补给区不一致
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潜水与承压水特征
• 潜水
o 通过包气带与地表水及大气圈之间存在密切联 系，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。
• 承压水
o 上升水流产生正增温 o 下降水流产生负增温
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地下水的受力
强结合水 弱结合水 （吸湿水） （薄膜水）
重力水
表面引力大小
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毛细水
田间持水量
支持毛细水
孔角毛细水
悬挂毛细水
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地下水体作用势
• 根据地下水的力源性质
o 重力势：水体受重力产生 o 静水压势：饱水带中上层水层静水压力产生 o 渗透压势（溶质势）：由溶质的渗透压产生 o 吸附势：由岩土对水分的吸附力产生 o 毛管势：由毛细作用力产生 o 实际应用时包气带中的总水势：重力势+基质 势
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基 质 势
负 值
5.2 地下水类型
• 按地下水的埋藏条件分
o 包气带水；潜水；承压水
• 按含水介质类型分
o 孔隙水；裂隙水；岩溶水
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包气带的结构
包气带
饱水带
承压水
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均质包气带水分分布（无降水入渗影响时）
结合水、孔角毛细水
结合水、悬挂毛细水 支持毛细水
结合水、支持毛细水 结合水、重力水
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• 山西自北向南沿太行山脉的名泉
o 晋祠泉，娘子关泉，洪山泉，郭庄泉，广胜寺 胜泉，龙子祠泉，是山西盆地的工农业发展的 主要支柱
• 广西桂林
o 桂林山水甲天下，奇特岩溶景观
• 云南的路南石林
o 壮观与气势，让游人流涟忘返
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岩溶水―桂林山水
烟雨漓江
塔山
九马山
象鼻山
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岩溶水
• 在可溶性岩石（如石灰岩、白云岩、石膏 等）的溶隙中贮存、运动的地下水 • 岩溶发育的条件
• 二十世纪中叶以后
o 主要标志是泰斯非稳定流理论的提出，及计算 机技术的应用 o 地下水水流系统的提出；地下水与环境
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地表水与地下水
地下水 地下广阔的含水介 空间分布 地表稀疏的水文网 质 季节变化性大；需要 具有天然调节功能 时间调节 筑坝建库人工调节 的地下水库 不易受污染；不易 水质 易受污染；易恢复 恢复 预先进行水质处理； 把地下水提升至地 可利用性 修建管道 表消耗能量 补给速度快，水资源 补给速度慢，深层 补给速度 可利用量大 含水层的补给更慢
• 洪积扇
o 洪流所携带的物质以山口为中心堆积成的扇形 地带
砾石，砂 粉砂 粘土
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洪积扇中的孔隙水
水动力条件
深埋带
沉积作用
岩性
地下水分带
溢出带 垂直交替带
深埋带：沉积物粗，透水性强， 补给条件好，地下水埋藏深 溢出带：地形变缓，颗粒变细， 透水性和潜水径流明显减弱，潜 水位升高，蒸发作用加强，水的 矿化度增大，受透水性差的土层 阻挡，常有泉溢出 垂直交替带（潜水堆积带）：位 于洪积扇的边缘，为洪积物与冲 积物的复合，形成砂与粘土互层， 径流缓慢，地下潜水主要消耗于 蒸发，常发生盐碱化
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含水介质
均质（非均质）：含水介质大小是否相同 各向同性（异性）：含水介质在不同方向上的 导水能力是否相同 • 均质各向同性
• 均质各向异性
• 非均质各向同性 • 非均质各向异性
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含水介质
• 连 通 性— 孔隙介质最好，其它较差 • 空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不 均匀，溶穴极不均匀；孔隙大小均匀，裂 隙大小悬殊，溶穴极悬殊 • 空隙比率—孔隙介质最大，裂隙最小 • 空隙渗透性—孔隙介质-各向同性，裂隙与 溶穴-各向异性；造成空隙介质上述差异的 主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境
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承压水等水压线
• 某一含水层中承压水位相等的各点的连线。
o 承压水面不同于潜水面，常与地形极不吻合， 甚至高于地表面。
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地下水类型
• 按地下水的埋藏条件分
o 包气带水；潜水；承压水
• 按含水介质类型分
o 孔隙水；裂隙水；岩溶水
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孔隙水
• 埋藏于松散沉积物颗粒构成的孔隙网络中 的重力水。
o 孔隙水既可以是承压的，也可以是非承压的。 o 水量在空间分布上相对均匀，连续性好 o 一般为层状分布，同一含水层中的孔隙水具有 密切的水力联系，具有统一连续的地下水面
主要的孔隙介质类型： 洪积物：由洪流形成的沉积物 冲积物：河流沉积的物质 冰积物：冰川沉积的物质 湖积物：湖泊沉积的物质
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洪积扇中的孔隙水
• 与水分的贮容、运移有关的岩石性质
o 透水性：指在一定条件下，岩土允许水通过的 性能 渗透系数：与岩土空隙的直径大小和连通性有 关，其次和空隙的多少有关。 o 贮水性：承压含水层的释水性能 贮水系数（释水系数）
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含水介质的水理性质
小 土壤颗粒 大
粘土
孔隙度 给水度 持水度 渗透系数
砂土 ＞
＜ ＞ ＜
包气带的水分交换
P E,T
R1
R2
G
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包气带特征
• 包气带zone of aeration; zone of unsaturation
o 岩石空隙未被水充满 o 是固、液、气三相介质并存介质
• 水的存在形式
o 结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水
• 包气带是饱水带中地下水参与水文循环的 一个重要通道
o 饱水带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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饱水带特征
• 饱水带 saturation zone • 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
o 重力水：连续分布（孔隙是连通）→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。 o 结合水
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冲积平原中的地下水
• 河道或古河道：沉积颗粒较粗的砂，渗透性好， 利于接受地表水与降水的入渗补给，地下水埋深 大，水质良好。 • 由河道自两侧，岩性变细，渗透性变差，地下水 位变浅，蒸发增加，矿化度增大。
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裂隙水
• 存在于岩石裂隙中的地下水。
o 裂隙水的埋藏、分布与运动规律，受岩石的裂 隙类型、裂隙性质、裂隙发育的程度的控制。 o 裂隙水主要分布于基岩广布的山区，平原地区 一般仅埋藏于松散沉积物所覆盖之下的基岩中， 在地表极少出露。
• 含水层 aquifer
o 能够透过并给出相当数量水的岩层
• 隔水层 aquifuge
o 不能透过与给出水，或透过与给出水微不足道 的岩层
• 弱透水层 aquitard
o 介于含水层与隔水层之间
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地下水流系统
随对地下水开采规模的增大，人类对地下水流系统的理解
单井取水
井群采水
大规模开采
• 水井附 近小范 围含水 层
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含水介质的水理性质
• 与水分的贮存、运移有关的岩石性质 • 包括岩土的容水性、持水性、给水性、贮 水性、透水性及毛细性等
o 容水性：在常压下岩土空隙能够容纳一定水量 的性能； 容水度：岩土容纳水的最大体积与岩土总体积 之比
容水度
一般条件 容水度 ≤ ＞ 膨胀性粘土
孔隙度
孔隙度
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含水介质的水理性质
• 整个含 水层
• 地下水 流动系 统
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地下水流动系统
• 由源到汇的流面群构成，具有统一时空演 变过程的地下水体
o 空间上的立体性，自上到下呈现多层次的结构 o 流线组合的复杂性和不稳定性，难以区分主流 和支流 o 流动方向上的下降下上升的并存，并不一定是 从高处流向低处。地下水流方向在补给区表现 为下降，在排泄区往往表现为上升
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蓄水构造
• 由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能 够富集和贮存地下水的地质构造体 • 蓄水构造体的形成条件
o 要有透水的岩层或岩体所构成的蓄水空间； o 有相对的隔水岩层或岩体构成的隔水边界； o 具有透水边界，补给水源和排泄出路
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地下水的贮存空间
• 含水介质 porous media
o 既能透水、又饱含水的多孔介质
o 可溶岩的存在 o 可溶岩是透水的 o 地下水具有侵蚀能力（含CO2） o 地下水是流动的
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岩溶系统的演化过程
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岩溶水的特点
• 分布的不均匀性
o 岩溶空隙的空间不均匀；透水性差异
• 地下径流动态不稳定
o 层流与紊流共存； o 局部流向与整体流向常不一致
• 地表径流与地下径流，无压流与有压流相 互转化 • 岩溶地区的地下水分水线与地表水分水线 一般不相重合
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潜水与承压水定义
• 潜水
o 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
o 充满于两个稳定隔水层间的含水层中的地下水
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潜水与承压水特征
• 潜水
o 潜水面上没有稳定的隔水层，通过包气带中的 孔隙与大气相连通，潜水面上任一点的压强等 于大气压强，不承受静水压力。
• 承压水
o 受外界的影响相对要小，动态变化相对稳定 o 水质类型多样
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潜水位与承压水位
• 潜水位
o 潜水的自由水面的海拔高度
潜水埋深 潜 水 位
• 承压水位
o 承压水在静水压力作用下沿钻孔上升后的海拔 高度
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潜水等水位线图
潜水等水位线图：
潜水位相等的各点连线 潜水等水位线随随地形 条件变化，上下起伏， 形成向排泄区斜倾的曲 面，但曲面的坡度比地 面起伏要平缓得多。
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地表水
地下水库
• 补给资源量
o 降水、地表水的入渗补给 o 抽取地下水可能会增加地下水的补给（傍河取水）
• 储存资源量
o 起着调节作用——保证供水均衡稳定性 o 调节能力是有限度的，有借有还
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地下水的取水建筑物
管井（机井）:井径150-600mm，深度：20-300m
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地下水的取水建筑物
筒井（大口井）：井径2-5 m，深度：＜40 m。
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5.3 地下水的补给和排泄
• 地下水循环
o 地下水的补给、径流与排泄过程。简称为地下水的 补径排条件。
• 地下水的补给方式
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地下水流动系统的水力联系
• 由源到汇的流面群构成，具有统一时空演 变过程的地下水体
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地下水流动系统的水质演变
• 局部：流程短，流速快（交替快），TDS 低， 水型简单 • 区域：流程长，流速慢（交替迟缓），TDS 高， 水型复杂，具有垂直与水平分带性
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地下水流动系统的水温变化
• 地温分布曲线受水流作用影响
坎儿井有什么好处？
减小引水过程的蒸发损失 避免风沙危害少
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5.1 地下水的储存空间――含水介质
• 松散岩石中的孔隙
o 孔隙度：孔隙体积与包括孔隙在 内的岩土体积之比
• 坚硬岩石中的裂隙
o 裂隙率：裂隙体积与包括裂隙在 内的岩土体积之比
• 可溶性岩石中的岩溶
o 岩溶率：溶隙体积与包括溶隙在 内的岩土体积之比
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孔隙度的影响因素
• 与粒径大小有关？
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孔隙度的影响因素
• 颗粒排列方式
最松散排列 47.64%
最紧密排列 25.95%
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孔隙度的影响因素
• 分选性
o 分选程度愈差，孔隙度愈小
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常见岩石的孔隙度
矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？
矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%— 达到70%
第五章 地下水的结构与运动
• 地下水是存在于地表以下岩（土）层空隙 中的各种不同形式水的统称
2008年水资源公报数据
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地下水水文学的发展历史
• 1856年前的萌芽时期
o 由逐水而居到凿井取水，开始认识并积累地下 水知识。
• 1856年到二十世纪中叶的奠基时期
o 1856年，法国水力工程师达西提出了著名“达 西定律”，为地下水定量计算提供了理论依据
• 与水分的贮容、运移有关的岩石性质
o 持水性：岩土在重力作用下，依靠分子力和毛 管力仍然保持一定水分的能力 持水度：饱水岩土经重力排水后所保持水的体 积和岩土总体积之比 o 给水性：饱水岩土在重力作用下能自由排出水 的性能； 给水度：饱水岩土在重力作用下，能自由排出 水的体积和岩土总体积之比
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含水介质的水理性质
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地下水的取水建筑物
斜井：倾角20-40°，
斜长：50-200 m， 垂直深度一般 ＜100m。
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地下水的取水建筑物
坎儿井：干旱地区利用地下渠道截引
砾石层中的地下水，引至地面
开挖时先打一眼竖井，称定位井。 发现地下水后沿拟定渠线向上下 游分别开挖竖井，作为水平暗渠 定位、出渣、通风和日后维修孔 道。 暗渠首段是集水部分,中间是输 水部分,出地面后有一段明渠和 一些附属工程。
裂隙类型：成岩裂隙 风化裂隙 构造裂隙
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裂隙水的特点
• 与孔隙水相比，裂隙水具有以下特点
o 裂隙水埋藏与分布极不均匀 o 裂隙水的动力性质比较复杂 o 基岩裂隙的发育具有明显的分带性，通常由地 表向下随着深度的增加，裂隙率迅速递减
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孔隙水与裂隙水的比较
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岩溶水
• 济南泉城
o 蕴育滋养了济南的文明与发展