第一章地下水基本知识
地下水基础知识
其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动。
意义：重力水具有非常重要的实用价值。地层岩石空隙中 如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽
出），为人们所用，因此重力水是水文地质学研究的主要
对象。
1.1 岩石的空隙与岩石的水理性质
二、岩石中水的存在形式
3.毛细水
定义：在毛细力作用下，保持在细小 孔隙构成的毛细管道中的水。
(4)通过钻孔补给。
潜水补给承压水
承压水补给潜水
含水层通过导水断层发生水力联系
含水层通过钻孔发生水力联系
1.4 地下水循环
1.泉排泄
泉是地下水的天然露头，多为“点”状，属径流排泄
泉的出露是地形、地质与水文地质条件有机结合的结果，据 补给泉的含水层类型可将泉划分为上升泉、下降泉。
一、包气带与饱水带
地下水面：地下一定
深度岩石中的空隙被重
力水所充满，形成的一
个自由水面 （潜水面）。 地下水面之上称为包 气带，之下称为 饱水带。
包气带
特点：（1）岩石空隙未被水充满;
（2）固、液、气三相介质并存；
（ 3 ）水的存在形式多样：结合水、毛细水、重力水、气 态水。
包气带水的垂直分带：土壤水带，中间带（过渡带），毛 细水带（支持毛细水带、饱和毛细水带）。
毛细水受固体表面吸引力、液体表 面张力和液体重力的共同作用。毛细 力是在三相界面上弯液面引起的附加 表面压力。
地下水面以上广泛存在毛细水。
1.1 岩石的空隙与岩石的水理性质
三、岩石中的水理性质
水文地质学中水理性质是指与水分储存、释出与运移 有关的性质。
1.含水性
岩石实际保留水分的状况。用重量含水量和体积含水 量表示。 饱和含水量(s)：孔隙充分饱水时的含水量。 残留含水量(0)：包气带重力释水后未受蒸发、蒸腾消 耗时的含水量。
安建工 地下水动力学 第一章(xiu)
渗流场(flow field)由固体骨架和岩石空隙中的水两
部分组成。渗流只发生在岩石空隙中。
多孔介质概念与特性
我们把孔隙岩层称为多孔介质(porous media).
•多孔介质特性:
彼此连通的网络，几何形态及连通情况异
常复杂，难以用精确的方法来描述。
由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连
续的。
nd 32
2
J
K
nd 32
渗透系数的表达式
裂隙介质（概化为走向和缝宽相同的平行板）
k nB 12 K k
2
nB 12
2
v KJ
nB 12
2
J
K
nB 12
2
六、渗流分类
1. 按运动要素(v,p,H)是否随时间变化，分：稳定流与非稳定流 2. 按地下水质点运动状态的混杂程度，分：
微分形式：
五、渗透系数（hydraulic conductivity）
是重要的水文地质参数，它表征在一般正常条
件下对某种流体而言岩层的渗透能力
(permeability)
v=KJ；
当J=1时，K=v
K在数值上是当J=1时的渗透流速，量钢[L/T]；
常用单位cm/s；m/d。
渗透系数与哪些因素有关呢？
: 比重；：动力粘滞性系数；
K k
渗透率k：反映介质几何特性，量纲[L2]；
常用单位：cm2； 石油地质中用达西: 1 达西=9.8697*10-9cm2.
渗透系数的表达式
多孔介质（概化为等径的平行毛细管束）：
水文地质学第一章-1
CH2-9
1.3 含水层的形态及其分类
二、含水层分类
3．根据渗透性的空间变化划分
均质含水层：含水层中各部分的渗透性与空间坐标无关， 是一个常量。 可以进一步划分为：各向同性均质、各向异性均质 均质含水层：
CH2-10
1.4 构成含水岩组的条件
一、含水岩组的定义
含水岩组：就是指具有统一的水力联系和一定的水化学特 征的多层含水层的空间组合。
含水介质的水理性质：
岩石与水接触后有关的性质即与水分贮容和运移有关的岩 石性质。 包括容水性、持水性和给水性，贮水性和释水性，透水性 以及毛细性等。
CH2-3
第一节 含水层及含水岩组
1.1 含水介质的水理性质
一、容水性、持水性和给水性
二、贮水性或释水性 三、渗透性或透水性 四、毛细性
CH2-4
第一节 含水层及含水岩组
2.2 水平岩层蓄水构造
一、水平岩层蓄水构造示意图
CH2-20
2.2 水平岩层蓄水构造
二、承托蓄水构造的富水性主要取决于以下几个因素。
(1)隔水层的分布面积：面积越大，地下水就越丰富；面积 太小，只能形成季节性地下水． (2)隔水层的倾斜程度：水平隔水层最有利于承托地下水； 隔水层越是倾斜，地下水就越不易保持。 (3)隔水层和含水层的透水性： 隔水层透水性越小及它与 含水层透水性相差越大时，越有利于保持地下水． (4)地下水补给条件：气候、地形等条件对补给有利，补给 充分时，地下水丰富；补给不连续、不充分时，地下水也 不丰富，甚至只形成季节性地下水。
CH2-26
附件一、 洪积扇中的地下水
2、根据地下水埋深、径流条件及水化学特征，可将洪积扇 中地下水划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水文地质带CH2-27源自附件一、 洪积扇中的地下水
地下水科学概论[整理版]
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《地下水科学概论》一、名词解释。
第一章地下水分布1. 地下水：分布在地下岩石空隙之中的水。
2．岩石的透水性：岩石允许水透过的能力。
3. 结合水：由于固体颗粒表面的静电作用而吸附在颗粒表面的水。
4. 重力水：重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力作影响下运动的那部分水。
5. ★☆毛细水：在毛细力作用，水从地下水面沿着细小空隙上升到一定高度，形成一个毛细水带6. 支持毛细水：由于毛细力的作用，水从地下水面沿孔隙上升形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持。
7．孔角毛细水：在包气带中颗粒接点上由毛细力作用而保持的水。
8. 悬挂毛细水：由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层会保留与地下水面不相联接的毛细水。
9. 空隙：地下岩石中没有被固体颗粒或固体骨架占据的那一部分空间。
10. 多孔介质：含有空隙的固体称为多孔介质。
11．孔隙：松散的（或未固结的）固体颗粒之间或颗粒集合体之间的空隙。
12．★孔隙度：某一体积的孔隙介质中孔隙体积与孔隙介质体积之比。
13. ★孔隙比：某一体积孔隙介质内孔隙体积与固体颗粒体积之比14. 有效空隙：相互连通而能使水流通过的孔隙称为有效空隙。
15. 孔隙介质的比表面积：一定体积的孔隙介质中所有颗粒的总面积与孔隙介质体积之比。
16．裂隙：固结的和坚硬的岩石在成岩过程中或成岩以后由于受到一些地质营力的作用而形成的沿一定平面方向展布的空隙。
17．★裂隙率：一定体积的裂隙介质内裂隙的体积与裂隙介质体积之比。
18．溶穴：可溶的沉积岩在地下水溶蚀下产生的空洞。
19．岩溶率：一定体积的岩溶介质内溶穴的体积与岩溶介质体积之比。
20. ☆容水度：一定体积的多孔介质完全被水饱和时所能容纳的水的体积与多孔介质体积之比。
21．★持水度：地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量。
22. ★☆给水度：一定体积的饱水多孔介质在重力作用下释放出的水体积与多孔介质体积之比（重力给水度：地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积）。
地下水的基本知识
地下水的基本知识1.地下水的概念地下水是指以各种形式埋藏在地壳空隙中的水，包括包气带和饱水带中的水。
地下水也是参于自然界水循环过程中处于地下隐伏径流阶段的循环水。
地下水是储存和运动于岩石和土壤空隙中的水，那么地下水必然要受到地质条件的控制。
地质条件包括岩石性质、空隙类型与连通性、地质地貌特征、地质历史等。
地下水环境是地质环境的组成部分，它是指地下水的物理性质、化学成分和贮存空间及其由于自然地质作用和人类工程——经济活动作用下所形成的状态总和。
2.地下水的埋藏条件岩石和土体空隙既是地下水的储存场所，又是运移通道。
空隙的大小、多少、连通性、充填程度及其分布规律决定着地下水埋藏条件。
根据成因可把空隙区分为孔隙、裂隙与溶隙三种，并可把岩层划分为孔隙岩层(松散沉积物、砂岩等)、裂隙岩层(非可溶性的坚硬岩层)与可溶岩层(可溶性的坚硬岩石)。
孔隙岩层中的空隙分布比裂隙可溶岩层均匀，溶隙一般比孔隙、裂隙岩层中的空隙规模大。
这三种空隙的大小分别以孔隙度、裂隙率与岩溶率表示，即某一体积岩石中孔隙、裂隙和溶隙体积与岩石总体积之比，以百分数表示。
岩石空隙中存在着各种形式的水，按其物理性质可分为气态水、吸着水、薄膜水、毛细水、重力水和固态水。
此外，还有存在于矿物晶体内部及其间的沸石水、结晶水与结构水。
水文地质学所研究的主要对象是饱和带的重力水，即在重力作用支配下运动的地下水。
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究时，可分为三类，即：松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。
(1)孔隙。
松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。
颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。
岩石中孔隙体积的多少是影响其储容地下水能力大小的重要因素。
孔隙体积的多少可用孔隙度表示。
孔隙度是指某一体积岩石(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。
地下水动力学第一章(xiu)
J = Av + Bv 2
2. 1912年克拉斯诺波里斯基提出紊流公式：
v = KJ
1 2
四、达西定律的微分形式
微分形式： 微分形式：
五、渗透系数（hydraulic conductivity） 渗透系数（ ）
是重要的水文地质参数， 是重要的水文地质参数，它表征在一般正常条 件下对某种流体而言岩层的渗透能力 (permeability) v=KJ； ； 当J=1时，K=v 时
渗透率k 渗透率 (intrinsic permeability)
表征反映介质几何特性
γ K =k µ
γ: 比重；µ：动力粘滞性系数； 比重； 动力粘滞性系数； 渗透率k 反映介质几何特性，量纲[L ； 渗透率 ：反映介质几何特性，量纲 2]；
常用单位：cm2； 石油地质中用达西: 1 达西=9.8697*10-9cm2.
1 v( P) = V0
∫
V0 v
u ' dVv
渗透流速与实际流速关系
vA = uAv = Q Av v=u = une A v = neu
渗透流速与实际流速关系
三、水头与水力坡度
u2 总水头H = z + + γ 2g p p u2 Q 《z + = H p 测压水头; 2g γ ∴H p ≈ H
典型体元的定义
称为典型体元。 把V0称为典型体元。 引进REV后就可以把多孔介质处理为连续 引进REV后就可以把多孔介质处理为连续 REV 这样多孔介质就处处有孔隙度 处处有孔隙度了 体，这样多孔介质就处处有孔隙度了。 REV究竟有多大？ REV究竟有多大？ 究竟有多大 REV相对于单个孔隙是相当大的， REV相对于单个孔隙是相当大的，但相对 相对于单个孔隙是相当大的 于渗流场又是非常小的。 于渗流场又是非常小的。
矿井水基础知识
第一章基本知识一、地下水的起源降水渗入地下形成的地下水，称为渗入水。
但是降水的渗入并不是地下水的唯一来源。
部分地下水的成因，无法用降水渗入解释。
干旱的沙漠地区，降雨稀少，有时整个夏季都不下一滴雨，但在沙丘中仍可以见到水汽凝结形成的地下水，即凝结水。
当地面温度低于空气的温度时，空气中的水汽便要进入土壤和岩石的空隙中，在颗粒和岩石表面凝结形成地下水。
还有一部分地下水既不是渗入水，也不是水汽凝结形成的，而是由岩浆中分离出来的气体冷凝形成，这种水是岩浆作用的结果，称为初生水。
此外，与沉积物同时生成或海水渗到原生沉积物的孔隙中而形成的地下水，称为埋藏水。
在渗入水、凝结水、初生水、埋藏水等成因的地下水中以渗入水最为常见。
二、地下水的赋存1、岩石中的空隙自然界中的各种岩石，不论是松散层的第四系沉积物，或是坚硬致密的基岩，都存在着大小不等、形状各异的空隙。
自然界岩石的空隙差异极大，规律大者如可溶岩中的地下厅堂，可达数十万立方米；最小的显微孔隙和劈理，连肉眼也难以辩认。
岩石空隙差异如此之大，与其不同的成因有关。
根据成因可将空隙分为三大类：孔隙、裂隙、溶隙（穴）。
地下水就存在于岩石的空隙中，空隙越发育，储存的地下水就越多，地下水的运动越通畅。
因此，岩石中的空隙，不仅是储水空间，又是地下水的运移通道。
孔隙存在于松散沉积物或未完全胶结的岩石颗粒与颗粒之间或颗粒集合体与颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。
这些空间相互连通，呈小孔状，储水空间为孔隙的地下水称为孔隙水。
裂隙裂隙就是坚硬岩石形成时或形成以后由于各种内外营力的作用，使岩体遭受破坏而形成的空隙。
岩石在成岩过程中，如岩浆岩的冷凝收缩或沉积岩的固结干缩作用都可产生裂隙（成岩裂隙）；岩石在形成后由于构造变动受力可产生构造断裂裂隙（构造裂隙）；或经受风化作用产生风化裂隙（风化裂隙）。
储水空间为裂隙的地下水称为裂隙水。
溶隙可溶性岩石（如盐岩、石膏、石灰岩、白云岩等）经地下水的溶蚀和机械冲蚀作用产生的空隙，称之为溶隙，也称为溶穴。
地下水的基本知识
第一章地下水的基本知识第一节地下水的赋存条件一、自然界中水的循环及地下水的来源自然界中的水，以气态、液态和固态分布予地球的大气圈、水圈和岩石圈中。
各相应圈中的水，分别被称为大气水、地表水和地下水。
自然界中的总水量约为138598万km3，其中大气圈中水量为1．29万km3。
，水圈中(包括海洋、河流、湖泊等)水量为136257万km3，岩石圈水量为2340万km3。
大气圈、水圈、岩石圈中的水，彼此之间都有着密切的转化关系，这种关系主要是通过水的循环来实现的。
所谓自然界水循环，是指在太阳热能作用下，冰自水面(洋面、海面、河湖面)、地表和植物叶面由液态转变为气态进入大气中，在一定条件下大气中的水蒸气凝结成雨或雪又降落到地表。
降落到地表的水，一部分蒸发重返大气中，另一部分则汇到地表的河湖中，还有一部分沿着岩石空隙渗入到地下形成地下水。
地下水在岩层中运动遇到适当的条件又流出地表转变为地表水，最终绝大多数流归大海，这样即完成了一次水循环，这种海洋、陆地之间的循环称为大循环或外循环。
若水自海洋表面蒸发又复降至海洋表面，或水从陆地上的河湖水面、地表和植物叶面蒸发(或蒸腾)又降落到陆地表面，则完成一次局部的循环。
这种循环只局限于海洋或陆地本身之间的循环过程，通常称为小循环或内循环。
水循环的具体情况如图1—1所示。
图1-1 水循环示意图大循环是全球性的，主要受全球气候的控制；小循环是地区性的，一般受局部气象因素控制。
总之，自然界各类水体的转化是通过循环实现的，水循环是地球上各类水体得以实现动态平衡的保证。
自然界中的水，就是这样密切联系相互转化运动着。
大气水和地表水在一定条件下才渗入地下转化为地下水，从而使地下水获得水量，这个过程被称为地下水的补给。
正因为地下水不断地获得补给，所以才能不断地在岩石空隙中运动，这个过程称为地下水的径流。
而地下水水量减少的过程，则是地下水的排泄。
地下水的补给、径流和排泄及其变化的全过程，称为地下水的形成。
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(4)弱透水层 弱透水层——渗透性较差的岩层，相邻含水层通过其发
生越流时，进行水量交换。
第八章 地下水基本知识
3.3 地下水分类
（1）按埋藏条件 分为：包气带水、潜水、承压水。
（2）按含水介质（空隙类型） 分为：孔隙水、裂隙水、岩溶水。
第八章 地下水基本知识
3.3 地下水分类
第八章 地下水基本知识
3.3 地下水分类
第八章 地下水基本知识
3.3 地下水分类
岩溶水系统
灌入式的补给，畅通的径流，集中排泄。动态特点：水位 动态变化非常强烈，变化迅速而且缺乏滞后，暴涨暴落。
第八章 地下水基本知识 3.3 潜 水
潜水——埋藏于地表以下、第一个稳定隔水层之 上、具有自由水面的含水层中的水称作潜水。
第八章 地下水基本知识
6、地下水均衡 地下水均衡——指某个地区，某一时段内，地下水
水量（盐量、热量）收入与支出之间的数量关系。
（1）收入项（A） a. 大气降水入渗量（X）； b. 地表水流入量（Y1）； c. 地下水流入量（W1）等。
（2）支出项（B）： a. 地表水流出量（Y2）； b. 地下水流出量（W2）； c. 蒸发量（Z2）。
承压水——充满于两个隔水层（或弱透水层）之 间的含水层中的水叫做承压水
水压面
水位标高
水位埋深
顶板、底板
含水层厚度
第八章 地下水基本知识
等水位线图——承压水位相等的各点的连线
承压水的特点
（1）基本特点； （2）补、径、排特点； （3）动态特点及其影响
因素； （4）资源特点。
重要参数
贮水系数——指测压水位下降 （或上升）一个单位深度，单位 水平面积含水层释出（或储存） 的水的体积。
等水位线图用处
（1）承压水流向； （2）承压水面坡度； （3）承压水埋藏深度；
潜水与承压水的相互转换
山前倾斜平原：从山前→平原： 潜水→承压水→潜水（排泄）； 平原区：承压性自上而下逐渐 增强。
第八章 地下水基本知识
4、地下水补给、径流和排泄
补给 大气降雨 地表水 人工
排Байду номын сангаас蒸发 泄
向地表水：泄流， 泉
（3）储存量的变化量为Δω。
（4）水均衡方程式为：A–B=Δω
人工
含水层
含水层
径流：地下水由补给区流向排泄区的过程
第八章 地下水基本知识
5、地下水动态
地下水动态系指地下水水位、水量、水温和水质等要素随时间和空 间所发生的变化现象和过程 。
(1)蒸发型 一般多分布于干旱、半干旱地区的平原与山间盆地。 地下水埋深较线(l-3m)，径流较弱．以蒸发排泄为主，动态变幅较小。
（3）持水度（Sr）：地下水位下降一个单位深度，单位水平面积 岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量称为持水度
（4）岩石的透水性：指岩石允许水透过的能力。定量指标为渗透 参数（K）。
第八章 地下水基本知识
影响透水性的因素
主要是孔隙的大小：（1）孔隙愈大，透水性愈强，K大； （2）孔隙愈小，透水性愈差，K小。
（2）重力水
（3)毛细水
(4) 气态水、固 态水及矿物中的 水
第八章 地下水基本知识
2、与水的储容及运移有关的岩石性质
（1）容水度Wn：指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与 岩石总体积的比值。
（2）给水度（μ）：地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸 到地表面的单位水平面积的岩石柱体，在重力作用下释放出水的体 积称为给水度。
第八章 地下水基本知识
1、岩石中的空隙与水分 岩石空隙可分为三类：
（1）松散岩石中的孔隙 （2）坚硬岩石中的裂隙 （3）可容岩石中的溶隙
按照孔隙介质分为三大类： 孔隙水
裂隙水
岩溶水
第八章 地下水基本知识
孔隙度（n）： 裂隙率（Kr）： 岩溶率(Kk)：
第八章 地下水基本知识
岩石中的水
（1）结合水
潜水面
水位标高
水位埋深
潜水底板
含水层厚度
第八章 地下水基本知识
等水位线图——潜水位相等的各点的连线
潜水的特点
（1）基本特点； （2）补、径、排特点； （3）动态特点及其影响
因素； （4）资源特点。
等水位线图用处
（1）潜水流向； （2）潜水面坡度； （3）潜水埋藏深度；
第八章 地下水基本知识 3.4 承压水
第八章 地下水基本知识
3、地下水的赋存 3.1包气带与饱水带
地下水面以上称为包气带，或 非饱和带。
地下水面以下称为饱水带，或 饱和带。
第八章 地下水基本知识
3.2含水层、隔水层与弱透水层
(1)透水层： 只透水不存水的岩层。
(2) 含水层 含水层——饱含水的透水层。
(3)隔水层 隔水层——不透水层。 含水层与隔水层是相对的。含水层与隔水层的定义取决
(2)径流型 此类型地下水的补给也主要来自大气降水和地表水 的入渗，但其排泄以水平径流为主，蒸发消耗量相对较少。承压水和 地下水位埋深大的潜水的动态多属径流型动态。
(3)蒸发-径流型 兼有径流和蒸发两种排泄形式。 (4)水文型 此类型地下水多出现在河，湖岸边，地下水水位动 态明显随河、湖水位升降而变动。 (5)开采型 地下水动态受人为取水活动影响，水位动态随开采强 度变化而起落。以地下水供水为主的城镇以及一些油田地区的地下水 动态属于这种类型。