第七章地下水

第七章地下水环境水文学之主要内容地下水的概念地下水的水质地下水的类型地下水的运动地下水与环境第一节地下水的概念地下水（广义）赋存在地表以下岩土空隙中的水（包气带、饱水带中的水）。（狭义）地表以下饱水带岩层空隙中的水（重力水）。岩土的空隙:松散沉积物中的孔隙（连通性好）坚硬岩石中的裂隙（分布不均）可溶性岩石中的溶隙（连通性差）分选不良含泥、砂的砾石分选良好排列疏松的砂分选良好排列紧密的砂部分胶结的砂岩具有溶隙的可溶岩具有裂隙的岩石水在岩土中的存在形式岩土的水理性质1.含水性容水度:岩土孔隙完全被水充满时的含水量。持水度:岩土在重力作用下释水时仍能保持的含水量。这部分滞留在岩土中的水为结合水和毛细水。2.给水性岩土在重力作用下能自由排出的含水量。给水度=容水度－持水度3.透水性岩土可透过水的性能，用渗透系数表示。含水层(aquifer)：给出并透过相当水量的岩土层。隔水层(interlayer)：不透水但可含水的岩土层。滞水层：弱透水的岩土层。含水层的形成条件：岩土层有较大空隙、为隔水层所限、有补给来源。第二节地下水的性质气体成分O2H2SCO2离子成分Cl-SO4-2HCO3-Na+K+Ca+2Mg+2

化学性质PH值矿化度硬度胶体成分与有机质SiO2Fe(OH)3Al(OH)3物理性质：温度、颜色、透明度、嗅味、味道、导电性化学成分：第三节地下水的类型地下水分类含水介质的类型（赋存空间）孔隙、裂隙、岩溶埋藏条件（赋存部位）包气带、不透水层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1.隔水层；2.透水层；3.饱水部分；4.潜水位；5.承压水测压水位；6.泉（上升泉）；7.水井上层滞水(perchgroundwater)概念：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。意义：常始料不及涌入基坑，供水意义不大，在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆。潜水(phreaticwater)概念：埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。特征：A）潜水直接接受大气降水和比它水位高的地表水的渗入补给；B）潜水面不承受静水压力；C）潜水的埋深因地而异，与水位、水量变化有关；D）在重力作用下，由高向底流动，称潜水流。潜水面的形状潜水面虽然是一个自由水面,但由于受到埋藏地区的地形、岩性和水文等条件的制约和影响，可以呈现倾斜、抛物线和水平等多种形状。潜水的补给与排泄大气降水河流补给潜水泉潜水补给河流潜水等水位线图可解决问题：（1）确定潜水流向（2）确定潜水面的水力坡度（3）判断地表水与潜水的相互补给关系（4）确定潜水埋藏深度（5）推断含水层岩性或厚度的变化（6）确定引水工程的位置潜水与地表水的关系潜水补给河流河流补给潜水单侧补给承压水(pressurewater)概念：埋藏并充满在2个隔水层（或弱透水层）之间的含水层中的地下水，是一种有压重力水。表征参数：承压含水层的厚度初见水位承压水位承压水头(H)主要特征：（1）承受静水压；（2）补给区与分布区不一致；（3）动态变化不显著；（4）其运动方式是在静水压力的作用下，以水交替的形式进行运动。承压水的形成承压水的形成主要取决于地质构造条件,最适宜于承压水形成的地质构造是向斜构造和单斜构造。断裂构造形成承压斜地岩性变化形成承压斜地承压水的补给与排泄承压水等水位线图

（a）等水压线图（b）水文地质剖面1.地形等高线；2.承压含水层顶板等高线；3.等水压线；4.承压水位线；5.承压水流向；6.自流区；7.井；8.含水层；9.隔水层；10.干井；11.非自流井；12.自流井25/65如图中A点：地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。则承压水位埋深为：103－91＝12m

承压水头为:91－83＝8m

含水层埋深为：103－83＝20m承压水等水位线图可确定下列重要指标：承压水位埋深承压水头大小含水层埋深（初见水位）地下水流向等水压线图（1）判断含水层岩性和厚度的变化

（2）确定测压水位的埋藏深度和承压水的水头

（3）确定潜水与承压水间的关系地形等高线（m）等测压水位线含水层顶板等高线（m）类型潜水承压水埋藏条件

埋藏在第一个隔水层之上的地下水埋藏在上下两个隔水层之间，承受一定压力的地下水补给来源大气降水和地表水渗入补给大气降水和地表水通过潜水补给承压水排泄方式露出地表成泉或直接补给地表水或蒸发补给潜水或补给地表水或露出地表成泉主要特点1.具有自由水面2.受制于地形的坡度，在重力作用下顺着倾斜方向从高处流向低处3.分布区与补给区基本一致

4.埋藏较浅，流量不稳定

5.受气候因素影响大，易受污染1.受隔水层顶的限制，承受静水压力

2.水的运动取决于静水压力

3.分布区、补给区、排泄区基本不在同一地区

4.埋藏较深，直接受气候影响较小，流量稳定

5.不易受污染，水质比较好潜水与承压水的转化不同含水层空隙中的地下水孔隙水：是指埋藏于松散岩层孔隙中的水,即可形成承压水,也可以形成无压水。特点：孔隙水分布及水量相对比较均匀,连续性好,具有统一的地下水面；孔隙水多呈层状分布；孔隙水的运动大多属于层流运动。不同含水层空隙中的地下水裂隙水：赋存于坚硬岩石裂隙中的地下水。主要受地质构造的控制，裂隙的类型、性质和发育程度等直接影响裂隙水的埋藏、分布和运动规律。特点：裂隙水分布不均及水力联系各向异性裂隙水的分布形式可呈层状、脉状或带状分布孔隙水的运动大多呈层流状态，也可呈紊流状态不同含水层空隙中的地下水岩溶水：赋存和运移于岩溶空隙中的地下水。不仅是一种具有特殊性质的地下水，而且也是一种活跃的地质营力。特点：岩溶水的分布极不均匀，地下径流动态不稳定,透水性能各向异性；岩溶含水层的水量往往比较丰富；层流和紊流并存。第四节地下水的运动渗透流速V=Q/A实际流速u=Q/A’

V<u渗流过水断面A水力坡降J＝－dH/dL流网：由等水头线与流线正交组成的网格

均匀流：渗流速度沿流程不变。非均匀流：渗流速度沿流程变化。层流：水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。紊流：水质点相互干扰而呈无秩序的运动。

稳定流：渗流要素不随时间变化的运动。非稳定流：渗流要素随时间变化的运动。渗流分类Darcy定律：Q＝KAJ

或V＝KJ(线性)式中

Q－渗流量m3/d或cm3/s；

A－过水断面

K－渗透系数m/d或cm/s，

表征岩土透水性能大小的指标。还与水的粘滞性有关。

V－渗透流速m/d或cm/sDarcy定律适合于层流（砂土）。地下水运动的基本规律紊流（砾石土）运动规律：V＝KJ1/2(非线性)黏性土运动规律：V＝K（J-Jo）式中Jo为起始水力坡降渗透系数的确定：据土的粒度分析资料计算室内测定

1)常水头试验（适用于砂土）

2)变水头试验（适用于黏性土）3.现场测定

1)渗水试验

2)抽水试验

室内常水头渗透试验

由达西公式：得土样的渗透系数为：图6—19常水头渗透试验

室内变水头渗透试验

图6—20变水头渗透试验42/65现场抽水试验

图6—21潜水完整井抽水试验示意图

地下水涌水量的计算Q＝2KAJ＝2KL地下水向完整渗沟的流动：地下水向不完整渗沟的流动：1)含水层厚度有限单侧流量:分离变量并积分，x从c至c+R，y从0至H，得：2)含水层厚度无限计算同上,但井的类型：按其揭露含水层的类型分：潜水井、承压井按进水条件分：完整井、非完整井地下水向井的稳定流动

图6—24井的类型示意图

a—潜水完整井；b、c、d—潜水非完整井；e—承压水完整井；f、g—

承压水非完整井潜水完整井Q＝KAJ＝2πKxy分离变量并积分，x从rw至R，y从hw至H，得：承压水完整井Q＝KAJ=2πKxM分离变量并积分后，得：

图6—25地下水向承压水井的流动基坑涌水量计算:把基坑假想为圆形大井,其引用半径:

F－基坑面积第五节地下水与环境人类的活动对地下水的影响

污染物进入地下水

过量补充地下水

过量抽取地下水

地下水污染水文循环平衡破坏水岩(土)力学平衡破坏渗流场平衡破坏新疆焉耆盆地土壤次生盐渍化而摞荒地下水污染定义：在人为影响下，地下水的物理、化学或生物特性发生不利于人类生活或生产的变化。地下水污染达到一定程度，便不合乎供水水源的要求（对于不同用途的地下水，污染标准是不同的）。地下水污染意味着可以利用的宝贵的地下水资源在减少。污染源—水中迁移方式—污染途径--污染防治与预测地下水污染特点隐蔽性、难以逆转性。地下水污染方式直接污染、间接污染。地下水污染途径间歇入渗型连续入渗型越流型径流型喝了污染地下水患上食道癌地下水污染防治首先要控制污染源，力求污染物质经处理后再行排放。其次，根据岩性、地下水流动系统分析污染条件，将可能发生污染的工矿企业安置在不易污染地下水的部位。从技术层面看，利用地下水运动定律：Q＝KIω

减小污染物（水体）与地下水的水头差降低污染物（水体）与地下水体之间的渗透性减小污染物（水体）与地下水的接触面积A

B

C

思考：有害垃圾堆放何处？A、B、C

64/65Teton坝（美国）概况：土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事损失：直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路原因：渗透破坏－水力劈裂65/651976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。Teton坝（美国）66/6511：00左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加Teton坝（美国）67/6511:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。Teton坝（美国）68/6511：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。Teton坝（美国）69/6511:57坝坡坍塌，泥水狂泻而下Teton坝（美国）70/6512：00过后坍塌口加宽Teton坝（美国）71/65洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁Teton坝（美国）72/65失事现场目前的状况Teton坝（美国）复习思考题1.