地下水的储存于循环

1、第三章 地下水的储存与循环 地壳中的岩石是地下水储存、运动的重要介质，而构成岩石的三大类型：沉积岩、岩浆岩、变质岩，程度不同地存在有一定的空隙，就为地下水的形成、储存于循环提供了必要的空间条件。 因此研究地下水空间的分布及其特征，就成为研究地下水行为特征的重要根底3.1 岩石中的空隙与岩石的水理性质岩石中空隙的普遍存在，为地下水赋存提供了必要的空间条件将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即，松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶隙(溶穴)岩石中的空隙孔隙 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，称为孔隙。 岩石中孔隙体积的大小是影响其储容

2、地下水能力大小的重要因素。 空隙体积的多少用孔隙度(n)表示，指某一体积岩石(V)包括孔隙在内中孔隙体积(Vn)所占的比例。 n=Vn/V100%岩石中的空隙孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度 假设颗粒是等粒球形，按立方体排列，孔隙度可达47.64%，按四面体排列，孔隙度可达25.95%，与颗粒大小无关，四面体排列为最紧密排列，而六方体排列那么最疏松。 岩石中的空隙 自然界中大多数松散岩石由不等粒岩石颗粒组成。细小颗粒充填在粗大颗粒之间的孔隙中，岩石的孔隙度下降。 岩石的分选成都愈好，孔隙度越大，分选程度愈差，孔隙度愈小岩石中的空隙 粘性土的孔

3、隙度往往可超过理论上的最大值，因为粘土颗粒十分细小，由外表带电荷的片状矿物组成，在沉积过程中，粘土矿物构成颗粒集合体，可形成直径比起颗粒大很多的结构空隙，此外粘土中常发育有虫孔、跟孔、干裂缝等大的次生孔隙 孔隙大小与地下水的运动影响很大。孔隙通道中最细小的局部称为孔喉，最宽大的局部为孔腹岩石中的空隙裂隙 坚硬的岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不存在或只保存一局部颗粒之间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙 裂隙率(Kr)是裂隙体积Vr与包括裂隙在内的岩石体积V的比值 Kr=Vr/V100 裂隙分为岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙岩石中的空隙按成因：风化裂隙水成岩裂隙水构造裂隙

4、水按埋藏条件：面状裂隙水层状裂隙水脉状裂隙水溶隙(溶穴) 可溶的沉积岩，如岩盐、石膏等，在地下水溶蚀下产生的空洞称为溶穴或喀斯特 岩溶率(Kk) 溶穴的体积(Vk)与包括溶穴在内的岩石体积(V)的比值。 Kk=Vk/V 100 岩溶发育极不均匀：大者可宽达数百米、 高达数十米乃至上百米、长达数十公里或更多；小的只有几毫米直径。并且，往往在相距极近处岩溶率相差极大。可以从小于1几十之间变化岩石中的空隙岩石中的空隙 岩石的空隙，必须以一定方式连接起来，构成脉络相通的空隙，才能成为地下水有效的储容空间和运移通道 松散岩石的孔隙分布在颗粒之间，连通性好，分布均匀，各个方向上空隙通道比较接近，其中的地下

5、水分布与流动较为均匀 坚硬基岩中的裂隙具有方向性强，分布范围有限，裂隙宽窄不一、长度不等的不均特点，只有不同方向的裂隙相互连通，才能构成一定范围的裂隙通道，具备储存和运移地下水的功能 可溶岩中的空隙连通性由溶隙、溶孔和溶洞构成，具有空隙大小悬殊、分布极不均匀的特点，尤其是南方以地下暗河为主的溶岩系统中，地下水分布极不均匀岩石中的空隙不同空隙网络的特点松散岩石中的空隙赋予地下水的分布与流动比较均匀坚硬岩石中的裂隙赋予地下水的分布与流动往往不均匀可溶岩石中的溶隙赋予地下水的分布与流动极不均匀岩石中的空隙岩石中水的存在形式地壳岩石中的水岩石骨架中的水（矿物结合水）沸石水结晶水岩石孔隙中的水结合水结构

6、水（矿物表面结合水）强结合水弱结合水液态水重力水毛细水气态水固态水岩石中水的存在形式结合水 受固相外表的引力大于水分子自身重力的那局部水称为结合水 分为强结合水(吸着水) 弱结合水(薄膜水)岩石中水的存在形式重力水 距离固体外表更远的那局部水分子，重力影响大于固体外表对它的吸引力，因而能在自身重力影响下运动，这局部水就是重力水 重力水是我们研究的主要对象毛细水 松散岩石中细小的毛细孔道构成毛细管，因此地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。分为支持毛细水、悬挂毛细水、孔角毛细水气态水、固态水 岩石的水理性质：指水进入岩石空隙后，岩石空隙所表现出的与地下水存储、运移有关的一些物理性质 岩石空隙的大

7、小、多少、连通程度及其分布的均匀程度，都对其储容、滞留、释出以及透过水的能力有影响一、含水性 1 容水度 指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值 2含水量 含水量说明松散岩石实际保存水分的状况。分为重量含水量，体积含水量岩石的水理性质重量含水量： 松散岩石空隙中所含水的重量与枯燥岩石重量的比值。Ww=Vw/V 100% 体积含水量： 含水的体积与包括孔隙在内的岩石体积的比值。 Wv=Vv/V*100% 当水的比重为1，岩石的干容重为ya时，重量含水量与体积含水量的关系是 Wv=Ww *ya 孔隙充分饱水时的含水量，称作饱和含水量。饱和含水量与实际含水量之间的差值称为饱和差。实

8、际含水量与饱和含水量之比称为饱和度岩石的水理性质 3持水度 地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中对抗重力而保持于岩石空隙中的水量。依靠分子引力和毛细力的作用二、给水性 (4) 给水度 地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地外表的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积 给水度=容水度(孔隙度)-持水度三、渗透性5透水性 岩石的透水性指岩石允许水透过的能力，用渗透系数K来表示岩石的水理性质3.2 含水层、透水层与隔水层 地表以下一定深度上，岩石中的空隙被重力水所充满，形成地下水面。地下水面以上称为包气带；地下水面以下称为饱水带包气带 1 包气带自上而下分为土壤水带、中间

9、带、毛细水带 2 包气带水来源于大气降水的入渗，地表水的渗漏，由地下水面通过毛细上升输送的水分。以及地下水蒸发形成的气态水 3 包气带的含水量及其水岩运动受气象因素影响极为显著 4 包气带是饱水带与大气圈、地表水圈联系必经的通道包气带与饱水带2饱水带 饱水带岩石孔隙全部为液态水充满，即有重力水，也有结合水 饱水带中的水体是连续分布的，能够传递静水压力，在水头差的作用下，可以发生连续运动包气带与饱水带含水层：给出并透过相当水量的岩土层透水层：只有透水而不储存水的岩层隔水层：不能透过也不能给出水量的岩层含水层与隔水层构成含水层的根本条件：岩层要具有能容纳重力水的空隙有储存和聚集地下水的地质条件具有

10、补充的补给来源含水层与隔水层含水层类型表划分依据含水层类型特征空隙类型孔隙含水层地下水储存在松散孔隙介质中裂隙含水层地下水储存坚硬岩石的各种裂隙中岩溶含水层地下水储存可溶岩石的各种溶隙中埋藏条件潜水含水层含水层上面为不隔水层，直接与包气带相接承压含水层含水层上面存在稳定隔水层，水有承压性渗透性能空间变化均质含水层各个部位及不同方向渗透性相同非均质含水层各个部位及不同方向渗透性变化3.3 地下水分类地下水类型地下水类型 包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水 特征：接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。 工程意义：常始料不及涌入的基坑；供水意义不大；在寒冷地

11、区易引起道路冻胀和翻浆上层滞水(perch ground water ) 埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的含水层中的重力水 特征：a.与大气相通，具自由水面，补给区与分布区一致；b.动态受气候影响较大；c.潜水面形状受地形影响;d. 受污染风险大潜水(phreatic water)1砂层 2隔水层 3含水层 4潜水面 5基准 面M-含水层厚度 T-潜水埋藏深度 H-潜水位 潜水与地表水关系潜水补给河流河流补给潜水单侧补给潜水与地表水关系潜水等水位图可解决如下问题：1 决定潜水流向2 求潜水的水力坡度(两等水位线之高差被相应的两等水位线间的距离所除)3 确定潜水的埋藏深度(地形等高

12、线与等水位线相交之点二者高差)4 确定潜水与地表水的关系 5 提供合理的取水位置 潜水虚线潜水等水位线 实线地形等高线 充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水承压水(pressure water)A补给区 B承压区 C排泄区 m-含水层厚度 特征：i.不具自由水面，并承受一定的水头压力；ii.分布区和补给区不一致。iii.动态变化较稳定。iv不易受地面污染。v富水性好的承压水层是理想的供水水源。承压水(pressure water)H1初见水位 H2承压(测压)水位H承压水头 h承压水位埋深 承压水等水位图承压水(pressure water) 承压水等水位线图可确定以下重要指标：承

13、压水位埋深h (地面标高与承压水位之差)承压水头大小H(承压水位H2与隔水顶板高程H1之差)含水层埋深h+H地面标高与初见水位H1之差承压水(pressure water)【例】如图中A点： 地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。那么承压水位埋深为： 1039112m 承压水头为91838 m 含水层埋深为： 1038320m承压水(pressure water)承压水分类A.自流盆地 自流水盆地可分为三个区：补给区、承压区、排泄区 承压含水层在盆地边缘出露地表，假设出露的边缘比较高才可构成承压水的补给区；出露的边缘低的一面常是排泄区。在地形适宜的地方，由于承压水位高于地面高

14、程，井穿透隔水顶板，或在有利的地形条件下地下水可溢出地表，这一地区叫自流区，在自流盆地地形较低的边缘地区，承压水可以泉的形式排出地表，叫做排泄区 我国这类自流水盆地分布普遍，较大的自流水盆地有：四川盆地、淄博盆地、汉中盆地等。承压水(pressure water)B. 自流斜地 含水层的上部出露地表成为补给区，含水层的下部或由于被断层切割 或是含水层岩性发生变化，其透水性逐渐变差，或含水层的厚度变小，以至在某一深度处尖灭，这时便形成了自流斜地在含水层上部出路地表的地方接受来自地表水或大气降水的补给 当补给量超过含水层可能容纳的水量时，由于含水层下部无处排泄，在含水层出露地表地势较低的地方出现泉

15、，形成排泄区，在这种情况下含水层的补给区与排泄区是相邻的，而承压区位于另一端含水层的水循环也与前一类型不同，有些由于受到断层阻隔形成的自流斜地，假设断层的导水性能好，在地形条件适宜时，还可形成泉排出地表，成为排泄区承压水(pressure water)潜水与承压水的相互转化 在自然与人为条件下，潜水与承压水经常处于相互转化之中。显然除了构造封闭条件下与外界没有联系的承压含水层外，所有承压水最终都是由潜水转化而来；或由补给区的潜水侧向流入，或通过弱透水层接受潜水的补给承压水(pressure water)3.4 地下水循环 地下水的循环是指地下水的补给，径流与排泄过程。地下水以大气降水，地表水，

16、人工补给等各种形式获得补给，在含水层的岩土介质中流过一段路程，然后又以泉、蒸发等形式排出地表，如此周而复始的过程便叫做地下水的循环地下水的循环 大气降水的补给：地下水的主要补给方式 大气圈中的水以大气降水的形式(主要包括雨、雪、露水等)降至地表，一局部变为地表径流，或蒸发后回至大气圈，另一局部别经过包气带向下入渗补给含水层。我国西北干旱地区的山前地带主要靠山区融雪补给地下水。地下水的补给地表水的补给 地表水体指的是河流、湖泊、水库与海洋等，地表水体有可能补给地下水，也可能排泄地下水，这主要取决于地表水的水位与地下水位之间的关系地下水的补给凝结水的补给 广阔的沙漠地区，大气降水和地表水体的渗入很少，凝结水是其补给主要来源。含水层之间的补给 深部与浅层含水层之间的隔水层中假设有透水的“天窗或由于受断层的影响，使上下含水层之间产生一定的水力联系时，地下水使会由水位高的含水层流向并补给水位低的含水层。有时上下含水层之间的透水层中虽然没有“天窗等通道，但由于隔水层有弱透水能力，这时假设两含水层之间水位相差较大时，也可通过弱透水层进行越流补给。人工补给地下水的补给 地下水在岩石空隙中的流动过程称为径流 或地下水由补给区流