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1、第三讲 包气带水的运动及地下水化学成分,Company Logo,,5 包气带水的运动,5.1 毛细负压与毛细压力水头,5.2 毛细压力水头的测定方法,5.3 毛细上升高度与速度,5.4 包气带水的下渗运动,5.5 包气带岩石的渗透系数,Company Logo,,5.1 毛细负压与毛细压力水头,包气带特点复习毛细水中:讨论过 毛细现象、毛细力、毛细水的存在形式毛细负压(毛细水头),毛细上升高度,毛细上升速度 毛细负压与毛细压力水头 液体表面有一个张力(相互吸引,如同一个薄薄的膜)液面就会发生弯曲,当弯曲呈半圆形时( 细小) 弯液面上,表面张力的合力称为毛细力(f) 作用在弯液面(半圆)上,称
2、为毛细压强,Company Logo,,当弯曲液面为半圆时(湿润角=0),R1=R2为液体的表面张力系数,R1与R2为弯曲液面的2个曲率半径 毛细压强是有方向的,对液面来说(是水),这是个负压强又称毛细负压(pc) 压强转化为水柱高度表示(hc)(下面继续介绍),5.1 毛细负压与毛细压力水头,毛细负压,Company Logo,,压强转化为水柱高度表示(hc)取 1g/cm3 ; g= 981cm/s2 , =74dyh/cm=7410-3N/m D毛细管直径(用mm表示) hc毛细压力水头(m)又称毛细压头,5.1 毛细负压与毛细压力水头,毛细压头,Company Logo,,HA =0
3、HB =? HC =?,HA= ZA+hA HB= ZB+hB,毛细压力水头,又称毛细压头,Company Logo,,5.2 毛细压力水头的测定方法:,在饱水带中(用水力学原理):测量任一点的压力水头用测压管(压力计) HA=ZA+hA 在包气带中(测负压):张力计(tensionmeter)前端装上多孔陶瓷头(捧);插入土中;张力计管中充满了水,在非饱和土中,空隙中的负压与张力计液面高度平衡后,张力计形成的负压与所测点B相等时,张力计上的-hBc即为测点的负压 例:HB=ZB+hBc=ZB+(-hBc)=HB (图示) 如果测得包气带中HBHC,其意义如何(与水力学水头概念一致),水流运动
4、方向为BC,入渗水流 如果测得包气带中HB HC,水流运动方向为CB, 水流?,张力计,Company Logo,,负压测量仪张力计,。C,。B,。B,水,陶土头,土体,Company Logo,,5.3 毛细上升高度与上升速度,5.3.1 毛细上升高度与毛细上升速度毛细压力水头与毛细压强的概念,观察毛细管中水的运动 1)插入水中初始:瞬时刻HA=ZA+0 =0HB=? HB= ZB+ pc / g HB=ZB+(-hc)= -hc HC=? = ZC+(-hc)=0 2)最后:HA = HC (管中水不运动静止液体)此时毛细管中的最大上升高度hc 称为毛细上升高度,它在数值上等于该管所具有的
5、毛细压力水头值,毛细水上升高度,转下页,Company Logo,,B,O,O,HA=0 HB=-hC,HA= ZA+hA HB= ZB+hB,HA=ZA+hA HB=ZB+hB,VB= IBK IB= (HA-HB) /LAB= -(ZB -hC) / ZB= hc/ ZB 1,毛细水运动推导,ZB,Company Logo,,5.3.2 毛细上升速度,用达西定律分析:水由 BB 毛细水的运动 VC = I K A点水头 ? HA=ZA+0 =0B点水头 ? VC =I K IC= (hc/ZB-1) 假设K不变, 讨论VC,VC= f (IC) ZB0时,毛细上升刚开始,hc/ZB I V
6、 很大 ZB 逐渐增大时,I变小,上升速度变慢 ZBhc 时,hc /ZB1,I0 V0, 上升停止 毛细水可以上升的最大高度hmax,就等于该毛细管 可以产生的最大毛细压力水头hc,毛细水上升速度,Company Logo,,5.4 包气带水的下渗运动,包气带水的下渗运动(自学P48最后两个自然段P49第一自然段) 上面讨论的是毛细水上升运动的情况在毛细力的作用,毛细水向下运动时,情况也是一样,请大家试推导毛细管的毛细压力水头为hc ,当下渗深度L小于hc时,某点水下渗速度有毛细力作用,Company Logo,,5.5 包气带中岩石的渗透系数,包气带中岩石的渗透系数K 由于没有完全饱水,水
7、流仅在饱水的空隙中运动,因此K(包)=f() 为土层含水率 包气带中K不是常数; K包小于饱水带中的K; 随含水量增高K包K毛细上升特点与空径沿程变化有关:当为层状非均质土层时,上升高度?沿孔隙,呈“跳跃”式前进吸水时由毛细上升的土层含水量曲线,土层含水量较低退水时由下渗形成土层含水量曲线,土层含水量较高,包气带岩石含水量曲线,小结,Company Logo,,包气带中岩石的渗透性,K(包)=f(), 为土层含水率,Company Logo,,小结,包气带水的运动与饱水带的运动相比,有三点不同: 饱水带重力势;包气带重力势+毛细势 饱水带任一点水头随水位变化;包气带水头则是含水量的函数 饱水带
8、的渗透系数是个定值;包气带渗透系数随含水量的降低而变小,Company Logo,,思考题,A B C,当细管毛细上升高度为10cm,粗管毛细上升高度为5cm时,A管、B管、C管毛细上升高度各为多少?,Company Logo,,Company Logo,,6.3 总矿化度与地下水化学成分分类,6.2 地下水化学成分的形成作用,6 地下水的化学成分及形成作用,6.1 地下水的化学成分,Company Logo,,Company Logo,,第六章 地下水的化学成分及其形成作用,地下水不是纯的H2O,而是天然溶液,含有各种组分。 水是良好的溶剂,在空隙中运移时,可溶解岩石中的成分。在自然界水循环
9、过程中,地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。 物理性质:温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。 化学性质:气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。 水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。 不同的用水目的在利用地下水时,对水的质量有一定要求 (如:饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等) 研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合,Company Logo,,Company Logo,,6.1 地下水的化学成分,一、地下水中常见的气体成分氧(O2)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)硫化氢(H2S)、甲烷(CH
10、4),常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关 二、地下水中主要离子成分地下水中含量多的有七种离子 阴离子: HCO-3 , SO2-4 , Cl- 阳离子: Ca2+, Mg2+, K+, Na+,Company Logo,,Company Logo,,6.1.1 气体成分,地下水中常见的气体成分 1、氧(oxygen, O2)、氮(nitrogen, N2) 起源:大气圈随降水入渗进入含水层中,如富含O2与N2 说明地下水是大气起源的,氮还有生物起源与变质起源 环境:在封闭环境下,氧被耗尽只剩下N2,指示水是大气起源且处于封闭环境 2、硫化氢(H2S)、甲烷(methane, CH4)
11、这两种气体都是在较封闭环境中,在有机质与微生物参与的生物化学过程中形成。还原环境下: SO2-4 H2S,成煤过程,煤田水成油过程,油气藏,油田水,Company Logo,,Company Logo,,6.1.1 气体成分,3、二氧化碳(CO2)大气降水中的CO2含量较低,地下水中CO2主要源于 土壤层(入渗过程溶于水中):有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生 碳酸盐岩地层:在深部高温下,也可变质生成CO2 人类活动:在化石燃料(煤、石油、天然气),导致大气中的CO2增加,(增长20%)地下水中CO2增加,水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解能力愈强!,Company Logo,,Compan
12、y Logo,,地下水中气体成分的意义:气体成分指示地下水所处的地球化学环境氧化环境oxidation还原环境deoxidation气体成分可以增加水对盐类的溶解能力促进水岩的化学反应,相互作用,6.1.1 气体成分研究意义,Company Logo,,Company Logo,,6.1.2 主要离子成分,地下水中的主要离子成分 水中离子成分主要取决于: 元素的丰度(克拉克值):某元素在地壳化学成分中的重量百分比; 元素组成的化合物在水中的溶解度 地壳中主要元素有哪些? 地壳中丰度较高的元素:Si、Al、Fe (地下水中低) 地壳中丰度较低的元素:Cl、S、C (地下水中高) 地下水中主要离子
13、有: Anion 阴离子:HCO-3、SO2-4、Cl- Cation 阳离子:Ca2+、Mg2+、K+、Na+,Company Logo,,Company Logo,,6.1.2 主要离子成分,这与主要离子构成的盐类溶解度有关(参见52页表6-1): 碳酸盐类 硫酸盐类 氯化物 常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物(TDS)或矿化度有关: 矿化度(g/L) : 低(1) 中(1-10) 高(10-30) 阴 离 子: HCO-3 SO2-4 Cl- 阳 离 子: Ca2+ Ca2+,Mg2+ Na+,K+ 水中阴离子在地下水水流过程的(分布)变化,Company Logo,,Company Logo,,+,+,+,+ +,Cl-,+,+,+,+,SO42-,+,+,+,+,HCO3-,地下水水流过程的阴离子变化,Company Logo,,Company Logo,,