第5章+地下水的结构与运动

1、5 5 地下水的结构与运动地下水的结构与运动v地下水系统的组成与结构地下水系统的组成与结构v地下水类型地下水类型v地下水的补给与排泄地下水的补给与排泄v地下水运动地下水运动v地下水的动态与平衡地下水的动态与平衡5.1 5.1 地下水系统的组成与结构地下水系统的组成与结构v地下水的贮存空间地下水的贮存空间v地下水流系统地下水流系统v地下水系统垂向结构地下水系统垂向结构 地下水是存在于地表以下岩地下水是存在于地表以下岩( (土土) )层层空隙中的各种不同形式水的统称。空隙中的各种不同形式水的统称。 一、地下水的贮存空间一、地下水的贮存空间 1.1.含水介质、含水层和隔水层含水介质、含水层和隔水层

2、通常把既能透水，又饱含水的多孔通常把既能透水，又饱含水的多孔介质称为介质称为含水介质含水介质, ,这是地下水存在的这是地下水存在的首要条件。首要条件。 所谓所谓含水层含水层是指贮存有地下水，并是指贮存有地下水，并在自然状态或人为条件下，能够流出地在自然状态或人为条件下，能够流出地下水来的岩体。下水来的岩体。 对于那些虽然含水，但几乎不透水对于那些虽然含水，但几乎不透水或透水能力很弱的岩体，称为或透水能力很弱的岩体，称为隔水层隔水层。 2.2.含水介质的空隙性与水理性含水介质的空隙性与水理性 含水介质的空隙性含水介质的空隙性: :裂隙率裂隙率(K(KT T) )、岩溶率、岩溶率(K(Kk k)

3、)与孔与孔隙率隙率(n)(n) 。含水介质的水理性质。含水介质的水理性质 : :与水分的贮容、与水分的贮容、运移有关的岩石性质称为含水介质的水理性质，包运移有关的岩石性质称为含水介质的水理性质，包括岩土的容水性、持水性、给水性、贮水性、透水括岩土的容水性、持水性、给水性、贮水性、透水性及毛细性等。性及毛细性等。v3.3.蓄水构造蓄水构造v 指由透水岩层与隔水层相互结合而构成指由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能够富集和贮存地下水的地质构造体。主的能够富集和贮存地下水的地质构造体。主要有：单斜蓄水结构、背斜蓄水结构、向斜要有：单斜蓄水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄水结构、岩溶型蓄水结

4、蓄水结构、断裂型蓄水结构、岩溶型蓄水结构等。构等。二、地下水流系统二、地下水流系统 地下水虽然埋藏于地下，难以用肉眼观察，但它地下水虽然埋藏于地下，难以用肉眼观察，但它象地表上河流湖泊一样，存在集水区域，在同一集象地表上河流湖泊一样，存在集水区域，在同一集水区域内的地下水流，构成相对独立的地下水流系水区域内的地下水流，构成相对独立的地下水流系统。统。 1.1.地下水流系统的基本特征地下水流系统的基本特征 空间上的立体性空间上的立体性; ; 流线组合的复杂性和不稳定性流线组合的复杂性和不稳定性; ; 流动方向上的下降与上升的并存性流动方向上的下降与上升的并存性; ; 区域范围一般比较小。区域范围

5、一般比较小。 2.2.地下水域地下水域 地下水流系统的集水区域地下水流系统的集水区域, ,为立体的集水空间。地为立体的集水空间。地下水域范围变化快下水域范围变化快, ,在地表上均存在相应的补给区与排泄在地表上均存在相应的补给区与排泄区区. . 三、地下水系统垂向结构三、地下水系统垂向结构 1.1.地下水垂向层次结构的基本模式地下水垂向层次结构的基本模式 包气带包气带: :土壤水带、中间过渡带及毛细水带等土壤水带、中间过渡带及毛细水带等3 3个亚个亚带带; ;存在结合水存在结合水( (包括吸湿水和薄膜水包括吸湿水和薄膜水) )和毛管水；和毛管水； 饱和水带饱和水带: :潜水带和承压水带两个亚带潜

6、水带和承压水带两个亚带, ,存在重力水存在重力水( (包括潜水和承压水包括潜水和承压水) )。 2.2.地下水不同层次的力学结构地下水不同层次的力学结构 分子力、毛细力和重力。分子力、毛细力和重力。 3.3.地下水体系作用势地下水体系作用势 重力势、静水压势、渗透压势、吸附势等分势组合重力势、静水压势、渗透压势、吸附势等分势组合为总水势。为总水势。5.2 地下水类型地下水类型v地下水基本类型的划分地下水基本类型的划分v包气带水包气带水v饱水带水饱水带水( (潜水和承压水潜水和承压水) )v空隙水空隙水( (孔隙水、裂隙水和岩溶水孔隙水、裂隙水和岩溶水) ) 一、地下水基本类型的划分一、地下水基

7、本类型的划分 从地理水文学角度来说，特别重视如下的分类：从地理水文学角度来说，特别重视如下的分类： 1.1.按地下水的贮存埋藏条件分类按地下水的贮存埋藏条件分类 (1)(1)包气带水包气带水 结合水（分吸湿水、薄膜水）结合水（分吸湿水、薄膜水） 毛管水（分毛管悬着水与毛管上升水）毛管水（分毛管悬着水与毛管上升水） 重力水（分上层滞水与渗透重力水）重力水（分上层滞水与渗透重力水） (2)(2)饱水带水饱水带水 潜水潜水 承压水（分自流溢水与非自流溢水）承压水（分自流溢水与非自流溢水） v2.按岩土的贮水空隙的差异分类按岩土的贮水空隙的差异分类v (1)孔隙水孔隙水v (2)裂隙水裂隙水v (3)

8、岩溶水岩溶水二、二、 包气带水包气带水 1.1.包气带水的特征与包气带包气带水的特征与包气带的类型的类型 (1)(1)包气带水的主要特征包气带水的主要特征 包气带含水率和剖面分布最容包气带含水率和剖面分布最容易受外界条件的影响；易受外界条件的影响； 包气带在空间上的变化主要体包气带在空间上的变化主要体现在垂直剖面上的差异现在垂直剖面上的差异; ; 包气带含水率变化与岩土层本包气带含水率变化与岩土层本身、岩土颗粒的机械组成有关身、岩土颗粒的机械组成有关; ;2.2.包气带的水分交换与动态包气带的水分交换与动态 外界水分交换和内部水分的外界水分交换和内部水分的再分配及内排水过程再分配及内排水过程,

9、发生在发生在上、上、下界面上下界面上. .三、潜水三、潜水 1.1.潜水的概念和主要特征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，称为潜水中的重力水，称为潜水. . 潜水位潜水位(h)(h)是指潜水面上任一点的海拔高程是指潜水面上任一点的海拔高程(m)(m)； 潜水埋深潜水埋深(T)(T)是指潜水面距地表的铅直距离是指潜水面距地表的铅直距离(m)(m)； 含水层厚度含水层厚度(H)(H)指潜水面至隔水底板的距离指潜水面至隔水底板的距离(m)(m)； 2.2.潜水面形状及其表示方法潜水面形状及其表示方法 (1)(1)

10、潜水面的形状潜水面的形状: :倾斜、抛物线形和水平等多种形状倾斜、抛物线形和水平等多种形状; ; (2) (2)潜水面表示方法潜水面表示方法: :水文地质剖面图和平面图。水文地质剖面图和平面图。 3.3.潜水与地表水之间的互补关系潜水与地表水之间的互补关系 潜水与地表水之间的这种相互补给和排泄关系，称为潜水与地表水之间的这种相互补给和排泄关系，称为水力联系。水力联系。 (1)(1)具有周期性水力联系具有周期性水力联系; ; (2) (2)具有单向的水力联系具有单向的水力联系; ; (3) (3)具有间歇性水力联系具有间歇性水力联系. . 四、承压水四、承压水承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的

11、含水层中的承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水。地下水。 1.1.承压水的主要特征承压水的主要特征 承压性、分布区与补给区不同、动态变化相对稳承压性、分布区与补给区不同、动态变化相对稳定、水质类型多样。定、水质类型多样。 2.2.承压水的形成承压水的形成 主要取决于地质构造条件主要取决于地质构造条件, 最适宜的是向斜构造和最适宜的是向斜构造和单斜构造单斜构造. 3.3.承压水等水压线承压水等水压线 某一含水层中承压水位相等的各点的连线某一含水层中承压水位相等的各点的连线。 五、空隙水五、空隙水v 1.孔隙水孔隙水v 埋藏于松散岩土孔隙中的重力水。透水性、给水性的变化埋藏于松散岩

12、土孔隙中的重力水。透水性、给水性的变化小，运动呈层流状态。小，运动呈层流状态。v 2.裂隙水裂隙水v 存在于岩石裂隙中的地下水。埋藏与分布极不均匀，动力存在于岩石裂隙中的地下水。埋藏与分布极不均匀，动力性质比较复杂，基岩裂隙的发育具有明显的分带性。性质比较复杂，基岩裂隙的发育具有明显的分带性。 v 3.岩溶水岩溶水v 在溶隙中贮存、运动的地下水称在溶隙中贮存、运动的地下水称.分布不均匀分布不均匀, 径流动态不径流动态不稳定稳定.地表与地下径流及无压流与有压流相互转化地表与地下径流及无压流与有压流相互转化。5.3 地下水的补给与排泄地下水的补给与排泄v地下水的补给来源地下水的补给来源v地下水径流

13、地下水径流v地下水排泄地下水排泄 一、一、 地下水的补给来源地下水的补给来源v 1.降水入渗补给降水入渗补给v 2.地表水入渗补给地表水入渗补给v 3.地下水的人工补给地下水的人工补给二、 地下水径流v 1.地下水径流方向与径流强度地下水径流方向与径流强度v 方向呈平面式、放射式、纵向或横向运动方向呈平面式、放射式、纵向或横向运动;强度强度即地下水的流动速度即地下水的流动速度,与透水性、水力坡度成正比与透水性、水力坡度成正比,承压水还与蓄水构造的开启与封闭程度有关。承压水还与蓄水构造的开启与封闭程度有关。v 2.地下水径流类型地下水径流类型v (1)畅流型畅流型;(2)汇流型汇流型;(3)散流

14、型散流型;(4)缓流型缓流型;(5)滞流型滞流型.三、三、 地下水的排泄地下水的排泄v 1.1.泉排泄泉排泄v 2.2.蒸发排泄蒸发排泄v 3.3.泄流排泄泄流排泄5.4 地下水运动地下水运动v结合水运动结合水运动v毛管水运动毛管水运动v重力水运动重力水运动 地下水在岩土空隙中的运动现象统称为地下水在岩土空隙中的运动现象统称为“渗流渗流”. .渗渗流分饱和渗流和非饱和渗流流分饱和渗流和非饱和渗流. . 前者指饱水带的潜水和承压水在重力作用下运动前者指饱水带的潜水和承压水在重力作用下运动; ; 后者是指包气带中的毛管水和结合水在毛管力和骨架吸引力的后者是指包气带中的毛管水和结合水在毛管力和骨架吸

15、引力的控制运动控制运动, ,两种渗流的运动规律不同两种渗流的运动规律不同. .一、结合水运动一、结合水运动 1.1.结合水运动基本规律结合水运动基本规律 结合水又分为强结合水结合水又分为强结合水( (吸湿水吸湿水) )和薄膜水和薄膜水( (弱结合弱结合水水) )两种两种. .其中强结合水不能流动其中强结合水不能流动, ,所以结合水运动指的是所以结合水运动指的是属于弱结合水的薄膜水运动。属于弱结合水的薄膜水运动。 2.2.结合水运动与越流渗透结合水运动与越流渗透(5-14(5-14式式) ) 二、毛管水运动v 1.1.毛管力及毛管上升高度毛管力及毛管上升高度(5-17(5-17式式) )v 使液

16、体在管内上升的湿润力就是毛管使液体在管内上升的湿润力就是毛管力。力。v 2.2.包气带中毛管水的运动包气带中毛管水的运动 三、重力水运动三、重力水运动 1.1.重力水运动的基本形式重力水运动的基本形式 线状流线状流( (一维流一维流): ): 又称，地下水在渗流场中任意点又称，地下水在渗流场中任意点的速度变化只与空间坐标的一个方向有关。的速度变化只与空间坐标的一个方向有关。 平面流平面流( (二维流二维流) : ) : 其特点是地下水在渗流场中任其特点是地下水在渗流场中任意点的速度变化与空间坐标上的两个方向有关。意点的速度变化与空间坐标上的两个方向有关。 立体流立体流( (三维流三维流):):

17、流动在空间流动在空间3 3个方向上都发生变化。个方向上都发生变化。 2.2.线性渗透定律线性渗透定律渗透流量渗透流量Q Q与水位差与水位差(h(h1 1-h-h2 2) )成正比，其数学表达式为成正比，其数学表达式为： 3.3.渗透系数（渗透系数（k k） 当水力坡度当水力坡度I=1I=1时，则时，则V=kV=k，即渗透系数在数值上等，即渗透系数在数值上等于渗流速度于渗流速度, ,表征含水介质透水性能的重要参数表征含水介质透水性能的重要参数. 4.4.非线性渗透定律非线性渗透定律 达西定律虽然重要，但适用于层流状态的水流，而且达西定律虽然重要，但适用于层流状态的水流，而且要求流速比较小要求流速

18、比较小,(,(常用雷诺数常用雷诺数ReRe1010表示表示).). Q=k Q=km mAIAI1/m1/m， 或或 V=kV=km mI I1/m1/m (5 (535)35) 5.5.线性渗透定律在地下水计算中的应用线性渗透定律在地下水计算中的应用 (1)(1)潜水完整井稳定运动时涌水量的计算潜水完整井稳定运动时涌水量的计算 (2)(2)承压水完整井稳定运动涌水量计算承压水完整井稳定运动涌水量计算 5.5 地下水动态与平衡地下水动态与平衡v影响地下水动态的因素影响地下水动态的因素v地下水动态地下水动态v地下水平衡地下水平衡一、影响地下水动态的因素一、影响地下水动态的因素1.自然因素自然因素

19、 (1) 气象气候因素气象气候因素 (2) 水文因素水文因素 (3) 地质地貌因素地质地貌因素 (4) 生物与土壤因素生物与土壤因素2.人为因素人为因素二、地下水动态二、地下水动态1.地下水动态的地区特征地下水动态的地区特征 (1) 地下水动态的地区特征地下水动态的地区特征 (2) 地下水动态的垂直分异地下水动态的垂直分异2.地下水动态的多年特征地下水动态的多年特征P260图图 5-383.地下水动态类型地下水动态类型 (1) 渗入渗入蒸发型蒸发型 (2) 渗入渗入径流型径流型 (3) 过渡型过渡型三、地下水平衡三、地下水平衡(P(Pg g+R+R1 1+E+E1 1+Q+Q1 1)-(R)-

20、(R2 2+E+E2 2+Q+Q2 2)=W (5-47)=W (5-47)1.1.潜水水量平衡方程潜水水量平衡方程(P(Pg g+R+R1 1+E+E1 1+Q+Q1 1+Q+Qn n)-(R)-(R2 2+E+E2 2+Q+Q2 2)=H)=H (5 (549)49) 2.2.承压水水量平衡方程承压水水量平衡方程3.3.地表水与地下水的转化与平衡地表水与地下水的转化与平衡PPg g=R=Rs s-E-Eg g (5 (558)58)6 6 人类活动对水环境的影响人类活动对水环境的影响v人类活动的水文效应人类活动的水文效应v人类活动对水体水质的影响人类活动对水体水质的影响6.1 6.1 人类

21、活动的水文效应人类活动的水文效应v水利工程、农业措施对水文要素的影响v森林水文效应v城市水文效应v人类活动水文效应的研究方法一、水利工程、农业措施对水文要素的影响一、水利工程、农业措施对水文要素的影响（一）（一） 水库水文影响水库水文影响1.概念：概念：狭义：研究水库与水文要素及变化过程之间的相互影响。狭义：研究水库与水文要素及变化过程之间的相互影响。广义：研究水库与其周围的自然环境的相互作用、广义：研究水库与其周围的自然环境的相互作用、 相互影响的问题。相互影响的问题。2.作用：作用：（1）可改变流域原有的水循环系统）可改变流域原有的水循环系统（2）可改变局部的气候类型）可改变局部的气候类型

22、（3）水库坝上游水位的抬高，同时也抬高了上游地区）水库坝上游水位的抬高，同时也抬高了上游地区 的地下水位，增加了水库临近地区的地下水补给量的地下水位，增加了水库临近地区的地下水补给量（二）跨流域调水水文效应（二）跨流域调水水文效应1、概念：为了改变水的地区分布，将湿润地区的部分水量、概念：为了改变水的地区分布，将湿润地区的部分水量调到较干旱缺水的地区调到较干旱缺水的地区,以满足生产和生活的需要。以满足生产和生活的需要。2、跨流域调水对环境影响的过程：、跨流域调水对环境影响的过程： 调水调水改变原有的水文情改变原有的水文情势势自然环境的变化自然环境的变化社会经济的变化社会经济的变化v（三）小型农

23、田水利措施水文效应（三）小型农田水利措施水文效应v主要包括：灌溉、排水措施、山区梯田谷坊主要包括：灌溉、排水措施、山区梯田谷坊措施、平原与区的控制措施等措施、平原与区的控制措施等v（四）农业措施的水文效应（四）农业措施的水文效应二、森林水文效二、森林水文效应应概念：是指森林覆盖对径流、蒸发、降水等水循环要素，概念：是指森林覆盖对径流、蒸发、降水等水循环要素， 及河流水情、地下水、水质泥沙等水文现象的影响。及河流水情、地下水、水质泥沙等水文现象的影响。（一）（一） 森林的拦洪作用森林的拦洪作用（二）森林对流域蒸散发的影响（二）森林对流域蒸散发的影响（三）森林对降水的影响（三）森林对降水的影响（四

24、）森林对地下水的影响（四）森林对地下水的影响（五）滥伐森林的后果（五）滥伐森林的后果三、城市水文效应三、城市水文效应v概念：指城市化所及地区内，水文过程的变概念：指城市化所及地区内，水文过程的变化及其对城市环境的影响化及其对城市环境的影响。（一）城市化对水文过程的影响（一）城市化对水文过程的影响（二）城市水资源危机（二）城市水资源危机（三）城市化对水质的影响（三）城市化对水质的影响四、人类活动水文效应的研究方法四、人类活动水文效应的研究方法v（一）水量平衡法（一）水量平衡法v（二）对比分析法（二）对比分析法v（三）流域水文模拟法（三）流域水文模拟法6.2 6.2 人类活动的水文效应人类活动的水

25、文效应v影响水体活动水质的物质的影响影响水体活动水质的物质的影响v天然水体水质恶化特点天然水体水质恶化特点v水体的自净能力水体的自净能力v水环境容量水环境容量一、影响水体水质的物质来源一、影响水体水质的物质来源1、大气降水大气降水2、农田排水、农田排水3、城市生活污水、城市生活污水4、工业废水、工业废水5、工业废渣和城市垃圾淋溶水、工业废渣和城市垃圾淋溶水二、天然水体水质恶化特点二、天然水体水质恶化特点v（一）海洋水体水质恶化特点（一）海洋水体水质恶化特点v 1、污染源多而复杂污染源多而复杂v 2、污染物持续性强，危害性大、污染物持续性强，危害性大v 3、污染范围大、污染范围大（二）河流水体水

26、质恶化特点（二）河流水体水质恶化特点 1、河流水质恶化程度随流量的大小而变化河流的污径比的大小反映河流的、河流水质恶化程度随流量的大小而变化河流的污径比的大小反映河流的水质恶化程度；水质恶化程度； 2、河流水质恶化影响范围广河水不断流动，搬运污染物质的能力强，故上、河流水质恶化影响范围广河水不断流动，搬运污染物质的能力强，故上游遭受污染，很快就影响到下游；游遭受污染，很快就影响到下游； 3、河流水质恶化影响大；、河流水质恶化影响大； 4、河流自净能力强，水质恶化易于控制。、河流自净能力强，水质恶化易于控制。（三）湖泊（水库）水质恶化特点（三）湖泊（水库）水质恶化特点 1、湖泊、水库污染来源广、

27、途径多，种类复杂、湖泊、水库污染来源广、途径多，种类复杂 2、湖水稀释和搬运污染物质的能力弱、湖水稀释和搬运污染物质的能力弱 3、湖泊对污染物质的生物降解、累积和转化能力强、湖泊对污染物质的生物降解、累积和转化能力强（四）（四） 地下水水质恶化特点地下水水质恶化特点 1.地下水水质恶化过程缓慢地下水水质恶化过程缓慢 2.地下水的间接恶化方式地下水的间接恶化方式 3.地下水污染物浓度高地下水污染物浓度高 4.地下水污染难治理地下水污染难治理三、水体的自净能力三、水体的自净能力（一）水体恶化与自净关系（一）水体恶化与自净关系1.水质恶化过程水质恶化过程2.水替净化过程水替净化过程P图图65（二）水

28、体的自净过程（二）水体的自净过程概念：概念：广义：指受污染的水体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓广义：指受污染的水体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低，并恢复到污染前的水平。度降低，并恢复到污染前的水平。狭义：指水体中的微生物氧化分解有机物而使得水体得以净化的过程。狭义：指水体中的微生物氧化分解有机物而使得水体得以净化的过程。1.水体自净过程的特征水体自净过程的特征v1 1）进入水体中的污染物，在连续的自净过程中，）进入水体中的污染物，在连续的自净过程中，总的趋势是浓度逐渐下降。总的趋势是浓度逐渐下降。v2 2）大多数有毒污染物经各种物理、化学和生物作）大多数有毒污染物经各种物理、化学和生物作用，转变为低毒或无毒化合物。用，转变为低毒或无毒化合物。v3 3）重金属一类污染物，从溶解状态被吸附或转变）重金属一类污染物，从溶解状态被吸附或转