第二章 地下水资源的形成.ppt

第二章第二章 地下水资源的形成地下水资源的形成 在地壳表层在地壳表层1010余公里范围内，都或多或余公里范围内，都或多或少地存在着各种空隙（包括孔隙、裂隙和溶少地存在着各种空隙（包括孔隙、裂隙和溶隙），这为地下水的赋存提供了必要的空间条隙），这为地下水的赋存提供了必要的空间条件。就广义而言，地下水不仅存在于岩石的空件。就广义而言，地下水不仅存在于岩石的空隙之中，也可存在于岩石的骨架之中，因此地隙之中，也可存在于岩石的骨架之中，因此地壳表层就好象是饱含着地下水的壳表层就好象是饱含着地下水的“海绵海绵”。第一节第一节 地下水的赋存形式地下水的赋存形式 一、岩石中的空隙一、岩石中的空隙 二、地下水的存在形式二、地下水的存在形式 三、包气带和饱水带、含水层和隔水层三、包气带和饱水带、含水层和隔水层 四、地下水分类四、地下水分类 五、上层滞水和潜水五、上层滞水和潜水 六、承压水六、承压水 七、地下水的补给、排泄和径流七、地下水的补给、排泄和径流第二节第二节 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律 一、基本概念一、基本概念 二、重力水运动的基本规律二、重力水运动的基本规律 三、饱水粘性土中水的运动规律三、饱水粘性土中水的运动规律 四、地下水运动的基本微分方程四、地下水运动的基本微分方程第一节第一节 地下水的赋存形式地下水的赋存形式 岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。下水的分布和运动具有重要影响。将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类：究时，可分为三类：松散岩石中的孔隙松散岩石中的孔隙 坚硬岩石中的裂隙坚硬岩石中的裂隙 可溶岩石中的溶穴可溶岩石中的溶穴一、岩石中的空隙一、岩石中的空隙1 1、孔隙、孔隙（1 1）孔隙）孔隙松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒与松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒与颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。1 1、分选良好，排、分选良好，排列疏松的砂；列疏松的砂；2 2、分选良好，排、分选良好，排列紧密的砂；列紧密的砂；3 3、分选不良，含、分选不良，含泥、砂的砾石；泥、砂的砾石；4 4、经过部分胶结、经过部分胶结的岩石；的岩石；5 5、具有结构性孔、具有结构性孔隙的粘土；隙的粘土；6 6、经过压缩的粘、经过压缩的粘土；土；（2 2）孔隙度）孔隙度孔隙度孔隙度是指某一体积岩石（包括孔隙）中孔隙体是指某一体积岩石（包括孔隙）中孔隙体积所占的比例。它表示孔隙体积的多少。积所占的比例。它表示孔隙体积的多少。n=Vnn=Vn/V /V 或或 n=(Vnn=(Vn/V)/V)*100%100%孔隙度是一个比值，可用小数或百分数表示。孔隙度是一个比值，可用小数或百分数表示。（3 3）孔隙度的影响因素）孔隙度的影响因素 孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。对况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。对于粘性土，结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因于粘性土，结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素素构成松散岩石的颗粒构成松散岩石的颗粒均为等粒圆球：均为等粒圆球：a a、立方体排列时，、立方体排列时，孔隙度为：孔隙度为：47.64%47.64%b b、四面体排列时，、四面体排列时，孔隙度仅为孔隙度仅为25.95%25.95%立方体排列为最松散立方体排列为最松散排列，四面体排列为排列，四面体排列为最紧密排列，自然界最紧密排列，自然界松散岩石的排列多介松散岩石的排列多介于这两者之间。于这两者之间。三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列方三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列方式相同时，孔隙度完全相同式相同时，孔隙度完全相同2 2、裂隙、裂隙 固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不存在或只保留一部分颗粒和变质岩，一般不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩之间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。石破裂变形产生的裂隙。按裂隙的成因可分为成岩裂隙、构造裂隙和按裂隙的成因可分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。风化裂隙。成岩裂隙成岩裂隙岩石在成岩过程中由于冷凝收岩石在成岩过程中由于冷凝收缩（岩浆岩）或固结干缩（沉积岩）而产生缩（岩浆岩）或固结干缩（沉积岩）而产生的。的。构造裂隙构造裂隙岩石在构造变动过程中受力而岩石在构造变动过程中受力而产生的。这种裂隙具有方向性，大小悬殊，产生的。这种裂隙具有方向性，大小悬殊，分布不均一。分布不均一。风化裂隙风化裂隙风化营力作用下，岩石破坏产风化营力作用下，岩石破坏产生的裂隙，主要分布在地表附近。生的裂隙，主要分布在地表附近。裂隙率裂隙率是指裂隙体积（是指裂隙体积（Vr）与）与包括裂隙在内的岩石体积包括裂隙在内的岩石体积(V)的比值。的比值。Kr=Vr/V 或或 Kr=(Vr/V)*100%面裂隙率线裂隙率面裂隙率线裂隙率、溶穴、溶穴 可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶穴（隙）。生空洞，这种空隙称为溶穴（隙）。溶穴的体积（溶穴的体积（V Vk k）与包括溶穴在内的）与包括溶穴在内的岩石体积的比值即为岩溶率（岩石体积的比值即为岩溶率（V V）。）。K Kk k=V=Vk k/V /V 或或 K Kk k=(V=(Vk k/V)/V)*100%100%二、地下水的存在形式二、地下水的存在形式地壳岩石中存在着以下各种形式的水：地壳岩石中存在着以下各种形式的水：地壳岩石地壳岩石中的水中的水岩石骨架中的水岩石骨架中的水（矿物结合水）（矿物结合水）沸石水沸石水 结晶水结晶水 结构水结构水岩石空隙中的水岩石空隙中的水结合水（矿物表面结合水）结合水（矿物表面结合水）气态水气态水液态水液态水固态水固态水强结合水强结合水（吸着水）（吸着水）弱结合水弱结合水（薄膜水）（薄膜水）毛细水毛细水重力水（自由水）重力水（自由水）1 1、重力水（自由水）：、重力水（自由水）：在重力作用下能自由运动的地下水。在重力作用下能自由运动的地下水。它是一种重要的液态水，能充满岩石中所有的大小孔隙，并在它是一种重要的液态水，能充满岩石中所有的大小孔隙，并在地壳中自由运动。重力水能从泉眼中流出地面，也能从井孔中地壳中自由运动。重力水能从泉眼中流出地面，也能从井孔中被抽出地面或自溢出地面，为极重要的供水水源。重力水能形被抽出地面或自溢出地面，为极重要的供水水源。重力水能形成地下径流，由补给区经过长距离的运动流向排泄区。重力水成地下径流，由补给区经过长距离的运动流向排泄区。重力水在地下运动时服从达西定律。在地下运动时服从达西定律。2 2、薄膜水（弱结合水）：、薄膜水（弱结合水）：在吸着水外围以薄膜形式发展变厚在吸着水外围以薄膜形式发展变厚的过程中形成的。它是由静电引力或分子力支撑的，厚度可的过程中形成的。它是由静电引力或分子力支撑的，厚度可达几百个水分子直径。薄膜水不受重力的影响，也不传递压达几百个水分子直径。薄膜水不受重力的影响，也不传递压力，但可以由薄膜较厚的地方向薄膜较薄的地方移动，直到力，但可以由薄膜较厚的地方向薄膜较薄的地方移动，直到各处的薄膜厚度相等为止。各处的薄膜厚度相等为止。3 3、吸着水（吸附水、强结合水）：、吸着水（吸附水、强结合水）：以单独的水分子状态包围以单独的水分子状态包围在岩石颗粒表面的水。这种水靠水分子对岩石的吸附力而停在岩石颗粒表面的水。这种水靠水分子对岩石的吸附力而停留在岩石的颗粒上，其吸附力常可高达留在岩石的颗粒上，其吸附力常可高达101325MPa101325MPa。因此停留。因此停留在岩石中的吸着水只能在将岩石加热时才能被排出。吸着水在岩石中的吸着水只能在将岩石加热时才能被排出。吸着水不受重力作用的影响，密度大，在零下不受重力作用的影响，密度大，在零下7878度时不结冰，没有度时不结冰，没有溶解能力，不传导静水压力，不导电。溶解能力，不传导静水压力，不导电。4 4、气态水：、气态水：以水蒸气的形式储存在地下以水蒸气的形式储存在地下的水。它和大气中所含的水蒸气完全一样，的水。它和大气中所含的水蒸气完全一样，并和大气中的水蒸气相联系。它的活动性并和大气中的水蒸气相联系。它的活动性很大，可以随着空气一起在岩石空隙中运很大，可以随着空气一起在岩石空隙中运动。动。5 5、固态水：、固态水：岩石中温度在零度以下的重岩石中温度在零度以下的重力水，即以冰的形态出现的重力水，常分力水，即以冰的形态出现的重力水，常分布在季节性或永久性冻结地区。布在季节性或永久性冻结地区。6 6、毛细水：、毛细水：存在于岩石毛存在于岩石毛细孔隙中或孔道狭窄部分的细孔隙中或孔道狭窄部分的水。水。岩石中的细小孔隙如自岩石中的细小孔隙如自然界的毛细管。水在其中能然界的毛细管。水在其中能产生毛细运动。因此，在地产生毛细运动。因此，在地下水面以上便形成了一个普下水面以上便形成了一个普遍的毛细上升带。毛细上升遍的毛细上升带。毛细上升现象是地下水对孔壁的吸附现象是地下水对孔壁的吸附力和水的表面张力二者与毛力和水的表面张力二者与毛细管中水的重力产生平衡作细管中水的重力产生平衡作用的结果。用的结果。毛细水能够传递静水压毛细水能够传递静水压力，具有溶解能力，其性质力，具有溶解能力，其性质近似普通水。在多孔介质中近似普通水。在多孔介质中毛细水的运动不服从达西定毛细水的运动不服从达西定律，而受毛细管力的控制。律，而受毛细管力的控制。7 7、岩石骨架中的水：、岩石骨架中的水：指保存于矿物结晶格架中，指保存于矿物结晶格架中，已成为矿物组成部分的水。已成为矿物组成部分的水。（1 1）结晶水结晶水：当矿物中水的组成比例固定不变时：当矿物中水的组成比例固定不变时称结晶水，如石膏称结晶水，如石膏（CaSO4.2H2O）等矿物中的水。等矿物中的水。（2 2）当所含水的比例可变且较易脱出时称）当所含水的比例可变且较易脱出时称沸石水沸石水，如蛋白石如蛋白石（SiO2.nH2O）、）、方沸石方沸石（NaAl2Si4O2.nH2O）等矿物中的水。等矿物中的水。（3 3）一些水以）一些水以（OH）或或（H）的形式参与矿物组的形式参与矿物组分，互相结合紧密，只有当矿物结构破坏后，并加分，互相结合紧密，只有当矿物结构破坏后，并加热到热到400400至至500500度时才能分离出来，这种水称为度时才能分离出来，这种水称为结构结构水水，如水铝石，如水铝石（AlO.OH）、）、白云母白云母（K、H2Al2Si2O3）等矿物中的水。等矿物中的水。三、包气带和饱水带、含水层和隔水层三、包气带和饱水带、含水层和隔水层1 1、包气带和饱水带、包气带和饱水带 在地表以下一定在地表以下一定深度处存在着地下水深度处存在着地下水面。地下水面以上，面。地下水面以上，称之为包气带（非饱称之为包气带（非饱和带）；地下水面以和带）；地下水面以下，称为饱水带（饱下，称为饱水带（饱和带）。和带）。自上而下包气带自上而下包气带分为：土壤水带、分为：土壤水带、中间带和毛细水中间带和毛细水带带 饱水带岩石空饱水带岩石空隙全部为液态水隙全部为液态水充满，既有自由充满，既有自由水，又有结合水。水，又有结合水。由于饱水带中由于饱水带中的地下水连续分的地下水连续分布，能够传递静布，能够传递静水压力，故在水水压力，故在水头差的作用下，头差的作用下，可以发生连续运可以发生连续运动。动。2 2、含水层和隔水层、含水层和隔水层 饱水带岩层按其透过和给出水的能力，可划饱水带岩层按其透过和给出水的能力，可划分为含水层和隔水层。分为含水层和隔水层。（1 1）含水层是指能够透过并给出相当数量水的）含水层是指能够透过并给出相当数量水