地下水水文学讲稿.ppt

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1、关于地下水水文学第一页，讲稿共一百三十九页哦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%第二页，讲稿共一百三十九页哦相对于其它水源，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，受到包气带和含水层受到包气带和含水层的过滤、净化，水质一般较好。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，年内变化幅度地下水的水温受气温的影响很小，年内变化幅度小。小。3.地下水的供水工程投资少，见效快，易于分

2、散供水地下水的供水工程投资少，见效快，易于分散供水和就地利用。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，具有多年调节性，中，具有多年调节性，可保障枯水季节和枯水年份的供水。可保障枯水季节和枯水年份的供水。第三页，讲稿共一百三十九页哦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，统统称称为为地地下水。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

3、介质。第四页，讲稿共一百三十九页哦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：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动有有着着重重要要影影响。响。第五页，讲稿共一百三十九页哦第六页，讲稿共一百三十九页哦第七页，讲稿共一百三十九页哦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

4、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标标标是用孔隙度表示：是用孔隙度表示：是用孔隙度表示：是用孔隙度表示：V Va aV Vw wV Vs sVMaMwMsM土壤三相图土壤三相图VP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颗粒粒集合体之间普遍存在着孔状空隙，称为孔隙。集合体之间普遍存在着孔状空隙，称为孔隙。第八页，讲稿共一百三十九页哦岩土名称岩土名称孔隙度（）孔隙度（）粘土4555粉土4050中、粗粒混合砂3540

5、均匀砂3040细、中粒混合砂3035砾石3040砾石与砂2035页岩110常见岩土的孔隙度常见岩土的孔隙度常见岩土的孔隙度常见岩土的孔隙度第九页，讲稿共一百三十九页哦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隙，称称为为裂隙。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 构造裂隙构造裂隙第十页，讲稿共一百三十九页哦 衡量裂隙的体积多

6、少的指标以衡量裂隙的体积多少的指标以裂隙率裂隙率裂隙率裂隙率n nf f表示，即表示，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（包括裂隙在内）。岩石总体积（包括裂隙在内）。第十一页，讲稿共一百三十九页哦 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为溶溶隙隙(穴穴)。衡衡量量溶隙多少的定量指标称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

7、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，具具有有很很大大的的不不均均匀性和空间上的差异性。匀性和空间上的差异性。3 3 3 3）溶隙）溶隙）溶隙）溶隙第十二页，讲稿共一百三十九页哦2.岩土中的水的存在形式岩土中的水的存在形式 岩土空隙中的水按其物理性质不同，形态可分为：岩土空隙中的水按其物理性质不同，形态可分为：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水体体。存在于空隙中水有各种形态。存在于空隙中水有各种形态。第十三页，讲稿共一百三十九页哦1

8、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、重重力力水水和和毛细水。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）和和弱弱结结合合水（薄膜水）：水（薄膜水）：吸湿水吸湿水（强结合水（强结合水/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附大大气中的水分子，则称这部分水为吸湿水。气中的水分子，则称这部分水为吸湿水。第十四页，讲稿共一百三十九页哦 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，

9、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层形形成成的的膜状液态水。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第十五页，讲稿共一百三十九页哦薄膜水的特点：薄膜水的特点：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

10、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地方方运运移移，属于非饱和土壤水运动研究的范畴。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管力力作作用用下下运运动。动。第十六页，讲稿共一百三十九页哦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

11、力；可传递静水压力；可被植物吸收利用。可被植物吸收利用。根据受力不同，重力水通常分为根据受力不同，重力水通常分为毛管水毛管水和和重力水重力水。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：第十七页，讲稿共一百三十九页哦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

12、壤壤孔孔隙隙中中的水分。所受的吸力为的水分。所受的吸力为6.250.08大气压。大气压。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第十八页，讲稿共一百三十九页哦 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而不同。同而不同。毛管上升水毛管上升水毛管上升水毛管上升水/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细孔隙中的水，故其与地下水有水力联系。孔隙中的水，故其与地下水

13、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 表表表表第十九页，讲稿共一百三十九页哦岩土名称颗粒尺度（mm）毛细管上升高度（cm）细砂砾岩252.5极粗砂120.65粗砂0.5113.5中砂0.20.524.6细砂0.10.242.6淤泥0.050.1105.5松散岩土毛细管上升高度松散岩土毛细管上升高度第二十页，讲稿共一百三十九页哦 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

14、有水水力力联联系系，呈呈现现“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用和和影影响。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气带带带带地地地地 表表表表第二十一页，讲稿共一百三十九页哦 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

15、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保持在土壤上层，是形成地下水的重要来源。易保持在土壤上层，是形成地下水的重要来源。第二十二页，讲稿共一百三十九页哦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

16、开开始始凝凝结结形形成成液液态态水。气态水对岩土中水的重新分布有一定影响。水。气态水对岩土中水的重新分布有一定影响。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为固态水，此时储存地下水的岩土称为冻土。结为固态水，此时储存地下水的岩土称为冻土。第二十三页，讲稿共一百三十九页哦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水分分的存在形式及储存和运移性能密

17、切相关。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这一指标表示容水状况，含水率有二种表示方法率这一指标表示容水状况，含水率有二种表示方法:体积含水率体积含水率 重量含水率重量含水率 第二十四页，讲稿共一百三十九页哦 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 土壤中干土重量土壤中干土重量,g；M 土壤的湿重，土壤的湿重，M=Ms+

18、MwVaVwVsVMMa aMMw wMMs sM土壤三相图土壤三相图第二十五页，讲稿共一百三十九页哦式中式中: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第二十六页，讲稿共一百三十九页哦 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

19、完全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，这时的含水率即称为体，这时的含水率即称为饱和含水率饱和含水率饱和含水率饱和含水率 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（裂裂隙隙率、岩溶率）相等。率、岩溶率）相等。容水度：容水度：容水度：容水度：第二十七页，讲稿共一百三十九页哦 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，当当含含水水率率达到饱和时，其饱和度应为达到饱和时，其饱和度应为1；此此外外

20、，表表征征岩岩土土容容水水状状况况的的水水分分指指标标，还还有有饱饱和和度度和和饱和差饱和差这二个指标。这二个指标。第二十八页，讲稿共一百三十九页哦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中能保持一定水量的性能，称为持水性。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

21、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土含含水水率率也也称称为为田间持水率田间持水率。第二十九页，讲稿共一百三十九页哦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管力所维持，则成为自由重力水。细管力所维持，则成为自由重力水。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

22、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上上都都具具重重要要意意义义。水水文文学学中中田田间间持持水水量量常常以以符号符号 fcfc 表示表示。第三十页，讲稿共一百三十九页哦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性能能，称为给水性。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

23、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含水水率率 s与与田间持水率田间持水率 fc之差：之差：给水度给水度 =s-fc。给水度是对于潜水运移起到重要的作用的一个参数。给水度是对于潜水运移起到重要的作用的一个参数。第三十一页，讲稿共一百三十九页哦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，当当潜潜水水位位下下降一个单位时，所排出的重力水体积。降一个单位时，所排出的重力水体积。第三十二页，讲稿共一百三十九页哦4 4）储水性）储水性 首先

24、要弄清首先要弄清“弹性释放弹性释放弹性释放弹性释放”和和“弹性储存弹性储存弹性储存弹性储存”概念。概念。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是来来自自潜潜水水含含水水层层疏疏干干的的水水量量 h。h h被抽的水量被抽的水量 h第三十三页，讲稿共一百三十九页哦 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

25、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能储储存存部部分分的的水，称水，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基基 岩岩第三十四页，讲稿共一百三十九页哦 注注意意：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，那那么么水水从哪里释放出来的或贮存在哪里？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衡的的是：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。

26、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力降降低低了了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第三十五页，讲稿共一百三十九页哦（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架压压缩缩变变形形造造成成孔孔隙隙度度减少，一部分水被挤出。减少

27、，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相应应膨膨胀胀增大，多余的水则会释放出来。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出的水称为弹性释放弹性释放弹性释放弹性释放。第三十六页，讲稿共一百三十九页哦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

28、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。第三十七页，讲稿共一百三十九页哦 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。故故符符合合含含水层定义的有二个条件：水层定义的有二个条件：储存有水；储存有水；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，或或透透过过和给出水的数量很小的岩层。和给出水的数量很小的岩层。4 4 4 4含水层及隔水

29、层含水层及隔水层含水层及隔水层含水层及隔水层第三十八页，讲稿共一百三十九页哦 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层是是否否含水，关健在于所含水的运动性质。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条件件下下还还可可以以相相互互转化。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，一一般般就就称为半含水半隔水层。称为半含水半隔水层。第三十九页，讲稿共一百三十九页哦不同埋藏条件下的地下水不同埋藏条件下的地下水

30、 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水分分为为三三种种类类型：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.承压水承压水第四十页，讲稿共一百三十九页哦潜水含水层潜水含水层承压含水层承压含水层第四十一页，讲稿共一百三十九页哦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

31、（由由特特定定条条件件所形成的属于重力水状态的）。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层即即称称为为包包气气带带或或非饱和带。非饱和带。第四十二页，讲稿共一百三十九页哦饱饱饱饱 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，其其上上部可积聚具有自由水面的

32、重力水，称之为上层滞水。部可积聚具有自由水面的重力水，称之为上层滞水。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）第四十三页，讲稿共一百三十九页哦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补给给来源是降水和地表水的渗入。来源是降水和地表水的渗入。第一个隔水层第一个隔水层第一个隔水层第一个隔水层h h0 00 0D Dh

33、 h1 1L L基准面基准面基准面基准面第四十四页，讲稿共一百三十九页哦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离比比值。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；潜水位：潜水位：潜水位：潜水位：潜水面上的任一点高程，与基准面的相对高度；潜水面上的任一点高程，与基准面的相对高度；第四十五页，讲稿共一百三十九页哦 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

34、气带带与与大大气气相相通通，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（入入渗渗补补给给 ），），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第四十六页，讲稿共一百三十九页哦 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，由由于于地地形切割或岩性变化，潜水流可以泉的形式集中排泄于地形切割或岩性变化，潜水流可以泉的形式集中排泄于地表，或者直接泄表，或者直

35、接泄流进入河流、湖流进入河流、湖或海中（称为径或海中（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第四十七页，讲稿共一百三十九页哦 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覆隔隔水层时，水能从钻孔内上升到一定的高度。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

36、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第四十八页，讲稿共一百三十九页哦a.a.补补补补给给给给区区区区：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，该该区区可以直接接受降水及地表水的补给。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。第四十九页，讲稿共一百三十九页哦 b.b.b.b.承承承承压压压压区区区区：系系指指上上

37、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水层层。其主要特征是：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，一一旦旦过过量量开开采不易补充恢复。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。承压水常以地表水、潜水、泉水的形式排出。段。承压水常以地表水、潜水、泉水的形式排出。

38、承受静水压力具有压力水头；承受静水压力具有压力水头；第五十页，讲稿共一百三十九页哦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第五十一页，讲稿共一百三十九页哦 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、分分子子吸力等综合作用下，在多孔介质空隙中的渗透流动。吸力等综合作用下，在多孔介质空隙中的渗透流动。地地下下

39、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流态。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动（质质点呈线状运动，彼此不相参混）。点呈线状运动，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。第五十二页，讲稿共一百三十九页哦式中，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，其其表达式为：表达式为：由由层层流流过

40、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附附近当水力梯度很陡时，才出现紊流的流态。近当水力梯度很陡时，才出现紊流的流态。第五十三页，讲稿共一百三十九页哦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

41、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头差水头差 h成正比。表达式为：成正比。表达式为：1 1 1 1）达西定律）达西定律）达西定律）达西定律第五十四页，讲稿共一百三十九页哦式中，式中，K 渗透系数。渗透系数。改写上式，得改写上式，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度上上的的水头损失值；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

42、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，也也称称线线性渗透定律，它是研究渗流运动的理论基础。性渗透定律，它是研究渗流运动的理论基础。第五十五页，讲稿共一百三十九页哦 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真正正平平均均实实际际流速为：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

43、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水的的空空隙断面）。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第六十页，讲稿共一百三十九页哦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

44、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筑物物。根根据揭露含水层对象不同，分为：据揭露含水层对象不同，分为：潜水井潜水井 承压井承压井第六十一页，讲稿共一百三十九页哦基本概念基本概念潜水井潜水井潜水井潜水井 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下下了了滤滤水水管管的的，则称为非完整井。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水层的厚度上都安置了滤水管的，称为完整井；含水层的

45、厚度上都安置了滤水管的，称为完整井；1 1）完整井和非完整井）完整井和非完整井e f承压井承压井承压井承压井第六十二页，讲稿共一百三十九页哦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）或或水水头头面面（承承压压水水），称称降降落漏斗。落漏斗。第六十三页，讲稿共一百三十九页哦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

46、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缘的距离边缘的距离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的轴线到水位降深井的轴线到水位降深S观测不到的位置的水平距离。观测不到的位置的水平距离。第六十四页，讲稿共一百三十九页哦R R 的影响因素：的影响因素：R的确定：的确定：1 1）由野外

47、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 第六十五页，讲稿共一百三十九页哦承压含水层：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R25200m中沙R100500m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：不同岩性含水层的影响半径经验值：不同岩性含水层的影响半径经验值：第六十六页，讲稿共一百三十九页哦1 1地下水向

48、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后井井内内的的水水位位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可用用垂直的圆柱代替，则垂直的圆柱代替，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承压完整井的运动第六十七页，讲稿共一百三十九页哦RHwSwH0M

49、Qr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00rrHsr rw w第六十八页，讲稿共一百三十九页哦对对 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第六十九页，讲稿共一百三十九页哦由由上上式式，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力水头压力

50、水头H（或降深（或降深S）的关系式，称为降落漏斗曲面方程。）的关系式，称为降落漏斗曲面方程。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第七十页，讲稿共一百三十九页哦已已知知：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内的水位井内的水位hw，影响半径，影响半径R，井管半径为，井管半径为rw。求求：（1）潜水水位线方程）潜水水位线方程h(r)（