1、地下水水文学 主讲： 杜发兴 副教授 电话： 13886728457 Email: 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 教 材 地下水水文学 张元禧 施鑫源 合编 中国水利出版社 ， 1998年 学时 32 学时 每周 4学时 (2次 ),1-11周 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 主要参考书 水文地质学基础 王大纯 张人权 史毅虹 地质出版社 ,1986 地下水动力学 陈崇希 林敏 中国地质大学出版社， 1999 绪 论 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 绪 论 一 .国内外开发利用地下水概况 国内 祖先 5600年前采用凿井取水 (浙江 河姆渡 )， 2000多年前自贡已有深达数百米
2、的 盐井 ，汉武帝时渭北高原的井渠 “ 龙首渠 ” ，驰名中外的 “ 坎儿井 ” 目前我国地下水资源开发 国外 1.独联体各国 2.印度 3.埃及 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 地下水开发的三个时期： 1.初期 2.中期 3.后期 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 二 .地下水水文学研究的发展 地下水文学的定义 地下水开发利用的初始阶段 (公元前 5600公元前 7世纪 ):主要用泉水 地下水学科创建前期 (公元前 7世纪 公元1800年 )： 井采 地下水学科创建时期 (18001940年 ) 代表人物：达西实验、裘布依假设、泰斯公式，深井、大规模、集中开采地下水 现代地下水学科创立
3、发展时期 (1940年以后 ) 代表人物及理论： Boulton, Jacob, Neuman， 计算机应用，水质模型，科学开发地下水 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 导论 本课程的主要内容 地下水赋存条件 (水文地质 ) 地下水补给、迳流与排泄 地下水动态与均衡 地下水运动 含水层参数的确定 地下水资源评价 教学方式 讲授 讨论 习题 思考题 作业 考试 第一章 地下水及其赋存 Groundwater, subsurface water, water table 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.1 自然界水的分布、循环与均衡 自然界水的分布 地球总水量 140786万 km3，
4、海水 137000万 km3 (占 97.3%)，陆地地表水 2943万 km3 (2.1%) ，陆地地下水 841.7万 km3 (0.6%) 。 自然界 水循环 (hydro-cycle) 水分循环三要素： 蒸发 (Z)、 降水 (X)和径流 (Y) 自然界水均衡 (water equilibrium) 水均衡： 在一定时间、一定区域内，水分循环的三要素之间的数量关系 水均衡原理： 对于仸一地区 (系统 )，在仸一时间内，收入的水量与支出的水量之间的差额必等于其蓄水量的变化。 在海洋： Z0=X0 + Y 在陆地： Zc=Xc - Y 全球： Z0 + Zc= X0 + Xc 水文地质与地
5、下水 三峡大学水环学院 1.2 地下水的赋存 岩土的空隙性 (space) 孔隙 (pore, porosity) 松散岩土中颗粒或颗粒集合体之间普遍存在着孔状空隙，称为孔隙。 孔隙度 n:单位体积岩土 (包括孔隙在内 )中的孔隙体积，即 影响孔隙度的因素 颗粒压实度 (图 1-2) 颗粒排列方式 (图 1-3) 颗粒的磨圆度 颗粒的 分选性 胶结程度 与颗粒大小无关 (图 1-4) 常见岩土孔隙度 %1 0 0 VVn n含泥沙砾石 部分胶结的砂岩 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.2 地下水的赋存 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.2 地下水的赋存 裂隙 (fissure, f
6、racture, crack ) 风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 裂隙率 f： 溶隙 (karst fissure) 溶缝、溶孔、溶洞 岩溶率 Kk： %100 VV ff%100 VVK kk岩石裂隙 可溶岩溶隙 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.2 地下水的赋存 水在岩土中的赋存形式 液态水 结合水 ：受到固相表面的吸引力大于其自身重力的 那部分水 重力水 ：距离固相表面更远的、能在重力下运移的那部分水 毛细水 ：松散岩土中细小孔隙通道构成毛细管，在毛细力的 作用下，地下水沿着细小孔隙上升到一定高度，这种既受重力又受毛细力作用的水。 支持毛细水 悬挂毛细水 孔角毛细水 气态水 固态水
7、其它：矿物结合水 (沸石水、结晶水、结构水 ) 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.2 地下水的赋存 水理性质 容水性 定义：岩土能容纳一定水量的性能 ,常用含水率表示。 含水率 ： 单位体积岩土中所含水的体积 (water content; mositure content) %100 VV w饱和度 (saturation) S： 含水率与容水度的比值。 S=1表示饱和， 0S1表示非饱和 nCS w 容水度 (water capacity) Cw： 岩土完全饱和时所容纳的最大水体积与岩土总体积之比。在数值上，一般与孔隙度 (裂隙率、溶隙率 )相等，但对于有膨胀性的岩土，由于充水后体积
8、扩大，其容水度可大于孔隙度 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.2 地下水的赋存 持水性 (moisture retention) 含水岩土在重力作用下释水时，由于固体颗粒表面的吸附力和毛细力的作用，使在其空隙中能保持一定水量的性能 持水度 Re： 指饱水岩土在重力作用下，经过 2 3天释水后，岩土空隙中尚能保持的水体积与岩土总体积之比，这时的岩土含水率也称为田间持水率。 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.2 地下水的赋存 给水性 (specific yield) 含水岩土在重力作用下能自由释出一定水量的性能 给水度 ：指饱水岩土在重力作用下所释出的水体积与岩土总体积之比，在数值上它
9、等于容水度减去持水度，也即岩土的饱和含水率与田间持水率之差。 ew RC 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.2 地下水的赋存 透水性 (permeability ) 岩土允许水体透过的性能 决定岩土透水性好坏的主要因素是空隙的大小，其次才是空隙的数量。度量岩土透水性的指标是渗透系数 K。 渗透系数愈大，表明岩土的透水性愈强，反之，则愈弱。 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.2 地下水的赋存 含水层和隔水层 (aquifer & aquiclude) 含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层。含水层不但储存有水，而且水可以在其中运移。隔水层则是不能透过和给出水，或透过和给出水的数量很
10、小的岩层。 特点 划分含水层和隔水层的标志并不在于是否含水，关键在于所含水的性质 含水层和隔水层是相对的 含水层和隔水层在一定条件下可以转化 含水层只是一个形象的名称 ,含水系统更通用 1.3 不同埋藏条件下的地下水 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.3 不同埋藏条件下的地下水 埋藏条件 (occurrence condition) 是指含水层在地质剖面中所处的部位及所受隔水层限制的情况。 在距地表以下一定深度存在着饱水的地下水面，地下水面以上，岩土空隙没有为液态水所充满，包含有与大气相连通的气体，称为包气带，赋存其中的水称包气带水。 地下水面以下的岩土空隙全部为液态水所充满，既有结合水
11、，也有重力水，称为饱水带。 饱水带中，由于含水层所受隔水层限制的状况不同，又分为潜水和承压水。 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 包气带 饱水带 饱水带 潜水 承压水 上层滞水 隔水层 地面 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.3 不同埋藏条件下的地下水 包气带水 (vadose zone, aeration zone) 包气带水 (又称非饱和带 )：泛指贮存在包气带中的水，包括通称为土壤水的吸着水、薄膜水、毛细水、气态水和过路的重力渗入水，以及上层滞水 上层滞水 (perched water) :在包气带中当存在局部隔水层时，其上部可积聚具有自由水面的重力水 包气带 饱水带 饱水带 潜
12、水 承压水 上层滞水 隔水层 地面 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.3 不同埋藏条件下的地下水 潜水 (phreatic water) 基本概念 潜水是地表以下埋藏在饱水带中第一个具有自由水面的重力水，参见 图 1 8。潜水没有隔水顶板，或只具有局部的隔水顶板，潜水的自由水面称为 潜水面 (water table)。潜水面上任一点的高程为该点的 潜水位 (phreatic water level)，潜水面到地表的铅垂距离为潜水的 埋藏深度 (简称 埋深 )。潜水在重力作用下由高处流向低处称 潜流 。在渗透途径上，任意两点的水位差与该两点的水平距离之比，称为 水力梯度 (hydrauli
13、c gradient)或水力坡度，通常用 I表示。 H1 H2 L LHHI 21 潜流 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.3 不同埋藏条件下的地下水 潜水的特征 与降水和地表水联系密切，积极参与水循环 分布区与补给区基本一致 排泄方式 径流排泄：泉、渗流形式 蒸发 (腾 )排泄：失水分，留盐分 盐碱土 动态的季节性变化显著 (丰水，水位高，含水层厚 ) 易受污染 等水位线图 (phreatic water contour) 在潜水面上，将高程相同的点 (即潜水位相同的点 )相连，即为潜水面的等水位线图 通过该图可确定潜水流向、水力梯度及潜水与河水的补排关系等，见图 1-10、图 1 1
14、1 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 图 1-11 潜水与河水间补排关系 图 1-10 利用等水位线图求潜水流向及水力梯度 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.3 不同埋藏条件下的地下水 承压水 (confined water) 承压水的概念 承压水是充满于两个隔水层之间的含水层中具有静水压力的重力水，见 图 1 12。如未充满水则称为无压层间水。 a 隔水层； b 承压水含水层； H 压力水头 (water head)； M 含水层厚度 隔水底板 隔水顶板 压力水头 该点高程叫承 (测 )压水位 或承压水头 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 1.3 不同埋藏条件下的地下水 承压水特征 分为补给、承压和排泄三个区； 水体具承压性 补给、排泄范围有限 产生越流 与大气、地表水的联系较弱，受气候、水文影响较小 水量增加，水头增高，含水层厚度不变；水量减小，水头降低。但顶板的压力会产生假象 随含水层埋深加大，矿化度增高 (深部出现卤水 ) 不易污染，一旦污染又不易净化 水文地质与地下水 三峡大学水环学院 承压水等水头线图：连接承压含水层测压水位相等的各点 实线：地形等高线 虚线：顶板等高线 点划线：等水 头 线 钻孔 自喷孔 压力水头？ 承压含水层埋深？ 计划在这里打一口井应注意什么问题？ A B C D 第一讲结束
