水文地质复习资料.ppt

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1、第一章 地球上的水及其循环,主讲教师：王 涛,Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础,Company Logo,（1）定义 指发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中地下水之间的水循环。水文循环示意图环节或要素（2）水文循环的划分循环路径不同：大循环（海-陆）与小循环（海-海，陆-陆）时空尺度不同：全球水文循环，流域水文循环，水-土-生系统水文循环,1.2 水文循环 Hydrologic-cycle,水文循环-环节,1、蒸发蒸发是水分通过热能交换从固态或液态转换为气态的过程，是水分从地球地面和水体进入大气的过程。2、水气输送水汽输送，是指大气中的水汽由气流携带着从一

2、个地区上空输送到另一个地区的过程。3、凝结降水降水是水汽在大气层中微小颗粒周围进行凝结，形成雨滴，再降落到地面的过程。4、下渗下渗是指降落到地面上的雨水从地表渗入土壤内的运动过程。5、径流径流又称为河川径流，亦即地表径流和地下径流、壤中流之和。,Company Logo,1.3.1 通用水量平衡方程（1）水文学（水文地质学）研究的基本原理质量守恒定律和能量守恒定律为基本原理（2）通用水量平衡方程：区域时段各要素 I=O+(W1-W2)=O+W其中，I：时段内输入区域的各种水量之和 O：时段内输出区域的各种水量之和 W=W1-W2：区域内时段始末的储水量不同区域、不同研究对象可以写出具体的水量平

3、衡方程式（在 地下水均衡中介绍）,1.3 水量平衡 Water balance,Company Logo,水文循环的作用：通过循环水的质量得以净化、水的数量得以再生 水资源不断更新与再生，可以保证在其再生速度水平上的永续利用也是可持续发展保证,1.4 水文循环的作用,Company Logo,对水文循环有显著影响的气象、水文因素主要有:气温、气压、湿度、降水、蒸发、径流。1.5.1 气温（1）气温产生的原因 大气直接吸收太阳辐射热：仅占太阳辐射热的15%；大气吸收地表辐射能量：43%的太阳辐射到达地面，地表接受太阳辐射增温后、再向大气辐射能量，此部分能量绝大部分为大气吸收而增温。大气与地表直接

4、接触：由于热传导、对流而升温这更是大气增温的主要原因。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.1 气温（2）气温的时空变化 时间上的变化:昼夜变化、季节变化和多年变化；空间上的变化:水平方向和垂直方向 水平方向，同一高度上，从赤道向两极由高到低;垂直方向，同一地点,不同高度上气温不同,在对流层内,一般每升高100M,气温降低0.5。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.2 气压（1）概念 指大气的质量施加在地表或地表上的物体之上时而产生的压力。单位:mm水银（Hg）柱高度。在标准状态下,(即气温为0,纬度45的海平面上)气压

5、为760 mm水银（Hg）柱高度，约相当于105Pa。（2）气压的空间变化特征 垂向上的变化:随高度增加,气压下降。水平方向上的变化:由地表的热力状况决定,地表的温度越高,则气压越低,相反,地表的温度越低,则气压越高。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.3 湿度（1）概念 指大气中的水汽含量。由于水汽既有重量，又有压力，因而其既可用重量单位表示，也可以用压力单位表示。（2）湿度的分类 绝对湿度和相对湿度绝对湿度：指某一地区在某时刻空气中的水汽含量。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,1.5.3 湿度（2）湿度的分类 绝对湿度：指某一地区在某时刻空气中的

6、水汽含量。采用重量单位表示时,单位为g/cm3,常用代号m；采用压力单位表示时,单位为mmHg，常用代号e。绝对湿度只能说明某一时刻空气中水汽含量的多少,而不能反映出空气中水汽含量达饱和的程度,于是又提出了相对湿度的概念。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.3 湿度（2）湿度的分类 相对湿度：指绝对湿度与饱和水汽含量之比，常用代号r。式中：e、m代表绝对湿度；E、M代表饱和水汽含量。饱和水汽含量：指某一温度条件下，空气中可以容纳的最大水汽数量。采用重量单位表示时，常用代号M；采用压力单位表示时，常用代号E；,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Compa

7、ny Logo,1.5.3 湿度（2）湿度的分类 饱和水汽含量与温度关系：（见表1-2 P11）一般规律：随气温升高，饱和水汽含量增大；反之，则减小。相对湿度与温度间关系：假设绝对湿度不变的前提下：温度增加，饱和水汽含量增加，则相对湿度降低；温度下降，饱和水汽含量降低，则相对湿度增加。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.3 湿度（2）湿度的分类 露点 指当温度下降至某一值时，水汽含量达饱和，亦即=100%=1，此时的气温就叫露点，若温度继续下降，则空气中过剩的水汽将凝结形成不同形式降水。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.

8、5.4 蒸发（1）概念 指常温下，水由液态变为气态进入大气的过程。（2）类型 有土面蒸发、水面蒸发和叶面蒸发（蒸腾）。通常用水面蒸发量的大小表示一个地区的蒸发强度。气象部门测定蒸发量的方法是：用蒸发皿装上水，测定一定时期内的蒸发水量，并用水柱高度的mm数表示，如：北京的多年平均年蒸发量为1102mm。气象部门提供的蒸发量只反映一个地区蒸发的相对强度，而不能代表一个地区的实际蒸发水量，因为一个地区不全是水面，且用小直径蒸发皿测得的蒸发量比实际水面蒸发量又偏大许多。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.4 蒸发（3）影响水面蒸发速度、强度的因素 主要有气温、气压

9、、湿度、风速等，其中主要取决于气温与绝对湿度的对比关系，更具体地讲，主要取决于相对湿度的大小，相对湿度越小，饱和差越大，则蒸发速度越快。饱和差：饱和水汽含量与绝对湿度之差。公式：d=E-e 饱和差越大，则蒸发越大。风速是影响蒸发的另一重要因素，风将水面上蒸发出的水汽带走，从而可以大大加快蒸发的速度与强度。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.5 降水（1）概念 指空气中的水汽含量达到饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，并以液态或固态的形式降落于地面，这就是降水。降水的形式有：雨、雪、冰、霜等。（2）降水量 气象部门用雨量计测定降水量，以某地区在某时间段内的

10、降水总量平铺于该区地面得到的水层高度mm数表示。降水量数据是一个实际量，在计算含水层的降水入渗补给量时，经常使用。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.5 降水（3）天气、气候的概念 天气：指某地区在某时刻（或短暂的时间段内如1小时，几小时，1天等）各种气象因素综合影响所决定的大气物理状态 气候：指某区域的天气平均状态，一般指多年平均状态，并以气象要素的多年平均值表征，称为该区域的气候。,Company Logo,1.5.6 径流（1）有关概念 径流：指降落于地面的降水在重力作用下，沿地表或地下流动的水流，分为地表径流与地下径流。水系：指汇注于某一干流的全部

11、河流的总体构成的一个地表径流系统。流域：指一个水系的全部集水区域，流域范围内的降水通过各级支流汇注于干流。分水岭：指相邻两个流域之间地形最高点的连线，这是地表水的分水岭。地表水系、流域和分水岭同样可用于地下水。,Company Logo,1.5.6 径流（2）径流要素（主要针对地表径流，但对地下径流也可以适用）流量（Q）：单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为m3/s，公式为：Q=FV 式中：F：断面面积 V：断面的平均流速 径流总量（W）：某时段T内，通过河流某一断面的总水量，单位为m3 W=QT 式中：Q：流量（m3/s）；T：时间（s）,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Compa

12、ny Logo,1.5.6 径流（2）径流要素（主要针对地表径流，但对地下径流也可以适用）径流模数（M）：单位流域面积平均产生的流量，单位为L/sKm2 式中：F：流域面积（Km2）Q：流量（m3/s）径流深度（Y）：计算时段内的总径流量均匀分布在测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度，单位：mm 式中：W：计算时段内的径流总量（m3）F：测站以上的整个流域面积（Km2）,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.6 径流（2）径流要素（主要针对地表径流，但对地下径流也可以适用）径流系数（）：同一时间段内流域面积上的径流深度Y（mm）与降水量X（mm）的比值。

13、（以小数或百分数表示）的大小可以反映流域内降水转化为地表径流的效率。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,第二章 地下水的赋存规律,主讲教师：王 涛,Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础,2.1 岩石中的空隙,岩石水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层 空隙岩、土中各种类型的空洞的总称 空隙是地下水赋存场所（places）和运移通道（conduits）空隙类型 孔隙（pore）-松散土层（unconsolidated soil）裂隙（fissure）-坚硬岩石（hard rock）溶穴（cavity）-可溶岩石（dissoluble rock）下面讨论描述空隙

14、特征的有关概念，参数（指标）和分析方法。,Company Logo,孔隙（pore）指松散岩石颗粒或颗粒集合体之间的空隙。孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与分布 1、砂砾石孔隙大小及其影响因素 孔隙大小与颗粒大小关系？试样 a砾石样品，b砂土样品，c砂砾混合样品提问：试样a与b构成的孔隙哪种大？哪种小？孔隙大小与颗粒排列关系立方体、四面体孔隙大小特征的描述：孔喉 d=0.414D（立方体）孔喉 d=0.155D（六面体）(上述为：理想的等粒球排列）孔喉和孔腹？总结：砂砾石孔隙大小主要取决于颗粒大小与排列情况,2.1.1 孔隙,Company Logo,a砾石(模型)b砂土样品 c砂砾

15、混合样品,孔隙与粒径关系,Company Logo,立方体排列与四面体排列,立方体排列 四面体排列,d,Company Logo,2.1.1 孔隙,2、砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素 孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标定义：指某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。通常用 n 表示？问：孔隙度的大小与什么有关？与颗粒大小有关？a.与排列方式有关紧密与疏松 理想最疏松孔隙度为47.64%(立方体排列)紧密排列孔隙度为25.95%（四面体排列）。b.与分选程度有关下面试样哪个孔隙度大？哪个小？试样：砾石 砂石 混合样,Company Logo,不同颗粒大小的试

16、样孔隙度？,三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列方式相同时，孔隙度完全相同。,Company Logo,2.1.1 孔隙,2、砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素 完全混合试样：孔隙度 n混=n砾n砂（请自己推导证明）具体指当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，且粗大颗粒之间的孔隙，完全为细小颗粒所充填时，则此岩石的孔隙度等于由粗粒和细粒单独组成时的岩石的孔隙度的乘积。总结 影响砂砾石孔隙度大小的主要因素是颗粒的分选程度及排列情况。颗粒形状、胶结与充填也会影响孔隙度。颗粒形状愈不规则，孔隙度愈大。分选程度差，颗粒大小愈悬殊，孔隙度愈小。,Company Logo,自然界中松散岩石的孔隙度与

17、上述讨论的还有些不同P17表2-1表2-1 松散岩石孔隙度参考数值矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%达到70%,2.1.1 孔隙,Company Logo,3、粘性土的孔隙与孔隙度粘土颗粒粘性土是指土体颗粒 0.005mm 的直径“粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强 粘粒在悬浮 推移 互相接触时，就会连结起来 形成粘粒团”细小粘粒集合（团）构成（称为）颗粒集合体。集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征粘土孔隙：孔隙大小除与颗粒大小及排列有关，还与结构孔隙、次生孔隙有关。孔隙度可以超过最大理论孔隙度？粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构结构孔隙

18、集合体与集合体、粘粒与粘粒之间次生孔隙虫孔、根系孔、裂隙裂痕等,2.1.1 孔隙,Company Logo,裂隙（fissure fracture）固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙）裂隙类型：风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 裂隙形态：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状”空隙，单个裂隙是孤立的 裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：1)裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）2)张开性（裂隙宽度）3)裂隙率等,2.1.2 裂隙,Company Logo,裂隙率 裂隙多少用裂隙率表示，有如下三种：体裂隙率（KV）：一般用于室

19、内测定 式中：VV 裂隙体积；V包含裂隙在内的岩石体积。线裂隙率KL：一般用于野外测定 指与裂隙走向垂直方向上单位长度内裂隙所占的比例。式中：bi：沿裂隙走向方向第i条裂隙的宽度 L：与裂隙走向垂直方向上代表性测量线段的长度,2.1.2 裂隙,Company Logo,裂隙率 裂隙多少用裂隙率表示，有如下三种：面裂隙率（Ka）：一般用于野外测定 指单位面积岩石上裂隙所占的比例。式中：F：代表性露头地段岩石面积 bi：第i条裂隙宽度 Li：第i条裂隙长度,2.1.2 裂隙,Company Logo,溶穴（cavity）cavern在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果 是扩大了的裂隙溶穴：溶蚀

20、的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+溶洞）1）岩溶发育方向 2）溶蚀率-钻孔岩溶发育程度3）溶洞（方向、规模等）,2.1.3 溶穴,溶穴（cavity）cavern岩溶率Kk：为溶穴的体积（VK）与包括溶穴在内的岩石体积（V）的比值。式中：VK：溶穴体积 V：包含溶穴在内的可溶岩体积。,2.1.3 溶穴,Company Logo,空隙特征的比较 含水介质由各类空隙所构成的岩石称为含水介质（孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶穴含水介质）。含水介质的空间分布与连通特征是不同的，三种主要类型的含水介质比较：连 通 性 孔隙介质最好，其它较差 空间分布孔隙介质分布最均

21、匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀。孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴大小极悬殊 空隙比率孔隙介质最大，裂隙最小 空隙渗透性孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向异性造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境,2.1.4 空隙特征的对比,Company Logo,2.2 岩石空隙中的水,存在形式：气态 固态 液态 设想实验：材料（小石子、细管）+水（水杯）（1）在小石子之上滴上几滴水，小石子上就会有残留水？（2）在饱水试样中，小石子上和小石子上孔隙间的水？（3）将玻璃细管插入水中，取出，管中残留水？通过上述3例及图示空隙中水的存在形式：结合水（absorbed water,bound w

22、ater）重力水（gravitational water;bulk water）毛细水（capillary water）,Company Logo,2.2.1 结合水,结合水（absorbed water,bound water）（1）定义 附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水（2）类型 强结合水：离固相颗粒表面非常近的水；弱结合水：离固相颗粒表面较远的水。（3）性质 结合水具有固态和液态水的双重性质，即在自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）及变形，也可以说其具有一定的抗剪强度。？抗剪强度的产生与大小与什么有关？表面引力（固相表面与水分子间静电引力）服从库仑定律，随固体表面

23、的距离加大而减弱,结合水与重力水,Company Logo,结合水与重力水,Company Logo,表面引力服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱,结合水与重力水,结合水,Company Logo,重力水（gravitational water;bulk water）远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受自身重力影响。在自身重力影响下可以自由运动的水叫重力水 地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽出）重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的主要对象,2.2.2 重力水,结合水与重力水,Company Logo,毛细水（capillary w

24、ater）1、基本概念毛细现象：根据细小管插入水中，水上升至一定高度停下来 在土层中挖个洞，在洞内放个接渗皿，能否接到水?北方地窖，陕北的窑洞毛细力：毛细水：受到表面吸引力，重力，还有另一种力称毛细力的作用，产生毛细现象我们可以把毛细力归纳为3点：,2.2.3 毛细水,毛细水,空隙中的水,毛细水,Company Logo,毛细力：毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起液面弯曲产生的。毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹侧（p44）毛细力的大小：毛细力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大,毛细力大;曲率小，毛细力小）一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；反之亦然 毛细力大，毛细上升高度也越大,

25、2.2.3 毛细水,毛细水,Company Logo,2、毛细水的存在形式（states forms）在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：a)支持毛细水（supporting capillary water）在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关b)悬挂毛细水（suspension capillary water）脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分，称为悬挂毛细水 上细下粗砂砾试样的例子。？悬挂毛细水的高度c)孔角毛细水（触点毛细水）（corner water,contiguity water?）孔角毛细水与悬挂毛细水是不同？悬挂

26、毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的,2.2.3 毛细水,支持与悬挂毛细水,小结,Company Logo,2.3 岩石的水理性质,一、定义 指岩石与水接触过程中表现出来的控制水分活动的各种性质。就水文地质学来说，主要涉及是与水分储容、释出与运移有关的性质 包括：容水度、含水量、持水度、给水度 二、水理性质 1、容水度和孔隙度（porosity）-nr 岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比（反映岩石最大含水能力）孔隙度n;容水度nr？两者有何关系,2.3 岩石的水理性质,二、水理性质 1、容水度和孔隙度（porosity）-nr 孔隙度n;容水度nr？两者有何关系 一

27、般情况下，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等，但在如下情况下，二者不相等：对于吸水后体积发生收缩或膨胀的土粒：吸水后膨胀时，nr n 吸水后收缩时，nr n 2、含水量（water content）-w 岩石实际保留水分的状况（是某岩样某时的含水状态），又称岩石的天然含水量 1）重量含水量（Wg）：岩石孔隙中所含水份的重量（Gw）与干燥岩石重量（Gs）之比。,2.3 岩石的水理性质,二、水理性质 2、含水量（water content）-w 2）体积含水量（Wv）：岩石孔隙中含水体积与岩石总体积之比。3）Wg与Wv间的关系 在水的比重为1时，若岩石的干容重（单位体积干燥岩石的重量）为

28、，则有：Wg=Wv 4）饱和含水量、饱和差、饱和度的概念 饱和含水量：孔隙充分饱水时的含水量，用Ws表示。饱和差：饱和含水量与实际含水量的差值。饱和度：实际含水量与饱和含水量之比值。,2.3 岩石的水理性质,二、水理性质 3、持水度（specific retention）-Sr 岩石的持水能力最大保持水分的能力 定义1：饱水岩石在重力作用下释水，岩石中保持住的水体积与饱水岩石总体积之比。定义2：地下水位下降一个单位深度，单位水平面积饱水岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量（体积）。保持下来的水主要是什么水？影响因素：与给水度的影响因素相同，在下面介绍。,Company Logo,二、水理

29、性质 4、给水度（specific yield）（1）、定义 定义1：饱水岩石在重力作用下给出的水的体积与饱水岩石总体积之比。定义2：当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度。当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？在土层中会保留什么形式的水？结合水(膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水,2.3 岩石的水理性质,均质土包气带水分分布,Company Logo,二、水理性质 4、给水度（specific yield）（2）影响给水度值的因素？砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种样给水度大？1)岩性：空隙大的样品，给水度大

30、，n 砾 粗砂 粉砂（与粒径有关）颗粒细小者，比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，除岩性外，同一岩层中其它原因也可造成不同，为什么？,2.3 岩石的水理性质,Company Logo,二、水理性质 4、给水度（specific yield）（2）影响给水度值的因素 2)地下水位初始埋深（H0）当初始地下水位埋深小于最大毛细上升高度时H0 hc 时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，变小。当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时H0 hc,可达最大值 土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度也是最大理论给水度,2.3 岩石的水理性质,C

31、ompany Logo,二、水理性质（2）影响给水度值的因素 3)与地下水位下降速度有关地下水位下降快慢会影响到 的大小（下降快理、下降慢理）这是因为释水滞后，而导致的释水减量 4)土层结构均质土特征与上述讨论一致岩土层为层状非均质土时，往往会影响值，多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响是不同的。,2.3 岩石的水理性质,Company Logo,给水度小结野外实际测定时：均质土，当地下水位初始埋深大于hc，降速缓慢，=WS-W0初始埋深小于hc时，埋深愈浅，水位降速愈快，一般而言，层状土小于均值土。给水度、持水度与孔隙度三者间关系：+Sr=n,给水度小结,Company Logo,

32、二、水理性质 5、透水性（permeability）（先自学一下）反映岩土透过水的能力后续讲“地下水的运动”时再讨论岩石空隙直径越大透水能力越强透水性越好！,2.3 岩石的水理性质,地下水类型,地下水埋藏类型,上层滞水(perch ground water),包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水.特征：接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆.,潜水(phreatic water),1砂层 2隔水层 3含水层4潜水面 5基准 面,埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。特征：与大气相通，具自由水面，补给区与分布区

33、一致，动态受气候影响较大。潜水面形状受地形影响。,潜水的埋藏特点：1）潜水面以上，一般无稳定的隔水层，潜水通过包气带与地表相通，所以大气降水和地表水直接渗入而补给潜水，成为潜水的主要补给来源；2）潜水埋藏深度及含水层的厚度是经常变化的，而且有的还变化甚大，它们受气候、地形和地质条件的影响，其中以地形的影响最显着；3）潜水具有自由表面，为无压水。4）潜水的排泄有以泉的形势排泄和通过蒸发的方式进行排泄。一个是水平方向上的，一个是垂直方向上的。,潜水等水位线图,可解决如下问题：1）决定潜水的流向；2）求潜水的水力坡度；3）确定潜水的埋藏深度；4）提供合理的取水位置；5）推断含水层岩性或厚度变化；6）

34、确定地下水和地表水的相互补给关系；7）确定泉水出露点和沼泽化范围。,虚线潜水等水位线 实线地形等高线,潜水与地表水的关系,潜水补给河流,河流补给潜水,单侧补给,承压水(pressure water),充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水。,A补给区 B承压区 C排泄区,特征：1）承压水的分布区和补给区是不一致的。2）地下水面承受静水压力，非自由面。3）承压水的水位、水量、水质及水温等受到气象水文因素季节变化的影响不显着。4）任一点的承压含水层的厚度不变，不受降水季节变化的支配。,承压含水层局部,H1初见水位 H2承压水位H承压水头 h承压水位埋深,承压水等水位线图,如图中A点：地形

35、标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。则承压水位埋深为：1039112m 承压水头为91838 m 含水层埋深为：1038320m,承压水等水位线图可确定下列重要指标：承压水位埋深承压水头大小含水层埋深（初见水位）,Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础,第三章 地下水的运动The movement of G.W,主讲教师：王 涛,第三章 地下水的运动,地下水运动的几个基本概念（1）渗流与渗流场 渗流（渗透）：指地下水在岩石空隙中的运动。渗流场：指发生渗流的区域。（2）层流运动与紊流运动 层流运动：在岩石空隙中渗流时，水的质点作有秩序的、互不混杂的

36、流动。紊流运动：在岩石空隙中渗流时，水的质点无秩序地、互相混杂的流动。从流态来看，地下水多为层流（除岩溶管道外）,第三章 地下水的运动,地下水运动的几个基本概念（3）稳定流与非稳定流 稳定流：指水在渗流场内运动，各个运动要素(水位、水量、流速、流向等)不随时间变化的水流运动。非稳定流：指各个运动要素随时间变化的水流运动。严格地讲，自然界中地下水都属于非稳定流。,Company Logo,3.1 达西定律（Darcys law）,达西定律线性渗透定律（linear law）H.Darcy法国水力学家，1856年通过大量的室内实验得出的。3.1.1 实验条件：装置图P36，图4-11）等径圆筒装入

37、均匀砂样（uniform sand），断面为2）上（下各）置一个稳定的溢水装置保持稳定水流3）实验时上端进水，下端出水示意流线4）砂筒中安装了2个测压管5）下端测出水量（outflow）Q,3.1.1 达西试验装置,达 西 试 验 装 置_两种,2变水头装置,1常水头装置,达西定律（Darcys law）,通过变水头，多次实验得出：出水端的流量Q与砂柱、测压管水头之间的关系为：（1）,Q 渗流量；砂柱断面面积；h 水头损失（m）；L 渗流途径；K与试样有关的比例常数。由水力学中水动力学基本原理：,（2）Q=K I,Company Logo,达西定律（Darcys law）,渗透流速根据水力学，

38、流速与流量的关系对上式转化：Q=V与（2）式比较 V=KI-（3）V称为渗透流速（seepage velocity Darcy velocity）达西定律中由此看出：渗透流速与水力梯度是一次方成正比故达西定律又称为线性渗透定律,VI关系图,转下页,VI 曲线,V=K I（3）,Company Logo,3.2 达西定律讨论,3.2.1 渗透流速（V）与过水断面（）Q=K I=V过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否过水断面，假想的断面实际孔隙断面n 孔隙度 实际水流断面ne 有效孔隙度 Q/=V 比照水力学，实际流速 Q/=u，=ne 关系：地下水渗透流速 V=u ne 渗透流速V：是假设

39、水流通过整个岩层断面（骨架+空隙）时所具有的虚拟的平均流速。意义：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而不去追踪实际水质点的运移轨迹简化的研究,过水断面比较,Company Logo,过水断面与实际过水断面,过水断面（）实际过水断面（）ne(1)有效空隙度ne为重力水流动的空隙体积(不包括结合水占据的空间)与岩石体积比。有效空隙度ne给水度？,Company Logo,过水断面与实际过水断面,实际过断面（）过水断面（）地下水实际流线 基于渗透流速的流线,水力梯度,水力梯度（I）（hydraulic gradient）水力学中水力坡度（J）:单位距离上的水头损失 是沿渗流途径上的水头损失

40、与相应的渗流长度之比,物理涵义上来看I：代表着渗流过程中，机械能的损失率，由水力学中水头的概念加以分析：在地下水渗流研究中任意点的水头表达式,总水头 测压水头 速度水头 机械能 势 能 动 能,水力梯度（I）在达西实验中：,水力梯度,其原因是 u2/2g 很小而忽略在地下水渗流研究中常：,总水头 测压水头(包括位置水头和测压高度)我们仍然用 H=H1-H2 代表该程 L12 上的总水头损失，I 则为总能量损失率渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）流体的粘滞性引起的内摩擦阻力（分子间）固体颗粒表面与水流之间的摩擦阻力,水力梯度,水力梯度（I）从达西公式:V=KI 来看：当I 增大时，V

41、也愈大；即流速V 愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大;反过来，水力梯度I愈大时，驱动水流运动与速度也愈大注意：水头损失一定要与渗流途径相对应,渗透系数,渗透系数 K（coefficient of permeability）在有些教科书中也称为水力传导系数（hydraulic conductivity）定义：水力梯度为 I=1 时的渗透流速（V=KI）单位为md或cms由公式V=K I 分析当I一定时，岩层的 K 愈大，则 V 也愈大，Q 大因此，渗透系数 K 是表征岩石透水性的定量指标,VI关系图,Company Logo,渗透系数,渗透系数 K影响因素：以松散岩石等径孔隙为例来分析-水的比

42、重；-动力粘滞系数;d0-孔径从公式 即得出：K与岩石性质有关 K（d02，ne）与流体物理性质有关 K（/）表3-1列出常见岩石渗透系数的参考值,Company Logo,渗透系数,渗透系数 K 表3-1 松散岩石渗透系数参考值,Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础,第四章 地下水的理化特征及其形成作用,主讲教师：王 涛,4.1 地下水的物理特征,一、温度：1、地温梯度：一般在/100m之间，一般为3/100m。2、地下水温的简单规律：1）变温带的水温呈现微小的季节变化；2）常温带中的地下水温与当地年平均气温接近（1）；3）增温带中的水温随其赋存于循环深度的

43、增加而升高。,3、温度的控制因素：大气温度及埋藏深度；水温超过20称为温水，20-37称为低温水，42以上的称为高温水。如华清池为43，长白山的抚松温泉为61，海南的官塘温泉为79-90，而西藏的羊八井温度则高达150-160。4、温度计算：某一深度H处地下水温（T）的计算公式：T=t+（H-h）r其中T：地下水水温；H:地下水循环深度；t：年平均气温；r：地温梯度；h：年常温带深度。,4.1 地下水的物理特征,二、颜色：水本无色，太深时才显示出淡蓝色；含有其他离子、分子之后才会显示出不同的颜色，如氧化铁为暗红色，氧化亚铁为浅蓝绿色，有机质为莹黄色、灰黄色，硫化氢为翠绿色。三、味道：地下水味道

44、有苦有涩有甜，主要取决于化学成分和气体成分的种类和含量。如二氧化碳或碳酸钙时清凉可口，硫酸钙为涩味，氯化镁为苦味。四、透明度：主要决定于水中固体和胶体悬浮物的含量。,4.1 地下水的物理特征,五、气味：地下水中含有不同成分的气体及有机质时，地下水便具有不同的气味；如硫化氢为臭鸡蛋味，腐殖质多则有霉草味，氧化亚铁为铁腥味。六、比重：温度在4时比重为1。当水中的溶解的盐类成分的数量增多时，水的比重增大。七、导电性能：的大小决定于水中所含电解质种类、浓度大小及地下水的温度高低。一般用电导率表示，电导率为电阻率的倒数，单位是S/cm(西门子每厘米)。,4.1 地下水的物理特征,地下水中气体成分的研究意

45、义：气体成分指示地下水所处的地球化学环境 氧化环境oxidation 还原环境deoxidation 气体成分可以增加水对盐类的溶解能力 促进水岩的化学反应，相互作用,溶滤作用水岩相互作用时发生浓缩作用蒸发排泄时发生脱碳酸作用在温度与压力发生变化时发生脱硫酸作用在还原环境下发生：SO42-H2S阳离子交替吸附作用岩土表面吸附的阳离子与水中阳离子发生交换混合作用 2种不同类型地下水混合时发生人类活动的作用影响越来越大,理想模式图,Company Logo,浓缩作用水流迟缓矿化度高、Cl-Na,过渡区矿化度中、SO4-MgCa,溶滤作用水交替迅速矿化度低、HCO3-Ca,由于地下水化学成分形成作用

46、受区域自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。,矿化度或总溶解固体(TDS）（total dissolved solids，total dissolved salt),库尔洛夫式:,Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础,第五章 地下水系统及其循环特征,主讲教师：王 涛,5.1.1 系统与系统方法系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体相互作用，相互依赖不是各部分或零部件的简单堆积，而是有规则的组织。整体功能大于局部（要素）之和系统方法：用系统思想去分析与研究问题方法系统思想：就是把研究对象看作一个

47、有机整体，从整体角度去考察、分析与处理问题的方法系统目标：系统整体功能的最优化（不是局部的）,1、地下水系统的概念（1）地下水含水系统 Groundwater aquifer system（2）地下水流动系统 Groundwater flow system 地下水含水系统是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系 地下水流动系统是指从源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体2、地下水含水系统与地下水流动系统的比较(1)两者的共同点:突破了把单个含水层作为功能单元的传统，力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体,潜水承压含水层,流网图,(2)两者的不同点 含水系统

48、流动系统 根本不同 一个是静态系统 一个是动态系统 分类依据 根据储水构造划分 根据水的流动特征 以介质场为依据 以渗流场为依据系统发育史 共同的地质演变历史 共同的地下水演变历史 地层形成史一致 水的补给径流统一边界性质 相对隔水的地质边界 流面(分水线)水力边界 地质上的零通量面 水力零通量面系统的可变性 边界固定不变 边界可变,系统规模数目可变 静态的系统 是可干扰的动态系统统一性 统一的或潜在统一的 水量、盐量、热量时空演变统一 水力联系 水流 研究意义 有助于从整体上研究 有助于研究水量、水质 水量、盐量、热量的均衡 水温的时空演变,（3）两者的关系：通常，一个大的含水系统可以包含若

49、干个流动系统 两者都可以进一步划分为子系统 分层次的子系统是不同、大的系统是一致的 流动系统在人为因素影响下，规模、数量均会发生变化，但新的流动系统受到大的含水系统边界的制约，通常不会越出大的含水系统边界,两者的关系,一、地下水含水系统概念（p8485）地下水含水系统是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系 二、不同类型的含水系统-（图8-5）松散沉积物基岩裂隙岩层、岩溶地层,Company Logo,5.3.1 地下水流动系统（GFS）概念地下水流动系统是指从源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体。早在1940年，赫伯特（Hubbert）正确地画出了河间地块流

50、网。A图只考虑水平运动；B还考虑垂直运动。,河间地块流网图,（1）区域水力连续性 从较长的时间尺度与较大的空间尺度来考察问题，大范围内的地下水存在着水力联系时间因素（2）控制地下水流动的是“势”-地形，不是地质条件从水力学角度看，地下水体的天然单元是地形盆地，而不是地质盆地驱动水流的势来自区域地形高处，水从地形高处向地形低处运动,GFS的水动力特征 高势区（势源）地形高处：地下水由上至下运动 低势区（势汇）地形低处：地下水由低向上运动 垂向运动中：由上至下，势能除克服摩擦消耗部分能量外，势能压能转化；由下至上，部分储存的压能释放转化为势能垂向运动的存在：传统的“承压”现象在潜水中也可以出现。流