水文地質(zhì)學(xué)課程

水文地質(zhì)學(xué)課程第1頁/共147頁與地下水有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境問題

沼澤濕地消失，綠州變沙漠產(chǎn)生地面沉降、裂縫海水或咸水將入侵淡地下水地下水源污染突水等工程事故地下水位變化破壞巖土體的力學(xué)平衡第2頁/共147頁地面沉降、塌陷地面沉降是由于超量集中開采地下水，造成地下水水位的大幅度下降，含水介質(zhì)壓密所至。地面塌陷主要發(fā)生在巖溶水分布地區(qū)，特別是城市地下水集中開采局部地段較為多見。第3頁/共147頁地裂縫過量開采地下水使淺層地下水位大幅度下降后，會(huì)疏干原有的沼澤濕地；在干旱地區(qū)淺層地下水位大幅度下降，原有的綠洲會(huì)變成沙漠，還會(huì)引發(fā)地表開裂等。第4頁/共147頁第5頁/共147頁海水入侵主要是由于大量開采地下水以后，引起海入回灌，造成水質(zhì)損害，減少可利用的地下水資源。。問題比較嚴(yán)重的地區(qū)主要有遼寧的大連市、河北的秦始島市，山東的青島市、福建的廈門市以及廣西的北海等。

第6頁/共147頁地下采礦或進(jìn)行各種地下工程（隧洞，地下廠房）時(shí)，地下水的涌入常使施工困難，成本增高，甚至造成毀滅性事故。地下工程滲漏水問題第7頁/共147頁

地下工程滲漏水是嚴(yán)重的病害，是工程隱患，危害極大。目前我國隧道與地下工程滲漏較普遍，據(jù)統(tǒng)計(jì)約有三分之一的隧道存在滲漏。京津滬已建成的地鐵工程也存在不同程度的滲漏。隧道與地下工程的滲漏問題不僅影響使用，而且治理滲漏的費(fèi)用也很大。有的在建設(shè)之中就發(fā)生滲漏，造成的后果比較嚴(yán)重。如建設(shè)期間的隧道突水問題。第8頁/共147頁宜萬鐵路野三關(guān)隧道突水地下工程涌（突）水第9頁/共147頁P(yáng)oShanRoadConduitRoadNotewellRoad由于降雨等原因，引起岸坡地下水位上升，從而導(dǎo)致滑坡、水庫誘發(fā)地震等。

滑坡第10頁/共147頁深基坑排水第11頁/共147頁二、水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展1856達(dá)西試驗(yàn)—達(dá)西定律，達(dá)西定律提供了地下水定量計(jì)算的依據(jù)，奠定了作為學(xué)科分支的水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)；1863年裘布依提出地下水穩(wěn)定井流公式；1935年美國人泰斯提出地下水非穩(wěn)定井流公式；以上時(shí)期地下水計(jì)算采用的是只能求解簡(jiǎn)單條件下地下水流的解析法本世紀(jì)30年代起，提出電流模擬地下水，物理模擬；本世紀(jì)中葉，有關(guān)地下水賦存、運(yùn)動(dòng)、補(bǔ)給、排泄、起源、水化學(xué)以及水量評(píng)價(jià)等方面，已有了一套比較完整的理論與研究方法，水文地質(zhì)學(xué)已經(jīng)確立為一門成熟的學(xué)科了第12頁/共147頁二次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)后，世界各地都出現(xiàn)地下水水位深降、地下水資源枯竭、地面沉降、海水與咸水入侵淡含水層、地下水污染等問題，正確地評(píng)價(jià)、開發(fā)、管理與保護(hù)地下水資源以及保護(hù)與地下水有關(guān)的生態(tài)環(huán)境，成為當(dāng)務(wù)之急。離散介質(zhì)電網(wǎng)絡(luò)模擬一度成為主要的計(jì)算手段1956年，開始將數(shù)值方法用于水文地質(zhì)計(jì)算，60年代計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，復(fù)雜條件下水文地質(zhì)問題的數(shù)學(xué)求解方法大量涌現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的商業(yè)模擬軟件本世紀(jì)60年代，同位素技術(shù)開始用于解決某些水文地質(zhì)問題。隨后，數(shù)學(xué)地質(zhì)方法與遙感技術(shù)也開始引入水文地質(zhì)學(xué)。近年來，能夠有效處理大量空間信息的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)（GeographicalInformationSystem）受到水文地質(zhì)學(xué)家的注意而開始應(yīng)用第13頁/共147頁

MODFLOW(Modularthreedimensionalfinitedifferencegroundwaterflowmodel)是由美國地質(zhì)調(diào)查局(U.S.GeologicalSurvey)的McDonald和Harbaugh于80年代開發(fā)出來的一套專門用于孔隙介質(zhì)中三維有限差分地下水流數(shù)值模擬的軟件。自從它問世以來,MODFLOW已經(jīng)在全美甚至在全世界范圍內(nèi),在科研、生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃、水資源利用等許多行業(yè)和部門得到了廣泛的應(yīng)用,成為最為普及的地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬的計(jì)算軟件。第14頁/共147頁MODFLOW的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是它采用了模塊化結(jié)構(gòu)(ModularStructure),包括一個(gè)主程序(MainProgram)和若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子程序包(Package)。每個(gè)子程序中有數(shù)個(gè)模塊(Module),每個(gè)模塊用以完成數(shù)值模擬的一部分。例如“河流子程序包”用來模擬河流對(duì)含水層的影響;“井流子程序包”用來模擬抽水井和注水井對(duì)含水層的影響;用來模擬抽水引起地面沉降的子程序包;用來模擬水平流動(dòng)障礙的子程序包;溶質(zhì)運(yùn)移子程序包等。用戶可以根據(jù)實(shí)際工作需要選用其中某些相關(guān)的子程序包對(duì)地下水進(jìn)行數(shù)值模擬VISUALMODFLOW是在MODFLOW的基礎(chǔ)上，開發(fā)菜單界面和可視化功能，簡(jiǎn)化建模程序，增強(qiáng)人機(jī)對(duì)話能力第15頁/共147頁第16頁/共147頁第17頁/共147頁第18頁/共147頁

地下水模擬系統(tǒng)GMS(GroundwaterModelingSystem)是美國BrighamYoungUniversity的環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國軍隊(duì)排水工程試驗(yàn)工作站在綜合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個(gè)綜合性的、用于地下水模擬的圖形界面軟件。由于GMS軟件具有良好的使用界面,強(qiáng)大的前處理、后處理功能及優(yōu)良的三維可視效果,目前已成為國際上最受歡迎的地下水模擬軟件。第19頁/共147頁第20頁/共147頁IGW-INTERACTIVEGROUNDWATERIGW是密西根州立大學(xué)LiShuguang教授的研究團(tuán)隊(duì)把有限控制體積法運(yùn)用于地下水滲流計(jì)算，開發(fā)出IGW數(shù)值模擬軟件。該軟件核心程序編制良好，且具有互動(dòng)、實(shí)時(shí)、可視化分析和監(jiān)測(cè)等綜合功能。該模擬系統(tǒng)可進(jìn)行各向異性介質(zhì)中地下水水流流場(chǎng)及非均勻流場(chǎng)污染物運(yùn)移的模擬計(jì)算。該軟件還在不斷的完善和發(fā)展當(dāng)中，其最突出的優(yōu)點(diǎn)就是界面十分友好，人機(jī)對(duì)話容易。該軟件還把GIS數(shù)據(jù)庫嵌入程序當(dāng)中，可以通過調(diào)用GIS數(shù)據(jù)直接建模。第21頁/共147頁GIS-BASEDGROUNDWATERMODELING

MichiganwaterwellsNHDstreamnetworkConceptualmodelNumericalmodel,IGW可以利用GIS數(shù)據(jù)庫，直接導(dǎo)入各種數(shù)據(jù)，快速建立復(fù)雜數(shù)學(xué)模型第22頁/共147頁INTEGRATED3DGROUNDWATERVISUALIZATION

IGW可以模擬各種復(fù)雜地層、剖面及動(dòng)態(tài)顯示水位、流速、污染物運(yùn)移等第23頁/共147頁STOCHASTICGROUNDWATERMODELINGIGW可以模擬隨機(jī)地下水問題第24頁/共147頁第一章基本概念

第一節(jié)自然界中的水循環(huán)－水文循環(huán)和地質(zhì)循環(huán)

水文循環(huán)是發(fā)生于大氣水、地表水和地殼巖石空隙中的地下水之間的水循環(huán)，水文循環(huán)的速度較快，途徑較短，轉(zhuǎn)換交替比較迅速。

第25頁/共147頁第26頁/共147頁水文循環(huán)分為小循環(huán)與大循環(huán)。海洋與大陸之間的水分交換為大循環(huán)。海洋或大陸內(nèi)部的水分交換稱為小循環(huán)。無論地表水或地下水，都是自然界水文循環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，均以大氣降水為其補(bǔ)給來源第27頁/共147頁水的地質(zhì)循環(huán)發(fā)生于地球淺層圈與深層圈之間，常伴有水分子的分解與合成，轉(zhuǎn)換速度緩慢，過去常被人們所忽視。隨著對(duì)各種成巖、成礦地質(zhì)作用認(rèn)識(shí)的深化，水參與各種地質(zhì)作用過程的意義不斷被人們所認(rèn)識(shí)。研究水的地質(zhì)循環(huán)，對(duì)于深入了解水的起源，水在各種地質(zhì)作用過程乃至地球演化過程中的作用，都具有重要意義。第28頁/共147頁第29頁/共147頁第二節(jié)巖石中的空隙

巖石空隙是地下水儲(chǔ)存場(chǎng)所和運(yùn)動(dòng)通道?？障兜亩嗌佟⒋笮?、形狀、連通情況和分布規(guī)律，對(duì)地下水的分布和運(yùn)動(dòng)具有重要影響。將巖石空隙作為地下水儲(chǔ)存場(chǎng)所和運(yùn)動(dòng)通道研究時(shí)，可分為三類，即：松散巖石中的孔隙，堅(jiān)硬巖石中的裂隙和可溶巖石中的溶穴。第30頁/共147頁第31頁/共147頁一、孔隙：松散巖石是由大小不等的顆粒組成的。顆粒或顆粒集合體之間的空隙，稱為孔隙孔隙體積的多少可用孔隙度表示：第32頁/共147頁二、裂隙：固結(jié)的堅(jiān)硬巖石一般不存在或只保留一部分顆粒之間的孔隙，而主要發(fā)育各種應(yīng)力作用下巖石破裂變形產(chǎn)生的裂隙。第33頁/共147頁

成巖裂隙是巖石在成巖過程中由于冷凝收縮（巖漿巖）或固結(jié)干縮（沉積巖）而產(chǎn)生的；

構(gòu)造裂隙是巖石在構(gòu)造變動(dòng)中受力而產(chǎn)生的。這種裂隙具有方向性，大小懸殊（由隱蔽的節(jié)理到大斷層），分布不均一；風(fēng)化裂隙是風(fēng)化營力作用下，巖石破壞產(chǎn)生的裂隙，主要分布在地表附近。第34頁/共147頁裂隙的多少以裂隙率表示：Kr：裂隙率，Vr：裂隙體積，V：包括裂隙在內(nèi)的巖石體積。裂隙的方向、寬度、延伸長度、充填情況等都對(duì)水的運(yùn)動(dòng)具有重要影響。

第35頁/共147頁三、溶穴：

可溶的沉積巖，如巖鹽、石膏、石灰?guī)r和白云巖等，在地下水溶蝕下會(huì)產(chǎn)生空洞，這種空隙稱為溶穴（隙）

溶穴的大小用巖溶率表示：

溶穴的規(guī)模十分懸殊，大的溶洞可寬達(dá)數(shù)十米，高數(shù)十乃至百余米，長達(dá)幾至幾十公里，而小的溶孔直徑僅幾毫米。巖溶發(fā)育帶巖溶率可達(dá)百分之幾十，而其附近巖石的巖溶率幾乎為零。第36頁/共147頁

巖石中的空隙，必須以一定方式連接起來構(gòu)成空隙網(wǎng)絡(luò)，才能成為地下水有效的儲(chǔ)容空間和運(yùn)移通道。松散巖石中的孔隙分布于顆粒之間，連通良好，分布均勻，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少都很接近。賦存于其中的地下水分布與流動(dòng)都比較均勻。堅(jiān)硬基巖的裂隙是寬窄不等，長度有限的線狀縫隙，往往具有一定的方向性。只有當(dāng)不同方向的裂隙相互穿切連通時(shí)，才在某一范圍內(nèi)構(gòu)成彼此連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)。裂隙的連通性遠(yuǎn)較孔隙為差?？扇軒r石的溶穴是一部分原有裂隙與原生孔縫溶蝕擴(kuò)大而成的，空隙大小懸殊且分布極不均勻。因此，賦存于可溶巖石中的地下水分布與流動(dòng)通常極不均勻。

第37頁/共147頁四、與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石的性質(zhì)容水度nr：容水度是指巖石完全飽水時(shí)所能容納的最大的水體積與巖石總體積的比值。反應(yīng)巖石最大含水能力?？捎眯?shù)或百分?jǐn)?shù)表示

含水量ω：松散巖石實(shí)際所含水的重量與干燥巖石重量之比?？紫冻浞诛査畷r(shí)的含水量稱作飽和含水量，飽和含水量與實(shí)際含水量之間的差值稱為飽和差。實(shí)際含水量與飽和含水量之比稱為飽和度。

巖石空隙大小、多少、連通程度及其分布的均勻程度，都對(duì)其儲(chǔ)容、滯留、釋出以及透過水的能力有影響。

第38頁/共147頁給水度（specificyield）——

：當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€(gè)單位高度時(shí)，單位水平面積巖石柱體，在重力作用下釋放出來的水的體積影響給水度μ值的因素：對(duì)于均質(zhì)的松散巖石，給水度的大小與巖性、初始地下水位埋藏深度以及地下水位下降速率等因素有關(guān)a)巖性：空隙大的松散巖石給水度大b)當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谥С置?xì)水帶高度時(shí)H0

＞＞hc,可達(dá)最大μ值c）當(dāng)?shù)叵滤幌陆邓俾蚀髸r(shí)，給水度偏小第39頁/共147頁對(duì)于均質(zhì)的顆粒較細(xì)小的松散巖石，只有當(dāng)其初始水位埋藏深度足夠大、水位下降速率十分緩慢時(shí)，釋水才比較充分，給水度才能達(dá)到其理論最大值。第40頁/共147頁持水度Sr：地下水位下降時(shí)，一部分水由于毛細(xì)力（以及分子力）的作用而仍舊反抗重力保持于空隙中。地下水位下降一個(gè)單位深度，單位水平面積巖石柱體中反抗重力而保持于巖石空隙中的水量，稱作持水度給水度、持水度與孔隙度的關(guān)系是：所有影響給水度的因素也就是影響持水度的因素第41頁/共147頁透水性：巖石的透水性是指巖石允許水透過的能力。表征巖石透水性的定量指標(biāo)是滲透系數(shù)。決定透水性好壞的主要因素是孔隙大?。恢挥性诳紫洞笮∵_(dá)到一定程度，孔隙度才對(duì)巖石的透水性起作用巖石的透水能力并不取決于平均孔隙直徑,而在很大程度上取決于最小的孔隙直徑分選程度對(duì)于松散巖石透水性的影響，往往要超過孔隙度.因?yàn)轭w粒分選性，除了影響孔隙大小，還決定著孔隙通道沿程直徑的變化和曲折性第42頁/共147頁第二章地下水的賦存

第43頁/共147頁一、包氣帶與飽水帶：地表以下一定深度，巖石中的空隙被重力水所充滿，形成地下水面。地下水面以上稱為包氣帶；地下水面以下稱為飽水帶第44頁/共147頁

包氣帶水來源于大氣降水的入滲，地表水體的滲漏，由地下水面通過毛細(xì)上升輸送的水，以及地下水蒸發(fā)形成的氣態(tài)水。飽水帶巖石空隙全部為液態(tài)水所充滿。飽水帶中的水體是連續(xù)分布的，能夠傳遞靜水壓力，在水頭差的作用下，可以發(fā)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

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二、含水層、隔水層與弱透水層含水層（Aquifer）：是能夠透過并給出相當(dāng)數(shù)量水的巖層—各類砂土，砂巖等隔水層（Aquifuge)：不能透過與給出水或透過與給出的水量微不足道的巖層——裂隙不發(fā)育的基巖、頁巖、板巖、粘土（致密）弱透水層（Aquitard）：滲透性很差，給出的水量微不足道，但在較大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的巖層——各種粘土，泥質(zhì)粉砂巖第46頁/共147頁三、地下水分類據(jù)地下水的賦存特征可將地下水分為包氣帶水、潛水及承壓水。狹義的地下水指飽水帶中的水。按含水介質(zhì)（空隙）類型，可將地下水區(qū)分為孔隙水、裂隙水及巖溶水

第47頁/共147頁第48頁/共147頁第49頁/共147頁潛水：飽水帶中第一個(gè)具有自由表面的含水層中的水稱作潛水。從潛水面到隔水底板的距離為潛水含水層的厚度。潛水面到地面的距離為潛水埋藏深度。第50頁/共147頁潛水的特征：潛水的全部分布范圍都可以通過包氣帶接受大氣降水、地表水的補(bǔ)給潛水在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方徑流徑流排泄與蒸發(fā)排泄?jié)撍乃|(zhì)主要取決于氣候、地形及巖性條件潛水的動(dòng)態(tài)有明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)第51頁/共147頁承壓水充滿于兩個(gè)隔水層（弱透水層）之間的含水層中的水，叫作承壓水。承壓含水層上部的隔水層（弱透水層）稱作隔水頂板，下部的隔水層（弱透水層）稱作隔水底板。隔水頂?shù)装逯g的距離為承壓含水層厚度。第52頁/共147頁承壓水的特征

主要通過含水層出露于地表的補(bǔ)給區(qū)（潛水分布區(qū)）獲得補(bǔ)給，并通過范圍有限的排泄區(qū)。當(dāng)頂?shù)装鍨槿跬杆畬訒r(shí)，它還可以從上下部含水層獲得越流補(bǔ)給，也可向上下部含水層進(jìn)行越流排泄與外界聯(lián)系愈密切，參加水循環(huán)愈積極，承壓水的水質(zhì)就愈接近于入滲的大氣降水與地表水，通常為含鹽量低的淡水。與外界聯(lián)系差，水循環(huán)緩慢，水的含鹽量就高。承壓含水層接受補(bǔ)給時(shí)，由于隔水頂板的限制，不通過增加含水層厚度而容納增加的水量。增加的水量通過水的密度加大及含水介質(zhì)空隙的增加而容納。承壓含水層排泄時(shí)，減少的水量表現(xiàn)為含水層中水的密度變小及含水介質(zhì)空隙縮減。第53頁/共147頁承壓含水層與潛水含水層釋出（或儲(chǔ)存）水的機(jī)理比較：水位下降時(shí)潛水含水層所釋出的水來自部分空隙的排水。而測(cè)壓水位下降時(shí)承壓含水層所釋出的水來自含水層體積的膨脹及含水介質(zhì)的壓密（從而與承壓含水層厚度有關(guān)）。顯然，測(cè)壓水位下降時(shí)承壓含水層以此種形式釋出的水，遠(yuǎn)較潛水含水層水位下降時(shí)釋出的為小。一般，承壓含水層的貯水系數(shù)為0.005—0.00005，常較潛水含水層小l—3個(gè)數(shù)量級(jí)。由此不難理解，開采承壓含水層往往會(huì)形成大面積測(cè)壓水位大幅度下降。第54頁/共147頁承壓含水層的貯水系數(shù)S：是指其測(cè)壓水位下降（或上升）一個(gè)單位深度，單位水平面積含水層釋出（或儲(chǔ)存）的水的體積。（也有人稱之為彈性給水度μe）潛水含水層的貯水系數(shù)Sy（也有人稱之為給水度μ）當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€(gè)單位高度時(shí)，單位水平面積含水層在重力作用下釋放出來的水的體積。第55頁/共147頁第三章地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

第一節(jié)基本概念普通水流與滲流第56頁/共147頁滲流與普通水流共同點(diǎn)：1）總體流向取決于水頭差；2）流量取決于水頭差及沿程損耗。區(qū)別：1）水在管道中運(yùn)動(dòng)取決于管道大小、形狀及粗糙度；2）滲流運(yùn)動(dòng)取決于空隙大小、形狀、連通性。第57頁/共147頁滲流的特點(diǎn)滲流通道是曲折的，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡彎曲；流速緩慢，多為層流；水流僅在空隙中運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)介質(zhì)中不連續(xù)；水流通常是非穩(wěn)定的，通常為緩變流。第58頁/共147頁層流：在巖層空隙中滲流時(shí)，水的質(zhì)點(diǎn)作有秩序的、互不混雜的流動(dòng)，稱作層流運(yùn)動(dòng)。紊流：在寬大的空隙中（大的溶穴、寬大裂隙)，水的流速較大時(shí)，水的質(zhì)點(diǎn)無秩序地、互相混雜的流動(dòng)，稱為紊流運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)定流：水只在滲流場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)要素（水位、流速、流向等）不隨時(shí)間改變時(shí)，稱作穩(wěn)定流。非穩(wěn)定流：運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間變化的水流運(yùn)動(dòng)，稱作非穩(wěn)定流第59頁/共147頁地下水滲流的研究方法研究地下水的滲流可以從分子的、微觀的和宏觀的三種不同尺度出發(fā)：分子的觀點(diǎn)：對(duì)大量分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以求得平均結(jié)果，使用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法；微觀的觀點(diǎn)：研究流體質(zhì)點(diǎn)在孔隙和縫隙中的微觀運(yùn)動(dòng)，使用的工具是數(shù)學(xué)分析的方法；宏觀的觀點(diǎn)：對(duì)大量的微觀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行宏觀平均，使用的工具是實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)分析相結(jié)合的方法在地下水的研究中廣泛使用宏觀的方法，這一方法的基礎(chǔ)是多孔介質(zhì)”典型體元”（REV)的概念，并把多孔介質(zhì)看作連續(xù)介質(zhì)第60頁/共147頁第61頁/共147頁第62頁/共147頁第63頁/共147頁第64頁/共147頁第65頁/共147頁第66頁/共147頁第二節(jié)達(dá)西定律

第67頁/共147頁第68頁/共147頁

因此，Re<10為達(dá)西定律的上限2.達(dá)西定律在粘性土中的應(yīng)用第69頁/共147頁滲透系數(shù)K（coefficientofpermeability）又稱水力傳導(dǎo)率（hydraulicconductivity）定義：水力梯度為1時(shí)的滲透流速（V=KI），一般采用m/d或cm/s為單位。

第70頁/共147頁第71頁/共147頁第72頁/共147頁第73頁/共147頁第74頁/共147頁滲透系數(shù)K雖然能說明巖層的透水性，但它不能單獨(dú)說明含水層的出水能力。導(dǎo)水系數(shù)：量綱[L2T-1]第75頁/共147頁第76頁/共147頁第77頁/共147頁第78頁/共147頁非均質(zhì)巖層有兩種類型，一種類型的透水性是漸變的，如某些古河道沉積物由上向下顆粒逐漸變粗，透水性逐漸增強(qiáng)；一種類型的透水性是突變的，如在砂層中夾有一些小的粘土透鏡體。均質(zhì)與非均質(zhì)的概念是指巖層透水性和空間坐標(biāo)的關(guān)系，各向同性與各向異性的概念是指巖層透水性和水流方向的關(guān)系。均質(zhì)各向異性含水層：某些黃土，垂直方向的滲透系數(shù)大于水平方向的滲透系數(shù)，而不同點(diǎn)相同方向的滲透系數(shù)又是相等的，因此叫均質(zhì)各向異性；非均質(zhì)各向同性含水層：某些巨厚砂層中夾有粘土透鏡體，砂和粘土分別都是各向同性，而兩者透水性差異很大，因此含水層是非均質(zhì)的。第79頁/共147頁各向異性介質(zhì)中地下水流的達(dá)西定律第80頁/共147頁第四章地下水的補(bǔ)給與排泄

地下水經(jīng)常不斷地參與著自然界的水循環(huán)。含水層或含水系統(tǒng)經(jīng)由補(bǔ)給從外界獲得水量，通過徑流將水量由補(bǔ)給處輸送到排泄處向外界排出。在補(bǔ)給與排泄過程中，含水層與含水系統(tǒng)除了與外界交換水量外，還交換能量、熱量與鹽量。因此，補(bǔ)給、排泄與徑流決定著地下水水量水質(zhì)在空間與時(shí)間上的分布。第81頁/共147頁一、地下水的補(bǔ)給地下水的補(bǔ)給來源有大氣降水、地表水、凝結(jié)水，來自其它含水層或含水系統(tǒng)的水等。與人類活動(dòng)有關(guān)的地下水補(bǔ)給有灌溉回歸水、水庫滲漏水，以及專門性的人工補(bǔ)給。第82頁/共147頁大氣降水對(duì)地下水的補(bǔ)給第83頁/共147頁滲入地面以下的水，不等于補(bǔ)給含水層的水。其中相當(dāng)一部分將滯留于包氣帶中構(gòu)成土壤水，通過土面蒸發(fā)與葉面蒸騰的方式從包氣帶水直接轉(zhuǎn)化為大氣水。降雨入滲系數(shù)：α稱為降水入滲系數(shù)，即每年總降水量補(bǔ)給地下水的份額，常以小數(shù)表示。α通常變化于0.2—0.5之間，我國南方巖溶地區(qū)α可高達(dá)0.8以上，西北極端干旱的山間盆地則趨于零。影響大氣降水補(bǔ)給地下水的因素比較復(fù)雜，其中主要有年降水總量、降水特征、包氣帶的巖性和厚度、地形、植被等。第84頁/共147頁地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給第85頁/共147頁

河水補(bǔ)給地下水時(shí)，補(bǔ)給量的大小取決于下列因素：相當(dāng)于過水?dāng)嗝婧哟餐杆裕B透系數(shù)）河水位與地下水位的高差（影響水力梯度）河床過水時(shí)間，對(duì)此可以用達(dá)西定律進(jìn)行分析。第86頁/共147頁潛水和承壓水含水層接受降水及地表水補(bǔ)給第87頁/共147頁含水層之間的補(bǔ)給：兩個(gè)含水層之間存在水頭差且有聯(lián)系的通路，則水頭較高的含水層便補(bǔ)給水頭較低者第88頁/共147頁第89頁/共147頁第90頁/共147頁第91頁/共147頁第92頁/共147頁相鄰含水層通過其間的弱透水層發(fā)生水量交換，稱作越流。越流經(jīng)常發(fā)生于松散沉積物中，粘性土層構(gòu)成弱透水層。第93頁/共147頁地下水的排泄地下水通過泉、向河流泄流及蒸發(fā)、蒸騰等方式向外界排泄；此外，還存在一個(gè)含水層（含水系統(tǒng)）向另一含水層（含水系統(tǒng)）的排泄；用井孔抽汲地下水，或用渠道、坑道等排除地下水，均屬地下水的人工排泄。第94頁/共147頁泉：泉是地下水的天然露頭，在地形面與含水層或含水通道相交點(diǎn)地下水出露成泉。根據(jù)補(bǔ)給泉的含水層的性質(zhì)，可將泉分為上升泉及下降泉兩大類。上升泉由承壓含水層補(bǔ)給。下降泉由潛水或上層滯水補(bǔ)給第95頁/共147頁第96頁/共147頁濟(jì)南市市區(qū)位于泰山背斜北翼北緣。濟(jì)南南部山丘地區(qū)分布著大面積的寒武、奧陶系石灰?guī)r巖層，巖層由東南向西北傾斜傾沒于市區(qū)地下，形成典型的單斜構(gòu)造。至市區(qū)大明湖一帶受火成巖(輝長、閃長巖)阻擋和包圍，石灰?guī)r呈舌狀“嵌入”，并有一層火成巖覆蓋于石灰?guī)r之上，其上還有第四系覆蓋層。接觸部位石灰?guī)r受熱液作用及斷層構(gòu)造影響，裂隙巖溶發(fā)育，為地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)提供了條件。南部大氣降水通過巖溶裂隙滲入地下，形成了豐富的地下巖溶水，巖溶水順層向下游運(yùn)動(dòng)，遇火成巖體阻擋，水位承壓上升，沿火成巖或石灰?guī)r的構(gòu)造裂隙向上運(yùn)動(dòng)，在地勢(shì)低、靜壓力最弱的地方出露成泉。趵突泉等四大泉群一帶地勢(shì)低洼，為26.4—27m，同時(shí)石灰?guī)r的“舌狀”“嵌入”使其裂隙發(fā)育，連通性強(qiáng)，由此形成了四大泉群泉水噴涌的壯麗景觀。第97頁/共147頁

第五章孔隙水

孔隙水賦存于松散沉積物顆粒構(gòu)成的孔隙網(wǎng)絡(luò)之中。在我國，第四系與部分第三系屬未膠結(jié)或半膠結(jié)的松散沉積物，賦存孔隙地下水。第98頁/共147頁洪積扇中的地下水

第99頁/共147頁由山口向平原（盆地），由于水動(dòng)力條件控制著沉積作用，洪積扇顯示良好的地貌巖性分帶；地貌上坡度由陡變緩，巖性上由粗變細(xì)；巖層透水性由好到差，地下水位埋深由大而小，補(bǔ)給條件由好到差；排泄由徑流為主轉(zhuǎn)化到以蒸發(fā)為主（干旱半干旱氣候下），水化學(xué)作用由溶濾到濃縮，礦化度由小到大，水化學(xué)類型產(chǎn)生相應(yīng)變化；地下水位的變動(dòng)也由大到小。第100頁/共147頁沖積平原中的地下水第101頁/共147頁現(xiàn)代河道與近期古河道地勢(shì)高、巖性粗，滲透性好，利于接受地表水與降水的入滲補(bǔ)給，地下水埋藏深度大，蒸發(fā)較弱，以溶濾作用為主，水質(zhì)良好。自兩側(cè)向河間洼地，地勢(shì)逐漸變低，巖性變細(xì)，滲透性變差，地下水位變淺，蒸發(fā)增加，礦化度增大。第102頁/共147頁湖積物中的地下水湖積物屬于靜水沉積。顆粒分選良好，層理細(xì)密，岸邊淺水處沉積砂礫等粗粒物質(zhì)，向湖心逐漸過渡為粘土。構(gòu)成主要含水層的砂礫，展布廣、厚度大（單層厚度甚至可高達(dá)100m以上），剖面上為層狀或延伸遠(yuǎn)的長透鏡狀。第103頁/共147頁湖積物多被沖積物所覆蓋，裸露于地表的粗粒湖泊物很少見。由于湖積物往往是砂礫石與粘土的互層，垂向越流補(bǔ)給比較困難。側(cè)向上分布廣泛的粗粒的湖積含水砂礫層主要通過進(jìn)入湖泊的沖積砂層與外界聯(lián)系。湖積物通常有規(guī)模大的含水砂礫層，容易給人以賦存地下水豐富的印象。第104頁/共147頁黃土高原的地下水我國西部黃土高原普遍分布黃土。黃土的粉土含量大于60％，富含鈣質(zhì)，結(jié)構(gòu)較為疏松。黃土均發(fā)育垂直節(jié)理，且多蟲孔、根孔等以垂向?yàn)橹鞯拇罂紫?。因此，黃土的垂向滲透系數(shù)常比水平方向大幾倍到幾十倍黃土高原地下水水量不豐富，地下水位埋深大，水質(zhì)較差。這是巖性、地貌、氣候綜合影響的結(jié)果。第105頁/共147頁第六章裂隙水

松散巖層中，空隙分布連續(xù)均勻，構(gòu)成具有統(tǒng)一水力聯(lián)系、水量分布均勻的層狀含水系統(tǒng)裂隙巖層只有在一些特殊的條件下才能形成水量分布比較均勻的層狀含水系統(tǒng)。例如，夾于厚層塑性巖層中的薄層脆性巖層、規(guī)模比較大的風(fēng)化裂隙巖層等裂隙在巖層中所能占有的賦存空間很有限裂隙在巖層中分布很不均裂隙通道在空間上的展布具有明顯的方向性裂隙巖層一般并不形成具有統(tǒng)一水力聯(lián)系、水量分布均勻的含水層第106頁/共147頁第107頁/共147頁一、成巖裂隙水成巖裂隙是巖石在成巖過程中受內(nèi)部應(yīng)力作用而產(chǎn)生的原生裂隙。沉積巖固結(jié)脫水、巖漿巖冷凝收縮等均可產(chǎn)生成巖裂隙。沉積巖及深成巖漿巖的成巖裂隙通常多是閉合的，含水意義不大第108頁/共147頁二、風(fēng)化裂隙水暴露于地表的巖石，在溫度變化和水、空氣、生物等風(fēng)化營力作用下形成風(fēng)化裂隙。密集均勻、無明顯方向性、連通良好。風(fēng)化營力決定著風(fēng)化裂隙層呈殼狀包裹于地面，一般厚度數(shù)米到數(shù)十米，風(fēng)化裂隙水一般為潛水，被后期沉積物覆蓋的古風(fēng)化殼可賦存承壓水。第109頁/共147頁第110頁/共147頁三、構(gòu)造裂隙水構(gòu)造裂隙是在地殼運(yùn)動(dòng)過程中巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，它是所有裂隙成因類型中最常見、分布范圍最廣、與各種水文地質(zhì)工程地質(zhì)問題關(guān)系最密切的類型，是裂隙水研究的主要對(duì)象。構(gòu)造裂隙的特點(diǎn)：具有明顯而又比較穩(wěn)定的方向性應(yīng)力集中的部位，裂隙常較發(fā)育，巖層透水性也好。同一裂隙含水層中，背斜軸部常較兩翼富水，傾斜巖層較平緩巖層富水，斷層帶附近往往格外富水第111頁/共147頁構(gòu)造裂隙的分類第112頁/共147頁縱裂隙與構(gòu)造線（巖層走向）大體平行，野外一般表現(xiàn)為延伸較長，在褶皺翼部為壓剪性，在褶皺核部為張性，特別是在背斜核部常形成延伸幾十米至上百米、張開寬度達(dá)1mm以上的大裂隙密集帶?？v裂隙的走向與巖層層面一致。因此在層面裂隙的共同作用下，縱裂隙的延伸方向往往就是巖層導(dǎo)水能力最大的方向；第113頁/共147頁橫裂隙一般是張性的，張開寬度最大，但一般延伸不遠(yuǎn)，呈兩端尖滅的透鏡體狀；斜裂隙是剪應(yīng)力形成的，延伸長度及張開性都相對(duì)差一些；斜裂隙實(shí)際上包括兩組共軛剪節(jié)理，但野外往往一組發(fā)育，另一組不發(fā)育。第114頁/共147頁層面裂隙構(gòu)成沉積巖的主要裂隙組，其它組裂隙一般不切穿上下層面（少數(shù)大裂隙除外），垂直層面方向的延伸受到層面裂隙的控制。層面裂隙的疏密對(duì)其它裂隙的長短、疏密和均勻程度存在較大影響。這是由于層面是巖層中的軟弱面，構(gòu)造應(yīng)力作用下巖層首先沿此面破壞移動(dòng)，構(gòu)造應(yīng)力進(jìn)行釋放和傳遞。第115頁/共147頁夾于塑性巖層中的薄層脆性巖層，往往發(fā)育密集而均勻的張開裂隙。褶皺時(shí)，塑性巖層沿層面方向流展，對(duì)夾于其間的脆性巖層施加一個(gè)順層的拉張力，脆性巖層被拉斷而形成張裂隙。脆性巖層夾層越薄，抗拉能力越小，張開裂隙就越密集。這樣的夾層常是山區(qū)找水的理想布井層位。第116頁/共147頁第117頁/共147頁裂隙介質(zhì)及其滲流第118頁/共147頁一個(gè)獨(dú)立的裂隙水流通道，在三維空間上可以被看作為一個(gè)有限大小、形狀不規(guī)則的板狀幾何體，或者看成一個(gè)橢圓形薄餅單個(gè)裂隙在其自身所在的平面上的延伸是有限的，單個(gè)裂隙或同一方向上的若干平行裂隙并不能構(gòu)成連續(xù)的導(dǎo)水空間，只有不同方向的裂隙相互交切構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)時(shí)，才能在一定范圍內(nèi)具有傳輸?shù)叵滤墓δ?。?19頁/共147頁網(wǎng)絡(luò)的裂隙按其規(guī)?？蓜澐譃槿齻€(gè)級(jí)別：微小裂隙（有時(shí)也包括原生孔隙），在巖石中非常密集，延伸和張開性都很差，在新鮮完整的巖石上用肉眼不易發(fā)現(xiàn)，只有在巖石風(fēng)化后或經(jīng)錘擊破裂時(shí)才易看到。這些裂隙導(dǎo)水能力很差，但由于數(shù)量眾多，具有一定的貯水意義。中裂隙，巖層中數(shù)米一條至1米數(shù)條，長度延伸幾米至十幾米，是野外肉眼觀察所能見到的最普遍的裂隙。大裂隙（包括斷層），在巖層中數(shù)量很少，但張開寬度大，延伸遠(yuǎn)，在裂隙網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叵滤墓δ苌掀鹬饕刂谱饔玫?20頁/共147頁裂隙水流的基本特征裂隙含水系統(tǒng)通常具有樹狀或脈狀結(jié)構(gòu)，一些大的導(dǎo)水通道作用突出，使裂隙水表現(xiàn)出明顯的不均勻性，有時(shí)表現(xiàn)出突變性。在整個(gè)巖體中，裂隙通道所占的空間的比例很低，一般為千分之幾至千分之十幾。裂隙水流只發(fā)生在組成導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)的各裂隙通道內(nèi)，通道以外沒有水流，裂隙水的流場(chǎng)實(shí)際上是不連續(xù)的，滲流場(chǎng)的勢(shì)除了裂隙中的若干點(diǎn)外都是虛擬的水流被限制在迂回曲折的網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)，其局部流向與整體流向往往不一致，有時(shí)甚至與整體流向正好相反第121頁/共147頁第122頁/共147頁裂隙介質(zhì)的研究方法一、等效多孔介質(zhì)方法：等效多孔介質(zhì)方法就是用連續(xù)的多孔介質(zhì)的理論來研究非連續(xù)裂隙介質(zhì)中的問題。應(yīng)用條件：等效時(shí)含水系統(tǒng)的補(bǔ)、徑、排條件不能改變，如這些條件變化，等效便不再成立；等效是兩種介質(zhì)在特定功能上的等效，如大范圍內(nèi)導(dǎo)水能力等效是等效多孔介質(zhì)方法的最常用原則。求解大范圍的水量問題也是等效多孔介質(zhì)方法的主要適用范圍。第123頁/共147頁裂隙介質(zhì)及其等效多孔介質(zhì)

第124頁/共147頁二、雙重介質(zhì)方法：有些介質(zhì)如未充分膠結(jié)的中粗粒砂巖、經(jīng)過溶蝕的灰?guī)r、白云巖等，存在兩種導(dǎo)水能力相差懸殊的空隙空間。分別用兩種等效的多孔介質(zhì)去近似代替大小兩種空隙，這種方法稱為雙重介質(zhì)方法。在雙重介質(zhì)方法中，兩種空隙空間是分別刻畫的，各有自己獨(dú)立的參數(shù)（如滲透系數(shù)K、孔隙度n、給水度μ等），但兩種空隙存在水力聯(lián)系，可以進(jìn)行水量交換。第125頁/共147頁雙重介質(zhì)模型的優(yōu)點(diǎn)是：①在一定程度上刻劃出了優(yōu)先流的現(xiàn)象，能較為全面地反映裂隙巖體的滲流特征；②考慮了巖體與裂隙間客觀存在的物質(zhì)量交換，具有較好的擬真性；③把裂隙網(wǎng)絡(luò)等效為連續(xù)介質(zhì)來研究，具有較好的可操作性。缺點(diǎn)是：①有時(shí)裂隙網(wǎng)絡(luò)不一定能等效為連續(xù)介質(zhì)，因?yàn)槠銻EV不一定存在，或存在但太大，故適用范圍受到了限制；②該模型中的物質(zhì)交換系數(shù)難以確定，在一定程度上影響其擬真性；③求解運(yùn)算復(fù)雜。第126頁/共147頁非連續(xù)介質(zhì)方法

（離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型）對(duì)裂隙網(wǎng)絡(luò)中每條具有實(shí)際導(dǎo)水意義的裂隙進(jìn)行精確地描述，包括每條裂隙的張開寬度、延伸長度、產(chǎn)狀、中點(diǎn)坐標(biāo)，要求做出實(shí)測(cè)的裂隙網(wǎng)絡(luò)圖。非連續(xù)介質(zhì)方法可以準(zhǔn)確計(jì)算出裂隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意一點(diǎn)的水頭、孔隙水壓力、滲透速度、流量等，是研究裂隙滲流的一種比較理想的方法。但其缺點(diǎn)是對(duì)實(shí)際資料的要求很高，計(jì)算復(fù)雜，要求用電網(wǎng)絡(luò)模擬或計(jì)算機(jī)模擬。第127頁/共147頁各種方法的適用大范圍的流量問題可采用等效多孔介質(zhì)方法。若介質(zhì)中存在兩種導(dǎo)水能力相差懸殊的空隙，可采用雙重介質(zhì)方法。小范圍的以求解孔隙水壓力、流速為主的問題可采用非連續(xù)介質(zhì)方法。在巖體地下水運(yùn)動(dòng)模型的概化上，目前大多采用非均質(zhì)各向異性的等效連續(xù)介質(zhì)模型，有利于用數(shù)值法直接求解地下水運(yùn)動(dòng)的偏微分方程。如果能夠得到足夠多和足夠精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，則離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型似乎更能刻劃裂隙巖體滲流的基本規(guī)律。第128頁/共147頁斷裂帶的水文地質(zhì)意義斷裂帶是應(yīng)力集中釋放造成的破裂形變，大的斷層延伸數(shù)十至數(shù)百公里，斷層帶寬達(dá)數(shù)百米，穿切若干巖層，構(gòu)成具有特殊意義的水文地質(zhì)體。發(fā)育于脆性巖層中的張性斷裂，中心部分多為疏松多孔的構(gòu)造角礫巖，兩側(cè)一定范圍內(nèi)則為張開度及裂隙率都增大的裂隙增強(qiáng)帶，常具良好的導(dǎo)水能力。發(fā)育于含泥質(zhì)較多的塑性巖層中的張性斷裂，構(gòu)造巖夾有大量泥質(zhì)，兩側(cè)的裂隙增強(qiáng)也不如脆性巖層中明顯，往往導(dǎo)水不良甚至隔水。第129頁/共147頁導(dǎo)水?dāng)鄬訋怯刑厥馑牡刭|(zhì)意義的水文地質(zhì)體，它可以起到貯水空間、集水廊道與導(dǎo)水通道的作用。當(dāng)圍巖本身裂隙不發(fā)育而僅斷層帶局部破碎時(shí)（如細(xì)、粉砂巖），斷層角礫巖（空隙度可達(dá)百分之幾十）及裂隙增強(qiáng)帶（裂隙率可較圍巖大1—2個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到百分之幾到十幾），構(gòu)成局部的帶狀貯水空間，鉆孔或坑道揭露此類斷層時(shí)，初期涌水量及水壓可能較大，但迅即衰減，以至干涸。第130頁/共147頁發(fā)育于透水圍巖中的導(dǎo)水?dāng)鄬樱粌H是貯水空間，還兼具集水廊道的功能。鉆孔或坑道揭露斷層帶的某一部位時(shí)，水位下降迅速波及導(dǎo)水暢通的整個(gè)斷層帶，形成延展相當(dāng)長的水位低槽，斷層帶就像集水廊道似的，匯集廣大范圍圍巖裂隙中的水，因此，涌水量較大且穩(wěn)定。第131頁/共147頁導(dǎo)水?dāng)鄬訙贤ㄈ舾蓚€(gè)含水層或（及）地表水體時(shí)，斷層帶兼具貯水空間、集水廊道與導(dǎo)水通道的功能。鉆孔或坑道揭露此類斷層時(shí)斷層帶將各個(gè)水源的巨大貯存水量，源源不斷地導(dǎo)入，涌水量極大且長期保持穩(wěn)定。當(dāng)存在厚層隔水層且斷層斷距較大的，原來連通的含水層可被切割成為相對(duì)獨(dú)立的塊段。由于這種含水塊段與外界的水力聯(lián)系減弱，甚至斷絕，故有利于排水疏干而不利于供水。正是由于這種阻隔作用，大的斷層往往構(gòu)成地下含水系統(tǒng)的邊界。第132頁/共147頁第七章巖溶水

水對(duì)可溶巖石進(jìn)行化學(xué)溶解，并伴隨以沖蝕作用及重力崩坍，在地下形成大小不等的空洞，在地表造成各種獨(dú)特的地貌現(xiàn)象以及特殊的水文現(xiàn)象，上述作用及由此產(chǎn)生的各種現(xiàn)象稱為巖溶（喀斯特）巖溶可以劃分為地表巖溶和地下巖溶第133頁/共147頁

巖溶水系統(tǒng)是一個(gè)能夠通過水與介質(zhì)相互作用不斷自我演化的動(dòng)力系統(tǒng)。處于不同演化階段的巖溶水具有不同特征，處于演化初期的巖溶水系統(tǒng)往往與裂隙水系統(tǒng)沒有很大的不同。處于演化后期的巖溶水系統(tǒng)，管道系統(tǒng)發(fā)育，大范圍內(nèi)的水匯成一個(gè)完整的地下河系，某種程度上帶有地表水的特征：空間分布極不均一，時(shí)間上變化強(qiáng)烈，流動(dòng)迅速，排泄集中。第134頁/共147頁巖溶水的運(yùn)動(dòng)特征由于巖溶含水介質(zhì)的空隙尺寸大小懸殊，因此在巖溶水系統(tǒng)中通常是層流與紊流共存。細(xì)小的孔隙，裂隙中地下水一般作層流運(yùn)動(dòng)，而在大的管道中地下水洪水期流速每晝夜可達(dá)數(shù)公里，一般呈紊流運(yùn)動(dòng)巖溶水可以是潛水，也可以是承壓水，由于巖溶管道斷面沿流程變化很大，某些部分在某些時(shí)期局部的地下水是承壓的，在另一些時(shí)間里又可變成無壓的。第135頁/共147頁巖溶水的補(bǔ)給、排泄與動(dòng)態(tài)典型的巖溶化碳酸鹽巖含水層，由于深部洞穴塌坍而在地表形成一系列通向地下水面的溶斗、落水洞與