水文地质学基础复习

第一章地球上的水及其循环

1、水文循环的定义：大气水、地表水、地壳岩石空隙中地下水循环

2 、水文循环的分类: 1、按循环路径不同：

大循环（海－陆）与小循环（海-海、陆-陆)

2、按时空尺度不同：

全球水文循环，流域水文循环、水-土-生系统水文循环

3 、水文循环的运动规律

海洋的蒸发量大于降水量

陆地的降水量大于蒸发量

大陆输入水汽量与输出水汽量基本平衡

4、影响水文循环的气象因素

主要包括：气温、气压、湿度、蒸发、降水

绝对湿度(m或e) 某一时刻空气中的水汽含量 g/m3

相对湿度(r)：空气中水汽含量的饱和程度；

r=(e/E)×100% 或 r=(m/M)×100%

降水量(x)：单位时间内降落到地面的水量（mm)；

降水强度：每分钟内的降水量，暴雨＞0.5mm/分；

径流：指降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。

第二章岩石中的空隙和水

空隙:岩、土中各种类型孔隙的总称。

孔隙:颗粒及颗粒集合体之间的空隙称为孔隙。

裂隙：是纵向延伸长、横向延伸短的“饼状空隙”，单个裂隙是独立的。

溶穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等

三种空隙的特征

含水介质－－由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场。含水介质的空间分布与连通特征（孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质）不同，三种主要类型的含水介质比较：

1 、连通性—孔隙介质最好，其它较差

2、空间分布—孔隙介质分布均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀

孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊

3 、孔隙比率—孔隙介质最大，裂隙最小

4 、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是沉积物形成和空隙形成的环境

与水有关的岩土性质：

容水度：岩石完全饱水时所容纳的水的体积与岩石体积的比值。

给水度：当地下水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水的体积，称为给水度。

持水度：重力释水后单位体积岩石中所能保持的最大水体积

岩石中水的存在形式如下：

第三章 地下水的赋存

广义地下水：地表以下岩石空隙中的水（包气带、饱水带中的水）。 狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水－重力水。 一、 地下水按某一特征的分类

按起源： 渗入水、凝结水、初生水、埋藏水 按矿化程度：淡水、微咸水、咸水、盐水、卤水

按温度： 非常冷 、很冷水、冷水、温水、热水、极热水、沸腾水 按硬度： 极软水、软水、微硬水、硬水、极硬水 按酸碱度： 强酸性水、酸性水、中性水、弱碱性水、 强碱性水

优点：简单、明确，便于从某一角度认识和研究地下水 。 缺点：不够全面

地下水按综合特征分类

分类依据：●埋藏条件（赋存部位）● 含水介质的类型（赋存空间） 分类类型：埋藏条件分三类，含水介质分三类，共九类。如下表

地壳岩 石中水

沸石水

岩石空隙中水

结晶水 结构水

岩石骨架中水

结合水

液态水 固态水 气态水

重力水 毛细水

(矿物表面结合水

)

强结合水 弱结合水

孔隙水 裂隙水 岩溶水 包气带水 孔隙上层滞水 裂隙上层滞水 岩溶上层滞水 潜水 孔隙潜水 裂隙潜水 岩溶潜水 承压水 孔隙承压水

裂隙承压水

岩溶承压水

1、潜水： 地表以下，第一个稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。

潜水等水位线图的作用：

● 确定潜水的流向(即高水位---低水位)；

● 判断地表水与潜水的补给关系(绘制河流附近潜水等水位线图)； ● 确定潜水的埋藏深度(某点地面标高－潜水位 )；

● 确定引水工程位置 (取水井应布置在地下水流汇集地方,截水沟布置在垂直流向方向) ； ● 推断含水层岩性和厚度变化（透水性越弱，等水位线越密；含水层厚度越大，等水位线越疏）； ● 确定泉水出漏点和沼泽化的范围（出现在潜水位和地形等高线相等处）

● 确定水力坡度：

2、承压水：充满于两个稳定隔水层之间的具有承压性质的重力水。

等水压线图：承压水测压水位等高线图

（根据承压含水层测压水位相同的各点联线绘制而成） 等水压线图的作用

? 确定承压水的流向（即高水位à低水位） ? 确定水头梯度（水头差比水流距离） ? 确定测压水位的埋藏深度和承压水头

埋藏深度=地表等高线标高—含水层顶板等高线标高 承压水头=等水压线值—含水层顶板等高线标高

? 确定潜水与承压水的相互关系

(将等水压线与潜水等水位线绘在一张图上判断)

3、上层滞水：指包气带中局部隔水层之上具有自由水面的重力水。

第四章 地下水运动的基本规律

一、重力水运动的基本规律 1、达西定律：

通过多次实验得出：出水端的流量Q 与砂柱、测压管水头之间的关系为：

Q ——渗透流量； ω——砂柱横断面积；

=

水位差

水力坡度水流距离

h ——水头损失（m）；L ——渗流途径；

K——渗透系数

参看下图

Q—渗透流量；

ω—过水断面（砂柱横断

面积）；

h—水头损失（上下过水

断面的水头差）；

L—渗透途径（上下过水

断面的距离）；

K—渗透系数。

由水力学中水动力学基本原理：

由上式可以得出Q = K I ω

渗透流速：V = K·I 这是达西定律的另一表达形式，渗透流速与水力梯度的一次方成正比，即线性渗透定律，K为其线性比例系数。

水力梯度：是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比，

即 I = - dh / dn (n为等水头面（线）的外法线方向，也是水头降低的方向)。渗透系数;水力梯度Ⅰ=1时的渗透流速（V=KⅠ）。

第五章毛细现象与包气带水的运动

毛细现象：将细小的玻璃管插入水中，水会在管中上升到一定的高度才停止，这边是固、液、气、三相界面上产生的毛细现象。

毛细负压：水在空隙中经常形成凹形弯液面，产生的液体表面大气压强与大气压强作用于液面的方向相反，习惯上称之为毛细负压。

第六章地下水的化学成分及其形成作用

1、地下水的主要离子成分：

地下水中分布最广、含量最多的离子共七种：氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离子、钠离子、钾离子、钙离子、及镁离子。

2、地下水主要离子的赋存规律：

溶解性总固体：溶解性总固体是指溶解在水中的无机盐和有机物的总称（不包括悬浮物和溶解气体等非固体组分），用缩略词TDS（也可以称之为矿化度）表示。

一般情况下，随着TDS的变化，地下水中主要离子成分也随之发生变化。低TDS水中，常以重碳酸根离子及钙离子、镁离子为主；高TDS水中，以氯离子及钠离子为主；TDS中等的水中，阴离子常以硫酸根离子为主，阳离子则可以是钠离子，也可以是钙离子。

3、地下水化学成分形成作用

溶滤作用：水和岩土相互作用，使岩土中一部分物质转入地下水中，便是溶滤作用。（其结果是岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分）

其形成规律;

首先，取决于岩土的矿物的溶解度。

其次，岩土的空隙特征是影响溶滤作用的另一因素。

第三，水的溶解能力决定着溶滤作用的强度。

第四，水中溶解气体二氧化碳、氧气等的含量决定着某些盐类的溶解能力。

最后，水的流动状况是影响其溶解能力的关键因素。

一个地区经受溶滤愈强烈，持续时间愈长久，地下水的TDS愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。

浓缩作用：地下水在蒸发排泄条件下，水分不断失去，盐分相对浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。（其结果是高矿化度，以易溶离子为主的地下水）

脱碳酸作用：水中二氧化碳随温度升高及压力降低而减小。升温及(或)降压时，一部分二氧化碳便成为游离二氧化碳从水中逸出，这边是脱碳酸作用。（其结果是碳酸钙及碳酸镁沉淀析出，地下水中重碳酸离子及钙离子、镁离子减少，TDS降低，深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙化）

脱硫酸作用：在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌促使硫酸根离子还原为硫化氢。

阳离子交替吸附作用：一定条件下，岩土颗粒将吸附下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中组分，这边是阳离子交替吸附作用。

粘土及粘土类最易发生交替吸附作用，而在致密的结晶岩中，不会发生这种作用。

混合作用：成分不同的两种水混合在一起，形成化学成分不同的地下水，便是混合作用。（其结果是可能发生化学反应而形成化学类型完全不同的地下水）

溶滤水:富含二氧化碳与氧气的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。

4、地下水化学成分分析及其图示

分析方式：1简分析：用于了解区域地下水化学成分的概貌，分析项目少，精度要求低，简便快捷，成本不高，技术上容易掌握。

2全分析：分析项目多，精度要求高。通常在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析，以较全面的了解地下水的化学成分。

3专门分析:为配合专门的任务而进行的分析。

水分析成果的表示方法：

1离子毫克数表示法：每升水中所含离子的毫克数；

2离子毫克当量数表示法；

3离子毫克当量百分数；

4库尔洛夫式表示法：以数学分式的形式表示水的化学成分的方法。凡是毫克当量百分数大于10%的离子均列入分式。从大到小的顺序在分子的位置上排列阴离子，分母位置上排列阳离子，百分含量值放在离子的右下角，若右下角为原子数占据时，则将原子数移至右上角。分式前为特殊成分，气体成分，矿化度M（g/L）,含量在离子右下角。分式后为水温，水量Q（L/s）.

分类与图示方法：舒卡列夫分类：根据地下水中六种主要离子（钾合并于钠中）及矿化度划分

的。含量大于25%毫克当量的阴离子和阳离子进行组合，共分成49型水，每型以一个阿拉伯数字作为代号，按矿化度有划分为4组：A组矿化度小于

1.5g/L，B组1.5-10g/L，C组10-40g/L，D组大于40g/L。

舒卡列夫分类图表

第七章地下水的补给与排泄

1、地下水的补给来源：大气降水、地表水、凝结水、来自其他含水层的或含水系统的水等，与人类活动有关的地下水的补给有灌溉回归水、水库渗漏水，以及专门性的人工补给。

2、地下水的排泄：

泉是点排泄，各种分类形成不同泉的特点

传统分类：将泉分为上升泉和下降泉

上升泉是承压水的排泄、下降泉是潜水或上层滞水的排泄。

传统分类存在弊端，根据出露原因可以将泉分为以下五类

（1）侵蚀泉;单纯由于地形切割地下水面而出露，包括切割潜水含水层及揭露承压水隔水顶板。（2）接触泉：地形切割使相对隔水底板出露，地下水从含水层与隔水底板接触处出露。

（3）溢流泉;水流前方出现相对隔水层，或下伏相对隔水底板抬升时，地下水流动受阻，溢流地表。

（4）断层泉：地形面切割导水断裂，断裂带测压水位高于地面时出露成泉。

（5）接触带泉：岩脉或岩浆岩侵入体与围岩的接触带，地下水沿冷凝收缩形成的导水通道出露。

第八章地下水的动态与均衡

地下水动态;在与环境相互作用下，含水层各要素（如水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化，称作地下水动态。

地下水均衡：阐明某个地区在某一段时间内，地下水水量（盐量、热量）收入与支出之间的数量关系叫地下水均衡。

均衡表达式; A – B = Δw

收入项（A）包括：大气降水量（X）、地表水流入量（Y1）、地下水流入量（W1）、水汽凝结量（Z1）。

支出项（B）包括：地表水流出量（Y2）、地下水流出量（W2）、腾发量（Z2）。

均衡期水的储存量变化为Δw 。

地下水动态的影响因素：

分为两类：一类是地下水诸要素（水量、盐量、热量、能量等）本身的收支变化，即外界激励（输入）因素；另一类是影响激励（输入）—响应（输出）关系的转换因素（影响地下水动态曲线具体形态的因素）；后者主要是地质因素。

影响因素有：气象因素、水文因素、其他因素（地震、固体潮、潮汐、外部载荷）、人为因素等。

第九章孔隙水

◆孔隙水：指存在于疏松岩层孔隙中的地下水。

洪积物中的地下水

●水文地质分带：洪积扇具有一定规律的沉积结构，根据其中地下水在埋藏、分布、水位、水质、水量等各方面不同特点，分三个水文地质带。

▲顶部径流带（地下水深埋带、盐分溶滤带）

a.地势高，潜水埋深大；

b.地形坡度大，因而水力坡度大，径流强，水平排泄；

c.降水、地表水和山区基岩裂隙水补给，动态变化大；

d.强透水地层；

e.化学成分以溶滤作用为主，HCO3—Ca型水

▲中部溢出带（盐分过路带）

a.因地形变缓、颗粒变细、透水性变差，地下水径流受阻，潜水雍高而接近地表，形成泉或沼泽；

b.水平和垂直排泄；

c.接受降水与上游潜水的补给，动态变化小；

d.出现粘性土或夹层，渗透性减小；

e.由于蒸发，TDS增大，HCO3-SO4 或 SO4-HCO3

▲尾部垂直交替带（地下水下沉带、盐分堆积带）

a.由于蒸发和地表水的排泄，潜水埋深增大；

b.垂直排泄为主；

c.上部潜水接受降水补给，下部承压水接受前两个带补给

d.以粘性土为主，K很小；

e.上部潜水浓缩作用强，TDS增大，SO4-Cl 或 Cl-SO4；下部承压水水质相对好，水量大。

◆总体规律

由山口向平原（盆地），由于水动力条件控制着沉积作用，洪积扇显示良好的地貌岩性分带：地貌上坡度由陡变缓，岩性上由粗变细。从而决定了岩层透水性由好到差，地下水位埋深由大到小，补给条件由好到差；随之，排泄由径流为主转化到以蒸发为主，水化学作用由溶滤到浓缩，矿化度由小到大，水化学类型产生相应变化；地下水位的变动也由大到小。

●注意点

a.典型的洪积扇形成于干旱半干旱地区的山前地带；

b.上述分带是单就某一时期形成的洪积扇而言，若存在多期洪积扇的

相互叠置、串联等，则地下水分布规律将复杂化；

c.新构造运动的影响

第十章裂隙水

◆裂隙水：赋存于坚硬岩石裂隙中的地下水。

★成岩裂隙水

▲成岩裂隙成岩过程中形成

a.沉积岩中的脱水收缩裂隙

b.岩浆岩中的冷凝收缩裂隙

▲成岩裂隙特点

a.不随深度增加而数量减少或消失

b.一般为张性裂隙

c.裂隙的连通性好，尤其是柱状节理发育的玄武岩

▲成岩裂隙水特点

a.层状、脉状和带状

b.潜水，上覆有粘性土覆盖时可成为承压水

c.水质好，HCO3型水

d.水量丰富，可作为重要的供水水源。(如内蒙一带）

★风化裂隙水

▲风化裂隙风化作用形成

a.分布于基岩表层，随深度增加数量减少或消失

b.发育程度受岩性、气候、地形控制

c.密度大，密集均匀

d.一般为张性裂隙，特别是卸荷减压裂隙地带

▲风化裂隙水特点

a.埋藏浅，分布广，但含水层厚度和规模不大

b.层状裂隙潜水，水位、水量随季节变化大

c.就地补给就地排泄，旱季泉流量减小或干枯

d.水量小,HCO3型淡水

★构造裂隙水

▲构造裂隙构造变动产生

a.裂隙的方向、宽度、密度、延伸方向均受应力、岩层性质控制。

b.分布范围广

c.具有明显而又比较稳定的方向性

▲构造裂隙水特点

a.具有裂隙水的一般特点（不均匀、不统一、各向异性）

b.可形成层状、带状、脉状构造裂隙水

c.可形成潜水或承压水

d.运动特征：局部流向往往与整体流向不一致，甚至相反

第十一章岩溶水

★岩溶发育的基本条件（水与岩土两大类）

1.可溶岩层的存在（取决于岩石成分和结构)

a.碳酸盐岩成分：灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩

b.结构：生物碎屑灰岩，豹皮灰岩，隐晶质灰岩，细晶质灰岩

2.可溶岩必须透水（取决于岩石的裂隙性)

a.小而密集的裂隙→形成溶蚀比较均匀的岩溶含水层（岩溶系统）

b.大裂隙和断层→形成大型溶洞，岩溶发育不均匀

3.水具侵蚀性

分析碳酸岩盐、水、二氧化碳之间的相互作用是研究岩溶化过程的关键

下面从开放体系中的平衡（碳酸）过程来分析。

4.水的流动性

地下水的循环交替是岩溶发育的充分必要条件。

★岩溶水特征

岩溶水运动特征

岩溶水系统空隙网络的强烈非均质特性所决定

岩溶管道、岩溶洞穴、岩溶裂隙、岩溶裂缝和岩溶孔隙等

●层流与紊流共生

●有压与无压共存

●运动方向的不同步（局部与整体不一致）

●缺乏统一的区域地下水水位

补给特征

补给源——大气降水是岩溶水的主要、甚至是唯一的补给源，基本来自上边界的各种补给，但表现多种方式

排泄特征

北方岩溶水－集中以岩溶大泉形式排泄；

南方岩溶水－主要以地下暗河、泉、基流形式排泄。

动态特征

变幅大、不稳定！岩溶化程度愈高，动态愈不稳定。

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