水文地質(zhì)學(xué)課件

地下水系統(tǒng)提出：20世紀(jì)40年代貝塔朗菲提出一般系統(tǒng)論應(yīng)用：20世紀(jì)50-60年代應(yīng)用系統(tǒng)工程解決複雜問題取得重大成功以來，系統(tǒng)思想與系統(tǒng)方法廣泛地滲透到各學(xué)科領(lǐng)域。系統(tǒng)思想與方法的核心：

把所研究的對(duì)象看作一個(gè)有機(jī)的整體

(系統(tǒng))，並從整體的角度去考察、分析與處理事物。8.1系統(tǒng)概念系統(tǒng)的定義:

a.系統(tǒng)——“由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合而成的具有特定功能的整體”。

b.系統(tǒng)方法認(rèn)為：不應(yīng)將系統(tǒng)理解為各組成部分(要素)的簡單集合,而應(yīng)將其理解為諸要素以一定規(guī)則組織起來並共同行動(dòng)的整體。c.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)內(nèi)部各要素相互聯(lián)繫和作用的方式——系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)d.近代自然科學(xué)長期以來採用的方法:

將所研究的事物精細(xì)地分析為各個(gè)互不關(guān)聯(lián)的獨(dú)立部分，分別加以研究，把各部分研究結(jié)果之和，作為對(duì)所研究事物整體的認(rèn)識(shí)。實(shí)質(zhì)是將研究對(duì)象當(dāng)作諸要素簡單累加而成的集合，而沒有將其看成一個(gè)有機(jī)整體。

一個(gè)系統(tǒng)，不僅內(nèi)部諸要素存在著相互作用，而且還與外部環(huán)境發(fā)生相互作用。系統(tǒng)接受環(huán)境的物質(zhì)、能量或資訊的輸入，經(jīng)過系統(tǒng)的變換，再向環(huán)境產(chǎn)生物質(zhì)、能量或資訊的輸出。系統(tǒng)輸入輸出（物質(zhì)、能量、資訊）（物質(zhì)、能量、資訊）激勵(lì)與回應(yīng)的概念：環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的作用稱為激勵(lì)，系統(tǒng)在接受激勵(lì)後對(duì)環(huán)境的反作用稱為回應(yīng)。

環(huán)境的輸入(激勵(lì))經(jīng)過系統(tǒng)的變換而產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的輸出(回應(yīng))，該變換取決於系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)激勵(lì)回應(yīng)結(jié)論：①分析系統(tǒng)輸入與輸出(激勵(lì)與回應(yīng))的對(duì)應(yīng)關(guān)係有助於瞭解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。②對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的瞭解有助於預(yù)測激勵(lì)—

回應(yīng)關(guān)係。8.2地下水系統(tǒng)的概念一、地下水系統(tǒng)概念的產(chǎn)生“地下水系統(tǒng)”的出現(xiàn)：①系統(tǒng)思想與方法的滲入；②水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的必然產(chǎn)物。初期解決“找水”問題，只注意井附近小範(fàn)圍內(nèi)含水層的狀況。

發(fā)展開採規(guī)模增長，須將整個(gè)含水層作為研究對(duì)象。研究地下水時(shí)，必須將若干個(gè)含水層與其間的弱透水層合在一起看作一個(gè)完整的單元（系統(tǒng)），便出現(xiàn)了“含水層系統(tǒng)”、“含水系統(tǒng)”等，同時(shí)，也形成了地下水資源的概念。近年來出現(xiàn)的與水文地質(zhì)學(xué)有關(guān)的問題：

地下水資源枯竭、地面沉降、海水入侵、淡水鹹化、地下水污染、土壤沙化、植被衰退一系列與地下水有關(guān)的環(huán)境生態(tài)問題。二、地下水系統(tǒng)的概念地下水系統(tǒng)的組成要素：

①有賦存於巖石空隙中並不斷運(yùn)動(dòng)著的水；②具有空隙的巖層。地下水系統(tǒng)包括：

地下水含水系統(tǒng)地下水流動(dòng)系統(tǒng)地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類:

①硬結(jié)構(gòu)：

指介質(zhì)的空隙特徵及其空間分佈格局。因?yàn)榈貙印⒎謥?、巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地貌特徵是穩(wěn)定、固化不變的——硬結(jié)構(gòu)。

②軟結(jié)構(gòu)：

指地下水的運(yùn)動(dòng)形式、水量與水質(zhì)的時(shí)空分佈格局及不同子系統(tǒng)間水量水質(zhì)的交換關(guān)係。因地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄特徵以及各種水量交換關(guān)係會(huì)發(fā)生改變，顯得較“軟”——軟結(jié)構(gòu)。地下水含水系統(tǒng)：

由隔水或相對(duì)隔水巖層圈閉的，具有統(tǒng)一水力聯(lián)繫的含水巖系。地下水含水系統(tǒng)的分類：

基巖含水系統(tǒng)

鬆散堆積物含水系統(tǒng)地下水流動(dòng)系統(tǒng)：

由源到匯的流面群構(gòu)成的，具有統(tǒng)一時(shí)空演變過程的地下水體。地下水的源匯運(yùn)動(dòng)：

補(bǔ)給區(qū)——

源；排泄區(qū)——

匯。地下水從補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū)的運(yùn)動(dòng)，由連接源與匯的流面反映出來。三、地下水含水系統(tǒng)與流動(dòng)系統(tǒng)的比較

含水系統(tǒng)地下水系統(tǒng)

流動(dòng)系統(tǒng)兩者從不同角度出發(fā),揭示了地下水賦存與運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)性(整體性)。含水系統(tǒng)整體性的體現(xiàn)：它具有統(tǒng)一的水力聯(lián)繫，該系統(tǒng)作為一個(gè)整體對(duì)外界的激勵(lì)作出回應(yīng)。

含水系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立而統(tǒng)一的水均衡單元，可用於研究水量乃至鹽量與熱量的均衡。含水系統(tǒng)的圈劃：

主要著眼於包含水的容器，通常以隔水或相對(duì)隔水的巖層作為系統(tǒng)邊界，它的邊界屬地質(zhì)零通量面(或準(zhǔn)零通量面)，系統(tǒng)的邊界是不變的。基巖含水系統(tǒng)：基巖含水系統(tǒng)組成：由固結(jié)成巖的地層組成，巖層的透(含)水性主要取決於構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度?；鶐r含水系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的含水地質(zhì)體?；鶐r含水系統(tǒng)的邊界：應(yīng)包括東、西、南、北、上、下六個(gè)介面。因系統(tǒng)的總體形狀很複雜，不一定都呈六面體，邊界數(shù)目或多或少。

邊界的性質(zhì)：相對(duì)隔水的或弱透水的。鬆散堆積物含水系統(tǒng)：發(fā)育部位：新生代構(gòu)造沉降盆地或沉降帶中。堆積物介質(zhì)中的空隙以孔隙為主?？障吨睆捷^大的介質(zhì)如卵礫石、砂礫石、中粗砂等具有良好的導(dǎo)水和儲(chǔ)水的特性，常常構(gòu)成良好的含水介質(zhì)。鬆散堆積物含水系統(tǒng)的邊界：

頂部邊界——地表面。該邊界是地下水系統(tǒng)與大氣、地表水系統(tǒng)進(jìn)行物能交換的介面。

底部邊界——基底地下水流動(dòng)系統(tǒng)整體性的體現(xiàn)：

具有統(tǒng)一的水流，沿著水流方向，鹽量、熱量與水量發(fā)生規(guī)律的演變，呈現(xiàn)統(tǒng)一的時(shí)空有序結(jié)構(gòu)。

流動(dòng)系統(tǒng)——以流面為邊界，屬於水力零通量面邊界，邊界是可變的。嵌套(層次)性：在一個(gè)軟結(jié)構(gòu)稍複雜的地下水系統(tǒng)中，存在著由不同流面群外包面圈閉的局部流動(dòng)子系統(tǒng)、中間流動(dòng)子系統(tǒng)、區(qū)域流動(dòng)子系統(tǒng)。區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)中嵌套著中間流動(dòng)系統(tǒng)，中間流動(dòng)系統(tǒng)又嵌套局部流動(dòng)系統(tǒng)，從而表現(xiàn)出地下水系統(tǒng)軟結(jié)構(gòu)的嵌套(層次)特點(diǎn)。級(jí)次性

含水系統(tǒng)與流動(dòng)系統(tǒng)都具有級(jí)次性,任一含水系統(tǒng)或流動(dòng)系統(tǒng)都可能包含不同級(jí)次的子系統(tǒng)。圖3：一沉積盆地,構(gòu)成一個(gè)含水系統(tǒng)。該圖顯示：含水系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ；沉積盆地發(fā)育有兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)A、B；圖中看出：同一空間，含水系統(tǒng)與流動(dòng)系統(tǒng)的邊界是相互交疊的；兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)均穿越了兩個(gè)子含水系統(tǒng)；在流動(dòng)系統(tǒng)B中，區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)的流線穿越兩個(gè)子含水系統(tǒng)，局部與中間流動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)育限於上部的子含水系統(tǒng)Ⅰ之中。

比較：圖4與圖3同一個(gè)沉積盆地，但流動(dòng)系統(tǒng)在人為影響下會(huì)發(fā)生很大變化。人工開採影響下,整個(gè)含水系統(tǒng)中形成了一個(gè)新的流線指向盆地中心的輻輳式地下水流動(dòng)系統(tǒng),原來的流動(dòng)系統(tǒng)全都消失了。顯然,由於強(qiáng)烈的勢場變化,流線普遍穿越了相對(duì)隔水層。但無論人為影響加強(qiáng)到什麼程度,不會(huì)超越大的含水系統(tǒng)邊界。從以上的討論可看出：

控制含水系統(tǒng)發(fā)育的，主要是地質(zhì)結(jié)構(gòu)(沉積、構(gòu)造、地質(zhì)發(fā)展史)；控制地下水流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)育的主要是水勢場。在天然條件下，自然地理因素（地形、水文、氣候）控制著勢場，因而是控制流動(dòng)系統(tǒng)的主要因素。

8.3地下水含水系統(tǒng)

含水系統(tǒng)發(fā)育主要受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制，故鬆散沉積物構(gòu)成的含水系統(tǒng)與堅(jiān)硬基巖構(gòu)成的含水系統(tǒng)有一系列不同的特徵。鬆散沉積物含水系統(tǒng)的特徵堅(jiān)硬基巖含水系統(tǒng)的特徵鬆散沉積物含水系統(tǒng)的特徵發(fā)育於近代構(gòu)造沉降的堆積盆地之中；邊界通常為不透水的堅(jiān)硬基巖。含水系統(tǒng)內(nèi)部一般不存在完全隔水的巖層,僅有相對(duì)隔水層,並包含若干由相對(duì)隔水層分隔開的含水層。含水層間既可通過“天窗”,也可通過相對(duì)隔水層越流產(chǎn)生廣泛的水力聯(lián)繫。但在同一含水系統(tǒng)中各部分的水力聯(lián)繫程度有所不同。例如：山前洪積平原多由粗顆粒的卵礫石構(gòu)成,極少粘性土層,水力聯(lián)繫較好。遠(yuǎn)離沉積物源區(qū)的沖積湖積平原,粘性土層比例較大,水力聯(lián)繫減弱。且愈往深部,水流途徑愈長,需要穿越的粘性土層愈多,水力聯(lián)繫更為減弱(圖5a）。堅(jiān)硬基巖含水系統(tǒng)的特徵發(fā)育於一定的地質(zhì)構(gòu)造之中，褶皺或斷層，或兩者兼有之?；鶐r往往包含有厚而穩(wěn)定的泥質(zhì)巖層，構(gòu)成隔水層。a.一個(gè)獨(dú)立的含水層就構(gòu)成一個(gè)含水系統(tǒng)(圖b)。

b.巖相變化導(dǎo)致隔水層尖滅(圖c)，或?qū)當(dāng)鄬邮谷舾珊畬影l(fā)生聯(lián)繫時(shí)(圖d)，則數(shù)個(gè)含水層構(gòu)成一個(gè)含水系統(tǒng)。這種情況下，含水系統(tǒng)各部分的水力聯(lián)繫是不同的。另一方面，同一個(gè)含水層由於構(gòu)造原因也可構(gòu)成一個(gè)以上的含水系統(tǒng)(圖b、c)。含水系統(tǒng)是由隔水或相對(duì)隔水巖層圈閉的，並不是說它的全部邊界都是隔水或相對(duì)隔水的。除了極少數(shù)構(gòu)造封閉的含水系統(tǒng)(圖e)外，通常含水系統(tǒng)總有某些向環(huán)境開放的邊界，以接受補(bǔ)給與進(jìn)行排泄。

例如：不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的含水系統(tǒng)以透水邊界鄰接是常見的。雖然這時(shí)相鄰含水系統(tǒng)之間水力聯(lián)繫相當(dāng)密切，但因兩者水的賦存與運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，仍有必要區(qū)分為不同的含水系統(tǒng)(圖中a、c)。8.4地下水流動(dòng)系統(tǒng)一、地下水流動(dòng)系統(tǒng)的由來長期以來,水文地質(zhì)學(xué)忽視地下水的垂向運(yùn)動(dòng),把地下水流動(dòng)看作平面二維的運(yùn)動(dòng)。如河間地塊流網(wǎng)。第一個(gè)明確指出地下水存在垂直運(yùn)動(dòng)的是赫伯特。如圖一：河間地塊流網(wǎng)圖赫伯特指出：排泄區(qū)的流線指向地下水面，為上升水流；補(bǔ)給區(qū)的流線離開地下水面，呈下降水流；只有在兩者之間的過渡帶流線才是水準(zhǔn)的。

地下水流動(dòng)看作平面二維的運(yùn)動(dòng)地下水存在垂直運(yùn)動(dòng)傳統(tǒng)的畫法（平面二維）：回避了地下分水嶺兩側(cè)流線向?qū)α⒎较蛩疁?zhǔn)流動(dòng)的矛盾而只表示了河間地塊的一側(cè)；同時(shí)，為了避免流線在排泄區(qū)上抬，有意使河谷穀底切穿隔水底板，且保持較高的河水位。實(shí)際上地下水總是由源到匯運(yùn)動(dòng)的，而源匯通常在含水層的上方，源匯處地下水流線垂向分佈是合理的。1963年，托特以獨(dú)特的形式發(fā)展了赫伯特的理論：

在嚴(yán)格的假定條件下，利用解析解繪製了均質(zhì)各向同性潛水盆地中理論的地下水流動(dòng)系統(tǒng)。

新的結(jié)論：

在均質(zhì)各向同性潛水盆地中出現(xiàn)了三個(gè)不同級(jí)次的流動(dòng)系統(tǒng)，局部的、中間的、區(qū)域的。弗裏澤及威瑟斯龐利用數(shù)值解得出了層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的地下水流動(dòng)系。目前已出現(xiàn)了許多數(shù)值模擬地下水流動(dòng)的程式,可以模擬二維、三維各向異性非均質(zhì)介質(zhì)的穩(wěn)定與非穩(wěn)定流動(dòng)。1980年,托特又提出了“重力穿層流動(dòng)”的概念,將流動(dòng)系統(tǒng)理論全面推廣到非均質(zhì)介質(zhì)場,並應(yīng)用於分析油氣的遷移與積聚。英格倫：分析了形成地下水流動(dòng)系統(tǒng)的物理機(jī)制，建立了一套解決水質(zhì)問題的地下水流動(dòng)系統(tǒng)的概念與方法。與傳統(tǒng)的水文地質(zhì)分析方法相比較：地下水流動(dòng)系統(tǒng)的分析方法更為程式化，更為周密，從定性分析到定量模擬聯(lián)繫比較密切。故以地下水系統(tǒng)理論為基本框架，融合傳統(tǒng)水文地質(zhì)分析方法，發(fā)展形成現(xiàn)代水文地質(zhì)學(xué)。二、地下水流動(dòng)系統(tǒng)地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論的實(shí)質(zhì)：是以地下水流網(wǎng)為工具，以勢場及介質(zhì)場的分析為基礎(chǔ)，將滲流場、化學(xué)場、溫度場統(tǒng)一於新的地下水流動(dòng)系統(tǒng)概念框架之中。地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論的作用：將本來似乎互不關(guān)聯(lián)的地下水各方面的表現(xiàn)聯(lián)繫在一起，納入一個(gè)易於被人們所理解的地下水空間與時(shí)間連續(xù)演變的有序結(jié)構(gòu)之中，有助於從整體上把握地下水各個(gè)部分間及與環(huán)境間聯(lián)繫的完整圖景。1.地下水流動(dòng)系統(tǒng)的水動(dòng)力特徵驅(qū)動(dòng)地下水運(yùn)動(dòng)的主要能量——重力勢能；重力勢能來源於地下水的補(bǔ)給，即大氣降水、地表水轉(zhuǎn)化成地下水時(shí)，便將相應(yīng)的重力勢能加諸於地下水。地面入滲條件相同時(shí)，不同地形部位重力勢能的積累仍有不同：

地形低窪處地下水面達(dá)到或接近地表，地下水位的抬升增加地下水排泄（轉(zhuǎn)化為大氣水與地表水），阻止地下水位不斷抬升。故地形低窪處通常是低勢區(qū)——?jiǎng)輩R；

地形高處，地下水位持續(xù)抬升，重力勢能積累，構(gòu)成勢源。

因此，通常情況下地形控制著重力勢能的分佈。流動(dòng)水體中的水頭特徵：

在靜止的水體中,各處的水頭相等。

在流動(dòng)的水體中，勢源處流線下降，在垂直斷面上自上而下水頭愈來愈低，任一點(diǎn)的水頭均小於靜水壓力。反之,在勢匯處,流線上升,垂向上水頭自下而上由高而低,任一點(diǎn)的水頭均大於靜水壓力。在中間地帶，流線呈水準(zhǔn)延伸，垂直斷面各點(diǎn)水頭均相等，等於靜水壓力。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為：只有承壓水才具有超過靜水壓力的水頭,故只有在承壓含水系統(tǒng)中,在一定的構(gòu)造控制下才能打出自流井(圖10a）。上面的討論可知：潛水,在其上升水流部分同樣是“承壓”的,水頭可以高出靜力壓力,若有合適的地形條件,同樣可形成自流井(圖l0b)。潛水盆地中多級(jí)次地下水流動(dòng)系統(tǒng)：

存在a、b、c三個(gè)勢的源匯。由於高度上a>b>c,因此a是源,b、c是匯,存在ab、ac兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)。產(chǎn)生bc流動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)必要條件——在bc的流動(dòng)途徑上,ab、ac兩個(gè)系統(tǒng)的水頭均低於bc,否則bc就不成立。同一介質(zhì)場中地下水流動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)育規(guī)律：同一介質(zhì)場中存在兩個(gè)或更多的地下水流動(dòng)系統(tǒng)時(shí),它們所佔(zhàn)據(jù)的空間大小取決於以下兩個(gè)因素:

(a)勢能梯度(I),等於源匯的勢差除以源匯的水準(zhǔn)距離。勢能梯度愈大的流動(dòng)系統(tǒng)佔(zhàn)據(jù)的空間也愈大,反之亦然;

(b)介質(zhì)滲透性(K),透水性愈好,發(fā)育於其中的流動(dòng)系統(tǒng)所佔(zhàn)據(jù)的空間也愈大。a-表示在透水性均一的介質(zhì)場中勢能梯度相等的兩個(gè)地下水流動(dòng)系統(tǒng)在空間上平分秋色。b-表示在均一介質(zhì)場中勢能梯度較大的流動(dòng)系統(tǒng)佔(zhàn)據(jù)較大範(fàn)圍。c-表示兩個(gè)勢能梯度相等的流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)育於不均一介質(zhì)場中，發(fā)育於透水性較好的介質(zhì)中的流動(dòng)系統(tǒng)佔(zhàn)據(jù)了較大空間。d-表明，在與b其他條件相同，但降低了隔水底板後出現(xiàn)了區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)。區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)與局部流動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)育狀況取決於兩者的勢能梯度。e-當(dāng)區(qū)域性地形坡度不大而局部地形起伏大時(shí)——只發(fā)育局部流動(dòng)系統(tǒng)。f-當(dāng)局部地形起伏較小時(shí)——既發(fā)育局部流動(dòng)系統(tǒng)，也發(fā)育區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)。g-當(dāng)?shù)匦螚l件不變，介質(zhì)場的透水性良好時(shí)——只發(fā)育區(qū)域系統(tǒng)

在各級(jí)流動(dòng)系統(tǒng)中，補(bǔ)給區(qū)的水量通過中間區(qū)輸向排泄區(qū)。因此，以中間區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)給區(qū)是水分不足區(qū)，地表水稀少，地下水埋藏深度大，土壤含水量低，多分佈耐旱植物；排泄區(qū)是水分過剩區(qū)，地下水埋深淺，土壤含水量高，多沼澤、濕地與泉，多喜水植物。在乾旱區(qū)則出現(xiàn)鹽漬地，多分佈耐鹽植物。在巖層透水性特別良好的巖溶發(fā)育區(qū)，這種水分分佈不均勻現(xiàn)象尤為突出。2.地下水流動(dòng)系統(tǒng)的水化學(xué)特徵地下水流動(dòng)系統(tǒng)中，呈現(xiàn)地下水化學(xué)成分時(shí)空演變的有序性。水量與地下水流動(dòng)的資訊都間接地體現(xiàn)在地下水水化學(xué)上。所以，根據(jù)地下水的水化學(xué)場，可以回溯歷史上的地下水流動(dòng)系統(tǒng)。地下水流動(dòng)系統(tǒng)中任一點(diǎn)的水質(zhì)取決於下列因素(a)輸入水質(zhì)；(b)流程；(c)流速；(d)流程上遇到的物質(zhì)及其可遷移性；(e)流程上經(jīng)受的各種水化學(xué)作用。同一含水層或含水系統(tǒng)的水,可分屬於不同的流動(dòng)系統(tǒng)或不同級(jí)次流動(dòng)系統(tǒng)；水動(dòng)力特徵、水化學(xué)特徵也不相同。同一含水層的兩個(gè)泉：

a泉水由局部流動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)給,礦化度很低；

b泉由區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)給,礦化度相當(dāng)高。在同一介質(zhì)場中，不同流動(dòng)系統(tǒng)以及同一流動(dòng)系統(tǒng)不同級(jí)次系統(tǒng)的界線兩側(cè)，地下水水質(zhì)有可能發(fā)生突變。因?yàn)榻缇€兩側(cè)的水來自不同地方，流經(jīng)的巖層不同，流程長短與流速快慢也各不相同。不同流動(dòng)系統(tǒng)水流相向處——水動(dòng)力圈閉帶與相背分流處——準(zhǔn)滯流帶，恰好是流束膨脹，流速遲緩之處，有利於各種溶解物、懸浮物、乳狀物質(zhì)、膠體物質(zhì)在此積聚。地下水流動(dòng)系統(tǒng)的不同部位,發(fā)生的主要化學(xué)作用溶濾作用存在於整個(gè)流程；局部流動(dòng)系統(tǒng)、中間流動(dòng)系統(tǒng)、區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)的淺部屬氧化環(huán)境,中間系統(tǒng)及局部系統(tǒng)的深部屬還原環(huán)境(容易發(fā)生脫硫酸作用)；上升水流處因減壓將產(chǎn)生脫碳酸作用；粘性土分佈部位易發(fā)生陽離子交替吸附作用。不同流動(dòng)系統(tǒng)的匯合處,將發(fā)生混合作用；在乾旱條件下,排泄區(qū)將發(fā)生濃縮作用。尤其是區(qū)域地下水流動(dòng)系統(tǒng)的排泄區(qū),是地下水質(zhì)處於多種作用影響下的複雜變化地段。3.地下水流動(dòng)系統(tǒng)的水溫度特徵在來自地殼深部大地?zé)崃鞯挠绊懴?，年常溫帶以下的等溫線通常上低下高，呈水準(zhǔn)分佈。補(bǔ)給區(qū)的下降水流受入滲水的影響，地溫偏低。排泄區(qū)因上升水流帶來深部熱影響，地溫偏高。等溫線發(fā)生變化：補(bǔ)給區(qū)的下降，且間距變大；排泄區(qū)上抬，且間隔變小沒有地?zé)岙惓５牡貐^(qū)，根據(jù)地下水溫度的分佈，可以判定地下水流動(dòng)系統(tǒng)。巖石中的空隙與水分2.1巖石中的空隙2.2巖石中水的存在形式2.3與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)2.4有效應(yīng)力原理與鬆散巖土壓密

地下水是賦存於地面以下巖石空隙中的水。地殼表層就像是一個(gè)飽含水的海綿！地下水的賦存空間是空隙！這是水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)地質(zhì)。

自然界的巖石沒有無空隙的，也就是說再緻密的巖石也存在空隙。

巖石—水文地質(zhì)學(xué)中指堅(jiān)硬的巖石及鬆散的土層。

巖石中的空隙

—巖石中大小不等、形狀各異的空間。

空隙—是地下水賦存場所和運(yùn)移通道。

巖石的空隙性—巖石空隙的大小、多少、形狀、連通情況和分佈規(guī)律。

巖石中的空隙按成因分為三大類：

a.鬆散巖石中的孔隙(pore)；b.堅(jiān)硬巖石中的裂隙(fissure)；c.可溶巖石中的溶穴（溶洞）(vugularporespace)。2.1巖石中的空隙

一、孔隙

鬆散巖石是由大小不等的顆粒組成，在顆粒之間充滿空隙，這些空隙相互連通並呈孔狀，就稱“孔隙”。鬆散巖石的空隙性主要表現(xiàn)為孔隙的多少和大小。

孔隙

—鬆散巖石中顆粒或顆粒集合體之間的空隙。

孔隙度（n）——孔隙體積（Vn）在包括孔隙在內(nèi)的某一巖石體積（V）中所占的比例?？紫抖仁欠从晨紫抖嗌俚囊粋€(gè)參數(shù)。

其中：——巖石的孔隙體積，V——包括孔隙在內(nèi)的整個(gè)巖石總體積。

孔隙度的大小主要取決於顆粒排列情況及分選程度，另外顆粒形狀及膠結(jié)充填情況也影響孔隙度。

①顆粒的排列—以理想等粒圓球狀顆粒為例，理論上幾何計(jì)算立方體排列最疏鬆，孔隙度為47.64%，四面體排列為最緊密，孔隙度為25.95%。

注意：三種顆粒直徑不同的等粒巖石，排列方式相同時(shí)，孔隙度完全相同。

②顆粒的分選—在顆粒大小不等時(shí)，分選差則孔隙度小，分選好則孔隙度大。

③顆粒的形狀及膠結(jié)—磨圓愈好，孔隙度愈小，膠結(jié)可以降低孔隙度。

④考慮粘性土的結(jié)構(gòu)孔隙及次生孔隙。

鬆散巖石儲(chǔ)容水分的能力，與孔隙度關(guān)係很大，而地下水的運(yùn)動(dòng)條件則首先取決於孔隙的大小，影響孔隙大小的主要因素是顆粒大小，顆粒排列方式，對(duì)於粘性土，結(jié)構(gòu)孔隙及次生孔隙的影響不可忽視。

孔隙大小特徵的描述：

孔喉：孔隙通道最細(xì)小的部分。

孔腹：孔隙通道最寬大的部分。

①顆粒的大小—顆粒大則孔隙大，反之則孔隙小。注意：對(duì)於分選不好，顆粒大小懸殊的鬆散巖石來說，孔隙大小並不取決於顆粒的平均直徑，而是取決於細(xì)小顆粒的直徑。

②顆粒的排列方式—以理想等粒圓球狀顆粒為例，顆粒直徑為D，孔喉直徑為d，立方體排列時(shí)，d=0.424D，作四面體排列時(shí)，d=0.155D。

③考慮粘性土的結(jié)構(gòu)孔隙及次生孔隙。

孔隙通道最細(xì)小的部分稱作孔喉，最寬大的部分稱作孔腹，孔喉對(duì)水流的影響更大。鬆散巖石分類（按粒徑的毫米數(shù)大?。?/p>

漂礫、塊石>200大於罐頭瓶卵石、碎石200~20罐頭瓶~玻璃球礫石、石屑20~2玻璃球（鵪鶉蛋~大米砂（粗、中、細(xì)）2~0.05大米~小米~粗玉米麵粉砂（土）0.05~0.005細(xì)玉米麵黏土<0.005特粉混合類：砂黏（砂質(zhì)黏土），以黏土為主但含少量砂砂卵石，以卵石為主，含少量砂。

………………..

二、裂隙(fissure)

裂隙—堅(jiān)硬巖石中由破裂變形而產(chǎn)生的裂縫式空隙。鬆散沉積物的空隙主要是孔隙，而固結(jié)堅(jiān)硬巖石除沉積巖含有一定原生孔隙外，火成巖和變質(zhì)巖的空隙主要表現(xiàn)為裂隙。裂隙按成因可分為三種：成巖裂隙、構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙。

a.

成巖裂隙

—巖石在形成過程中產(chǎn)生的裂隙。

b.

構(gòu)造裂隙

—巖石在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中受力破壞所產(chǎn)生的裂隙。

c.

風(fēng)化裂隙

—巖石在風(fēng)化作用下破壞而產(chǎn)生的裂隙。風(fēng)化裂隙

賦存於巖體的風(fēng)化帶中。風(fēng)化作用與卸荷作用決定了巖體的風(fēng)化裂隙帶在近地表處呈殼狀分佈，通常厚數(shù)米至數(shù)十米。風(fēng)化裂隙通常分佈比較均勻，連通性好，從地表至地下逐漸閉合。成巖裂隙

賦存於各類成巖裂隙中。成巖裂隙是沉積巖固結(jié)脫水及巖漿巖冷凝收縮形成的裂隙。一般情況下，成巖裂隙多為閉合，但陸地噴溢的玄武巖裂隙發(fā)育且張開，可構(gòu)成良好含水層。巖脈及侵入巖體與圍巖的接觸帶，冷凝後可形成張開的呈帶狀分佈的裂隙。熔巖流冷凝過程中末冷凝的熔巖流走，在巖體中留下的巨大熔巖孔道，易形成管狀裂隙。構(gòu)造裂隙

構(gòu)造裂隙是固結(jié)巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的最為常見的裂隙。構(gòu)造裂隙分佈不均勻，連通性不好，小到節(jié)理大到斷層，大小懸殊，具有方向性。

裂隙巖石的空隙特徵：主要表現(xiàn)在裂隙發(fā)育方向，幾何大小，分佈的不均勻性，裂隙間的連通程度，裂隙的充填情況以及裂隙面的粗糙度等方面。

主要參數(shù)：①裂隙（密度）②優(yōu)勢方位；③裂隙的展布情況；④連通的（好、中、差）；⑤充填性；⑥粗糙度。

裂隙率(Kr)—巖石中裂隙的體積Vr與包括裂隙在內(nèi)的巖石體積V之比。Kr=Vr/V(小數(shù)或百分?jǐn)?shù)）

體積裂隙率—（同上）。

面積裂隙率—單位面積巖石上裂隙面積所占的比例。

線裂隙率—在垂直於裂隙方向上單位長度內(nèi)裂隙所占比例。三、溶穴(vugularporespace)

在孔隙、裂隙、溶穴這三種空隙中，溶穴的大小和形狀變化範(fàn)圍最大，分佈也最不均勻。一些可溶沉積巖，如：巖鹽、石灰?guī)r、白雲(yún)巖、石膏等，由於地下水的溶蝕會(huì)產(chǎn)生各種空洞，這種空洞就稱溶穴，大的叫“溶洞”。

溶穴—可溶巖在地下水作用下所產(chǎn)生的洞穴。巖溶率（Kk)—

溶穴的體積Vk與包括溶穴在內(nèi)的巖石體積V之比。

Kk=Vk/V(小數(shù)或百分?jǐn)?shù)）溶穴的規(guī)模十分懸殊，大的溶洞可寬達(dá)數(shù)十米，高數(shù)十乃至百餘米，長達(dá)幾至幾十公里，而小的溶孔直徑僅幾毫米。巖溶發(fā)育帶巖溶率可達(dá)百分之幾十，而其附近巖石的巖溶率幾乎為零?？障短蒯绲谋容^

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)的空間分佈與連通特徵（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，其他較差；空間分佈—孔隙介質(zhì)分佈最均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻

大小—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)上述差異主要原因：沉積物形成和空隙形成的環(huán)境

按巖層的含水介質(zhì)（空隙）類型分為三種類型的地下水：

孔隙水、裂隙水、巖溶水。

2.2巖石中水的存在形式地殼巖石中的水礦物結(jié)合水巖石空隙中的水沸石水結(jié)晶水結(jié)構(gòu)水結(jié)合水礦物表面結(jié)合水液態(tài)水重力水毛細(xì)水固態(tài)水氣態(tài)水

2.2巖石中水的存在形式

2.2巖石中水的存在形式強(qiáng)結(jié)合水的特點(diǎn)

密度大於1，平均2g/cm3左右不受重力影響不能流動(dòng)。只有在溫度105~110℃時(shí)才以氣態(tài)的形式脫離顆粒表面而移動(dòng)溶解鹽類能力弱-80℃時(shí)仍不結(jié)冰有較大的粘滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度不能傳遞靜水壓力無導(dǎo)電性

2.2巖石中水的存在形式弱結(jié)合水的特點(diǎn)

密度大於1，為1.3~1.774g/cm3

不受重力影響可以從簿膜厚的顆粒向簿膜小的顆粒方向移動(dòng)，但速度十分緩慢。溶解鹽類能力較弱冰點(diǎn)為-15℃有一定的粘滯性和抗剪強(qiáng)度在一定條件下（飽水帶）可傳遞靜水壓力弱結(jié)合水的外層能被植物吸收利用

2.2巖石中水的存在形式結(jié)合水與普通液態(tài)水的區(qū)別

結(jié)合水具有抗剪強(qiáng)度，即必須施一定的力才能使其發(fā)生變形。結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度由內(nèi)層向外層減弱。當(dāng)施加的外力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，外層結(jié)合水發(fā)生流動(dòng)，施加的外力越大，發(fā)生流動(dòng)的水層厚度也越大。

2.2巖石中水的存在形式重力水的特點(diǎn)

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(dòng)。巖土空隙中的重力水能夠自由流動(dòng)。井泉取用的地下水，都屬重力水。重力水是水文地質(zhì)學(xué)研究的主要對(duì)象，也是勘察的主要對(duì)象。

2.2巖石中水的存在形式概念依靠毛細(xì)力而保持在毛細(xì)空隙中的水，稱為毛細(xì)水。毛細(xì)空隙是巖土中的細(xì)小空隙，一般指直徑小於1mm的孔隙或?qū)挾刃§?.25mm的裂隙。

毛細(xì)現(xiàn)象及實(shí)質(zhì)

將一根玻璃毛細(xì)管插入水中，毛細(xì)管內(nèi)的水面即會(huì)上升到一定高度，這便是發(fā)生在固、液、氣三相介面上的毛細(xì)現(xiàn)象。其實(shí)質(zhì)是毛細(xì)張力的作用。形成彎液面產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)Pc，是個(gè)負(fù)壓強(qiáng)，稱毛細(xì)負(fù)壓。

2.2巖石中水的存在形式

關(guān)於毛細(xì)上升速度與高度：

（1）具有不均勻性：開始時(shí)上升速度快，以後逐漸減慢，直到停止。（2）毛細(xì)空隙越大，毛細(xì)上升高度越??；毛細(xì)空隙越小，毛細(xì)上升高度越大。2.2巖石中水的存在形式

土的最大毛細(xì)上升高度[據(jù)西林—?jiǎng)e克丘林，1958]

2.2巖石中水的存在形式毛細(xì)水類型

支持毛細(xì)水：存在於飽水帶以上並與地下水面相連的毛細(xì)空隙中的水。能傳遞靜水壓力，當(dāng)溫度低於0℃時(shí)冰結(jié)。懸掛毛細(xì)水：存在於包氣帶並與地下水面不相連的毛細(xì)空隙中的水。呈“懸掛”狀態(tài)，經(jīng)蒸發(fā)後消失。成因：入滲重力水；地下水面急劇下降由支持毛細(xì)水轉(zhuǎn)化而成?？捉敲?xì)水（觸點(diǎn)毛細(xì)水）：顆粒與顆粒接觸處孔隙狹窄地方呈點(diǎn)滴狀態(tài)的水。結(jié)合緊密，不易移動(dòng)。

2.2巖石中水的存在形式地下水位下降

2.2巖石中水的存在形式

2.2巖石中水的存在形式概念

儲(chǔ)存並運(yùn)動(dòng)於未飽和巖石空隙中呈水汽狀態(tài)的水。

水汽來源

地表水氣進(jìn)入地下水面蒸發(fā)

水汽運(yùn)動(dòng)

從水汽壓大處向水汽壓小的方向運(yùn)動(dòng)或從絕對(duì)濕度大處向絕對(duì)濕度小的方向運(yùn)動(dòng)從溫度高處向溫度低的方向運(yùn)動(dòng)

2.2巖石中水的存在形式固態(tài)水

指以固態(tài)形式存在於巖石空隙中的水（地下冰）。我國北方冬季常形成凍土；東北及青藏高原有一部分地下水多年保持固態(tài)—多年凍土。2.2巖石中水的存在形式結(jié)構(gòu)水：以H+和OH-離子形式存在於礦物結(jié)晶格架之中，與礦物結(jié)合緊密。

結(jié)晶水：以H2O分子形式存在於礦物結(jié)晶格架之上，與礦物結(jié)合較緊密。

沸石水：以H2O分子形式存在於礦物結(jié)晶格架之間的空隙中，與礦物結(jié)合不緊密。

三者差別：1結(jié)合水的數(shù)量不同；

2結(jié)合水逸出程度不同：前兩者需高溫，後者在常溫下即可逸出。CompanyLogo2.3與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(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)主要涉及的是與水分儲(chǔ)容、滯留、釋出與運(yùn)移有關(guān)的性質(zhì)包括：一、容水度和孔隙度（反映巖石最大含水能力）

巖石完全飽水時(shí)，所能容納的最大水體積與巖石總體積之比?？紫抖取猲;容水度——nr

？兩者有何關(guān)係

二、含水量（watercontent）鬆散巖石實(shí)際保留水分的狀況，（是某巖樣某時(shí)的含水狀態(tài)）又稱巖石的天然含水量。表示方法：重量含水量Wg=Gw/Gs×100%

體積含水量Wv=Vw/V×100%飽和含水量Ws飽和差飽和度

CompanyLogo三、給水度（specificyield）——

(

e

d)1、定義：當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€(gè)單位深度時(shí)，從地下水位延伸到地表面的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)?shù)叵滤幌陆狄粋€(gè)單位，土層孔隙中是否所有的水都流出來？在土層中會(huì)保留什麼形式的水？

結(jié)合水(膜)、孔角毛細(xì)水、有時(shí)懸掛毛細(xì)水與支持毛細(xì)水2.3與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)均質(zhì)土包氣帶水分分佈給水度概念圖CompanyLogo

均質(zhì)土包氣帶水分分佈2、影響給水度——μ值的因素

a)巖性：空隙的大小與多少。

顆粒粗大的鬆散巖石，裂隙比較寬大的堅(jiān)硬巖石，以及具有溶穴的可溶巖，空隙寬大，重力釋水時(shí)，滯留於巖石空隙中的結(jié)合水與孔角毛細(xì)水較少，理想條件下給水度的值接近孔隙度、裂隙率與巖溶率。若空隙細(xì)小（如粘性土），重力釋水時(shí)大部分水以結(jié)合水與懸掛毛細(xì)水形式滯留於空隙中，給水度往往偏小。2.3與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)CompanyLogo2、影響給水度——μ值的因素

b)地下水位初始埋深（H0）當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲箪蹲畲竺?xì)上升高度時(shí)H0＞＞hc,可達(dá)最大μ值；H0＜＜hc時(shí)，地下水位下降1個(gè)高度時(shí)，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，μ變小。土層含水量曲線分析：當(dāng)?shù)叵滤宦裆钭銐虼髸r(shí)，土層給水度不發(fā)生變化（為定值），此時(shí)給水度—也是最大理論給水度。2.3與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)其他影響因素CompanyLogo給水度與地下水位埋深的關(guān)係CompanyLogo給水度概念圖、給水度與顆粒粒徑、儲(chǔ)水性能及時(shí)間的關(guān)係CompanyLogo三、給水度——2、影響μ值的因素

c)與地下水位下降速度有關(guān)地下水位下降快慢會(huì)影響到μ的大小

——（下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理）這是因?yàn)獒屗疁?，而?dǎo)致的釋水減量；大小孔道釋水不同步，大孔道優(yōu)先釋水，小孔道形成懸掛毛細(xì)水。d)土層結(jié)構(gòu)均質(zhì)土特徵與上述討論一致巖土層為層狀非均質(zhì)土?xí)r，往往會(huì)影響μ值，多層狀土的特徵而言，上粗下細(xì)、上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)影響是不同的。2.3與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)CompanyLogo對(duì)於均質(zhì)的顆粒較細(xì)小的鬆散巖石，只有當(dāng)其初始水位埋深足夠大、水位下降速率十分緩慢時(shí)，釋水才比較充分，給水度μ→μ理。常見鬆散巖石的給水度（Fetter，1980）2.3與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)

巖石名稱給水度（%）最大最小平均粘土亞粘土粉砂細(xì)砂中砂粗砂礫砂細(xì)礫中礫粗礫512192832353535262603310152020211312271821262725252322CompanyLogo給水度小結(jié)——野外實(shí)際測定時(shí)：

均質(zhì)土，當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲箪秇c，降速緩慢，μ=ωS-ω0

初始埋深小於hc時(shí)，埋深愈淺，μ↓水位降速愈快，μ↓一般而言，層狀土μ小於均質(zhì)土。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)課——

設(shè)計(jì)研究給水度的影響因素與測定方法。給水度小結(jié)2.3與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)四、持水度（specificretention）地下水位下降時(shí)，一部分水由於毛細(xì)力（以及分子力）的作用而仍舊反抗重力保持於巖石空隙中。巖石的持水能力——最大保持水分的能力。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於巖石空隙中的水量，稱作持水度（Sr）。給水度、持水度與孔隙度的關(guān)係是：

μ+Sr=n包氣帶充分重力釋水而又未受到蒸發(fā)、蒸騰消耗時(shí)的含水量稱作殘留含水量（ω0）數(shù)值上相當(dāng)於最大持水度。所有影響給水度的因素也就是影響持水度的因素。CompanyLogo2.3與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)五、透水性（permeability）

巖石允許水透過的能力。表徵巖石透水性的定量指標(biāo)——滲透係數(shù)（K）。影響巖石透水性的因素：a)孔隙直徑大?。嚎紫吨睆皆叫?，透水性越差；孔隙直徑越大，透水性越好。當(dāng)孔隙直徑小於兩倍結(jié)合水層厚度時(shí)，在尋常條件下孔隙不透水。b)孔隙度的大?。涸诳紫洞笮∵_(dá)到一定程度時(shí)，孔隙度才對(duì)巖石的透水性起作用，孔隙度越大，透水性越好。c)透水性取決於最小的孔隙直徑，不取決於平均孔隙直徑。d)顆粒的分選性。透水性與孔隙直徑大小的關(guān)係透水性與顆粒分選性的關(guān)係2.4有效應(yīng)力原理與鬆散巖土壓密

一、有效應(yīng)力原理（太沙基Terzaghi原理）孔隙水壓力（壓強(qiáng)）計(jì)算:u=γw

×

h作用於巖土上的總應(yīng)力P（上部總荷重產(chǎn)生的）等於巖石骨架與水的重量之和。

有效應(yīng)力：地下水的孔隙水壓力（浮力）會(huì)減輕巖土內(nèi)部的壓應(yīng)力，扣除孔隙水壓力後的巖土內(nèi)部（壓）應(yīng)力，稱為有效應(yīng)力Pz。

Pz=P-u二、地下水位變化引起的巖土壓密（地面沉降）問題地下水下降

h=>水壓強(qiáng)減少

u=γw

×

h=>有效應(yīng)力增加

u,即

Pz+u=P-(u-u)

有效應(yīng)力增加會(huì)引起土體的彈性與塑性壓密（地面沉降，不可逆）2.4有效應(yīng)力原理與鬆散巖土壓密

2.4有效應(yīng)力原理與鬆散巖土壓密

地下水開採與地面沉降1巖土壓密（固結(jié)）2塑性變形、彈性變形3開採地下水引起的地面沉降--地質(zhì)環(huán)境問題4沉降發(fā)生的層位5沉降過程與排水速度6前期固結(jié)壓力（或近似理解為歷史最大水位降深）7地面沉降的不可逆性地下水的動(dòng)態(tài)與均衡9.1地下水動(dòng)態(tài)與均衡的概念9.2地下水動(dòng)態(tài)9.3地下水均衡含水層（含水系統(tǒng)）始終與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)、能量、資訊的交換，時(shí)刻處於變化之中。地下水動(dòng)態(tài)的概念：

在與環(huán)境相互作用下,含水層各要素(水位、水量、水化學(xué)成分、水溫等)隨時(shí)間的變化,稱作地下水動(dòng)態(tài)。地下水要素隨時(shí)間發(fā)生變動(dòng)的原因：

含水層(含水系統(tǒng))水量、鹽量、熱量、能量收支不平衡的結(jié)果。

當(dāng)含水層的補(bǔ)給水量大於排泄水量時(shí),儲(chǔ)存水量增加,地下水位上升；當(dāng)補(bǔ)給量小於排泄量時(shí),儲(chǔ)存水量減少,水位下降。鹽量、熱量、能量的收支不平衡,會(huì)使地下水水質(zhì)、水溫或水位發(fā)生相應(yīng)變化。地下水位的變化反映了地下水所具有的勢能的變化。而地下水勢能變化可以由於獲得水量補(bǔ)給儲(chǔ)存水量增加引起,也可以與水量增減無關(guān)。例如：

當(dāng)含水層受到地應(yīng)力作用,賦存地下水的含水介質(zhì)受到壓應(yīng)力並將其傳遞到地下水上時(shí),地下水位也會(huì)上升；這種情況下地下水位雖有上升但並不意味著其水量增加。研究地下水動(dòng)態(tài)的意義：

地下水動(dòng)態(tài)反映了地下水要素隨時(shí)間變化的狀況，為了合理利用地下水或有效防範(fàn)其危害，必須掌握地下水動(dòng)態(tài)；地下水動(dòng)態(tài)提供給我們關(guān)於含水層或含水系統(tǒng)的不同時(shí)刻的系列化資訊，因此，在檢驗(yàn)所作出的水文地質(zhì)結(jié)論，在論證人們所採用的利用或防範(fàn)地下水的水文地質(zhì)措施是否得當(dāng)時(shí)，地下水動(dòng)態(tài)資料是最權(quán)威的判據(jù)。地下水均衡的概念：

某一時(shí)間段內(nèi)某一地段內(nèi)地下水水量(鹽量、熱量、能量)的收支狀況稱作地下水均衡。地下水動(dòng)態(tài)與地下水均衡間的關(guān)係：

動(dòng)態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)；

均衡是動(dòng)態(tài)的內(nèi)在根源。研究地下水動(dòng)態(tài)與均衡的意義：查清地下水的補(bǔ)給、排泄條件；闡明地下水資源條件；確定含水層之間、含水層與地表水體的關(guān)係。地下水動(dòng)態(tài)的形成機(jī)制影響地下水動(dòng)態(tài)的因素地下水天然動(dòng)態(tài)類型人類活動(dòng)影響下的地下水動(dòng)態(tài)

9.2地下水動(dòng)態(tài)一、地下水動(dòng)態(tài)的形成機(jī)制形成機(jī)制的理解：地下水動(dòng)態(tài)是含水層(含水系統(tǒng))對(duì)環(huán)境施加的激勵(lì)所產(chǎn)生的回應(yīng)；地下水動(dòng)態(tài)是含水層(含水系統(tǒng))將輸入資訊變換後產(chǎn)生的輸出資訊。實(shí)例分析：分析降雨對(duì)地下水位的影響一次降雨：通常持續(xù)數(shù)小時(shí)到數(shù)天，把它看作是發(fā)生於某一時(shí)刻的“脈衝”。同一時(shí)刻的降雨,在包氣帶中通過大小不同的空隙以不同速度下滲。當(dāng)運(yùn)動(dòng)最快的水滴到達(dá)地下水面時(shí)，地下水位開始上升，占比例最大的水量到達(dá)地下水面時(shí)，地下水位的上升達(dá)到峰值；運(yùn)動(dòng)最慢的水滴到達(dá)地下水面後,降水的影響結(jié)束。

與一個(gè)降水脈衝相對(duì)應(yīng),作為回應(yīng)的地下水位的抬升表現(xiàn)為一個(gè)波形?；蛘哒f，經(jīng)過含水層(含水系統(tǒng)）的變換,一個(gè)脈衝信號(hào)變成了一個(gè)波信號(hào)。與對(duì)應(yīng)的脈衝相比較,波的出現(xiàn)有一個(gè)時(shí)間滯後a,並持續(xù)某一時(shí)間延遲b。多次降雨：當(dāng)相鄰的兩次或多次降雨接近，各次降雨引起的地下水抬升的波形相互迭合。當(dāng)各個(gè)波峰迭加時(shí),會(huì)迭合成更高的波峰（圖a、b、c),地下水位會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。

實(shí)際情況下，多是各個(gè)波形的波峰與波谷迭合,削峰填穀,構(gòu)成平緩的複合波形（圖d、e、f)。降水對(duì)泉流量的影響：一次降雨使泉水量出現(xiàn)一個(gè)波形的增加，若干次降雨所引起的波形相迭合，削峰填穀的結(jié)果，使泉流量遠(yuǎn)較降水變化為穩(wěn)定。北方的許多巖溶大泉流量動(dòng)態(tài)穩(wěn)定就是此原因。

間斷性的降水,通過含水層(含水系統(tǒng))的變換,將轉(zhuǎn)化成比較連續(xù)的地下水位變化或泉流量變化。這是信號(hào)滯後、延遲與迭加的結(jié)果。地下水動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)：

連續(xù)性隨機(jī)性週期性二、影響地下水動(dòng)態(tài)的因素

按照地下水動(dòng)態(tài)是含水層(含水系統(tǒng))連續(xù)的資訊輸出的理解，將影響地下水動(dòng)態(tài)的因素分為兩類:

①環(huán)境對(duì)含水層(含水系統(tǒng))的資訊輸入：如降水、地表水的補(bǔ)給，人工開採或補(bǔ)給地下水，地應(yīng)力對(duì)地下水的影響等；

②變換輸入資訊的因素：賦存地下水的地質(zhì)、地形條件。影響地下水動(dòng)態(tài)的主要自然因素：

氣候（氣象）因素水文因素地質(zhì)因素植被因素特點(diǎn)：大面積、普遍產(chǎn)生影響（主要是降水與蒸發(fā)）氣象（氣候）因素對(duì)潛水動(dòng)態(tài)的影響：

特點(diǎn)：普遍性最好

過程：a.降水的數(shù)量及其時(shí)間分佈，影響潛水的補(bǔ)給，從而使?jié)撍畬铀吭黾?，水位抬升，水質(zhì)變淡；

b.氣溫、濕度、風(fēng)速等與其它條件結(jié)合，影響著潛水的蒸發(fā)排泄，使?jié)撍孔兩?，水位降低，水質(zhì)變鹹。1.氣象（氣候）因素—決定動(dòng)態(tài)總輪廓?dú)庀螅夂颍┮氐倪L期性變化：降水的晝夜變化降水的年內(nèi)季節(jié)性變化降水的多年變化（如11年週期）與此相對(duì)應(yīng)，地下水動(dòng)態(tài)也有這三種週期性變化晝夜變化在許多地區(qū)不明顯多年變化研究週期長季節(jié)變化最突出、最有意義分析氣象因素對(duì)潛水位的影響時(shí)，必須區(qū)分潛水位的真變化與偽變比。實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)考慮多年的地下水位與水量的變化。氣候存在多年週期性波動(dòng)例如：週期為11年的太陽黑子變化，影響豐水期與乾旱期的交替，使地下水位呈同一週期變化。重大的長期性地下水供排水設(shè)施，應(yīng)當(dāng)考慮多年的地下水位與水量的變化：

供水工程應(yīng)根據(jù)多年資料分析地下水位最低時(shí)水量能否滿足要求；排水工程要考慮多年最高地下水位時(shí)的排水能力。缺乏地下水多年觀測資料時(shí)，可利用多年的氣象、水文資料，或根據(jù)樹木年輪、歷史資料與考古資料，推測地下水多年動(dòng)態(tài)。

2.水文因素

地表水體補(bǔ)給地下水引起地下水位抬升時(shí)，隨著遠(yuǎn)離河流，水位變幅減小，發(fā)生變化的時(shí)間滯後。河水對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響一般為數(shù)百米至數(shù)公里,此範(fàn)圍以外,主要受氣候影響。地質(zhì)因素對(duì)地下水動(dòng)態(tài)影響的主要體現(xiàn)：

補(bǔ)、排與徑流條件的變化——反映對(duì)地下水文要素的變幅和滯後時(shí)間等特徵的影響。

地質(zhì)構(gòu)造——決定地下水、大氣水、地表水的不同聯(lián)繫，反映出受氣候、水文因素的影響程度不同，因而出現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)特徵。3.地質(zhì)因素

地質(zhì)因素是影響輸入資訊變換的因素。當(dāng)降水補(bǔ)給地下水時(shí),包氣帶厚度與巖性控制著地下水位對(duì)降水的回應(yīng)。潛水埋深愈大，對(duì)降水脈衝的濾波作用愈強(qiáng)；相對(duì)於降水，地下水位抬高的時(shí)間滯後與延遲愈長；水位歷時(shí)曲線呈現(xiàn)為較寬緩的波。包氣帶巖性的滲透性愈好，則濾波作用愈弱；地下水位抬升的時(shí)間滯後與延遲?。凰v時(shí)曲線波形較陡。潛水儲(chǔ)存量的變化是以給水度與水位變幅△h的乘積表示的，即：當(dāng)儲(chǔ)存量變化相同時(shí)，給水度愈小，水位變幅愈大。河水引起潛水位變動(dòng)時(shí)，含水層的透水性愈好，厚度愈大，含水層的給水度愈小，則波及範(fàn)圍愈遠(yuǎn)。承壓水動(dòng)態(tài)變化比潛水?。?/p>

a.降水補(bǔ)給時(shí)，補(bǔ)給區(qū)的潛水位變化較明顯，隨著遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)，變化漸弱，以至於消失；

b.從補(bǔ)給區(qū)向承壓區(qū)傳遞降水補(bǔ)給影響時(shí)，含水層的滲透性愈好，厚度愈大，給水度愈小，則波及的範(fàn)圍愈大；

c.承壓含水層埋藏愈深，構(gòu)造封閉性愈好，與外界的水力聯(lián)繫愈弱，則引起的動(dòng)態(tài)變化愈微弱；

d.承壓含水層的水位變動(dòng)可以由於固體潮、地震等引起，這時(shí)地質(zhì)因素成為環(huán)境對(duì)地下水的輸入。

三、地下水天然動(dòng)態(tài)類型

潛水（鬆散沉積物淺部水）的天然動(dòng)態(tài)類型:

蒸發(fā)型

徑流型

弱徑流型蒸發(fā)型動(dòng)態(tài)分佈區(qū)：乾旱半乾旱地區(qū)地形切割微弱平原或盆地。動(dòng)態(tài)特徵：地下水徑流微弱，以蒸發(fā)排泄為主。年水位變幅小，各處變幅相差不大；

水質(zhì)季節(jié)變化明顯，地下水不斷向鹽化方向發(fā)展，並使土壤鹽漬化。滲入——蒸發(fā)型的平原潛水徑流型動(dòng)態(tài)分佈區(qū)：山區(qū)及山前。動(dòng)態(tài)特徵：地形高差大，水位埋藏深，以徑流排泄為主。年水位變幅大而不均；水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期則不斷趨於淡化。弱徑流型分佈：氣候濕潤的平原與盆地。動(dòng)態(tài)特徵：地形切割微弱，潛水埋藏深度小，但氣候濕潤，蒸發(fā)排泄有限，以徑流排泄為主，但徑流微弱。年水位變幅小，各處變幅接近，水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期向淡化方向發(fā)展。承壓水天然動(dòng)態(tài)類型承壓水均屬於徑流型動(dòng)態(tài)變化：

取決於構(gòu)造封閉條件，構(gòu)造開啟程度愈好，水交替愈強(qiáng)烈，動(dòng)態(tài)變化愈強(qiáng)烈，水質(zhì)的淡化趨勢愈明顯。

四、人類活動(dòng)影響下的地下水動(dòng)態(tài)人類活動(dòng)增加新補(bǔ)給來源或新排泄去路而改變地下水的天然動(dòng)態(tài)。例如：

鑽孔采水、礦坑或管道排除地下水後，人工采排成為地下水新的排泄去路；含水層或含水系統(tǒng)原來的均衡遭到破壞：天然排泄量的一部分或全部轉(zhuǎn)為人工排泄量，天然排泄不再存在；天然排泄數(shù)量減少；可能增加新的補(bǔ)給量。若采排地下水一段時(shí)間後，新增的補(bǔ)給量及減少的天然排泄量與人工排泄量相等，含水層水量收支達(dá)到新的平衡。

動(dòng)態(tài)曲線表現(xiàn)：地下水位在比原先低的位置上，以比原先大的年變幅波動(dòng)，而不持續(xù)下降。

若采排水量過大，天然排泄量的減量與補(bǔ)給量的增量的總和，不足以償補(bǔ)人工排泄量時(shí)，將不斷消耗含水層儲(chǔ)存水量，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降。修建水庫、地表水灌溉等，增加了新的補(bǔ)給來源而使地下水位抬升。如圖：河北冀縣新莊，1974年初潛水位埋深大於4m，由於灌溉，旱季水位反而上升，到1977年雨季，潛水位已接近地表了。乾旱半乾旱平原或盆地：地下水天然動(dòng)態(tài)多屬蒸發(fā)型，灌溉水入滲抬高地下水位，蒸發(fā)加強(qiáng)，促使土壤鹽漬化。有時(shí)，即使原來潛水埋深較大，屬徑流型動(dòng)態(tài)，但連年灌溉後，可轉(zhuǎn)為蒸發(fā)型動(dòng)態(tài)，造成大面積土壤次生鹽漬化。均衡區(qū)與均衡期水均衡方程式人類活動(dòng)影響下的地下水均衡地面沉降與地下水均衡大區(qū)域地下水均衡研究需要注意的問題9.3地下水均衡一、均衡區(qū)與均衡期地下水均衡——以地下水為對(duì)象的均衡研究，實(shí)質(zhì)就是應(yīng)用品質(zhì)守恆定律去分析參與水迴圈的各要素的數(shù)量關(guān)係。地下水均衡研究的目的——闡明某區(qū)在某一段時(shí)間內(nèi)，地下水水量（鹽量、熱量)收入與支出之間的數(shù)量關(guān)係。

地下水均衡要素

水均衡：指以地下水體為對(duì)象，某一地區(qū)在某一時(shí)間段內(nèi)地下水量的收支均衡狀況。

均衡要素：均衡區(qū)、均衡期、收支項(xiàng)、調(diào)蓄項(xiàng)均衡區(qū)：均衡計(jì)算所選定的地區(qū)。均衡期：均衡計(jì)算的時(shí)間段（若干年、年、月）。正均衡：某一均衡區(qū)，在一定均衡期內(nèi)，地下水水量（或鹽量、熱量）的收入大於支出，表現(xiàn)為地下水儲(chǔ)存量（或鹽儲(chǔ)量、熱儲(chǔ)量）增加。負(fù)均衡：支出大於收入，地下水儲(chǔ)存量(或鹽儲(chǔ)量、熱儲(chǔ)量)減少

地下水動(dòng)態(tài)與均衡的關(guān)係：

均衡是地下水動(dòng)態(tài)變化的內(nèi)在原因，動(dòng)態(tài)則是地下水均衡的外部表現(xiàn)。計(jì)算方法：均衡研究必須分析均衡的收入項(xiàng)與支出項(xiàng)，列出均衡方程式。通過測定或估算列入均衡方程式的各項(xiàng)，以求算某些未知項(xiàng)。二、水均衡方程式陸地上某一地區(qū)天然狀態(tài)下總的水均衡：收入項(xiàng)（A）一般包括：降水量（X）、地表水流入量（Y1）、地下水流入量（W1）、水汽凝結(jié)量（Z1）。支出項(xiàng)（B)一般為：地表水流出量（Y2）、地下水流出量（W2）、蒸發(fā)量（Z2)。均衡期水的儲(chǔ)存量變化量：△ω1地下水均衡方程式：

收入項(xiàng)總量-支出量總量=調(diào)蓄項(xiàng)變化量，即：

（∑Q補(bǔ)—∑Q消）Δt=±μFΔh物理意義：

某均衡區(qū)，在一定均衡期內(nèi)，總補(bǔ)給量與總消耗量之差等於儲(chǔ)存量的變化量。三種狀態(tài)的均衡方程：a.天然條件下的均衡方程：

(∑Q天補(bǔ)—∑Q天消)Δt=±μFΔhb.開採條件下的均衡方程：

(∑Q開補(bǔ)—∑Q開消）Δt=±μFΔhc.多年均衡期條件下（地下水保持多年均衡，即Δh＝0）的均衡方程：∑Q補(bǔ)Δt=∑Q消Δt

均衡期水儲(chǔ)存量的變化（水均衡方程式）：水儲(chǔ)存量變化△ω

中包括：地表水變化量（Ｖ）包氣帶水變化量（ｍ）潛水變化量(μ△hｃ）承壓水變化量（μｅ△hｃ）潛水的收入項(xiàng)(A)：降水入滲補(bǔ)給量（Ｘｆ）地表水入滲補(bǔ)給量(Yｆ）凝結(jié)水補(bǔ)給量(Zc)上游斷面潛水流入量(Wｕ１）下伏承壓含水層越流補(bǔ)給潛水水量（Qｔ）。潛水支出項(xiàng)(B):潛水蒸發(fā)量(Zu,包括土面蒸發(fā)、葉面蒸發(fā))以泉或泄流形式排泄量(Qd)下游斷面流出量(Wｕ２）。潛水儲(chǔ)存量變化量：

μ

Δh潛水均衡方程式的一般形式：一定條件下，一般形式的均衡方程中某些均衡項(xiàng)可取消，方程可簡化為：

Xf+Yf-Zu=μΔh多年均衡條件下，=0，得：即典型乾旱半乾旱平原潛水均衡方程式，表示滲入補(bǔ)給潛水的水量全部消耗於蒸發(fā)。典型濕潤山區(qū)潛水均衡方程式：即入滲補(bǔ)給的水量全部以徑流形式排泄。

三、人類活動(dòng)影響下的地下水均衡研究意義：研究人類活動(dòng)影響下的地下水均衡，可以定量評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響，預(yù)測其水量水質(zhì)變化趨勢，並據(jù)此提出調(diào)控地下水動(dòng)態(tài)，使之朝向?qū)θ祟愑欣姆较虬l(fā)展的措施?？死茁宸?qū)μK聯(lián)中亞某灌區(qū)潛水均衡研究得出該區(qū)潛水均衡方程式為：式中f1、f2—灌渠水及田面灌水入滲補(bǔ)給潛水水量；

Qt—下伏承壓含水層越流補(bǔ)給潛水的水量；

Qr—通過排水溝排走的潛水水量；

以一個(gè)水文年為均衡期，經(jīng)觀測計(jì)算，求得均衡方程式各項(xiàng)數(shù)值(單位為mm水柱)為：31.0=22.7+255.5+77.0+9.2-313.4-20.0得出的結(jié)論：

(1)潛水表現(xiàn)為正均衡，一年中潛水位上升620mm，增加潛水儲(chǔ)存量31mm(u＝0.05)。潛水蒸發(fā)量將不斷增加，會(huì)產(chǎn)生土壤鹽漬化。

(2)破壞原有地下水均衡，導(dǎo)致潛水位抬升的主要因素是灌溉水入滲，其中灌渠水入滲量占水量總收入的70％，田面入滲水量占2l％。

(3)現(xiàn)有排水設(shè)施的排水能力(年排水量為20mm)太低，不能有效地防止?jié)撍惶?/p>

(4)防止土壤次生鹽漬化必須採取的措施：減少灌水入滲；加大排水能力；或兩者兼施，以消除每年31mm的潛水儲(chǔ)存量增加值。

四、地面沉降與地下水均衡開採孔隙承壓含水系統(tǒng)時(shí)，停止開採可使水位恢復(fù)到采前高度上，含水層的儲(chǔ)存水量將隨之恢復(fù)，但粘性土中的一部分儲(chǔ)存水永久失去而不再恢復(fù)。由於粘性土壓密釋水量可占開採水量的百分之幾十，因此，忽略粘性土永久性釋水就會(huì)造成相當(dāng)大的誤差。

五、大區(qū)域地下水均衡研究需要注意的問題

從供水角度出發(fā)，可供長期開採利用的水量，是含水系統(tǒng)從外界獲得的多年平均補(bǔ)給量。對(duì)於大的含水系統(tǒng)，除了統(tǒng)一求算補(bǔ)給量外，有時(shí)還需分別求算含水系統(tǒng)各部分的補(bǔ)給量。如圖：一個(gè)堆積平原含水系統(tǒng)，含水系統(tǒng)分為兩大部分：潛水的山前沖洪積平原潛水及承壓水的沖積湖積平原天然條件下，多年中水量達(dá)到均衡，地下水儲(chǔ)存量的變化值為零。各部分的水量均衡方程式：

山前平原潛水：

沖積平原潛水：

沖積平原承壓水：

若簡單地將含水系統(tǒng)各部分均衡式中水量收入項(xiàng)累加，則顯然比整個(gè)系統(tǒng)的水量收入項(xiàng)多了W2及Qt兩項(xiàng)，分別求算的結(jié)果比統(tǒng)一求算偏大。整個(gè)含水系統(tǒng)的水量均衡方程式：

從圖看出，沖積平原承壓水並沒有獨(dú)立的補(bǔ)給項(xiàng)，其收入項(xiàng)就是山前平原潛水支出項(xiàng)之一。

W2＝Xf1+Yf2+W1-Zu1-Qd

可知，W2是由山前平原補(bǔ)給量的一部分轉(zhuǎn)化而來。沖積平原潛水的收入項(xiàng)Qt同樣也可得出：Qt＝W2一W3

顯然，Qt是由W2的一部分轉(zhuǎn)化而來，歸根到底，是由山前平原潛水補(bǔ)給量轉(zhuǎn)比的。

W2、Qt都屬於堆積平原含水系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的水量轉(zhuǎn)換，而不是含水系統(tǒng)與外部之間發(fā)生的水量轉(zhuǎn)換。

在開採條件下，含水系統(tǒng)內(nèi)部及其與外界之間的水量轉(zhuǎn)換，將發(fā)生一系列變化。假定單獨(dú)開採山前平原的潛水，此部分水量均衡將產(chǎn)生以下變化：a.隨著潛水位下降，地下水不再溢出成泉，Qd＝0；b.與沖積平原間水頭差變小，W2減??；c.隨著水位下降，蒸發(fā)減弱，Zu1變小；d.與山區(qū)地下水水頭差變大，W1增加；e.地表水與地下水水頭差變大，Yf1增大；h.潛水淺埋帶水位變深，有利吸收降水，可使Xf1增大。結(jié)果山前平原潛水補(bǔ)給量增加，排泄量減少。同時(shí)，對(duì)地表水及鄰區(qū)地下水的均衡產(chǎn)生下列影響：a.W2減少及相應(yīng)的Qt減少，使沖積平原承壓水及潛水補(bǔ)給量減少；b.W1增大，使山區(qū)排泄量增大；c.Xfl、Yfl增大，使地表徑流量減少，從而使沖積平原潛水收入項(xiàng)Yf2變小。進(jìn)行大區(qū)域水均衡研究時(shí)：

必須仔細(xì)查清上下游、潛水和承壓水，地表水與地下水之間的水量轉(zhuǎn)換關(guān)係，否則將導(dǎo)致水量重複計(jì)算，人為地誇大可開採利用的水量。地下水的化學(xué)成分及其形成作用6.1概述6.2地下水的化學(xué)特徵6.3地下水的溫度6.4地下水化學(xué)成分的形成作用6.5地下水化學(xué)成分的基本成因類型6.6地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容與分類圖示6.1概述地下水是一種複雜的溶液：賦存於巖石圈中,不斷與巖土發(fā)生化學(xué)反應(yīng);與大氣圈、水圈和生物圈進(jìn)行水量和化學(xué)成分的交換。人類活動(dòng)的影響改變了地下水的化學(xué)面貌。地下水的化學(xué)成分是地下水與環(huán)境（自然地理、地質(zhì)背景、人類活動(dòng)）——長期相互作用的產(chǎn)物。某區(qū)地下水的化學(xué)面貌,反映該區(qū)地下水的歷史演變。研究地下水的化學(xué)成分，可以幫助我們回溯一個(gè)地區(qū)的水文地質(zhì)歷史，闡明地下水的起源與形成。水是最為常見的良好溶劑：它溶解、搬運(yùn)巖土組分,並在某些情況下將某些組分從水中析出。水是地球中元素遷移、分散與富集的載體：許多地質(zhì)過程(巖溶、沉積、成巖、變質(zhì)、成礦）都涉及地下水的化學(xué)作用。根據(jù)不同用途，利用地下水都對(duì)其水質(zhì)有一定要求,並要進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)：飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)工業(yè)用水水質(zhì)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)評(píng)價(jià)工程建設(shè)專案用水水質(zhì)評(píng)價(jià)地下水是寶貴的液體礦產(chǎn)：含大量鹽類(如NaCl、KCl)或富集某些稀散元素(Br、I、B、Sr等)的地下水是寶貴的工業(yè)原料；某些具有特殊物理性質(zhì)與化學(xué)成分的水具有醫(yī)療意義；

鹽礦、油田、金屬礦床所形成特定化學(xué)元素的分散暈圈是找礦的重要標(biāo)誌。污染物在地下水中散佈,也會(huì)形成暈圈。這就需要查明有關(guān)物質(zhì)的遷移、分散規(guī)律,確定礦床或污染源的位置。地下水中化學(xué)元素遷移、集聚、分散的規(guī)律——水文地球化學(xué)的研究內(nèi)容。地下水中元素遷移不能脫離水的流動(dòng)；水文地球化學(xué)的研究必須與地下水運(yùn)動(dòng)的研究緊密結(jié)合。地下水水質(zhì)的演變具有時(shí)間上繼承的特點(diǎn)：

自然地理與地質(zhì)發(fā)展歷史給予地下水的化學(xué)面貌以深刻影響，故不能從純化學(xué)角度,孤立、靜止地研究地下水的化學(xué)成分及其形成,必須從水與環(huán)境長期相互作用的角度,去揭示地下水化學(xué)演變的內(nèi)在依據(jù)與規(guī)律。6.2地下水的化學(xué)特徵主要?dú)怏w成分主要離子成分其他成分總礦化度及化學(xué)成分表示式一、地下水中主要?dú)怏w成分

地下水中常見的氣體成分：

O2、N2、CO2、CH4、H2S等。尤以前三種為主。通常情況下，地下水中氣體含量不高，只有幾mg/L到幾十mg/L。研究地下水中氣體成分的意義：

①氣體成分—能夠說明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境；

②水中有些氣體—會(huì)增加水溶解鹽類的能力，促進(jìn)某些化學(xué)反應(yīng)。1.氧（02）、氮（N2）地下水中的氧氣和氮?dú)庵饕獊碓挫洞髿?。它們隨大氣降水及地表水補(bǔ)給地下水,故以入滲補(bǔ)給為主、與大氣圈關(guān)係密切的地下水中含02

、N2

較多。溶解氧含量愈多,說明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境（氧化環(huán)境）愈有利於氧化作用進(jìn)行。1.氧（02）、氮（N2）02的化學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)較N2活潑，在較封閉的環(huán)境中，02將耗盡而只留下N2。因此，N2的單獨(dú)存在，通?？烧f明地下水起源於大氣並處於還原環(huán)境。大氣中的惰性氣體（A、Kr、Xe）與N2的比例恒定，即(A+Kr+Xe)/N2=0.0118。比值等於此數(shù)，說明N2是大氣起源的；小於此數(shù)，則表明水中含有生物起源或變質(zhì)起源的N2

。2.硫化氫(H2S)、甲烷（CH4）:地下水中出現(xiàn)H2S、CH4,其意義與出現(xiàn)O2相反,說明處於還原的地球化學(xué)環(huán)境（還原環(huán)境）。這兩種氣體的生成,均在與大氣比較隔絕的環(huán)境中,有有機(jī)物存在,微生物參與的生物化學(xué)過程有關(guān)。其中,H2S

是SO42-的還原產(chǎn)物。3.二氧化碳(C02）：地下水中的C02主要來源於土壤（有機(jī)質(zhì)殘骸的發(fā)酵作用與植物的呼吸作用使土壤中源源不斷產(chǎn)生C02並溶入流經(jīng)土壤的地下水中）。含碳酸鹽類的巖石,在深部高溫下，可變質(zhì)生成C02。在少數(shù)情況下,地下水中可能富含C02

甚至高達(dá)1g/L以上。煤、石油、天然氣燃料,使大氣中人為產(chǎn)生的C02明顯增加。大氣中C02濃度的不斷上升，引起了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，使氣溫上升。地下水中含C02越多，其溶解碳酸鹽巖與對(duì)結(jié)晶巖進(jìn)行風(fēng)化作用的能力越強(qiáng)。二、地下水中主要離子成分地下水中分布最廣、含量較多的離子（七種）：Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。構(gòu)成這些離子的元素，或是地殼中含量較高，且較易溶於水的（如O2、Ca、Mg、Na、K）；或是地殼中含量雖不很大，但極易溶於水的（Cl、以SO42-形式出現(xiàn)的S）。Si、Al、Fe等元素，雖然在地殼中含量很大，但由於難溶於水，地下水中含量通常不大。一般情況下,隨著總礦化度(總?cè)芙夤腆w）的變化,地下水中占主要地位的離子成分也隨之發(fā)生變化，即：

低礦化水中以HC03-、Ca2+、Mg2+為主;

高礦化水以Cl-、Na+為主;