水文学(黄锡荃)第五章 地下水的结构与运动

岩溶水特征
岩溶水的补给、径流、 排泄及动态特征
第5章
5.3
三、地下水的特征
地下水
地下水的类型及其特征
7. 潜水等水位线的用途：水位标高相同的点连成的线 ① 确定潜水流向；垂直于等水位线，从高水位指向低水位 ② 确定潜水埋藏深度＝某点的地面标高－该点的水位标高 ③ 确定含水层厚度＝某点的潜水位标高－隔水层标高 ④ 确定潜水水力坡度＝沿潜水的流向任取两点的水位差/两 点间水平距离 ⑤ 确定潜水与河水的补给关系
第5章
5.3
二、地下水的类型
地下水
地下水的类型及其特征
(3) 几个概念：潜水面、埋藏深度、潜水位、含水层厚度、 隔（含）水顶板、隔（含）水层顶板、隔（含）水底板、 隔（含）水层底板、初见水位、承压水位、承压水头、 正水头、负水头
第5章
5.3
三、地下水的特征
地下水
地下水的类型及其特征
1.上层滞水特征：主要是大气降水补给，水量小，供水意义 不大，但动态变化显著。 2.潜水的特征： ① 潜水的补给区与分布区一致，大气降水是主要补给来源； ② 潜水的含水层厚度，埋藏深度随季节变化； ③ 潜水为无压水流，在重力作用下向低处流动； ④ 在山区、丘陵地带，潜水以泉形式排泄，或直接排入地 表水体；在平原地区，以蒸发为排泄方式； ⑤ 潜水水质易污染。
第5章
5.4
四、地下水的运动
地下水
地下水的运动及其涌水量计算
2.线性渗透定律－达西定律 (1)按揭露的类型分为: ① 潜水井：利用浅层潜水的地下水开采井。 ② 承压水井：利用深层承压水的地下水开采井。 (2)按含水层的完整程度和进水条件分为: ① 完整井：水井贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都 安装过滤器并能全面进水者称为完整井。 ② 不完整井：如果水井没有贯穿含水层，只有井底和含水 层部分厚度上进水，则称为不完整井

含水岩层在外力作用下孔隙度（或体积）的变化量与 压力的增量成正比
水的压缩方程
1 d
多孔介质的压缩方程
1 dVb d β Vb
Vv d( ) Vs 1 dVb 1 1 de d dp dp dH β Vb β Vb β 1 e Vv Vs d( ) Vb Vs 1 1 de e β(1 e) Vb β Vb β 1 e p Vs

p减少多孔介质固体颗粒也会膨胀,而有效应力增大又会影响 固体颗粒的变形。综合起来，这种现象比较复杂。考虑到固体 颗粒的压缩性比多孔介质要小得多，因此通常忽略多孔介质固 体颗粒的压缩性。
地下水弹性储存
弹性储存：当地下水水头（水压）降低(或升高）时，含水层、 弱透水层释放（或储存）地下水的性质
物理意义： 弹性储存与重力储存不同；
上式表明，在同一时间内流入单元体的水体 积等于流出的水体积，即体积守恒。 连续性方程是研究地下水运动的基本方程， 各种研究地下水运动的微分方程都是根据连 续性方程和反映质量守恒定律的方程建立起 来的。
4.5 含水层的状态方程
4.5.1 含水层的弹性释水
•地下水弹性储存概念
取一典型处于平衡状态的饱和地层柱体来研究，这里只考虑垂直一维压密， 忽略侧面上粒间力(包括内聚力和摩擦力)的作用。 含水层上覆岩土体、地表建筑物和大气压力等荷载形成的总压应力由粒 间应力的垂向分量s和孔隙水应力p两者来平衡.
z方向流入流出差 ( v z ) | ( x , y , z ,t ) xyt ( v z ) | ( x , y , z z ,t ) xyt 单元体内地下水 质量变化量
m V n x y z
m [( nz ) |( x , y , z ,t t ) ( nz ) |( x , y , z ,t ) ]xy

2014-12-25
（二）非线性渗透定律 适用于临界雷诺数 Re > 9, 紊流：如地下水在大空隙、 大裂隙、大溶洞及取水建筑物附近的运动 哲才公式： v = K I 或 Q = K ⋅w I 思姆莱公式： 临界雷诺数 Re≈7～9
v = K⋅I

1 m
m的取值范围为1～2。 m=1，Darcy公式； m=2，哲才公式。
上式中： hx = H x − Z x
2014-12-25 CH5-14
雷诺试验
ρud/μ = ud/ν d —管径； μ—动力粘滞系数； ν—运动粘滞系数。
Re=
图5.1-6 雷诺试验动画图a
2014-12-25 CH5-15
15
图5.1-6 雷诺试验动画图b
2014-12-25 CH5-16
16
图5.1-6 雷诺试验动画图c
因为
v⋅l H1 − H 2 = K 2 2 p2 v 2 p1 v1 v⋅l = z1 + + − z2 + + γ 2g γ 2g K
H1 − H 2 v = K ⋅i = K ⋅ l
2014-12-25
v⋅l = H1 − H 2 hw = K hw—水头损失。 CH5-27
5.3 地下水向河渠的稳定运动
第5章 地下水的运动基本规律
第5章 地下水运动的基本规律
5.1 基本概念及基本定律 一、基本概念 液体运动要素—渗流的压强、速度和加速度等。 1.渗透和渗透水流 地下水在岩石空隙中的运动称为渗透 真实水流（仅在岩石空隙中） 假想水流（充满含水层）渗透水流 ①不考虑渗透迂回曲折，只考虑水流主要方向 ②不考虑颗粒骨架占据的空间，假想水流充满全部空间 为使假想的水流能正确反映真实水流的情况，假想 水流必须符合如下几点：

第二节 地下水类型及其主要特征
3. 承压水的补给与排泄 承压水的补给源有大气降水、地表水及潜水； 承压水的排泄方式有：向潜水排泄、泉的排泄及向地表 水排泄。 4. 承压水对工程建设的影响 （1）良好的城市供水水源； （2）基坑突涌； （3）排水比较困难，井深，范围广，水量大。
运动多属于非层流运动。
第二节 地下水类型及其主要特征
地下水按照埋藏条件可以分为包气带水、潜水和承压水 三类；按照含水层的空隙性质可分为孔隙水、裂隙水和岩溶 水三类。
第二节 地下水类型及其主要特征
5.2.1 包气带水 处于地表面以下潜水位以上的包气带岩土层中，包括土 壤水、沼泽水、上层滞水以及基岩风化壳(粘土裂隙)中季节 性存在的水。主要特征是受气候控制，季节性明显，变化大， 雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。包气带水对农业有很 大意义，对工程建筑有一定影响。
第二节 地下水类型及其主要特征
承压斜地
第二节 地下水类型及其主要特征
承压含水层在同一区域内均可在不同深度有着若干层 同时存在的情况，它们之间的水头高度与地形和构造二者 有关。 当地形和构造一致时称为正地
形。下部含水层压力高，若有裂隙
穿透上下含水层，下部含水层的水 通过裂隙补给上部含水层。如山东
济南的承压斜地，地下水通过近20m厚的第四系覆盖层出
水下施工。若潜水对施工有危害，宜用排水、降低水位、隔离(包括冻结法
等)等措施处理。
第二节 地下水类型及其主要特征
5.2.3 承压水 承压水是指埋藏并充满在两个稳定隔水层之间的含水层 中的地下水，是一种有压重力水。
第二节 地下水类型及其主要特征
1. 承压水的形成 最适宜形成承压水的地质构造有向斜构造盆地和单斜构 造。 承压盆地 此类承压水的水 位受到气候及地形的 控制，往往有较好的 径流条件。

• 粘土岩、粉砂质泥岩及密闭完整岩浆岩和块状 变质岩可视为隔水层。
含水层、隔水层
岩性相同、渗透性完全相同的岩层，很可能在某些 地方被当作含水层，而在另一些地方却被当作隔水层 。
在利用与排除地下水的实际工作中区分含水层与隔 水层，应当考虑岩层所能给出水的数量大小是否具有 实际意义。例如，利用地下水供水时，某一岩层能够 给出的水量较小，对于水源丰沛，需水量很大的地区 ，由于远不能满足供水需求，而被视为隔水层。
水文地质学简言之──研究地下水的科学。它研究 与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作 用下地下水水量和水质的时空变化规律，地下水的分布 和形成规律，地下水的物理性质和化学成分，地下水资 源及其合理利用，地下水对工程建设和矿山开采的不利 影响及其防治等。
• 地下水是水资源组成部分 • 其主要功能为：
❖上层滞水最接近地表，接受大气降水的补给，通过蒸发或向隔 水底板（弱透水层底板）的边缘下渗排泄。
❖雨季获得补充，积存一定水量，旱季水量逐渐耗失。
❖当分布范围小且补给不很经常时，不能终年保持有水。
❖由于其水量小，动态变化显著，只有在缺水地区才能成为小型 供水水源或暂时性供水水源。
❖包气带中的上层滞水，对其下部的潜水的补给与蒸发排泄，起 到一定的滞后调节作用。
• 1 结合水
水分子和岩石
空隙壁面及碎 屑表面均可带 有一定的电荷 ，它们间由于 电荷的吸引而 结合在一起， 这部分水即称 为结合水。
2 重力水
在岩石较大空隙中存在的受重力影响而能 运动的水，称为重力水。重力水参加水圈大循 环，是人们利用的对象。
3 毛细水
表面张力产生毛细现象。地下水面以上岩石 细小空隙中形成一定上升高度的毛细水带。
图5-7 包气带与饱水带

•
•
• •
降深漏斗及井的有效性
3.承压水
• （１）承压水及其特征 • a.承压水是指充满在两个隔水层之间 的含水层中，具有承压性质的地下水。 • 由于隔水顶板的存在，能明显地分 出补给区、承压区和排泄区三部分。 • b. 补给区大多是含水层出露地表的 部分，比承压区和排泄区的位置为高； 承压区是隔水顶板以下，被水充满的含 水层部分；排泄区为承压水流出地表或 流向潜水的地段。
52521按埋藏条件分类的各类地下水的特征522不同介质中的地下水地下水分类表埋藏条件含水层性质孔隙水裂隙水岩溶水土壤水上层滞水地表裂隙岩体中季节性存在的潜水各种成因的松散沉积物中裸露的岩溶化岩层中承压水松散沉积物构成的承压盆构造盆地向斜或单斜构造中的层状裂隙水断裂破碎带中的深部水构造盆地向斜或单斜岩溶岩层中521按埋藏条件分类的各类地下水的特征包气带水是存在于包气带中以各种形式出现的水它是一种局部的暂时性的地下水
1856 年达西(Dห้องสมุดไป่ตู้rcy)在研究城 市供水问题时进行的渗流试验
h QA L
或：
Q
h1
L
Q kAi
Q
A
透水石
其中，A是试样的断面积
达西渗透试验
h2
Q v ki A
达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i 的一次方成正比，并与土的性质有关
渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为 水力坡降i＝1时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/day
•
B.确定潜水与河水的相互关系。如果潜水 流向指向河流，则潜水补给河水；如果潜水流 向背向河流，则潜水接受河水补给。 • C.确定潜水面埋藏深度。潜水面的埋藏深 度等于该点的地形标高减潜水位。根据各点的 埋藏深度值，可绘出潜水等埋深线 。 • D.确定含水层厚度。当等水位线图上有隔 水层顶板等高线时，同一测点的潜水水位与隔 水层顶板标高之差即为含水层厚度。 • E.确定给水和排水工程的位置。水井应布 置在地下水流汇集的地方，排水沟（截水沟） 应布置在垂直水流的方向上。

3、河流水质恶化影响大； 4、河流自净能力强，水质恶化易于控制。
（三）湖泊（水库）水质恶化特点
1、湖泊、水库污染来源广、途径多，种类复杂 2、湖水稀释和搬运污染物质的能力弱 3、湖泊对污染物质的生物降解、累积和转化能力强
（四） 地下水水质恶化特点
1.地下水水质恶化过程缓慢 2.地下水的间接恶化方式 3.地下水污染物浓度高 4.地下水污染难治理
三、水体的自净能力
（一）水体恶化与自净关系
1.水质恶化过程 2.水替净化过程
（二）水体的自净过程
广义：指受污染的水体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓 概念： 度降低，并恢复到污染前的水平。
狭义：指水体中的微生物氧化分解有机物而使得水体得以净化的过程。
1.水体自净过程的特征 1）进入水体中的污染物，在连续的自净过程中，总的趋势是浓度逐渐下降。 2）大多数有毒污染物经各种物理、化学和生物作用，转变为低毒或无毒化合物。 3）重金属一类污染物，从溶解状态被吸附或转变为不溶性化合物，沉淀后进入底泥。 4）复杂的有机物，如碳水化合物，脂肪和蛋白质等，不论在溶解氧富裕或缺氧条件下， 都能被微生物利用和分解。先降解为较简单的有机物，再进一步分解为二氧化碳和水。
（3）酸碱反应
（一）水环境容量的概念和类型
1.水环境容量的概念
水环境容量是一定水体在规定水质目标下所能容纳污染物的量
2.水环境容量的类型
（一）海洋水体水质恶化特点 1、污染源多而复杂 2、污染物持续性强，危害性大 3、污染范围大
（二）河流水体水质恶化特点
1、河流水质恶化程度随流量的大小而变化河流的污径比的大小反映河流的 水质恶化程度；
2、河流水质恶化影响范围广河水不断流动，搬运污染物质的能力强，故上 游遭受污染，很快就影响到下游；

Re v • d
v -水的运动速率；
d -平均粒径；
μ-运动粘滞系数。
Re<200-100 为层流；Re>200为紊流。
Re为10-100时，虽为层流，但达西定律不适用。
实验中过水断面ω
1）颗粒––––无水通过； 2）孔隙––––有水通过。
水流实际流过的面积（扣除结合水）––––实际过水断面ω’： ω’=ωne （ne<n） 有效孔隙度（ne）––––为重力水流动的孔隙体积（不包括结合水占 据的空间）与岩石体积之比。（对重力水的运动有效）
关于有效孔隙度ne： 1）ne<n；
[★]
H1 K
H2
LHale Waihona Puke 计算流量：Q K H1 H 2 （单位一般为：m3/d，L/s） （5–4）
L
微分形式：
v K dH dx （5–5）
[★]
式中：负号表示水流方向与水力梯度方向相反，水流方向（坐标方 向）：由水位高→低；而水力梯度方向：由等水位线低→高。
在三维空间中（向量形式）：
V
Kx
I––––水力梯度（I=h/L，水头差除以渗透途径）；
K––––渗透系数。
溢水管
进水管
(控制水位)
测
压
管
出水管 (测流量)
基准面
[★]
由水力学：
Q V （5–2）
即 V Q (对地下水也适用)
达西定律也可以另一种形式表达（流速）：
V KI （5–3）
式中：V––––渗透流速，m/d，cm/s； K––––渗透系数，m/d，cm/s； I––––水力梯度，无量纲（比值）。 具体到实际问题：
第五章 地下水运动的基本规律

(2) 潜水
潜水面
地下水的运动方向
潜水是埋藏在地表下第一个稳定隔水层工具有自由表面 的重力水。这个自由表面就是潜水面。从地表到潜水面的距 离称为潜水埋藏深度。潜水面到下伏隔水层之间的岩层称为 含水层，而隔水层就是含水层的底板。潜水面以上通常没有 隔水层，大气降水、凝结水或地表水可以通过包气带补给潜 水。所以大多数情况下，潜水补给区和分布区是一致的。 潜水面的位置随补给来源变化而发生季节性升降。潜水面 的形状可以是倾斜的、水平的或低凹的曲面。当大面积不透 水底板向下凹陷，而潜水面坡度平缓，潜水几乎静止不动时， 就形成潜水湖；当不透水底板倾斜或起伏不平时，潜水面有 一定坡度，潜水处于流动状态，此时就形成潜水流。
泉 含水层
承压水
充满两个隔水层之间的水称承压水。承压水水头高于隔水顶 板，在地形条件适宜时，其天然露头或经人工凿井喷出地表称自 流水。隔水顶板妨碍含水层直接从地表得到补给，故自流水的补 给区和分布区常不一致。
在适当地质构造条件下，孔隙水、裂隙水和岩溶水都可以形 成自流水。在盆地、洼地或向斜中，出露于地表的含水层，海拔 较高部分成为地下水的补给区，海拔较低部分成为排泄区。在补 给区和排泄区之间的承压区打井或钻孔，穿过隔水顶板之后，水 就涌到井中。单斜构造也可以构成自流含水层。当单斜含水层的 一侧出露地表成为补给区，另一侧被断层切割，而断层构成水的 通道时，则成为单斜含水层的自流排泄区，此时承压区介于补给 区与排泄区之间，情况与自流盆地相似。当含水层一端出露于地 表，另一端在某一深度上尖灭或被断层切割而不导水时，一旦补 给量超过含水层容水量，水就从含水层出露带的较低部分外溢， 其余部分则成为承压区。
（2） 重力水
重力水指存在于岩石颗粒之间，结合水层之外， 不受颗粒静电引力的影响，可在重力作用下运动的 水。一般所指的地下水如井水、泉水、基坑水等都 是重力水，它具有液态水的一般特征，可传递静水 压力；重力水能产生浮托力、孔隙水压力；流动的 重力水在运动过程中会产生动水压力；重力水具有 溶解能力，对岩石产生化学潜蚀，导致岩石的成分 及结构的破坏。