《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》期末考試資料

1、計(jì)算題：1根據(jù)下面某一地下水水樣的水化學(xué)資料，試求以下問題:試求該水樣的礦化度。寫出庫(kù)爾洛夫試，并分析地下水化學(xué)類型。水化學(xué)成分含量(nig/L)水化學(xué)成分含量(mg/L)K+1.02cr1.37Na-17.08SO+2-6.36o6,11HCO356.19M*0游離CO24.4PH8.03H3SiO364.02溫度/45原子量：Na：23.0,Ki39.1tCa：40.1TMg：24.3,Cl:35,5,S:32.1,O:16.OtH:bC:12.0=某潛水水源地開采區(qū)為正方形，邊長(zhǎng)為15km,區(qū)域面積為2252,多年平均降水量為600mm/m?，降水入滲系數(shù)為0.21,開采區(qū)西部和北部約1

2、60皿的地區(qū)，地下水埋深23m，蒸發(fā)強(qiáng)度0.00005m3/md,其它區(qū)域無蒸發(fā)，南、西部為補(bǔ)給邊界，單寬流量：5m3/md和10m/md，北、東部為隔水邊界，水源地開采為40萬m3/d，潛水含水層平均水位80m，含水為中粗粒砂，滲透系數(shù)為25m/d，重力給水度為0.15，其下伏承壓含水層側(cè)壓水位為90m，兩含水層間有一厚度為10m，垂向滲透系數(shù)為0.0002m/d，弱透水層(亞粘土)且有較密切水力聯(lián)系。計(jì)算該水源地潛水含水層的補(bǔ)給量Q“，排泄量Q排；并進(jìn)行水量均衡補(bǔ)排計(jì)算，確定該水源地是正還是負(fù)均衡。按目前水源地開采強(qiáng)度，計(jì)算該水源地潛水含水層年平均水位變化情況。3達(dá)西定律、越流公式有效應(yīng)力

3、原理：G=G+卩，解釋15.4中地下水引起的巖土體變形與位移如：地面沉降、滑坡孔隙水壓力變化；0=BM地下水對(duì)巖土體不連續(xù)面的滑潤(rùn)地下水改變粘性土的強(qiáng)度地下水流引起的滲透變形一、水文地質(zhì)學(xué)研究的是：地下水在與巖石圈、地幔、水圈、大氣圈、生物圈和人類活動(dòng)相互作用下，其水量在時(shí)間和空間上的變化，以及對(duì)各各個(gè)圈層產(chǎn)生的影響，從而服從于人與自然相互協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展。研究對(duì)象：地下水地下水圈：從地表到地幔帶各圈層所構(gòu)成的具有一定水力聯(lián)系的統(tǒng)一的含水整體。地下水的基本功能:寶貴的自然資源：供水水源：地下水分布廣泛，變化穩(wěn)定，水質(zhì)良好，便于應(yīng)用，是理想水源。液體礦床：富含某些鹽類和稀有元素具有工業(yè)和醫(yī)療使用

4、價(jià)值，地下水熱能的利用。重要的生態(tài)環(huán)境因子：影響生態(tài)環(huán)境變化，控制地表生態(tài)格局的分布。例如：過量開采地下水導(dǎo)致地表下沉，地面塌陷，海水倒灌入侵；農(nóng)業(yè)用水不當(dāng)，導(dǎo)致土壤鹽堿化，沼澤化，荒漠化；活躍的地質(zhì)營(yíng)力地球內(nèi)部信息載體災(zāi)害因子：地下水污染、海水入侵、過量開采導(dǎo)致地面下沉、飽和砂土振動(dòng)液化、管涌突水、大型工程中地址問題、核燃料排放等。我國(guó)水資源的特點(diǎn)二、地下水賦存條件包氣帶(或稱非飽和帶)和飽水帶的劃分：包氣帶：地表到地下水面這一部分；特點(diǎn)：巖石空隙未被水充滿，是固液氣三相介質(zhì)共存的介質(zhì)。水的存在形式：結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水、氣態(tài)水包氣帶水垂直分布：土壤水帶f中間帶f支持毛細(xì)水f毛細(xì)飽和水帶飽

5、水帶：巖石空隙完全被水充滿，是二相介質(zhì)空隙中水存在：重力水、結(jié)合水巖石中的空隙和水空隙分為：空隙、裂隙、溶穴孔隙（n）：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。Vnn=x100%1）孔隙度的影響因素：Va）與排列的松緊程度有關(guān)b）與顆粒的分選有關(guān)（注：影響孔隙度大小的主要因素）c）與顆粒的形態(tài)（棱角）有關(guān)。裂隙：固結(jié)在堅(jiān)硬巖石中，存在在各種應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的裂縫。1）按成因分成：風(fēng)化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙2）裂隙巖體描述：a）裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長(zhǎng)度和密度）b）張開性（裂隙寬度）c）裂隙率Kr（體積裂隙率、面裂隙率、線裂

6、隙率）溶穴：可溶性的沉積巖在地下水的溶蝕下形成的空洞（二）巖土中的水存在形式：氣、固、液空隙中的水存在形式：結(jié)合水、重力水、毛細(xì)水毛細(xì)水的存在形式：支持毛細(xì)水、懸掛毛細(xì)水、孔角毛細(xì)水（三）與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)容水度：指巖土完全飽水時(shí)所容納的水的體積與巖土體積的比值。反映巖石最大含水能力；注意：除粘土容水度大于孔隙度外，巖石容水度一般與空隙度相當(dāng)?？紫抖纫籲;容水度一叫含水量：指松散巖土孔隙中包含的水與巖土體積的比值。給水度：指地下水下降單位高度時(shí)，釋放水的體積和疏干體積的比值，記作u。松散巖土給水度的影響因素：巖性（顆粒大小、分選）、地下水位下降速度、初始地下水位埋深、土層結(jié)構(gòu)（粗細(xì)

7、顆粒成層分布狀況）。持水度（Sr）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。滲透性：反映巖土透過水的能力巖石空隙直徑越大一透水能力越強(qiáng)一透水性越好滲透系數(shù)K（四）飽水帶中的巖層分類：按巖層的性質(zhì)：含水層、隔水層、弱透水層1）含水層：是飽水并能透過與給出相當(dāng)數(shù)量水的巖層。如：各類砂土或砂巖2）隔水層：不能透過與給出水或透過與給出水的水量微不足道的巖層；如裂隙不發(fā)育的基巖、頁(yè)巖、板巖和致密的粘土3）弱透水層：滲透性很差，給出水微不足道，但在較大水力梯度作用下，具有一定透水性能的巖層。如：各種砂土、泥質(zhì)粉砂巖。按地下水的埋深：潛水、承壓水和上層滯水1）潛水：指

8、埋藏在地面以下，第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上，具有自由表面的重力水。a）潛水的基本要素：潛水面一潛水表面的自由水面潛水埋深D潛水面至地面的距離潛水水位H潛水面上任意一點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)高程含水層厚度M潛水面至隔水底板的距離b）潛水的主要特征補(bǔ)給來源：潛水直接與大氣相通，可通過包氣帶接受降水、地表水等補(bǔ)給動(dòng)態(tài)特征：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。循環(huán)交替：水循環(huán)周期短，更新恢復(fù)速度快。潛水面形態(tài)：潛水面形狀受地形影響，潛水水位與地形的起伏相一致而較緩和。水化學(xué)特征：水的礦化度與地形、水的交替有關(guān)。濕潤(rùn)氣候區(qū)，地形切割強(qiáng)烈、水交替強(qiáng)烈地區(qū)地下水礦化度低。干旱氣

9、候區(qū)細(xì)顆粒組成的盆地平原易形成咸水。c）潛水等水位線圖i.確定潛水流向ii.判斷與地表水的關(guān)系（補(bǔ)給、排泄）iii.判斷地下分水嶺的分布位置，與地形是否吻合。iv.結(jié)合地形圖，確定潛水位埋深。v.確定含水層厚度，推斷含水層巖性和厚度的變化。vi.確定給水和排水工程位置vii.確定潛水面的坡度和潛水水力梯度。2）承壓水：充滿于兩個(gè)隔水層之間的含水a(chǎn)）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(cè)壓水位：井孔中靜止水位的高程測(cè)壓水位線（面）：測(cè)壓水位線的連線（面）虛擬線承壓高度（H）：作用于含水層的附加壓強(qiáng)。補(bǔ)給區(qū)；承壓區(qū)；排泄區(qū)自溢區(qū)：測(cè)壓水位線與地形等高線的交點(diǎn)連接

10、區(qū);排泄區(qū)jTOC o 1-5 h z承壓區(qū)JI|*ie1自溢區(qū)一iI形成最有利于形成承壓水的構(gòu)造是向斜（自流盆地）和單斜（自流斜地）。根據(jù)構(gòu)造和地形的關(guān)系分類自流盆地中承壓水：正地形盆地，地形與構(gòu)造形態(tài)一致自流斜地中承壓水：排泄區(qū)一般為點(diǎn)狀排泄，上升泉c）水頭壓力d）特征：1.承壓性承壓性承壓含水層水頭高于隔水頂板補(bǔ)給與排泄條件有隔水頂板，參與水循環(huán)不積極（補(bǔ)給、排泄），超采后不易恢復(fù)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(shí)間長(zhǎng)（年齡老或長(zhǎng)）恢復(fù)性差。3.水化學(xué)特征不易受污染，水質(zhì)變化大，礦化度一般要高點(diǎn)，可以保留“古老”水。4.動(dòng)態(tài)特征動(dòng)態(tài)隨季節(jié)不變化明顯，比潛水要穩(wěn)定些，如

11、果分布面積大，厚度穩(wěn)定則調(diào)節(jié)能力很強(qiáng)。e）承壓等水位線圖概念：將某一承壓含水層測(cè)壓水位相等的各點(diǎn)進(jìn)行連線繪制與潛水等水位線圖一致（注：用同時(shí)間資料）用途確定流向、水力梯度；結(jié)合地形圖，確定承壓水位的埋深、自溢區(qū)；結(jié)合含水層頂板等高線圖，確定任一點(diǎn)承壓高度，承壓含水層的埋深、厚度和透水性變化。3）上層滯水：包氣帶局部隔水層（弱透水層）之上積聚的具有自由表面的重力水。上層滯水分布局限。接受大氣降水補(bǔ)給，通過蒸發(fā)排泄，或通過隔水（弱透水）底邊的邊緣下滲排泄。按其含水的介質(zhì)：孔隙水、裂隙水、巖溶水三、地下水運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律（一）達(dá)西定律根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到關(guān)系式：Q=Kmh/l其中：根據(jù)I=h/l可以推出：

12、Q=KmI其中：Q-滲透流量（L3T-1）；w-過水?dāng)嗝妫↙2）；h-水頭損失（水頭差，L）；l-滲透途徑（L）；K-滲透系數(shù)（LT-1）；I-水力梯度（無量綱）。（二）滲透流速根據(jù)水力學(xué)流速與流量的關(guān)系：Q=V則Q=Krol可簡(jiǎn)化為V=KI，稱為滲透流速。公式V=KI，為單位面積上的流量，稱比流量。滲透流速與水力梯度是一次方成正比，故達(dá)西定律又稱為線性滲透定律。（三）流網(wǎng)1.基本概念：1）等水位（壓）線潛水位（測(cè)壓水位）相等的各點(diǎn)的連線，稱為等水位（壓）線。2）流線滲流場(chǎng)中某一瞬間的一條曲線，曲線上各水質(zhì)點(diǎn)在此瞬間的流向均與此線相切。3）流網(wǎng)在滲流場(chǎng)的某一典型剖面或切面上由一系列等水頭線和流

13、線所組成的網(wǎng)絡(luò)。2.流線的性質(zhì)a）流線不能相交（同一時(shí)刻不可能有兩個(gè)流向）b）流線光滑不能有急轉(zhuǎn)折（若有轉(zhuǎn)折，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)有兩個(gè)流向）c）流線相當(dāng)于隔水邊界（只能在其間運(yùn)動(dòng)，不能穿過流線運(yùn)動(dòng)）d）流線的形狀受控于邊界的性質(zhì)和形狀（平行于隔水邊界，垂直于供水邊界）流網(wǎng)的用途與性質(zhì)1）用途根據(jù)流線方向可以看出任一點(diǎn)的流向；根據(jù)等水頭線可以看出任一點(diǎn)水位的變化；流線的密疏可以反映地下徑流的強(qiáng)弱；等水頭線的密疏則說明水力梯度的大小。追蹤污染物質(zhì)的運(yùn)移判斷水文地質(zhì)條件（含水層條件；邊界條件；與地表水關(guān)系）2）性質(zhì)在各向同性介質(zhì)中，流網(wǎng)為正交網(wǎng)格。（水沿水力梯度最大的方向運(yùn)動(dòng)）對(duì)于穩(wěn)定流，流線與跡線重合；對(duì)于

14、非穩(wěn)定流可以劃分為多個(gè)小單元，每個(gè)小單元可以看作穩(wěn)定流。對(duì)于穩(wěn)定流，流網(wǎng)不隨時(shí)間變化。四、地下水化學(xué)特征（一）地下水中氣體成分O2、N2是氧化環(huán)境（開放、與大氣相通）的標(biāo)志；2.H2S、CH4是還原環(huán)境（封閉、與大氣隔絕）的標(biāo)志；CO2的來源：生物化學(xué)作用；地殼深處灰?guī)r遇熱分解（二）地下水中主要的離子成分P53（三）地下水中的化學(xué)成分溶解性總固體（TDS）：地下水中所含種離子、分子與化合物的總量。（g/L）習(xí)慣上以105C-110C時(shí)將水蒸干所得的涸殘余物總量。因此：計(jì)算時(shí)揮發(fā)性成分不計(jì)入；（2）HCO3只取重量的半數(shù)。硬度：1）概念：水中Ca2+、Mg2+的總含量。（meq/L）目前新的國(guó)標(biāo)

15、中以CaCO含量（mg/L）表示。32）分類：a）總硬度：水中Ca2+、Mg2+的總含量。b）暫時(shí)硬度：水煮沸時(shí)（脫碳酸作用），因形成碳酸鹽沉淀而失去的一部分Ca2+、Mg2+含量。c）永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量，主要是Ca2+、Mg2+的硫酸鹽和氯化物。3）酸堿度（四）地下水化學(xué)成分的形成作用溶濾作用：1）是指地下水與巖土相互作用、巖土中一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)入到地下水中的作用。一個(gè)地區(qū)經(jīng)受的溶濾愈強(qiáng)烈，時(shí)間愈長(zhǎng)久，地下水的礦化度愈低，愈是以難溶離子為其主要成分。溶濾作用具有時(shí)間上的階段性和空間上的差異性。2）溶濾作用的結(jié)果：形成低礦化度以難溶離子為主的地下水。蒸發(fā)濃縮作用：

16、1）指地下水通過蒸發(fā)排泄而引起水中成分的濃縮，使水中鹽分濃度增大、礦化度增高的現(xiàn)象。2）必備條件：干旱半干旱的氣候；低平地勢(shì)控制下的地下水位埋深小；松散巖土顆粒細(xì)小，毛細(xì)作用強(qiáng)；一般發(fā)生于地下水流動(dòng)系統(tǒng)的排泄處；具有時(shí)間和空間的尺度3）濃縮作用的結(jié)果：往往形成高礦化度、以易溶離子為主的地下水（ClNa+為主）脫碳酸作用1）脫碳酸作用是在溫度升高、壓力降低的情況下CO自水中逸2出而HCO-含量則因形成碳酸鹽沉淀減少的過程。32）典型的例子是來自深部地下水的泉口的鈣華。Ca2+/Mg2+2HC0-COt+HO+Ca/MgCO3223脫硫酸作用脫硫酸作用是在封閉缺氧的還原環(huán)境中，在有機(jī)物和脫硫酸細(xì)菌

17、作用下，硫酸鹽被分解成H2S和HCO3-的生物化學(xué)過程。SO22-+2C+2H2OH2S+2HCO3-封閉的地質(zhì)構(gòu)造為其有利環(huán)境，油水中有H2S，為找油標(biāo)志。陽離子交替吸附作用陽離子交替吸附作用是地下水與巖石相互作用，巖石顆粒表面吸附的陽離子被水中陽離子置換，并使水化學(xué)成分發(fā)生改變的過程。吸附能力：H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+陽離子交替吸附作用取決于巖土的吸附能力、巖土的比表面積、離子的相對(duì)濃度?；旌献饔没旌献饔檬侵竷煞N或兩種以上不同成分水之間的混合，使原有水的化學(xué)成分發(fā)生改變的作用。有時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如：Ca（HCO3）2+Na2SO4CaSO4I+2NaHCO3離子毫克

18、當(dāng)量/升（mgN/L）表示單位離子濃度（mg/L）離子當(dāng)量離子當(dāng)量二離子量他藹子當(dāng)量二旦丄95詡_77O?離子當(dāng)量二=20當(dāng)量濃度（N）二離子的重量濃度離子的當(dāng)量數(shù)離子濃度（M）=離子的重量濃度離子的克分子數(shù)離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)陰離子mgN%=1_X100%X為某一個(gè)陰離子毫克當(dāng)餐yx為所有陰離子毫克二龜?shù)目偤蛒+陽離子mgN%=X100%工x庫(kù)爾洛夫式數(shù)學(xué)分式的形式來表示地下水化學(xué)成分。1）將陰、陽離子分別標(biāo)示在橫線上、下，按毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)自大而小的順序排列，小于io%的離子不予標(biāo)示。2）橫線前依次標(biāo)示氣體成分、特殊成分及礦化度（用M表示），單位均為g/L。3）橫線后以字母t為代號(hào)，表示水溫，

19、單位為。C。4）式中各成分含量一律標(biāo)于該成分符號(hào)的右下角，原子數(shù)則移至右上角。五、地下水的補(bǔ)給與排泄（一）補(bǔ)給來源：大氣降水補(bǔ)給地下水影響大氣降水補(bǔ)給地下水的因素年降水量：降水首先需要補(bǔ)足包氣帶的水分虧損，因此降水量小時(shí)補(bǔ)給地下水的量就小。降水特征：雨強(qiáng)、雨面、歷時(shí)都影響入滲，綿綿細(xì)雨有利于入滲。包氣帶巖性：滲透性強(qiáng)（K大）時(shí)，容易補(bǔ)給，滲透性差時(shí)不利于補(bǔ)給；厚度（水位埋深）大時(shí)消耗于包氣帶的水分多，不利于補(bǔ)給，而厚度小時(shí)有利于補(bǔ)給。地形：陡坡不利于補(bǔ)給，平緩有利于補(bǔ)給。森林、草地：有利于補(bǔ)給，而農(nóng)作物可能減少補(bǔ)給。人類工程：都市化不利于補(bǔ)給。入滲能力的取決因素：首先是包氣帶滲透性；其次降水的

20、時(shí)間降水入滲方式：活塞式入滲，捷徑式入滲大氣降水入滲補(bǔ)給量的計(jì)算方法平原區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給量Q=aPF1。3式中：Q降水入滲補(bǔ)給地下水量（ms/a）；P年降水量（mm）；a降水入滲系數(shù)；F補(bǔ)給區(qū)面積（km2）。確定a的常用方法：地中滲透儀測(cè)定；經(jīng)驗(yàn)值；利用天然潛水位變化幅度（Ah）確定：a=G/P=/P山區(qū)降水入滲補(bǔ)給量的確定特點(diǎn)：考慮到山區(qū)地形切割大，地下水埋深大，水平排泄為主，近似認(rèn)為排泄量等于補(bǔ)給量，測(cè)定地下水排泄量反求補(bǔ)給量。方法：1.山區(qū)地下水以大泉形式排泄，通過定期測(cè)定流量求得排泄量。通過基流切割法確定河川基流量。山區(qū)降水入滲系數(shù)為:a二Qg/（FP103）式中：Qg-年地下水排泄

21、量（m3/a）,余同上地表水補(bǔ)給：條件：地表水位高于地下水兩者之間存在水力聯(lián)系山區(qū)，河流深切，河水位常年低于地下水位，起排泄地下水的作用；山前，堆積作用加強(qiáng)，河床抬高，地下水埋深大，則河水經(jīng)常補(bǔ)給地下水；沖積平原中上游，河水位與地下水位接近，汛期河水補(bǔ)給地下水，非汛期河水排泄地下水；沖積平原中下游，堆積作用強(qiáng)烈，形成“地上河”（尤其在北方），如黃河下游，此時(shí)，河水常年補(bǔ)給地下水。地表水入滲補(bǔ)給量計(jì)算地表水補(bǔ)給地下水的計(jì)算公式為Q=KIATsinq其中：K為滲透系數(shù)；I為水力梯度；A為過水?dāng)嗝婷娣e；T為補(bǔ)給時(shí)間；q為河水流向與地下水流向之間的夾角。補(bǔ)給量Q與A、I、T、K成正比關(guān)系。地表水補(bǔ)給地

22、下水影響因素透水河床的長(zhǎng)度和浸水周界的乘積（相當(dāng)于過水?dāng)嗝妫^水?dāng)嗝娲?，補(bǔ)給量就大。河床的透水性，亦即河床巖性的滲透系數(shù)，滲透系數(shù)大，補(bǔ)給量就大。河水位與地下水的高差，影響水力梯度，水力梯度大補(bǔ)給量就大。河水過水時(shí)間，過水時(shí)間長(zhǎng)有利于河水補(bǔ)給地下水。河水流向與地下水流向之間的夾角。越流：具有一定水頭差的相鄰含水層，通過其間的弱透水巖層發(fā)生水量交換的過程，是地下水量的內(nèi)部轉(zhuǎn)化。經(jīng)常發(fā)生于松散沉積物中，粘性土層構(gòu)成弱透水層，多為透鏡體狀。多層松散層中含水層通過天窗及越流發(fā)生補(bǔ)給。松散沉積物含水系統(tǒng)中，通過含水層順層輸運(yùn)的水量，往往沒有經(jīng)由弱透水層的越流量大越流量計(jì)算公式：HHQ=FKIT=FKabTiM式中：Ql越流