教学课件：《水文地质基础》1.ppt

1、第一章 地球上的水及其循环 地球上的水 自然界的水循环 与水文循环有关的水文、气象要素第1节 地球上的水 地球上水的存在：地球上水的存在：不仅存在于大气圈、地球表面、岩石圈和生物圈不仅存在于大气圈、地球表面、岩石圈和生物圈中，也存在于地球深部的地幔乃至地核中。中，也存在于地球深部的地幔乃至地核中。浅部层圈水与深部层圈水：浅部层圈水与深部层圈水：浅部层圈水：从大气圈到地壳上半部的水。浅部层圈水：从大气圈到地壳上半部的水。包括大气水、地表水、地下水及生物体中水。包括大气水、地表水、地下水及生物体中水。深部层圈水：地壳下部到下地幔中的水。深部层圈水：地壳下部到下地幔中的水。第1节 地球上的水-浅部层

2、圈水第1节 地球上的水-深部层圈水 地壳下部深约地壳下部深约1535KM处，地温达处，地温达400以以上，压力也很大，为压密的气水溶液。上，压力也很大，为压密的气水溶液。不以普通液态水或气态水形式存在，而是呈不以普通液态水或气态水形式存在，而是呈离解状态的水，其与地壳矿物内部的结合水离解状态的水，其与地壳矿物内部的结合水均是非自由态存在的水。均是非自由态存在的水。地球深层圈水和矿物结合水与地球浅层圈自地球深层圈水和矿物结合水与地球浅层圈自由水是相互联系、转化的整体。由水是相互联系、转化的整体。广义的水圈包括地球各层圈中以各种不同状广义的水圈包括地球各层圈中以各种不同状态存在且相互转化的所有水。

3、态存在且相互转化的所有水。第2节 自然界的水循环 自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水构自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水构成一个系统。这一系统内的水相互联系、成一个系统。这一系统内的水相互联系、相互转化的过程即是相互转化的过程即是自然界的水循环自然界的水循环。自然界的水循环按其循环途径长短、循环自然界的水循环按其循环途径长短、循环速度的快慢以及涉及层圈的范围，可分为速度的快慢以及涉及层圈的范围，可分为水文循环和地质循环水文循环和地质循环两类。两类。第2节 自然界的水循环 水文循环水文循环(hydrologic cycle)：是发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地是发生于大气水、地表水和地壳

4、岩石空隙中的地下水之间的水循环。水文循环的速度较快，途径下水之间的水循环。水文循环的速度较快，途径较短，转换交替比较迅速。较短，转换交替比较迅速。小循环与大循环：小循环与大循环：海洋与大陆之间的水分交换为大循环。海洋或大海洋与大陆之间的水分交换为大循环。海洋或大陆内部的水分交换称为小循环。陆内部的水分交换称为小循环。第2节 自然界的水循环-水文循环第2节 自然界的水循环-水文循环第2节 自然界的水循环-水文循环 地下水资源具有以下特点：地下水资源具有以下特点：可恢复性。可恢复性。系统性：和地表水资源密切联系和相互转化系统性：和地表水资源密切联系和相互转化 在时间和空间分布上的不均匀性在时间和空

5、间分布上的不均匀性 有较大的储量和较大的调蓄能力有较大的储量和较大的调蓄能力 复杂性复杂性第2节 自然界的水循环-地质循环 地质循环：地质循环：地球浅层圈和深层圈之间水的相互地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程。转化过程。上地幔软流圈对流运动时的水分循环上地幔软流圈对流运动时的水分循环 在成岩、变质和风化作用过程中水分子的分解在成岩、变质和风化作用过程中水分子的分解与合成转换及分子态水进入矿物或从矿物中脱与合成转换及分子态水进入矿物或从矿物中脱出形成再生水的转换出形成再生水的转换第3节 与水文循环有关的气象、水文因素 主要气象要素主要气象要素 包括：降水、蒸发、湿度、气温和气压包括：降水、蒸

6、发、湿度、气温和气压 水文要素水文要素 包括：流量包括：流量、径流总量、径流总量、径流模数、径流模数、径、径 流深度流深度 和径流系数和径流系数 第3节 与水文循环有关的主要气象因素 气温气温 气温随时间的变化是指一个地区气温的昼夜变气温随时间的变化是指一个地区气温的昼夜变化、季节变化和多年变化。化、季节变化和多年变化。气温随空间的变化包括水平方向和垂直方向的气温随空间的变化包括水平方向和垂直方向的变化：变化：高度相同的地区，气温变化主要爱纬度的控制，一高度相同的地区，气温变化主要爱纬度的控制，一般自赤道向两极由高到低。以同一时期各地区气温般自赤道向两极由高到低。以同一时期各地区气温平均值绘制

7、等温线图来表示气温水平变化。平均值绘制等温线图来表示气温水平变化。第3节 与水文循环有关的主要气象因素 垂直方向的变化，是指同一地点不同高度上垂直方向的变化，是指同一地点不同高度上的气温的变化。在对流层内，气温随高度增的气温的变化。在对流层内，气温随高度增加而递减，一般每升高加而递减，一般每升高100m，气温约降低，气温约降低0.50C。气压：气压：大气的质量施加在地表或地表物体上的大气的质量施加在地表或地表物体上的 压力称为大气压力。压力称为大气压力。水气压水气压(e)：大气中水汽所具有的压力。：大气中水汽所具有的压力。饱和水气压饱和水气压(E)：在一定温度下，一定体积空气：在一定温度下，一

8、定体积空气 中所容纳的水汽含量是有一定限度的，水中所容纳的水汽含量是有一定限度的，水第3节 与水文循环有关的主要气象因素 汽含量超过这个极限，水汽就凝结成水滴。水汽含量超过这个极限，水汽就凝结成水滴。水汽含量恰好达到这个限度，则称这时的空气是汽含量恰好达到这个限度，则称这时的空气是饱和空气。饱和空气的水汽压称为饱和水汽压。饱和空气。饱和空气的水汽压称为饱和水汽压。eE 未饱和未饱和 出现蒸发出现蒸发 e=E 饱饱 和和 水和水汽动态平衡水和水汽动态平衡 eE 过饱和过饱和 凝结降水凝结降水第3节 与水文循环有关的主要气象因素 水汽压水汽压e、饱和水汽压、饱和水汽压E与温度与温度t有关：有关：e

9、与与t没有定量关系，但没有定量关系，但t增高，增高，e增大增大 E与与t呈指数关系：呈指数关系：E0为气温为气温0时的饱和水汽压时的饱和水汽压 a、b为常数：对水面为常数：对水面a=7.45 b=235 对冰面对冰面 a=9.5 b=265.5 E随随t的增高而增大，对降水和凝结有极为重要意义。的增高而增大，对降水和凝结有极为重要意义。第3节 与水文循环有关的主要气象因素 饱和差（饱和差（d）：同一温度下）：同一温度下E和和e的差。的差。空气湿度空气湿度 指空气的潮湿程度指空气的潮湿程度空气中含水汽的程度空气中含水汽的程度 绝对湿度（绝对湿度（m）：某地区某时刻每）：某地区某时刻每1立方米空气

10、立方米空气中实际所含水汽重量的克数（中实际所含水汽重量的克数（g/m3）。）。m=289e/T T为绝对温标为绝对温标 或或 m=217e/T第3节 与水文循环有关的主要气象因素 饱和湿度（饱和湿度（M）：某温度下）：某温度下1立方米空气中可容立方米空气中可容纳的最大水汽重量（纳的最大水汽重量（g/m3）。）。M随随t增高而增大。增高而增大。相对湿度（相对湿度（r）：同温度下空气中实际所含水汽）：同温度下空气中实际所含水汽量与饱和时水汽两的比值。量与饱和时水汽两的比值。r=（m/M）100 r 100 未饱和未饱和 出现蒸发出现蒸发 r =100 饱和饱和第3节 与水文循环有关的主要气象因素

11、r 100 过饱和过饱和 凝结降水凝结降水 露点：空气中水汽达到饱和时的气温。露点：空气中水汽达到饱和时的气温。蒸发蒸发 指在常温下水由液态变为气态进入大气的过程。指在常温下水由液态变为气态进入大气的过程。包括：陆面蒸发包括：陆面蒸发土壤蒸发和植物蒸腾土壤蒸发和植物蒸腾 水面蒸发水面蒸发江、河、湖、海、湖泊、水库江、河、湖、海、湖泊、水库等地表水体。等地表水体。第3节 与水文循环有关的主要气象因素 水面蒸发：受下列因素影响：水面蒸发：受下列因素影响：饱和差：即水面温度条件下的饱和水汽压和实际水饱和差：即水面温度条件下的饱和水汽压和实际水汽压之差。差值越大，蒸发越强烈。一般，两者呈汽压之差。差值

12、越大，蒸发越强烈。一般，两者呈线性关系。线性关系。风速：风速大，扩散强，因而蒸发愈强。风速：风速大，扩散强，因而蒸发愈强。温度：体现在汽化的强弱上。包括水温和气温。两温度：体现在汽化的强弱上。包括水温和气温。两者同时在饱和差中得到反映。者同时在饱和差中得到反映。水质：浑浊水与清水比较，受相同热能情况下，浑水质：浑浊水与清水比较，受相同热能情况下，浑浊水的温度比清水温度高，因而清水蒸发快；浊水的温度比清水温度高，因而清水蒸发快；第3节 与水文循环有关的主要气象因素 水中若含有盐分，因盐分子有吸水力，使水面蒸发水中若含有盐分，因盐分子有吸水力，使水面蒸发减少，因而在相同环境条件下，海水蒸发比淡水要

13、减少，因而在相同环境条件下，海水蒸发比淡水要小。小。土壤蒸发土壤蒸发 指土壤表面由湿变干的过程。指土壤表面由湿变干的过程。有下列影响因素：有下列影响因素：土壤含水量：是主要因素。含水量高，蒸发强度大，土壤含水量：是主要因素。含水量高，蒸发强度大，且稳定。且稳定。第3节 与水文循环有关的主要气象因素 地下水埋深：埋深愈浅，蒸发量愈大。若地下水面地下水埋深：埋深愈浅，蒸发量愈大。若地下水面接近地面，其蒸发量接近光滑水面的蒸发量。接近地面，其蒸发量接近光滑水面的蒸发量。潜水蒸发量为零时的最小地下水埋深，称为极限潜水蒸发量为零时的最小地下水埋深，称为极限埋深。埋深。土壤结构：影响孔隙的数量、体积、和连

14、通性。土壤结构：影响孔隙的数量、体积、和连通性。土壤颗粒越小，毛细上升高度越大，蒸发越强。土壤颗粒越小，毛细上升高度越大，蒸发越强。土壤色泽：影响对太阳热能的吸收，从而土壤内的土壤色泽：影响对太阳热能的吸收，从而土壤内的温度和水分蒸发。即土壤颜色越深，越易蒸发。温度和水分蒸发。即土壤颜色越深，越易蒸发。第3节 与水文循环有关的主要气象因素 地表特征：包括起伏和坡向等。一般：地表特征：包括起伏和坡向等。一般：高地的蒸发量比谷地和盆地的蒸发量大；高地的蒸发量比谷地和盆地的蒸发量大；粗糙地面的蒸发量比平滑地面的大；粗糙地面的蒸发量比平滑地面的大；阳面坡比阴面坡蒸发量大。阳面坡比阴面坡蒸发量大。空气湿

15、度：地面以上的湿度梯度越大，土壤蒸发越空气湿度：地面以上的湿度梯度越大，土壤蒸发越强烈。强烈。空气温度：包括气温和地温。两者越高，蒸发越多。空气温度：包括气温和地温。两者越高，蒸发越多。风：越大，蒸发越强烈。风：越大，蒸发越强烈。第3节 与水文循环有关的主要气象因素 降水量和降水方式：降水量越大，蒸发量越大。同降水量和降水方式：降水量越大，蒸发量越大。同量的降水量，降水强度越小，蒸发量越大。量的降水量，降水强度越小，蒸发量越大。植物蒸腾：植物蒸腾：指土壤水分被植物根系吸收，通过植物茎内导指土壤水分被植物根系吸收，通过植物茎内导管移动到叶部，然后从叶部气孔化汽逸出的过管移动到叶部，然后从叶部气孔

16、化汽逸出的过程。程。影响因素如下：影响因素如下：植物性质：包括叶面大小、根系性质和大小、气孔植物性质：包括叶面大小、根系性质和大小、气孔数量等数量等。第3节 与水文循环有关的主要气象因素 植物种类：水稻、小麦、豆类等不同作物的蒸腾程植物种类：水稻、小麦、豆类等不同作物的蒸腾程度不同。度不同。注意：蒸腾的深度受植物根系分布深度控制，它注意：蒸腾的深度受植物根系分布深度控制，它可以达数十米深；可以达数十米深；蒸腾只消耗水分而不带走盐分。蒸腾只消耗水分而不带走盐分。土壤含水量：土壤含水量减小，则蒸腾强度显著降土壤含水量：土壤含水量减小，则蒸腾强度显著降低。低。气温：气温越高，则蒸发强度越大。气温：气

17、温越高，则蒸发强度越大。饱和差：蒸发强度与之成线性关系。饱和差：蒸发强度与之成线性关系。第3节 与水文循环有关的主要气象因素 降水降水 当空气中水汽含量达饱和状态时，超过饱和限当空气中水汽含量达饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，以液态或固态形式降落到地面，度的水汽便凝结，以液态或固态形式降落到地面，这就是降水。这就是降水。降水量，以某一地区某一时期的降水总量平降水量，以某一地区某一时期的降水总量平铺于地面得到的水层高度铺于地面得到的水层高度mm数表示。数表示。降水形式：雨、雹、雪、露、霜等。降水形式：雨、雹、雪、露、霜等。第3节 与水文循环有关的主要气象因素 降水要素：降水量、降水强度、降

18、水历时、降降水要素：降水量、降水强度、降水历时、降水面积。水面积。降水量：某时段内降至不透水平面上的水层厚度降水量：某时段内降至不透水平面上的水层厚度（mm）。）。降水历时：降水所持续的时间。降水历时：降水所持续的时间。降水强度：单位时间内的降水量。降水强度：单位时间内的降水量。降水面积：降水所笼罩的水平面积。降水面积：降水所笼罩的水平面积。我国降水量的分布特点：我国降水量的分布特点：第3节 与水文循环有关的主要气象因素 从东南到西北方向逐渐减少；从东南到西北方向逐渐减少；东南和华南各省年平均降水量东南和华南各省年平均降水量15002000mm 长江流域一般长江流域一般1200mm 黄河下游、

19、陕甘南部、华北平原一般黄河下游、陕甘南部、华北平原一般600700mm 再向西北，如塔里木盆地小于再向西北，如塔里木盆地小于50mm 山地多于平原，迎风坡多于背风坡；山地多于平原，迎风坡多于背风坡；如海南岛的东面、东北面是迎风坡，年降雨量高达如海南岛的东面、东北面是迎风坡，年降雨量高达22002400mm，而西南背风坡雨量在，而西南背风坡雨量在1000mm以下。以下。第3节 与水文循环有关的主要气象因素 雨季四月底开始，十月中旬结束；雨季四月底开始，十月中旬结束；长江流域雨季六月上旬开始，九月结束；长江流域雨季六月上旬开始，九月结束；华北和东北降水量年内分布不均；华北和东北降水量年内分布不均；

20、夏季雨量一般占全年雨量的夏季雨量一般占全年雨量的1/2以上。以上。雨季的起止时间各地先后不同。雨季的起止时间各地先后不同。开始时间：南方早，北方迟；东部沿海地区早，西开始时间：南方早，北方迟；东部沿海地区早，西部内陆地区迟；部内陆地区迟；结束时间：北方早，南方迟。结束时间：北方早，南方迟。如：华南沿海雨季七月中旬开始，八月底结束。如：华南沿海雨季七月中旬开始，八月底结束。第3节 与水文循环有关的水文知识 水系、流域水系、流域 水系水系(drainage system,drainage network)：指汇流于某：指汇流于某一干流的全部河流、溪沟、湖泊等构成的脉络相连的一干流的全部河流、溪沟、

21、湖泊等构成的脉络相连的地表水流系统。地表水流系统。流域流域(drainage area)：一个水系的全部集水区域。：一个水系的全部集水区域。分水点、分水岭和流域面积分水点、分水岭和流域面积 分水点：分水点：分水线（岭）分水线（岭）(subdivide;drainage divide)：分水点的连：分水点的连线。线。第3节 与水文循环有关的水文知识 流域面积：由地面分水岭流域面积：由地面分水岭(surface watershed,topographic divide)所控制的流域平所控制的流域平面面积。面面积。径流与径流特征值径流与径流特征值 径流径流(runoff,subterranean f

22、low)：指降落到地表：指降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。可分为地表径流和地下径流可分为地表径流和地下径流。有径流特征值：有径流特征值：第3节 与水文循环有关的水文知识 流量（流量（Q）：系指单位时间内通过河流某一断）：系指单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为面的水量，单位为m3/s。流量流量Q等于过水断面面积等于过水断面面积F与通过该断面的与通过该断面的平均流速平均流速V的乘积，即：的乘积，即：Q=VF 径流总量径流总量(W):系指某一段系指某一段T内内,通过河流某一断通过河流某一断面的总水量面的总水量,单位为单位为m3。可由

23、下式求得：。可由下式求得：W=QT第3节 与水文循环有关的水文知识 径流模数（径流模数（M）：指单位流域面积）：指单位流域面积F(km2)上平上平均产生的流量均产生的流量,以以L/skm2为单位，计算式为：为单位，计算式为：径流深度径流深度(Y)：指计算时段内的总径流量均匀分：指计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得到的平均水布于测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度层厚度,单位为单位为mm，计算式为，计算式为:第3节 与水文循环有关的水文知识 径流系数径流系数(a)(runoff coefficient)：为同一时段内：为同一时段内流域面积上的径流深度流域面积上的径流深

24、度Y(mm)与降水量与降水量X(mm)的比值：的比值：以小数或百分数表示。以小数或百分数表示。径流特征值换算关系径流特征值换算关系：表：表1-2 第3节 与水文循环有关的水文知识 第二章 岩石中的空隙与水分 岩石中的空隙 岩石中的水分 岩石的水理性质 含水层与含水系统 第1节 岩石中的空隙 岩石空隙是地下水储存场所和运动通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和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。重要影响。孔隙孔隙 松散沉积物中的空隙松散沉积物中的空隙 裂隙裂隙 坚硬岩石地层中的空隙坚

25、硬岩石地层中的空隙 溶穴溶穴 可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙第1节 岩石中的空隙不同介质中的空隙特征不同介质中的空隙特征第1节 岩石中的空隙孔隙 Outwash sand and gravel in a gravel pit第1节 岩石中的空隙孔隙 概念：概念：松散岩石是由大小不等的颗粒组成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，称为的。颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。孔隙。孔隙度（孔隙度（n）：）：或或 V 表示包括孔隙在内的岩石体积表示包括孔隙在内的岩石体积 Vn表示岩石中孔隙的体积表示岩石中孔隙的体积 第1节 岩石中的空隙孔隙 影

26、响孔隙度影响孔隙度n大小的因素：大小的因素：颗粒的排列方式：颗粒的排列方式：等体积球作立方体排列，是最疏松排列等体积球作立方体排列，是最疏松排列 n=47.64%等体积球作四面体排列，是最紧密排列等体积球作四面体排列，是最紧密排列 n=25.95%第1节 岩石中的空隙孔隙 第1节 岩石中的空隙孔隙 颗粒大小：颗粒大小：理论上讲（按等体积球），理论上讲（按等体积球），n与颗粒大小无关，与颗粒大小无关，但实际上则无理想的等体积颗粒，大小必不但实际上则无理想的等体积颗粒，大小必不相等，甚至大小悬殊。一般颗粒越大，则相等，甚至大小悬殊。一般颗粒越大，则n越越大。但由于分选性的影响，往往孔隙度反而大。但

27、由于分选性的影响，往往孔隙度反而减小。实际减小。实际n值可大于值可大于47.64%或小于或小于25.95%。第1节 岩石中的空隙孔隙 分选性分选性(sorting)分选性越差，颗粒大小越悬殊，分选性越差，颗粒大小越悬殊，n则越小。反则越小。反之则越大。之则越大。颗粒形状颗粒形状 形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，n越大。反之则越小。越大。反之则越小。胶结程度胶结程度 胶结越好，胶结越好，n越小。越小。第1节 岩石中的空隙孔隙 特殊孔隙的影响：特殊孔隙的影响：结构性孔隙结构性孔隙 虫孔、根孔、甘裂缝等次生空隙虫孔、根孔、甘裂缝等次生空隙 因此，对粘性土，

28、它们对因此，对粘性土，它们对n的大小影的大小影响很大，不可忽视。响很大，不可忽视。岩石名称 砾 石 砂 粉 砂 粘 土n变化区间 0.250.40 0.250.50 0.350.50 0.400.70第1节 岩石中的空隙孔隙 Actual tortuous flow paths through the pore spaces 第1节 岩石中的空隙裂隙 坚硬岩石中的空隙，除沉积岩尚包含一定的原生孔坚硬岩石中的空隙，除沉积岩尚包含一定的原生孔隙外，其余的岩浆岩和变质岩一般均很少存在粒间孔隙外，其余的岩浆岩和变质岩一般均很少存在粒间孔隙。岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙隙。岩石中的空隙主要由各种成因

29、的裂隙成岩裂成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。裂隙岩石的空隙特征，主要表现为单个裂隙或裂隙裂隙岩石的空隙特征，主要表现为单个裂隙或裂隙组在发育方向与几何尺寸上的差异性、分布上的不均组在发育方向与几何尺寸上的差异性、分布上的不均匀性、裂隙相互间的连通性、裂隙的充填情况以及裂匀性、裂隙相互间的连通性、裂隙的充填情况以及裂隙面的粗糙程度等方面，这些都对地下水的分布与运隙面的粗糙程度等方面，这些都对地下水的分布与运动具有重要影响。动具有重要影响。第1节 岩石中的空隙裂隙 体积裂隙率（体积裂隙率（Kr）裂隙体积（裂隙体积（Vn）与包括裂隙在内的岩石体）与包括裂隙在内的岩石

30、体积（积（V）的比值，即）的比值，即 面积裂隙率（面积裂隙率（Ka）单位面积岩石上裂隙面积的大小。单位面积岩石上裂隙面积的大小。线裂隙率（线裂隙率（Kl）垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数。数。VVnKr/第1节 岩石中的空隙溶穴 Limestone exposed in a road cut第1节 岩石中的空隙溶穴 概念概念 可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，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）。这种空隙称为溶穴（隙）。岩溶率（岩溶率（Kk）VVrKk/第1

31、节 岩石中的空隙三者比较 空隙特征空隙特征 孔隙：分布均匀、连通性好、各向异性不明显孔隙：分布均匀、连通性好、各向异性不明显 裂隙：分布不均匀、连通性差、各向异性明显裂隙：分布不均匀、连通性差、各向异性明显 溶穴：以空隙大小悬殊、分布极不均匀为特征溶穴：以空隙大小悬殊、分布极不均匀为特征 空隙发育的复杂性空隙发育的复杂性 松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙；松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙；坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉积岩往溶穴。如有些沉积岩往往存在大量的原生孔隙，其数量可大大超过裂隙与溶穴。往存在大量的原生孔隙，其数量

32、可大大超过裂隙与溶穴。第1节 岩石中的空隙三者比较 不同地区岩性空隙度比较不同地区岩性空隙度比较 地 区 岩 性 孔隙度（%）裂隙率（%）中国北京西山地区下奥陶统碳 酸盐岩 610 0.30.8美国斯普拉贝尔油田 砂 岩 13 小于1前苏联斯涅别林斯基油田 砂 岩 527 0.30.4 第2节 岩石中水的存在形式 第2节 岩石中水的存在形式 （矿物表面）结合水(bound water)第2节 岩石中水的存在形式 （矿物表面）结合水 强结合水的特点强结合水的特点 密度大于密度大于1，平均，平均2g/cm3左右左右 不受重力影响不受重力影响 不能流动。只有在温度不能流动。只有在温度105110时才

33、以气态时才以气态的形式脱离颗粒表面而移动的形式脱离颗粒表面而移动 溶解盐类能力弱溶解盐类能力弱-80 时仍不结冰时仍不结冰第2节 岩石中水的存在形式 （矿物表面）结合水 有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度 不能传递静水压力不能传递静水压力 无导电性无导电性 弱结合水弱结合水(薄膜水薄膜水film water,pellicular moisture)的特点的特点 密度大于密度大于1，为，为1.31.774g/cm3 不受重力影响不受重力影响 可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但速度十分缓慢。可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但速度十分缓慢。第2节 岩石中

34、水的存在形式 （矿物表面）结合水 溶解盐类能力较弱溶解盐类能力较弱 冰点为冰点为-15 有一定的粘滞性和抗剪强度有一定的粘滞性和抗剪强度 在一定条件下（饱水带）可传递静水压力在一定条件下（饱水带）可传递静水压力 弱结合水的外层能被植物吸收利用弱结合水的外层能被植物吸收利用 第2节 岩石中水的存在形式 毛细水(capillary water)概念概念 依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的的孔隙或宽度小于孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。的裂隙。毛细现

35、象及实质毛细现象及实质 将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。细现象。其实质是毛细张力的作用。其实质是毛细张力的作用。形弯液面产生的附加压强形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强，称毛细负压。，是个负压强，称毛细负压。毛细上升高度毛细上升高度hc(capillary height)和毛细上和毛细上升速度升速度 式中式中D的单位为的单位为mm，Pc为毛细压力。为毛细压力。对主曲率半径分别为对主曲率半径分别为R1和和R2的毛细空隙，拉普拉

36、斯公式：的毛细空隙，拉普拉斯公式：第2节 岩石中水的存在形式 毛细水 最细毛管最大毛细上升高度最细毛管最大毛细上升高度Hc：以最细毛管的直径代入上式即可。以最细毛管的直径代入上式即可。关于毛细上升速度：关于毛细上升速度：（1）具有不均匀性：开始时上升速度快，以后逐渐减）具有不均匀性：开始时上升速度快，以后逐渐减 慢，直到停止。慢，直到停止。（2）毛细空隙越大，毛细上升速度越大）毛细空隙越大，毛细上升速度越大 毛细空隙越小，毛细上升速度越小毛细空隙越小，毛细上升速度越小第2节 岩石中水的存在形式 毛细水 土的最大毛细上升高度土的最大毛细上升高度据西林据西林别克丘林，别克丘林，1958 第2节 岩

37、石中水的存在形式 毛细水 毛细水类型毛细水类型 支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。相连的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于能传递静水压力，当温度低于0时冰结。时冰结。悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈连的毛细空隙中的水。呈“悬挂悬挂”状态，经蒸状态，经蒸发后消失。发后消失。成因：入渗重力水；由支持毛细水转化而成。成因：入渗重力水；由支持毛细水转化而成。孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与颗粒接触孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与颗粒接触处孔隙狭窄地方呈点滴状

38、态的水。结合紧密，处孔隙狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。不易移动。第2节 岩石中水的存在形式 毛细水 第2节 岩石中水的存在形式 毛细水 第2节 岩石中水的存在形式 气态水 概念概念 储存并运动于未饱和岩石空隙中呈水汽状态的水。储存并运动于未饱和岩石空隙中呈水汽状态的水。水汽来源水汽来源 地表水气进入地表水气进入 地下水面蒸发地下水面蒸发 水汽运动水汽运动 从水汽压大处向水汽压小的方向运动从水汽压大处向水汽压小的方向运动 或从绝对湿度大处向绝对湿度小的方向运动或从绝对湿度大处向绝对湿度小的方向运动 第2节 岩石中水的存在形式 固态水 从温度高处向温度低的方向运动从温度高处向温度低的

39、方向运动 概念概念 指以固态形式存在于岩石空隙中的水（地下冰）。指以固态形式存在于岩石空隙中的水（地下冰）。我国北方冬季常形成我国北方冬季常形成冻土冻土；东北及青藏高原有一部分地下水多年保持固态东北及青藏高原有一部分地下水多年保持固态多年冻土多年冻土。第2节 岩石中水的存在形式 矿物结合水 结构水结构水(water of constitution)：以以H+和和OH-离子离子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。结晶水结晶水(water of crystallization)：以以H2O分子分子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。形式存在于矿

40、物结晶格架中，与矿物结合紧密。沸石水：沸石水：以以H2O分子形式存在于矿物晶格的空隙中，分子形式存在于矿物晶格的空隙中，与矿物结合不紧密。与矿物结合不紧密。三者差别三者差别：1 结合水的数量不同；结合水的数量不同；2 结合水结合水逸出程度不同：前两者需高温，逸出程度不同：前两者需高温，后者在常温下即可逸出。后者在常温下即可逸出。第3节 岩石的水理性质 容水性容水性岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度(specific capacity)表示。表示。持水性持水性岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数 量水的性质。用持水度量水的

41、性质。用持水度(specific water retention)表示。表示。给水性给水性饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的性质。用给水度量水的性质。用给水度(specific yield)表示。表示。透水性透水性岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位吸水量表示。单位吸水量表示。第3节 岩石的水理性质容水度 容水度（容水度（Mc）单位体积饱水岩石中所能容纳的最大水的体积。单位体积饱水岩石中所能容纳的最大水的体积。若以重量计，则称容水量。若以重量计，则称容水量。除膨胀性粘性土外，容水度与孔隙度（体积裂隙率、岩溶除膨

42、胀性粘性土外，容水度与孔隙度（体积裂隙率、岩溶率）相当。率）相当。第3节 岩石的水理性质持水度 持水度（持水度（Sr）重力释水后单位体积岩石中所能保持的最大水体积（一重力释水后单位体积岩石中所能保持的最大水体积（一般为最大簿膜水层厚度时的体积）。般为最大簿膜水层厚度时的体积）。若以重量计，则称持水量。若以重量计，则称持水量。若空隙中除持有最大簿膜水外，还保持有一定量的悬挂毛若空隙中除持有最大簿膜水外，还保持有一定量的悬挂毛细水和孔角水，则称田间持水度或田间持水量。细水和孔角水，则称田间持水度或田间持水量。第3节 岩石的水理性质给水度 给水度（给水度（u）单位饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水

43、的体积。单位饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水的体积。即当地下水位下降一个单位时，在重力作用下单位水平面即当地下水位下降一个单位时，在重力作用下单位水平面积岩石柱体中所能释放出的水体积。积岩石柱体中所能释放出的水体积。在数值上在数值上 第3节 岩石的水理性质给水度 影响给水度大小的因素：影响给水度大小的因素：岩性影响。有三个方面：岩性影响。有三个方面：组成岩石的矿物成分组成岩石的矿物成分 颗粒大小、级配及分选程度颗粒大小、级配及分选程度 空隙情况空隙情况 毛细上升水及地下水埋深影响毛细上升水及地下水埋深影响 地下水位下降速率影响地下水位下降速率影响 第3节 岩石的水理性质给水度 常见岩石的给

44、水度常见岩石的给水度 岩 石 名 称 给 水 度（%）最 大 最 小 平 均粘土亚粘土粉砂细砂中砂粗砂砾砂细砾中砾粗砾512192832353535262603310152020211312271821262725252322第3节 岩石的水理性质渗透系数 单位吸水率 渗透系数（渗透系数（K）水力坡降为水力坡降为1时的渗透流速。（时的渗透流速。（m/d）单位吸水率（单位吸水率（w）指单位长度的试段在单位压力水头的作用下的指单位长度的试段在单位压力水头的作用下的 稳定流稳定流量。量。（L/min.m.m或或Lu）1Lu定义为当试段压力为定义为当试段压力为1MPa时时,每每m试段的压力流量为试段的

45、压力流量为L/min.1L/min.m.m=100 Lu第3节 岩石的水理性质渗透系数 单位吸水率 影响渗透性大小的因素影响渗透性大小的因素:对松散层对松散层:颗粒大小、形状、分选程度、密实度、胶结情况颗粒大小、形状、分选程度、密实度、胶结情况 水质、水温、液体类型水质、水温、液体类型 对坚硬岩体对坚硬岩体 同松散层同松散层 更取决于裂隙的几何结构特征：更取决于裂隙的几何结构特征：延伸方向、宽度、密度、长度、连通性、充填物、延伸方向、宽度、密度、长度、连通性、充填物、裂隙面的粗糙程度等。裂隙面的粗糙程度等。第3节 岩石的水理性质渗透系数 单位吸水率 坝坝(闸闸)基岩土体透水性分类基岩土体透水性

46、分类 根据水利水电工程地质勘察资料内业整理规程根据水利水电工程地质勘察资料内业整理规程 SDJ19-78 对坚硬岩体：对坚硬岩体：透水性分级透水性分级 单位吸水量单位吸水量（Lu）极严重透水极严重透水 大于大于 1000 严重透水严重透水 1000 100 较严重透水较严重透水 100 10 中等透水中等透水 10 5 第3节 岩石的水理性质渗透系数 单位吸水率 微透水微透水 5 1 极微透水极微透水 小于小于1 对松散层：对松散层：透水性分级透水性分级 渗透系数（渗透系数（m/d）极强透水极强透水 大于大于 100 强透水强透水 100 25 较强透水较强透水 25 5 弱透水弱透水 5 0

47、.2 微弱透水微弱透水 0.2 0.02 弱透水弱透水 小于小于0.02 第4节 含水层与含水岩系 透水层、隔水层、含水层和弱透水层透水层、隔水层、含水层和弱透水层 透水层透水层(permeable strata)：指在一般的野外条指在一般的野外条件下允许大量的水在其中运动透过的地层。件下允许大量的水在其中运动透过的地层。隔水层隔水层(impermeable strata)：即不透水地层。即不透水地层。但可以含水，甚至大量含水，如粘土地层。但可以含水，甚至大量含水，如粘土地层。含水层含水层(water-bearing bed/strata;aquifer)：饱饱含水的透水层。或指能够透过并给出

48、相当数含水的透水层。或指能够透过并给出相当数量水的岩层。量水的岩层。第4节 含水层与含水岩系 弱透水层弱透水层(aquitard;aquiclude)：指那些渗透性指那些渗透性相当差的岩层，在一般的供排水中它们所能提相当差的岩层，在一般的供排水中它们所能提供的水量微不足道，似乎可以看作隔水层的地供的水量微不足道，似乎可以看作隔水层的地层。层。如：松散层中的粘性土、基岩中的砂质页岩、如：松散层中的粘性土、基岩中的砂质页岩、泥质粉砂岩等泥质粉砂岩等 含水层、隔水层含水层、隔水层(aquifuge)和透水层的相对性和透水层的相对性 运用时的具体条件。如岩层给水数量大小的实际意运用时的具体条件。如岩层

49、给水数量大小的实际意义义 时间尺度时间尺度 第4节 含水层与含水岩系 第4节 含水层与含水岩系 含水层的分类含水层的分类 根据含水层空隙情况分：根据含水层空隙情况分：孔隙含水层：孔隙含水层：含水层的空隙主要是孔隙。如砾含水层的空隙主要是孔隙。如砾石或石或 砂砾石含水层。砂砾石含水层。裂隙含水层：裂隙含水层：含水层的空隙主要是裂隙。如砂含水层的空隙主要是裂隙。如砂岩裂隙含水层、花岗岩裂隙含水层。岩裂隙含水层、花岗岩裂隙含水层。岩溶含水层：岩溶含水层：含水层的空隙主要是溶穴。如溶含水层的空隙主要是溶穴。如溶孔、溶洞等充水后形成的岩溶含水层孔、溶洞等充水后形成的岩溶含水层。第4节 含水层与含水岩系

50、根据含水层透水性在空间上的变化分：根据含水层透水性在空间上的变化分：均质含水层：均质含水层：K（x，y，z）=常量常量 如厚层均如厚层均匀的砂砾石层匀的砂砾石层 非均质含水层：非均质含水层：K（x，y，z）常量常量根据渗透性与水流运动方向的关系分：根据渗透性与水流运动方向的关系分：各向同性含水层各向同性含水层(isotropic aquifer)：Kx=Ky=Kz 各向异性含水层：各向异性含水层：Kx Ky Kz 第4节 含水层与含水岩系 含水带、含水系统含水带、含水系统 基岩含水带基岩含水带 地下水埋藏分布受岩性控制与地质体分布一致者，为地下水埋藏分布受岩性控制与地质体分布一致者，为含水层含