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1、第五章 地下水概论,自然界的水及其循环 地下水的赋存 地下水的分类 地下水的补给、径流、排泄 地下水的物理化学性质,1,第二节 地下水的赋存,岩石的空隙性,赋存条件,水在岩土中的赋存形式,2,一、岩石的空隙性,岩石空隙是地下水的储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律对地下水分布和运动具有重要影响。,3,根据空隙形状特征与发育岩类，分成三类：松散沉积物中的孔隙 坚硬非可溶性岩石中的 裂隙 可溶性岩石中的溶隙,4,(一)孔隙 pore,孔隙：松散岩石是由大小不等的颗粒组成的，颗粒或颗粒集合体之间的空隙。孔隙度n：衡量孔隙的多少,小数或百分数表示n=Vn/V有效孔隙度ne:n
2、e=Ve/V孔隙比e:e=Vn/Vs=n/(1-n)Vn:岩石的孔隙体积；V：岩石总体积；Ve:岩石中相互连通的孔隙体积；Vs:岩石中固体骨架的体积Ve+Vs=V,5,据Groundwater Hydrology,David K.Todd&Larry W.Mays,2005 注*表示样本受到扰动，其余为未受扰动的样本。,典型岩土孔隙度数值表(%),6,影响因素,颗粒排列情况立方体排列：n=47.64%四面体排列：n=25.95%,7,影响因素,分选程度 表征颗粒大小相差的程度 不等粒系数f:f=d60/d10颗粒形状胶结情况,8,9,颗粒大小对孔隙度有影响吗？,理论上分析，颗粒直径不同的等粒岩
3、石，只要排列方式完全相同，则n相等。,10,粘土的孔隙度,粘土颗粒表面常带有电荷，在沉积过程中粘土颗粒聚合而构成颗粒集合体，可形成直径比颗粒本身还大的结构孔隙。粘性土中往往还发育有虫孔、根孔、干裂缝等次生孔隙。,11,(二)裂隙 fissure,定义：坚硬岩石在各种应力作用下破裂变形产生 的空隙。根据裂隙成因可分为成岩裂隙：岩石在成岩过程中，由于冷凝收缩（岩浆岩）或固结干缩（沉积岩）而产生的。构造裂隙：岩石在构造变动中受力而产生的。风化裂隙：在各种物理与化学等因素的作用下，岩石遭受破坏而产生的裂隙。,12,(二)裂隙 fissure,裂隙率K：衡量裂隙的多少。体积裂隙率Kv:Kv=VT/V面裂
4、隙率：线裂隙率：与裂隙走向垂直方向上单位长度内裂隙所占的比例。,测量面积F内每根裂隙宽度和长度乘积的总和,13,影响裂隙率大小的因素,裂隙的长度宽度数量分布及连通性,14,(三)溶隙karst,定义：可溶性岩石，如盐岩、石灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀作用下会产生空洞。岩溶率Kk：Kk=Vk/V（体积岩溶率）面积岩溶率、线岩溶率影响因素：岩石的可溶性、透水性；水的侵蚀性、流动性,15,Distribution of karst water,16,Benxi Cave in Liaoning,17,A depression in the Earths surface caused by disso
5、lving of underlying limestone,salt,or gypsum.,Sink hole落水洞,18,不同类型空隙的性质,19,孔 隙 水,裂 隙 水,岩 溶 水,地下水 类 型,二、水在岩石中的赋存形式,矿物结合水（岩石骨架中 的水）沸石水结晶水结构水,岩石空隙中的水（研究对象）结合水：强、弱气态水固态水液态水：毛细水 重力水,20,（一）结合水,21,（一）结合水,强结合水的特点:不受重力影响密度1g/cm3，平均2g/cm3左右在-78仍不结冰无导电性，溶解盐的能力差不能自由运动，加热到105110 时转化为气态水运动近似于固体，具有抗剪强度不能被植物根系吸收,22
6、,（2）弱结合水的特点,密度大于1，为1.31.774g/cm3；不受重力影响；可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但速度十分缓慢；溶解盐类能力较弱冰点为-15有一定的粘滞性和抗剪强度 在一定条件下（饱水带）可传递静水压力 弱结合水的外层能被植物吸收利用,23,（二）毛细水,毛细水：依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水。,毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。,24,（二）毛细水,支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。当温度低于0时结冰。悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈“悬挂”状态，经蒸发后消
7、失。孔角毛细水：颗粒与颗粒接触处孔隙狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。,25,（三）重力水,重力水：距离固体表面更远的那部分水分子，重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，能在自身重力影响下运动的这部分水。重力水是水文地质研究的主要对象。,26,（四）气态水、固态水及矿物水,气态水：存在于未饱和水的空隙中，可随空气流动。固态水：当岩石温度低于0时，比如冻土。沸石水：以水分子形式存在于沸石族矿物中，如方沸石晶体 加热可逸出但晶体不会因此而破坏。结晶水：连结在矿物结晶格架上，参与结晶过程，加热到一定温度才逸出，但矿物性质发生变化。如石膏CaSO4H2O加热变成硬石膏结构水：以H+和OH-
8、离子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。,27,（三）岩石的水理性质,亦称岩土的水文地质性质，岩石与水相互作用过程中，所表现的容水、持水、给水、透水的性能，称为岩石的水理性质。,容水性,持水性,给水性,透水性,28,岩石的水理性质,29,Hot Tip,三者之间的关系,30,（四）含水层与隔水层,划分依据：根据岩层给水性与透水性的能力。1.含水层aquifer：能够透过并给出相当数量水的岩层必须具备的条件:有储水空间储存地下水的地质构造条件有良好的补给来源,31,2.隔水层Aquiclude,定义：不能透过与给出水，或者透过与给出水的 数量很小的岩层。如页岩、粘土层无水层Aquifuge
9、：不含水、不透水弱透水层 Aquitard隔水层中绝对不含水吗？(T or F),32,含水层与隔水层,33,第三节 地下水分类,根据地下水的埋藏条件包气带水潜水承压水,按含水介质（空隙）类型孔隙水裂隙水岩溶水,饱和带,34,一、包气带水,（一）定义：存在于包气带中的地下水,沼泽地土壤盐渍化,35,（二）上层滞水,1.定义：赋存于包气带中局部隔水层或弱透水层上面的重力水。,36,2.上层滞水的特点,分布范围小，具有明显的局部性；易受人类活动的影响；分布区、补给区、排泄区一致；季节性变化大，雨季出现，旱季可能消失。,37,二、潜水,（一）定义：埋藏在地表以下，第一个稳定分布的隔水层之上，具有自由
10、水面的重力水。潜水面潜水含水层厚度潜水埋深潜水水位,38,潜水的特征,潜水的水质受气候、地形及岩性条件的影响,潜水水位、含水层厚度、流量、化学成分随地区和季节有明显的变化,补给区和分布区一般是一致的,具有自由水面,潜水的特征,（二）潜水的特征,39,（三）潜水等水位线,潜水的流向潜水的水力梯度潜水的埋藏深度潜水与地表水的补排关系规划地下水给水工程的 位置或确定工程施工 是否要采取排水措施等。,绘制,用 途,40,41,（三）潜水等水位线用途,根据潜水等水位线的疏密、水力梯度的大小分析或推测含水层的岩性及厚度变化情况。,42,三、承压水,(一)定义：充满于上下两个相对隔水层间的含水层中具有承压性
11、质的重力水。隔水顶板隔水底板承压含水层厚度承压水位承压水头,43,承压水位H：当钻孔打穿承压含水层上覆隔水层时，开始见到的水位，称为初见水位。随后承压水就会在钻孔内上升到一定高度H，H称为承压水位。承压水位是指承压水面的海拔高度。承压水头h：承压含水层顶板到承压水面的高度。表示隔水顶板所受到的静水压力值。,承压水（Confined aquifers）,44,承压水水位上升,Flowing well,45,含水层在出露较高的补给区得到补给，流向较低的排泄区排泄;两端出露于地表，为非承压区。,46,(二)承压水的特征,承压性：水体承受静水压力补给区与分布区不一致埋藏深度较大，水位、水量、水温、水质
12、等受水文气象因素、人为因素及季节变化影响小，不易受污染。承压含水层的厚度，一般不随补给量的增 减而发生显著变化。动态较稳定，,47,确定承压水的流向；确定承压水的水力坡度；确定承压水的承压水头。,承压水水位等值线图的用途,(三)等水压线图,48,第四节 地下水的物理化学性质,一、地下水的物理性质,指地下水的温度、颜色、透明度、气味(嗅)、味道、比重、导电性与放射性等。,49,1.温度,过冷水（0）冷水（0-20）温水（20-42）热水（42-100）过热水（100）,50,2.颜色、嗅、味、透明度 3.比重4.电导性与放射性,51,二、地下水的化学性质,（一）化学成分气体：O2、N2、H2S
13、及CO2离子：常见的七大离子Cl-、SO42-、HCO3-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+。,52,主要离子成分及其水文地质意义,Cl-主要来源:沉积岩中所含岩盐或其他氯化物的溶解；岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；海水；火山喷发物的溶滤；工业、生活污水及粪便中的大量Cl。Cl-不被植物和细菌所摄取，不被土粒吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，Cl-含量随矿化度增长而不断增加。,53,SO42-,含石膏(CaSO4H2O)或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；硫和硫化物的氧化.SO42-在地下水中的含量大大低于Cl-，且也不如Cl-稳定。这是由于作为SO42-主要来源的CaSO4,溶解度较小，其次，在还原环境
14、中，SO42-将被还原为H2S及S,主要离子成分及其水文地质意义,54,HCO3-,含碳酸盐沉积岩的溶解;在岩浆岩与变质岩地区，来源于铝硅酸盐矿物的风化溶解。地下水中HCO3-的含量一般小于1g/L,主要离子成分及其水文地质意义,55,Na+和K+,含钠、钾盐沉积岩的溶解；岩浆岩和变质岩中含钠、钾矿物的风化溶解。,主要离子成分及其水文地质意义,56,主要离子成分及其水文地质意义,Ca2+主要来源:碳酸盐类沉积物和石膏沉积物的溶解；岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。地下水中Ca2+的含量一般不超过数百毫克/升，通常低于Na+的含量。Mg2+主要来自含镁碳酸盐类沉积岩(白云岩、泥灰岩)以及岩浆岩
15、、变质岩中含镁矿物的风化溶解。Mg2+的来源及其在地下水中的分布与Ca2+相近。但Mg2+的含量常比Ca2+少。,57,二、地下水的化学性质,（一）化学成分胶体：有机和无机两类有机：主要是生物遗体的分解等细菌：分为病原菌与非病原菌,58,(二)化学性质,地下水的化学性质,地下水的化学性质主要是指地下水的酸碱度、矿化度、硬度。,59,1.地下水的酸碱性,pH的大小，可将水分成：强酸水：9,60,2.地下水的总矿化度,指水中溶解的各种化学组分的总量，包括溶于水中的离子、分子及化合物，但不包括悬浮物和溶解气体。以每升水中所含克数(g/l)表示。,61,3.地下水硬度,总硬度total hardness：相当于水中所含Ca2+、Mg2+的总量暂时硬度temporary hardness：水煮沸后，水中一部分Ca2+、Mg2+与HCO3-作用生成CaCO3、MgCO3沉淀。沉淀的这部分Ca2+、Mg2+的总量即为暂时硬度。永久硬度permanent hardness：总硬度与暂时硬度之差暂时硬度又称为碳酸盐硬度；永久硬度又称为非碳酸盐硬度,62,三、地下水的化学成分分析,简分析：可在野外就地进行，水样数量多，分析项目少，当精度要求不高时，但要求快而及时时采用。,全分析：精度要求相对高些，实验室分析。,专门性分析：试具体任务要求而定。,63,
