[地質(zhì)學(xué)]水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)講義

1、水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)講義主講內(nèi)容及學(xué)時分配（講課學(xué)時：38學(xué)時） 第0章 緒言 2學(xué)時第1章 自然界的水循環(huán) 2學(xué)時第2章 地下水的賦存 6學(xué)時第3章 地下水運(yùn)動的基本規(guī)律 6學(xué)時第4章 地下水的化學(xué)成分及其形成作用 4學(xué)時第5章 地下水的補(bǔ)給、排泄與徑流 4學(xué)時第6章 地下水的動態(tài)與均衡 4學(xué)時第7章 孔隙水 2學(xué)時第8章 裂隙水 2學(xué)時第9章 巖溶水 2學(xué)時第10章 特殊類型地下水 2學(xué)時第11章 地下水資源分析及其開發(fā)管理1學(xué)時第12章 地下水調(diào)查概要 1學(xué)時教材：水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)，章至潔，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004. 參考教材：緒 論0.1 地球上的水與水資源地球上的水及所占比例：l 海洋水

2、：占96.54%l 淡水占全球水量的2.527% l 地下水占淡水資源的30%一、 利用自然資源有兩種方式：1.不可再生資源：如果某種資源的存量大到足以保證上百年的需要，而且在資源耗竭以后，可以開發(fā)替代資源。礦產(chǎn)資源是典型的不可再生資源2.可再生資源：如果某種資源的再生速率高于人們的消費(fèi)速率，就可以保證永續(xù)利用?？稍偕Y源是永遠(yuǎn)不會耗竭的淡水資源的主體是可再生的二、 地球上的水與水資源的重要性1. 水自然界存在，自然屬性l 不斷循環(huán)運(yùn)動l 良好的溶劑，重要載體l 水具有能量2.水人類生存、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺，社會屬性l 生命之源，是地球系統(tǒng)的“血液”l 旱災(zāi)、水災(zāi)、水污染，對人類發(fā)展不協(xié)調(diào)l

3、 水資源可再生，但水資源有價值（價值規(guī)律）l 水資源管理不當(dāng)，成為社會不穩(wěn)定因素之一三、地球上的水與水資源：我國水資源概括 中國的大氣降水與水資源分帶 中國的人口密度與分省人均淡水資源我國是世界上最缺水的13個國家之一人均水資源占有量僅為世界平均值的1/40.2 地下水的功能（作用）n 概念：水文地質(zhì)學(xué)簡言之研究地下水的科學(xué) 水對人類生活與生產(chǎn)起著不可或缺的重大影響 地下水是水資源組成部分 其主要功能（functions）為：1、地下水是一種寶貴的資源（resource）2、地下水是極其重要的生態(tài)環(huán)境因子3、地下水是一種很活躍的地質(zhì)營力4、地下水是地球內(nèi)部地質(zhì)演變的信息載體一、 地下水是一種寶

4、貴的資源1. 供水水源優(yōu)點(diǎn)： 分布廣，動態(tài)變小，潔凈，不易污染據(jù)報道：陸地一半為干旱、半干旱地區(qū)1/3耕地，2/3牧區(qū)水源不足城市供水不足，近來更有增加趨勢世界上，阿拉伯國家-進(jìn)口雨水，中東的長期摩擦一是石油，二是水80年代以來，我國城市缺水總體也愈來愈嚴(yán)重，很顯然：水資源的欠缺嚴(yán)重制約著國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。全國60%的耕地全部或部分使用地下水灌溉，全國95以上的農(nóng)村飲用地下水。2. 液體礦產(chǎn)（liquid mining） 地下水高含鹽類或稀有元素，開發(fā)提煉具有工業(yè)開采價值如四川自貢，三疊紀(jì)巖層中的鹵水，每升達(dá)300g之多。 醫(yī)療或健身功能的礦泉水（Natural mineral water

5、）-療養(yǎng)院，天然礦泉水廠，啤酒廠等尋找特殊功能的水資源 開發(fā)提取一定的能量（熱能，冷能）地下水1）地下水的露頭泉井，往往具有冬暖夏涼的特點(diǎn)，地球淺層是常溫帶保溫作用，起到“冬灌夏用，夏灌冬用”2）地球是個天然熱庫可以供熱，供取暖等用處二、 地下水是極其重要的生態(tài)環(huán)境因子地下水是影響生態(tài)與環(huán)境的重要因素之一1. 地下水的變化往往會打破原有的生態(tài)平衡，使環(huán)境發(fā)生變化即可以有益，也可以是有害的2. 有害的例子：農(nóng)業(yè)用水不當(dāng)?shù)拇紊}漬化、不統(tǒng)一開采，河西走廓的民勤縣，綠州變沙漠、過量開采地下水地面沉降（上海、天津）、海水入侵，地面塌陷，地下水污染等3. 地下水與其周圍的環(huán)境，人、水、熱、動是個相互依存

6、的有著內(nèi)在聯(lián)系的生物生存鏈，打破一個環(huán)節(jié)就會引起或正或負(fù)的反饋（報復(fù)） 地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問題：沙化荒漠化加重 地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問題：上海地面沉降 地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問題：地下水污染三、 地下水是一種很活躍的地質(zhì)營力地殼內(nèi)能量、熱量的傳輸者 1. 傳遞應(yīng)力：水為誘發(fā)地震，地質(zhì)災(zāi)害是地下水作用 2. 人工地震預(yù)報觀測地下水 3. 地球是個天然熱庫在地質(zhì)循環(huán)和水文循環(huán)中傳輸?shù)貧?nèi)部的能（熱）量的傳輸者四、地下水是地球內(nèi)部地質(zhì)演變的信息載體地下水是（地球內(nèi)部地質(zhì)演變的）信息載體 1. 由于是應(yīng)力傳遞者，同時又是在流動所以地下水水位，水量，水溫，水化學(xué)等的變化或異常可以提供埋藏在地下的許多信息

7、. 2. 強(qiáng)的溶劑：在地質(zhì)循環(huán)和水文循環(huán)中化學(xué)組分溶解，傳遞到適宜的部位沉淀（沉積）：成礦如找礦、找油、地震預(yù)報、地質(zhì)演變.0.3 水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展與趨勢一、發(fā)展階段：四個時期：1856年以前的萌芽時期1856年至本世紀(jì)中葉的奠基時期20世紀(jì)中葉至今的發(fā)展時期21世紀(jì)的轉(zhuǎn)變時期 1. 萌芽時期：由逐水而居到鑿井取水-一大轉(zhuǎn)折 2. 奠基時期：1856年，達(dá)西定律-地下水定量計算奠定了水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ) 3. 發(fā)展階段：二次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)后，科學(xué)技術(shù)推動生產(chǎn)力迅猛發(fā)展以及人口的急劇增長1）泰斯非穩(wěn)定流理論提出，對地下水資源量的認(rèn)識革命2）計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在地下水模擬、規(guī)劃管理等推進(jìn) 4. 轉(zhuǎn)變時期：

8、核心內(nèi)容的轉(zhuǎn)變，可持續(xù)發(fā)展觀的提出水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展正向“地下水科學(xué)”的轉(zhuǎn)變 發(fā)展趨勢。二、水文地質(zhì)學(xué)的趨勢簡況趨勢： 1. 核心課題轉(zhuǎn)移：找水水文地質(zhì)學(xué)資源生態(tài)環(huán)境 2. 視野擴(kuò)展：含水層地下水系統(tǒng)水文-生態(tài)環(huán)境技術(shù)-社會系統(tǒng)。 3. 目標(biāo)改變：由當(dāng)前的問題轉(zhuǎn)向長期的可持續(xù)發(fā)展 4. 內(nèi)容擴(kuò)展：從地下水的水量為主，轉(zhuǎn)向水量與水質(zhì)的研究并重； 從狹義地下水，擴(kuò)大到廣義地下水,乃至地下水圈 5. 思路的改變：從成生角度，加強(qiáng)過程與機(jī)理研究 6. 多學(xué)科交叉滲透成為主流：地下水科學(xué)與其它自然科學(xué)以及社會科學(xué)交叉滲透，以多學(xué)科方式研究與處理問題 7. 服務(wù)方式轉(zhuǎn)變：方式發(fā)生了很大改變，如何使水文地質(zhì)工

9、作成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，成為一個急需解決的重大課題。三、 水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展與趨勢任務(wù)1. 目前任務(wù)： 1. 正確地預(yù)測在人類活動干預(yù)下地下水的變化 2. 正確地評價、開發(fā)、管理與保護(hù)地下水資源 3. 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 4. 正確地預(yù)測礦產(chǎn)開發(fā)的地下水問題，避免地下水害 5. 。0.4 課程內(nèi)容本課主要內(nèi)容:一、水文地質(zhì)學(xué)基本概念概念、名詞與術(shù)語二、水文地質(zhì)學(xué)基本原理地下水形成基本規(guī)律賦存、分布、運(yùn)動三、地下水科學(xué)的分析方法 微觀以概念為基礎(chǔ)的分析方法 宏觀地下水系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的綜合分析四、應(yīng)用分析概念與原理的掌握思考題:1、為什么說“水資源”是可再生的資源？2、為什么說“水

10、資源”既有自然屬性，又有社會屬性第一章 自然界中的水循環(huán)1.1水循環(huán) 地球上各部位、各層圈都存在著水，各部位的水是相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化的整體也稱為水圈水系統(tǒng) 自然界的水循環(huán)一、各部位水的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化關(guān)系 水循環(huán)分為：地質(zhì)循環(huán)，水文循環(huán) 本章重點(diǎn)討論水文循環(huán)1.2 水文循環(huán)1. 定義水文循環(huán)示意圖環(huán)節(jié)或要素2. 水文循環(huán)的劃分（1） 循環(huán)路徑不同：大循環(huán)（海-陸）與小循環(huán)（海-海，陸-陸）（2）時空尺度不同：全球水文循環(huán)，流域水文循環(huán)，水-土-生系統(tǒng)水文循環(huán)3. 水文循環(huán)的運(yùn)動規(guī)律（1）海洋的蒸發(fā)量大于降水量（2）陸地的降水量大于蒸發(fā)量（3）大陸輸入水汽量與輸出水量基本平衡1.3 水量平衡（Wate

11、r balance）一、通用水量平衡方程1. 水文學(xué)（水文地質(zhì)學(xué)）研究的基本原理物質(zhì)不滅（質(zhì)量）、能量守恒定律為基本原理2. 通用水量平衡方程：區(qū)域段要素I = O + (W1 -W2) = O + W其中，I ：時段內(nèi)輸入?yún)^(qū)域的各種水量之和O ：時段內(nèi)輸出區(qū)域的各種水量之和W =W1 -W2： 區(qū)域內(nèi)時段始末的儲水量不同區(qū)域、不同研究對象可以寫出具體的水量平衡方程式二、我國的水量平衡 1.4 水文循環(huán)的作用一、水文循環(huán)的作用：通過循環(huán)水的質(zhì)量得以凈化、水的數(shù)量得以再生水資源不斷更新與再生，可以保證在其再生速度水平上的永續(xù)利用也是可持續(xù)發(fā)展保證。1.5 影響水文循環(huán)的因素自學(xué)u 1.氣象因素u

12、 2.自然地理條件u 3.人類活動等結(jié)果：有利于蒸發(fā)，不利于徑流，促進(jìn)內(nèi)陸水文循環(huán)思考題u 1. 水文循環(huán)的內(nèi)、外因是什么？u 2. 為什么稱水資源為可再生資源，可再生的水資源是，取之不盡的嗎？u 4. 舉例說明人類活動對“水文循環(huán)”產(chǎn)生的影響。u 5. 研究一個地區(qū)水量平衡有何意義？第二章 地下水的賦存2.1 巖石中的空隙基本概念：1. 巖石水文地質(zhì)學(xué)中指堅硬的巖石及松散的土層2. 空隙巖、土中各種類型的空洞的總稱空隙是地下水賦存場所（ places ） 和運(yùn)移通道（conduits）空隙分為（1）. 孔隙（pore）-unconsolidated soil-（第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)）（2）. 裂隙（

13、fissure）- hard rock -（構(gòu)造地質(zhì)學(xué)）（3）. 溶穴（cavity）- dissoluble rock -（巖溶地貌學(xué)）工程地質(zhì)學(xué)是從土層的物理力學(xué)指標(biāo)（性能）來討論，如土的壓縮性或強(qiáng)度變形。一、孔隙（pore, void）土體孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與分布。松散土體宏觀上可以分為2大類：砂性土與粘性土類1、砂礫石孔隙大小及其影響因素v 試樣a礫石(模型)，試樣b砂土樣品，試樣c砂礫混合樣品？ 提問：試樣a與b構(gòu)成的孔隙哪種大？哪種小？顆粒大小-有關(guān)？ 簡單歸納-砂礫石土孔隙大小與什么有關(guān)？顆粒大小、排列立方體或四面體、分選、膠結(jié)與充填等 孔隙大小特征的描述

14、：孔喉(d) d=0.414D孔腹(d) d=0.732D(上述為：立方體排列的理想等徑園球顆粒）2. 砂礫石的孔隙度（porosity）及其影響因素孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標(biāo)（1）. 定義：某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例。通常用n 表示 ？問：孔隙度的大小與什么有關(guān)？與顆粒大小有關(guān)？a. 與排列有關(guān)緊密與疏松理想最疏松孔隙為47.64%，最緊密排列孔隙為25.95%。b. 與分選有關(guān)下面試樣哪個孔隙度大？哪個?。吭嚇樱旱[石；砂石；混合樣 完全混合試樣時，孔隙度n混=n礫n砂（請自己推導(dǎo)證明） 影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。 自然界中松散巖石的

15、孔隙度： 矛盾之一：與粒徑的關(guān)系不是愈大則愈大？ 矛盾之二：孔隙度超過最疏松排列的47.64%達(dá)到70%2. 粘性土的孔隙度（porosity）及其影響因素（1）粘土顆粒 粘性土是指土體顆粒0.005mm 的直徑 粘性土由于顆粒細(xì)小，比表面積大，連結(jié)力強(qiáng) 粘粒在懸浮推移互相接觸時，就會連結(jié)起來形成粘粒團(tuán)” 細(xì)小粘粒集合（團(tuán)）構(gòu)成（稱為）顆粒集合體。 集合體與集合體結(jié)合構(gòu)成粘性土的沉積結(jié)構(gòu)特征（2）粘土孔隙粘性土如同海綿、峰窩或絮狀結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)孔隙集合體與集合體、粘粒與粘粒之間 次生孔隙蟲孔、根系孔、裂隙裂痕等二、裂隙1. 裂隙的概念（ fissure fracture ）固結(jié)的堅硬巖石中，一般僅

16、殘存很小部分孔隙，而存在有各種內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的裂縫（縫隙）：風(fēng)化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙2空間形態(tài)是兩向延伸長，橫向延伸短的“餅狀”空隙，單個裂隙是孤立的3.裂隙巖體：從水的賦存與運(yùn)移角度來看，裂隙的描述包括：1) 裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長度和密度）2) 張開性（裂隙寬度）3) 裂隙率等三、溶穴（solution cavity） cavern1.在裂隙基礎(chǔ)，水流對可溶巖進(jìn)一步作用的結(jié)果是擴(kuò)大了的裂隙溶穴：溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等2.巖溶巖體：要描述裂隙特征及巖溶發(fā)育特征（裂隙+溶洞）1）巖溶發(fā)育方向2）溶蝕率-鉆孔巖溶發(fā)育程度3）溶洞（方向、規(guī)模等）四、空隙特征的對比空隙

17、特征的比較1.含水介質(zhì)由各類空隙所構(gòu)成的巖石稱為含水介質(zhì)，也稱為介質(zhì)場。含水介質(zhì)的空間分布與連通特征（孔隙含水介質(zhì)、裂隙含水介質(zhì)、溶質(zhì)含水介質(zhì)）是不同的，三種主要類型的含水介質(zhì)比較： 連通性 孔隙介質(zhì)最好，其它較差 空間分布孔隙介質(zhì)分布最均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊 空隙比率孔隙介質(zhì)最大，裂隙最小 空隙滲透性孔隙介質(zhì)-各向同性，裂隙與溶穴-各向異性造成空隙介質(zhì)上述差異的主要原因：沉積物形成和空隙形成的環(huán)境思考題：1.什么叫孔隙度？孔隙度大與孔隙大有區(qū)別嗎？2.堅硬的花崗巖、砂巖、灰?guī)r的空隙特征有何異同點(diǎn)？（可以通過查閱資料和文獻(xiàn)回答）3.試總結(jié)砂礫類土體

18、的孔隙形狀特點(diǎn)2.2 巖石空隙中水的存在形式 存在形式：氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)設(shè)想實(shí)驗：材料（玻璃珠子、細(xì)管）+水（水杯）（1）2個玻璃珠子之間滴上幾滴水，接觸部位就會有所殘留水（2）在飽水試樣中取1顆和2個顆粒，顆粒和顆?？紫堕g的水？（3）將玻璃細(xì)管插入水中，取出，管中殘留水？通過上述3例及圖示空隙中水的存在形式：結(jié)合水（absorbed water, bound water）重力水（gravitational water;bulk water） 毛細(xì)水（capillary water）一、結(jié)合水（absorbed water, bound water）1.定義附著于固體表面，在自身重力下不能運(yùn)動

19、的水即結(jié)合水具有一定的抗剪強(qiáng)度？抗剪強(qiáng)度的產(chǎn)生與大小與什么有關(guān)表面引力服從庫侖定律，隨固體表面的距離加大而減弱（1） 性質(zhì)：結(jié)合水具有固態(tài)和液態(tài)水的雙重性質(zhì)；即自身重力作用下不能運(yùn)動，在外力作用下能夠移動（運(yùn)動）及變形（2） 意義：只要有固相表面就存在結(jié)合水，存在范圍廣，其量很小（結(jié)合水膜很?。?dāng)孔隙直徑小于2倍結(jié)合水膜厚度時，孔隙中只含有不能自由運(yùn)動的結(jié)合水（又稱無效空間）2. 強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水（1）強(qiáng)結(jié)合水（吸著水）：厚度：幾個水分子或幾百個水分子，受到的引力：1萬個大氣壓。（2）弱結(jié)合水（薄膜水）：厚度：幾十、幾百或幾千個水分子厚度。二、重力水重力水（gravitational wa

20、ter; bulk water）遠(yuǎn)離固相表面，水分子受固相表面吸引力的影響極其微弱，主要受重力影響。重力影響下可以自由運(yùn)動u 無重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布受表面吸引的作用液態(tài)水的特征u 地層內(nèi)巖石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通過泉，或井流出（抽出）u 重力水是水文地質(zhì)學(xué)研究的主要對象，也是勘察的主要對象三、 毛細(xì)水毛細(xì)水（capillary water）1、基本概念u 毛細(xì)現(xiàn)象： 根據(jù)細(xì)小管插入水中，水上升至一定高度停下來u 毛細(xì)力：毛細(xì)水：受到表面吸引力，重力，還有另一種力稱毛細(xì)力的作用，產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象。（1）毛細(xì)力的產(chǎn)生：是在三相界面上內(nèi)彎液面引起液面彎曲產(chǎn)生的（2）毛

21、細(xì)力的方向：作用方向始終指向彎曲液面的凹側(cè)l 凹凸彎液面是指相對于液相一側(cè)而言的l 凹形彎液面負(fù)的毛細(xì)壓強(qiáng)（negative）-如同真空吸力l 凸形彎液面正的毛細(xì)壓強(qiáng)（positive）（3） 毛細(xì)力的大?。好?xì)力大小與彎液面的曲率成正比（曲率大,毛細(xì)力大;曲率小，毛細(xì)力小）。一根毛細(xì)管子，管徑越小，毛細(xì)力越大；反之亦然毛細(xì)力大，毛細(xì)上升高度也越大。2、毛細(xì)水的存在形式（states forms）在巖石空隙中，毛細(xì)水的存在形式可分為三種：（1） 支持毛細(xì)水（supporting capillary water ）在地下水面支持下存在的（附著水面上的），隨地下水升降而升降。上升高度與水面上部的巖

22、石孔隙性質(zhì)有關(guān)（2） 懸掛毛細(xì)水（suspension capillary water ）脫離水面，巖石細(xì)小孔隙中保留的水分，稱為懸掛毛細(xì)水。上粗下細(xì)或上細(xì)下粗砂礫試樣的例子。？懸掛毛細(xì)水的高度思考：一個等徑園管，如果支持毛細(xì)水高度為hc，懸掛毛細(xì)水高度？（3） 孔角毛細(xì)水（觸點(diǎn)毛細(xì)水）（corner water, contiguity water?）孔角毛細(xì)水與懸掛毛細(xì)水是不同？懸掛毛細(xì)水似串珠狀且連續(xù)分布的，孔角毛細(xì)水是孤立的2.3 巖石的水理性質(zhì)巖石（包括骨架與空隙在內(nèi)的總稱）水理性質(zhì)：就水文地質(zhì)學(xué)主要涉及是與水分儲容、釋出與運(yùn)移有關(guān)的性質(zhì)包括：一、容水度和孔隙度（porosity）（反

23、映巖石最大含水能力）孔隙度n; 容水度nr ？兩者有何關(guān)系n 巖石完全飽水時，所能容納的最大水體積與巖石總體積之比二、含水量（water content）_wn 巖石樣實(shí)際保留水分的狀況，（是某巖樣某時的含水狀態(tài)）又稱巖石的天然含水量1.重量含水量：松散巖石中孔隙中所含水的重量與干燥巖石重量的比值。2.體積含水量：含水的體積與包含孔隙在內(nèi)的巖石體積的比值。3.飽和差：巖石容水度和體積含水量之間的差值。4.飽和度：體積含水量與容水度之比成為飽和度。三、持水度（specific retention）_Sr巖石的持水能力最大保持水分的能力n 飽水巖石在重力作用下釋水后，巖石中保持的水的體積與巖石總體

24、積之比四、給水度1、定義：當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€單位高度時，單位水平面積巖石柱體，在重力作用下釋放出來的水體積，稱為給水度。當(dāng)水位下降一個單位，土層孔隙中是否所有的水都流出來？在土層中會保留什么形式的水？結(jié)合水(膜)，孔角毛細(xì)水，有時懸掛毛細(xì)水與支持毛細(xì)水2. 影響因素：（1）巖性：空隙大的巖石，給水度大l 礫粗砂 粉砂（與粒徑有關(guān)）l 顆粒細(xì)小者，比表面積大，結(jié)合水與孔角毛細(xì)水殘留多（2）地下水位初始埋深（H0）l 當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谥С置?xì)水帶高度時H0 hc ,可達(dá)最大值l H0 hc 時，地下水位下降1個高度時，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水，土層給水量大大降低，變小。l 土層含水量曲線

25、分析：當(dāng)水位埋深足夠大時，土層給水度不發(fā)生變化（為定值），此時給水度也是最大理論給水度（3）與地下水位下降速度有關(guān) 地下水位下降快慢會影響到的大?。ㄏ陆悼炖?、下降慢理），這是因為釋水滯后，而導(dǎo)致的釋水減量（4） 土層結(jié)構(gòu)l 巖土層為層狀非均質(zhì)土?xí)r，往往會影響值，l 多層狀土的特征而言，上粗下細(xì)，上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)影響是不同的。五、透水性（permeability） （先自學(xué)一下）l 反映巖土透過水的能力l 后續(xù)講“地下水的運(yùn)動”時再討論l 巖石空隙直徑越大透水能力越強(qiáng)透水性越好！2.4 包氣帶與飽水帶一、包氣帶與飽水帶的劃分地下水面（水位）：地下一定深度巖石中的空隙被重力水所充滿，形成一個自由水面，

26、以海拔高度表示稱之地下水位（一般通過打井，地下開挖來確定）二、包氣帶包氣帶（zone of aeration or zone of unsaturation）1.特點(diǎn)： 巖石空隙未被水充滿是固、液、氣三相介質(zhì)并存介質(zhì)2.水的存在形式（多樣）結(jié)合水、毛細(xì)水（各種）、重力水、氣態(tài)水3.包氣帶水的垂直分帶土壤水帶，中間帶（過渡帶）支持毛細(xì)水帶，毛細(xì)飽和水帶包氣帶是飽水帶中地下水參與水文循環(huán)的一個重要通道；“重力水”通過包氣帶獲得降水、地表水的入滲補(bǔ)給（補(bǔ)充），部分水又通過包氣帶將水分傳輸，蒸發(fā)，消耗出去。三、 飽水帶飽水帶（saturation zone）1. 巖石空隙被水完全充滿是二相介質(zhì)（固相+

27、液相水）2. 空隙中水的存在形式：重力水；結(jié)合水u 重力水：連續(xù)分布（孔隙是連通）傳遞壓力在水頭差作用下，地下水（空隙中的水）可以連續(xù)運(yùn)動。u 地下開挖，坑道，巷道，基坑，打井在此帶均有重力水涌出來！2.5 含水層和隔水層一、基本概念飽水巖層中，根據(jù)巖層給水與透水能力而進(jìn)行的劃分1. 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2.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）3.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

28、粘土，泥質(zhì)粉砂巖二、概念的相對性定義中的模糊概念“相當(dāng)水量，微不足道，較大水力梯度”等嚴(yán)格的“是與非”的邏輯思維，在很多情況下是相對的和模糊的概念相對性的意義：1.從實(shí)際應(yīng)用角度來看劃分的相對的性相當(dāng)水量滿足需要就可以了。如在某處一口井出水量80m3/d，作為1萬人的供水，非含水層；作為飲料廠、裝瓶生產(chǎn)則為含水層。又如一個小泉水流量0.11/s8.6m3/d，大廠非，村用是。2.從理論意義來看微不足道微不足道，有時空尺度的制約三、 含水系統(tǒng)含水系統(tǒng)Groundwater aquifer system1.地下水含水系統(tǒng)：是指由隔水或相對隔水巖層圈閉的，具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水巖系2.含水系統(tǒng)：包含

29、多個含水層和弱透水層，或局部隔水層3.含水系統(tǒng)：可以進(jìn)行子系統(tǒng)劃分4.含水系統(tǒng)的定義是從大的空間尺度研究含水層、隔水層、與弱透水層的組合關(guān)系，是從地質(zhì)成因角度對巖層的水文地質(zhì)特征進(jìn)行劃分的分析方法(或給出的概念)2.6 地下水的分類1. 廣義地下水：地表以下巖石空隙中的水(包氣帶、飽水帶中的水)2. 狹義地下水：地表以下飽水帶巖層空隙中的水重力水3. 地下水分類：主要依據(jù)含水介質(zhì)的類型（賦存空間）埋藏條件（賦存部位）v表3-1含水介質(zhì)三類，埋藏三分，組合共分為9類4. 地下水分類2.7 潛水與承壓水及上層滯水一、潛水與潛水含水層1.潛水與潛水含水層概念（1）潛水：地表以下，第一個具有自由表面的

30、穩(wěn)定含水層中的水。u 自由表面即設(shè)有隔水層限制，與大氣直接相通，除大氣壓強(qiáng)外不受其它力。u 穩(wěn)定具有一定的空間連續(xù)性（范圍）以示區(qū)分上層滯水（2）潛水含水層-賦存潛水的巖層屋建筑時的基坑排水，大堤堤角處的散浸滲漏（潛水）2. 潛水面(water table)1 潛水位(water level )2 潛水含水層-3 含水層厚度-4 潛水埋深-潛水與潛水含水層3、主要特征1 補(bǔ)給(來源)：降水入滲，河湖入滲2 排泄(匯)：泉，（河）泄流，蒸發(fā)補(bǔ)給或排泄通過含水層厚度變化而儲水與釋水！3 動態(tài)：受氣象，水文因素影響明顯，變化快（水量、水位季節(jié)性變化）,受人為因素影響也顯著，易污染4 水循環(huán)交替迅速：

31、水循環(huán)周期短，更新恢復(fù)快5 潛水研究基本方法繪制潛水等水位線圖獲取信息-資料的手段調(diào)查、勘探，分析二、承壓水與承壓含水層1. 承壓水定義充滿于2個隔水層（或弱透水層）之間的含水層中的水，稱之。2. 基本要素與特征（1）基本要素 承壓含水層； 隔水頂板； 隔水底板； 承壓含水層厚度（M）； 埋深（D）； 測壓水位線（面）：測壓水位線的連線（面）此線是虛擬的（如圖有壓管）； 承壓水頭（H）； 補(bǔ)給區(qū)； 承壓區(qū)； 排泄區(qū)； 自溢區(qū)測壓水位線與地形等高線的交點(diǎn)連接區(qū)。 承壓水與承壓含水層（2）特征：u 補(bǔ)給與排泄有限區(qū)域與外界聯(lián)系，水循環(huán)遲緩些，水交替慢，平均滯留時間長（年齡老或長）恢復(fù)性差，水化學(xué)變

32、化較大，礦化度一般要高點(diǎn)，可以保留“古老”的水u 動態(tài)要穩(wěn)定些，如果分布面積大，厚度穩(wěn)定則調(diào)節(jié)能力很強(qiáng)n 問題？承壓含水層的變化：在儲水與釋水時，含水層厚度是不變的，承壓含水層的儲水與釋水是如何進(jìn)行的？！（3）承壓含水層的儲水與釋水u 彈性給水度e承壓含水層中當(dāng)測壓水位下降(或上升)1個單位，單位水平面積含水層較體所釋放(或儲存)的水量u 測壓水位降低導(dǎo)致1) 含水層孔隙中水的壓力降低水體積膨脹釋水，水的膨脹系數(shù)約為1/200002) 孔隙水壓力降低，巖層顆粒間承受壓力增加骨架被壓縮顆粒不變骨架壓縮=空隙體積減小（排列改變）發(fā)生釋水（擠出來）水v 這兩部分水很有限，所以e 很小；與重力給水度d

33、相比要小10-1 - 10-3u 承壓含水層的彈性給水度從理論上來看：u 彈性給水度是可以恢復(fù)的u 實(shí)際上彈性是有限恢復(fù)的u 越過含水層彈性范圍（限定），將產(chǎn)生一次性的變形即永久性不可恢復(fù)的變形u 最終導(dǎo)致含水層的彈性給水與釋水能力降低三、潛水與承壓水的相互轉(zhuǎn)化u 在自然或?qū)嶋H條件下，潛水與承壓水的劃分也是相對的u 在復(fù)雜條件下，很難將某些含水層中的水劃定為潛水或承壓水v 幾個例子：u 山區(qū)基巖互層u 一個較厚的含水層u 一個封閉的含水層潛水？n 開采前潛水含水層n 開采后承壓含水層 學(xué)習(xí)提示：u 前第一、二、三章，是水文地質(zhì)學(xué)中常用的基本概念和術(shù)語，要求掌握u v 后幾章將著重介紹一些基本理

34、論與方法第四章 地下水運(yùn)動的規(guī)律4.1 重力水的運(yùn)動一、 基本概念：1、 滲透與滲流：1） 滲透：地下水在巖石空隙中的運(yùn)動稱為滲透（或滲流）。特點(diǎn)：（1）曲折復(fù)雜的水流通道；（2）遲緩的水流（由于所受到的摩擦阻力較大，所以運(yùn)動遲緩，通常用每日（晝夜）多少米來計算其流通量。）實(shí)質(zhì)：用充滿含水層中的假想水流來代替僅僅在巖石空隙中運(yùn)動的真正水流。其條件是： （1）假想水流通過任意斷面的流量必須等于真正水流通過同一斷面的流量；（2）假想水流在任意斷面的水頭必須等于真正水流在同一斷面的水頭；（3）假想水流通過巖石所受到的阻力必須等于真正水流所受到的阻力。2、 層流與紊流：1）層流：在巖層空隙中滲流時，水

35、的質(zhì)點(diǎn)有秩序的、互不混雜的流動。在具有狹小空隙的巖石中流動時，重力水受介質(zhì)的吸引力較大，水的質(zhì)點(diǎn)排列較有秩序。2）紊流：在巖層空隙中滲流時，水的質(zhì)點(diǎn)無秩序地、相互混雜的流動。3、 穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流u 穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流：水在滲流場中運(yùn)動，各個運(yùn)動要素（水位、流速、流向）不隨時間改變時，稱為穩(wěn)定流。運(yùn)動要素隨時間變化的水流運(yùn)動，稱為非穩(wěn)定流。4、 地下水的運(yùn)動的空間變化類型：1） 線狀流：滲流場中任一點(diǎn)的速度變化只與空間坐標(biāo)的一個方向有關(guān)時的水流。2） 平面流：滲流場中任一點(diǎn)的速度變化只與空間坐標(biāo)的兩個方向有關(guān)時的水流。3） 空間流：滲流場中任一點(diǎn)的速度變化只與空間坐標(biāo)的三個方向有關(guān)時的水流。水力

36、學(xué)研究水在管、渠明流 多孔介質(zhì)，空隙細(xì)小，水流很緩慢滲流 從流態(tài)來看地下水多為層流（除巖溶管道外）層流紊流 側(cè)重穩(wěn)定流（不討論非穩(wěn)定流）二 達(dá)西定律（Darcys law）達(dá)西定律線性滲透定律（linear law）法國水力學(xué)家，1856年（以實(shí)驗為基礎(chǔ)研究時期）通過大量的室內(nèi)實(shí)驗得出的1、 實(shí)驗條件：裝置圖1）等徑圓筒裝入均勻砂樣（uniform sand），斷面為2）上（下）各置一個穩(wěn)定的溢水裝置保持穩(wěn)定水流3）實(shí)驗時上端進(jìn)水，下端出水示意流線4）砂筒中安裝了2個測壓管5）下端測出水量（outflow）Q2）滲透流速根據(jù)水力學(xué)流速與流量的關(guān)系于是：v=KI 滲透流速等于滲透系數(shù)與水力坡度的

37、乘積。V與I的一次方成正比。在實(shí)際的水流中，水力坡度在各處不同2 達(dá)西定律討論1）滲透流速（V）與過水?dāng)嗝妫ǎ㏎ = K I = Vv過水?dāng)嗝媾c水力學(xué)中的水流過斷面是否一致？否 過水?dāng)嗝?，假想的斷?實(shí)際孔隙斷面n 孔隙度 實(shí)際水流斷面ne有效孔隙度Q/ =V 比照水力學(xué)，實(shí)際流速 u= Q/ 關(guān)系：地下水滲透流速V= une 滲透流速V：是假設(shè)水流通過整個巖層斷面（骨架+空隙）時所具有的虛擬的平均流速。 意義：研究水量時，只考慮水流通過的總量與平均流速，而不去追蹤實(shí)際水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)移軌跡簡化的研究2) 水力梯度水力梯度（I）（hydraulic gradient） a)概念：水力學(xué)中水力坡度（J

38、）:單位距離上的水頭損失 是沿滲流途徑上的水頭損失與相應(yīng)的滲流長度之比 B)物理涵義上來看I：代表著滲流過程中，機(jī)械能的損失率，由水力學(xué)中水頭的概念加以分析： C) 任意點(diǎn)的水頭表達(dá)式其原因是u2/2g 很小而忽略: D)在地下水滲流研究中常：總水頭 測壓水頭(這是習(xí)慣用法)我們?nèi)匀挥肏 = H1-H2 代表該程L12 上的總水頭損失，I 則為總能量損失率 E)滲流過程中總機(jī)械能的損耗原因（與水力學(xué)相近）1)流體的粘滯性引起的內(nèi)摩擦阻力（分子間）2)固體顆粒表面對水流的反作用力 F)從達(dá)西公式: V = KI 來看：當(dāng)I 增大時，V 也愈大；即流速V 愈大，單位滲流途徑上損失的能量也愈大;反過

39、來，水力梯度I愈大時，驅(qū)動水流運(yùn)動與速度也愈大注意：水頭損失一定要與滲流途徑相對應(yīng)3 滲透系數(shù)在有些教科書中也稱為水力傳導(dǎo)率1) 定義：水力梯度為I =1 時的滲透流速（V=KI）具有速度量綱L2 T-12) 由公式V = K I 分析_ 當(dāng)I一定時，巖層的K 愈大，則V 也愈大， Q 大因此，滲透系數(shù)K 是表征巖石透水性的定量指標(biāo)3)影響因素： 以松散巖石,等徑孔隙為例來分析v從公式即得出： Ko_內(nèi)在透水率 p-水的比重；v水的粘滯系數(shù)。 表3-1列出常見巖石滲透系數(shù)的參考值4 達(dá)西定律的適用范圍（自學(xué)）雷諾數(shù)數(shù)介于110 之間5 達(dá)西定律的應(yīng)用實(shí)例：（自學(xué)） 關(guān)鍵問題：利用達(dá)西公式和微積

40、分的簡單計算。三、流網(wǎng)（Flow net）1 基本概念（concept）1）滲流場：地下水流動（運(yùn)動）的空間2）流網(wǎng)：是由一系列等水頭線與流線組成的網(wǎng)格，稱流網(wǎng)（flow net）流網(wǎng)是描述滲流場中地下水流動狀況的有效工具3）流線：某時刻在滲流場中畫出的一條空間曲線，該曲線上各個水質(zhì)點(diǎn)的流速方向都與這條曲線相切（某時刻各點(diǎn)流向的連線）4）跡線：流體水質(zhì)點(diǎn)在滲流場中某一時間段內(nèi)的運(yùn)動軌跡 5）等水頭線：在某時刻，滲流場中水頭相等各點(diǎn)的連線（水勢場的分布）2 二維流網(wǎng)圖：1）平面流網(wǎng)：潛水等水位線圖，承壓水等測壓水位線圖2） 剖面流網(wǎng)：含水量厚度較大時，常需要刻畫剖面的水流3 流網(wǎng)特點(diǎn)：1） 在各

41、向同性介質(zhì)中，流線與等水頭線正交；在各向異性介質(zhì)中，流線與等水頭線斜交2）是按一定規(guī)則繪制的，等水頭線（等水頭差繪制），流線（等流量寬，單寬流量相等）4 定性流網(wǎng)繪制 在許多實(shí)際工作中，繪制定性流網(wǎng)分析問題很重要，精確流網(wǎng)受許多條件（資料不足等）制約，很難辦到v思考回答：n 邊界條件？有哪幾類？n 流線起點(diǎn)和終點(diǎn)？等水頭線如何控制？n 等流量如何確定？n “源”resource （發(fā)散流線處）n “匯”sink （ 吸收流線處）n “地下分水線”divide line（分水或分流處為“流線”）1）繪制步驟（簡要）：（1）尋找已知邊界（濕周，隔水邊界，水位線）a）定水頭邊界：河渠濕周-等水頭線;b) 隔水邊界：流線（“零通量”）c）地下水面邊界：當(dāng)無滲入補(bǔ)給與蒸發(fā)排泄，有側(cè)向補(bǔ)給，作穩(wěn)定流時，地下水面是一條流線；當(dāng)有入滲補(bǔ)給時，既不是流線，也不是等水頭線。（2）分水線、源、匯的確定（3）畫出滲流場周邊流線與條件（4）中間內(nèi)插河5 流網(wǎng)的應(yīng)用它反映了滲流場中地下水的流動狀況，同時也是介質(zhì)場與勢場的綜合反映。提供這兩方面的信息： 流網(wǎng)相鄰兩