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文档简介
www.themegallery.comCompany
Logo0.1
地球上的水与水资源0.2
地下水的功能(作用)
0.3
水文地质学发展与展望
0.4
水文学与水文地质学
0.5《水基》课程内容
绪言
——Introductionwww.themegallery.com0.1
地球上的水与水资源:量的概念v地球上的水及所占比例
淡水占全球水量的2.527%淡水亿
km300.24170.10830.0001650.0001290.0000110.3503亿
km313.380.24250.23700.000160.0001290.00001113.8598%069.030.920.050.040.003100Company
Logo%96.541.751.710.0010.00090.00001100水体种类海洋水地表水
地下水
土壤水
大气水
生物水
总储量冰冻\积雪www.themegallery.comCompany
Logo0.1
地球上的水与水资源:淡水河湖水咸水
97.5%淡水
2.5%冰冻\积雪地下水www.themegallery.comCompany
Logo0.1
地球上的水与水资源:再生资源v利用自然资源有两种方式:§
不可再生资源:如果某种资源的存量大到足以保证上百年的需要,而且在资
源耗竭以后,可以开发替代资源v
矿产资源是典型的不可再生资源§
可再生资源:如果某种资源的再生速率高于人们的消费速率,就可以保证
永续利用。
可再生资源是永远不会耗竭的v
淡水资源的主体是可再生的Company
Logowww.themegallery.com0.1
地球上的水与水资源:重要性v水——自然界存在,
自然属性§
不断循环运动§
良好的溶剂,重要载体§
水具有能量v水——人类生存、社会经济发展不可或缺,社会属性§
生命之源,是地球系统的“血液”§旱灾、水灾、水污染,对人类发展不协调§水资源可再生,但,水资源有价值(价值规律)§水资源管理不当,成为社会不稳定因素之一www.themegallery.comCompany
Logo0.1
地球上的水与水资源:我国水资源概括v中国的大气降水与水资源分带v中国的人口密度与分省人均淡水资源我国是世界上最缺水的13个国家之一人均水资源占有量仅为世界平均值的1/43000200016001200800600400200www.them
allery.comCompany
Logo40050200800中国的大气降水1200Company
Logowww.themegallery.com513912668181237人均淡水资源M32278
全国平均值1139
全国平均值的一半570
全国平均值的四分之一我国各省人均淡水资源386414111320483394604459812544287840908892198187125034523603248020103029110729812091150154515306Logo0.2
地下水的功能(作用)概念:水文地质学简言之──研究地下水的科学v水对人类生活与生产起着不可或缺的重大影响v地下水是水资源组成部分v其主要功能(functions)为:1、地下水是一种宝贵的资源(
resource)2、地下水是极其重要的生态环境因子3、地下水是一种很活跃的地质营力4、地下水是地球内部地质演变的信息载体
Companywww.themegallery.comCompany
Logo0.2.1
地下水是一种宝贵的资源a)
供水水源——优点:
分布广,动态变小,洁净,不易污染n据报道:陆地一半为干旱、半干旱地区
1/3耕地,2/3牧区水源不足城市供水不足,近来更有增加趋势n世界上,阿拉伯国家-进口雨水,中东的长期摩
擦一是石油,二是水n80年代以来,我国城市缺水总体也愈来愈严
重,很显然:水资源的欠缺严重制约着国民经
济的可持续发展Company
Logowww.themegallery.com我国西北缺水剪影www.themegallery.com农村饮用地下水
饮用其它水Company
Logo我国耕地与农村用水全国60%的耕地全部或部分使用地下水灌溉地下水灌溉面积其它灌溉面积60%全国95%以上的农
村饮用地下水95%www.themegallery.comCompany
Logo0.2.1
地下水是一种宝贵的资源b)
液体矿产(liquid
mining)n地下水高含盐类或稀有元素,开发提炼具有工业开采价值如四川自贡,三叠纪岩层中的卤水,每升达300g之多n医疗或健身功能的矿泉水(Natural
mineral
water)疗养院,天然矿泉水厂,啤酒厂等—寻找特殊功能的水资源n开发提取一定的能量(热能,冷能)地下水地下水的露头──泉井,往往具有冬暖夏凉的特点,地球浅
层是常温带─保温作用,起到“冬灌夏用,夏灌冬用”地球是个天然热库──可以供热,供取暖等用处www.themegallery.comCompany
Logo0.2.2
地下水是极其重要的生态环境因子地下水是影响生态与环境的重要因素之一n地下水的变化往往会打破原有的生态平衡
,使环境发
生变化──即可以有益,也可以是有害的n有害的例子:农业用水不当的次生盐渍化、不统一开
采,河西走廓的民勤县,绿州变沙漠、过
量开采地下
水──地面沉降(上海、天津)、
海水入侵,地面塌
陷,地下水污染等n地下水与其周围的环境,人、水、热、动是个相互依
存的有着内在联系的生物生存链,打破一个环节就会引
起或正或负的反馈(报复)地下水利用产生的环境问题:沙化荒漠化加重www.themegallery.comCompany
LogoCompany
Logowww.themegallery.com城市防洪设施标准降低,外滩防洪挡水墙越筑越高地下水利用产生的环境问题:上海地面沉降ww
.th
me水水galle污污ry.c染染om
主要分布在城区附近和地表水污染严重
o
an
ogo地下水利用产生的环境问题:地下水污染www.themegallery.comCompany
Logo地下水是一种很活跃的地质营力─地壳内能量、热量的传输者n传递应力:水为诱发地震,地质灾害是地下水作用n人工地震预报──观测地下水n地球是个天然热库——在地质循环和水文循环中传
输地壳内部的能(热)量的传输者0.2.3
地下水是一种很活跃的地质营力Company
Logowww.themegallery.com0.2.4
地下水是地球内部地质演变的信息载体地下水是(
地球内部地质演变的)信息载体n由于是应力传递者,同时又是在流动——所以地下水水位,水量,水温,水化学等的变化或异
常可以提供埋藏在地下的许多信息n强的溶剂:在地质循环和水文循环中化学组分
溶解,传递到适宜的部位沉淀(沉积):成矿如找矿、找油、地震预报、地质演变0.3
水文地质学的发展与趋势四个时期:1856年以前的萌芽时期,1856年至本世纪中叶的
奠基时期,20世纪中叶至今的发展时期,
21世纪的转变时期v萌芽时期:由逐水而居到凿井取水一大转折v奠基时期:1856年,达西定律--地下水定量计算——奠定了
水文地质学的基础v发展阶段:二次世界大战战后,科学技术推动生产力迅猛发展
以及人口的急剧增长§
泰斯非稳定流理论提出,对地下水资源量的认识—革命§
计算机技术的发展,在地下水模拟、规划管理等推进v转变时期:核心内容的转变,可持续发展观的提出§
水文地质学的发展正向“地下水科学”的转变——www.themegallery.com发展趋势Company
Logo
坎儿井
Company
Logowww.themegallery.com地下水的利用——坎儿井,近3000年历史主
井-廊
道山区-
山前地下水位灌溉农田含
水
层隔水层竖
井0.3
水文地质学的发展与趋势——简况趋势:
《水文地质工程地质》05.第1期,51-56,张人权等n核心课题转移:找水水文地质学→资源
…
→生态环境
…n视野扩展:含水层
→地下水系统
→水文-生态环境
→技术-社会
系统。n目标改变:
由当前的问题转向长期的可持续发展
…n内容扩展:
从地下水的水量为主,转向水量与水质的研究并
重;从狭义地下水,扩大到广义地下水,乃至地下水圈
…n思路的改变:从求从成生角度,加强过程与机理研究
…n多学科交叉渗透成为主流:地下水科学与其它自然科学以及社
会科学交叉渗透,以多学科方式研究与处理问题n服务方式转变:
…方式发生了很大改变,如何使水文地质工作
w
.t果hem转ega化llery为.com生产力,成为一个急需解决的重大课题
Company
Logowww.themegallery.comCompany
Logov目前任务:§
正确地预测在人类活动干预下地下水的变化§正确地评价、开发、管理与保护地下水资源§
保护与地下水有关的生态环境,成为当务之急§
正确地预测矿产开发的地下水问题,避免地下水
害§。。。0.3
水文地质学的发展与趋势—任务城
(地下水)Company
Logowww.themegallery.com预测地下水的污染与保护措施§
2005年11月吉林中石化
爆炸,
100余吨硝基笨进
入松花江,
导致哈尔滨城
市供水系统瘫痪4天,
11
月27日恢复供水,市700余万人经历了用水危机。§
全城380余井,
成为城市供水主源,
市应急系统——紧急打井2005.11.26日污染高峰过哈尔滨城市调用纯净水应急www.themegallery.comCompany
Logo防范煤矿特大突水事故—2005年事故特点v2005年,
死亡10人以上事故13起,
总人数357人
n同期上升160%、233.6%;
占总特大事故20.5%v乡镇煤矿水害事故多,
84.6%v老空水是水害的主要水源n
老空透水—
69.2%n
底版透水—
15.4%n
岩溶突水—
15.4%www.themegallery.comCompany
Logo0.4
关于水文学与水文地质学水文学(水文地地学)——水资源的核心课程广义地说
:
研究地球与水的科学具体:研究地球上各种水体的形成、循环和分布,探讨水体
的化学和物理性质以及它们对环境的反应,与生物的关系广义水文学分支——基础理论、应用基础理论——水文学原理研究对象——河流、湖泊、河口海岸、冰川
,地下水
文学等应
用——工程水文学,农业、森林、城市、环境
水文学等www.themegallery.comCompany
Logo0.5
课程内容本课主要内容一、水文地质学基本概念概念、名词与术语二、水文地质学基本原理地下水形成基本规律——赋存、分布、运动三、地下水科学的分析方法微观——以概念为基础的分析方法宏观——地下水系统理论为基础的综合分析四、应用分析——概念与原理的掌握www.themegallery.comCompany
Logo1、为什么说“水资源”是可再生的资源?2、为什么说“水资源”既有自然属性,又有社会属性。——绪言结束思考题
Fundamentals
of
Hydrogeoloy
水文地质学基础
水文循环Hydrologic-cycle中国地质大学(武
O)G水O文地质学基础教学组www.themegallery.comCompany
Logo1.1
水循环v地球上各部位、各层圈都存在着水v
各部位的水是相互联系、相互转化的整体也称
为水圈──水系统v
自然界的水循环──§
各部位水的联系与转化关系v水循环分为:地质循环,水文循环v
本章重点讨论水文循环自然界水循环转下页Company
Logo地质循环与水文循环关系示意图
(据阿勃拉莫夫)自然界的水循环www.themegallery.comCompany
Logo1.2
水文循环
Hydrologic-cycle(1
)定义--(范围、四个环节)§
水文循环示意图——环节或要素(2
)水文循环的划分§循环路径不同:大循环(海-
陆)与小循环(海-海,陆-
陆)§时空尺度不同:全球水文循环,流域水文循环,水-土-生系统水文循环(3)水文循环的运动规律§
海洋的蒸发量大于降水量§
陆地的降水量大于蒸发量§
大陆输入水汽量与输出水量基本平衡水文循环-环节转下页Logo水文循环尺度——全球、流域
(区域)、
水-土-生思考:
水文循环发生的动力条件是什么?
Company水文循环示意图径流蒸发
降水水汽输送蒸发降水水汽输送入渗www.themegallery.comCompany
Logo1.3
水量平衡
Water
balance1.3.1
通用水量平衡方程(1
)水文学(水文地质学)研究的基本原理物质不灭(质量)、
能量守恒定律为基本原理(2
)通用水量平衡方程:区域—段—要素
I
=
O
+
(W1
--
W2)
=
O
+
△W其中,I
:时段内输入区域的各种水量之和O
:时段内输出区域的各种水量之和△W
=W1
-W2
:
区域内时段始末的储水量不同区域、不同研究对象可以写出具体的水量平衡方程式www.themegallery.comCompany
Logo流
域
面
积(
%
)56.726.510.5363.7636.241
0
0降
水
量(
mm)9187393578961646
2
9蒸
发
量(
mm)527220.4141.1492.6130.23
5
9
.
5径
流
量(
mm)391518.6215.9403.433.82
6
9
.
5外
太平洋流
印度洋
河
北冰洋
域
总计内
流
河
域全
国
合
计思考并总结我国水量平衡特点1.3.2
我国水量平衡河
流中国水系www.themegallery.comCompany
Logo中
国
水
系印度洋流域太平洋流域内流区域北冰洋流域年水量(km3)11000047000630009000900045800047000505000577000577000年水深(mm)9243955293003001270130140011301130Company
Logo水量平衡要素降水量径流量蒸发量降水量蒸发量降水量径流量蒸发量降水量蒸发量思考并总结全球水量平衡特点www.themegallery.com分区外流区内流河域世界海洋全球1.3.3
全球水量平衡Company
Logowww.themegallery.com1.4
水文循环的作用水文循环的作用:通过循环—水的质量得以净化、水的数量得以再生水资源不断更新与再生,可以保证在其再生速度
水平上的永续利用──也是可持续发展保证1.5
影响水文循环的因素—
自学§
气象因素§
自然地理条件§
人类活动等结果:有利于蒸发,不利于径流,促进内陆水文循环Company
Logowww.themegallery.com从水文循环角度看《水文地质学基础》相关学科v从水文循环来看,地球上的水资源是个整体,研究地下
水科学需要与相关学科相结合地质学(普通)、第四纪地质学、
自然地理学《陆地水文学》、
《水文气象学》等相关知识参考v与工程应用角度《水资源开发工程》、
《土质土力学》等v后续课程《地下水动力学》《水文地球化学》《水资源开发与保
护》等基础类、应用类和技术方法类课程www.themegallery.com思考题(1
)水文循环的内、外因是什么?(2
)为什么称水资源为可再生资源,可再生的水资源是
取之不尽的吗?(3)举例说明人类活动对“水文循环”产生的影响。(4
)研究一个地区水量平衡有何意义?第一章结束Company
LogoFundamentals
of
Hydrogeoloy
水文地质学基础
岩石中的空隙与水The
Interstices
and
Water
in
Rocks中国地质大学(武
O)G水O文地质学基础教学组www.themegallery.comCompany
Logo2.1
岩石中的空隙l
岩石——水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层l空隙——岩、土中各种类型的空洞的总称空
隙—
是地
下
水
赋存场所(
places
)和运移通道
(conduits)空隙分为1.
孔隙(pore)--unconsolidated
soil--
(第四纪地质学)2.
裂隙(fissure)--
hard
rock
(构造地质学)3.
溶穴(cavity)--
dissoluble
rock
--
(岩溶地貌学)《工程地质学》是从土层的物理力学指标(性能)来
讨论,如土的压缩性或强度变形。下面以孔隙为例,讨论描述空隙特征的有关概念,参数(指标)和分析方法。2.1.1
孔隙孔隙(pore,
void)土体孔隙的描述有:孔隙的大小,多少,形状,连通与分布
松散土体宏观上可以分为2大类:砂性土与粘性土类1、砂砾石孔隙大小及其影响因素v
试样
a—砾石(模型),试样b—砂土样品,试样c—砂砾混合样品
?
提问:试样a与b构成的孔隙哪种大?哪种小?颗粒大小-有关?v
简单归纳砂砾石土孔隙大小与什么有关?颗粒大小
、
排列——立方体或四面体
、
分选
、
胶结与
充填等v孔隙大小特征的描述:孔喉
(d)
d=0.414D孔腹
(d’)
d’=0.732Dwww.themega(l上lery述com为:立方体排列的理想等径园球颗粒)
Company
Logoa—砾石(模型)www.themegallery.com孔隙与粒径关系c—砂砾混Co合mp
品Logoany样b—砂土样品洪积物含量%沙
丘松散砂砾石孔隙大小与分选的关系—好、坏?粒径
mmwww.themegallery.comCompany
Logo黄
土dD立方体排列四面体
ny
LogoCompa排列立方体排列与四面体排列www.themegallery.comDdLogov
?问:孔隙度的大小与什么有关?——与颗粒大小有关?a.
与排列有关——紧密与疏松理想最疏松孔隙为47.64%,最紧密排列孔隙为25.95%。b.
与分选有关——下面试样哪个孔隙度大?哪个小?试样:①砾石
②砂石
③混合样v完全混合试样时,孔隙度
n混=n砾
×n砂
(请自己推导证明)v影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。
Company2.1.1
孔隙2、砂砾石的孔隙度(
porosity)及其影响因素
孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标v定义: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´
100
%=nTnVVCompany
Logowww.themegallery.com不同颗粒大小的试样——孔隙度?Company
Logowww.themegallery.com2.1.1
孔隙v
自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些不同
P17表2-1表2--1
松散岩石孔隙度参考数值岩石名称砾石砂粉砂粘土孔隙度25-40%25-50%35-50%40-70%v矛盾之一:与粒径的关系不是愈大则愈大?v矛盾之二:孔隙度超过最疏松排列的47.64%—
达到70%www.themegallery.comCompany
Logo2.1.1
孔隙——粘土3、粘性土的孔隙与孔隙度v粘土颗粒•
粘性土是指土体颗粒
<0.005mm
的直径•
“粘性土由于颗粒细小,比表面积大,连结力强•粘粒在悬浮
推移
互相接触时,就会连结起来
形成粘粒团”•细小粘粒集合(团)构成(称为)颗粒集合体。•集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征v粘土孔隙粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构•
结构孔隙——集合体与集合体、粘粒与粘粒之间•
次生孔隙——虫孔、根系孔、裂隙裂痕等Company
Logo
×2000蒙脱石、片状粘土矿物——淤泥粘土www.themegallery.comCompany
Logo×36×240粘性土的结构,不同比例电镜扫描片×800松散孔隙
|
粘土
孔隙
|
裂隙溶隙www.themegallery.comCompany
Logowww.themegallery.comCompany
Logo2.1.2
裂隙裂隙
(
fissure
fracture
)固结的坚硬岩石中,一般仅残存很小部分孔隙,而存
在有各种内外力作用下产生的裂缝(缝隙)风化(卸荷)裂隙、成岩裂隙、构造裂隙§裂隙:空间形态是两向延伸长,横向延伸短的“饼状”空隙
单个裂隙是孤立的§裂隙岩体:从水的赋存与运移角度来看,裂隙的描述包括:1)
裂隙的连通性(组数、产状、长度和密度)2)
张开性(裂隙宽度)3)
裂隙率等www.themegallery.comCompany
Logo风化(卸荷)裂隙、
成岩裂隙、
构造裂隙www.themegallery.comCompany
Logo砂岩岩芯中的空隙Company
Logo2.1.3
溶穴溶穴(solution
cavity)
cavern§
在裂隙基础,水流对可溶岩进一步作用的结果
——是扩大了的裂隙溶穴:溶蚀的裂隙,有溶孔、溶隙、溶洞等§
岩溶岩体:要描述裂隙特征及岩溶发育特征
(裂隙+溶洞)1)岩溶发育方向2)溶蚀率--钻孔岩溶发育程度3)溶洞(方向、规模等)www.themegallery.com2.1.4
空隙特征的对比空隙特征的比较v含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质,也称为
介质场。含水介质的空间分布与连通特征(孔隙含水介质、裂
隙含水介质、溶质含水介质)是不同的,三种主要类型的含水
介质比较:v连
通
性—
孔隙介质最好,其它较差v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v空隙比率—孔隙介质最大,裂隙最小v空隙渗透性—孔隙介质-各向同性,裂隙与溶穴-各向异性造成
空隙介质上述差异的主要原因:沉积物形成和空隙形成的环境
Company
Logowww.themegallery.com岩石中的空隙——思考题v思考题:1)什么叫孔隙度?孔隙度大与孔隙大有区别吗?2)粘性土孔隙度大——是含水层吗
?3)试总结砂砾类土体的孔隙形状特点,并加以概化
(图示)。3)坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同
点
?(可以通过查阅资料和文献回答)第一节
结束Company
Logo第二章
Fundamentals
of
Hydrogeoloy
水文地质学基础
岩石中的空隙与水(下)The
Interstices
and
Water
in
Rocks中国地质大学(武
O)G水O文地质学基础教学组www.themegallery.comCompany
Logo2.2
空隙中的水存在形式:气态
固态
液态设想实验:材料(玻璃珠子、细管)+水(水杯)(1)2个玻璃珠子之间滴上几滴水,接触部位就会有所残留水(2)在饱水试样中取1颗和2个颗粒,颗粒和颗粒孔隙间的水?(3)将玻璃细管插入水中,取出,管中残留水?
通过上述3例及图示→空隙中水的存在形式:结合水——(absorbed
water,
bound
water)
重力水——(gravitational
water;bulk
water)
毛细水——(capillary
water)表面引力—服从库仑定律,随固体表面的距离加大而减弱v性质结合水具有固态和液态水的双重性质;即自身重力作用下
不能运动,在外力作用下能够移动(运动)及变形v意义只要有固相表面就存在结合水
,存在范围广,其量很小
(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(又称无效空间)重力水
Company
Logo2.2.1
结合水结合水(absorbed
water,
bound
water)v定义附着于固体表面,在自身重力下不能运动的水即结合水具有一定的抗剪强度?抗剪强度的产生与大小与什么有关结合水与重力水www.themegallery.comCompany
Logo结合水与重力水www.themegallery.com表面引力—服从库仑定律,随固体表面的距离加大而减
mpany
Logo结合水与重力水结合水§
无重力作用下水的存在?
如在太空中瓶中的水分
布—
受表面吸引的作用液态水的特征v地层内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)v
重力水是水文地质学研究的主要对象,也是勘察的主要对象
Company
Logo2.2.2
重力水重力水(gravitational
water;
bulk
water)v
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结合水与重力水www.themegallery.comCompany
Logo2.2.3
毛细水毛细水(capillary
water)1、基本概念v毛细现象:①
根据细小管插入水中,水上升至一定高度停下来②
在土层中挖个洞,在洞内放个接渗皿,能否接到水?
—北方地窖,陕北的窑洞v毛细力:毛细水:受到表面吸引力,重力,还有另一种力—称毛
细力的作用,产生毛细现象我们可以把毛细力归纳为3点:空隙中的水毛细水毛细水www.themegallery.comCompany
Logo毛细水,孔角毛细水Company
Logo思考:1.
上细下粗土层,滴水,水停留在何处?www.them
.alle
层中挖平洞,下大雨后,洞内能否接到水?om土ry
c黄eg2毛细水滴水
下雨器皿砾石黄土砂土Company
Logo一根毛细管子,管径越小,毛细力越大;反之亦然毛细力大,毛细上升高度也越大www.themegallery.com2.2.3
毛细水毛细力:n毛细力的产生:是在三相界面上内弯液面引起——液面弯曲产生的n毛细力的方向:作用方向始终指向弯曲液面的凹例
凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的凹形弯液面—
负的毛细压强(
negative)如同真空吸力
凸形弯液面—
正的毛细压强(positive)n毛细力的大小:毛细力大小与弯液面的曲率成正比(
曲率大,毛细力大;曲
率小,毛细力小)毛细水小结Company
Logo2.2.3
毛细水2、毛细水的存在形式(states
forms)在岩石空隙中,毛细水的存在形式可分为三种:支持与悬挂毛细水
a)
支持毛细水(supporting
capillary
water
)在地下水面支持下存在的(附着水面上的)
,随地下水升降而升
降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关b)
悬挂毛细水(suspension
capillary
water
)脱离水面,岩石细小孔隙中保留的水分,称为悬挂毛细水
上粗下细或上细下粗砂砾试样的例子。?悬挂毛细水的高度思考:一个等径园管,如果支持毛细水高度为hc,悬挂毛细水高度?c)
孔角毛细水(触点毛细水)(corner
water,
contiguity
water?)
孔角毛细水与悬挂毛细水是不同——?悬挂毛细水似串珠状且连续分布的,www.themegallery.com孔角毛细水是孤立的www.themegallery.comCompany
Logo支持毛细水与悬挂毛细水地
下
水
位
下
降小结岩石空隙中的水——有三种存在形式三种形式的水有差异——与受力状态有关自己总结、比较——加深理解____有比较就会有记忆Company
Logowww.themegallery.com2.2
空隙中的水——小结第二节
空隙中的水
结束www.themegallery.comCompany
Logo2.3
岩石的水理性质v岩石(包括骨架与空隙在内的总称)水理性质:就水文地质学主要涉及是与水分储容、释出与运
移有关的性质
包括:一、容水度和孔隙度(porosity)
(反映岩石最大含水能力)孔隙度——n;
容水度——nr
?两者有何关系Ø
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二、含水量(water
content)__wØ
岩石样实际保留水分的状况,(是某岩样某时的含水状态)
又称岩石的天然含水量三、持水度(specific
retention)__Sr岩石的持水能力——最大保持水分的能力Ø
岩石的持水量(持水体积)与岩石总体积之比2.3
岩石的水理性质四、给水度(specific
yield)——m
(me
md)(water
drained
from
soil
under
gravity
flow)1、定义: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,称为给水度当水位下降一个单位,土层孔隙中是否所有的水都流出
来?在土层中会保留什么形式的水?www.t结hem
膜com),孔角毛细水,有时悬挂毛细水与支持毛细水Company
Logoaller水eg合均质土包气带水分分布´
100
%m
=VVw总www.themegallery.comCompany
Logo均质土包气带水分分布m
=
ws
-w0www.themegallery.com2.3
岩石的水理性质2
、影响给水度——μ值的因素?砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较,哪种样给水度大
a)
岩性:空隙大的样品,给水度大,
μ≈nØ砾
>粗砂
>…
>粉砂——(与粒径有关)Ø颗粒细小者,比表面积大,结合水与孔角毛细水残留多,除岩性
外,同一岩层中其它原因也可造成
μ不同,为什么?b)
地下水位初始埋深(H0)Ø
当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时H0
>>
hc
,可达最大
μ值ØH0<<
hc
时,地下水位下降1个高度时,原重力水大多转化为支持
毛细水,土层给水量大大降低,
μ变小。Ø土层含水量曲线分析:当水位埋深足够大时,土层给水度不发生变
化(为定值),此时给水度—也是最大理论给水度m
=
n
-
Sr其他影响因素Company
Logowww.themegallery.comCompany
Logo给水度与地下水位埋深的关系www.themegallery.comCompany
Logo2.3
岩石的水理性质四、给水度——2、影响μ值的因素c)
与地下水位下降速度有关§
地下水位下降快慢会影响到
μ
的大小
——
(下降快μ<
μ理、下降慢μ→
μ理)这是因为释水滞后,而导致的释水减量d)
土层结构§
均质土特征与上述讨论一致§岩土层为层状非均质土时,往往会影响μ值,§多层状土的特征而言,上粗下细,上细下粗结构影响
是不同的。www.themegallery.comCompany
Logo给水度小结给水度小结——野外实际测定时:§
均值土
,当地下水位初始埋深大于hc
,降速缓
慢,
μ=
ωS-
ω0§初始埋深小于hc
时,埋深愈浅,
μ
↓§
水位降速愈快,
μ
↓§一般而言,层状土
μ小于均值土。结合实验课——设计研究给水度的影响因素与确定方法Company
Logowww.themegallery.com2.3
岩石的水理性质五、透水性(permeability)
——(先自学一下)反映岩土透过水的能力后续讲“地下水的运动”时再讨论岩石空隙直径越大—透水能力越强—透水性越好!第二章
结束Fundamentals
of
Hydrogeoloy
水文地质学基础
地下水的赋存The
Occurrence
of
G.W中国地质大学(武
O)G水O文地质学基础教学组3.1
包气带与饱水带一、包气带与饱水带的划分
地下水面(水位):地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满,形成一个自由水面,以海拔高度表示称之地下水位(一般通过打井,地下开挖来确定)www.themegallery.comCompany
Logo包气带与饱水带www.themegallery.comCompany
Logo包
气
带
与
饱
水
带地下水位Company
Logo3.
1.2
包气带包气带(zone
of
aeration
or
zone
of
unsaturation)v特点:
①岩石空隙未被水充满②是固、液、气三相介质并存介质v水的存在形式(多样)结合水、毛细水(各种)、
重力水、气态水v包气带水的垂直分带
土壤水带,中间带(过渡带)支持毛细水带,毛细饱和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;“重力
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。www.themegallery.com3.
1.3
饱水带饱水带(saturation
zone)v岩石空隙被水完全充满
→是二相介质(固相+液相水)v空隙中水的存在形式:①重力水
②结合水§
重力水:连续分布(孔隙是连通)→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。§
地下开挖,坑道,巷道,基坑,打井在此带均有重
力水涌出来!www.themegallery.comCompany
Logo3.2
含水层
隔水层
弱透水层含水系统一、基本概念饱水岩层中,根据岩层给水与透水能力而进行的划分
v含水层(Aquifer):是能够透过并给出相当数量水的岩层—各类砂土,砂岩等v隔水层(Aquifuge):不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩
层——裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土(致密)v弱透水层(Aquitard):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——各种粘土,泥
Company
Logo质粉砂岩Company
Logowww.themegallery.com3.2.2
概念的相对性定义中的模糊概念—“相当水量,微不足道,较大水力梯度”等严格的“是与非”的逻辑思维,在很多情况下是相对的和模糊的
概念相对性的意义:v
从实际应用角度来看划分的相对的性——相当水量满足需要就可以了。如在某处一口井出水量80m3/d,作为1万人的
供水,非含水层;作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。又如一个小
泉水流量0.11/s
≈8.6m3/d,大厂——非,村用——是。v
从理论意义来看——微不足道
微不足道,有时空尺度的制约。§
如华北平原早期地下水开采就是典型的例子,深层水与浅层水
的开采有一粘土隔水层;后开采深层,水量大,水位降低快,
浅层水向深层“越流”--粘土层成为“透水层”。§
现在进行水文地质计算、模拟时,不再简单二分了,而是用模
糊学的研究方法
,给个隶属度1
,0之间,可以为
0.8,0.7,…
0.3,表示“透水性”?www.themegallery.comCompany
Logo5
4
3
2
1时
间
的
相
对
性③④①②www.themegallery.comCompany
Logo3.2.3
含水系统含水系统—Groundwater
aquifer
system地下水含水系统:v是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的,具有统一水力联系
的含水岩系v含水系统:包含多个含水层和弱透水层,或局部隔水层v含水系统:可以进行子系统划分v含水系统的定义是从大的空间尺度研究含水层、隔水层、
与弱透水层的组合关系,是从地质成因角度对岩层的水
文地质特征进行划分的分析方法(或给出的概念)含水系统的划分Company
Logowww.themegallery.com含水系统层次划分—系统与子系统ABCompany
Logowww.themegallery.com冲洪积平原地下水含水系统倾斜平原区低平原丘陵3.3
地下水分类v
广义地下水:地表以下岩石空隙中的水(包气带、饱水带中的水)
subsurface-water,under
groundwater,
groundwaterv狭义地下水:地表以下饱水带岩层空隙中的水—重力水v
地下水分类:主要依据——含水介质的类型(赋存空间)
埋藏条件(赋存部位)v表3-1含水介质三类,埋藏三分,组合共分为9类包气带潜水www.t承hem压ega水llery.com上层滞水岩溶潜水岩溶承C压omp水any
Logo上层滞水孔隙潜水孔隙承压水上层滞水裂隙潜水裂隙承压水裂隙水孔隙水岩溶水www.themegallery.comCompany
Logo潜水(b)、承压水(c)、上层滞水(a)a
bc3.4
潜水与潜水含水层3.4.1
潜水与潜水含水层概念v潜水:§
地表以下,第一个具有自由表面的稳定含水层中的
水自由表面—
即设有隔水层限制,与大气直接相通,
除大气压强外不受其它力。稳定—
具有一定的空间连续性(
范围)以示区分上
层滞水v潜水含水层§
赋存潜水的岩层屋建筑时的基坑排水,大堤堤角处的散浸渗漏(潜水)
Company
Logo二、基本要素(专业术语)v
潜水面
(water
table)v
潜水位
(water
level
)v
潜水含水层-v
含水层厚度-v
潜水埋深-www.themegallery.comCompany
Logo3.4
潜水与潜水含水层
潜水要素图
21-潜水含水层
2-隔水层
3、4
潜水面
潜水位
M-含水层厚度
www.themegaDll
o
埋深
5-大气降水入渗
6-蒸发
7-流向
8-泉Company
Logoer-3487潜水与潜水含水层图56MD1Company
Logo实习一:编制潜水等水位线图www.themegallery.com3.4
潜水与潜水含水层三、主要特征—学习P30~31,总结v补给(来源):降水入渗,河湖入渗v排泄(汇):泉,(河)泄流,蒸发补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水!
v动态:受气象,水文因素影响明显,变化快(水量、水位季节性变化)受人为因素影响也显著,易污染v水循环交替迅速:水循环周期短,更新恢复快v潜水研究基本方法—绘制潜水等水位线图—
获取信息-资料的手段——调查、勘探,分析www.themegallery.comCompany
Logo某地潜水等水位线图(平面)河流河流3.5
承压水与承压含水层
Confined
aquifer一、承压水定义充满于2个隔水层(或弱透水层)之间的含水层中的水,
称之。(图
P31
,图3-6)二、基本要素与特征①
承压含水层;②
隔水顶板;③
隔水底板;
承压水要素④
承压含水层厚度(
H);
⑤
埋深(
D)⑥
测压水位线(面):测压水位线的连线(面)—此线
是虚拟的(如图有压管)⑦
承压高度;⑧
补给区;⑨
承压区;⑩
排泄区⑾
自溢区—测压水位线与地形等高线的交点连接区ww
th制eme一gall张ery承com压含水层的等测压水位线图(加地形等高线)Company
Logo⑾自溢区www.themegallery.comCompany
Logo基岩自流盆地中的承压水①承压含水层②隔水顶板③隔水底板④承压含水层
厚度(M)⑤埋深(D)⑥测压水位线
(面):⑦承压高度-H⑧补给区⑨承压区⑩排泄区www.themegallery.comCompany
Logo3.5
承压水与承压含水层v特征:补给与排泄有限区域与外界联系,水循环迟缓些,水交替慢,平均滞留
时间长(年龄老或长)——恢复性差水化学变化较大,矿化度一般要高点,可以保留“古老”的水动态要稳定些,如果分布面积大,厚度稳定—则调节能力很强v问题?承压含水层的变化:在储水与释水时
,含水层厚
度是不变的,承压含水层的储水与释水是如何进行的?!Company
Logo3.5.3
承压含水层的储水与释水承压含水层的储水与释水v弹性给水度
μe§
承压含水层中当测压水位下降(或上升)1个单位,单位水平
面积含水层较体所释放(或储存)的水量v测压水位降低导致1)
含水层孔隙中水的压力降低—水体积膨胀释水,水的膨胀系
数约为
1/200002)
孔隙水压力降低,岩层颗粒间承受压力增加—骨架被压缩•颗粒不变—骨架压缩
=
空隙体积减小(排列改变)———发生释水(挤出来)水v这两部水很有限,所以
μe
很小
;www.the
μd相比要
小10-1
~
10-3m给水度co力llery重mega与v从理论上来看:§
弹性给水度是可以恢复的§
实际上弹性是有限恢复的§
越过含水层弹性范围
(限定)
,
将产生一次性的
变形—
即永久性不可恢复的变形§
最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低Company
Logowww.themegallery.com承压含水层的弹性给水度Company
Logo3.5.4
潜水与承压水的相互转化v在自然或实际条件下,潜水与承压水的划分也是
相对的v在复杂条件下,很难将某些含水层中的水划定为
潜水或承压水v几个例子:§
山区基岩互层§
一个
较厚的含水层§
一个封闭的含水层—潜水?Ø
开采前—潜水含水层Ø
开采后—承压含水层www.themegallery.com开采潜水与承压水的转化www.themegallery.comCompany
Logo例:潜水与承压水的转化3.5
承压水与承压含水层介绍内容——上层滞水(perchedwater)—要求自学P35
这是包气带中唯一有实际利用价值的重力水v前第一、二、三章,是水文地质学中常用的基本概念和
术语,要求掌握v后几章将着重介绍一些基本理论与方法v有关地下水运动的内容,请参考学习《水力学》中有关
水头、水力梯度的概念。第三章结束
Company
Logo
上层滞水
Fundamentals
of
Hydrogeoloy
水文地质学基础
地下水的运动The
movement
of
G.W中国地质大学(武
O)G水O文地质学基础教学组第四章
地下水的运动v渗流——地下水在岩石空隙中的运动称为渗流§地下水渗流—遵循水力学基本原理(复习)§差异—•水力学研究水在管、渠——明流•多孔介质,空隙细小,水流很缓慢——渗流•从流态来看—地下水多为层流(除岩溶管道外)
层流——紊流•
侧重稳定流——
(不讨论非稳定流)Company
Logowww.themegallery.comwww.themegallery.comCompany
Logo4.1达西定律(Darcy’s
law)达西定律—线性渗透定律(
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