水文地質(zhì)復(fù)習(xí)2

1、1、 緒論1、水文地質(zhì)學(xué)的簡單定義水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水圈的科學(xué)。地下水：地殼淺部含水層中可供生產(chǎn)、生活使用的井、泉水；包氣帶水；特點是不能依靠重力流動?；鹕絿姲l(fā)伴隨的水汽；礦物水；是賦存于礦物結(jié)晶格架內(nèi)部和格架之間的水。2、 地球上水的分布與循環(huán) 1）、表部層圈水。統(tǒng)指地殼上半部（地表以下15km17km深度范圍內(nèi)）到大氣圈中的水?；瘜W(xué)狀態(tài)以H2O的分子形式存在；物理狀態(tài)有汽、液、固三態(tài)，以液態(tài)為主。2）、深部層圈水。地球深部指地殼下部到下地幔與地核之間的部分。但高溫高壓的環(huán)境使水的物理化學(xué)狀態(tài)發(fā)生了變化。自然界中的水循環(huán) 1）、水文循環(huán)。所謂水文循環(huán)是指地球表部層圈中的水，即大氣水、地表水

2、及地殼淺部地下水相互間的交替轉(zhuǎn)換過程。 2、地質(zhì)循環(huán)。地球深部層圈水與表部層圈水之間的相互轉(zhuǎn)化過程稱為地質(zhì)循環(huán)。 三、地質(zhì)基礎(chǔ)巖石的分類：1、巖漿巖（火山巖）；2、沉積巖；松散巖石3、變質(zhì)巖地質(zhì)構(gòu)造：1、巖層接觸關(guān)系2、褶曲3、斷裂構(gòu)造四、巖石的水理性質(zhì)(一)巖石中的空隙1、孔隙由于松散巖石是由大小不等的顆粒組成，在顆粒或顆粒的集合體之間充滿空隙，這些孔隙相互連通，呈小孔狀，稱為孔隙。松散巖石中孔隙的多少用孔隙度表示，或2、裂隙固結(jié)的堅硬巖石一般不存在或只保留有部分顆粒之間的空隙（或孔隙）。堅硬巖石主要發(fā)育各種成因的裂隙。分為成巖裂隙，構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙。堅硬巖石的裂隙發(fā)育程度通常用裂隙率表示

3、。 或者 3、溶隙（溶穴）可溶性巖石，如石灰?guī)r，白云巖等，在地下水溶蝕作用下產(chǎn)生的空隙（洞），稱為溶穴。用巖溶率表示?；蛘撸?） 、巖石中水的存在形式按物理狀態(tài)分：氣態(tài)水，液態(tài)水，固態(tài)水。傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)重點研究液態(tài)水。根據(jù)其受力情況，又可以分為結(jié)合水(強結(jié)合水（吸著水），弱結(jié)合水（薄膜水）)。 ，毛細水和重力水。礦物內(nèi)部存在的水稱為礦物結(jié)合水。（3） 、巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)反映巖石儲容或透過地下水的性能。與巖石的空隙性有密切關(guān)系。容水性巖石能容納一定水量的性能。度量指標為容水度。容水度指巖石中所能容納水的體積與巖石總體積之比?？捎眯?shù)或百分數(shù)表示。由定義可見，容水度與一般巖石的空隙度相

4、當。但膨脹性粘土飽水后體積會增大，容水度大于孔隙度。持水性巖石的持水性是指在重力作用下巖石仍能保持一定水量的性能。持水度：巖石在重力作用下釋水后保持的水體積與巖石體積之比。在重力作用下巖石所能保持的水分主要是結(jié)合水，以及部分孔角毛細水。所以，粘性土持水度大甚至可與容水度相等，而裂隙巖石等持水度很小 給水性地下水位下降時，飽水巖石中的水在重力作用下能否自由釋出或釋出數(shù)量的多少，即為巖石的給水性。用給水度度量。給水度（）：當?shù)叵滤幌陆狄粋€單位時，在重力作用下，單位水平面積上巖石柱體所釋出的水體積。以小數(shù)或百分數(shù)表示，無量綱 粘性土給水度幾乎為零，而粗粒松散巖石和裂隙巖石給水度甚至可以接近容水度。

5、4） 、含水系統(tǒng)1、包氣帶和飽水帶地表以下第一個連續(xù)的自由水面以上部分稱為包氣帶，水面以下部分稱為飽水帶。2、含水層地下水面之下，經(jīng)常為地下水所飽和的透水層稱之含水層 3、隔水層一般情況下不允許重力水透過或僅能透過極少量重力水的巖層屬于隔水層。含水層中的越流如果某一含水層的上覆或下伏地層為弱透水層。含水層就具有半承壓性質(zhì)。當這個含水層與相鄰含水層之間存在水位差時，地下水便會從高水頭含水層通過弱透水層流向低水頭含水層。這種現(xiàn)象稱為越流。4、 地下水的類型 （一）、地下水的分類目前較為通用的地下水分類方法，一是根據(jù)地下水的單一特征分類，如，根據(jù)地下水起源不同，可把地下水分成滲入水，凝結(jié)水，初生水，

6、埋藏水等；根據(jù)地下水的礦化程度分為淡水、微咸水、咸水、鹽水和鹵水等；按地下水的埋藏條件，可將地下水分成包氣帶水、潛水和承壓水等；按含水介質(zhì)類型可把地下水分成孔隙水、裂隙水和巖溶水等。一是根據(jù)地下水的綜合特征分類。有一種綜合分類法綜合考慮了地下水埋藏條件和含水介質(zhì)特征，把地下水分成九種類型。二）、各類型地下水的特征1、包氣帶水包氣帶水是最接近地表的地下水，受氣候因素影響最大。分布區(qū)與補給區(qū)一致。其中土壤水受毛管力和重力作用為主，因此主要作垂直運動（上層滯水可有水平運動，但不構(gòu)成包氣帶水運動的主流）。補給以降水和灌水入滲為主，以及潛水和凝結(jié)水補給；消耗以下滲和蒸發(fā)蒸騰為主。2、潛水潛水是地表以下，

7、第一個穩(wěn)定的隔水層（或弱透水層）以上，具有自由水面的重力水。這個自由水面稱為潛水面。潛水面距地面的距離稱為潛水面的埋藏深度。由潛水面往下至隔水層頂板之間儲存有重力水，稱之為潛水含水層。潛水面距隔水層頂板的距離就是含水層的厚度（區(qū)域上來看，這個厚度通常是變化的）。潛水面的絕對高程就稱為潛水位。認識潛水等水位線圖也稱潛水面等高線圖。利用潛水等水位線圖可解決下述問題：確定潛水流向；確定潛水面的水力坡度；確定潛水與地表水之間的互補關(guān)系；確定潛水面埋藏深度；推斷含水層巖性和厚度的變化；根據(jù)潛水等水位線圖可以合理布置取水或集水設(shè)施；通過時間同步的長系列潛水等水位線圖，可以分析潛水的區(qū)域分布特點，為水資源的

8、合理開發(fā)提供依據(jù)。3、承壓水承壓水是充滿地表以下任意兩個隔水層或弱透水層之間具有承壓性質(zhì)的重力水。在沒有揭露承壓含水層時，承壓水的絕對水位是理論值。當通過鉆井等手段揭穿了頂板之后，立即觀測到的水位稱為初見水位，其后，在無外部干擾情況下水位會因靜水壓力的改變而變動，直至一個穩(wěn)定狀態(tài)，稱為靜止水位（通常高于初見水位，可依此判別是否承壓水）。此時的水面標高是真正的承壓地下水的水位或測壓水位?；蚍Q承壓水頭（承壓水頭理論上是指承壓水的靜止水位至含水層頂板的距離，也稱之為承壓水頭高度）。地面標高與承壓水位之差為承壓水位埋深。承壓水頭高出地面稱為正水頭，低于地面稱為負水頭。承壓水等水壓線圖承壓水等水壓線圖是

9、承壓含水層測壓水位的等高線圖。注意等測壓水位面是虛構(gòu)的面。一般情況下，鉆孔打到圖上標示的水位并不能取到水，必須打到承壓含水層本身才能有水。這是與潛水等水位圖不一樣的地方。因此，需要結(jié)合承壓含水層頂板等值線圖確定含水層的埋深。利用等水壓線圖可以解決下列問題：確定承壓水的流向；確定承壓水面的坡度；確定承壓水與其他含水層或地表水之間的關(guān)系；初步判斷含水層厚度和透水性等。承壓含水層彈性儲水與釋水的度量指標是儲水系數(shù)（或彈性給水度），物理含義是，當測壓水位改變一個單位時，單位面積含水層柱體所增加或釋放出的水量，無量綱。5、 地下水運動的基本定律滲流的幾個概念層流當液體流速較小時，液體質(zhì)點做有序，互不混雜

10、的流動稱為層流。紊流當液體流速較大時，液體質(zhì)點無序，互相混雜的流動稱為紊流。穩(wěn)定流：流場中任意點的所有運動要素（流速、流量、壓強等）僅是空間坐標的函數(shù)稱為穩(wěn)定流；非穩(wěn)定流：流場中任意點的所有運動要素（流速、流量、壓強等）同時是空間坐標和時間變量的函數(shù)稱為非穩(wěn)定流。（2） 地下水運動的基本規(guī)律等效滲流概念及空間平均模式的物理模型所謂等效是指在保持巖層中滲透流量、滲透壓強以及滲流阻力等效的原則下，假設(shè)實際滲流充滿整個巖體空間（即忽略巖體骨架）。此時認為滲流是連續(xù)水流，滲流場中各運動要素同時是時間和空間的連續(xù)函數(shù)。u滲透流速【LT-1】；Q單位時間內(nèi)透過過水斷面的滲透流量【L3T-1】；A過水斷面（

11、垂直于滲流的巖層斷面）面積【L2】。v滲流的實際流速（或?qū)嶋H平均流速）【LT-1】；Q單位時間內(nèi)透過過水斷面的滲透流量【L3T-1】；A實際過水斷面（垂直于滲流的巖層斷面）面積【L2】。滲透流速與實際流速關(guān)系有效孔隙度（二）地下水運動的基本規(guī)律線性滲透定律達西定律或者K 巖石的滲透系數(shù)（或稱水力傳導(dǎo)系數(shù)）【LT-1】；hw 水頭損失，滲流通過的兩過水斷面之間的水位差【L】, J稱為水力坡度或水力梯度；l兩過水斷面距離（滲透長度）【L】。式中其他符號意義同前述。（2） 地下水運動的基本規(guī)律水力梯度（或稱水力坡降）反映了滲流流經(jīng)兩個過水斷面之間水頭損失的比例，或者說水力梯度是沿水流方向上單位滲透路

12、徑上的水頭損失。達西定律是線性關(guān)系式，反映了滲流有序互不混雜運動的特性。達西定律可以很好的描述層流運動。因此達西定律是線性滲透定律。（2） 地下水運動的基本規(guī)律非線性滲透定律哲才（A.Chezy）公式：（2） 地下水運動的基本規(guī)律滲透性的量化評價滲透系數(shù)滲透系數(shù)K的物理意義: 滲透系數(shù)反映了滲流的速度，因此與速度具有相同的量綱。說明當水力梯度一定時，滲透系數(shù)愈大，透過巖層的水量就愈大，巖石的滲透性就愈好；滲透系數(shù)與水力坡降成反比，滲透系數(shù)愈大，水力坡降就愈小，巖石透水性好，水頭損失就小。因此滲透系數(shù)能定量反應(yīng)巖石的滲透性。（2） 地下水運動的基本規(guī)律水頭、水頭損失的概念 由于一般情況下水力梯度

13、很小，在實際應(yīng)用時，往往取兩斷面間的平均水力梯度，即：地下水滲流的連續(xù)性方程 ：（2） 地下水運動的基本規(guī)律2）承壓水運動方程假設(shè)承壓含水層具有可壓縮性，且符合彈性理論，并設(shè)滲透介質(zhì)及滲流本身的壓縮與膨脹主要發(fā)生在垂直方向上，其余方向認為是不變的。則水的密度和介質(zhì)的孔隙度都是壓力的函數(shù)。 承壓含水層存在越流時設(shè)上、下弱透水層厚度分別為M1、M2；滲透系數(shù)分別為K1、K2。由于K1、K2<<K，可近似認為水垂直通過弱透水含水層進入主含水層以后折向水平流動。此時，越流含水系統(tǒng)地下水運動方程可表示成 稱為越流因素，量綱【L】 越流方程可寫成：稱為越流系數(shù)3） 潛水運動方程但潛水體積隨自由

14、水面變化，因為有外部水量通過自由水面進入潛水含水層。所以，對三維潛水流必須加上潛水面的邊界條件。 潛水二維流偏微分方程的推導(dǎo)裘布依（Dupuit）假設(shè)潛水面比較平緩；垂直流速可以忽略不計，或者說水頭不隨深度變化；任意過水斷面上的水平流速相等；含水層底板是水平的。即令潛水二維流偏微分方程：若底板是傾斜的，設(shè)底板方程為：b=b(x,y),潛水偏微分方程可表示為 ：4） 匯源項有匯源項時，承壓水流動方程可表示成：W稱為匯源項。對地下滲流場而言， W為正時表示是匯，W為負時表示是源。習(xí)慣上以抽水為匯，注水為源。有時為了書寫簡潔，往往把抽（排）、注水與越流、入滲等捆綁在一起，統(tǒng)稱匯源項。地下滲流的定解問

15、題及求解方法泛定方程與定解條件同時構(gòu)成滲流場的定解問題。1）初始條件所謂初始條件就是在解非穩(wěn)定流時給定計算起始時刻滲流場內(nèi)各點的水頭值。一般表述為： : 式中，W滲流域；滲流域內(nèi)已知函數(shù)。 2）邊界條件a)第一類邊界條件或稱已知水頭條件。即邊界上每一時刻的水頭都是已知的。一般表述為： ; b)第二類邊界條件,也稱已知流量邊界。此時水頭對于邊界的法向偏導(dǎo)數(shù)已知或邊界上單位面積或長度的法向流量已知。一般表述為： ; 為隔水邊界 C)第三類邊界條件,又稱混合邊界條件。一般表述為：式中， 、為邊界上的已知函數(shù)。 3）求解方法直接積分法，數(shù)值法，勢函數(shù)法，復(fù)勢法等地下水運動二、井流計算 一、基本概念一）

16、地下水開采井分類根據(jù)水井貫穿含水層的狀況：完整井；不完整井 。根據(jù)水井揭露的含水層性質(zhì)：承壓含水層完整井，承壓含水層不完整井；潛水含水層完整井，潛水含水層不完整井。降落漏斗滲流場中有匯點時，由影響邊界至匯點（抽水井中心），水頭下降形成的以抽水井為中心的漏斗狀的凹形曲面。稱之為降落漏斗。水位降深s(x,y,t)降落漏斗內(nèi)任意點的靜水位與動水位之差稱為水位降深；s(x,y,t)=H0(x,y,0)-H(x,y,t) 有抽水井的地下滲流場真正達到穩(wěn)定狀態(tài)需要滿足下述水文地質(zhì)條件：含水層有側(cè)向補給，且側(cè)向補給量等于抽水量；降落漏斗區(qū)有垂向補給，如潛水接受降水入滲補給，且補給量等于抽水量；地下水系統(tǒng)底界

17、有越流補給抽水含水層，且補給量等于抽水量。 二、穩(wěn)定井流一）承壓完整井設(shè)在均質(zhì)，各項同性，厚度處處為M的承壓水含水層中，滲透系數(shù)為K，初始時刻，含水層中水位處處為H0。承壓水穩(wěn)定流方程為： 一）承壓完整井設(shè)在均質(zhì)，各項同性，厚度處處為M的承壓水含水層中，滲透系數(shù)為K，初始時刻，含水層中水位處處為H0。設(shè)有半徑為rw的完整井抽水，成為滲流場中的匯點。滲流場中的地下水呈徑向流流向抽水井，影響半徑為R。在柱坐標(r,q,z)下承壓水徑向穩(wěn)定流方程可表述為： 抽水達到穩(wěn)定時，在徑向坐標r處取與抽水井管同軸的圓柱面為過水斷面，則當抽水井抽水量為Q時，過水斷面的流量也等于Q。此時，水頭是對稱的，與q無關(guān)。

18、即： 柱坐標方程變?yōu)椋?承壓水完整井流的定解問題 ：Hw抽水井水位 因為： 由達西定律可知斷面上的流量：因此有 如果在降落漏斗范圍的滲流場中，距抽水井分別為r1，r2處有兩眼觀測井，觀測到水位分別為H1，H2，則定解問題可改寫成： 二）完整的潛水井設(shè)在均質(zhì)，各向同性，潛水面水平，因而含水層厚度基本不變的潛水含水層中，滲透系數(shù)為K，初始時刻，含水層中水位處處為h0。即滿足裘布依（Dupuit）假設(shè): 潛水面比較平緩；垂直流速可以忽略不計，或者說水頭不隨深度變化；任意過水斷面上的水平流速相等；含水層底板是水平的 設(shè)有半徑為rw的完整井抽水，成為滲流場中的匯點。滲流場中的地下水呈徑向流流向抽水井，影

19、響半徑為R。柱坐標下潛水穩(wěn)定流方程可表述為： 抽水達到穩(wěn)定時，在徑向坐標r處取與抽水井管同軸的圓柱面為過水斷面，則當抽水井抽水量為Q時，過水斷面的流量也等于Q。此時，水頭是對稱的，與無關(guān)。而且由于含水介質(zhì)是均質(zhì)各向同性，即Kr=q=K。柱坐標方程變?yōu)椋?把h2看做一個變量，通過線性化變化，使方程變?yōu)椋篽潛水含水層厚度 定解問題 如果在降落漏斗范圍的滲流場中，距抽水井分別為r1，r2處有兩眼觀測井，觀測到水位分別為H1，H2，則定解問題可改寫成： 三、非穩(wěn)定井流一）承壓含水層完整井非穩(wěn)定流的泰斯（Theis）解 設(shè)均質(zhì)、各向同性、等厚、水平延伸的無限含水層中，初始時刻滲流場中任意點， 當抽水水頭下降時引起的水量釋放是瞬時完成的。設(shè)有井徑無限?。ㄔO(shè)為rw）的完整井進行定流量抽水，成為滲流場中的匯點。滲流場中的地下水呈徑向流流向抽水井，并服從達西定律。在柱坐標下承壓水非穩(wěn)定流井流的定解問題：s=H0-H水位降深 解析解 稱為泰斯（Theis）公式 稱為雅柯布（Jacob）公式二）潛水含水層完整井非穩(wěn)定井流的布爾頓（Boulton）解布爾頓假設(shè)：含水層為均質(zhì)各向同性，底板水平的無限含水層；初始自由水面水平；完整抽水井在無限含水層中是一個匯點（井徑無限小）；定流量抽水，降深s(rw,t)<<H