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孔隙度的概念:
某一体积岩石(包括颗粒骨架与孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。
通常用n表示,n—表示岩石的孔隙度
孔隙度的影响因素:
(1)与颗粒大小有关
(2)岩石颗粒愈粗,孔隙愈大;
颗粒愈细,孔隙愈小!
2)与颗粒排列方式有关——紧密与疏松
3)与分选程度有关(4)与颗粒形状有关
组成岩石的颗粒形状愈不规则,棱角愈明显,通常排列就愈松散,孔隙度也愈大。
(5)与胶结充填程度有关
胶结充填程度愈差,孔隙愈大。
裂隙:
是岩石在各种应力作用下破裂变形而成的缝隙。
按成因分为:
风化(卸荷)裂隙、成岩裂隙、构造裂隙
从水的赋存与运移角度,裂隙描述内容包括:
1)连通性(裂隙的组数、产状、长度和密度)
2)张开性(裂隙宽度)
3)裂隙率等
溶穴:
可溶岩在地下水溶蚀作用下产生的空隙。
溶孔、溶隙、溶穴、溶洞等
含水介质——由空隙所构成的岩石称为含水介质。
含水介质有三种:
孔隙介质、裂隙介质、溶穴介质。
附着于固体表面,在自身重力下不能运动的水,称为结合水。
远离固相表面,水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱,主要受重力影响。
重力影响下可以自由运动,便是重力水。
毛细水:
指的是地下水受土粒间孔隙的毛细作用上升的水。
水理性质:
水文地质学中水理性质是指水分储存,释放与运移有关的性质,
包括;
1,容水度2,含水量3,给水度4,持水度5,透水度
容水度:
指岩土完全饱水时所容纳的水的体积与岩土体积的比值;
含水量:
是松散岩土孔隙中所包含的水与岩土的比值;
给水度;
指地下水位下降单位体积时,释放水的体积和疏干体积的比值;
持水度;
是地下水位下降时,滞留于非饱和带中而不释放的水的体积与单位疏干体积的比值。
渗透性:
指岩体传输水货其他流体的性能。
有效应力原理;
有效应力等于总应力减去孔隙水压力,这就是著名的太沙基有效应力原理。
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。
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。
饱水带特点:
特点:
(1)岩石空隙被水完全充满,是固、液二相介质;
(2)空隙中水的存在形式:
①重力水,②结合水
含水层(Aquifer):
能够透过并给出相当数量水的岩层。
各类砂土、砂岩、裂隙或岩溶发育的岩层等。
隔水层(Aquiclude):
不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层,如裂隙不发育的泥岩、页岩、板岩、致密粘土等。
弱透水层(Aquitard):
渗透性很差,给出的水量微不足道,但在较大水力梯度作用下,具有一定的透水能力的岩层,如粘性土、泥质粉砂岩等。
含水系统:
是由隔水域会相对隔水边界圈围的,内部具有统一水力联系的赋存地下水的岩系。
饱水带中第一个具有自由表面且具有一定规模的含水层中的重力水,称为潜水。
充满与两个隔水层之间的含水层的水,称为承压水。
承压含水层的弹性给水度:
承压水含水层中当测压水往下降一个单位,单位水面积含水量柱体所释放的水量。
从理论上来看:
§
弹性给水度是可以恢复的
实际上弹性是有限恢复的
越过含水层弹性范围(限定),将产生一次性的变形—即永久性不可恢复的变形
最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低
上层滞水;
包气带局部隔水层(弱透水层)上积聚的具有自由水面的重力水。
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:
弹性储存于重力储存不同;
给水机制不同;
弹性储存更宜理解为“变形储存”;
弹性储存这种性质不仅承压水含水层具备层间含水层也有弹性储备。
第四章
渗流——地下水在岩石空隙中的运动称为渗流。
发生渗流的区域称为渗流场。
层流——水质点作有秩序、互不混杂的流动。
紊流——水质点作无秩序、互相混杂的流动
达西定律的适用范围
Ø
地下水必须保持层流运动才符合线性定律。
天然条件下地下水的渗流速度通常很缓慢,绝大部分为层流运动,一般可用线性定律描述其运动规律。
近年来的实验表明,当地下水为流速较大的层流运动,V-I开始偏离一直线,不符合达西定律。
雷诺数(Re)为1-10的层流才符合达西定律。
水力梯度;
沿等水头面(线)法线方向(水头降低方向)的水头变化率称为水力梯度。
流网:
渗流场某一典型剖面或切面上,由一系列等水头线与流线组成的网格。
等水头线(equipotentiallines):
在某时刻,渗流场中水头相等各点的连线(水势场的分布)
流线(flowlines):
某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线,该曲线上各个水质点的流速方向都与这条曲线相切
迹线(traceline):
流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹(稳定流条件下流线与迹线重合)
流网的应用
1、确定水头值H2、确定水力梯度I3、确定渗透流速V4、确定流量Q5、追踪溶质(如污染物)的运移
流网图!
!
第5章包气带水
第6章地下水的化学组分及其演变
1、地下水中常见的气体成分
2、Ø
氧(O2)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)硫化氢(H2S)、甲烷(CH4),
常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关
二、地下水中主要离子成分
地下水中含量多的有七种离子
阴离子:
HCO3-,SO42-,Cl-
阳离子:
Ca2+,Mg2+,K+,Na
地下水中主要离子成分来源
低矿化度地下水中的主要成分(HCO3-、Ca2+、Mg2+)来源于:
(1)沉积岩(碳酸盐)类和变质岩(大理岩)的溶解;
(2)岩浆岩的变质作用;
(3)岩浆岩的风化溶解(铝硅酸盐矿物如钙长石)地下水中主要离子成分来源
中矿化度地下水中的主要成分(SO42-)来源于:
(1)沉积岩类的溶解(石膏及其他硫酸盐);
(2)金属硫化物的氧化(黄铁矿);
3)人类活动——酸雨(化石燃料的燃烧)。
H2S气体氧化、人类活动—燃烧煤产生大量SO2,SO2氧化成之,大气中SO2-4过高时,降“酸雨”.
高矿化度地下水中的主要成分(Cl-,Na+,K+)来源于:
(1)沉积岩类的溶解(钾盐、钠盐);
(2)岩浆岩的风化溶解(钾长石、钠长石)
(3)海水;
(4)火山喷发;
(5)人类活动——Cl-是污染标志。
溶滤作用:
水与岩土相互作用下,岩土中某些组分向地下水中转移的过程。
其结果是:
岩土失去部分可溶物质,地下水获得新的组分,水的矿化度升高。
影响因素--(水岩作用)岩石的组分、可溶性、空隙性水的溶解能力、循环交替条件等
浓缩作用:
地下水在蒸发作用下,水分不断失去,盐分相对浓集,而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。
条件:
气候——干旱半干旱;
地下水埋藏——浅;
岩土——颗粒细小,毛细作用大;
地下水系统的势汇——排泄区。
地下水在蒸发过程中,水分失去还有补充;
盐分积累也有补充。
因此,实际的蒸发作用可以产生含盐量很高的地下水(卤水)或盐渍化的土地
结果:
高TDS,易溶离子为主的地下水(Cl-、Na+为主)
脱碳酸作用:
温度升高或压力降低时CO2溶解度降低,游离CO2从水中逸出
脱硫酸作用(还原环境中脱硫酸使SO42-还原为H2S)
SO42-降低,HCO3-升高,PH增高,寻找油田的辅助标志
阳离子的吸附交替作用
定义:
表面带负电荷的岩土颗粒吸附地下水中某些阳离子,而
将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分
六、混合作用
成分不同的两种水混合后,形成化学成分与原来两者都不同的地下水。
七、人类活动的作用(影响)
(1)人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水;
(2)人为作用大规模地改变了地下水形成条件,从而使地下水化学成分发生改变。
矿化度或总固体溶解物:
(TDS)地下水各种离子分子与化合物的总量称为化合物。
水化学成分的表示方法—舒夫卡列分类
前苏联学者C.A.Щукалев提出来的:
方式:
将地下水中主要七种离子合并为6种,取含量(毫克当
量百分数,或视毫摩尔百分含量)≥25%的离子,组合定名。
阴、阳离子≥25%的出现情况各有7种(7种组合)
两者(阴、阳)共组合为7×
7=49种水型(P67,表7-3)
加上矿化度——分为4组:
A:
TDS<
1.5g/L,B:
TDS1.5~10g/L
C:
10~40g/L,D:
>
40g/L
如:
1—A查表沉积岩地区浅层溶滤水
46—B查表中等矿化度Cl—NaCa型
简明易查,被广泛应用
地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环
补给:
含水层或含水系统从外界获得水量的过程
排泄:
含水层或含水系统向外界排出水量的过程
●补给使含水层的水量、水化学特征和水温发生变化
●思考:
补给获得水量后,含水层或含水系统会发生什
么变化?
↓地下水位上升,增加了势能,使地下水保持不停的流动
↓由于构造封闭或气候干旱,得不到补给,地下水的流动将停滞
补给的研究包括:
补给来源、影响因素与补给量
✪地下水的补给来源有:
↓天然:
大气降水、地表水、凝结水及相邻含水层的补给等
人类活有关的:
灌溉水入渗,水库渠道渗漏,生产生活排水及人工回灌。
1、大气降水入渗机制
●包气带是降水对地下水补给的枢纽,包气带的岩性结构和含水量状况对降水人渗补给起着决定性作用。
●目前认为,松散沉积物的降水入渗有两种方式:
降水入渗的现象—
两类空隙的入渗过程——总结:
←均匀砂土层——活塞式(piston/diffuse)
含裂隙的土层——捷径式(bypass)
●降水入渗过
降水入渗过程
←降水初期t1:
土层干燥,毛细负压大,吸水能力很强,雨水下渗快
←降水延续t2:
土层达到一定的含水量,毛细力与重力共同作用,下渗趋于稳定——渗润阶段,渗漏与渗透阶段含水量增加,毛细力减小,入渗速率下降,直至下渗趋于稳定
←降水再继续:
当土层湿锋面推进到支持毛细水带时,含水量获得补给,潜水位上升
2.降水补给的影响因素气候因素(P,E);
降水总量;
降水强度;
降水频率;
降水延续时间。
总量大,强度适中,间隔短,适中时间长的绵绵细雨最有利。
温度适中,温差较小,相对湿度大,蒸发强度小。
地形:
高或低,陡或缓
地质:
渗透性愈大则愈有利于入渗
地表水补给
表水体(河、湖、水库等)都可以成为地下水的补给来源。
河流补给:
因地而异(空间上),不同部分,岩性等;
因时而异(时间上),不同季节,不同补排关系
地表水补给地下水的必要条件有哪些:
(1)有水力联系
(2)地表水水位高于地下水水位
两个含水层之间存在水头差且有联系的通路,则水头较高的含水层便补给水头较低者
●潜水—承压水之间的补给
●越流——地下水量的内部转化
越流(Leakage):
具有一定水头差的相邻含水层,通过其间的弱透水岩层发生水量交换的过程.
(经常发生于松散沉积物中,粘性土层构成透水层)
7.2地下水的排泄(Discharge)
含水层或含水系统失去水量的过程称作排泄。
●地下水排泄的研究包括:
排泄方式、影响因素、排泄量的确定
●排泄方式:
泉(点状排泄);
向地表水体泄流(河流—线状)、相邻含水层的排泄;
蒸发(面状排泄).
前三种排泄方式称为径流排泄,与蒸发排泄的区别:
径流排泄—水分(盐分)呈液态排出,盐随水去
蒸发排泄—水分呈气态排出,盐分积累下来,水去盐留
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。
1.下降泉(出露潜水含水层中的泉)
根据出露条件又将下降泉分为:
↓侵蚀泉:
地形切割到潜水面
↓接触泉:
地形切割至隔水底板
溢出泉:
水流在前方受阻,水位抬升,而溢流成泉
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- 水文地质学