地下水基础知识

第八章地下水基础知识8.1岩石的空隙与岩石的水理性质8.2含水层、透水层与隔水层8.3地下水分类8.4地下水循环8.5地下水动态及影响因素

8.6

地下水均衡8.1岩石的空隙与岩石的水理性质一、岩石中的空隙岩土：包括坚硬岩石及松散土。空隙：岩、土中各种类型空洞的总称。空隙是地下水的赋存场所和运移通道。

孔隙:

松散岩石颗粒间的空隙空隙分为裂隙:

坚硬岩石破裂产生的空隙

溶穴:

可溶性岩石被溶蚀后产生的空隙岩石的各种空隙

孔

隙裂隙溶隙8.1岩石的空隙与岩石的水理性质一、岩石中的空隙

1.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。孔隙多少是用孔隙度描述。孔隙度：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。通常用n

表示。8.1岩石的空隙与岩石的水理性质影响孔隙度的主要因素

排列方式：排列愈紧密，孔隙度愈小。

理想最疏松排列（立方体）：孔隙度为47.64%；理想最紧密排列（四面体）：孔隙度为25.95%。

在实际中，天然砂砾石孔隙度一般介于两者之间。自然界中松散岩石的孔隙度（P198表8-1）。岩石名称砾石砂粉砂 粘土空隙度(%)25—4025—5035—5040—70

颗粒的排列形式a－立方体排列b－四面体排列8.1岩石的空隙与岩石的水理性质影响孔隙度的主要因素

分选程度：分选愈差，孔隙度愈小。颗粒形状：越不规则，孔隙度愈大。胶结程度：胶结程度高，孔隙度愈小。

8.1岩石的空隙与岩石的水理性质影响孔隙度的主要因素

为何粘性土的孔隙度超过最疏松排列的47.64%，可达70%？粘土孔隙：粒间孔隙—粘粒之间的空隙；

结构孔隙—集合体与集合体之间的空隙；

次生孔隙—虫孔、根系孔、干裂缝等。8.1岩石的空隙与岩石的水理性质一、岩石中的空隙

2.裂隙固结坚硬岩石一般仅残存很小部分的颗粒间的孔隙，主要发育因各种内外力作用产生的裂隙：风化(卸荷)裂隙、成岩裂隙、构造裂隙。

裂隙率：裂隙体积与包括裂隙在内的岩石体积的比值。8.1岩石的空隙与岩石的水理性质一、岩石中的空隙

3.溶隙(穴)

溶穴：可溶岩在地下水溶蚀作用下产生的空隙。包括溶孔、溶隙、溶穴、溶洞等。岩溶率：溶隙（穴）体积与包括溶隙（穴）在内的岩石体积的比值。

空隙特征的比较

由空隙所构成的岩石称为含水介质。含水介质有三种：孔隙介质、裂隙介质、溶穴介质。连通性—孔隙介质最好，其它较差空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀；孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊空隙率—孔隙介质最大，裂隙最小渗透性—孔隙介质属各向同性，裂隙与溶穴为各向异性造成空隙介质差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的地质环境差异。8.1岩石的空隙与岩石的水理性质二、岩石中水的存在形式

重力水毛细水岩土空隙中水的存在形式结合水液态水固态水气态水强结合水弱结合水8.1岩石的空隙与岩石的水理性质二、岩石中水的存在形式

1.结合水

定义：附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水，称为结合水。成因：固相表面与水分子间存在静电引力相互吸引，其间引力大小服从库仑定律，随离固体表面的距离加大而减弱，结合水的物理性质随之变化。内：强，外：弱。性质：结合水具有固态和液态水的双重性质；具有一定的抗剪强度，即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动及变形。意义：结合水膜很薄，当孔隙直径小于2倍结合水膜厚度时，孔隙中只含有不能自由运动的结合水（无效空隙空间）。强结合水：几个—几百个水分子厚度，引力1012Mpa，密度2g/cm3；不流动，可蒸发。弱结合水：几十个几百个—几千个水分子厚度，水分子排列没有强结合水紧密，能部分被植物吸收。8.1岩石的空隙与岩石的水理性质二、岩石中水的存在形式

2.重力水定义：远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动。意义：重力水具有非常重要的实用价值。地层岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽出），为人们所用，因此重力水是水文地质学研究的主要对象。8.1岩石的空隙与岩石的水理性质二、岩石中水的存在形式

3.毛细水定义：在毛细力作用下，保持在细小孔隙构成的毛细管道中的水。毛细水受固体表面吸引力、液体表面张力和液体重力的共同作用。毛细力是在三相界面上弯液面引起的附加表面压力。地下水面以上广泛存在毛细水。8.1岩石的空隙与岩石的水理性质三、岩石中的水理性质

水文地质学中水理性质是指与水分储存、释出与运移有关的性质。

1.含水性岩石实际保留水分的状况。用重量含水量和体积含水量表示。

饱和含水量(s)：孔隙充分饱水时的含水量。

残留含水量(0)：包气带重力释水后未受蒸发、蒸腾消耗时的含水量。

8.1岩石的空隙与岩石的水理性质三、岩石中的水理性质

2.容水性

岩石能容纳一定水量的性能。其度量指标为容水度。

容水度：岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比。孔隙度n与容水度nr两者有何关系?

一般有：n=nr8.1岩石的空隙与岩石的水理性质三、岩石中的水理性质

3.持水性

在重力影响下岩石最大保持水分的能力。持水度：饱水在重力作用下自由释水后仍然保留在岩石空隙中的水体积与岩石总体积之比。

给水度、空隙度、持水度三者关系？8.1岩石的空隙与岩石的水理性质三、岩石中的水理性质

4.给水性饱水岩石在重力作用下，能够自由给出一定水量的性能。

给水度：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。一般来说，空隙直径越大，越大，反之，越小。8.1岩石的空隙与岩石的水理性质三、岩石中的水理性质

5.透水性岩石容许透过水的能力。表征岩石透水性的指标是渗透系数。是含水层最重要的水文地质参数之一。岩石空隙直径越大—透水能力越强—透水性越好！分选性对岩石透水性影响很大。

8.2含水层、透水层与隔水层一、包气带与饱水带地下水面：地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，形成的一个自由水面（潜水面）。地下水面之上称为包气带，之下称为饱水带。

特点：（1）岩石空隙未被水充满;（2）固、液、气三相介质并存；（3）水的存在形式多样：结合水、毛细水、重力水、气态水。包气带水的垂直分带：土壤水带，中间带（过渡带），毛细水带（支持毛细水带、饱和毛细水带）。包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道：饱水带地下水通过包气带获得降水、地表水的入渗补给（补充），部分水又通过包气带将水分传输，蒸发，消耗出去。包气带饱水带特点：(1)岩石空隙被水完全充满，是固、液二相介质；

(2)空隙中水的存在形式：①重力水，②结合水重力水：连续分布(孔隙是连续的)→传递压力→在水头差作用下，地下水(空隙中的水)可以连续运动。饱水带开挖坑道、巷道、基坑，打井均有重力水涌出来！饱水带中的重力水是开发或利用的主要对象。8.2含水层、透水层与隔水层二、含水层、透水层、隔水层与弱透水层含水层：能够透过并给出相当数量水的岩层。透水层：只是透水而不储存水的岩层。隔水层：不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层。弱透水层：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。8.2含水层、透水层与隔水层二、含水层、透水层、隔水层与弱透水层含水层的形成条件：（1）岩层应具有储存重力水的空间。空隙大而多、厚度较大。（2）有储存和聚集地下水的地质条件下伏有隔水层，水平方向有隔水层阻挡，否则只能作为过水的通道，而构成透水层。（3）具有充足的补给来源。8.2含水层、透水层与隔水层含水层、隔水层划分的相对性：

定义中“相当水量，微不足道，较大水力梯度”是模糊的；含水层与隔水层的划分是相对的。从实际应用来看，区分含水层与隔水层应考虑岩层给出的水量是否具有实际意义。从理论意义来看，岩层是否透水还取决于时间尺度。岩性相同的地层根据不同研究目的来划分为含水层或隔水层。修水库时，要考虑建库后水库是否渗漏？供水时，考虑水量是否足够，是否为含水层？8.3地下水分类分类依据：含水介质类型、埋藏条件划分。含水介质三类，埋藏条件分三类，组合共分为9类

孔隙水裂隙水岩溶水

包气带

上层滞水上层滞水上层滞水

潜水

孔隙潜水裂隙潜水岩溶潜水

承压水

孔隙承压水裂隙承压水岩溶承压水地下水埋藏条件：地下水储存在地壳中的空间状态和受隔水层限制的情况。8.3地下水分类一、上层滞水

上层滞水是存在于包气带中局部隔水层之上的重力水。特点：水量小，动态变化显著，极易污染。只能作为缺水地区小型供水水源或暂时性供水水源。8.3地下水分类二、潜水

地表以下（饱水带中），第一个具有自由表面的稳定含水层中的水。

自由表面：即没有隔水顶板限制，与大气直接相通。基本要素（专业术语）含水层厚度H潜水埋深T潜水位h潜水含水层潜水面8.3地下水分类二、潜水

1.基本特征（1）潜水的分布区与补给区一致。Why？

（2）潜水动态变化受气候影响显著。（3）潜水受污染风险大。（4）潜水面起伏与地形起伏大体一致，但较平缓，在重力作用下，由潜水位较高处向潜水位较低处流动。（5）潜水一般为无压水，局部承压。Why？

8.3地下水分类二、潜水

2.潜水等水位线图由一系列等水位线构成的图称为潜水等水位线图。将同一时刻测得的潜水面上水位相同的点连接起来的线称为潜水等水位线。8.3地下水分类潜水等水位线图用途：决定潜水流向求潜水的水力坡度确定潜水的埋藏深度提供合理的取水位置推断含水层岩性或厚度的变化确定地下水与地表水的互补关系确定泉水出露点和沼泽化的范围8.3地下水分类三、承压水

充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水。基本要素：①承压含水层：赋存承压水的岩层；②隔水顶板；③隔水底板；④承压含水层厚度（M）；⑤埋深（D）；⑥承压高度（H）：含水层某点的承压高度等于该点的测压高度；⑦测压水位线（面）：测压水位的连线（面），此线是虚拟的；⑧补给区和排泄区；⑨承压区；⑩自溢区：测压水位线与地形等高线的交点连接区。隔水底板隔水顶板8.3地下水分类二、承压水

1.基本特征（1）有限区域与外界联系，水循环交替慢，平均滞留时间长（年龄老）——可恢复性差。（2）水质变化较大，可以是淡水，也可能是卤水。不易污染，一旦污染，很难净化！（3）水位动态较稳定，如果含水层分布面积大，厚度稳定，则调节能力很强。8.3地下水分类

2.承压水等水压线图

用途：（1）判断承压水的流向（2）含水层岩性和厚度的变化（3）水压面的倾斜坡度等（4）确定合理的取水地段注意：用等水压线所表示的水压面是一个虚构的面。为了便于应用，常常把承压水等水压线图与地形等高线图、含水层顶板等高线图叠置在一起。8.4地下水循环

地下水的循环是指地下水的补给、径流和排泄往复过程。地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环。一、地下水的补给补给：含水层从外界获得水量的过程。补给来源：大气降水、地表水、凝结水及相邻含水层的补给以及人工补给。1.大气降水对地下水的补给

qG=P-Rs-E–ΔS影响降水入渗补给因素？气候因素(P，E)；降水总量；降水强度；降水频率；降水延续时间。总量大，强度适中，间隔短，适中时间长的绵绵细雨最有利。温度适中，温差较小，相对湿度大，蒸发强度小，有利补给。地形:

高或低，陡或缓地质:

渗透性愈大则愈有利于入渗地下水位埋深：太大或太小都不利其他：植被，既有利也不利SRsEPqG8.4地下水循环2.地表水的补给地表水体（河、湖、水库等）都可以成为地下水的补给来源。河流补给:

因地而异（空间上），不同部分，岩性等；因时而异（时间上），不同季节，不同补排关系。地表水补给地下水的必要条件有哪些?

（1）有水力联系（2）地表水水位高于地下水水位8.4地下水循环3.地下水的人工补给方式：(1)农田灌溉；(2)人工回灌；(3)傍河抽水。4.含水层之间的补给属地下水的内部转化。方式：(1)潜水—承压水之间的补给。

(2)通过“天窗”和越流补给。

(3)通过导水断层补给。

(4)通过钻孔补给。潜水补给承压水承压水补给潜水含水层通过钻孔发生水力联系含水层通过导水断层发生水力联系8.4地下水循环二、地下水的径流

地下水由补给区流向排泄区的过程。

潜水——无压流承压水——有压流？

地下水径流方向补给区→排泄区，高势能→低势能，垂直于等水位线。地下水径流强度（速度）

潜水：与K、I成正比。

承压水：同潜水，还与蓄水构造的开启程度有关。垂向上，一般随深度增加，强度减弱，直至侵蚀基准面，处于停滞状态。8.4地下水循环二、地下水的径流

地下水径流量

在含水层的K、补给及排泄条件相同时，M越大，径流量越大。地下水径流类型

畅流型汇流型散流型缓流型滞流型

8.4地下水循环三、地下水的排泄含水层失去水量的过程。

排泄方式：泉(点状排泄)、向地表水体泄流(河流—线状)、相邻含水层的排泄、蒸发(面状排泄)、人为排泄。前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的区别：径流排泄—水分（盐分）呈液态排出,盐随水去蒸发排泄—水分呈气态排出，盐分积累下来，水去盐留

8.4地下水循环

1.泉排泄泉是地下水的天然露头，多为“点”状，属径流排泄泉的出露是地形、地质与水文地质条件有机结合的结果，据补给泉的含水层类型可将泉划分为上升泉、下降泉。下降泉(出露潜水含水层中的泉）根据出露条件又将下降泉分为：侵蚀泉：地形切割到潜水面接触泉：地形切割至隔水底板溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉

上升泉（出露于承压含水层中的泉）

上升泉根据出露条件分为：侵蚀泉：河流冲沟切穿承压含水层的隔水顶板断层泉：水沿断裂带上升在地面高程低于测压水位处涌溢地表接触带泉：地下水沿有隙缝的接触带上升成泉。8.4地下水循环研究泉的意义直接水文地质资料；间接分析得出水文地质信息。通过泉的出露标高、流量、动态、温度、水化学，可以综合分析与泉水成因有关地质、水文地质条件：1）地下水位标高；2）含水岩层的含水性（透水性）及导水性：泉在地层中的出露情况及泉的流量；3）泉出露处断层的导水性；4）补给条件，循环（交替）强度：泉的流量及泉的动态；5）泉的温度：地下水循环深度；6）泉水的水质反映地下水的化学成分特征；7）供水水源（直接利用）。8.4地下水循环

2.蒸发排泄

浅层地下水可通过包气带(土壤)蒸发、植物蒸腾而消耗，成为地下水的一种重要排泄方式，这种排泄亦称为垂直排泄。

影响蒸发的因素：

气候：干燥，气温高，蒸发量愈大

地下水埋藏深度：超过蒸发极限深度则蒸发→0

包气带岩性：颗粒较细小的粉砂、亚砂土。8.4地下水循环

3.泄流排泄

河流切割含水层时，地下水向河流的排泄。必要条件：当地下水位高于地表水位且存在水力联系。较大河流在无降水形成地表径流补给情况下终年不断流，这部分水量是河川的基本径流——基流。地下水的泄流量可通过分割河流流量过程线的方法确定。8.5地下水动态及影响因素地下水动态：地下水的水位、水量、水质、水温等要素随时间和空间的变化现象和过程。动态实质：是由含水层中地下水的补给量、排泄量、储存量变化的综合表现。

含水层Q补Q排一、影响地下水动态的因素1.气象（气候）因素特点：大面积，普遍产生影响(尤其对潜水）；主要有降水与蒸发因素气候特征表现为：降水的年内季节性变化降水的多年变化（如11年周期）

昼夜变化与此相对应，地下水动态也有这三种周期性变化昼夜变化——在许多地区不明显多年变化——研究周期长年内变化——最突出气象要素及潜水埋深变化图思考：解决生产实际问题时如何考虑地下水的水位动态？供水工程应考虑多年最低地下水位?排水工程考虑多年最高地下水位时的排水能力?河旁潜水位与河水位的关系048121620048121620Time(days)Waterlevel(m)河水位观1水位观2水位观3水位一、影响地下水动态的因素2.水文因素指地表水体的变化对地下水动态的影响。从右图中可以看出什么规律？思考？当河水排泄地下水时，水位变幅何处大？一、影响地下水动态的因素

3.地质因素

地质因素是间接且相对稳定的因素（相当于滤波器）。气候与水文因素决定了一个地区地下水动态的总轮廓。地质因素起修饰作用，滤波或削峰填谷的作用埋藏条件：承压水的变幅小于潜水；潜水埋深的大小,对滞后时，延迟时和变幅的影响包气带岩性：K