水文地質(zhì)學(xué)課件

地下水系統(tǒng)提出：20世紀40年代貝塔朗菲提出一般系統(tǒng)論應(yīng)用：20世紀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：

把所研究的對象看作一個有機的整體

(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地分析為各個互不關(guān)聯(lián)的獨立部分，分別加以研究，把各部分研究結(jié)果之和，作為對所研究事物整體的認識。實質(zhì)是將研究對象當(dāng)作諸要素簡單累加而成的集合，而沒有將其看成一個有機整體。

一個系統(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）激勵與回應(yīng)的概念：環(huán)境對系統(tǒng)的作用稱為激勵，系統(tǒng)在接受激勵後對環(huán)境的反作用稱為回應(yīng)。

環(huán)境的輸入(激勵)經(jīng)過系統(tǒng)的變換而產(chǎn)生對環(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)激勵回應(yīng)結(jié)論：①分析系統(tǒng)輸入與輸出(激勵與回應(yīng))的對應(yīng)關(guān)係有助於瞭解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。②對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的瞭解有助於預(yù)測激勵—

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，只注意井附近小範圍內(nèi)含水層的狀況。

發(fā)展開採規(guī)模增長，須將整個含水層作為研究對象。研究地下水時，必須將若干個含水層與其間的弱透水層合在一起看作一個完整的單元（系統(tǒng)），便出現(xiàn)了“含水層系統(tǒng)”、“含水系統(tǒng)”等，同時，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動著的水；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。因為地層、分佈、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)：

指地下水的運動形式、水量與水質(zhì)的時空分佈格局及不同子系統(tǒng)間水量水質(zhì)的交換關(guān)係。因地下水的補給、徑流、排泄特徵以及各種水量交換關(guān)係會發(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)地下水流動系統(tǒng)：

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

補給區(qū)——

源；排泄區(qū)——

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

含水系統(tǒng)地下水系統(tǒng)

流動系統(tǒng)兩者從不同角度出發(fā),揭示了地下水賦存與運動的系統(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)作為一個整體對外界的激勵作出回應(yīng)。

含水系統(tǒng)是一個獨立而統(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(或準零通量面)，系統(tǒng)的邊界是不變的?；鶐r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。基巖含水系統(tǒng)是相對獨立的含水地質(zhì)體。基巖含水系統(tǒng)的邊界：應(yīng)包括東、西、南、北、上、下六個介面。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)進行物能交換的介面。

底部邊界——基底地下水流動系統(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)一的時空有序結(jié)構(gòu)。

流動系統(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子系統(tǒng)、中間流動子系統(tǒng)、區(qū)域流動子系統(tǒng)。區(qū)域流動系統(tǒng)中嵌套著中間流動系統(tǒng)，中間流動系統(tǒng)又嵌套局部流動系統(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。級次性

含水系統(tǒng)與流動系統(tǒng)都具有級次性,任一含水系統(tǒng)或流動系統(tǒng)都可能包含不同級次的子系統(tǒng)。圖3：一沉積盆地,構(gòu)成一個含水系統(tǒng)。該圖顯示：含水系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ；沉積盆地發(fā)育有兩個流動系統(tǒng)A、B；圖中看出：同一空間，含水系統(tǒng)與流動系統(tǒng)的邊界是相互交疊的；兩個流動系統(tǒng)均穿越了兩個子含水系統(tǒng)；在流動系統(tǒng)B中，區(qū)域流動系統(tǒng)的流線穿越兩個子含水系統(tǒng)，局部與中間流動系統(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同一個沉積盆地，但流動系統(tǒng)在人為影響下會發(fā)生很大變化。人工開採影響下,整個含水系統(tǒng)中形成了一個新的流線指向盆地中心的輻輳式地下水流動系統(tǒng),原來的流動系統(tǒng)全都消失了。顯然,由於強烈的勢場變化,流線普遍穿越了相對隔水層。但無論人為影響加強到什麼程度,不會超越大的含水系統(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,僅有相對隔水層,並包含若干由相對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.一個獨立的含水層就構(gòu)成一個含水系統(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(圖d)，則數(shù)個含水層構(gòu)成一個含水系統(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，同一個含水層由於構(gòu)造原因也可構(gòu)成一個以上的含水系統(tǒng)(圖b、c)。含水系統(tǒng)是由隔水或相對隔水巖層圈閉的，並不是說它的全部邊界都是隔水或相對隔水的。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，以接受補給與進行排泄。

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動規(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地下水流動系統(tǒng)一、地下水流動系統(tǒng)的由來長期以來,水文地質(zhì)學(xué)忽視地下水的垂向運動,把地下水流動看作平面二維的運動。如河間地塊流網(wǎng)。第一個明確指出地下水存在垂直運動的是赫伯特。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的。

地下水流動看作平面二維的運動地下水存在垂直運動傳統(tǒng)的畫法（平面二維）：回避了地下分水嶺兩側(cè)流線向?qū)α⒎较蛩疁柿鲃拥拿芏槐硎玖撕娱g地塊的一側(cè)；同時，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。實際上地下水總是由源到匯運動的，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，托特以獨特的形式發(fā)展了赫伯特的理論：

在嚴格的假定條件下，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)了三個不同級次的流動系統(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)中的地下水流動系。目前已出現(xiàn)了許多數(shù)值模擬地下水流動的程式,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。1980年,托特又提出了“重力穿層流動”的概念,將流動系統(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系統(tǒng)的物理機制，建立了一套解決水質(zhì)問題的地下水流動系統(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、地下水流動系統(tǒng)地下水流動系統(tǒng)理論的實質(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系統(tǒng)概念框架之中。地下水流動系統(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，納入一個易於被人們所理解的地下水空間與時間連續(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部分間及與環(huán)境間聯(lián)繫的完整圖景。1.地下水流動系統(tǒng)的水動力特徵驅(qū)動地下水運動的主要能量——重力勢能；重力勢能來源於地下水的補給，即大氣降水、地表水轉(zhuǎn)化成地下水時，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，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)——勢匯；

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,任一點的水頭均大於靜水壓力。在中間地帶，流線呈水準延伸，垂直斷面各點水頭均相等，等於靜水壓力。傳統(tǒng)觀點認為：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)。潛水盆地中多級次地下水流動系統(tǒng)：

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

(a)勢能梯度(I),等於源匯的勢差除以源匯的水準距離。勢能梯度愈大的流動系統(tǒng)佔據(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)育於其中的流動系統(tǒng)所佔據(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地下水流動系統(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系統(tǒng)佔據(jù)較大範圍。c-表示兩個勢能梯度相等的流動系統(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)中的流動系統(tǒng)佔據(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)域流動系統(tǒng)。區(qū)域流動系統(tǒng)與局部流動系統(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——只發(fā)育局部流動系統(tǒng)。f-當(dāng)局部地形起伏較小時——既發(fā)育局部流動系統(tǒng)，也發(fā)育區(qū)域流動系統(tǒng)。g-當(dāng)?shù)匦螚l件不變，介質(zhì)場的透水性良好時——只發(fā)育區(qū)域系統(tǒng)

在各級流動系統(tǒng)中，補給區(qū)的水量通過中間區(qū)輸向排泄區(qū)。因此，以中間區(qū)為標準，補給區(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.地下水流動系統(tǒng)的水化學(xué)特徵地下水流動系統(tǒng)中，呈現(xiàn)地下水化學(xué)成分時空演變的有序性。水量與地下水流動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系統(tǒng)。地下水流動系統(tǒng)中任一點的水質(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系統(tǒng)或不同級次流動系統(tǒng)；水動力特徵、水化學(xué)特徵也不相同。同一含水層的兩個泉：

a泉水由局部流動系統(tǒng)補給,礦化度很低；

b泉由區(qū)域流動系統(tǒng)補給,礦化度相當(dāng)高。在同一介質(zhì)場中，不同流動系統(tǒng)以及同一流動系統(tǒng)不同級次系統(tǒng)的界線兩側(cè)，地下水水質(zhì)有可能發(fā)生突變。因為界線兩側(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。不同流動系統(tǒng)水流相向處——水動力圈閉帶與相背分流處——準滯流帶，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流程；局部流動系統(tǒng)、中間流動系統(tǒng)、區(qū)域流動系統(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，呈水準分佈。補給區(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與水的儲容及運移有關(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?；蝾w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。孔隙度是反映孔隙多少的一個參數(shù)。

其中：——巖石的孔隙體積，V——包括孔隙在內(nèi)的整個巖石總體積。

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，孔隙度完全相同。

②顆粒的分選—在顆粒大小不等時，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。

鬆散巖石儲容水分的能力，與孔隙度關(guān)係很大，而地下水的運動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，d=0.424D，作四面體排列時，d=0.155D。

③考慮粘性土的結(jié)構(gòu)孔隙及次生孔隙。

孔隙通道最細小的部分稱作孔喉，最寬大的部分稱作孔腹，孔喉對水流的影響更大。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）2~0.05大米~小米~粗玉米麵粉砂（土）0.05~0.005細玉米麵黏土<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)造運動中受力破壞所產(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)或百分數(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)或百分數(shù)）溶穴的規(guī)模十分懸殊，大的溶洞可寬達數(shù)十米，高數(shù)十乃至百餘米，長達幾至幾十公里，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結(jié)合水的特點

密度大於1，平均2g/cm3左右不受重力影響不能流動。只有在溫度105~110℃時才以氣態(tài)的形式脫離顆粒表面而移動溶解鹽類能力弱-80℃時仍不結(jié)冰有較大的粘滯性、彈性和抗剪強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

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，但速度十分緩慢。溶解鹽類能力較弱冰點為-15℃有一定的粘滯性和抗剪強度在一定條件下（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)合水的抗剪強度由內(nèi)層向外層減弱。當(dāng)施加的外力超過其抗剪強度時，外層結(jié)合水發(fā)生流動，施加的外力越大，發(fā)生流動的水層厚度也越大。

2.2巖石中水的存在形式重力水的特點

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

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

毛細現(xiàn)象及實質(zhì)

將一根玻璃毛細管插入水中，毛細管內(nèi)的水面即會上升到一定高度，這便是發(fā)生在固、液、氣三相介面上的毛細現(xiàn)象。其實質(zhì)是毛細張力的作用。形成彎液面產(chǎn)生的附加壓強Pc，是個負壓強，稱毛細負壓。

2.2巖石中水的存在形式

關(guān)於毛細上升速度與高度：

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

土的最大毛細上升高度[據(jù)西林—別克丘林，1958]

2.2巖石中水的存在形式毛細水類型

支持毛細水：存在於飽水帶以上並與地下水面相連的毛細空隙中的水。能傳遞靜水壓力，當(dāng)溫度低於0℃時冰結(jié)。懸掛毛細水：存在於包氣帶並與地下水面不相連的毛細空隙中的水。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水轉(zhuǎn)化而成?？捉敲毸ㄓ|點毛細水）：顆粒與顆粒接觸處孔隙狹窄地方呈點滴狀態(tài)的水。結(jié)合緊密，不易移動。

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

儲存並運動於未飽和巖石空隙中呈水汽狀態(tài)的水。

水汽來源

地表水氣進入地下水面蒸發(fā)

水汽運動

從水汽壓大處向水汽壓小的方向運動或從絕對濕度大處向絕對濕度小的方向運動從溫度高處向溫度低的方向運動

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與水的儲容及運移有關(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容、滯留、釋出與運移有關(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，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）鬆散巖石實際保留水分的狀況，（是某巖樣某時的含水狀態(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€單位深度時，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€單位，土層孔隙中是否所有的水都流出來？在土層中會保留什麼形式的水？

結(jié)合水(膜)、孔角毛細水、有時懸掛毛細水與支持毛細水2.3與水的儲容及運移有關(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，裂隙比較寬大的堅硬巖石，以及具有溶穴的可溶巖，空隙寬大，重力釋水時，滯留於巖石空隙中的結(jié)合水與孔角毛細水較少，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?。ㄈ缯承酝粒亓︶屗畷r大部分水以結(jié)合水與懸掛毛細水形式滯留於空隙中，給水度往往偏小。2.3與水的儲容及運移有關(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毶仙叨葧rH0＞＞hc,可達最大μ值；H0＜＜hc時，地下水位下降1個高度時，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細水，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，土層給水度不發(fā)生變化（為定值），此時給水度—也是最大理論給水度。2.3與水的儲容及運移有關(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、儲水性能及時間的關(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影響到μ的大小

——（下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理）這是因為釋水滯後，而導(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，往往會影響μ值，多層狀土的特徵而言，上粗下細、上細下粗結(jié)構(gòu)影響是不同的。2.3與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)CompanyLogo對於均質(zhì)的顆粒較細小的鬆散巖石，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，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與水的儲容及運移有關(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砂中砂粗砂礫砂細礫中礫粗礫512192832353535262603310152020211312271821262725252322CompanyLogo給水度小結(jié)——野外實際測定時：

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，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)合實驗課——

設(shè)計研究給水度的影響因素與測定方法。給水度小結(jié)2.3與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)四、持水度（specificretention）地下水位下降時，一部分水由於毛細力（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與水的儲容及運移有關(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——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，在尋常條件下孔隙不透水。b)孔隙度的大小：在孔隙大小達到一定程度時，孔隙度才對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）計算: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態(tài)與均衡9.1地下水動態(tài)與均衡的概念9.2地下水動態(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，時刻處於變化之中。地下水動態(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)隨時間的變化,稱作地下水動態(tài)。地下水要素隨時間發(fā)生變動的原因：

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)含水層的補給水量大於排泄水量時,儲存水量增加,地下水位上升；當(dāng)補給量小於排泄量時,儲存水量減少,水位下降。鹽量、熱量、能量的收支不平衡,會使地下水水質(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給儲存水量增加引起,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,地下水位也會上升；這種情況下地下水位雖有上升但並不意味著其水量增加。研究地下水動態(tài)的意義：

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

某一時間段內(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。地下水動態(tài)與地下水均衡間的關(guān)係：

動態(tài)是均衡的外部表現(xiàn)；

均衡是動態(tài)的內(nèi)在根源。研究地下水動態(tài)與均衡的意義：查清地下水的補給、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。地下水動態(tài)的形成機制影響地下水動態(tài)的因素地下水天然動態(tài)類型人類活動影響下的地下水動態(tài)

9.2地下水動態(tài)一、地下水動態(tài)的形成機制形成機制的理解：地下水動態(tài)是含水層(含水系統(tǒng))對環(huán)境施加的激勵所產(chǎn)生的回應(yīng)；地下水動態(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。實例分析：分析降雨對地下水位的影響一次降雨：通常持續(xù)數(shù)小時到數(shù)天，把它看作是發(fā)生於某一時刻的“脈衝”。同一時刻的降雨,在包氣帶中通過大小不同的空隙以不同速度下滲。當(dāng)運動最快的水滴到達地下水面時，地下水位開始上升，占比例最大的水量到達地下水面時，地下水位的上升達到峰值；運動最慢的水滴到達地下水面後,降水的影響結(jié)束。

與一個降水脈衝相對應(yīng),作為回應(yīng)的地下水位的抬升表現(xiàn)為一個波形?；蛘哒f，經(jīng)過含水層(含水系統(tǒng)）的變換,一個脈衝信號變成了一個波信號。與對應(yīng)的脈衝相比較,波的出現(xiàn)有一個時間滯後a,並持續(xù)某一時間延遲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)各個波峰迭加時,會迭合成更高的波峰（圖a、b、c),地下水位會出現(xiàn)一個峰值。

實際情況下，多是各個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)。降水對泉流量的影響：一次降雨使泉水量出現(xiàn)一個波形的增加，若干次降雨所引起的波形相迭合，削峰填穀的結(jié)果，使泉流量遠較降水變化為穩(wěn)定。北方的許多巖溶大泉流量動態(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。這是信號滯後、延遲與迭加的結(jié)果。地下水動態(tài)的特點：

連續(xù)性隨機性週期性二、影響地下水動態(tài)的因素

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

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

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：大面積、普遍產(chǎn)生影響（主要是降水與蒸發(fā)）氣象（氣候）因素對潛水動態(tài)的影響：

特點：普遍性最好

過程：a.降水的數(shù)量及其時間分佈，影響潛水的補給，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—決定動態(tài)總輪廓氣象（氣候）要素的週期性變化：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）與此相對應(yīng)，地下水動態(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潛水位的影響時，必須區(qū)分潛水位的真變化與偽變比。實踐中，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水量能否滿足要求；排水工程要考慮多年最高地下水位時的排水能力。缺乏地下水多年觀測資料時，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，推測地下水多年動態(tài)。

2.水文因素

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

補、排與徑流條件的變化——反映對地下水文要素的變幅和滯後時間等特徵的影響。

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)降水補給地下水時,包氣帶厚度與巖性控制著地下水位對降水的回應(yīng)。潛水埋深愈大，對降水脈衝的濾波作用愈強；相對於降水，地下水位抬高的時間滯後與延遲愈長；水位歷時曲線呈現(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；地下水位抬升的時間滯後與延遲?。凰v時曲線波形較陡。潛水儲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)儲存量變化相同時，給水度愈小，水位變幅愈大。河水引起潛水位變動時，含水層的透水性愈好，厚度愈大，含水層的給水度愈小，則波及範圍愈遠。承壓水動態(tài)變化比潛水?。?/p>

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

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

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，則引起的動態(tài)變化愈微弱；

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

三、地下水天然動態(tài)類型

潛水（鬆散沉積物淺部水）的天然動態(tài)類型:

蒸發(fā)型

徑流型

弱徑流型蒸發(fā)型動態(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態(tài)分佈區(qū)：山區(qū)及山前。動態(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。承壓水天然動態(tài)類型承壓水均屬於徑流型動態(tài)變化：

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

四、人類活動影響下的地下水動態(tài)人類活動增加新補給來源或新排泄去路而改變地下水的天然動態(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；可能增加新的補給量。若采排地下水一段時間後，新增的補給量及減少的天然排泄量與人工排泄量相等，含水層水量收支達到新的平衡。

動態(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，而不持續(xù)下降。

若采排水量過大，天然排泄量的減量與補給量的增量的總和，不足以償補人工排泄量時，將不斷消耗含水層儲存水量，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：地下水天然動態(tài)多屬蒸發(fā)型，灌溉水入滲抬高地下水位，蒸發(fā)加強，促使土壤鹽漬化。有時，即使原來潛水埋深較大，屬徑流型動態(tài)，但連年灌溉後，可轉(zhuǎn)為蒸發(fā)型動態(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——以地下水為對象的均衡研究，實質(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：指以地下水體為對象，某一地區(qū)在某一時間段內(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、調(diào)蓄項均衡區(qū)：均衡計算所選定的地區(qū)。均衡期：均衡計算的時間段（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)為地下水儲存量（或鹽儲量、熱儲量）增加。負均衡：支出大於收入，地下水儲存量(或鹽儲量、熱儲量)減少

地下水動態(tài)與均衡的關(guān)係：

均衡是地下水動態(tài)變化的內(nèi)在原因，動態(tài)則是地下水均衡的外部表現(xiàn)。計算方法：均衡研究必須分析均衡的收入項與支出項，列出均衡方程式。通過測定或估算列入均衡方程式的各項，以求算某些未知項。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（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（B)一般為：地表水流出量（Y2）、地下水流出量（W2）、蒸發(fā)量（Z2)。均衡期水的儲存量變化量：△ω1地下水均衡方程式：

收入項總量-支出量總量=調(diào)蓄項變化量，即：

（∑Q補—∑Q消）Δt=±μFΔh物理意義：

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

(∑Q天補—∑Q天消)Δt=±μFΔhb.開採條件下的均衡方程：

(∑Q開補—∑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Δt=∑Q消Δt

均衡期水儲存量的變化（水均衡方程式）：水儲存量變化△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(A)：降水入滲補給量（Ｘｆ）地表水入滲補給量(Yｆ）凝結(jié)水補給量(Zc)上游斷面潛水流入量(Wｕ１）下伏承壓含水層越流補給潛水水量（Qｔ）。潛水支出項(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：即入滲補給的水量全部以徑流形式排泄。

三、人類活動影響下的地下水均衡研究意義：研究人類活動影響下的地下水均衡，可以定量評價人類活動對地下水動態(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給潛水水量；

Qt—下伏承壓含水層越流補給潛水的水量；

Qr—通過排水溝排走的潛水水量；

以一個水文年為均衡期，經(jīng)觀測計算，求得均衡方程式各項數(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，增加潛水儲存量31mm(u＝0.05)。潛水蒸發(fā)量將不斷增加，會產(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，停止開採可使水位恢復(fù)到采前高度上，含水層的儲存水量將隨之恢復(fù)，但粘性土中的一部分儲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給量。對於大的含水系統(tǒng)，除了統(tǒng)一求算補給量外，有時還需分別求算含水系統(tǒng)各部分的補給量。如圖：一個堆積平原含水系統(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，多年中水量達到均衡，地下水儲存量的變化值為零。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累加，則顯然比整個系統(tǒng)的水量收入項多了W2及Qt兩項，分別求算的結(jié)果比統(tǒng)一求算偏大。整個含水系統(tǒng)的水量均衡方程式：

從圖看出，沖積平原承壓水並沒有獨立的補給項，其收入項就是山前平原潛水支出項之一。

W2＝Xf1+Yf2+W1-Zu1-Qd

可知，W2是由山前平原補給量的一部分轉(zhuǎn)化而來。沖積平原潛水的收入項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??；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)果山前平原潛水補給量增加，排泄量減少。同時，對地表水及鄰區(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Yf2變小。進行大區(qū)域水均衡研究時：

必須仔細查清上下游、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、水圈和生物圈進行水量和化學(xué)成分的交換。人類活動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）——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，利用地下水都對其水質(zhì)有一定要求,並要進行水質(zhì)評價：飲用水水質(zhì)評價工業(yè)用水水質(zhì)評價農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)評價工程建設(shè)專案用水水質(zhì)評價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誌。污染物在地下水中散佈,也會形成暈圈。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；水文地球化學(xué)的研究必須與地下水運動的研究緊密結(jié)合。地下水水質(zhì)的演變具有時間上繼承的特點：

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)特徵主要氣體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、地下水中主要氣體成分

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—會增加水溶解鹽類的能力，促進某些化學(xué)反應(yīng)。1.氧（02）、氮（N2）地下水中的氧氣和氮氣主要來源於大氣。它們隨大氣降水及地表水補給地下水,故以入滲補給為主、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行。1.氧（02）、氮（N2）02的化學(xué)性質(zhì)遠較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結(jié)晶巖進行風(fēng)化作用的能力越強。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;