水文地質學基本知識

1、水文(shuwn)地質學基本知識共一百零五頁水循環(huán)共一百零五頁一、水循環(huán)基本(jbn)過程1 水循環(huán)概念(ginin)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、凝結降水、入滲及徑流等環(huán)節(jié)，不斷地發(fā)生相態(tài)轉變、能量交換的周而復始的運動過程。共一百零五頁Hydrologic Cycle共一百零五頁河川調蓄地下水儲蓄(chx)土壤水儲蓄(chx)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)水汽輸送云共一百零五頁水循環(huán)過程(guchng)分解水

2、汽蒸發(fā)水汽輸送凝結降水水分(shufn)入滲地表和地下徑流共一百零五頁2 水循環(huán)機理(j l)水循環(huán)服從質量守衡定律。(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一起運動， 最后在海洋(hiyng)中形成沉積。共一百零五頁3 水循環(huán)基本(jbn)類型大循環(huán)(xnhun)小循環(huán)共一百零五頁4 水體更替(gngt)周期全球各種水體更替周期共一百零五頁4 水體更替

3、(gngt)周期水體(shu t)更替周期特點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)強弱的 重要指標，也是反映水體水資源可 利用的基本參數(shù)。共一百零五頁5 水循環(huán)的環(huán)境效應(hun jn xio yn)（1）水循環(huán)參與了地球(dqi)圈層構造（3）水循環(huán)影響地貌形態(tài)及地殼運動（2）水循環(huán)影響全球氣候共一百零五頁水量(shu lin)平衡共一百零五頁一、水量平衡(pnghng)概念 是指任意(rny)選定的區(qū)域（或水體），在任意(rny)時間段內，其收入的水量與支出水量之差等于該時間段內區(qū)域（或水體）內蓄水量的變化量，即水在循環(huán)過程中，從總體上來說收支是平衡的。共一百

4、零五頁二、水量平衡(pnghng)方程 式中：I為水量(shu lin)收入項；Q為水量支出項； s為研究區(qū)域的儲水量；t為時間；s研究區(qū)域研究時段內儲水量的變化量。共一百零五頁世界各大洋(dyng)水量收支共一百零五頁 全球水量平衡情況 名 稱 水量平衡要素（mm） 備注(bizh) 降水 蒸發(fā) 徑流 陸地 720 470 250 海洋 1140 1240 100 河流流入水 全球 1020 1020 - 注：此表按加權平均計算共一百零五頁世界各種( zhn)水體動態(tài)變化共一百零五頁降水(jingshu)1 概念(ginin) 降水是液態(tài)或固態(tài)的水汽凝結物，從云中下降至地面的現(xiàn)象。雨、雪、霰

5、、雹等都是降水現(xiàn)象。共一百零五頁2 降水(jingshu)要素降水量: 一定時段內降落在某一面積(min j)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。降水強度：單位時間內的降水量。共一百零五頁共一百零五頁地下水的結構(jigu)與運動共一百零五頁1 地下水定義(dngy) 地下水是存在于地表以下(yxi)巖（土）層空隙中的各種不同形式水的總稱。共一百零五頁大氣(dq)河流(hli)、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)中的作用共一百零五頁3 地下水開發(fā)利用概況(gikung) 農業(yè)用水、工業(yè)用水和居民(jmn)生活用水的比

6、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。共一百零五頁含水(hn shu)介質含水層隔水層地下水存在(cnzi)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。地下水貯存空間共一百零五頁二、巖石(ynsh)空隙孔隙(kngx)裂隙溶隙孔隙率裂隙率溶隙率共一百零五頁1 孔隙(kngx) 疏松巖石和未完全膠結(jioji)的沉積巖，在其顆?；蝾w粒結合體之間所存在的空隙一般稱為孔隙。（1）定義共一百零五頁（2）孔隙(kngx)度（n） 孔隙的體積與包括(bo

7、ku)孔隙在內的整個巖石的體積之比。 式中：Va為孔隙體積；V為巖石體積。共一百零五頁（3）決定(judng)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 顆粒的形狀共一百零五頁2 裂隙(li x) 由于巖漿的冷凝作用、內力的褶皺斷裂作用和外力的風化剝蝕(bsh)作用而在巖石中產生的各式各樣的裂縫，稱為裂隙。（1）定義共一百零五頁（2）裂隙(li x)率（KT） 裂隙的體積與包括(boku)裂隙在內的整個巖石的體積之比。 式中：VT為裂隙體積；V為巖石體積。共一百零五頁3 溶隙 水流溶解(rngji)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

8、穴，稱為溶隙。（1）定義(dngy)共一百零五頁（2）巖溶(ynrng)率（KK） 可溶性巖石中溶隙的體積(tj)與包括溶隙在內的整個巖石的體積(tj)之比。 式中：VK為裂隙體積；V為巖石體積。共一百零五頁三、巖石(ynsh)的水理性質巖石的容水性巖石的給水性巖石的持水性巖石的透水性共一百零五頁1 巖石(ynsh)的容水性 在自然(zrn)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） 容水度與孔隙度共一百零五頁2 巖石(ynsh)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(rngrn)保持一

9、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）共一百零五頁3 巖石(ynsh)的給水性 飽水巖土在重力作用下能自由排出(pi ch)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）共一百零五頁容水度、持水度與給水(jshu)度關系共一百零五頁4 巖石(ynsh)的透水性 在一定條件下，巖土允許水通過(tnggu)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 孔隙多少共一百零五頁四、地下水流系統(tǒng)(xtng)定義 在一定(ydng)的水文地質

10、條件下，匯集于某一排泄區(qū)的全部地下水流，構成一個相對獨立的水文系統(tǒng)，稱為地下水流系統(tǒng)。共一百零五頁四、地下水流系統(tǒng)(xtng)特點 （1） 空間(kngjin)上的立體性 （2） 流線組合的復雜性和不穩(wěn)定性 （3） 流動方向上的下降與上升的并存 性共一百零五頁河間地塊各向同性( xin tn xn)介質中的近似水流型式共一百零五頁四、地下水流系統(tǒng)(xtng)地下水域（1） 定義 地下水流系統(tǒng)(xtng)的集水范圍（2） 與地表水流域的區(qū)別A 邊界 B 范圍共一百零五頁四、地下水流系統(tǒng)(xtng)蓄水構造（1） 定義 由透水巖層與隔水層相互(xingh)結合而構成的能夠富集和貯存地下水的地質構造

11、體（2） 構成蓄水構造的基本條件A 要有透水的巖層或巖體所構成的蓄水空間 B 有相對的隔水巖層或巖體構成的隔水邊界C 具有透水邊界，補給來源和排泄出路共一百零五頁地下水運動(yndng) 共一百零五頁線性滲透(shntu)定律達西定律 式中：Q為單位時間內透過的水量；F為滲透水流(shuli)過水斷面面積；L為滲透路線長度；H為滲透路徑長度上的水頭損失。 共一百零五頁 令比值 ，I為水頭(shutu)梯度（單位滲透長度上的水頭(shutu)損失量）。 則有：線性滲透(shntu)定律達西定律即：滲透速度與水頭梯度成正比。 共一百零五頁達西定律適用于層流時，地下水在其它類型透水巖石中的運動不僅適

12、用于垂直方向，也適用于其它方向的運動對于地下水而言，V并不是單個水質點的流速，而是流量相同，過水斷面全部被水充滿條件(tiojin)下的平均流速線性滲透(shntu)定律達西定律 共一百零五頁滲透系數(shù)（K）與介質性質有關(yugun)（粒度成分、顆粒排列狀況等） 共一百零五頁滲透系數(shù)（K）與流體物理性質(wl xngzh)有關，特別是流體的粘滯性 K = k0/ 共一百零五頁非線性滲透(shntu)定律 地下水呈紊流或流速較大時，滲透速率與水力坡度(pd)間已不是1次方關系，而變成非線性關系。 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

13、為流態(tài)指數(shù)，其范圍為1/21。 共一百零五頁線性滲透定律(dngl)在地下水計算中的應用潛水完整井穩(wěn)定運動時涌水量的計算基本假設：含水層為均質且各向同性R外側保持常水頭水井(shujng)位于圓柱狀含水層軸心處，抽水前地下水靜止緩變流，同一過水斷面上，水頭相等 共一百零五頁地下水動態(tài)(dngti)與平衡 共一百零五頁影響地下水動態(tài)(dngti)的因素1 自然因素 A 氣象氣候因素 B 水文因素 C 地質(dzh)地貌因素 D 生物與土壤因素2 人為因素 共一百零五頁地下水動態(tài)(dngti)1 地下水動態(tài)(dngti)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

14、的地域分異規(guī)律。 共一百零五頁地下水動態(tài)(dngti)的地帶性分異規(guī)律華南地區(qū) 降水量大，年內分配比較均勻，因此地下水水位(shuwi)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)。 共一百零五頁地下水動態(tài)(dngti)的地帶性分異規(guī)律華北地區(qū) 降水稀少，且比較集中（在79月），冬春降雨(jin y)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89月份。 共一百零五頁地下水動態(tài)(dngti)的地帶性分異規(guī)律東北地區(qū) 降水多于(du y)華北，但冬季較長，冰雪期長達56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。 共一百零

15、五頁2 地下水動態(tài)的垂直(chuzh)分異規(guī)律 主要在我國西北內陸地區(qū)有明顯的表現(xiàn)(bioxin)。主要受地表高差和氣候的影響 共一百零五頁地下水動態(tài)的多年(du nin)變化特性具有一定的準周期性與降水量變化有關(yugun)，但具有滯后的特點 共一百零五頁地下水動態(tài)(dngti)類型滲入蒸發(fā)型：干旱、半干旱平原與山澗(shnjin)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) 共一百零五頁地下水平衡(pnghng)基本概念 平衡區(qū)：進行平衡計算研究的一個完整地下水流系統(tǒng)(xtng)。 平衡期：進行平衡計算的起止時間。 正平衡 負平衡 共一百零五頁

16、地下水類型(lixng) 共一百零五頁地下水類型包氣帶水飽水帶水孔隙(kngx)水裂隙水巖溶(ynrng)水潛 水承壓水結合水毛管水重力水貯存埋藏條件貯水孔隙的差異 共一百零五頁地下水垂向結構(jigu)基本模式示意圖共一百零五頁共一百零五頁包氣帶水特點(tdin)含水率及其剖面分布易受外界條件(tiojin)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構和巖土顆粒的機械組成有關 共一百零五頁包氣帶類型(lixng)厚型包氣帶厚，帶內毛管上升(shngshng)高度不能到達地表有土壤水帶，中間過渡帶和毛管上升帶三個亞帶 共一百零五頁厚型包氣帶水分(shufn)垂直分

17、帶示意圖 共一百零五頁包氣帶類型(lixng)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(zhngjin)過渡帶地下水潛水蒸發(fā)迅速，潛水季節(jié)變化強烈 共一百零五頁包氣帶類型(lixng)過渡型有明顯的季節(jié)變化雨季，只存在(cnzi)毛細上升帶；旱季，有3個亞帶存在(cnzi) 共一百零五頁包氣帶的水分(shufn)交換與動態(tài)補給來源(liyun) 降水與地表水補給 飽水帶補給影響因素 土壤水分勢梯度 土壤水力傳導特性 共一百零五頁包氣帶的水分(shufn)交換與動態(tài)水的消退(xiotu)途徑 上界面：土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)（主要途徑） 下界面：內排水消退量的計算（三段模式） 式中：i

18、為實際土壤含水量； f為田間持水量； a為最大分子持水量；E為實際蒸發(fā)量；Ep為蒸發(fā)能力；K為系數(shù)；c為常數(shù) 共一百零五頁潛水(qinshu)基本概念潛水潛水位潛水埋深含水層厚度(hud)潛水流水力坡度 共一百零五頁潛水(qinshu)特點潛水面不承受靜水壓力潛水(qinshu)含水層有明顯的季節(jié)變化 共一百零五頁潛水面形狀(xngzhun) 共一百零五頁潛水面表示(biosh)方法 水文地質剖面圖 共一百零五頁潛水面 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系 布設(b sh)取水井和排水溝 共一百零五頁潛水面 共一百零五頁潛水與地表水的互補(

19、h b)關系周期性水力聯(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(cng r)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 共一百零五頁承壓水基本概念初見(ch jin)水位（H1）承壓水頭（h）承壓水位（H2）自流水共一百零五頁承壓水特點(tdin)承壓性分布區(qū)與補給區(qū)不一至動態(tài)變化相對穩(wěn)定水質(shu zh)類型多樣，變化大

20、 共一百零五頁承壓水形成(xngchng) 取決于地質構造條件(tiojin)，只有適合的地質構造，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構造是向斜構造和單斜構造。 共一百零五頁孔 隙 水特點(tdin)含水層內水力聯(lián)系密切地下水具有統(tǒng)一水面其透水性、給水性的變化運動呈層流(cn li)狀態(tài) 共一百零五頁孔 隙 水分類(fn li)山前傾斜平原孔隙水河谷(hg)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 共一百零五頁裂隙水埋藏與分布極不均勻動力性質(xngzh)比較復雜基巖裂隙的發(fā)育具有明顯的分帶性 共一百零五頁巖溶(ynrng)水分

21、布(fnb)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化 共一百零五頁地下水的補給(b j)來源降水入滲補給地表水補給地下水的人工(rngng)補給凝結水補給其它含水層共一百零五頁降水(jingshu)入滲補給補給(b j)過程薄膜下滲毛管下滲重力下滲分子力毛管力重 力共一百零五頁降水入滲補給(b j)補給(b j)量計算對于一場降雨，補給量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(nngl)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， Wm

22、ax為田間持水量， W0為土層雨前平均含水量。共一百零五頁降水入滲補給(b j)補給(b j)量計算 根據(jù)入滲系數(shù)計算（） Q FP式中： 為降水入滲系數(shù)；F為接受降水入滲的地表面積(min j)（m2）；P為多年平均的年降水量（m/a）共一百零五頁地表水補給(b j)主要取決于河水位和地下水位相對高低關系。在上游(shngyu)沒有補給作用，在中下游則存在較大的補給作用呈線狀補給，補給面較窄共一百零五頁人工(rngng)補給人類修建水庫、引水灌溉農田、城市工礦排放(pi fn)工業(yè)廢水及生活污水，因滲漏而補給。為有效保護和改善地下水資源，改善水質、控制地下水漏斗及地面沉降而采用的有計劃的人工

23、回灌。共一百零五頁地下水排泄(pixi)點狀排泄（泉）線狀排泄（向河流(hli)泄流）面狀排泄（蒸發(fā)） 共一百零五頁泉排泄(pixi)上升(shngshng)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。共一百零五頁蒸發(fā)(zhngf)排泄?jié)撍舭l(fā)： 潛水在土水勢作用下運移至包氣帶并蒸發(fā)為水汽的現(xiàn)象。計算方法（經(jīng)驗(jngyn)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)驗指數(shù)。極限深度：當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。共一百零五頁泄流排泄(pixi)地下水通過地下途徑(tjng)直接排入河道或其他地表水體。共一百零五頁地下水徑流(jngli)特點 地下水徑流流向呈現(xiàn)復雜多變的特點，受沿程地形、含水層條件影響。但總的流動方向是自勢能高處向勢能低處流動，流向總是(zn sh)垂直于等水位線的方向。徑流強度則與含水層的透水性、補給區(qū)與排泄區(qū)間的水力坡度成正比，對承壓水來說，還和蓄水構造的開啟和封閉程度有關。共一百零五頁地下水徑流地下水循環(huán)(xnhun)途徑垂向交替：以內陸盆地(pnd)最典型，以