水文地質(zhì)學(xué)基本知識

水文地質(zhì)學(xué)基本知識水循環(huán)一、水循環(huán)基本過程1水循環(huán)概念水循環(huán)是指地球上各種形態(tài)的水體，在太陽輻射、地心引力等作用下，通過蒸發(fā)、水汽輸送、凝結(jié)降水、入滲及徑流等環(huán)節(jié)，不斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變、能量交換的周而復(fù)始的運(yùn)動過程。HydrologicCycle河川調(diào)蓄地下水儲蓄土壤水儲蓄植被截留不透水面陸地表面蒸散發(fā)云云植物散發(fā)土壤蒸發(fā)地下水蒸發(fā)

入滲地下徑流

海洋地表徑流壤中流地表徑流降水入滲滲透毛管水降水降水蒸發(fā)

蒸發(fā)

降水水面蒸發(fā)水汽輸送云水循環(huán)過程分解水汽蒸發(fā)水汽輸送凝結(jié)降水水分入滲地表和地下徑流2水循環(huán)機(jī)理水循環(huán)服從質(zhì)量守衡定律。(2)太陽輻射和重力作用是水循環(huán)的基本動力。(3)液、氣、固三相變化的特性是水循環(huán)的前提條件。(4)水循環(huán)涉及整個水圈、并深入到大氣圈、巖石圈和生物圈。(5)全球水循環(huán)是一閉合系，但局部水循環(huán)則是個開放系統(tǒng)。(6)地球上的水分在交替循環(huán)過程中，總是溶解并攜帶部分物質(zhì)一起運(yùn)動，最后在海洋中形成沉積。3水循環(huán)基本類型大循環(huán)小循環(huán)4水體更替周期全球各種水體更替周期4水體更替周期水體更替周期特點(diǎn)A全球不同水體的更替周期都不相同。B水體更替周期是反映水循環(huán)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，也是反映水體水資源可利用的基本參數(shù)。5水循環(huán)的環(huán)境效應(yīng)（1）水循環(huán)參與了地球圈層構(gòu)造（3）水循環(huán)影響地貌形態(tài)及地殼運(yùn)動（2）水循環(huán)影響全球氣候水量平衡一、水量平衡概念

是指任意選定的區(qū)域（或水體），在任意時間段內(nèi)，其收入的水量與支出水量之差等于該時間段內(nèi)區(qū)域（或水體）內(nèi)蓄水量的變化量，即水在循環(huán)過程中，從總體上來說收支是平衡的。二、水量平衡方程

式中：I為水量收入項(xiàng)；Q為水量支出項(xiàng)；s為研究區(qū)域的儲水量；t為時間；△s研究區(qū)域研究時段內(nèi)儲水量的變化量。世界各大洋水量收支

全球水量平衡情況名稱水量平衡要素（mm）備注降水蒸發(fā)徑流陸地720470250

海洋11401240100河流流入水全球10201020-

注：此表按加權(quán)平均計算世界各種水體動態(tài)變化降水1概念

降水是液態(tài)或固態(tài)的水汽凝結(jié)物，從云中下降至地面的現(xiàn)象。雨、雪、霰、雹等都是降水現(xiàn)象。2降水要素降水量:

一定時段內(nèi)降落在某一面積上的總水量。降水歷時：一場降水自始至終所經(jīng)歷的時間。降水面積：降水所籠罩的面積。降水強(qiáng)度：單位時間內(nèi)的降水量。地下水的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動1地下水定義地下水是存在于地表以下巖（土）層空隙中的各種不同形式水的總稱。大氣河流、湖泊、沼澤地下水大氣降水地表水入滲蒸發(fā)滲流2地下水在水循環(huán)中的作用3地下水開發(fā)利用概況農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和居民生活用水的比例約為7：2：1。北方地下水開采量約占全國的80％，其中又以華北地區(qū)開采量最大。作為城市供水水源，主要依靠地下水的占35％。含水介質(zhì)含水層隔水層地下水存在的首要條件。貯存有地下水，并在人為條件下，能夠流出地下水來的巖體。雖然含水，但幾乎不透水或透水能力很弱的巖體。地下水貯存空間二、巖石空隙孔隙裂隙溶隙孔隙率裂隙率溶隙率1孔隙疏松巖石和未完全膠結(jié)的沉積巖，在其顆?；蝾w粒結(jié)合體之間所存在的空隙一般稱為孔隙。（1）定義（2）孔隙度（n）

孔隙的體積與包括孔隙在內(nèi)的整個巖石的體積之比。式中：Va為孔隙體積；V為巖石體積。（3）決定孔隙度的因素巖石顆粒的排列形式顆粒的分選程度：組成巖石的大小顆粒所占的比重顆粒的形狀2裂隙由于巖漿的冷凝作用、內(nèi)力的褶皺斷裂作用和外力的風(fēng)化剝蝕作用而在巖石中產(chǎn)生的各式各樣的裂縫，稱為裂隙。（1）定義（2）裂隙率（KT）

裂隙的體積與包括裂隙在內(nèi)的整個巖石的體積之比。式中：VT為裂隙體積；V為巖石體積。3溶隙水流溶解了某些可溶性巖石（石灰?guī)r、石膏、巖鹽等）而在巖石中形成的洞穴，稱為溶隙。（1）定義（2）巖溶率（KK）

可溶性巖石中溶隙的體積與包括溶隙在內(nèi)的整個巖石的體積之比。式中：VK為裂隙體積；V為巖石體積。三、巖石的水理性質(zhì)巖石的容水性巖石的給水性巖石的持水性巖石的透水性1巖石的容水性在自然充水條件下，巖石所具有的容納外來液態(tài)水分的性能。式中：Vn為巖土能容納水的最大體積；V為巖土總體積。定義表示方式－－容水度（Wn）容水度與孔隙度2巖石的持水性飽水巖土在重力作用下，依靠分子力和毛管力仍然保持一定水分的能力。式中：Vr為飽水巖土經(jīng)重力排水后所保持水的體積；V為巖土總體積。定義表示方式－－持水度（Wr）3巖石的給水性飽水巖土在重力作用下能自由排出水的性能。式中：Vg為飽水巖土在重力作用下能自由排出水的體積；V為巖土總體積。定義表示方式－－給水度（u）容水度、持水度與給水度關(guān)系4巖石的透水性在一定條件下，巖土允許水通過的能力。定義表示方式－－滲透系數(shù)（K）影響因素巖土孔隙直徑大小和連通性孔隙多少四、地下水流系統(tǒng)定義在一定的水文地質(zhì)條件下，匯集于某一排泄區(qū)的全部地下水流，構(gòu)成一個相對獨(dú)立的水文系統(tǒng)，稱為地下水流系統(tǒng)。四、地下水流系統(tǒng)特點(diǎn)（1）空間上的立體性（2）流線組合的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性（3）流動方向上的下降與上升的并存性河間地塊各向同性介質(zhì)中的近似水流型式四、地下水流系統(tǒng)地下水域（1）定義地下水流系統(tǒng)的集水范圍（2）與地表水流域的區(qū)別A邊界B范圍四、地下水流系統(tǒng)蓄水構(gòu)造（1）定義由透水巖層與隔水層相互結(jié)合而構(gòu)成的能夠富集和貯存地下水的地質(zhì)構(gòu)造體（2）構(gòu)成蓄水構(gòu)造的基本條件A要有透水的巖層或巖體所構(gòu)成的蓄水空間B有相對的隔水巖層或巖體構(gòu)成的隔水邊界C具有透水邊界，補(bǔ)給來源和排泄出路地下水運(yùn)動

線性滲透定律－達(dá)西定律式中：Q－為單位時間內(nèi)透過的水量；F－為滲透水流過水?dāng)嗝婷娣e；L－為滲透路線長度；△H－為滲透路徑長度上的水頭損失。

令比值，I為水頭梯度（單位滲透長度上的水頭損失量）。則有：線性滲透定律－達(dá)西定律即：滲透速度與水頭梯度成正比。

達(dá)西定律適用于層流時，地下水在其它類型透水巖石中的運(yùn)動不僅適用于垂直方向，也適用于其它方向的運(yùn)動對于地下水而言，V并不是單個水質(zhì)點(diǎn)的流速，而是流量相同，過水?dāng)嗝嫒勘凰錆M條件下的平均流速線性滲透定律－達(dá)西定律

滲透系數(shù)（K）與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)（粒度成分、顆粒排列狀況等）

滲透系數(shù)（K）與流體物理性質(zhì)有關(guān)，特別是流體的粘滯性

K=k0/

非線性滲透定律

地下水呈紊流或流速較大時，滲透速率與水力坡度間已不是1次方關(guān)系，而變成非線性關(guān)系。

Q=kmAI

1/m

或V=kmI

1/m

式中：km為隨變化的含水層的滲透系數(shù)，1/m為流態(tài)指數(shù)，其范圍為1/2～1。

線性滲透定律在地下水計算中的應(yīng)用潛水完整井穩(wěn)定運(yùn)動時涌水量的計算基本假設(shè)：含水層為均質(zhì)且各向同性R外側(cè)保持常水頭水井位于圓柱狀含水層軸心處，抽水前地下水靜止緩變流，同一過水?dāng)嗝嫔?，水頭相等

地下水動態(tài)與平衡

影響地下水動態(tài)的因素1自然因素

A氣象氣候因素

B水文因素

C地質(zhì)地貌因素

D生物與土壤因素2人為因素

地下水動態(tài)1地下水動態(tài)的地區(qū)特征

地下水動態(tài)的地帶性分異規(guī)律

我國自南到北，地下水動態(tài)變化呈現(xiàn)明顯的地域分異規(guī)律。

地下水動態(tài)的地帶性分異規(guī)律華南地區(qū)

降水量大，年內(nèi)分配比較均勻，因此地下水水位過程線起伏次數(shù)多，但起伏幅度不大，呈現(xiàn)鋸齒狀的多峰形態(tài)。

地下水動態(tài)的地帶性分異規(guī)律華北地區(qū)

降水稀少，且比較集中（在7～9月），冬春降雨稀少。地下水水位過程線為不對稱的單峰形式，水位差異較大，低水位出現(xiàn)在春夏之交，高水位出現(xiàn)在8－9月份。

地下水動態(tài)的地帶性分異規(guī)律東北地區(qū)

降水多于華北，但冬季較長，冰雪期長達(dá)5－6個月，存在季節(jié)性凍土層，地下水動態(tài)過程線表現(xiàn)為較緩的單峰形式。

2地下水動態(tài)的垂直分異規(guī)律主要在我國西北內(nèi)陸地區(qū)有明顯的表現(xiàn)。主要受地表高差和氣候的影響

地下水動態(tài)的多年變化特性具有一定的準(zhǔn)周期性與降水量變化有關(guān)，但具有滯后的特點(diǎn)

地下水動態(tài)類型滲入－蒸發(fā)型：干旱、半干旱平原與山澗盆地（井灌）滲入－徑流型：山麓沖積扇、山前地帶（截流建筑物）過渡型：氣候比較濕潤的平原地區(qū)

地下水平衡基本概念

平衡區(qū)：進(jìn)行平衡計算研究的一個完整地下水流系統(tǒng)。

平衡期：進(jìn)行平衡計算的起止時間。

正平衡

負(fù)平衡

地下水類型

地下水類型包氣帶水飽水帶水孔隙水裂隙水巖溶水潛水承壓水結(jié)合水毛管水重力水貯存埋藏條件貯水孔隙的差異

地下水垂向結(jié)構(gòu)基本模式示意圖包氣帶水特點(diǎn)含水率及其剖面分布易受外界條件影響空間上含水率的變化主要體現(xiàn)在垂直剖面上的差異含水率變化與巖土層本身結(jié)構(gòu)和巖土顆粒的機(jī)械組成有關(guān)

包氣帶類型－厚型包氣帶厚，帶內(nèi)毛管上升高度不能到達(dá)地表有土壤水帶，中間過渡帶和毛管上升帶三個亞帶

厚型包氣帶水分垂直分帶示意圖

包氣帶類型－薄型包氣帶厚度不到1m，只有毛管上升帶和懸著水帶，無中間過渡帶地下水潛水蒸發(fā)迅速，潛水季節(jié)變化強(qiáng)烈

包氣帶類型－過渡型有明顯的季節(jié)變化雨季，只存在毛細(xì)上升帶；旱季，有3個亞帶存在

包氣帶的水分交換與動態(tài)補(bǔ)給來源

降水與地表水補(bǔ)給飽水帶補(bǔ)給影響因素

土壤水分勢梯度土壤水力傳導(dǎo)特性

包氣帶的水分交換與動態(tài)水的消退途徑

上界面：土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)（主要途徑）下界面：內(nèi)排水消退量的計算（三段模式）

式中：i為實(shí)際土壤含水量；f為田間持水量；a為最大分子持水量；E為實(shí)際蒸發(fā)量；Ep為蒸發(fā)能力；K為系數(shù)；c為常數(shù)

潛水－基本概念潛水潛水位潛水埋深含水層厚度潛水流水力坡度

潛水－特點(diǎn)潛水面不承受靜水壓力潛水含水層有明顯的季節(jié)變化

潛水面－形狀

潛水面表示方法

水文地質(zhì)剖面圖

潛水面等水位線圖

確定潛水流向確定潛水面的水力坡度確定地下水的埋藏深度確定潛水與地表水關(guān)系布設(shè)取水井和排水溝

潛水面

潛水與地表水的互補(bǔ)關(guān)系周期性水力聯(lián)系位于大中型河流中下游沖積、淤積平原上。河槽底部位于潛水含水層之間，從而提供了周期性水力聯(lián)系的條件（雙向聯(lián)系）。單向水力聯(lián)系

位于山前沖積扇、河網(wǎng)灌溉區(qū)、干旱沙漠區(qū)。河流水位常年高于地下潛水位，河流常年補(bǔ)給底下水。間歇性水力聯(lián)系

位于丘陵和低山區(qū)含水層較厚的地區(qū)。隔水層的位置介于洪枯水位之間。洪水期可以建立水力聯(lián)系，但枯水期就沒有水力聯(lián)系。無水力聯(lián)系

承壓水－基本概念初見水位（H1）承壓水頭（h）承壓水位（H2）自流水承壓水－特點(diǎn)承壓性分布區(qū)與補(bǔ)給區(qū)不一至動態(tài)變化相對穩(wěn)定水質(zhì)類型多樣，變化大

承壓水－形成取決于地質(zhì)構(gòu)造條件，只有適合的地質(zhì)構(gòu)造，無論空隙水、裂隙水還是巖溶水，都可以成為承壓水。最適宜形成承壓水的地質(zhì)構(gòu)造是向斜構(gòu)造和單斜構(gòu)造。

孔隙水－特點(diǎn)含水層內(nèi)水力聯(lián)系密切地下水具有統(tǒng)一水面其透水性、給水性的變化運(yùn)動呈層流狀態(tài)

孔隙水－分類山前傾斜平原孔隙水河谷地區(qū)的孔隙水沖擊平原孔隙水山間盆地孔隙水黃土地區(qū)孔隙水沙漠地區(qū)的孔隙水

裂隙水埋藏與分布極不均勻動力性質(zhì)比較復(fù)雜基巖裂隙的發(fā)育具有明顯的分帶性

巖溶水分布上的不均勻性地下徑流動態(tài)不穩(wěn)定地表徑流與地下徑流，無壓流與有壓流相互轉(zhuǎn)化

地下水的補(bǔ)給來源降水入滲補(bǔ)給地表水補(bǔ)給地下水的人工補(bǔ)給凝結(jié)水補(bǔ)給其它含水層降水入滲補(bǔ)給補(bǔ)給過程薄膜下滲毛管下滲重力下滲分子力毛管力重力降水入滲補(bǔ)給－補(bǔ)給量計算對于一場降雨，補(bǔ)給量Xr為：

Xr

=P-Rr-Wv

式中：P為降水量；Rr為地表徑流量；Wv為土層的蓄水能力Wv

=（-hn）×（Wmax-W0）

式中：為降雨前地下水埋深，hn為地下水面以上毛管水上升高度，Wmax為田間持水量，W0為土層雨前平均含水量。降水入滲補(bǔ)給－補(bǔ)給量計算

根據(jù)入滲系數(shù)計算（）

Q＝×F×P式中：為降水入滲系數(shù)；F為接受降水入滲的地表面積（m2）；P為多年平均的年降水量（m/a）地表水補(bǔ)給主要取決于河水位和地下水位相對高低關(guān)系。在上游沒有補(bǔ)給作用，在中下游則存在較大的補(bǔ)給作用呈線狀補(bǔ)給，補(bǔ)給面較窄人工補(bǔ)給人類修建水庫、引水灌溉農(nóng)田、城市工礦排放工業(yè)廢水及生活污水，因滲漏而補(bǔ)給。為有效保護(hù)和改善地下水資源，改善水質(zhì)、控制地下水漏斗及地面沉降而采用的有計劃的人工回灌。地下水排泄點(diǎn)狀排泄（泉）線狀排泄（向河流泄流）面狀排泄（蒸發(fā)）

泉排泄上升泉：承壓含水層排泄承壓水的一種方式。下降泉：無壓含水層排泄地下水的一種方式。蒸發(fā)排泄?jié)撍舭l(fā)：潛水在土水勢作用下運(yùn)移至包氣帶并蒸發(fā)為水汽的現(xiàn)象。計算方法（經(jīng)驗(yàn)公式法）

E=E0（1-H/H0）n

式中：

E0為地表蒸發(fā)能力，H0為潛水蒸發(fā)的極限埋深，n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。極限深度：當(dāng)潛水埋藏深度超出土壤毛管上升高度及植物根系吸水深度時，潛水蒸發(fā)量接近零，該潛水埋藏深度為極限埋深。泄流排泄地下水通過地下途徑直接排入河道或其他地表水體。地下水徑流－特點(diǎn)