水文地质学基本概念

1、水文地质学基本概念水文地质学基本概念 目 录自然地理概况自然地理概况 1水文地质条件水文地质条件 2地下水质量现状评价地下水质量现状评价34 地下水污染预测与评价地下水污染预测与评价 1 5地下水污染防治措施地下水污染防治措施 6参考资料参考资料网上应能下载网上应能下载到到相应资料相应资料水文地质学基础水文地质学基础 地下水污染与防治地下水污染与防治地下水动力学地下水动力学Visual Modflow (软件及说明）软件及说明）地下水的重要性地下水的重要性Water Life舟曲泥石流灾后舟曲泥石流灾后-打井取地下水打井取地下水为应急饮用水源为应急饮用水源地下水污染的地下水污染的复杂性复杂性污

2、染物进入含水层，不仅污染物进入含水层，不仅污染地下水污染地下水，而且，而且污染污染含水介质含水介质。其迁移、转化受。其迁移、转化受地质条件地质条件的控制。的控制。 地下水污染具地下水污染具隐蔽性隐蔽性1.污染现象难以发现污染现象难以发现 2. 污染源和污染途径难以查明污染源和污染途径难以查明排泄区排泄区补给区补给区数年级数年级数百年级数百年级污染污染源源污染污染源源污染检出污染检出数天级数天级数十年级数十年级地下水流速：几个厘米地下水流速：几个厘米几个公里几个公里/天天地下水有机物污染治理难度大、费用高、时间长美国污染场地治理费用平均每个3000万美元，全国污染场地治理需要1万亿美元以上。日本

3、全国有40万处污染地点，治理费用高达10兆日元以上。地下水污染地下水污染难治理难治理美国某空军基地一有机污染场地（200300米）治理，10多年，2亿美元基本概念基本概念l地下水的广义概念：地下水的广义概念：赋存于地表以下土壤赋存于地表以下土壤与岩石空隙中的水与岩石空隙中的水l地下水的狭义概念：地下水的狭义概念：赋存于地表以下土壤赋存于地表以下土壤与岩石空隙中的重力与岩石空隙中的重力水水地下水环境基本概念地下水环境基本概念（水文地质学、地下水科学）（水文地质学、地下水科学）包气带与饱水带包气带与饱水带饱饱水水带带包气带与饱水带包气带与饱水带岩石中的空隙岩石中的空隙l 岩石岩石水文地质学中指坚硬

4、的岩石及松散的土层水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层 l 空隙空隙岩、土中各种类型的空洞的总称岩、土中各种类型的空洞的总称 空隙分为空隙分为 1. 孔隙（孔隙（pore）-unconsolidated soil2. 裂隙（裂隙（fissure）- hard rock3. 溶穴（溶穴（cavity）- dissoluble rock ：储存于松：储存于松散层中的地下水。散层中的地下水。：储存于基岩：储存于基岩裂隙中的地下水裂隙中的地下水：储存于可溶性储存于可溶性岩石溶穴中的地下水岩石溶穴中的地下水地下水分类地下水分类按含水介质分按含水介质分孔隙孔隙对地下水储存和运移具有重大影响的是：对地下水储

5、存和运移具有重大影响的是：孔隙的孔隙的多少多少孔隙的孔隙的大小大小孔隙的多少孔隙的多少直接影响着其储存地下水的能力，孔隙越多，直接影响着其储存地下水的能力，孔隙越多，储容的地下水便越多。储容的地下水便越多。孔隙的大小孔隙的大小影响着地下水地孔隙中运移和循环的能力，影响着地下水地孔隙中运移和循环的能力，孔隙越大，地下水的运动便越畅通。孔隙越大，地下水的运动便越畅通。裂隙水分类风化裂隙风化裂隙构造裂隙构造裂隙特点：不均匀性和各向异性特点：不均匀性和各向异性 u具有地上、地下双层空间结构；具有地上、地下双层空间结构；u地表水与地下水转化频繁；地表水与地下水转化频繁；u岩溶地下水空间分布极不均；岩溶地

6、下水空间分布极不均；u管道化、水系化、易污染。管道化、水系化、易污染。岩溶水系统岩溶水系统地下水环境基本概念地下水环境基本概念地下水是水循环的环节之一、地下水是水循环的环节之一、入渗过程中可过滤降解部分地表污染物，入渗过程中可过滤降解部分地表污染物，但其防污能力是有限的。但其防污能力是有限的。Company Logo 饱水岩层中，根据岩层饱水岩层中，根据岩层而进行的划分而进行的划分 v 含水层含水层（AquiferAquifer）：）： 是能够是能够透过透过并并给出给出相当数量水的岩层相当数量水的岩层各类砂土，砂岩等各类砂土，砂岩等 v 隔水层隔水层（Aquifuge)Aquifuge)： 不

7、能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层层裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密） v 弱透水层弱透水层（AquitardAquitard）：）： 渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度渗透性很差，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作用下，具有一定的透水能力的岩层各种粘土，泥各种粘土，泥质粉砂岩质粉砂岩地下水分类地下水分类按埋藏条件分按埋藏条件分潜水：潜水：饱水带中第一个具有自由水面的含水层中的水饱水带中第一个具有自由水面的含水层中的水承压水：承压水：充满

8、于两个隔水层之间的含水层中的水充满于两个隔水层之间的含水层中的水Company Logo2 3 4 5 6 7 8 D 1 M 潜水与潜水含水层图潜水与潜水含水层图1-1-潜水含水层潜水含水层 2-2-隔水层隔水层 3 3、4 4 潜水面潜水面 潜水位潜水位 M-M-含水层厚度含水层厚度( (可变）可变） D-D-潜水埋深潜水埋深 5-5-大气降水入渗大气降水入渗 6-6-蒸发蒸发 7-7-流向流向 8-8-泉泉 潜水特征u潜水面为一自由水面：季节性的升降变化导致包气带厚度变化u靠重力作用由高水位向低水位流动：天然条件下基本与地形起伏一致u潜水的分布区与补给区一致u积极参与水循环，受人类活动影

9、响较大u包气带防污性能相对较弱n承压水特征承压水特征分布区与补给区分布范围有限且不一致分布区与补给区分布范围有限且不一致动态受季节变化、人为因素影响较小动态受季节变化、人为因素影响较小包气带防污性能相对较强包气带防污性能相对较强补给区补给区Company Logov 广义地下水广义地下水： 地表以下岩石空隙中的水地表以下岩石空隙中的水( (包气带、饱水带中的包气带、饱水带中的( (液、气态液、气态水水) ) ) subsurface- subsurface-water,underwater,under groundwater, groundwater groundwater, groundwa

10、ter v 狭义地下水狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水地表以下饱水带岩层空隙中的水重力水重力水 v 地下水分类地下水分类主要依据主要依据含水介质的类型（赋存空间）含水介质的类型（赋存空间） 埋藏条件（赋存部位）埋藏条件（赋存部位） v含水介质三类，埋藏三分，组合共分为含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9 9类类 孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水包气带包气带上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水潜水潜水孔隙潜水孔隙潜水裂隙潜水裂隙潜水岩溶潜水岩溶潜水承压水承压水孔隙承压水孔隙承压水裂隙承压水裂隙承压水岩溶承压水岩溶承压水 承压水水头承压水水头(m)(m)水位与埋深海平面（海

11、平面（Z=0mZ=0m）潜水水位潜水水位(m)(m)潜水埋深潜水埋深(m)(m)承压水隔承压水隔水顶板埋水顶板埋深深(m)(m)达西定律（达西定律（Darcys law）F = m aLhK QDarcys law (an expression of conservation of momentum) was originally determined experimentally by Henry Darcy (during 18551856) 法国工程师达西（法国工程师达西（Henri Darcy)在在1852至至1855年利用沙质土壤进行了年利用沙质土壤进行了大量实验，得到大量实验，得到

12、线性渗流线性渗流定律。即定律。即达西定律。达西定律。Q=JKA水力梯度水力梯度水力梯度（水力梯度（I）（hydraulic gradient） v 水力学中水力学中水力坡度水力坡度（J）:单位距离上的水头损失单位距离上的水头损失 v 是沿渗流途径上的水头损失与是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度相应的渗流长度之比之比 LhLHLHHI2121渗透系数渗透系数渗透系数渗透系数 K K（coefficient of permeability） 在有些教科书中也称为水力传导率在有些教科书中也称为水力传导率 （hydraulic conductivity） v 由公式由公式V = K I 分析分析

13、 当当I一定时，岩层的一定时，岩层的 K 愈大，则愈大，则 V 也愈大，也愈大， Q 大大 因此，渗透系数因此，渗透系数 K K 是表征岩石是表征岩石透水性透水性的定量指标的定量指标 一般松散岩土颗粒越细，渗透系数越小一般松散岩土颗粒越细，渗透系数越小名称名称K(m/d)名称名称K(m/d)亚粘土0.0010.1中砂520亚砂土0.10.5粗砂2050粉砂0.51.0砾石50150细砂1.05.0卵石100500介质渗透系数在地下水污染中的意义是什么？介质渗透系数在地下水污染中的意义是什么？m/dcm/s0.0010.0011.2E-061.2E-060.10.11.2E-041.2E-040

14、.50.55.8E-045.8E-041 11.2E-031.2E-035 55.8E-035.8E-0320202.3E-022.3E-0250505.8E-025.8E-021501501.7E-011.7E-015005005.8E-015.8E-01Company Logo 渗透流速（渗透流速（V V）与过水断面（）与过水断面（） Q = K I = V v 过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否 过水断面过水断面，假想的断面（，假想的断面（Critical Point for Darcy)实际孔隙断面实际孔隙断面 n 孔隙度孔隙度实际水流

15、断面实际水流断面 e 有效孔隙度有效孔隙度 v 关系关系：地下水渗透流速地下水渗透流速 V= u ne (u为平均实际流速)v 渗透流速渗透流速V：是假设水流通过整个岩层断面（骨架是假设水流通过整个岩层断面（骨架+空隙）时空隙）时所具有的虚拟的平均流速。所具有的虚拟的平均流速。 v 意义意义：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而不：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而不去追踪实际水质点的运移轨迹去追踪实际水质点的运移轨迹简化的研究简化的研究v 孔隙度与粒径的关系孔隙度与粒径的关系v 砂子与粉砂的孔隙度超过最疏松排列的砂子与粉砂的孔隙度超过最疏松排列的47.64%v 粘土的孔

16、隙度达到了粘土的孔隙度达到了70%岩石名称砾石砂粉砂粘土孔隙度孔隙度25-40%25-50%35-50% 40-70%？孔隙孔隙松散岩石松散岩石孔隙度孔隙度参考数值参考数值岩土颗粒形状愈不规岩土颗粒形状愈不规则，棱角愈明显，通则，棱角愈明显，通常排列就愈松散，孔常排列就愈松散，孔隙度也愈大。隙度也愈大。给水度给水度（specific yield） ( e d) (water drained from soil under gravity flow) 定义定义： 当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给

17、水度。柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度。%100总VV岩石的水理性质岩石的水理性质当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？ 结合水结合水(膜膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水在土层中会保留什么形式的水？在土层中会保留什么形式的水？岩石的水理性质岩石的水理性质Sr 岩石的持水能力岩石的持水能力最大保持水分的能力最大保持水分的能力 岩石的持水量（持水体积）与岩石总体积之比岩石的持水量（持水体积）与岩石总体积之比(饱水的岩土释饱水的岩土释水后，单位体积内保持的水量水后，单位

18、体积内保持的水量)原因：毛细力（及分子力）原因：毛细力（及分子力）包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量称作残留含水量，数值上相当于最大的持水度。称作残留含水量，数值上相当于最大的持水度。当初始水位埋深足够大时，水位下降十分缓慢时，释水才当初始水位埋深足够大时，水位下降十分缓慢时，释水才比较充分，给水度才能达到其理论最大值。比较充分，给水度才能达到其理论最大值。给水度、持水度与孔隙度的关系是：给水度、持水度与孔隙度的关系是：rSnCompany Logo承压含水层的储水与释水承压含水层的储水与释水 v 弹性给水度弹性给水度 e 承压含水层中当测压水位下降承压含水层中当测压水位下降(或上升或上升)1个单位，单位水平个单位，单位水平面积含水层所释放面积含水层所释放(