第八章地下水基礎知識8.1巖石的空隙與巖石的水理性質8.2含水層、透水層與隔水層8.3地下水分類8.4地下水循環8.5地下水動態及影響因素

8.6

地下水均衡8.1巖石的空隙與巖石的水理性質一、巖石中的空隙巖土：包括堅硬巖石及松散土。空隙：巖、土中各種類型空洞的總稱。空隙是地下水的賦存場所和運移通道。

孔隙:

松散巖石顆粒間的空隙空隙分為裂隙:

堅硬巖石破裂產生的空隙

溶穴:

可溶性巖石被溶蝕后產生的空隙巖石的各種空隙

孔

隙裂隙溶隙8.1巖石的空隙與巖石的水理性質一、巖石中的空隙

1.孔隙松散巖石是由大小不等的顆粒組成的。顆粒或顆粒集合體之間的空隙，稱為孔隙。孔隙多少是用孔隙度描述。孔隙度：某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內）中孔隙體積所占的比例。通常用n

表示。8.1巖石的空隙與巖石的水理性質影響孔隙度的主要因素

排列方式：排列愈緊密，孔隙度愈小。

理想最疏松排列（立方體）：孔隙度為47.64%；理想最緊密排列（四面體）：孔隙度為25.95%。

在實際中，天然砂礫石孔隙度一般介于兩者之間。自然界中松散巖石的孔隙度（P198表8-1）。巖石名稱礫石砂粉砂 粘土空隙度(%)25—4025—5035—5040—70

顆粒的排列形式a－立方體排列b－四面體排列8.1巖石的空隙與巖石的水理性質影響孔隙度的主要因素

分選程度：分選愈差，孔隙度愈小。顆粒形狀：越不規則，孔隙度愈大。膠結程度：膠結程度高，孔隙度愈小。

8.1巖石的空隙與巖石的水理性質影響孔隙度的主要因素

為何粘性土的孔隙度超過最疏松排列的47.64%，可達70%？粘土孔隙：粒間孔隙—粘粒之間的空隙；

結構孔隙—集合體與集合體之間的空隙；

次生孔隙—蟲孔、根系孔、干裂縫等。8.1巖石的空隙與巖石的水理性質一、巖石中的空隙

2.裂隙固結堅硬巖石一般僅殘存很小部分的顆粒間的孔隙，主要發育因各種內外力作用產生的裂隙：風化(卸荷)裂隙、成巖裂隙、構造裂隙。

裂隙率：裂隙體積與包括裂隙在內的巖石體積的比值。8.1巖石的空隙與巖石的水理性質一、巖石中的空隙

3.溶隙(穴)

溶穴：可溶巖在地下水溶蝕作用下產生的空隙。包括溶孔、溶隙、溶穴、溶洞等。巖溶率：溶隙（穴）體積與包括溶隙（穴）在內的巖石體積的比值。

空隙特征的比較

由空隙所構成的巖石稱為含水介質。含水介質有三種：孔隙介質、裂隙介質、溶穴介質。連通性—孔隙介質最好，其它較差空間分布—孔隙介質分布最均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻；孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊空隙率—孔隙介質最大，裂隙最小滲透性—孔隙介質屬各向同性，裂隙與溶穴為各向異性造成空隙介質差異的主要原因：沉積物形成和空隙形成的地質環境差異。8.1巖石的空隙與巖石的水理性質二、巖石中水的存在形式

重力水毛細水巖土空隙中水的存在形式結合水液態水固態水氣態水強結合水弱結合水8.1巖石的空隙與巖石的水理性質二、巖石中水的存在形式

1.結合水

定義：附著于固體表面，在自身重力下不能運動的水，稱為結合水。成因：固相表面與水分子間存在靜電引力相互吸引，其間引力大小服從庫侖定律，隨離固體表面的距離加大而減弱，結合水的物理性質隨之變化。內：強，外：弱。性質：結合水具有固態和液態水的雙重性質；具有一定的抗剪強度，即自身重力作用下不能運動，在外力作用下能夠移動及變形。意義：結合水膜很薄，當孔隙直徑小于2倍結合水膜厚度時，孔隙中只含有不能自由運動的結合水（無效空隙空間）。強結合水：幾個—幾百個水分子厚度，引力1012Mpa，密度2g/cm3；不流動，可蒸發。弱結合水：幾十個幾百個—幾千個水分子厚度，水分子排列沒有強結合水緊密，能部分被植物吸收。8.1巖石的空隙與巖石的水理性質二、巖石中水的存在形式

2.重力水定義：遠離固相表面，水分子受固相表面吸引力的影響極其微弱，主要受重力影響。重力影響下可以自由運動。意義：重力水具有非常重要的實用價值。地層巖石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通過泉，或井流出（抽出），為人們所用，因此重力水是水文地質學研究的主要對象。8.1巖石的空隙與巖石的水理性質二、巖石中水的存在形式

3.毛細水定義：在毛細力作用下，保持在細小孔隙構成的毛細管道中的水。毛細水受固體表面吸引力、液體表面張力和液體重力的共同作用。毛細力是在三相界面上彎液面引起的附加表面壓力。地下水面以上廣泛存在毛細水。8.1巖石的空隙與巖石的水理性質三、巖石中的水理性質

水文地質學中水理性質是指與水分儲存、釋出與運移有關的性質。

1.含水性巖石實際保留水分的狀況。用重量含水量和體積含水量表示。

飽和含水量(s)：孔隙充分飽水時的含水量。

殘留含水量(0)：包氣帶重力釋水后未受蒸發、蒸騰消耗時的含水量。

8.1巖石的空隙與巖石的水理性質三、巖石中的水理性質

2.容水性

巖石能容納一定水量的性能。其度量指標為容水度。

容水度：巖石完全飽水時，所能容納的最大水體積與巖石總體積之比。孔隙度n與容水度nr兩者有何關系?

一般有：n=nr8.1巖石的空隙與巖石的水理性質三、巖石中的水理性質

3.持水性

在重力影響下巖石最大保持水分的能力。持水度：飽水在重力作用下自由釋水后仍然保留在巖石空隙中的水體積與巖石總體積之比。

給水度、空隙度、持水度三者關系？8.1巖石的空隙與巖石的水理性質三、巖石中的水理性質

4.給水性飽水巖石在重力作用下，能夠自由給出一定水量的性能。

給水度：當地下水位下降一個單位高度時，單位水平面積巖石柱體，在重力作用下釋放出來的水體積。一般來說，空隙直徑越大，越大，反之，越小。8.1巖石的空隙與巖石的水理性質三、巖石中的水理性質

5.透水性巖石容許透過水的能力。表征巖石透水性的指標是滲透系數。是含水層最重要的水文地質參數之一。巖石空隙直徑越大—透水能力越強—透水性越好！分選性對巖石透水性影響很大。

8.2含水層、透水層與隔水層一、包氣帶與飽水帶地下水面：地下一定深度巖石中的空隙被重力水所充滿，形成的一個自由水面（潛水面）。地下水面之上稱為包氣帶，之下稱為飽水帶。

特點：（1）巖石空隙未被水充滿;（2）固、液、氣三相介質并存；（3）水的存在形式多樣：結合水、毛細水、重力水、氣態水。包氣帶水的垂直分帶：土壤水帶，中間帶（過渡帶），毛細水帶（支持毛細水帶、飽和毛細水帶）。包氣帶是飽水帶中地下水參與水文循環的一個重要通道：飽水帶地下水通過包氣帶獲得降水、地表水的入滲補給（補充），部分水又通過包氣帶將水分傳輸，蒸發，消耗出去。包氣帶飽水帶特點：(1)巖石空隙被水完全充滿，是固、液二相介質；

(2)空隙中水的存在形式：①重力水，②結合水重力水：連續分布(孔隙是連續的)→傳遞壓力→在水頭差作用下，地下水(空隙中的水)可以連續運動。飽水帶開挖坑道、巷道、基坑，打井均有重力水涌出來！飽水帶中的重力水是開發或利用的主要對象。8.2含水層、透水層與隔水層二、含水層、透水層、隔水層與弱透水層含水層：能夠透過并給出相當數量水的巖層。透水層：只是透水而不儲存水的巖層。隔水層：不能透過與給出水或透過與給出的水量微不足道的巖層。弱透水層：滲透性很差，給出的水量微不足道，但在較大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的巖層。8.2含水層、透水層與隔水層二、含水層、透水層、隔水層與弱透水層含水層的形成條件：（1）巖層應具有儲存重力水的空間。空隙大而多、厚度較大。（2）有儲存和聚集地下水的地質條件下伏有隔水層，水平方向有隔水層阻擋，否則只能作為過水的通道，而構成透水層。（3）具有充足的補給來源。8.2含水層、透水層與隔水層含水層、隔水層劃分的相對性：

定義中“相當水量，微不足道，較大水力梯度”是模糊的；含水層與隔水層的劃分是相對的。從實際應用來看，區分含水層與隔水層應考慮巖層給出的水量是否具有實際意義。從理論意義來看，巖層是否透水還取決于時間尺度。巖性相同的地層根據不同研究目的來劃分為含水層或隔水層。修水庫時，要考慮建庫后水庫是否滲漏？供水時，考慮水量是否足夠，是否為含水層？8.3地下水分類分類依據：含水介質類型、埋藏條件劃分。含水介質三類，埋藏條件分三類，組合共分為9類

孔隙水裂隙水巖溶水

包氣帶

上層滯水上層滯水上層滯水

潛水

孔隙潛水裂隙潛水巖溶潛水

承壓水

孔隙承壓水裂隙承壓水巖溶承壓水地下水埋藏條件：地下水儲存在地殼中的空間狀態和受隔水層限制的情況。8.3地下水分類一、上層滯水

上層滯水是存在于包氣帶中局部隔水層之上的重力水。特點：水量小，動態變化顯著，極易污染。只能作為缺水地區小型供水水源或暫時性供水水源。8.3地下水分類二、潛水

地表以下（飽水帶中），第一個具有自由表面的穩定含水層中的水。

自由表面：即沒有隔水頂板限制，與大氣直接相通。基本要素（專業術語）含水層厚度H潛水埋深T潛水位h潛水含水層潛水面8.3地下水分類二、潛水

1.基本特征（1）潛水的分布區與補給區一致。Why？

（2）潛水動態變化受氣候影響顯著。（3）潛水受污染風險大。（4）潛水面起伏與地形起伏大體一致，但較平緩，在重力作用下，由潛水位較高處向潛水位較低處流動。（5）潛水一般為無壓水，局部承壓。Why？

8.3地下水分類二、潛水

2.潛水等水位線圖由一系列等水位線構成的圖稱為潛水等水位線圖。將同一時刻測得的潛水面上水位相同的點連接起來的線稱為潛水等水位線。8.3地下水分類潛水等水位線圖用途：決定潛水流向求潛水的水力坡度確定潛水的埋藏深度提供合理的取水位置推斷含水層巖性或厚度的變化確定地下水與地表水的互補關系確定泉水出露點和沼澤化的范圍8.3地下水分類三、承壓水

充滿于兩個隔水層（弱透水層）之間的含水層中的水。基本要素：①承壓含水層：賦存承壓水的巖層；②隔水頂板；③隔水底板；④承壓含水層厚度（M）；⑤埋深（D）；⑥承壓高度（H）：含水層某點的承壓高度等于該點的測壓高度；⑦測壓水位線（面）：測壓水位的連線（面），此線是虛擬的；⑧補給區和排泄區；⑨承壓區；⑩自溢區：測壓水位線與地形等高線的交點連接區。隔水底板隔水頂板8.3地下水分類二、承壓水

1.基本特征（1）有限區域與外界聯系，水循環交替慢，平均滯留時間長（年齡老）——可恢復性差。（2）水質變化較大，可以是淡水，也可能是鹵水。不易污染，一旦污染，很難凈化！（3）水位動態較穩定，如果含水層分布面積大，厚度穩定，則調節能力很強。8.3地下水分類

2.承壓水等水壓線圖

用途：（1）判斷承壓水的流向（2）含水層巖性和厚度的變化（3）水壓面的傾斜坡度等（4）確定合理的取水地段注意：用等水壓線所表示的水壓面是一個虛構的面。為了便于應用，常常把承壓水等水壓線圖與地形等高線圖、含水層頂板等高線圖疊置在一起。8.4地下水循環

地下水的循環是指地下水的補給、徑流和排泄往復過程。地下水是通過補給與排泄兩個環節參與自然界的水循環。一、地下水的補給補給：含水層從外界獲得水量的過程。補給來源：大氣降水、地表水、凝結水及相鄰含水層的補給以及人工補給。1.大氣降水對地下水的補給

qG=P-Rs-E–ΔS影響降水入滲補給因素？氣候因素(P，E)；降水總量；降水強度；降水頻率；降水延續時間。總量大，強度適中，間隔短，適中時間長的綿綿細雨最有利。溫度適中，溫差較小，相對濕度大，蒸發強度小，有利補給。地形:

高或低，陡或緩地質:

滲透性愈大則愈有利于入滲地下水位埋深：太大或太小都不利其他：植被，既有利也不利SRsEPqG8.4地下水循環2.地表水的補給地表水體（河、湖、水庫等）都可以成為地下水的補給來源。河流補給:

因地而異（空間上），不同部分，巖性等；因時而異（時間上），不同季節，不同補排關系。地表水補給地下水的必要條件有哪些?

（1）有水力聯系（2）地表水水位高于地下水水位8.4地下水循環3.地下水的人工補給方式：(1)農田灌溉；(2)人工回灌；(3)傍河抽水。4.含水層之間的補給屬地下水的內部轉化。方式：(1)潛水—承壓水之間的補給。

(2)通過“天窗”和越流補給。

(3)通過導水斷層補給。

(4)通過鉆孔補給。潛水補給承壓水承壓水補給潛水含水層通過鉆孔發生水力聯系含水層通過導水斷層發生水力聯系8.4地下水循環二、地下水的徑流

地下水由補給區流向排泄區的過程。

潛水——無壓流承壓水——有壓流？

地下水徑流方向補給區→排泄區，高勢能→低勢能，垂直于等水位線。地下水徑流強度（速度）

潛水：與K、I成正比。

承壓水：同潛水，還與蓄水構造的開啟程度有關。垂向上，一般隨深度增加，強度減弱，直至侵蝕基準面，處于停滯狀態。8.4地下水循環二、地下水的徑流

地下水徑流量

在含水層的K、補給及排泄條件相同時，M越大，徑流量越大。地下水徑流類型

暢流型匯流型散流型緩流型滯流型

8.4地下水循環三、地下水的排泄含水層失去水量的過程。

排泄方式：泉(點狀排泄)、向地表水體泄流(河流—線狀)、相鄰含水層的排泄、蒸發(面狀排泄)、人為排泄。前三種排泄方式稱為徑流排泄，與蒸發排泄的區別：徑流排泄—水分（鹽分）呈液態排出,鹽隨水去蒸發排泄—水分呈氣態排出，鹽分積累下來，水去鹽留

8.4地下水循環

1.泉排泄泉是地下水的天然露頭，多為“點”狀，屬徑流排泄泉的出露是地形、地質與水文地質條件有機結合的結果，據補給泉的含水層類型可將泉劃分為上升泉、下降泉。下降泉(出露潛水含水層中的泉）根據出露條件又將下降泉分為：侵蝕泉：地形切割到潛水面接觸泉：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（出露于承壓含水層中的泉）

上升泉根據出露條件分為：侵蝕泉：河流沖溝切穿承壓含水層的隔水頂板斷層泉：水沿斷裂帶上升在地面高程低于測壓水位處涌溢地表接觸帶泉：地下水沿有隙縫的接觸帶上升成泉。8.4地下水循環研究泉的意義直接水文地質資料；間接分析得出水文地質信息。通過泉的出露標高、流量、動態、溫度、水化學，可以綜合分析與泉水成因有關地質、水文地質條件：1）地下水位標高；2）含水巖層的含水性（透水性）及導水性：泉在地層中的出露情況及泉的流量；3）泉出露處斷層的導水性；4）補給條件，循環（交替）強度：泉的流量及泉的動態；5）泉的溫度：地下水循環深度；6）泉水的水質反映地下水的化學成分特征；7）供水水源（直接利用）。8.4地下水循環

2.蒸發排泄

淺層地下水可通過包氣帶(土壤)蒸發、植物蒸騰而消耗，成為地下水的一種重要排泄方式，這種排泄亦稱為垂直排泄。

影響蒸發的因素：

氣候：干燥，氣溫高，蒸發量愈大

地下水埋藏深度：超過蒸發極限深度則蒸發→0

包氣帶巖性：顆粒較細小的粉砂、亞砂土。8.4地下水循環

3.泄流排泄

河流切割含水層時，地下水向河流的排泄。必要條件：當地下水位高于地表水位且存在水力聯系。較大河流在無降水形成地表徑流補給情況下終年不斷流，這部分水量是河川的基本徑流——基流。地下水的泄流量可通過分割河流流量過程線的方法確定。8.5地下水動態及影響因素地下水動態：地下水的水位、水量、水質、水溫等要素隨時間和空間的變化現象和過程。動態實質：是由含水層中地下水的補給量、排泄量、儲存量變化的綜合表現。

含水層Q補Q排一、影響地下水動態的因素1.氣象（氣候）因素特點：大面積，普遍產生影響(尤其對潛水）；主要有降水與蒸發因素氣候特征表現為：降水的年內季節性變化降水的多年變化（如11年周期）

晝夜變化與此相對應，地下水動態也有這三種周期性變化晝夜變化——在許多地區不明顯多年變化——研究周期長年內變化——最突出氣象要素及潛水埋深變化圖思考：解決生產實際問題時如何考慮地下水的水位動態？供水工程應考慮多年最低地下水位?排水工程考慮多年最高地下水位時的排水能力?河旁潛水位與河水位的關系048121620048121620Time(days)Waterlevel(m)河水位觀1水位觀2水位觀3水位一、影響地下水動態的因素2.水文因素指地表水體的變化對地下水動態的影響。從右圖中可以看出什么規律？思考？當河水排泄地下水時，水位變幅何處大？一、影響地下水動態的因素

3.地質因素

地質因素是間接且相對穩定的因素（相當于濾波器）。氣候與水文因素決定了一個地區地下水動態的總輪廓。地質因素起修飾作用，濾波或削峰填谷的作用埋藏條件：承壓水的變幅小于潛水；潛水埋深的大小,對滯后時，延遲時和變幅的影響包氣帶巖性：K