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1、Fundamentals of Hydrogeology 水文地质学基础,第三章 地下水的赋存The Occurrence of G.W,主讲教师：张卫民,本章内容,3.3 地下水分类,3.2 含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,3.1 包气带与饱水带,3.4 潜水与潜水含水层,3.5 承压水与承压含水层,3.1 包气带与饱水带,1、地下水面（水位）地下一定深度上，岩石中的空隙被重力水所充满，形成一个自由水面，即地下水面，以海拔高度表示称之地下水位（一般通过打井，地下开挖来确定）2、包气带与饱水带的概念 地下水面以上称之为包气带，地下水面以下的地带称之为饱水带。,包气带与饱水带,包气带与饱水带
2、,地下水位,3.1 包气带与饱水带,3、包气带（zone of aeration or zone of unsaturation）特点：岩石空隙未被水充满 是固、液、气三相介质并存水的存在形式（多样）：结合水、毛细水（孔角毛细水、悬挂毛细水、支持毛细水）、重力水包气带水的垂直分带 土壤水带 中间带（过渡带）毛细水带（支持毛细水带):上部为不饱和毛细水带,下部为毛细饱和水带 包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道；“饱水带重力水”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。毛细饱和水带中水能否进入水井？,4、饱水带（saturation
3、zone）特点：岩石空隙被水完全充满 是二相介质（固相+液相水）饱水带中水的存在形式：重力水 结合水 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。地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带，均有重力水涌出来！,3.1 包气带与饱水带,3.2 含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,一、基本概念饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而划分为：1、含水层（Aquifer）能够透过并给出相当数量水的岩层各类砂土，砂岩等 2、隔水层（Aquifuge)不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）3、弱透水层（Aquitard
4、）渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层各种粘土，泥质粉砂岩,二、概念的相对性 定义中的模糊概念“相当数量，微不足道，较大水力梯度”等。在很多情况下是相对的和模糊的概念，相对性的意义：从实际应用角度来看划分的相对性相当数量 满足需要就可以了。如在某处一口井出水量80m3/d，作为1万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。又如一个小泉水流量0.11/s8.6m3/d，大厂非，村用是。从理论意义来看划分的相对性微不足道微不足道，有时空尺度的制约。如华北平原早期地下水开采，深层水与浅层水之间有一粘土隔水层；后期开采深层，水量大，水位降低快，浅层
5、水向深层“越流”-粘土层成为“透水层”。现在进行水文地质计算、模拟时，不再简单二分了，而是用模糊学的研究方法，给个隶属度1，0之间，可以为 0.8,0.7,0.3,表示“透水性”？,3.2 含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,时间的相对性,3.2 含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,3.2 含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,三、含水系统Groundwater aquifer system 定义：指有隔水或相对隔水边界圈闭的，由含水层和相对隔水层组合而成的，内部具有统一水力联系的赋存地下水的岩系。含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层含水系统：可以进行子系统划分含水系统的定义是从大的
6、空间尺度研究含水层、隔水层、弱透水层的组合关系，是从地质成因角度对岩层的水文地质特征进行划分的分析方法。圈闭不是绝对的，而是相对的？除极少数构造封闭的含水系统外，通常含水系统总有某些向环境开放，以接受补给与进行排泄。,含水系统的划分,含水系统层次划分系统与子系统,隔水层,冲洪积平原地下水含水系统,广义地下水：地表以下岩石空隙中的水(包气带、饱水带中的水)subsurface-water,under groundwater,groundwater 狭义地下水：地表以下饱水带岩石空隙中的水重力水 地下水分类：主要依据含水介质的类型（赋存空间）和埋藏条件（赋存部位）埋藏条件：指含水层在地质剖面中所处
7、的部位及受隔水层（或弱透水层）限制的情况。按埋藏条件，地下水分为包气带水、潜水、承压水。按含水介质的类型，地下水分为孔隙水、裂隙水与岩溶水。,3.3 地下水分类,表3-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9类,3.3 地下水分类,含水介质类型,埋藏条件,潜水(b)、承压水(c)、上层滞水(a),一、潜水与潜水含水层概念潜水：地表以下，饱水带中第一个具有自由表面的稳定含水层中的水 自由表面即上部没有隔水层限制，与大气直接相通，除大气压强外不受其它力。稳定具有一定的空间连续性（范围）以示区分上层滞水潜水含水层-赋存潜水的岩层,3.4 潜水与潜水含水层,二、基本要素（专业术语）潜水面(water t
8、able)潜水的自由水面。潜水位(water level)潜水面上任一点的高程，称之为该点的潜水位。潜水含水层(free aquifer)赋存潜水的岩层。含水层厚度(aquifer thickness)潜水面至隔水底板的间距。潜水埋深 潜水面至地面的距离。,3.4 潜水与潜水含水层,潜水要素图,D,潜水与潜水含水层图,1-潜水含水层 2-隔水层 3、4 潜水面 潜水位 M-含水层厚度D-潜水埋深 5-大气降水入渗 6-蒸发 7-流向 8-泉,三、主要特征 补给(来源)：大气降水和河湖地表水入渗补给径流：由潜水位高处流向潜水位低处。排泄(汇)：泉，（河）泄流，蒸发，流入其它含水层 补给或排泄通过
9、含水层厚度变化而储水与释水！动态：不稳定，受气象，水文因素影响明显，变化快（水量、水位、水质季节性变化）受人为因素影响也显著，易污染 水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快潜水研究基本方法绘制潜水等水位线图获取信息-资料的手段调查、勘探，分析,3.4 潜水与潜水含水层,四、潜水等水位线图 潜水面的形状：是一个向排泄区倾斜的曲面，起伏大体与地形一致，但比地形更缓和。潜水等水位线：潜水位相等的各点连线绘制方法：利用潜水位数据按一定的等差间距绘制潜水位等值线即可。类似于地形等高线的绘制。注意问题：要利用同一时期的观测水位资料绘制，因为潜水位动态变化较大，不同时期同一点处的水位往往是有明显差异的。潜
10、水位等值线图的作用 1、确定地下水的流向：潜水总是沿水力梯度变化最大的方向流动，即垂直于等水位线方向流动。,3.4 潜水与潜水含水层,四、潜水等水位线图 潜水位等值线图的作用 2、确定水力梯度(潜水面坡度)：沿流向上任取两点，两点之间水位差除以两点在平面上的水平间距，即为两点间平均水力梯度(潜水面坡度)。3、确定潜水位埋深：结合地形图可以求潜水位埋深 4、推断含水层渗透性与厚度的变化：等水位线变密处，表征含水层渗透性能的变弱或含水层厚度的变小。相反，等水位线变疏处，表征含水层渗透性能的增强或含水层厚度的变大。5、判断沼泽、泉的出露 6、确定潜水与地表水间的关系,3.4 潜水与潜水含水层,某地潜
11、水等水位线图（平面）,本章内容,3.3 地下水分类,3.2 含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,3.1 包气带与饱水带,3.4 潜水与潜水含水层,3.5 承压水与承压含水层,一、承压水定义 充满于2个隔水层（或弱透水层）之间的含水层中的水（注意：“充满”二字，否则叫无压层间水）二、基本要素 承压含水层；隔水顶板；隔水底板；承压含水层厚度（H）；埋深（D）测压水位线（面）：测压水位线的连线（面）此线是虚拟的（如图有压管）承压高度；补给区；承压区；排泄区 自溢区测压水位线与地形等高线的交点连接区,3.5 承压水与承压含水层 Confined aquifer,承压水要素,基岩自流盆地中的承压水,承压
12、含水层隔水顶板隔水底板承压含水层厚度（M）埋深（D）测压水位线（面）：承压高度-H补给区承压区排泄区自溢区,承压水等水压线图,A,三、特征 承压性：钻孔揭穿承压含水层隔水顶板时，承压水会沿钻孔上升到高出含水层顶面某一高度才静止下来。补给与排泄：有限区域与外界联系，水循环迟缓些，水交替慢，平均滞留时间长（年龄老或长）恢复性差水化学：变化较大，矿化度一般要高点，可以保留“古老”的水动态：比较稳定，如果分布面积大，厚度稳定则调节能力很强 受人为因素影响不显著，不易污染 问题？承压含水层的变化：在储水与释水时，含水层厚度是不变的，承压含水层的储水与释水是如何进行的？！,3.5 承压水与承压含水层,四、
13、承压含水层的储水与释水承压含水层的贮水系数S（弹性给水度 e）承压含水层中当测压水位下降(或上升)1个单位，单位水平面积含水层柱体所释放(或储存)水的体积 测压水位降低导致含水层孔隙中水的压力降低水体积膨胀释水，水的膨胀系数约为 1/20000孔隙水压力降低，岩层颗粒间承受压力增加骨架被压缩颗粒不变骨架压缩=空隙体积减小（排列改变）发生释水（挤出来）水 这两部分水很有限，所以 e 很小；与重力给水度 d相比要 小10-1 10-3，13个数量级,3.5 承压水与承压含水层,承压含水层的弹性给水度与潜水含水层的重力给水度比较,3.5 承压水与承压含水层,两者释水方式有何差异？,承压含水层的弹性给
14、水度,从理论上来看：弹性给水度是可以恢复的实际上弹性恢复是有限的恢复越过含水层弹性范围（限定），将产生一次性的变形即永久性不可恢复的变形最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低,3.5 承压水与承压含水层,五、潜水与承压水的相互转化在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的有时很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水，例子：开采前潜水含水层；开采后承压含水层潜水转化为承压水的情况 除封闭构造条件外，其它所有承压水均是由潜水转化而来：或是潜水的侧向流入；或是通过弱透水层（越流）接受潜水的补给；或是通过“天窗”接受潜水的补给。承压水转化为潜水的情况 或是承压水的侧向流出转化为潜水；或是承压水通
15、过弱透水层（越流）排泄转化为潜水；或是承压水通过“天窗”排泄转化为潜水。,开采潜水与承压水的转化,例：潜水与承压水的转化,例：承压水与潜水的转化,3.5 承压水与承压含水层,介绍内容上层滞水（perched water）要求自学这是包气带中唯一有实际利用价值的重力水定义：当包气带存在局部隔水层(弱透水层)时，局部隔水层(弱透水层)上会积聚具有自由面的重力水，这便是上层滞水。前第一、二、三章，是水文地质学中常用的基本概念和术语，要求掌握后几章将着重介绍一些基本理论与方法有关地下水运动的内容，请参考学习水力学中有关水头、水力梯度的概念。作业与课堂练习-实验指导书51页。第三章结束,上层滞水,本章内容,3.3 地下水分类,3.2 含水层 隔水层 弱透水层 含水系统,3.1 包气带与饱水带,3.4 潜水与潜水含水层,3.5 承压水与承压含水层,
