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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,,
