第一部分：水文地質(zhì)基礎(chǔ)教材

水文地質(zhì)基礎(chǔ)陳亮1.1一般概念自然界中的水，以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)分布于地球的大氣圈、水圈和巖石圈中。降水是指大氣層中水汽凝結(jié)并降落到地表、海洋面或植被表面的一切液態(tài)及固態(tài)水，如雨、雪、霜等。降水一部分蒸發(fā)重返大氣中，另一部分則匯到地表的河湖中，還有一部分沿著巖石空隙滲入地下形成地下水。地下水在巖石中運(yùn)動(dòng)遇到適當(dāng)?shù)臈l件，又流出地表轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇硭瓿闪艘粋€(gè)循環(huán)。大循環(huán)主要受全球氣候控制，是全球性的，這是海洋、陸地之間的循環(huán)，又稱外循環(huán)。小循環(huán)是局部循環(huán)，它是水自海洋表面蒸發(fā)，又降至海洋表面，或水從陸地上的江湖水面、地表或葉面蒸發(fā)，又降到陸地表面。小循環(huán)是地區(qū)性的，一般受局部氣象因素控制。水系：又叫“河系”。流域內(nèi)各種水體構(gòu)成的脈絡(luò)、沼澤、湖泊系統(tǒng)的總稱。一般包括某干流及其各級(jí)支流、湖沼、流域內(nèi)地下暗流等，如汾河水系、黃河水系等。流域：是地表水及地下水分水線所包圍的集水區(qū)域的統(tǒng)稱。習(xí)慣上往往指地表水的集水區(qū)域。一般把某水系的集水區(qū)域稱該水系的流域。水系中各支流的集水區(qū)域稱該支流的流域。流域內(nèi)包括不同級(jí)別的水系，同時(shí)也有不同級(jí)別的流域。如洪洞南澗河水系屬汾河流域，汾河水系又屬黃河流域等。地下水分水線與地表水分水線不一致的流域稱“非閉合流域”，反之則稱“閉合流域”。根據(jù)地形圖上的分水線可以定出流域邊界，此范圍內(nèi)的面積稱流域面積。分水嶺：指相鄰兩流域之間的山嶺和高地。降水形成的地表徑流，沿兩側(cè)斜坡注入不同河流。地下徑流分水線稱地下分水嶺。分水線：指相鄰流域的分界線，通常是分水嶺最高點(diǎn)的連線。此線兩側(cè)的徑流，注入不同的河流。分水線又分為地面分水線和地下分水線。由于流域內(nèi)地質(zhì)地貌條件影響，兩者一般不相吻合，但通常以地面分水線作為流域分界線的標(biāo)準(zhǔn)。分水線是劃分和計(jì)算流域的根據(jù)。水位：指江、河、湖泊和水庫(kù)在某一地區(qū)及某一時(shí)刻的自由水面以及地下水的表面，以相對(duì)于特定基準(zhǔn)面的高程表示。流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)水渠或管道某一橫斷面的流體量。一般指體積流量，單位為m3/s。層流：流體質(zhì)點(diǎn)不相互混雜，跡線有條不紊的流動(dòng)。紊流：流體質(zhì)點(diǎn)相互混雜，跡線極不規(guī)則的流動(dòng)。滲流：指水在土壤、砂礫或巖石裂隙中流動(dòng)的現(xiàn)象。液體在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)叫滲透。絕大多數(shù)滲透屬層流滲透，只有在少數(shù)的溶洞、寬大裂隙、卵礫石中，當(dāng)流速較大時(shí)，才出現(xiàn)紊流滲透。1.2巖石的水文地質(zhì)特征1、巖石的空隙性巖石空隙是地下水儲(chǔ)存場(chǎng)所和運(yùn)移的通道?？障兜亩嗌?、大小、形狀、連通情況和分布規(guī)律，對(duì)地下水的分布和運(yùn)動(dòng)具有重要影響。將巖石空隙作為地下水儲(chǔ)存場(chǎng)所和運(yùn)動(dòng)通道研究時(shí)，可分為三類，即：松散巖石中的孔隙，堅(jiān)硬巖石中的裂隙和可溶巖石中的溶穴。孔隙——指巖石塊體單元中未被固態(tài)物質(zhì)充填的空間。裂隙——指巖石塊體單元中自然形成的裂縫。溶隙——指可溶性巖石（以石灰?guī)r為主）在地表水和地下水長(zhǎng)期溶蝕作用下形成的各種洞穴。松散砂土孔隙粘土孔隙裂隙溶隙2、巖石空隙中的水地殼巖石中的水礦物結(jié)合水空隙中的水沸石水結(jié)晶水結(jié)構(gòu)水結(jié)合水液態(tài)水重力水毛細(xì)水固態(tài)水氣態(tài)水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水（1）物理結(jié)合水指靠靜電引力和氫鏈聯(lián)結(jié)力吸引在土?；驇r石顆粒表面，不能在自身重力影響下運(yùn)動(dòng)的水。顆粒表面對(duì)水分子的吸引力自內(nèi)向外逐漸減弱，結(jié)合水的物理性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。最接近顆粒表面的結(jié)合水稱為“強(qiáng)結(jié)合水”或“吸著水”，其外層稱為“弱結(jié)合水”或“薄膜水”。結(jié)合水區(qū)別于普通液態(tài)水的最大特征是具有抗剪強(qiáng)度，即必須施加一定的外力后才能使其變形。（2）半自由水指由毛細(xì)力支持而充滿于巖石毛細(xì)孔隙中的水。它受重力作用，能傳遞靜水壓力，可為植物吸收。（3）自由水①固態(tài)水：指以冰的形式存在于巖石孔隙中的水。②氣態(tài)水：指以水蒸氣的形式存在于未飽和巖石空隙中的水。③重力水：指飽和于巖石孔隙中，在重力作用下能自由運(yùn)動(dòng)的水。它傳遞靜水壓力，是水文地質(zhì)學(xué)研究的主要對(duì)象。3、巖石的水理性質(zhì)水理性質(zhì)：指與水分的儲(chǔ)容與運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)?？障洞笮〔煌?，各種形式的水所占比例不同，空隙越大，重力水所占比例越大；空隙越小，結(jié)合水所占比例便越大。因此，巖石中空隙大小的不同，巖石中水的存在形式不同，具有不同的容水性、持水性、給水性與透水性等水理性質(zhì)（1）容水性：巖石能容納一定水量的性質(zhì)。（2）持水性：在重力作用下巖石仍能保持一定水量的性能。其強(qiáng)弱取決于巖石顆粒表面吸附水的能力，巖石顆粒越小，滯留的水越多，持水度越大，反之亦然。（3)給水性：飽水巖石在重力作用下能自由流出一定水量的性能。其性能好壞與巖石孔隙大小、多少、連通程度有關(guān)。（4）貯水（或釋水)性：承壓含水層當(dāng)水位上升（或下降）時(shí)，引起彈性貯存（或釋放）一定水量的性能。（5）透水性：指土或巖石允許水透過(guò)的能力。其強(qiáng)弱取決于土或巖石中的孔隙和裂隙的大小和連通性，以滲透系數(shù)表示，可分為5個(gè)等級(jí)。透水性等級(jí)滲透系數(shù)/(m/d)巖石名稱強(qiáng)透水的>10良透水巖石（卵石、礫石、粗砂）良透水的10~1透水巖石（砂、裂隙巖石）半透水的1~0.001微透水巖石（亞砂土、粉砂、砂巖）弱透水的0.01~0.001極微透水巖石（亞黏土、黏土質(zhì)砂巖）不透水的<0.001不透水巖石，即隔水巖石（黏土）（6）導(dǎo)水性：巖石傳導(dǎo)水的性能。（7）導(dǎo)壓性：巖石傳遞水壓的性能。(8)毛細(xì)性：飽水巖層水面以上，在毛細(xì)力作用下，水能上升一定高度的性能。毛細(xì)上升現(xiàn)象是地下水表面張力和重力、空隙壁面對(duì)水分子的吸附力平衡作用的結(jié)果，毛細(xì)力可以傳遞水壓力。巖石名稱粗砂中砂細(xì)砂亞砂土亞粘土粘土毛細(xì)上升最大高度，cm2-412-3535-120120-250250-350500-6001.3含水層與隔水層含水層：能夠透過(guò)并給出相當(dāng)數(shù)量水的巖層，具有良好的給水性和透水性——砂土、礫石、裂隙和溶穴發(fā)育的巖石。含水層首先應(yīng)該是透水層，是透水層中位于地下水位以下經(jīng)常為地下水所飽和的部分，上部未飽和部分則是透水不含水層。隔水層：不能透過(guò)并給出水或只能透過(guò)與給出極少量水的巖層，具有良好地持水性——粘土、頁(yè)巖等。成為含水層的必備條件：1）巖層具有儲(chǔ)存重力水的空間各類空隙——孔隙、裂隙和溶穴。巖石的空隙越大，數(shù)量越多，連通性越好，儲(chǔ)存和通過(guò)的重力水就越多，越有利于形成含水層。2）具備儲(chǔ)存地下水的地質(zhì)結(jié)構(gòu)透水和不透水層組合在一起。含水地質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩種基本形式：a.透水-含水-隔水形式：大部分松散沉積物和基巖裸露地區(qū)b.隔水-含水-隔水形式：常具承壓性，山前平原深部的砂礫石透水層、煤系地層中的裂隙等。3）充足的補(bǔ)給水源部分或全部出露地表以便能接受大氣降水和地表水的補(bǔ)給頂?shù)椎母羲畬又写嬖谕杆齑盎驅(qū)當(dāng)嗔淹ǖ?.4地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)成分1.4.1地下水的主要物理性質(zhì)及其定性表示方法1.4.1.1水溫地下水的溫度與埋藏深度有關(guān)，近地表的水，溫度受氣溫的影響，在恒溫帶（距地表15~20m）以下的水溫，則隨深度的加大而逐漸升高，其變化的規(guī)律決定于地區(qū)的地?zé)嵩鰷靥荻?，即地溫梯度，正常地溫區(qū)地溫梯度小于或等于3℃/100m。地下水按溫度分類類別非常冷的水極冷的水冷水溫水熱水極熱的水沸騰的水溫度/℃<00~44~2020~3737~4242~100>1001.4.1.2顏色地下水的顏色決定于水中的化學(xué)成分及其懸浮雜質(zhì)。當(dāng)其化學(xué)成分或懸浮雜質(zhì)不同時(shí)，呈現(xiàn)的顏色亦不同。水中存在物質(zhì)與水的顏色的關(guān)系水中存在的物質(zhì)硬水低價(jià)鐵高價(jià)鐵硫化氫硫細(xì)菌錳的化合物腐植酸鹽水的顏色淺藍(lán)灰藍(lán)黃褐翠綠紅色暗紅暗黃或灰黑1.4.1.3透明度

地下水的透明度決定于水中固體物質(zhì)與膠體顆粒懸浮物的含量。地下水透明度的野外鑒別特征見(jiàn)下表。

地下水透明度的野外鑒別特征分級(jí)野外鑒別特征透明的無(wú)懸浮物及膠體，60cm水深可見(jiàn)3mm的粗線微濁的有少量懸浮物，大于30cm水深可見(jiàn)3mm的粗線渾濁的有較多的懸浮物，半透明狀，小于30cm水深可見(jiàn)3mm的粗線極濁的有大量的懸浮物或膠體，似乳狀，水深很小也不能清楚看見(jiàn)3mm的粗線1.4.1.4氣味1.4.1.5口味水中存在的化學(xué)成分與口味的關(guān)系見(jiàn)下表。地下水是否有臭味，主要取決于水中所含的氣體成分和有機(jī)質(zhì)。水中存在的化學(xué)成分與口味的關(guān)系存在物質(zhì)NaClNa2SO4MgSO4MgCl2大量有機(jī)質(zhì)鐵鹽腐植酸H2S與碳酸氣同時(shí)存在CO2及適量Ca(HCO3)2Mg(CO3)2口味咸澀苦甜澀沼澤味酸可口1.4.1.6導(dǎo)電性地下水的導(dǎo)電性決定于水中所溶鹽分的數(shù)量，這是因?yàn)楦鞣N鹽類的水溶液一般都是良好的電解質(zhì)。1.4.1.7放射性地下水的放射性決定于水中所含放射性元素的數(shù)量?？梢哉J(rèn)為所有地下水都具有不同程度的放射性，但一般甚為微弱。埋藏于放射性礦床附近的地下水，通常具有較強(qiáng)的放射性。1.5地下水的分類及其特征1.5.1地下水的主要類型孔隙水（松散沉積空隙中的水）裂隙水（堅(jiān)硬巖石裂隙中的水）巖溶水（巖溶化巖石中的水）飽氣帶上層滯水飽氣帶中局部隔水層以上季節(jié)存在的水。廣義上也包括飽氣帶中其它形式的水，如土壤水等巖石風(fēng)化層中季節(jié)性存在的水。區(qū)域地下水水位以上局部隔水層的季節(jié)性存在的水巖溶化巖石垂直滲入帶中季節(jié)性存在的水飽水帶潛水各種成因類型松散沉積物中的水。當(dāng)十分接近或成片出露于地表時(shí)成為沼澤水堅(jiān)硬巖石上部風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中的水裸露巖溶化巖層中的水承壓水由松散沉積物構(gòu)成的自流盆地，單斜山前平原中的水，以及平原的深部水構(gòu)造盆地，向斜或單斜構(gòu)造中層狀裂隙巖層中的水。構(gòu)造破碎帶中的水以及獨(dú)立裂隙系統(tǒng)中的水構(gòu)造盆地，向斜或單斜構(gòu)造中巖溶化巖層中的水按埋藏條件按含水層空隙的性質(zhì)1.5.2各類地下水的主要特征影響地下水形成的自然地理因素有氣象因素、水文因素、地形與地下水。地下水按埋藏條件分為上層滯水、潛水、承壓水。1.5.2.1飽氣帶上層滯水的特征（1）埋藏在飽氣帶中局部隔水層之上的重力水，主要是降水、凝結(jié)水或地表水滲過(guò)局部隔水層聚集而形成的季節(jié)性地下水。（2）分布不廣、分布范圍與補(bǔ)給范圍一致，以蒸發(fā)及向周?chē)魃⑾聺B進(jìn)行排泄。（3）具自由水面，屬無(wú)壓水。（4）水量不大，并隨季節(jié)性變化，一般雨季有，旱季干。（5）易受污染。意義：小型季節(jié)性供水，對(duì)建筑施工及露天采礦有影響。1.5.2.2飽水帶潛水的特征飽水帶潛水的特征如下：（1）埋藏于地表以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上的重力水，主要為滲入形成，亦有凝結(jié)成因。（2）一般分布區(qū)域補(bǔ)給區(qū)一致，以蒸發(fā)及泉的形式排泄。（3）具有自由水面，屬無(wú)壓水。潛水面形態(tài)波狀起伏，與巖性、厚度、地形、隔水底板形態(tài)變化有關(guān)。（4）水位、水量隨積極性變化，旱季水位下降，水量減少，雨季反之。（5）易受污染。意義：工農(nóng)業(yè)供水的主要水源，厚松散層潛水，對(duì)建井施工和淺部煤層開(kāi)采有一定影響。1.5.2.3飽水帶承壓水特征飽水帶承壓水的特征如下：（1）充滿于兩個(gè)隔水層之間的重力水，它有不透水的底板與頂板，主要來(lái)源為大氣降水滲入、地表或潛水補(bǔ)給，亦有地質(zhì)封存形式。（2）分布區(qū)、補(bǔ)給區(qū)及承壓區(qū)常不一致，主要以泉的形式排泄。（3）有假想的承壓水面，故屬承壓水。地形合適時(shí)，揭露含水層能自流（也稱自流水）。（4）水位、水量、水溫受氣候影響小，季節(jié)變化不顯著。（5）不易受污染。意義：都是大型供水的主要水源，亦是礦井大型突水的主要水害，可供醫(yī)療、熱源及提取有用原料。1.5.3泉的類型及其特征泉是在地表上地下水的天然露頭，是地下水的一種重要排泄形式。1.5.3.1按形成原因分類按形成原因，泉可分為以下幾類：（1）侵蝕泉——河谷、沖溝侵蝕切割潛水層，潛水出露成泉。（2）接觸泉——河谷、沖溝切割含水層直到底部隔水層，迫使?jié)撍诤畬优c隔水層接觸處流出地表稱泉。（3）溢出泉——地下水流動(dòng)受阻，水位抬高溢出地表成全。（4）斷層泉——地下水沿?cái)嗔褞仙恋乇沓扇?.5.3.2按補(bǔ)給方式分類按補(bǔ)給方式，泉可分為以下兩類：（1）上升泉——泉水在含水層中自下而上運(yùn)動(dòng)。（2）下降泉——泉水在含水層中自上而下運(yùn)動(dòng)。1.5.3.3按補(bǔ)給水源分類按補(bǔ)給水源，泉可分為以下幾類：（1）懸掛泉（上層滯水泉）——由上層滯水補(bǔ)給，多出露于河谷階地前緣陡坎上或風(fēng)化裂隙發(fā)育的基巖陡坡上