1、5 地下水的结构与运动,地下水系统的组成与结构 地下水类型 地下水的补给与排泄 地下水运动 地下水的动态与平衡,5.1 地下水系统的组成与结构,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。一、地下水的贮存空间1.含水介质、含水层和隔水层通常把既能透水，又饱含水的多孔介质称为含水介质,这是地下水存在的首要条件。所谓含水层是指贮存有地下水，并在自然状态或人为条件下，能够流出地下水来的岩体。对于那些虽然含水，但几乎不透水或透水能力很弱的岩体，称为隔水层。2.含水介质的空隙性与水理性含水介质的空隙性:裂隙率(KT)、岩溶率(Kk)与
2、孔隙率(n) 。含水介质的水理性质 :与水分的贮容、运移有关的岩石性质称为含水介质的水理性质，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。,3.蓄水构造指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。主要有：单斜蓄水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄水结构、岩溶型蓄水结构等。二、地下水流系统地下水虽然埋藏于地下，难以用肉眼观察，但它象地表上河流湖泊一样，存在集水区域，在同一集水区域内的地下水流，构成相对独立的地下水流系统。1.地下水流系统的基本特征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地下水流系统，又称地下水流动系。
3、与地表水系相比较具有如下的特征:空间上的立体性;流线组合的复杂性和不稳定性;流动方向上的下降与上升的并存性; 区域范围一般比较小。,2.地下水域地下水流系统的集水区域,为立体的集水空间。地下水域范围变化快,在地表上均存在相应的补给区与排泄区.三、地下水系统垂向结构1.地下水垂向层次结构的基本模式包气带:土壤水带、中间过渡带及毛细水带等3个亚带;存在结合水(包括吸湿水和薄膜水)和毛管水；饱和水带:潜水带和承压水带两个亚带,存在重力水(包括潜水和承压水)。2.地下水不同层次的力学结构分子力、毛细力和重力。3.地下水体系作用势重力势、静水压势、渗透压势、吸附势等分势组合为总水势。,5.2 地下水类型
4、,地下水基本类型的划分 包气带水 饱水带水(潜水和承压水) 空隙水(孔隙水、裂隙水和岩溶水),一、地下水基本类型的划分从地理水文学角度来说，特别重视如下的分类：1.按地下水的贮存埋藏条件分类(1)包气带水结合水（分吸湿水、薄膜水）毛管水（分毛管悬着水与毛管上升水）重力水（分上层滞水与渗透重力水）(2)饱水带水潜水承压水（分自流溢水与非自流溢水）2.按岩土的贮水空隙的差异分类(1)孔隙水(2)裂隙水(3)岩溶水,二 包气带水1.包气带水的特征与包气带的类型 (1)包气带水的主要特征包气带含水率和剖面分布最容易受外界条件的影响；包气带在空间上的变化主要体现在垂直剖面上的差异;包气带含水率变化与岩土
5、层本身、岩土颗粒的机械组成有关;(2)包气带的类型厚型:土壤、中间和毛管带.薄型:厚度不到1米 过渡型:2.包气带的水分交换与动态外界水分交换和内部水分的再分配及内排水过程,发生在上、下界面上.,三、潜水1.潜水的概念和主要特征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，称为潜水. 潜水位(h)是指潜水面上任一点的海拔高程(m)；潜水埋深(T)是指潜水面距地表的铅直距离(m)；含水层厚度(H)指潜水面至隔水底板的距离(m)；潜水流水力坡度:是指潜水面上任意两点的水位差与该两点的渗透距离之比。潜水面上无隔水层,与大气相通,压强等于大气压强,不承受静水压力,潜水分布区与补给区基本一致。
6、潜水含水层通过包气带与地表水及大气圈之间存在密切联系,因此深受外界气象、水文因素的影响,动态变化比较大,呈现明显的季节变化。,2.潜水面形状及其表示方法(1)潜水面的形状:倾斜、抛物线形和水平等多种形状;(2)潜水面表示方法:水文地质剖面图和平面图。3.潜水与地表水之间的互补关系潜水与地表水之间的这种相互补给和排泄关系，称为水力联系。(1)具有周期性水力联系;(2)具有单向的水力联系; (3)具有间歇性水力联系.四、承压水承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水。1.承压水的主要特征承压性、分布区与补给区不同、动态变化相对稳定、水质类型多样。,2.承压水的形成主要取决于地质构造条件
7、, 最适宜的是向斜构造和单斜构造.3.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。五、空隙水1.孔隙水埋藏于松散岩土孔隙中的重力水。透水性、给水性的变化小，运动呈层流状态。2.裂隙水存在于岩石裂隙中的地下水。埋藏与分布极不均匀，动力性质比较复杂，基岩裂隙的发育具有明显的分带性。 3.岩溶水在溶隙中贮存、运动的地下水称.分布不均匀, 径流动态不稳定.地表与地下径流及无压流与有压流相互转化。,5.3 地下水的补给与排泄,地下水的补给来源 地下水径流 地下水排泄,一 地下水的补给来源1.降水入渗补给2.地表水入渗补给3.地下水的人工补给二 地下水径流1.地下水径流方向与径流强度方向呈平面式、
8、放射式、纵向或横向运动;强度即地下水的流动速度,与透水性、水力坡度成正比,承压水还与蓄水构造的开启与封闭程度有关。2.地下水径流类型(1)畅流型;(2)汇流型;(3)散流型;(4)缓流型;(5)滞流型.三 地下水的排泄1.泉排泄2.蒸发排泄3.泄流排泄,5.4 地下水运动,结合水运动 毛管水运动 重力水运动,地下水在岩土空隙中的运动现象统称为“渗流”.分饱和渗流和非饱和渗流.前者指饱水带的潜水和承压水在重力作用下运动;后者是指包气带中的毛管水和结合水在毛管力和骨架吸引力的控制运动,两种渗流的运动规律不同.一、结合水运动1.结合水运动基本规律结合水又分为强结合水(吸湿水)和薄膜水(弱结合水)两种
9、.其中强结合水不能流动,所以结合水运动指的是属于弱结合水的薄膜水运动。 2.结合水运动与越流渗透(5-14式)二、毛管水运动1.毛管力及毛管上升高度(5-17式)使液体在管内上升的湿润力就是毛管力。2.包气带中毛管水的运动,三、重力水运动1.重力水运动的基本形式线状流(一维流): 又称，地下水在渗流场中任意点的速度变化只与空间坐标的一个方向有关。平面流(二维流) : 其特点是地下水在渗流场中任意点的速度变化与空间坐标上的两个方向有关。立体流(三维流):流动在空间3个方向上都发生变化。2.线性渗透定律线性渗透定律是描述重力水渗流现象的基本方程。最早是由法国水力学家达西通过均质砂粒的渗流实验得出的
10、。试验发现渗透流量Q与水位差(h1-h2)成正比，其数学表达式为：3.渗透系数（k）当水力坡度I=1时，则V=k，即渗透系数在数值上等于渗流速度,表征含水介质透水性能的重要参数.,4.非线性渗透定律达西定律虽然重要，但适用于层流状态的水流，而且要求流速比较小,(常用雷诺数Re10表示).Q=kmAI1/m， 或 V=kmI1/m (535)5.线性渗透定律在地下水计算中的应用(1)潜水完整井稳定运动时涌水量的计算(2)承压水完整井稳定运动涌水量计算,5.5 地下水动态与平衡,影响地下水动态的因素 地下水动态 地下水平衡,一、影响地下水动态的因素 1.自然因素(1) 气象气候因素(2) 水文因素
11、(3) 地质地貌因素(4) 生物与土壤因素 2.人为因素 二、地下水动态 1.地下水动态的地区特征(1) 地下水动态的地区特征(2) 地下水动态的垂直分异,2.地下水动态的多年特征P260图 5-38,3.地下水动态类型(1) 渗入蒸发型(2) 渗入径流型(3) 过渡型,三、地下水平衡(Pg+R1+E1+Q1)-(R2+E2+Q2)=W (5-47)1.潜水水量平衡方程(Pg+R1+E1+Q1+Qn)-(R2+E2+Q2)=H (549) 2.承压水水量平衡方程3.地表水与地下水的转化与平衡Pg=Rs-Eg (558),6 地下水的结构与运动,人类活动的水文效应人类活动对水体水质的影响,6.1
12、 人类活动的水文效应,水利工程、农业措施对水文要素的影响 森林水文效应 城市水文效应 人类活动水文效应的研究方法,一、水利工程、农业措施对水文要素的影响,（一） 水库水文影响,1.概念：,狭义：研究水库与水文要素及变化过程之间的相互影响。,广义：研究水库与其周围的自然环境的相互作用、相互影响的问题。,2.作用：,（1）可改变流域原有的水循环系统,（2）可改变局部的气候类型,（3）水库坝上游水位的抬高，同时也抬高了上游地区的地下水位，增加了水库临近地区的地下水补给量,（二）跨流域调水水文效应,1、概念：为了改变水的地区分布，将湿润地区的部分水量 调到较干旱缺水的地区,以满足生产和生活的需要。,2
13、、跨流域调水对环境影响的过程： 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,（三）小型农田水利措施水文效应,主要包括：灌溉、排水措施、山区梯田谷坊措施、平原与区的控制措施等,（四）农业措施的水文效应,二、森林水文效应,概念：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。,（一） 森林的拦洪作用（二）森林对流域蒸散发的影响（三）森林对降水的影响（四）森林对地下水的影响（五）滥伐森林的后果,三、城市水文效应,概念：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。,（一）城市化对水文过程的影响 （二）城市水资源危机 （三）城市化对水质
14、的影响,四、人类活动水文效应的研究方法,（一）水量平衡法（二）对比分析法（三）流域水文模拟法,6.2 人类活动的水文效应,影响水体活动水质的物质的影响 天然水体水质恶化特点 水体的自净能力 水环境容量,一、影响水体水质的物质来源,1、大气降水 2、农田排水 3、城市生活污水 4、工业废水 5、工业废渣和城市垃圾淋溶水,二、天然水体水质恶化特点,（一）海洋水体水质恶化特点,1、污染源多而复杂 2、污染物持续性强，危害性大 3、污染范围大,（二）河流水体水质恶化特点,1、河流水质恶化程度随流量的大小而变化河流的污径比的大小反映河流的水质恶化程度；2、河流水质恶化影响范围广河水不断流动，搬运污染物质
15、的能力强，故上游遭受污染，很快就影响到下游；3、河流水质恶化影响大；4、河流自净能力强，水质恶化易于控制。,（三）湖泊（水库）水质恶化特点,1、湖泊、水库污染来源广、途径多，种类复杂2、湖水稀释和搬运污染物质的能力弱3、湖泊对污染物质的生物降解、累积和转化能力强,（四） 地下水水质恶化特点,1.地下水水质恶化过程缓慢2.地下水的间接恶化方式3.地下水污染物浓度高4.地下水污染难治理,三、水体的自净能力,（一）水体恶化与自净关系,1.水质恶化过程 2.水替净化过程 P图65,（二）水体的自净过程,概念：,广义：指受污染的水体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低，并恢复到污染前的水平。
16、,狭义：指水体中的微生物氧化分解有机物而使得水体得以净化的过程。,5）不稳定的污染物在自净的过程中转变为稳定的化合物。如氨转变为亚硝酸盐，再氧化为硝酸盐。,6）在自净过程的初期，水中溶解氧数量急剧下降，到达最低点后又缓慢上升,逐渐恢复到正常水平。,7）进入水体的大量污染物，如果是有毒的，则生物不能栖息，如不逃避就要死亡，水中生物种类 和个体数量就要随之大量减少。,2.水体自净体制,概念：包括沉淀、稀释、混合等物理作用：氧化还原、分解化合、吸附凝聚 等化学和物理化学作用；生物和生物化学作用等。,1）物理净化作用,（1）稀释与混合,（2）沉淀,（3）吸附与凝聚,2）化学净化作用,（1）分解与化合,（2）氧化与还原,（3）酸碱反应,3）生物净化过程,（1）生物分解作用,（2）生物转化作用,四、水环境容量,（一）水环境容量的概念和类型,1.水环境容量的概念,水环境容量是一定水体在规定水质目标下所能容纳污染物的量,2.水环境容量的类型,结束,
