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1、地下水及其赋存 Main Contents,2.1 Voids of Rock and Soil(岩土中的空隙) 2.2 Water-property of Rock and Soil(岩土的水理性质) 2.3 Physical and chemical properties of groundwater (地下水的物理、化学性质) 2.4 Types of groundwater (地下水的主要类型),DZCD397,347,岩空隙按成因分成三类：(1)松散岩土中的孔隙、 (2)非可溶性坚硬岩石中的裂隙、(3)可溶性岩石中的溶隙,孔隙度是一定体积岩土中的孔隙体积与该岩土总体积之比，以n表示孔
2、隙度,则Vn表示岩土的孔隙体积，V表示包括孔隙在内的岩土总体积有效孔隙度是指允许流体通过的、相互连通的孔隙空间，它是反映连通空隙与总体积比率的指标。,水在岩土中的赋存形式,岩土中的水,岩土“骨架”中的水 （矿物结合水）,岩土空隙中的水,沸石水 结晶水 结构水,结合水 毛细水 重力水,气态水 液态水 固态水,岩土的主要水理性质 亦称岩土的水文地质性质，它表示岩土控制水分活动的性质。水能否进入空隙中，能否自由运动和能否被取（排）出等。 主要包括容水性、持水性、给水性、透水性等。,渗透性仅是刻画介质的一种性质，与液体性质无关。 重力释水并非瞬时完成，小孔道中形成的悬挂毛细水往往难以释出。,2.4 T
3、ypes of groundwater,地下水的埋藏条件：是指地下水在垂直剖面中所处的位置，以及地下水在含水层中的分布与运动是否受到隔水层的限制。 按埋藏条件，包气带中的地下水称为包气带水，包含上层滞水、土壤吸着水、薄膜水、毛细水、气态水、过路的重力渗入水；饱水带中，地下水可分为潜水和承压水。,45-46, HT17,按赋存地下水的岩土空隙成因（或按赋存地下水的介质类型），地下水可分为: 孔隙水、裂隙水和岩溶水,Unconfined water(phreatic water/groundwater),潜水：埋藏在地表以下，饱水带中第一个稳定分布的隔水层之上，具有(在区域上呈连续分布)自由水面的
4、重力水。,1、潜水具有自由水面，积极参与水循环 。2、潜水在重力作用下，由潜水位较高处向较低处流动。3、潜水的分布区与补给区是一致的。4、潜水直接通过包气带与大气水、地表水发生水力联系，所以气象、水文因素对其动态变化影响明显。5、潜水的水位、流量和化学成分都随地区和时间的不同而变化。,潜水的特征,确定潜水流向（水流流向垂直于等水位线，从水位高的地方流向水位低的地方）； 确定潜水的水力坡度； 确定潜水与地表水的关系 确定潜水埋藏深度及含水层厚度； 了解地下水的变化趋势。,潜水水位等值线图的用途,承压水水头增大,artesian well,承压水：是充满在两个隔水层之间的含水层中具有静水压力的重力
5、水。 承压水位H：当钻孔打穿承压含水层上覆隔水层时，开始见到的水位，称为初见水位。随后承压水就会在钻孔内上升到一定高度H，H称为承压水位。承压水位是指承压水面的海拔高度。承压水头h：承压含水层顶板到承压水面的高度。表示隔水顶板所受到的静水压力值。,1.水体承受静水压力，具有承压性。 2.它的埋藏区与补给区是不一致的。 3.埋藏深度较大，水位、水量、水温、水质等受水文气象因素、人为因素及季节变化影响小。 4.承压水水质变化很大，淡水、卤水都有。,承压水特征：,按沉积物的成因类型，孔隙水可分为 洪积物中的地下水、 冲积物中的地下水、 湖积物中的地下水、 黄土中的地下水、 滨海三角洲沉积物中的地下水
6、等,按裂隙的成因，将裂隙水分为： 风化裂隙水 成岩裂隙水 构造裂隙水,岩溶水:“喀斯特水”，是指赋存于岩溶化岩体中的地下水总称。 岩溶(喀斯特)是水流与可溶性岩石相互作用的过程及由此而产生地质现象的总称。 岩溶发育的影响因素：岩石的可溶性、岩石的透水性、水的侵蚀性、水的流动性。,岩溶水,Distribution of karst water,渗流：假想的充满整个多孔介质的空隙和岩石骨架全部体积的水流，其具有与实际水流相同的断面流量、压力(水位)及水力阻力，以这种假想水流代替空隙中运动的实际水流，研究含水介质中流体的总体平均的运动规律。 发生渗流的区域称为渗流场 (seepage field)。
7、,（a）实际渗透 (b)假想渗流,渗流力学研究中，表征渗流运动特征的物理量称为渗流运动要素，主要有渗流量Q、渗透速度v、压强p、压力水头h等。,Chapter 3 Groundwater Movement,充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间,通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与实际水流相同,假想水流的性质与真实地下水流相同,运动时所受的阻力与实际水流所受阻力相等,特 点,渗流的特点,渗流力学的研究方法，可将实际上并不处处连续的水流当作连续水流来进行研究；这既避开了研究个别空隙中液体质点运动规律的困难，又使得到的流量、阻力和水头等又和实际水流相同，满足了实际需要。,Q = K (h/L
8、) A 达西定律：V = KI； 当 I = 1 时，K = V；K 数值上是当I=1时的渗透流速；量纲L/T；常用单位cm/s；m/d。,88,Darcy定律的适用范围,Darcy定律适用范围有上、下限，超出该范围的地下水流运动就不再符合Darcy定律了。,渗流速度v和水力坡度J的关系曲线如右图；直线段符合Darcy定律，直线的斜率为渗透系数的倒数。Darcy定律适用上限：Re110,地下水运动三种状态：(1)当地下水低速度运动时，Re=110，为粘滞力占优势的层流运动，适用Darcy定律；(2)随着流速的增大，Re1100，为一过渡带，由粘滞力占优势的层流运动转变为惯性力占优势的层流运动再
9、转变为紊流运动；(3)高Re时为紊流运动。,Darcy定律的适用范围,Darcy定律适用范围有上、下限，超出该范围的地下水流运动就不再符合Darcy定律了。,Darcy定律的下限，现有文献主要通过对空隙尺寸细小、低渗透性介质的渗流问题的研究，而获得其机理。 如由粘性土组成的多孔介质，渗透速度和水力坡度的关系曲线如右图，当JJ0，几乎不发生流动； J0为起始水力坡度；起始水力坡度的机制，目前还未完全研究清楚。,渗透系数影响因素,渗透系数不仅取决于岩土的性质(如颗粒的成分与排列、充填状况，裂隙性质等)，而且和流体的物理性质(容重、粘滞性等)有关。 对于同一多孔介质体，不同的流体具有不同的渗透系数。
10、在同样的压差作用下，过水流量要大于油流量，即水的渗透系数要大于油。 通常，地下水的容重和粘滞性基本不变，可以把岩层渗透系数看作为常数。但当水温和水的矿化度急剧改变时，如热水，卤水的运动，容重和粘滞性改变的影响就不能忽略了。,92,Specific Storage（储水率或释水率 ）,当水头降低1单位时、单位体积含水层所释放的水量，称为贮水率或释水率s 。 释放出的水量包括因水体积膨胀以及骨架的压缩而释放的水量。 这种因水头下降引起含水层释水的现象称为弹性释水，弹性释水过程一般假设是在瞬时完成的，即假设s不随时间变化。,Storativity / Storage Coefficient (储水系
11、数),水头变动一个单位时，单位面积上的含水层所释放或贮存的水量。它等于贮水率与含水层厚度之积。*=sM 弹性释水系数，它表示水平横截面为1个单位面积、厚度为含水层全厚度M的含水层柱体中，当水头改变一个单位时的弹性释放或贮存的水量。 大部分承压含水层的贮水系数在10-310-5之间,JD173,*范围：n10-3n10-5； 范围：0.050.30,三、含水层介质特征,K不随渗流方向改变,K在岩层中随空间位置变化而改变,K在岩层中处处相等，不随空间变化,K随水流方向改变,EQUATIONS OF GROUNDWATER FLOW,DARCYS LAW + CONTINUITY EQUATION
12、(DARCYS LAW+水流连续性原理或水均衡原理) 在渗流场中任意取一点P(x, y, z)，以P为中心沿直角坐标轴取一微小的六面体，体积为 xyz，称为特征单元体 (elemental control volume)或均衡单元体; ，设单元体无限小，但保证单元体穿过介质骨架和空隙。,设vx，vy，vz分别为该点在X、Y、Z方向上的渗流速度。abcd面中点为,similarly on the xy , xz faces, and the total mass inflow per unit time:,在均衡体内，液体所占的体积为nxyz,相应的，单元体内的液体质量为nxyz。因此，在t内，
13、单元体内液体质量变化量为：,在连续流条件下，根据质量守恒定律，两者相等：,-非稳定流的渗流的连续性方程,各向异性含水层中地下水三维流的基本微分方程,由Darcy定律，, 改造方程左式，则有：,物理意义：左端表示单位时间内流入和流出单元体的水量差，右端表示该时段内单元体内弹性释放(或贮存)的水量；因为单元体没有“源”或“汇”，水量差只可能来自弹性释水(或贮存) 。,对于承压含水层，由于含水层的侧向变形受到限制，可认为x、y是常量，仅需考虑垂直方向的压缩；于是只有水的密度，孔隙度n和单元体高度z三个量随压力变化。,垂直剖面上任一点p，潜水面的坡度为：,PDE of transient flow i
14、n unconfined aquifers,点p处的渗透速度方向与潜水面相切，渗透速度为vs，由Darcy定律有：,Dupuit假设:潜水在缓变流动时,很小,可用tg=dH/dx来代替sin=dH/ds; 假设的意义:潜水渗透速度的垂直分量vz可被忽略；等水头面是垂直的，即潜水水头H(x,y,z,t)可以近似地用H(x,y,t)来代替。 由假设，潜水水流在同一铅直剖面上各点的水力坡度和渗透速度都是相等的。此时，渗透速度可以表示为,流入单元体的单宽流量为流出单元体的单宽流量为在dt时间内，流入和流出单元体的水量差为,潜水运动的基本微分方程-布西涅斯克(Boussinesq)方程,在dt时间内，由
15、于存在垂直入渗补给（或蒸发）强度，其量为dxdt 。 在dt时间内，由于潜水面变化引起单元体水体积的变化量为,根据质量守恒原理，水体积的变化量应等于流入量减去流出量，即,根据裘布依(Dupuit)假设， 代入上式，得到:,上式即为地下水一维水流条件下的Boussinesq方程。 同理，可导出平面二维水流条件下的方程，,根据揭露含水层的程度与进水条件,完整井 打穿整个含水层，而且在全部含水层的厚度上都下了滤水管，并能全面进水的水井。,非完整井 水井未打穿整个含水层，只有井底或含水层的部分厚度上能进水,2. 水位降深 从井中抽水时，井周围含水层中的地下水向井中运动，井中和井附近的水位降低。降深亦即
16、抽水井及其周围某时刻的水头比初始水头的降低值。 3.水位降落漏斗 水位降深s在不同的位置上是不同的，井中心降深最大，离井越远，降深越小，抽水井周围总体上形成的漏斗状水头下降区。 4. 影响半径 从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离,(1) 含水层均质各向同性，等厚，侧向无限延伸，产状水平；(2) 抽水前天然水力坡度为零；(3) 完整井，井径无限小；定流量抽水;(4) 含水层中水流服从Darcy定律；(5) 水头下降引起的地下水从贮存量中的释放是瞬时完成的。,4.3.1 Theis 数学模型,167,上述级数，前三项之后的级数项是一个交替级数； 据交替级数性质，当u很小如u0.01时，取级数前2项；于是，Theis公式可近似表达为：,
