地下水水文学

地下水水文学Groundwater各国饮用水中地下水的比例美国50%欧洲65%墨西哥75%中国70%丹麦100%荷兰59%西班牙24%日本22%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，受到包气带和含水层的过滤、净化，水质一般较好。2.地下水的水温受气温的影响很小，年内变化幅度小。3.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。4.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“地下水库”中，具有多年调节性，可保障枯水季节和枯水年份的供水。地下水储存地下水定义：埋藏于土壤岩石（岩土）的孔隙、裂隙和溶隙（统称空隙）中各种不同形态的水，统称为地下水。储存地下水的空隙岩土称为多孔介质。1．岩土中的空隙空隙分为三大类：松散岩土中的孔隙坚硬岩石中的裂隙可溶性岩石中的溶隙为地下水的储存场所和运移通道，因此空隙的大小、多少、联通状况和分布规律，对地下水的分布和运动有着重要影响。1）孔隙100%VVnP式中，n~岩土的孔隙度；V~包括孔隙在内的岩土体积；VP~岩土中孔隙的体积。衡量岩土内孔隙多少的重要指标是用孔隙度表示：VaVwVsVMaMwMsM土壤三相图VP松散岩土是大小不等的碎屑颗粒组成的。在颗粒或颗粒集合体之间普遍存在着孔状空隙，称为孔隙。岩土名称孔隙度（％）粘土45－55粉土40－50中、粗粒混合砂35－40均匀砂30－40细、中粒混合砂30－35砾石30－40砾石与砂20－35页岩1－10常见岩土的孔隙度2）裂隙主要存在固结的坚硬岩石中。固结的坚硬的岩石，一般不存在或只保留一部分颗粒间的空隙，而发育各种成因形成的裂缝状空隙，称为裂隙。裂隙按其成因可分为三种类型：风化裂隙成岩裂隙构造裂隙衡量裂隙的体积多少的指标以裂隙率nf表示，即式中，Vf~岩石中裂隙的体积；V~岩石总体积（包括裂隙在内）。%VVnff100可溶性岩石（如岩盐、石膏、石灰岩等）在地表水和地下水长期溶蚀下会形成空洞，这种空隙称为溶隙(穴)。衡量溶隙多少的定量指标称岩溶率KK式中，VK~岩石中溶隙的体积；V~岩石总体积（包括溶隙在内）。%VVKKK100溶隙与裂隙比较，发育的规模十分悬殊，具有很大的不均匀性和空间上的差异性。3）溶隙2.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：液态水气态水固态水。是地下水重点研究的对象。地下水泛指存在于地表面以下岩土空隙中的水体。存在于空隙中水有各种形态。1）液态水根据水分子受力状况又可分为结合水、重力水和毛细水。结合水又可分为强结合水（吸湿水）和弱结合水（薄膜水）：①吸湿水（强结合水/吸着水）指由分子引力和静电引力将水分子吸附在土壤颗粒表面的那一部分水，故土壤颗粒表面能吸附大气中的水分子，则称这部分水为吸湿水。指土粒表面吸湿水达到最大量后，土颗粒剩余的分子力和静电力还能吸附水分，在吸湿水外层形成的膜状液态水。②薄膜水（弱结合水）土壤颗粒土壤颗粒吸湿水薄膜水薄膜水的特点：薄膜水主要受分子引力和静电引力作用（为31～6.25大气压），与液态水的性质基本相似，在引力作用下能以湿润的方式，从水膜厚处向水膜薄处缓慢移动，即从土壤湿润的地方向干燥的地方运移，属于非饱和土壤水运动研究的范畴。当薄膜水达到最大厚度时的土壤含水量成为最大薄膜水含水量。多余的水分子在重力和毛细管力作用下运动。指土壤中主要受重力作用影响下运动的水分。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孔隙中；可传递静水压力；可被植物吸收利用。根据受力不同，重力水通常分为毛管水和重力水。③重力水重力水的特点：毛管水按其是否与地下水潜水面有联系又分为：毛管水/毛细水(Capillarywater)：指依靠土壤中毛细管（一般指d1mm的空隙称毛细管）的吸引力（毛管力）而被保持在土壤孔隙中的水分。所受的吸力为6.25～0.08大气压。毛管上升水/毛管支持水毛管悬着水在地下水面以上，毛管水影响到的范围内称作支持毛管带或毛管水活动层，毛管水高度随土壤性质不同而不同。毛管上升水/毛管支持水从地下水面上升由毛管力吸附而存于土壤毛细孔隙中的水，故其与地下水有水力联系。毛细管悬着水支持毛管带地下水包气带地表岩土名称颗粒尺度（mm）毛细管上升高度（cm）细砂砾岩2~52.5极粗砂1~20.65粗砂0.5~113.5中砂0.2~0.524.6细砂0.1~0.242.6淤泥0.05~0.1105.5松散岩土毛细管上升高度由降水或灌溉水下渗，由毛细管引力作用而保持在土壤上层空隙中的水，其与地下水没有水力联系，呈现“挂悬”状态，故称毛细管悬着水。毛管悬着水：可见，毛细水在地下水与大气水、地表水相互转化过程中起着重要的作用和影响。毛细管悬着水支持毛管带地下水包气带地表重力水：是受重力作用而能自由运动的那一部分水，具有一般液态水性质，如可以在重力作用下产生水流运动，能传递压力等，因此，重力水不易保持在土壤上层，是形成地下水的重要来源。2）气态水气态水指以水蒸气状态存在于非饱和含水岩土空隙中的水。气态水在一定条件下可与液态水相互转化，两者之间保持动平衡。当岩土空隙内水汽达饱和时，或温度降至露点时，气态水即开始凝结形成液态水。气态水对岩土中水的重新分布有一定影响。3）固态水当岩土温度低于0oC时，岩土空隙中的液态即凝结为固态水，此时储存地下水的岩土称为冻土。3．与水分储存运移有关的岩土性质岩土空隙的大小和多少等有关的岩土性质与水分的存在形式及储存和运移性能密切相关。1）容水性岩土能容纳一定水量的性能称为容水性，常用含水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重量含水率⑴土壤重量含水率W（Weightratio）：式中，Mw～土壤中水的重量,g；Ms～土壤中干土重量,g；M～土壤的湿重，M=Ms+Mw100%100%ssswMMMMMWVaVwVsVMaMwMsM土壤三相图式中:Vw～土壤中水的容积，cm3；V～土样总体积，cm3；%VVw100与W的转换：WrMMVMMMrVMVrMVVswsss01其中：rw=1为水的密度，r0为土壤干容重。⑵土壤容积含水率（Volumetricratio）VaVwVsVMaMwMsM土壤三相图用来度量岩土最大容水性的指标，即指岩土完全饱水时所容纳的最大水体积与岩土总体积之比。实际上，这时的岩土空隙已全部充满水体，这时的含水率即称为饱和含水率s。因此，容水度在数值上一般与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等。100%VVnP容水度：饱和度：指含水体积与岩土空隙体积之比VW/VP，当含水率达到饱和时，其饱和度应为1；此外，表征岩土容水状况的水分指标，还有饱和度和饱和差这二个指标。2）持水性含水岩土在重力作用下释水后，由于固体颗粒表面的吸附力和毛管力的作用，使岩土空隙中能保持一定水量的性能，称为持水性。度量持水性的指标为持水度，即指饱水岩土在重力作用下，经过2～3天释水后，岩土空隙中尚能保持的水体积与岩土总体积之比，这时的岩土含水率也称为田间持水率。田间持水量fc（FieldCapacity）:指土壤中所能保持的毛细管悬着水的最大量。当土壤含水量超过田间持水量时，超过的部分不能为毛细管力所维持，则成为自由重力水。田间持水量是土壤水分运动性发生明显变化的重要标志，是划分土壤持水或下渗的重要参数，对水文学及在农业生产上都具重要意义。水文学中田间持水量常以符号fc表示。3）给水性含水岩土在重力作用下能自由释出一定水量的性能，称为给水性。度量绐水性指标为给水度，系指饱水岩土在重力作用下所释出的水体积与岩土总体积之比，在数值上它等于容水度减去持水度，也即岩土的饱和含水率s与田间持水率fc之差：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在地下水动力学中的定义：是指单位面积的潜水含水层柱体中，当潜水位下降一个单位时，所排出的重力水体积。4）储水性首先要弄清“弹性释放”和“弹性储存”概念。土壤是由空隙和骨架组成的，属于弹性－塑性体。水也属于弹性－塑性体。若从潜水含水层中抽水，导致地下水面下降，被抽的水量是来自潜水含水层疏干的水量＝h。h被抽的水量＝h但若从承压含水层中抽水，导致压力水头面下降，但承压含水层未被疏干，被抽的水量是来自含水层的弹性释放。如果发生相反的过程，岩土体又能储存部分的水，称弹性储存，统称为储水性。隔水层承压含水层h基岩注意：上述过程中，含水层空隙都充满了水，那么水从哪里释放出来的或贮存在哪里？当承压含水层上复附加压力时，与之保持平衡的是：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P。当抽水后，承压水头下降了H，即承压水压力降低了rH，则会发生如下的反应：HP’P’隔水顶板承压含水层（1）空隙度发生变化由于上复的荷载没有变化，则原来由水压力承担的负荷rH转移到由含水层的骨架来承担，即作用在骨架的力相应增加了rH。从而导致骨架压缩变形造成孔隙度减少，一部分水被挤出。（2）水发生弹性膨胀由于水压力减少，作为弹塑性体的水体积会相应膨胀增大，多余的水则会释放出来。这二部分共同释放出的水称为弹性释放。5）透水性度量岩土透水性的指标是渗透系数。渗透系数愈大，表明岩土的透水性愈强；反之，则愈弱。（后述）岩土允许水体透过本身的性能称为透水性。岩土的透水性主要取决于岩土空隙的大小、形状、数量及联通性。1）含水层：是指能够透过并给出相当数量水的岩层。故符合含水层定义的有二个条件：储存有水；水可以在其中运移。2）隔水层（不透水层）：可以储存有水但是不能透过和给出水，或透过和给出水的数量很小的岩层。4．含水层及隔水层划分含水层和隔水层的标志并不在于岩层是否含水，关健在于所含水的运动性质。含水层和隔水层的划分又是相对的，并不存在截然的界限。含水层和隔水层在一定条件下还可以相互转化。对于这类兼具隔水和透水性能的岩层，一般就称为半含水～半隔水层。不同埋藏条件下的地下水埋藏条件是指含水层在地质剖面中所处的部位及所受隔水层限制的情况。根据埋藏条件地下水分为三种类型：1.包气带水(含上层滞水)2.潜水3.承压水潜水含水层承压含水层包气带水：泛指贮存在包气带中的水，包括通称为土壤水的吸着水、薄膜水、毛细水，气态水和过路的重力渗入水，以及上层滞水（由特定条件所形成的属于重力水状态的）。1．包气带水(含上层滞水)包气带：指地表以下地下水面以上的岩土层，其空隙未被水分所充满，包含着部分空气的土层即称为包气带或非饱和带。饱和带地下水潜水面上层滞水指在包气带中存在局部隔水层时，其上部可积聚具有自由水面的重力水，称之为上层滞水。上层滞水包气带（非饱和带）2、潜水（Phreaticwater）潜水是指埋存于地表以下，第一个连续稳定的隔水层以上具有自由水面的重力水。它主要的补给来源是降水和地表水的渗入。第一个隔水层h00Dh1L基准面有关潜水的几个专有名词:潜水面：潜水的自由水面；水力梯度：任意二点水位差与该二点的水平距离比值。J=(h-h1)/L埋深：潜水面与地面之间的距离；潜水位：潜水面上的任一点高程，与基准面的相对高度；1）它具有自由水面（潜水面）通过包气带与大气相通，因此潜水可以直接受到降水和地表水的补给（入渗补给），另一方面也可以通过蒸发、植物散发方式从包气带垂向向大气排泄(垂向交替)。潜水的特点：潜水示意图2）潜水大致沿潜水位较高处向水位较低处流动，由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，或者直接泄流进入河流、湖或海中（称为径向排泄或水平交换）。潜水示意图承压水是充满于上下两个隔水层之间含水层中的地下水，它承受一定的压力，当钻孔打穿上覆隔水层时，水能从钻孔内上升到一定的高度。3、承压水（Confined/artesiangroundwater）下隔水层上隔水层承压水承压水头线a.补给区：补给区的上部没有隔水层，该区地下水具有自由水面，实际上与潜水没有区别，该区可以直接接受降水及地表水