北科大应用地质学课件第11章 地下水基本知识（一）

第三篇

矿床水文地质

hydrogeology

水文地质学

——专门研究地下水的地质科学水文地质学是研究地下水的数量和质量随空间和时间变化的规律，以及合理利用地下水或防治其危害的学科。

在不同环境中地下水的埋藏、分布、运动和组成成分均不相同。查明这些状况，可为科学地利用或防治地下水提供根据。水文地质学对地下水的研究，着重自然历史和地质环境的影响。学科演化：水文地质学的研究，目前已形成了一系列分支学科：地下水动力学水文地球化学供水水文地质学矿床水文地质学*农业水文地质学区域水文地质学古水文地质学水文地质学矿床水文地质学——水文地质学的一部分，是研究矿床开发过程的水文地质问题的分支。研究内容1.地下水的分布、形成规律2.地下水的物理性质、化学成分3.地下水运动规律、动态变化4.矿山充水条件、富水分析5.防排水工程第三篇矿床水文地质第11章地下水基本知识§11.1地下水赋存状态1.岩土的空隙性2.水在岩土中存在形式3.岩土的水理性质§11.2地下水的物理性质、化学成分1.物理性质2.化学成分§11.3

地下水的分类及各类地下水的特征

概述

1.自然界的水大气水(AtomospharicWater)

地表水(SurfaceWater)

地下水(UndergroundWater)

2.矿床地下水

埋藏、运动在矿床范围的地下水3.水的循环第11章地下水基本知识132.2亿亿吨3.8亿亿吨8600万亿吨0.34(地表水+大气水）自然界水的循环陆地上的淡水来自天上。海水在阳光下蒸发，盐留在了海里，而淡水蒸发到天上，形成云。云被风吹到陆地的上空，凝结后降落到大地上。如此，陆地上的江河、湖泊、湿地才得以形成，它们是陆地生命的淡水源。自然界水的循环434§11.1

地下水赋存状态

1.岩土的空隙性岩土中的空隙是地下水存在的环境。空隙的大小、多少、连通程度及分布状况等是决定地下水存在和运动规律的重要因素。根据岩土空隙的成因和结构的不同，岩石的空隙可分为三种类型：孔隙、裂隙和岩溶溶洞。（1）孔隙Pove

土(粘土、砂土、砾石等)和碎屑岩等沉积岩中的颗粒和颗粒集合体间存在的空隙。

不同的岩土，孔隙的大小和发育程度不同，在科学研究和工程应用中，常用孔隙度(n)来表示孔隙的发育程度：

n=Vn/V或n=Vn/V×100%

Vn

—孔隙体积；V—包括孔隙在内的岩石(土)总体积。松散岩土的孔隙度：26~47.5%坚硬岩石：岩浆岩、变质岩—1~3%砂岩、砾岩—3~10%（2）裂隙坚硬岩石由于岩浆的冷凝作用、地壳运动中构造应力作用或风化剥蚀作用，在岩石中产生的裂缝，称为裂隙。裂隙在岩石中的分布不均匀。裂隙度（裂隙率Kt

）

衡量裂隙发育程度的指标度，也称为裂隙率。

Kt=Vt/V×100%

在岩层露头处或坑道中

Ka=ΣL·B/F×100%

(面裂隙度)岩层露头面积(F)，该面积上裂隙的长度(L)及平均宽度(B)

钻孔中所取岩心

Kl=ΣB/L×100%

(线裂隙度)（3）岩溶溶洞

地下水溶蚀了某些可溶性岩石(如石灰岩、石膏、岩盐等)，而在岩石中形成的洞穴称岩溶溶洞。岩石中岩溶溶洞的不均匀性较裂隙更甚，大的岩溶溶洞，体积可达数十万立方米以上。溶洞度(Kk)，岩溶率

衡量岩溶溶洞发育程度的指标

Kk=Vk/V×100%

Vk

—岩溶溶洞的体积；V

—总体积(包括Vk

)岩溶溶洞度通常通过钻孔中所取得的岩心测量而得。2.水在岩土中的存在形式根据水在空隙中的物理状态，水与岩土颗粒的相互作用等特征，将其分为气态水、结合水、毛细水、重力水、固态水等五类。气态水

即水蒸气，和空气一起充填在岩土的空隙中。结合水包括吸着水和薄膜水。由于细小的土粒表面带电，而水又是极性分子，在土粒表面静电引力作用下而被吸附的水称为结合水。指紧靠土粒表面的结合水，极其牢固的结合在土粒表面上，性质接近于固体，密度约为1.2～2.4g/cm3，冰点为－78℃，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度，没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力；紧靠于吸着水的外围形成一层的结合水膜。它仍然不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向临近的较薄的水膜缓慢移动。2.水在岩土中的存在形式毛细水由毛细力作用而充满在岩土毛细空隙(一般指直径小于1mm的孔隙和宽度小于0.25mm的裂隙)中的水。重力水充满于非毛细空隙中的液态水。当薄膜水的薄膜更加增大时，水与岩土颗粒间的作用力逐渐减小，当这种力量不能保持薄膜水时，薄膜水即变为液态水滴受重力影响而在岩土空隙中运动。固态水以冰的形式存在于岩土中的水。高寒地区冬季或全年地壳表层冻结，其中液态水即变成固态水。它在我国的西北和西藏的高寒山区的永冻层中广泛分布。水在岩土中存在形式3.岩土的水理性质地下水存在和运动于岩土空隙中时，岩土所表现出来的各种性质，称为岩土的水理性质。主要包括容水性、持水性、给水性和透水性。容水性岩土空隙所能容纳水的性能

容水度（WaterCapacity）

体积容水度

VH2O/V=Vn/V+Vt/V+Vk/V

重量容水度WH2O/W岩(干)=Wn/W+Wt/W+Wk/W持水性

在自然条件下，岩土能够保持一定水量的性能

持水度（Water-holdingproperty）

W薄膜水/W岩(干)或

V薄膜水/V岩(干)给水性

岩土在重力作用下，自由排出重力水的性能

给水度（Specificyield）=

容水度-持水度

µ=VH2O/V-V薄膜水/V岩(干)透水性

岩土能使水透过本身的一种性能

渗透率（permeability）表示岩土透水性能大小的指标，称为渗透系数3.岩土的水理性质岩石名称给水度（μ）松散岩土砾石0.35~0.30粗砂0.30~0.25中砂0.25~0.20细砂0.20~0.15极细砂0.15~0.10坚硬岩石近于0§11.2

地下水的物理性质、化学成分

（1）温度

TH=TB+(H-h)/GH=(TH-TB)/r+hTH-

在H(m)处地下水的温度(°C)；

TB-所在地区年平均气温(°C)；

H-所测地下水水温处的深度(m);

h-所在地区年常温带深度(m)；G-地温梯度，33m/°C；r-地热增温率(1/G)H

1.物理性质

TH=TB+(H-h)/GH=(TH-TB)/r+h

TB=15°C(所在地区年平均气温)；

H=510m(所测地下水水温处的深度);

h=15m(所在地区年常温带深度);G=33m/°C地温梯度；例

则TH=15+(510-15)/33=30°C

即在地下510m处地下水的温度30°C水的分类水的温度/℃水的分类水的温度/℃极冷的水0~4热水37~42冷水4~20极热的水42~100温水20~37沸腾的水100以上根据水温不同的地下水分类(2)颜色

含FeO的水——呈浅蓝色

含Fe2O3的水——呈褐红色

含腐殖质的水——呈暗黄褐色

含悬浮杂质的水——悬浮物本身的颜色；颜色的深浅——水中悬浮物的化学成分和含量的多少。(3)密度

1~1.3g/cm3，死海含盐30%，海水的密度为1.172～1.227

，人体密度1.021～1.097

2.化学成分(1)地下水成分地下水中常见的成分如下：

阳离子：H+、Na+、K+、NH+4

、Mg2+、Ca2+、Fe3+、Mn2+等；

阴离子：OH-、Cl-、SO2-4、NO-、NO-3、HCO-3

、CO2-3、SiO2-3及PO3-4等。

化合物分子：Fe2O3、Al2O3及H2SiO3等。地下水的化学定名和评价就是根据七种离子进行的。>97~975~7<5pH值强碱性弱碱性中性弱酸性强酸性水的类型(2)pH

2.化学成分(3)硬度指水中Ca2+、Mg2+的总量，包括暂时硬度和永久硬度。水中Ca2+、Mg2+以碳酸盐形式存在的部分，因其遇热即形成碳酸盐沉淀而被除去，故称为暂时硬度；以硫酸盐、硝酸盐和氯化物等形式存在的部分，因其性质比较稳定，故称为永久硬度。

总硬度=暂时硬度+永久硬度1mmol/L=2.8德国度

(4)总矿化度单位体积水中所含有的离子、分子和各种化合物(不包括游离状态的气体)的总量称为水的总矿化度（M），以g/L表示。通常以105～110℃下将水蒸干后所得的干涸残余物含量来表示。

2.化学成分由于某些组分挥发以及一些含水盐类的生成，干涸残余物重量亦不能确切地代表水的总矿化度。一般的地下水总矿化度多在0.5g/L以下，很少超过1g/L。按总矿化度大小，地下水可分为五种：淡水、弱半咸水、强半咸水、咸水和盐水通常我们所饮用的所谓“淡水”就是指矿化度<1的水。3.地下水化学成分表示方法及水质评价(1)库尔洛夫式实例：周口店关砥村南民井某日抽水资料如下:

HCO-3

60毫克当量%Na+

50毫克当量%

Cl-

25毫克当量%Mg2+

45毫克当量%

SO2-4

<10毫克当量%Ca2+

<10毫克当量%

CO20.016g/l稀有元素无总矿化度M0.28g/l水温15°C

涌水量Q60m3/day(试用库式表示）

HCO360Cl25CO20.016M0.28T°15Q60Na50Mg45答案水—生命之源(2)地下水的水质评价1）饮用水的水质评价天然状态下，水中存在有害物质或缺乏某些人体所需的物质时，称第一环境地质问题；由于人为因素污染了地下水，使水中存在着有害的物质，称第二环境