地下水水文学ppt课件.ppt

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1、地下水水文学Groundwater各国饮用水中地下水的比例各国饮用水中地下水的比例美国美国 50%欧洲欧洲 65%墨西哥墨西哥 75%中国中国 70%丹麦丹麦 100%荷兰荷兰 59%西班牙西班牙 24%日本日本 22%相对于其它水源，地下水有许多优点相对于其它水源，地下水有许多优点1.地下水在形成的过程中，地下水在形成的过程中，受到包气带和含水受到包气带和含水层的过滤、净化，水质一般较好。层的过滤、净化，水质一般较好。2.地下水的水温受气温的影响很小，年内变化地下水的水温受气温的影响很小，年内变化幅度小。幅度小。3.地下水的供水工程投资少，见效快，易于分地下水的供水工程投资少，见效快，易于分

2、散供水和就地利用。散供水和就地利用。4.含有特殊矿物的地下水有很好的医疗性能。含有特殊矿物的地下水有很好的医疗性能。5.地下水赋存在地下水赋存在“地下水库地下水库”中，具有多年调中，具有多年调节性，可保障枯水季节和枯水年份的供水。节性，可保障枯水季节和枯水年份的供水。地下水储存地下水储存地下水定义：地下水定义：埋埋藏藏于于土土壤壤岩岩石石（岩岩土土）的的孔孔隙隙、裂裂隙隙和和溶溶隙隙（统统称称空空隙隙）中中各各种种不不同同形形态态的的水水，统称为地下水。统称为地下水。储存地下水的空隙岩土称为多孔介质。储存地下水的空隙岩土称为多孔介质。1 1岩土中的空隙岩土中的空隙空隙分为三大类：空隙分为三大类

3、：松散岩土中的孔隙松散岩土中的孔隙 坚硬岩石中的裂隙坚硬岩石中的裂隙 可溶性岩石中的溶隙可溶性岩石中的溶隙为为地地下下水水的的储储存存场场所所和和运运移移通通道道，因因此此空空隙隙的的大大小小、多多少少、联联通通状状况况和和分分布布规规律律，对对地地下下水水的的分分布布和和运运动有着重要影响。动有着重要影响。1 1 1 1）孔隙）孔隙）孔隙）孔隙式中，式中，n 岩土的孔隙度；岩土的孔隙度；V 包括孔隙在内的岩土体积；包括孔隙在内的岩土体积；VP 岩土中孔隙的体积。岩土中孔隙的体积。衡衡衡衡量量量量岩岩岩岩土土土土内内内内孔孔孔孔隙隙隙隙多多多多少少少少的的的的重重重重要要要要指指指指标是用孔隙

4、度表示：标是用孔隙度表示：标是用孔隙度表示：标是用孔隙度表示：V Va aV Vw wV Vs sVMaMwMsM土壤三相图土壤三相图V VP P松松散散岩岩土土是是大大小小不不等等的的碎碎屑屑颗颗粒粒组组成成的的。在在颗颗粒粒或或颗粒集合体之间普遍存在着孔状空隙，称为孔隙。颗粒集合体之间普遍存在着孔状空隙，称为孔隙。岩土名称岩土名称岩土名称岩土名称孔隙度（）孔隙度（）孔隙度（）孔隙度（）粘土粘土4555粉土粉土4050中、粗粒混合砂中、粗粒混合砂3540均匀砂均匀砂3040细细、中粒混合砂、中粒混合砂3035砾砾石石3040砾砾石与砂石与砂2035页页岩岩110常见岩土的孔隙度常见岩土的孔隙

5、度常见岩土的孔隙度常见岩土的孔隙度2 2 2 2）裂隙）裂隙）裂隙）裂隙 主主要要存存在在固固结结的的坚坚硬硬岩岩石石中中。固固结结的的坚坚硬硬的的岩岩石石，一一般般不不存存在在或或只只保保留留一一部部分分颗颗粒粒间间的的空空隙隙，而而发发育育各各种种成成因因形形成成的的裂裂缝缝状状空空隙，称为裂隙。隙，称为裂隙。裂隙按其成因可分为三种类型：裂隙按其成因可分为三种类型：风化裂隙风化裂隙 成岩裂隙成岩裂隙 构造裂隙构造裂隙 衡衡量量裂裂隙隙的的体体积积多多少少的的指指标标以以裂裂裂裂隙隙隙隙率率率率n nf f表表示示，即即 式中，式中，Vf 岩石中裂隙的体积；岩石中裂隙的体积；V 岩石总体积（

6、包括裂隙在内）。岩石总体积（包括裂隙在内）。可可溶溶性性岩岩石石（如如岩岩盐盐、石石膏膏、石石灰灰岩岩等等）在在地地表表水水和和地地下下水水长长期期溶溶蚀蚀下下会会形形成成空空洞洞，这这种种空空隙隙称称为溶隙为溶隙(穴穴)。衡量溶隙多少的定量指标称。衡量溶隙多少的定量指标称岩溶率岩溶率KK式中，式中，VK 岩石中溶隙的体积；岩石中溶隙的体积；V 岩石总体积（包括溶隙在内）。岩石总体积（包括溶隙在内）。溶溶隙隙与与裂裂隙隙比比较较，发发育育的的规规模模十十分分悬悬殊殊，具具有有很大的不均匀性和空间上的差异性。很大的不均匀性和空间上的差异性。3 3 3 3）溶隙）溶隙）溶隙）溶隙2.岩土中的水的存

7、在形式岩土中的水的存在形式 岩岩土土空空隙隙中中的的水水按按其其物物理理性性质质不不同同，形形态态可可分为：分为：液态水液态水 气态水气态水 固态水。固态水。是是地地下下水水重重点点研研究究的的对对象。象。地地下下水水泛泛指指存存在在于于地地表表面面以以下下岩岩土土空空隙隙中中的的水体。存在于空隙中水有各种形态。水体。存在于空隙中水有各种形态。1 1）液态水）液态水 根根据据水水分分子子受受力力状状况况又又可可分分为为结结合合水水、重重力力水和毛细水。水和毛细水。结结合合水水又又可可分分为为强强结结合合水水（吸吸湿湿水水）和和弱弱结结合水（薄膜水）：合水（薄膜水）：吸湿水吸湿水（强结合水（强结

8、合水/吸着水）吸着水）指指由由分分子子引引力力和和静静电电引引力力将将水水分分子子吸吸附附在在土土壤壤颗颗粒粒表表面面的的那那一一部部分分水水，故故土土壤壤颗颗粒粒表表面面能能吸吸附大气中的水分子，则称这部分水为吸湿水。附大气中的水分子，则称这部分水为吸湿水。指指土土粒粒表表面面吸吸湿湿水水达达到到最最大大量量后后，土土颗颗粒粒剩剩余余的的分分子子力力和和静静电电力力还还能能吸吸附附水水分分，在在吸吸湿湿水水外外层形成的膜状液态水。层形成的膜状液态水。薄膜水薄膜水（弱结合水）（弱结合水）土壤土壤颗粒颗粒土土 壤壤颗颗 粒粒吸湿水吸湿水吸湿水吸湿水薄膜水薄膜水薄膜水薄膜水薄膜水的特点：薄膜水的特

9、点：薄膜水的特点：薄膜水的特点：薄薄膜膜水水主主要要受受分分子子引引力力和和静静电电引引力力作作用用（为为316.25大大气气压压），与与液液态态水水的的性性质质基基本本相相似似，在在引引力力作作用用下下能能以以湿湿润润的的方方式式，从从水水膜膜厚厚处处向向水水膜膜薄薄处处缓缓慢慢移移动动，即即从从土土壤壤湿湿润润的的地地方方向向干干燥燥的的地方运移，属于非饱和土壤水运动研究的范畴。地方运移，属于非饱和土壤水运动研究的范畴。当当薄薄膜膜水水达达到到最最大大厚厚度度时时的的土土壤壤含含水水量量成成为为最最大大薄薄膜膜水水含含水水量量。多多余余的的水水分分子子在在重重力力和和毛毛细细管力作用下运动

10、。管力作用下运动。指土壤中主要受重力作用影响下运动的水分。指土壤中主要受重力作用影响下运动的水分。既受重力作用又受毛管力作用；既受重力作用又受毛管力作用；受重力作用而下渗，受毛管力作用而保持在受重力作用而下渗，受毛管力作用而保持在 孔隙中；孔隙中；可传递静水压力；可传递静水压力；可被植物吸收利用。可被植物吸收利用。根根据据受受力力不不同同，重重力力水水通通常常分分为为毛毛管管水水和和重重力水力水。重力水重力水重力水重力水重力水的特点：重力水的特点：重力水的特点：重力水的特点：毛管水按其是否与地下水潜水面有联系又分为：毛管水按其是否与地下水潜水面有联系又分为：毛管水毛管水毛管水毛管水/毛细水毛细

11、水毛细水毛细水(Capillary water)(Capillary water)：指指依依靠靠土土壤壤中中毛毛细细管管（一一般般指指d1mm的的空空隙隙称称毛毛细细管管）的的吸吸引引力力（毛毛管管力力）而而被被保保持持在在土土壤壤孔孔隙隙中中的的水水分分。所所受受的的吸吸力力为为6.250.08大大气压。气压。毛管上升水毛管上升水/毛管支持水毛管支持水 毛管悬着水毛管悬着水 在在地地下下水水面面以以上上，毛毛管管水水影影响响到到的的范范围围内内称称作作支支持持毛毛管管带带或或毛毛管管水水活活动动层层，毛毛管管水水高高度度随随土土壤壤性性质质不不同同而而不同。不同。毛管上升水毛管上升水毛管上升

12、水毛管上升水/毛管支持水毛管支持水毛管支持水毛管支持水 从从地地下下水水面面上上升升由由毛毛管管力力吸吸附附而而存存于于土土壤壤毛毛细孔隙中的水，故其与地下水有水力联系。细孔隙中的水，故其与地下水有水力联系。毛细管毛细管毛细管毛细管悬着水悬着水悬着水悬着水支持支持支持支持毛管带毛管带毛管带毛管带地下水地下水地下水地下水包包包包气气气气带带带带地地地地 表表表表岩土名称岩土名称颗粒尺度颗粒尺度（mm）毛细管上升高度毛细管上升高度（cm）细砂砾岩细砂砾岩252.5极粗砂极粗砂120.65粗砂粗砂0.5113.5中砂中砂0.20.524.6细砂细砂0.10.242.6淤泥淤泥0.050.1105.5

13、松散岩土毛细管上升高度松散岩土毛细管上升高度 由由降降水水或或灌灌溉溉水水下下渗渗，由由毛毛细细管管引引力力作作用用而而保保持持在在土土壤壤上上层层空空隙隙中中的的水水，其其与与地地下下水水没没有有水水力联系，呈现力联系，呈现“挂悬挂悬”状态，故称毛细管悬着水。状态，故称毛细管悬着水。毛管悬着水：毛管悬着水：毛管悬着水：毛管悬着水：可可见见，毛毛细细水水在在地地下下水水与与大大气气水水、地地表表水水相相互互转转化化过过程程中中起起着着重重要要的的作作用和影响。用和影响。毛细管毛细管毛细管毛细管悬着水悬着水悬着水悬着水支持支持支持支持毛管带毛管带毛管带毛管带地下水地下水地下水地下水包包包包气气气

14、气带带带带地地地地 表表表表 重力水：重力水：重力水：重力水：是是受受重重力力作作用用而而能能自自由由运运动动的的那那一一部部分分水水，具具有有一一般般液液态态水水性性质质，如如可可以以在在重重力力作作用用下下产产生生水水流流运运动动，能能传传递递压压力力等等，因因此此，重重力力水水不不易易保保持持在在土土壤壤上上层层，是是形形成成地地下下水水的重要来源。的重要来源。2 2 2 2）气态水）气态水）气态水）气态水 气气态态水水指指以以水水蒸蒸气气状状态态存存在在于于非非饱饱和和含含水水岩岩土土空空隙隙中中的的水水。气气态态水水在在一一定定条条件件下下可可与与液液态态水水相相互互转转化化，两两者

15、者之之间间保保持持动动平平衡衡。当当岩岩土土空空隙隙内内水水汽汽达达饱饱和和时时，或或温温度度降降至至露露点点时时，气气态态水水即即开开始始凝凝结结形形成成液液态态水水。气气态态水水对对岩岩土土中中水水的的重重新新分布有一定影响。分布有一定影响。3 3 3 3）固态水）固态水）固态水）固态水 当当岩岩土土温温度度低低于于0oC时时，岩岩土土空空隙隙中中的的液液态态即即凝凝结结为为固固态态水水，此此时时储储存存地地下下水水的的岩岩土土称称为为冻冻土。土。3 3 3 3与水分储存运移有关的岩土性质与水分储存运移有关的岩土性质与水分储存运移有关的岩土性质与水分储存运移有关的岩土性质 岩岩土土空空隙隙

16、的的大大小小和和多多少少等等有有关关的的岩岩土土性性质质与与水分的存在形式及储存和运移性能密切相关。水分的存在形式及储存和运移性能密切相关。1 1 1 1）容水性）容水性）容水性）容水性 岩岩土土能能容容纳纳一一定定水水量量的的性性能能称称为为容容水水性性，常常用用含含水水率率这这一一指指标标表表示示容容水水状状况况，含含水水率率有有二种表示方法二种表示方法:体积含水率体积含水率 重量含水率重量含水率 土壤重量含水率土壤重量含水率土壤重量含水率土壤重量含水率WW（Weight ratioWeight ratio）：）：）：）：式中，式中，Mw土壤中水的重量土壤中水的重量,g；Ms 土壤中干土重

17、量土壤中干土重量,g；M 土壤的湿重，土壤的湿重，M=Ms+MwVaVwVsVMMa aMMw wMMs sM土壤三相图土壤三相图式中式中:Vw土壤中水的容积土壤中水的容积，cm3；V 土样总体积土样总体积，cm3；与与W 的转换：的转换：其中：其中：rw=1为水的密度，为水的密度，r0 0为土壤干为土壤干容重。容重。土壤容积含水率土壤容积含水率土壤容积含水率土壤容积含水率 （Volumetric ratioVolumetric ratio）V Va aV Vw wV Vs sVMaMwMsM土壤三相图土壤三相图 用用来来度度量量岩岩土土最最大大容容水水性性的的指指标标，即即指指岩岩土土完完全

18、全饱饱水水时时所所容容纳纳的的最最大大水水体体积积与与岩岩土土总总体体积积之之比比。实实际际上上，这这时时的的岩岩土土空空隙隙已已全全部部充充满满水水体体，这这时时的的含含水水率率即即称称为为饱饱饱饱和和和和含含含含水水水水率率率率 s s 。因因此此，容容水水度度在在数数值值上上一一般般与与孔孔隙隙度度（裂隙率、岩溶率）相等。（裂隙率、岩溶率）相等。容水度：容水度：容水度：容水度：饱和度：饱和度：饱和度：饱和度：指指含含水水体体积积与与岩岩土土空空隙隙体体积积之之比比VW/VP，当当含水率达到饱和时，其饱和度应为含水率达到饱和时，其饱和度应为1；此此外外，表表征征岩岩土土容容水水状状况况的的

19、水水分分指指标标，还还有有饱和度饱和度和和饱和差饱和差这二个指标。这二个指标。2 2 2 2）持水性）持水性）持水性）持水性 含含水水岩岩土土在在重重力力作作用用下下释释水水后后，由由于于固固体体颗颗粒粒表表面面的的吸吸附附力力和和毛毛管管力力的的作作用用，使使岩岩土土空空隙隙中能保持一定水量的性能，称为持水性。中能保持一定水量的性能，称为持水性。度度量量持持水水性性的的指指标标为为持持水水度度，即即指指饱饱水水岩岩土土在在重重力力作作用用下下，经经过过23天天释释水水后后，岩岩土土空空隙隙中中尚尚能能保保持持的的水水体体积积与与岩岩土土总总体体积积之之比比，这这时时的的岩岩土含水率也称为土含

20、水率也称为田间持水率田间持水率。田间持水量田间持水量田间持水量田间持水量 fcfc （Field CapacityField Capacity）:指指土土壤壤中中所所能能保保持持的的毛毛细细管管悬悬着着水水的的最最大大量量。当当土土壤壤含含水水量量超超过过田田间间持持水水量量时时，超超过过的的部部分分不不能能为为毛毛细细管管力力所所维维持持，则则成成为为自自由由重重力力水。水。田田间间持持水水量量是是土土壤壤水水分分运运动动性性发发生生明明显显变变化化的的重重要要标标志志，是是划划分分土土壤壤持持持持水水水水或或或或下下下下渗渗渗渗的的重重要要参参数数，对对水水文文学学及及在在农农业业生生产产

21、上上都都具具重重要要意意义义。水文学中水文学中田间持水量常田间持水量常以以符号符号 fcfc 表示表示。3 3 3 3）给水性）给水性）给水性）给水性 含含水水岩岩土土在在重重力力作作用用下下能能自自由由释释出出一一定定水水量量的的性能，称为给水性。性能，称为给水性。度度量量绐绐水水性性指指标标为为给给给给水水水水度度度度 ，系系指指饱饱水水岩岩土土在在重重力力作作用用下下所所释释出出的的水水体体积积与与岩岩土土总总体体积积之之比比，在在数数值值上上它它等等于于容容水水度度减减去去持持水水度度，也也即即岩岩土土的的饱饱和和含水率含水率 s与田间持水率与田间持水率 fc之差：之差：给水度给水度

22、=s-fc。给给水水度度是是对对于于潜潜水水运运移移起起到到重重要要的的作作用用的的一一个个参数。参数。给水度给水度给水度给水度 在地下水动力学中的定义：在地下水动力学中的定义：在地下水动力学中的定义：在地下水动力学中的定义：是是指指单单位位面面积积的的潜潜水水含含水水层层柱柱体体中中，当当潜潜水水位下降一个单位时，所排出的重力水体积。位下降一个单位时，所排出的重力水体积。4 4）储水性）储水性 首首先先要要弄弄清清“弹弹弹弹性性性性释释释释放放放放”和和“弹弹弹弹性性性性储储储储存存存存”概概念。念。土土壤壤是是由由空空隙隙和和骨骨架架组组成成的的，属属于于弹弹性性塑塑性性体体。水水也也属属

23、于于弹弹性性塑塑性性体体。若若从从潜潜水水含含水水层层中中抽抽水水，导导致致地地下下水水面面下下降降，被被抽抽的的水水量量是来自潜水含水层疏干的水量是来自潜水含水层疏干的水量 h。h h被抽的水量被抽的水量 h 但但若若从从承承压压含含水水层层中中抽抽水水，导导致致压压力力水水头头面面下下降降，但但承承压压含含水水层层未未被被疏疏干干，被被抽抽的的水水量量是是来来自自含含水水层层的的弹弹性性释释放放。如如果果发发生生相相反反的的过过程程，岩岩土土体体又又能储存部分的水，称能储存部分的水，称弹性储存弹性储存，统称为，统称为储水性储水性。隔水层隔水层承压含水层承压含水层 h h基基 岩岩 注注意意

24、：上上述述过过程程中中，含含水水层层空空隙隙都都充充满满了了水水，那么水从哪里释放出来的或贮存在哪里？那么水从哪里释放出来的或贮存在哪里？当当承承压压含含水水层层上上复复附附加加压压力力 时时，与与之之保保持持平平衡的是：衡的是：含水层骨架对它的反作用力含水层骨架对它的反作用力；承压水作用在隔水顶板上的水压力承压水作用在隔水顶板上的水压力P。当当抽抽水水后后，承承压压水水头头下下降降了了 H，即即承承压压水水压压力降低了力降低了r H，则会发生如下的反应：，则会发生如下的反应：H P P 隔水顶板隔水顶板承压含水层承压含水层（1 1 1 1）空隙度发生变化）空隙度发生变化）空隙度发生变化）空隙

25、度发生变化 由由于于上上复复的的荷荷载载没没有有变变化化，则则原原来来由由水水压压力力承承担担的的负负荷荷r H转转移移到到由由含含水水层层的的骨骨架架来来承承担担，即即作作用用在在骨骨架架的的力力相相应应增增加加了了r H。从从而而导导致致骨骨架压缩变形造成孔隙度减少，一部分水被挤出。架压缩变形造成孔隙度减少，一部分水被挤出。（2 2 2 2）水发生弹性膨胀）水发生弹性膨胀）水发生弹性膨胀）水发生弹性膨胀 由由于于水水压压力力减减少少，作作为为弹弹塑塑性性体体的的水水体体积积会会相应膨胀增大，多余的水则会释放出来。相应膨胀增大，多余的水则会释放出来。这二部分共同释放出的水称为这二部分共同释放

26、出的水称为弹性释放弹性释放弹性释放弹性释放。5 5）透水性）透水性 度度量量岩岩土土透透水水性性的的指指标标是是渗渗透透系系数数。渗渗透透系系数数愈愈大大，表表明明岩岩土土的的透透水水性性愈愈强强；反反之之，则则愈愈弱。弱。（后述）（后述）岩土允许水体透过本身的性能称为透水性。岩土允许水体透过本身的性能称为透水性。岩岩土土的的透透水水性性主主要要取取决决于于岩岩土土空空隙隙的的大大小小、形状、数量及联通性。形状、数量及联通性。1 1）含水层：）含水层：是是指指能能够够透透过过并并给给出出相相当当数数量量水水的的岩岩层层。故符合含水层定义的有二个条件：故符合含水层定义的有二个条件：储存有水；储存

27、有水；水可以在其中运移。水可以在其中运移。2 2）隔水层（不透水层）：）隔水层（不透水层）：可可以以储储存存有有水水但但是是不不能能透透过过和和给给出出水水，或或透过和给出水的数量很小的岩层。透过和给出水的数量很小的岩层。4 4 4 4含水层及隔水层含水层及隔水层含水层及隔水层含水层及隔水层 划划分分含含水水层层和和隔隔水水层层的的标标志志并并不不在在于于岩岩层是否含水，关健在于所含水的运动性质。层是否含水，关健在于所含水的运动性质。含含水水层层和和隔隔水水层层的的划划分分又又是是相相对对的的，并并不不存存在在截截然然的的界界限限。含含水水层层和和隔隔水水层层在在一一定定条件下还可以相互转化。

28、条件下还可以相互转化。对对于于这这类类兼兼具具隔隔水水和和透透水水性性能能的的岩岩层层，一般就称为半含水半隔水层。一般就称为半含水半隔水层。不同埋藏条件下的地下水不同埋藏条件下的地下水 埋埋藏藏条条件件是是指指含含水水层层在在地地质质剖剖面面中中所所处处的的部部位位及及所所受受隔隔水水层层限限制制的的情情况况。根根据据埋埋藏藏条条件件地地下下水分为三种类型：水分为三种类型：1.包气带水包气带水(含上层滞水含上层滞水)2.潜水潜水 3.承压水承压水潜水含水层潜水含水层承压含水层承压含水层包包包包气气气气带带带带水水水水：泛泛指指贮贮存存在在包包气气带带中中的的水水，包包括括通通称称为为土土壤壤水

29、水的的吸吸着着水水、薄薄膜膜水水、毛毛细细水水，气气态态水水和和过过路路的的重重力力渗渗入入水水，以以及及上上层层滞滞水水（由由特特定条件所形成的属于重力水状态的）。定条件所形成的属于重力水状态的）。1 1 1 1包气带水包气带水包气带水包气带水(含上层滞水含上层滞水含上层滞水含上层滞水)包包包包气气气气带带带带：指指地地表表以以下下地地下下水水面面以以上上的的岩岩土土层层，其其空空隙隙未未被被水水分分所所充充满满，包包含含着着部部分分空空气气的的土土层即称为包气带或非饱和带。层即称为包气带或非饱和带。饱饱饱饱 和和和和 带带带带地下水潜水面地下水潜水面地下水潜水面地下水潜水面 上上层层滞滞水

30、水指指在在包包气气带带中中存存在在局局部部隔隔水水层层时时，其其上上部部可可积积聚聚具具有有自自由由水水面面的的重重力力水水，称称之之为为上上层滞水。层滞水。上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水包气带包气带包气带包气带（非饱和带）（非饱和带）（非饱和带）（非饱和带）2 2 2 2、潜水（、潜水（、潜水（、潜水（Phreatic waterPhreatic water）潜潜水水是是指指埋埋存存于于地地表表以以下下，第第一一个个连连续续稳稳定定的的隔隔水水层层以以上上具具有有自自由由水水面面的的重重力力水水。它它主主要要的的补给来源是降水和地表水的渗入。补给来源是降水和地表水的渗入。第一个隔水层第一个

31、隔水层第一个隔水层第一个隔水层h h0 00 0D Dh h1 1L L基准面基准面基准面基准面有关潜水的几个专有名词有关潜水的几个专有名词:潜水面：潜水面：潜水面：潜水面：潜水的自由水面；潜水的自由水面；水水水水力力力力梯梯梯梯度度度度：任任意意二二点点水水位位差差与与该该二二点点的的水水平平距距离比值。离比值。J=(h-h1)/L埋深：埋深：埋深：埋深：潜水面与地面之间的距离；潜水面与地面之间的距离；潜潜潜潜水水水水位位位位：潜潜水水面面上上的的任任一一点点高高程程，与与基基准准面面的的相对高度；相对高度；1 1）它它具具有有自自由由水水面面（潜潜水水面面）通通过过包包气气带带与与大大气气

32、相相通通，因因此此潜潜水水可可以以直直接接受受到到降降水水和和地地表表水水的的补补给给（入渗补给入渗补给 ），），另一方面也可以另一方面也可以 通过蒸发、植物通过蒸发、植物 散发方式从包气散发方式从包气 带垂向向大气排带垂向向大气排 泄泄 (垂向交替垂向交替)。潜水的特点：潜水的特点：潜水的特点：潜水的特点：潜水示意图潜水示意图 2 2）潜潜水水大大致致沿沿潜潜水水位位较较高高处处向向水水位位较较低低处处流流动动，由由于于地地形形切切割割或或岩岩性性变变化化，潜潜水水流流可可以以泉泉的的形形式式集集中排泄于地中排泄于地表，或者直接泄表，或者直接泄流进入河流、湖流进入河流、湖或海中（称为径或海中

33、（称为径向排泄或水平交向排泄或水平交换）。换）。潜水示意图潜水示意图 承承压压水水是是充充满满于于上上下下两两个个隔隔水水层层之之间间含含水水层层中中的的地地下下水水，它它承承受受一一定定的的压压力力，当当钻钻孔孔打打穿穿上上覆隔水层时，水能从钻孔内上升到一定的高度。覆隔水层时，水能从钻孔内上升到一定的高度。3 3 3 3、承压水、承压水、承压水、承压水（Confined/artesian ground waterConfined/artesian ground water）下隔水层下隔水层上隔水层上隔水层承压水承压水承压水承压水承压水头线承压水头线承压水头线承压水头线a.a.补补补补给给给给

34、区区区区：补补给给区区的的上上部部没没有有隔隔水水层层，该该区区地地下下水水具具有有自自由由水水面面，实实际际上上与与潜潜水水没没有有区区别别，该区可以直接接受降水及地表水的补给。该区可以直接接受降水及地表水的补给。承压水的特点：承压水的特点：承压水的特点：承压水的特点：具具有有承承压压性性质质，含含水水层层可可明明显显地地分分为为补补给给区区、承压区及排泄区三个部分。承压区及排泄区三个部分。b.b.b.b.承承承承压压压压区区区区：系系指指上上下下均均有有隔隔水水层层被被水水充充满满的的含含水层。其主要特征是：水层。其主要特征是：承受静水压力具有压力水头；承受静水压力具有压力水头；由由于于承

35、承压压区区与与补补给给区区在在地地域域上上不不一一致致，故故其其性性质质受受当当地地气气象象水水文文因因素素影影响响较较小小，参参与与水水文文循循环环远远不不如如潜潜水水积积极极，水水流流动动态态较较为为稳稳定定，一一旦过量开采不易补充恢复。旦过量开采不易补充恢复。c.c.排排排排泄泄泄泄区区区区：系系指指承承压压水水流流出出地地表表或或流流向向潜潜水水的的地地段段。承承压压水水常常以以地地表表水水、潜潜水水、泉泉水水的的形形式式排出。排出。承受静水压力具有压力水头；承受静水压力具有压力水头；承压水含水层的补给与排泄示意图承压水含水层的补给与排泄示意图基准面基准面基准面基准面承压水位承压水位承

36、压水位承压水位00A A点的压力水头点的压力水头点的压力水头点的压力水头A A补给区补给区补给区补给区承压区承压区承压区承压区排泄区排泄区排泄区排泄区 地下水运动地下水运动1 1渗流的概念渗流的概念 地地下下水水运运动动一一般般是是指指地地下下水水受受重重力力、毛毛细细力力、分分子子吸吸力力等等综综合合作作用用下下，在在多多孔孔介介质质空空隙隙中中的的渗渗透流动。透流动。地地下下水水的的运运动动状状态态可可区区分分为为层层流流和和紊紊流流两两种种流态。流态。层层层层流流流流：运运动动过过程程地地下下水水的的流流线线呈呈规规则则层层状状流流动（质点呈线状运动，彼此不相参混）。动（质点呈线状运动，

37、彼此不相参混）。紊流：紊流：紊流：紊流：流线相互混杂呈无规则的流动。流线相互混杂呈无规则的流动。式中，式中，V 地下水的渗流速度；地下水的渗流速度；d 含水层颗粒的平均粒径；含水层颗粒的平均粒径；v 地下水运动粘滞系数。地下水运动粘滞系数。地地下下水水的的流流态态可可用用无无量量纲纲的的雷雷诺诺数数来来判判别别，其表达式为：其表达式为：由由层层流流过过渡渡到到紊紊流流时时的的临临界界雷雷诺诺数数在在60150范范围围内内。地地下下水水在在绝绝大大多多数数实实际际流流动动的的雷雷诺诺数数多多数数呈呈层层流流流流态态，只只有有在在卵卵石石层层的的大大孔孔隙隙、大大裂裂隙隙、溶溶洞洞及及抽抽水水井井

38、附附近近当当水水力力梯梯度度很很陡陡时时，才才出出现现紊紊流的流态。流的流态。2.2.2.2.渗流的基本定律渗流的基本定律渗流的基本定律渗流的基本定律 达达西西定定律律是是揭揭示示水水在在多多孔孔介介质质中中渗渗流流规规律律的的实实验验规规律律。它它表表达达水水在在单单位位时时间间内内通通过过多多孔孔介介质质的的渗渗流流量量Q与与介介质质渗渗流流长长度度l成成反反比比，与与渗渗流流介介质质的的过过水水断断面面A及及上上、下下两两测测压压管管的的水水头头差差 h成成正正比比。表表达达式式为：为：1 1 1 1）达西定律）达西定律）达西定律）达西定律式中，式中，K 渗透系数。渗透系数。改写上式，得

39、改写上式，得:VKJ 式式中中，J 水水力力梯梯度度，即即渗渗透透路路径径中中单单位位长长度上的水头损失值；度上的水头损失值；V 渗透速度，渗透速度，V=Q/A。达西定律一般性表达式：达西定律一般性表达式：上上式式表表明明，水水在在多多孔孔介介质质中中的的渗渗透透速速度度与与水水力力梯梯度度的的一一次次方方成成正正比比，此此即即为为著著名名的的达达西西定定律律，也也称线性渗透定律，它是研究渗流运动的理论基础。称线性渗透定律，它是研究渗流运动的理论基础。系系假假想想的的水水流流在在整整个个过过水水断断面面A（包包括括不不过过水水的的固固相相断断面面）上上流流动动，但但实实际际上上水水流流只只能能

40、是是在在孔孔隙隙中中流流动动，因因此此，地地下下水水在在多多孔孔介介质质孔孔隙隙中中的的真正平均实际流速为：真正平均实际流速为：注意点：注意点：(1)(1)达西定律式中的渗透速度达西定律式中的渗透速度V式中，式中，n 岩土的空隙度；岩土的空隙度；A 过过水水断断面面（包包括括不不过过水水的的固固相相断断面面和和能能过过水的空隙断面）。水的空隙断面）。由于孔隙度由于孔隙度n总是小于总是小于1，所以，所以 渗透速度渗透速度渗透速度渗透速度V V 水平向的水平向的K地下水向井的运动地下水向井的运动地下水向井的运动地下水向井的运动研究地下水向井运动的目的：研究地下水向井运动的目的：研究地下水向井运动的

41、目的：研究地下水向井运动的目的：1）计算井的开采能力）计算井的开采能力Q 2）利利用用抽抽水水压压水水试试验验，求求含含水水层层有有关关参参数数，如如K，SS等。等。3）设计井的尺寸及其布局。）设计井的尺寸及其布局。水水井井是是开开采采地地下下水水最最为为常常见见的的垂垂向向集集水水建建筑物。根据揭露含水层对象不同，分为：筑物。根据揭露含水层对象不同，分为：潜水井潜水井 承压井承压井基本概念基本概念潜水井潜水井潜水井潜水井 a b c a b c 非非非非完完完完整整整整井井井井：水水井井只只打打穿穿部部分分含含水水层层，或或者者打打穿穿整整个个含含水水层层但但只只在在部部分分含含水水层层中中

42、下下了了滤滤水水管管的，则称为非完整井。的，则称为非完整井。完完完完整整整整井井井井：凡凡是是水水井井打打穿穿整整个个含含水水层层，而而且且在在整整个个含含水水层层的的厚厚度度上上都都安安置置了了滤滤水水管管的的，称称为为完整井；完整井；1 1）完整井和非完整井）完整井和非完整井e fe f承压井承压井承压井承压井2 2）降落漏斗：降落漏斗：RR水位面水位面水头面水头面SS 当当水水井井开开始始抽抽水水时时，井井中中的的水水位位迅迅速速下下降降，井井周周围围的的地地下下水水位位也也随随之之下下降降，形形成成以以井井为为轴轴心心的的同同漏漏斗斗形形状状相相似似水水位位面面（潜潜水水）或或水水头头

43、面面（承压水），称降落漏斗。（承压水），称降落漏斗。3 3）影响半径影响半径R R：井井中中心心的的水水位位下下降降值值S称称为为降降深深，随随着着抽抽水水继继续续进进行行，降降深深S加加大大，漏漏斗斗逐逐渐渐扩扩大大，到到相相当当一一段段时时间间后后，涌涌水水量量Q稳稳定定不不变变，S不不再再下下降降，漏漏斗斗范范围围亦亦不不扩扩大大，这这时时地地下下水水向向井井的的运运动动便便是是稳稳定定流流运运动动。从从井井中中心心到到漏漏斗斗边边缘缘的的距距离离R，称影响半径。称影响半径。理理论论上上，R应应为为无无穷穷大大，实实际际应应用用上上，定定义义为为从从井井的的轴轴线线到到水水位位降降深深S

44、观观测测不不到到的的位位置置的的水平距离。水平距离。R R 的影响因素：的影响因素：R的确定：的确定：1 1）由野外试验确定；）由野外试验确定；抽水量抽水量Q：Q R ；渗透系数渗透系数K：K R ;井的最大降深井的最大降深SW：SW R 承压含水层：承压含水层：承压含水层：承压含水层：2）由经验公式估算：）由经验公式估算：潜水含水层：潜水含水层：潜水含水层：潜水含水层：其中，其中，SW 井中水位降深；井中水位降深；H0 含水层厚度。含水层厚度。细沙细沙R25200m中沙中沙R100500m粗沙粗沙R4001000m不同岩性含水层的影响半径经验值：不同岩性含水层的影响半径经验值：不同岩性含水层

45、的影响半径经验值：不同岩性含水层的影响半径经验值：1 1地下水向井的稳定流运动地下水向井的稳定流运动已已知知：含含水水层层水水平平、均均质质、各各向向同同性性，含含水水层层厚厚度度为为M，渗渗透透系系数数K，起起始始水水头头为为H0，抽抽水水稳稳定定后井内的水位后井内的水位Hw，影响半径，影响半径R，井管半径为，井管半径为rw。求求：（：（1）抽水量）抽水量Q （2）承压水头线方程）承压水头线方程H(r)解解：这这是是轴轴对对称称问问题题，由由裘裘布布依依假假定定，过过水水断断面面可用垂直的圆柱代替，则可用垂直的圆柱代替，则 井的涌水方程为：井的涌水方程为：2)地下水向承压完整井的运动地下水向

46、承压完整井的运动R RHHw wS Sw wHH0 0MMQr地下水向承压完整井的运动示意图地下水向承压完整井的运动示意图00r rrHHs sr rw w对对 分分离离变变量量后后积积分分（rw R，Hw H0）得：）得：式中，式中，H0 影响半径影响半径R处的压力水头；处的压力水头；Hw、rw 抽水井内的水位和井半径。抽水井内的水位和井半径。由上式可知，已知井的降深由上式可知，已知井的降深Sw则可求到则可求到Q。Q与降深与降深Sw为一次方关系。为一次方关系。求井的抽水量求井的抽水量Q由由上上式式，已已知知Q，可可求求出出承承压压完完整整井井任任一一径径向向距距离离r与与该该处处的的压压力力

47、水水头头H（或或降降深深S）的的关关系系式式，称称为为降降落落漏斗曲面方程。漏斗曲面方程。求压力水头求压力水头H或或降深降深S与径向距离与径向距离r的关系的关系改变积分上限变量（改变积分上限变量（rw r，Hw H）得：得：由此得：由此得：承压水降落曲线方程承压水降落曲线方程已已知知：假假设设隔隔水水底底板板水水平平，含含水水层层为为均均质质、各各向向同同性性，初初始始含含水水层层厚厚度度为为H，渗渗透透系系数数K，抽抽水水稳稳定定后后井井内内的的水水位位hw，影影响响半半径径R，井井管管半半径径为为rw。求求：（1）潜水水位线方程）潜水水位线方程h(r)（2）抽水量）抽水量Q 解解：这这是是

48、轴轴对对称称问问题题，由由裘裘布布依依假假定定，过过水水断断面面可用垂直的圆柱代替，井的涌水方程为：可用垂直的圆柱代替，井的涌水方程为：2)2)地下水向潜水完整井的运动地下水向潜水完整井的运动潜水的裘布依方程为：潜水的裘布依方程为：地下水向潜水完整井的运动示意图地下水向潜水完整井的运动示意图R Rh hw wS Sw wHHQrr r1 1S S1 1h h1 1观测井观测井r rw wr rh h分离变量，对潜水的裘布依方程分离变量，对潜水的裘布依方程由由rw到到R和由和由h0到到H积分，得：积分，得：式式中中，Q 井井的的出出水水量量，m3/d；K 渗渗透透系系数数，m/d；H 含含水水层

49、层厚厚度度，m；h0 井井中中水水位位降降落落后后的的水水层层厚厚度，度，m；r0 井的半径，井的半径，m；R 影响半径，影响半径，m。由公式（由公式（A），已知，已知H，R，hw，K可求可求Q。得：得：（A）如如果果在在抽抽水水井井附附近近有有一一观观测测井井，离离开开主主井井的的距距离离为为r1，井井内内的的水水位位为为h1，对对上上式式用用分分离离变变量量法，由法，由r1到到R和由和由h1到到H积分，得：积分，得：得：得：（B）由由公公式式（B），已已知知H，R，观观测测井井距距离离r1和水位和水位h1，可求，可求Q。已知已知H，hw，rw，h1，r1，联解式，联解式(A)及式及式(B)

50、，则，则可推求出含水层的二个参数可推求出含水层的二个参数K及及R。为为了了求求得得漏漏斗斗状状水水位位曲曲线线，可可改改变变一一下下积积分分限：由限：由rw r，hw h积分，得计算公式：积分，得计算公式：潜潜水水水水位位曲曲线方程线方程讨论：讨论：1 1、潜潜水水含含水水层层的的井井抽抽水水量量的的Q与与水水位位hw或或降降深深Sw呈二次方关系，与承压水情况不同。呈二次方关系，与承压水情况不同。当当hw=0（即即降降深深Sw为为最最大大），Q为为最最大大，但但这这时时的的过过水水断断面面面面积积=0，若若要要Q 0，必必须须水水力力坡坡度度无无限限大大，这这是是不不现现实实的的。产产生生这这