第三章地下水（GroundWater）

第一節概述第二節地下水的運動第三節地下水的理化性質第四節地下水的主要類型第一節概述一、地下水的定義及其用途二、地下水的形成條件三、巖石的空隙四、巖石的水理性質一、地下水的定義及其用途1、定義：存蓄于巖石和土壤空隙中的水,統稱為地下水。地下水垂向結構基本模式圖

廣義地下水：

地表以下巖石空隙中的水(包氣帶、飽水帶中的水)

subsurface-water,undergroundwater,groundwater

狹義地下水：地表以下飽水帶巖層空隙中的水—重力水地下水庫——調蓄補給量地下水庫—儲存輸入—補給流量時間輸出—利用流量時間2、地下水的用途二、地下水的形成條件1、地質條件（提供蓄水空間)

（1）巖性：

主要是指巖石中空隙的大小。

（2）地質構造：

要有相對的隔水層和含水層的配合，而且含水層要與水源連接。二、地下水的形成條件2、水源條件（1）補給(來源)：降水入滲地表水入滲冰雪融水巖石中空氣凝結水（2）排泄(匯)

泉（河）泄流蒸發二、地下水的形成條件3、影響地下水補充的因素

（1）降水：包括降水量，降水歷時，降水形式（降雨或降雪）降雨強度。（2）蒸發主要指地下水供給區域的蒸發（3）地形（坡度）

（4）地面蓄水面積

（5）植被

巖石:

水文地質學中指堅硬的巖石及松散的土層。空隙:巖、土中各種類型的空洞的總稱；是地下水賦存場所（places）和運移通道（conduits）。空隙分為:孔隙（pore）（第四紀地質學）裂隙（fissure）（構造地質學）溶隙(穴)（cavity）（巖溶地貌學）三、巖石的空隙（孔隙、裂隙、溶隙）×800（一）孔隙孔隙（pore,void）：

巖石、土壤顆粒之間的空隙。

孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與分布；1、孔隙度（porosity）孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標。定義：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:2、影響孔隙度大小的因素（1）排列方式：（指同樣大小和形狀的巖石顆粒排列）A、正方體

巖石顆粒的粒徑為d，半徑為

0.5d，正方體的邊長也為d，求孔隙度：2、影響孔隙度大小的因素（1）排列方式：B、菱形體(四面體排列)n=0.26

理想最疏松孔隙為0.48，最緊密排列孔隙為0.26。2、影響孔隙度大小的因素（2）顆粒形狀和大小：一般巖石顆粒都不完全是球形，離球形相差越大，其孔隙度越小。一般顆粒越大，孔隙度越大，但顆粒太小情況會比較復雜。×36×240×800粘性土的結構（不同比例電鏡掃描片）2、影響孔隙度大小的因素（3）顆粒的分選度：大小不等的巖石組合在一起，小顆粒能填充大顆粒之間的空隙，所以分選度越大，孔隙度就越小。2、影響孔隙度大小的因素（4）膠結和壓實程度

：巖石中有SiO2（二氧化硅）和Fe（鐵）作為膠結劑，使巖石粘結在一起，另外一定壓力條件下被壓實，這都會使孔隙度變小。（二）裂隙（fissure,fracture）1、定義：

巖石中的各種裂縫統稱為裂隙。

固結的堅硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙，而存在有各種內外力作用下產生的裂縫（縫隙）。

根據成因分類構造裂隙

成巖裂隙

風化裂隙（二）裂隙（fissure,fracture）

構造裂隙：

主要分布在斷裂帶和褶皺帶；

成巖裂隙：

是噴出巖冷卻收縮而形成，如玄武巖中就多成巖裂隙；

風化裂隙：

主要在巖石表面，普遍存在于裸露巖石表面。（二）裂隙（fissure,fracture）2、裂隙度(率)（KT）：

3、裂隙度的測定b：裂隙的寬，L：裂隙的長（三）溶隙(穴)

(solutioncavity,cavern)1、定義：可溶性巖石中的溶蝕空間，有溶孔、溶隙、溶洞等。

特點：（1）分布不均勻，且沒有規律。其中有些很大（溶洞），有的則很小。大裂隙主要分布在褶皺帶，受水蝕作用產生的。（2）溶隙比孔隙和裂隙都大，所以地下水很豐富。

溶隙是在裂隙基礎，水流對可溶巖進一步作用的結果——是擴大了的裂隙

2、溶隙度（Kk）空隙度（S）四、巖石的水理性質

巖石(包括骨架與空隙)具有的與水相關的性質叫水理性質,主要包括與水分儲容、釋出與運移有關的性質。①巖石蓄水和保存水的性質稱為容水性；②能將水保持在巖石體內的性質稱為持水性；③巖石在重力作用下能排出重力水的性質稱為給水性；④巖石能讓水透過的性質稱為透水性。（一）容水性巖石能容納水的性能稱為容水性。１、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。影響容水度的因素：空隙度（S）（一）容水性2、相對含水量(KW)

在自然條件下，由于供水量不充分，以及大氣蒸發，巖石部分空隙沒被水充滿，實際含水量總是小于容水量。當Kw=1時，土壤或巖石空隙達到飽和，稱飽和含水量。當Kw<1時，稱非飽和含水量。（二）給水性和持水性1、定義給水性：在重力作用下，飽和含水的巖體能排出水的性能。持水性：在分子力和毛管力的作用下，巖體能保持水的性能。（二）給水性和持水性2、給水度、持水度

（三）透水性1、定義：

巖石、土壤允許水透過的性能稱透水性。

用滲透系數“K”表示，單位為（cm/h，m/h，或m/d）。2、影響“K”值的因素

（1）孔隙直徑:

孔隙直徑越大，K值越大，過水能力越強；

（2）孔隙的連通性:

連通性越好，透水性就越大。（四）幾種水理性的關系1、給水性與持水性的區別

（1）作用力不一樣。給水性主要是重力作用，排出的是重力水，持水性主要是分子力和毛管力的作用，保持的是毛管水和分子水，薄膜水。圖（2）空隙直徑的大小對二者的影響相反。空隙大則有利于給水，給水性好，但持水性差。空隙小則不利于給水，即給水性差，持水性強。

結合水與重力水

表面引力—服從庫侖定律，隨固體表面的距離加大而減弱結合水與重力水

毛細水和孔角毛細水H：毛管上升高度，r:毛管直徑（四）幾種水理性的關系2、容水性、給水性、持水性三者的關系容水度=持水度+給水度當容水度一定時，持水度越大，給水度就小，如粘土層。當容水度一定時，給水度好，持水度就差，如沙土層。（四）幾種水理性的關系3、容水性、持水性的區別

（1）水的作用力：容水性是指容納各種水的性質，其水體包括了分子水（吸著水、薄膜水）毛管水和重力水。而持水性是指保持的非重力水的性質（不包括重力水）。（2）影響因素:容水性主要取決于空隙度的大小，持水性主要受空隙（或孔隙）直徑的大小的影響。（四）幾種水理性的關系4、給水性、透水性的區別

（1）在定義上：給水性是飽和容水的情況下，能排出多少水的性能，與時間無關。透水性是能讓地下水通過的性能，與含水量無關。（2）計量單位：給水量是m3，是體積單位，與時間無關。透水性的單位是每天能透過的距離（m/h），是速度單位。第一節概述一、地下水的定義及其用途二、地下水的形成條件三、巖石的空隙四、巖石的水理性質第二節地下水的運動地下水與地表水運動的區別：地下水是在巖石介質中運動，要受到巖石的阻滯，其運動形式是滲透和滲流。而河水是明流。①地下水為暗流，地表水為明流。②流速比地表水小得多，多是層流。地表水是紊流。③流量比河水穩定，變化慢。第二節地下水的運動（Motionofgroundwater）

一、線性滲透定律二、非線性滲透定律三、滲流速度與實際流速的關系四、滲透系數K值的確定一、線性滲透定律（linearlaw）1、基本原理線性滲透定律（linearlaw）——達西定律（Darcy’slaw）H.Darcy—法國水力學家，1856年（以實驗為基礎研究時期）通過大量的室內實驗得出的。一、線性滲透定律（linearlaw）實驗條件：QOO’斷面1斷面2hH2H1LF1）等徑圓筒裝入均勻砂樣（uniformsand），斷面為F。2）上下各置一個穩定的溢水裝置——保持穩定水流。3）實驗時上端進水，下端出水。4）砂筒中安裝了2個測壓管。5）下端測出水量（outflow）—Q

多次實驗得出：出水端的流量Q與砂柱、測壓管水頭差之間的關系為：

Q:滲流量F:砂柱斷面面積h

:水頭損失（m）L

:滲流途徑K:滲透系數由水力學中水動力學基本原理：FhL

滲透流速V稱為滲透流速（seepagevelocity）為單位面積上的流量比流量達西定律中由此看出：滲透流速與水力梯度的一次方成正比故達西定律又稱為線性滲透定律V——I曲線砂樣VIO12V=K·I一、線性滲透定律（linearlaw）2、線性滲透定律的使用用達西定律測定地下水的流量要求：求出h斷面的出水量。

從I到II斷面的水力坡度為：F取一個單位寬度的橫斷面面積

單寬流量等式兩端積分：因為：滲流上下兩斷面間的距離所以：B：研究區寬度

一、線性滲透定律（linearlaw）3、適用條件達西定律只適用于層流，而不適用于紊流。

層流與紊流的流態與流速大小的關系:

層流：Vcp≤0.3cm/s，或Vcp≤260m/d；

紊流：Vcp>1.157cm/s，或Vcp>1000m/d；

過渡流：0.3≤V≤1.157cm/s

二、非線性滲透定律

1、紊流方程式謝才公式：表示河床的阻力；K表示巖石對地下水流的阻力。二、非線性滲透定律

2、過渡流方程式m=1為層流，m=2為紊流，m在1和2之間為過渡流，可根據實際情況取值。三、滲流速度（V）與實際流速（u）的關系

給水度實際過水斷面面積

這就表明：

三、滲流速度（V）與實際流速（u）的關系

在實際工作中，可先求得u，再求V。L:兩井間的距離T: