水文地质学 第三章__地下水的赋存.

第三章地下水的赋存

3.1 包气带与饱水带

地下水面以上称为––––包气带,或非饱和带(unsaturated zone。地下水面以下称为––––饱水带,或饱和带(saturated zone 。

包气带水主要通过大气降水,毛细作用

从地下水面输送水分,获得补给。雨季,包气带中的水以下渗为主,雨后,通过蒸发与植物蒸腾向大气圈排泄。

包气带是饱水带与大气圈联系的必经之路。饱水带通过包气带获得大气降水和地表水的补给,又通过包气带蒸发与蒸腾排泄到大气圈→参与水循环。

饱水带岩石空隙全部为液态水所充满。水体是连续分布的,能够传递静水压力,在水头差的作用下,可发生连续运动。饱水带中的重力水––––是开发利用或排除的主要对象。

研究水的运动规律––––土壤水动力学

研究水的运动规律––––地下水动力学

大气

3.2 含水层、隔水层与弱透水层

岩层按渗透性分为:

透水层––––含水层;

不透水层––––隔水层。

1.含水层(aquifer––––饱含水的透水层。既含水又透水。

2.隔水层(aquifuge 既不含水也不透水;aquiclude 含水不透水––––不透水层。

构成含水层的条件:

a. 岩层发育有储水空隙;

b. 有隔水层阻挡;

c. 有水的补给来源;

d. 适当的地形地貌条件。

含水层与隔水层是相对的。含水层与隔水层的定义取决于运用它们的具体条件: 1同一岩层,在有些地方作为含水层,而在另外一些地方作为隔水层(用水量不同;

2同一岩层,当涉及某一问题时作为含水层,而涉及另外一些问题时作为隔水层(涉及问

题不同。

如:大型供水与小型供水:亚砂土;矿山排水与小型供水:相对于O岩溶水,C-P砂

页岩作为隔水层;在缺水地区,C-P中的砂岩可作为含水层。

3.弱透水层(aquitard––––渗透性较差的岩层,相邻含水层通过其发生越流时,进行水量交

换。

在相当长一个时期内,人们把隔水层看作是绝对不透水的,20世纪40年代雅可布(C.

E. Jacob提出越流概念后,人们才逐渐认识到性质上介于隔水层与透水层之间的–––弱透水层。

弱透水层往往过水断面较大→交换水量也较大。

自然界中不存在绝对不发生渗透的岩层。同时还要考虑时间尺度,如在含水层中抽水时,有的岩层短期内透水性不明显,但长时间抽水时,水位下降,透水明显。含水层与整个弱透水层一起构成一个统一的含水系统。

有的岩石顺层透水,垂直层面隔水。如页岩与薄层石灰岩互层时,往往顺层透水,而垂直层面隔水。

3.3 地下水分类

地下水这一名词有广义与狭义之分:

a. 广义地下水––––指赋存于地面以下岩土空隙中的水,包括包气带及饱水带岩石空隙

中的水(subsurface water––––包括soil water和ground water。

b. 狭义地下水––––指赋存于饱水带岩土空隙中的水(ground water。

长期以来水文地质学着重研究饱水带中的重力水。现在开始重视包气带水的研究。因为人们认识到在“三水”(大气水、地表水、地下水转化过程中包气带是必经之路。

由于埋藏条件,含水介质类型对地下水水量、水质的时空分布有决定意义,所以按埋藏条件和含水介质(空隙类型对地下水进行划分:

1.按埋藏条件:包气带水、潜水、承压水;

2.按含水介质(空隙类型:孔隙水、裂隙水、岩溶水;

3.综合分类(见P29:表3–1地下水分类表。如:孔隙潜水,孔隙承压水。表3–1 地下水分类表

3.4 潜水

phreatic water

underground water

1.概念

潜水––––饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称作潜水。特征:

a. 潜水没有隔水顶板,或只有局部的隔水顶板;

b. 潜水面(water table为自由水面(不承受除大气压以外的附加压力;

c. 从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层的厚度(M;

d. 潜水面到地面的距离为潜水埋藏深度(D;

e. 潜水含水层厚度与潜水面埋藏深度随潜水面的升降而发生相应的变化。

2.补、径、排特点

1由于潜水含水层与包气带直接连通,无隔水顶板,因而在其全部分布范围内都可通

过包气带接受大气水,地表水等的补给;

2在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方径流;

3排泄:

a. 径流排泄:径流到低洼处,以泉、泄流的形式向地表或地表水体排泄;

b. 蒸发排泄:土面蒸发和植物蒸腾→大气;

c. 向其它含水层排泄。

3.动态特点及其影响因素

主要影响因素:是气象、水文因素。由于潜水与大气圈及地表水圈联系密切,因此,动态特点:具有明显的季节性。

a. 丰水季节或年份:补给量>排泄量,水位上升,埋藏深度变小;

b. 干旱季节:补给量<排泄量,水位下降,埋藏深度变大。 4.资源特点

1水量易于补充恢复,由于厚度有限,通常缺乏多年调节性; 2水质:

a. 湿润气候及地形切割强烈地区,有利于径流排泄,为含盐量不高的淡水;

b. 干旱气候下的盆地、平原,以蒸发排泄为主,常形成含盐量高的咸水; 3易受污染,对水源应注意卫生防护。 5.潜水等水位线图

潜水面特点:潜水面是向排泄区倾斜的曲面,起伏大体与地形一致而较缓和。潜水位––––潜水面上任一点的高程称为潜水位。等水位线图––––潜水位相等的各点的连线。作图:a. 内插法:线性插值公式(数值分析,或平面几何的直线方程,由已知两点坐标求第三点坐标的方法来作图;b. 修正:根据水文地质条件和原理对不符合实际的点进行相应的修正。

K 3K 2

22.4

21.2

?y 2

4X ,y 22

(X ,1

12

2

1y y x x ???=

?式中:2x ?––––两孔间的水平距离;1x ?––––插值点与k 1孔(低水位孔间的水平距离;

2y ?––––两孔间的水位差;1y ?––––插值点与k 1孔(低水位孔间的水位差。

从等水位线图可得:

1潜水流向––––垂直等水位线,由高到低为潜水流向;

2潜水面坡度––––相邻两等水位线的水位差Δy 除以其水平距离Δx (用比例尺换算,当坡度不大时,水力梯度I :

αtan =??=

x

y

I 3潜水埋藏深度,根据等水位线图和地形图;

4潜水与地表水体的补给关系:

a. 地下水补给地表水→流向箭头指向地表水;

b. 地下水排泄地表水→流向箭头离开地表水。 5渗透性:

a. 等水位线密,渗透性弱,K 小;

b. 等水位线稀,渗透性强,K 大。 6.潜水的基本特点

上面没有连续的隔水层,与大气圈、地表水圈联系密切,埋藏浅,积极参与水循环。

3.5 承压水

confined water 1.概念

承压水––––充满于两个隔水层(或弱透水层之间的含水层中的水叫做承压水。

?y

?x

α

隔水顶板：承压含水层上部的隔水层；隔水底板：下部的隔水层。：隔水顶、底板之间的距离为承压含水层的厚度（不变）。承压含水层厚度（M）2．基本特点 1）承压性，P31 图 3–6 为一个基岩向斜盆地，中部埋没于隔水层之下的是承压区，两端出露于地表为非承压区； 2）含水层从出露位置较高的补给区获得补给，向另一侧出露位置较低的排泄区排泄； 3）钻孔揭穿隔水顶板时，钻孔中的水位上升； 4）承受大气压强以外的附加压强；。附加压强––––钻孔中静止水位到含水层顶面之间的距离（或叫承压高度 H）测压水位（水位）––––井中静止水位的高程称为测压水位。测压水位高于地表的范围是承压水的––––自溢（流）区（自喷出水）。 3．补、径、排特点 1）顶、底板隔水，通过含水层出露于地表的补给区获得补给；通过范围有限的排泄区排泄→以泉、径流等方式向地表或地表水体排泄； 2）顶、底板为弱透水层时： a. 除含水层出露的补给区补给外； b. 还可从上下含水层获得越流补给，也可向上下含水层越流排泄； 3）参与水循环不如潜水积极。 4．动态特点 1）气象、水文因素对其影响较小； 2）动态比较稳定。 5．资源特点 1）资源不易补充、恢复； 2）含水层厚度较大，资源具有

多年调节性； 3）水质： a. 若与外界联系密切→参与水循环积极：含盐量较低的淡水； b. 若与外界联系差→水循环缓慢：水的含盐量高。 6

6．等水压线图将承压水含水层测压水位相等的各点连线––––等水压线图。从图： a. 确定流向； b. 水力梯度； c. 测压水面是一个虚构的面，通常要附加含水层顶板等高线。 7．判断承压含水层和其它含水层的补给关系 a. 水位：水位高，则补给其它含水层；水位低则排泄其它含水层； b. 通道？有没有通道？ 8．潜水与承压水的不同 1）接受补给时： a. 潜水：水位升高，厚度加大； b. 承压水：测压水位上升，孔隙水压力增加，受隔水顶板的限制，厚度增加不明显，水的密度加大，有效应力降低，空隙度增大。增加的水量通过水的密度加大及含水层空隙的增加而容纳。 2）排泄时： a. 潜水：水位降低，厚度变小； b. 承压水：测压水位降低，水的密度变小，含水介质空隙减小。 3）参数； a. 潜水→给水度（μ） b. 承压水→贮水系数（S 或 μ*）（或弹性给水度）（见图 3—8，P34）。贮水系数––––指测压水位下降（或上升）一个单位深度，单位水平面积、高度等于含水层厚度的含水层柱体中释出（或储存）的水的体积。测定：野外抽水试验。与潜水相比，参数的定义相似，但释水的机理不同： a. 潜水：水位下降时，释出的水来自部分空隙的排水（水的疏干），含水层厚度变小， μ：0.02 ~ 0.35； 7

b. 承压水：测压水位下降时，释出的水来自水体积膨胀，含水介质的压密，参数与厚度有关，S：0.005 ~ 0.00005，较潜水小 1 ~ 3 个数量级。开采承压含水层往往会形成大面积的测压水位的大幅度下降→甚至形成大范围的水位降落降漏斗。4）由于上部受隔水层的限制，与大气圈、地表水圈联系较差，水循环也缓慢得多。 5）承压水不像潜水那样容易受污染，但，一旦污染后则很难使其净化。3．6 ．潜水与承压水的相互转换如山前倾斜平原分布着潜水，进入平原后，弱透水的粘土层与砂层互层，形成承压水。在这类孔隙水系统中：从山前→平原（水平方向）；潜水→承压水→潜水（排泄）。平原区（垂向上）：承压性自上而下逐渐增强。作为分类，潜水与承压水的界限是十分明确的，但自然界的情况是复杂的，具体问题要具体分析（有过度：微承压水）。 3．7 ．上层滞水perched water 当包气带存在局部隔水层（或弱透水层）时，局部隔水层（弱透水

层）上会积聚具有自由水面的重力水––––上层滞水。补给：大气降水。排泄：蒸发，通过隔水底板的边缘下渗排泄。只有在缺水的地区才能成为小型供水水源或暂时性供水水源。 8