第2章 地下水储存和循环,2.1地下水储存和岩石特性 一、岩石的空隙特征 岩石的空隙性 分类 松散岩石中的孔隙：松散岩石是由大小不等的颗粒组成的，颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙 坚硬岩石中的裂隙：固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，受地壳运动及其它内外地质应力作用下岩石破裂变形产生的空隙称为裂隙 可溶岩石中的溶隙：可溶岩中的各种裂隙，被水流溶蚀扩大成为各种形态的溶隙，甚至称为巨大溶洞,Company Logo,www.themegallery.com,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 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？ 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,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v ？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：砾石砂石混合样 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。,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,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,3. 溶隙,空隙特征的对比,二. 地下水的存在形式 岩石“骨架”中的水：沸石水、结晶水和结构水。 岩石空隙中的水：结合水（吸着水、薄膜水）、重力水、毛细水、固态水和气态水。,Company Logo,www.themegallery.com,1 结合水,结合水（absorbed water, bound water） 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 表面引力服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱 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 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）,结合水与重力水,重力水,Company Logo,www.themegallery.com,重力水（gravitational water; bulk water） 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 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 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） 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,2 重力水,结合水与重力水,Company Logo,www.themegallery.com,毛细水（capillary water） 1)、基本概念 毛细现象： 根据细小管插入水中，水上升至一定高度停下来 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 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：,3 毛细水,毛细水,空隙中的水,毛细水,Company Logo,www.themegallery.com,毛细力： 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 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） 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） 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,毛细水,Company Logo,www.themegallery.com,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： 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，孔角毛细水是孤立的,支持与悬挂毛细水,小结,三 包气带与饱水带,1、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）,包气带,包气带（zone of aeration or zone of unsaturation） 特点： 岩石空隙未被水充满 是固、液、气三相介质并存介质 水的存在形式（多样） 结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水 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。,饱水带（saturation zone） 岩石空隙被水完全充满是二相介质（固相+液相水） 空隙中水的存在形式： 重力水 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！,饱水带,四、岩石的水理性质 1. 容水性 岩石的容水性指岩石能容纳一定水量的性能，在数量上用容水度来表示Wn,2. 持水性 在重力作用下，岩石依靠分子引力和毛细力在其空隙中能保持一定水量的性能，用持水度Wm表示,3. 给水性各种岩石饱水后在重力作用下能自由排出一定水量的性能称为岩石的给水性，以给水度表示,4. 透水性 岩石允许水流通过的能力岩石颗粒愈细小，分子持水度就愈大；松散岩石的颗粒越粗，给水度越大，细颗粒容水度并不小，但给水度很小,2.2 含水层和隔水层,1. 概述 含水层：指能够透过并给出相当数量水的岩层 隔水层：不能透过并给出水，或透过和给出水的数量微不足道的岩层 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，泥质粉砂岩,含水系统,含水系统Groundwater aquifer system 地下水含水系统： 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 含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层 含水系统：可以进行子系统划分 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),含水系统层次划分系统与子系统,冲洪积平原地下水含水系统,2. 构成含水层的基本条件 岩层要具有能容纳重力水的空隙 有储存和聚集地下水的地质条件 具有充足的补给来源,2.3 地下水的类型, 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, groundwater 狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水重力水 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） 表26含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9类,潜水(b)、承压水(c)、上层滞水(a),按地下水的埋藏条件分：上层滞水、潜水和承压水 按含水层的空隙性质分：孔隙水、裂隙水和岩溶水 1. 上层滞水 是包气带中局部隔水层之上具有自由水面的重力水，是大气降水或地表水下渗时，受包气带中局部隔水层的阻托支流聚集而成,下列条件易形成上层滞水 较厚的砂层或砂砾石层中夹有粘土或粉质粘土 在裂隙发育、透水性好的基岩中有顺层侵入的岩床、岩盘时 在岩溶发育的岩层中夹有局部非岩溶化的岩层 在黄土中夹有钙质板层时,2. 潜水 饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称为潜水 潜水埋藏特点 具有自由表面潜水向排泄处流动时，其水位逐渐下降，形成曲线形表面 潜水的分布区与补给区是一致的 潜水的水位、流量和化学成分都随着地区和时间的不同而变化,潜水与潜水含水层图,潜水等水位线图 可以解决的问题： 决定潜水流向 求潜水的水力坡度 确定潜水的埋藏深度 提供合理的取水位置 推断含水层岩性或厚度的变化 确定地下水与地表水的相互补给关系 确定泉水出露点和沼泽化的范围,某地潜水等水位线图（平面）,3. 承压水 指充满于上下两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水 主要特点 有稳定的隔水顶板存在，没有自由水面 水体承受静水压力 埋藏区与补给区不一致 形成条件 粘土覆盖在砂层上 页岩覆盖在砂层上,基岩自流盆地中的承压水,页岩覆盖在溶蚀灰岩上 致密不纯的灰岩覆盖在溶隙发育的灰岩上 致密的岩流覆盖在裂隙发育的基岩或多孔状岩流上 最适宜形成承压水的地质构造条件 向斜盆地中的承压水 单斜地层中的承压水 承压水等水压线的作用 判断承压水的流向 含水岩层和厚度的变化 水压面的倾斜坡度 确定合理的取水地段,4. 潜水与承压水的相互转化,在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是 相对的 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 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？ 开采前潜水含水层 开采后承压含水层开,例：潜水与承压水的转化,2.4 地下水的循环 水的分布：以气态、液态和固态分布于地球的大气圈、水圈和岩石圈中 水循环：大循环和小循环 地下水的循环 循环的环节：补给、径流和排泄 补给：含水层或含水系统从外界获得水量的过程 排泄：含水层或含水系统向外界排出水量的过程,