地下水的结构与运动.ppt

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1、第五章 地下水的结构与运动,地下水:存在于地表以下岩(土)层空隙中的各种不同形式水的统称。地下水系统是自然界水循环大系统的重要亚系统。,第一节 地下水系统的组成与结构第二节 地下水类型,第一节 地下水系统的组成与结构,地下水由于埋藏于地下岩土的空隙之中,因而其分布、运动和水的性质,要受到岩土的特性以及贮存它的空间特性的深刻影响。与地表水系统相比,表现出立体结构的特点。,主要内容,一、地下水的贮存空间 二、地下水流系统 三、地下水系统垂向结构,一、地下水的贮存空间,(一)含水介质、含水层和隔水层 岩石、土壤的固体骨架间存在着形状不一、大小不等的孔隙、裂隙或溶隙,其中有的含水,有的不含水,有的虽然

2、含水却难以透水。既能透水,又饱含水的多孔介质称为含水介质;,含水层:指贮存有地下水,在自然状态或人为条件下,能够流出地下水来的岩体。如砂层、砂砾石层等。含水带:有的含水岩体呈带状、脉状甚至是块状,也称为含水体或含水岩组。隔水层:对于那些虽然含水,但几乎不透水或透水 能力很弱的岩体。如质地致密的火成岩、变质岩,以及孔隙细小的页岩和粘土层。,(二)含水介质的空隙性与水理性,1、含水介质的空隙性:空隙的多少、大小、均匀程度、连通情况,直接决定了地下水的埋藏、分布和运动特性。孔隙松散沉积物颗粒之间的空隙;裂隙坚硬岩石因破裂产生的空隙;溶隙可溶性岩石中的空隙(包括巨大的溶穴,溶洞等)。,连通性好,分布不

3、均匀,连通性差,孔隙度孔隙体积与岩土体积之比孔隙率 孔隙数量多少(孔隙率大并不表示孔隙也大)孔隙的大小与岩土颗粒粗细有关,通常颗粒粗则孔隙大,颗粒细则孔隙小;细颗粒岩土表面积大,孔隙率大:如粘土孔隙率:45-55;砾石平均孔隙率:27。,2、含水介质的水理性质,1)容水性(容水度)容水度岩土空隙能够容纳一定水量的性能。容水度值的大小:岩土空隙的多少水在空隙中充填的程度 如全部空隙被水充满,则容水度在数值上等于孔隙度;对于具有膨胀性的粘土,充水后其体积会增大,所以容水度可以大于孔隙度。,2)持水性(持水度),饱水岩土在重力作用下排水后,依靠分子力和毛管力仍然保持一定水分的能力。持水度大小取决于岩

4、土颗粒表面对水分子的吸附能力。3)给水性(给水度)指饱水岩土在重力作用下能自由排出水的性能。岩土持水度+给水度=容水度(或孔隙度),4)透水性(渗透系数),渗透系数:在一定条件下岩土允许水通过的性能。K值:岩土空隙的直径大小、连通性,空隙多少。如:粘土孔隙度很大,但孔隙直径很小,水在这些微孔中运动时,由于水与孔壁的摩阻力大而难以通过,而且还由于粘土颗粒表面吸附形成一层结合水膜,这种水膜几乎占满了整个孔隙,使水更难通过。,(三)蓄水构造,蓄水构造体需具备3个基本条件:1、要有透水的岩层或岩体所构成的蓄水空间;2、有相对的隔水岩层或岩体构成的隔水边界;3、具有透水边界,补给水源和排泄出路。,(一)

5、地下水流系统的基本特征,二、地下水流系统,与地表水系相比较,地下水流系统具有如下的特征:1、空间上的立体性:地表江河水系:呈平面状态展布;地下水流系统:自地表面起可直指地下几百上千米深处,形成空间立体分布,呈现自上到下多层次结构。,2、流线组合的复杂性和不稳定性:地表水系:一般由一条主流和若干等级的支流组合而成;地下水流系统:众多的流线组合而成,难以区别主流和支流,具有多变性和不稳定性。3、流动方向上的下降与上升的并存性:地表江河水流:自高向低;地下水流:补给区下降,排泄区常为上升,甚至形成喷泉。,4、地下水涉及的范围一般比较小,不像地表江河那样组合成面积广大的大流域系统。,(二)地下水域,地

6、下水域地下水流系统的集水区域。它与地表水的流域存在明显区别:地表水:流动受地形控制,其流域范围以地形分水岭为界,主要表现为平面形态;地下水域:受岩性地质构造控制,并以地下的隔水边界及水流系统之间的分水界面为界,往往涉及很大深度,表现为立体的集水空间。,通常,每一个地下水域在地表上均存在相应的补给区与排泄区;补给区地表水不断地渗入地下,地面常呈干旱缺水状态;排泄区地下水流出,增加了地面上的水量,呈现相对湿润的状态。,三、地下水系统垂向结构,地下水垂向层次结构(空间立体性):,包气带 土壤水带 中间过渡带 毛细水带饱和水带 潜水带 承压水带,结合水(吸湿水、薄膜水)毛管水,重力水(潜水、承压水),

7、地下水层次结构的基本模式,各地区发育不一致:在严重干旱的沙漠地区,包气带很厚,饱和水带深埋在地下,甚至基本不存在;在多雨的湿润地区,尤其是在地下水排泄不畅的低洼易涝地带,包气带往往很薄,甚至地下潜水面出露地表,所以地下水层次结构不明显。,第二节 地下水类型,(一)按地下水的贮存埋藏条件分类1.包气带水结合水(吸湿水、薄膜水)毛管水(毛管悬着水、毛管上升水)重力水(上层滞水、渗透重力水)2.饱水带水潜水承压水,(二)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,包气带水:贮存在地下自由水面以上包气带中的水。吸湿水、薄膜水、毛细水、汽态水、过路的重力渗入水以及上层滞

8、水。,1.包气带水的主要特征:(1)含水率和分布受气象因素影响,呈季节性变化。多雨季节,雨水大量入渗,包气带含水率显著增加;干旱月分,土壤蒸发强烈,包气带含水量迅速减少。(2)垂直剖面:愈近表层,含水率变化愈大,逐渐向下,含水率变化趋于稳定而有规律。(3)含水率变化与岩土结构,颗粒机械组成(岩土孔隙大小和孔隙度)有关。,2.包气带的类型,1)厚型:即使在地下水自由水面较高的雨季,带内毛管上升高度亦不能到达地表;,土壤水带:地表到植物根系分布下限,几十厘米。水汽、结合水、悬着水主要特点:受气象因素影响大,与外界水分交换强烈。“田间持水量”。,中间过渡带:水分蓄存及传送带。主要特点:水分含量沿深度

9、、时程变化小,运行缓慢,又称含水量稳定带。,毛管上升带:潜水面以上,并以毛管上升高度为限。主要特点:含水率自下而上逐渐减小,由饱和含水率逐步过渡到与中间过渡带下端相衔接的含水量。,2)薄型:往往不到1米(几十厘米),只有毛细上升带的存在,没有中间过渡带,强烈变化不明显。但薄型包气带之下的潜水季节变化强烈。毛细上升水可直接到达地表,毛细管象无数的小吸管,源源不断地将地下水吸至地表,所以地下潜水蒸发迅速。包气带薄,降水入渗补给地下水的途径亦短,雨后地下潜水面上升快。,3)过渡型:厚度介于上述两类之间,存在明显季节性变化。雨季,地下水面上升,包气带变薄,只存在毛细上升带;旱季,地下水面下降,整个包气

10、带又可区分出3个亚带。,我国东部平原地区的地下包气带大多属于这种类型。,三、潜水,(一)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。,潜水在重力作用下自水位高处向水位低处流动,形成潜水流。如遇大面积的不透水底板呈下凹状态,潜水面坡度近于零,潜水几乎静止不动,可形成潜水湖:,潜水有以下两大特点:(1)潜水面与大气相连通,任一点压强等于大气压强。(2)深受外界气象、水文因素的影响,呈明显季节变化:丰水季潜水补给充足,水面上升,厚度增大,水质冲淡;枯水季补给量减少,潜水位下降,水中矿化度提高。,(二)潜水面形状,1、潜水面可呈现倾斜、抛物线形和水平等多种

11、形状。2、潜水面随地形变化,上下起伏,形成向排泄区斜倾的曲面,但曲面的坡度比地面平缓得多。,3、当含水层厚度变大时,潜水面坡度变缓;4、当岩层透水性变好,潜水面坡度变缓。,2、潜水面表示方法,一般采用两种:(1)绘制水文地质剖面图:将岩性相同的地层和各点的同一时期的潜水位相连,就可得潜水面的形状与地貌、隔水层及含水层岩性的关系等;,(2)绘制等水位线图 将某一时间潜水位相同的各点联成等水位线。高水位期和低水位期等水位线图,(三)潜水与地表水之间的互补关系,靠近江河、湖(库)等地表水体的地区,地下潜水常以潜水流的形式向这些水体汇集,成为地表径流的重要补给水源。,地表径流的河岸调节洪水期,江河水位

12、高于地下潜水位时,潜水流的水力坡度形成倒比降,于是河水向两岸松散沉积物中渗透,补给地下潜水。汛期一过,江河水位低落,贮存在河床两岸的地下水,重又回归河流。,潜水与地表水相互补给和排泄,称为水力联系。具有周期性水力联系:大中型河流的中下游冲积、淤积平原上较多见。,洪水时,河水渗入两岸补给地下潜水,部分贮存于河岸,消减洪水;枯水期,潜水补给河流,贮存于河岸的水量归流入河,调节地表径流;,2.具有单向的水力联系:常见于山前冲积扇地区、河网灌区以及干旱沙漠区;这些地区的地表江河水位常年高于地下潜水位,河水常年渗漏补给地下潜水,地下径流均为负值。,3.具有间歇性水力联系:在丘陵和低山区潜水含水层较厚的地

13、区比较多见。洪水期河水位高于潜水位,河流成为地下潜水的间歇性补给源;枯水期,地表水与地下水脱离接触,此时仅在潜水出露点以悬挂泉的形式出露地表。,4、无水力联系:地下潜水位恒高于江河水位,单向的补给河流,与河流水不发生水力联系的关系。,四、承压水,承压水:充满在两个隔水层之间的含水层中的地下水,是一种有压重力水。,初见水位(H1)地下水顺钻孔上升到一定高度,称承压水头(h)承压水位(H2)承压水位若高于地表,自流水,(一)承压水的主要特征,1、承压性 承压水由于存在隔水层顶板而承受静水压力。,自流井和喷泉的成因:钻通受压地下水带顶部的不透水层,便是普通水井,井内水面和地下水面相平。当地下水面的延

14、伸面高于山坡地表时,井内的水受压自动喷出地面,形成自流井。地下水沿断层流出地面时,成为泉水。,2、承压水的分布区与补给区不一致,3、受外界的影响相对要小,动态变化相对稳定 隔水层顶板阻隔了外界气候、水文因素对地下水的影响,水循环弱,补充和恢复缓慢。4、水质类型多样从淡水到矿化度极高卤水都存在;甚至有保留着古代的海相残留水。,(二)承压水的形成,最适宜于承压水形成:,1、向斜盆地构造,向斜盆地构造:承压盆地或自流盆地,大型复式构造或单一向斜构造。补给区、承压区及排泄区。,承压区:位于盆地中部,分布范围较大,厚度受构造影响;其上覆盖有隔水层,“正水头”,“负水头”。,补给区:通常处于盆地的边缘,地

15、形相对较高,受大气降水和地表水的入渗补给。从补给区当地来看,它是潜水,具有地下自由水面,不受静水压力。,排泄区:位于被河谷切割的相对低洼的地区;上升泉,补给河流,出流过程稳定。,2、承压斜地构造,重要特征:含水层的倾没端具有阻水条件。,1、透水层和隔水层相间分布,向一个方向倾斜,地下水充满在两个隔水层之间的透水层中,形成承压水。,2、含水层上部出露地表,下部在某一深度处尖灭,岩性由透水层逐渐转化为不透水层。,3、含水层倾没端被阻水断层或阻水岩体封闭,从而形成承压斜地。山东济南附近石灰岩层被闪长岩侵入体所掩盖,迫使岩溶水以泉的形式涌出地表,形成典型的承压水斜地。,补给区、承压区、排泄区,相对位置

16、视具体情况:,(三)承压水等水压线,等水压线某一含水层中承压水位相等的各点的连线。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。,五、孔隙水,埋藏于松散岩土孔隙中的重力水。既可以是承压的,也可以是非承压的。在我国,孔隙水主要贮存于第四纪和第三纪未胶结的松散岩土层中。与裂隙水、岩溶水相比较,孔隙水由于松散岩层一般连通性好,含水层内水力联系密切,地下水具有统一水面,其透水性、给水性的变化较小,孔隙水的运动大多呈层流状态。,据松散沉积物的成因类型及地貌条件上的差异,分为:山前倾斜平原孔隙水山区与平原相接的过渡地带。通常由一连串冲积、洪积扇及山麓坡积相连而成。河谷地区的孔隙水冲积平原孔隙水山

17、间盆地孔隙水黄土地区孔隙水沙漠地区孔隙水等,六、裂隙水,存在于岩石裂隙中的地下水。裂隙水的埋藏、分布与运动规律,主要受岩石的裂隙类型、裂隙性质、裂隙发育程度等因素控制。,1、埋藏与分布极不均匀:贮水裂隙在岩石中分布不均匀。一般粗粒坚硬岩石的裂隙率要高于细粒柔性的岩石。,2、裂隙水的动力性质比较复杂:基岩裂隙发育程度、裂隙大小、形状以及充填情况的不同,水在裂隙中的运动性质就不同;水的运动沿裂隙渗流及网脉状流动;透水性在各个方向上呈现向异性的特点。,3、基岩裂隙的发育具有明显的分带性:由地表向下,裂隙率迅速递减,渗透系数迅速减小;井孔的涌水量,先增大,到 一定深度后,急剧减少。,裂隙水主要分布于基

18、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。,发育不同级次的裂隙岩体,七、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、运动的地下水称岩溶水。我国可溶性岩石广布,尤其是广大西南地区岩溶地貌发育,岩溶水分布极为广泛,水文情势非常复杂。,1、分布上的不均匀性,由于可溶性岩石的透水性,及岩溶空隙在空间分布上的不均匀性造成。石灰岩的原始孔隙很小,透水性能差,但经溶蚀后产生的溶隙,渗透性增大千万倍,一些巨大的地下管道和洞穴,可成为地下暗河。,2、地下径流动态不稳定,(1)岩溶水的地下径流速度比其他类型的地下水流要快,各向异性强;(2)水位与流量过程呈现季节性变化,相差甚远。,3、地表径流与地下径流、无压流与有压流相互转化,一般均具有向地表径流迅速转化的趋势;受岩溶程度差异、地貌构造形态等影响,地表明流与地下暗河之间频繁交替转化;当地下径流遇到非可溶性岩或阻水断层的阻隔时,常以泉或冒水洞的形式转化为地表明流。,

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