地下水的結構與運動

地下水的結構與運動第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一§5.1地下水系統(tǒng)的組成與結構地下水的貯存空間地下水流系統(tǒng)地下水系統(tǒng)垂向結構第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

地下水是存在于地表以下巖(土)層空隙中的各種不同形式水的統(tǒng)稱。

一、地下水的貯存空間

1.含水介質、含水層和隔水層

通常把既能透水，又飽含水的多孔介質稱為含水介質,這是地下水存在的首要條件。所謂含水層是指貯存有地下水，并在自然狀態(tài)或人為條件下，能夠流出地下水來的巖體。對于那些雖然含水，但幾乎不透水或透水能力很弱的巖體，稱為隔水層。

2.含水介質的空隙性與水理性

含水介質的空隙性:裂隙率(KT)、巖溶率(Kk)與孔隙率(n)

。含水介質的水理性質:與水分的貯容、運移有關的巖石性質稱為含水介質的水理性質，包括巖土的容水性、持水性、給水性、貯水性、透水性及毛細性等。第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

3.蓄水構造指由透水巖層與隔水層相互結合而構成的能夠富集和貯存地下水的地質構造體。主要有：單斜蓄水結構、背斜蓄水結構、向斜蓄水結構、斷裂型蓄水結構、巖溶型蓄水結構等。

二、地下水流系統(tǒng)

地下水雖然埋藏于地下，難以用肉眼觀察，但它象地表上河流湖泊一樣，存在集水區(qū)域，在同一集水區(qū)域內(nèi)的地下水流，構成相對獨立的地下水流系統(tǒng)。

1.地下水流系統(tǒng)的基本特征

在一定的水文地質條件下，匯集于某一排泄區(qū)的全部水流，自成一個相對獨立的地下水流系統(tǒng)，又稱地下水流動系。與地表水系相比較具有如下的特征:空間上的立體性;流線組合的復雜性和不穩(wěn)定性;流動方向上的下降與上升的并存性;區(qū)域范圍一般比較小。第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

2.地下水域地下水流系統(tǒng)的集水區(qū)域,為立體的集水空間。地下水域范圍變化快,在地表上均存在相應的補給區(qū)與排泄區(qū).

三、地下水系統(tǒng)垂向結構

1.地下水垂向層次結構的基本模式

包氣帶:土壤水帶、中間過渡帶及毛細水帶等3個亞帶;存在結合水(包括吸濕水和薄膜水)和毛管水；

飽和水帶:潛水帶和承壓水帶兩個亞帶,存在重力水(包括潛水和承壓水)。

2.地下水不同層次的力學結構分子力、毛細力和重力。

3.地下水體系作用勢重力勢、靜水壓勢、滲透壓勢、吸附勢等分勢組合為總水勢。第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一§5.2地下水類型地下水基本類型的劃分包氣帶水飽水帶水(潛水和承壓水)空隙水(孔隙水、裂隙水和巖溶水)第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

一、地下水基本類型的劃分從地理水文學角度來說，特別重視如下的分類：

1.按地下水的貯存埋藏條件分類

(1)包氣帶水

結合水（分吸濕水、薄膜水）毛管水（分毛管懸著水與毛管上升水）重力水（分上層滯水與滲透重力水）

(2)飽水帶水

潛水承壓水（分自流溢水與非自流溢水）

2.按巖土的貯水空隙的差異分類

(1)孔隙水

(2)裂隙水

(3)巖溶水第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

二包氣帶水

1.包氣帶水的特征與包氣帶的類型

(1)包氣帶水的主要特征

包氣帶含水率和剖面分布最容易受外界條件的影響；包氣帶在空間上的變化主要體現(xiàn)在垂直剖面上的差異;

包氣帶含水率變化與巖土層本身、巖土顆粒的機械組成有關;(2)包氣帶的類型

厚型:土壤、中間和毛管帶.

薄型:厚度不到1米

過渡型:

2.包氣帶的水分交換與動態(tài)

外界水分交換和內(nèi)部水分的再分配及內(nèi)排水過程,發(fā)生在上、下界面上.第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

三、潛水

1.潛水的概念和主要特征飽水帶中自地表向下第一個具有自由水面的含水層中的重力水，稱為潛水.

潛水位(h)是指潛水面上任一點的海拔高程(m)；潛水埋深(T)是指潛水面距地表的鉛直距離(m)；含水層厚度(H)指潛水面至隔水底板的距離(m)；潛水流水力坡度:是指潛水面上任意兩點的水位差與該兩點的滲透距離之比。

潛水面上無隔水層,與大氣相通,壓強等于大氣壓強,不承受靜水壓力,潛水分布區(qū)與補給區(qū)基本一致。潛水含水層通過包氣帶與地表水及大氣圈之間存在密切聯(lián)系,因此深受外界氣象、水文因素的影響,動態(tài)變化比較大,呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

2.潛水面形狀及其表示方法

(1)潛水面的形狀:傾斜、拋物線形和水平等多種形狀;(2)潛水面表示方法:水文地質剖面圖和平面圖。

3.潛水與地表水之間的互補關系

潛水與地表水之間的這種相互補給和排泄關系，稱為水力聯(lián)系。

(1)具有周期性水力聯(lián)系;(2)具有單向的水力聯(lián)系;

(3)具有間歇性水力聯(lián)系.

四、承壓水

承壓水是指充滿于兩個穩(wěn)定隔水層之間的含水層中的地下水。

1.承壓水的主要特征

承壓性、分布區(qū)與補給區(qū)不同、動態(tài)變化相對穩(wěn)定、水質類型多樣。

第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

2.承壓水的形成

主要取決于地質構造條件,最適宜的是向斜構造和單斜構造.

3.承壓水等水壓線

某一含水層中承壓水位相等的各點的連線。

五、空隙水

1.孔隙水

埋藏于松散巖土孔隙中的重力水。透水性、給水性的變化小，運動呈層流狀態(tài)。

2.裂隙水

存在于巖石裂隙中的地下水。埋藏與分布極不均勻，動力性質比較復雜，基巖裂隙的發(fā)育具有明顯的分帶性。

3.巖溶水

在溶隙中貯存、運動的地下水稱.分布不均勻,徑流動態(tài)不穩(wěn)定.地表與地下徑流及無壓流與有壓流相互轉化。第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一§5.3地下水的補給與排泄地下水的補給來源地下水徑流地下水排泄第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

一地下水的補給來源

1.降水入滲補給

2.地表水入滲補給

3.地下水的人工補給

二地下水徑流

1.地下水徑流方向與徑流強度

方向呈平面式、放射式、縱向或橫向運動;強度即地下水的流動速度,與透水性、水力坡度成正比,承壓水還與蓄水構造的開啟與封閉程度有關。

2.地下水徑流類型

(1)暢流型;(2)匯流型;(3)散流型;(4)緩流型;(5)滯流型.

三地下水的排泄

1.泉排泄

2.蒸發(fā)排泄

3.泄流排泄第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一§5.4地下水運動結合水運動毛管水運動重力水運動第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

地下水在巖土空隙中的運動現(xiàn)象統(tǒng)稱為“滲流”.分飽和滲流和非飽和滲流.前者指飽水帶的潛水和承壓水在重力作用下運動;后者是指包氣帶中的毛管水和結合水在毛管力和骨架吸引力的控制運動,兩種滲流的運動規(guī)律不同.

一、結合水運動

1.結合水運動基本規(guī)律

結合水又分為強結合水(吸濕水)和薄膜水(弱結合水)兩種.其中強結合水不能流動,所以結合水運動指的是屬于弱結合水的薄膜水運動。

2.結合水運動與越流滲透(5-14式)

二、毛管水運動

1.毛管力及毛管上升高度(5-17式)

使液體在管內(nèi)上升的濕潤力就是毛管力。

2.包氣帶中毛管水的運動第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

三、重力水運動

1.重力水運動的基本形式

線狀流(一維流):又稱，地下水在滲流場中任意點的速度變化只與空間坐標的一個方向有關。

平面流(二維流):其特點是地下水在滲流場中任意點的速度變化與空間坐標上的兩個方向有關。

立體流(三維流):流動在空間3個方向上都發(fā)生變化。

2.線性滲透定律

線性滲透定律是描述重力水滲流現(xiàn)象的基本方程。最早是由法國水力學家達西通過均質砂粒的滲流實驗得出的。試驗發(fā)現(xiàn)滲透流量Q與水位差(h1-h2)成正比，其數(shù)學表達式為：

3.滲透系數(shù)（k）

當水力坡度I=1時，則V=k，即滲透系數(shù)在數(shù)值上等于滲流速度,表征含水介質透水性能的重要參數(shù).

第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

4.非線性滲透定律達西定律雖然重要，但適用于層流狀態(tài)的水流，而且要求流速比較小,(常用雷諾數(shù)Re＜10表示).Q=kmAI1/m，

或

V=kmI1/m

(5－35)

5.線性滲透定律在地下水計算中的應用

(1)潛水完整井穩(wěn)定運動時涌水量的計算

(2)承壓水完整井穩(wěn)定運動涌水量計算第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一§5.5地下水動態(tài)與平衡影響地下水動態(tài)的因素地下水動態(tài)地下水平衡第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一一、影響地下水動態(tài)的因素1.自然因素

(1)氣象氣候因素

(2)水文因素

(3)地質地貌因素

(4)生物與土壤因素2.人為因素二、地下水動態(tài)1.地下水動態(tài)的地區(qū)特征

(1)地下水動態(tài)的地區(qū)特征

(2)地下水動態(tài)的垂直分異第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2.地下水動態(tài)的多年特征P260圖5-383.地下水動態(tài)類型

(1)滲入——蒸發(fā)型

(2)滲入——徑流型

(3)過渡型第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一三、地下水平衡(Pg+R1+E1+Q1)-(R2+E2+Q2)=ΔW

(5-47)1.潛水水量平衡方程(Pg+R1+E1+Q1+Qn)-(R2+E2+Q2)=μΔH

(5－49)

2.承壓水水量平衡方程3.地表水與地下水的轉化與平衡ΔPg=ΔRs-ΔEg

(5－58)第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一§6地下水的結構與運動人類活動的水文效應人類活動對水體水質的影響第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一§6.1人類活動的水文效應水利工程、農(nóng)業(yè)措施對水文要素的影響森林水文效應城市水文效應人類活動水文效應的研究方法第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一一、水利工程、農(nóng)業(yè)措施對水文要素的影響（一）水庫水文影響1.概念：狹義：研究水庫與水文要素及變化過程之間的相互影響。廣義：研究水庫與其周圍的自然環(huán)境的相互作用、相互影響的問題。2.作用：（1）可改變流域原有的水循環(huán)系統(tǒng)（2）可改變局部的氣候類型（3）水庫壩上游水位的抬高，同時也抬高了上游地區(qū)的地下水位，增加了水庫臨近地區(qū)的地下水補給量第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一（二）跨流域調水水文效應1、概念：為了改變水的地區(qū)分布，將濕潤地區(qū)的部分水量調到較干旱缺水的地區(qū),以滿足生產(chǎn)和生活的需要。2、跨流域調水對環(huán)境影響的過程：調水改變原有的水文情勢自然環(huán)境的變化社會經(jīng)濟的變化（三）小型農(nóng)田水利措施水文效應主要包括：灌溉、排水措施、山區(qū)梯田谷坊措施、平原與區(qū)的控制措施等（四）農(nóng)業(yè)措施的水文效應第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一二、森林水文效應概念：是指森林覆蓋對徑流、蒸發(fā)、降水等水循環(huán)要素，及河流水情、地下水、水質泥沙等水文現(xiàn)象的影響。（一）森林的攔洪作用（二）森林對流域蒸散發(fā)的影響（三）森林對降水的影響（四）森林對地下水的影響（五）濫伐森林的后果三、城市水文效應概念：指城市化所及地區(qū)內(nèi)，水文過程的變化及其對城市環(huán)境的影響。第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一（一）城市化對水文過程的影響（二）城市水資源危機（三）城市化對水質的影響四、人類活動水文效應的研究方法（一）水量平衡法（二）對比分析法（三）流域水文模擬法第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一§6.2人類活動的水文效應影響水體活動水質的物質的影響天然水體水質惡化特點水體的自凈能力水環(huán)境容量第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一一、影響水體水質的物質來源1、大氣降水2、農(nóng)田排水3、城市生活污水4、工業(yè)廢水5、工業(yè)廢渣和城市垃圾淋溶水二、天然水體水質惡化特點（一）海洋水體水質惡化特點1、污染源多而復雜2、污染物持續(xù)性強，危害性大3、污染范圍大第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一（二）河流水體水質惡化特點1、河流水質惡化程度隨流量的大小而變化河流的污徑比的大小反映河流的水質惡化程度；

2、河流水質惡化影響范圍廣河水不斷流動，搬運污染物質的能力強，故上游遭受污染，很快就影響到下游；

3、河流水質惡化影響大；

4、河流自凈能力強，水質惡化易于控制。（三）湖泊（水庫）水質惡化特點1、湖泊、水庫污染來源廣、途徑多，種類復雜

2、湖水稀釋和搬運污染物質的能力弱

3、湖泊對污染物質的生物降解、累積和轉化能力強（四）地下水水質惡化特點1.地下水水質惡化過程緩慢

2.地下水的間接惡化方式

3.地下水污染物濃度高

4.地下水污染難治理第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一三、水體的自凈能力（一）水體惡化與自凈關系1.水質惡化過程2.水替凈化過程P圖6—5（二）水體的自凈過程概念：廣義：指受污染的水體，經(jīng)過水中物理、化學與生物作用，使污染物濃度降低，并恢復到污染前的水平。狹義：指水體中的微生物氧化分解有機物而使得水體得以凈化的過程。

1.水體自凈過程的