经典考研水文地质学重点第四章
水文地质全书重点
序言学习目的和要求：通过绪言的学习，使学生掌握水文地质学的概念、研究对象及研究内容；了解水文地质学在国民经济建设中的作用及水文地质学的发展概况。
重点掌握地下水的主要作用（功能），使学生深刻理解学习本课程的意义。
明确水文地质学的研究对象和任务，了解水文地质学在国民经济建设中的作用，以及水文地质学的发展历史和学科分支。
水文地质学——是研究地下水的科学。
水文地质学从其构词上属于地质学的范围，同时也包括了许多水文学的问题。
它是研究地下水的形成和分布、物理的化学性质、运动规律、开发利用与保护的科学。
普通水文地质学是研究水文地质学的基本理论和基本概念的科学。
地下水：埋藏于地表以下的各种形式的重力水。
地下水仅是地球上水的一部分，大气水、地表水及地下水本来是密切联系的。
历来人们习惯上这样的划分：研究大气水是气象学的重点；研究地表水是水文学有重点；研究土壤水是土壤学的重点；水文地质学则将研究地下水作为其研究对象。
一水文地质学研究的对象和任务１水文地质学研究的对象研究岩石圈、水圈、大气圈、生物圈，以及人类活动相互作用下，地下水水量和水质的时空变化规律。
２水文地质学的任务从水文地质学定义可以看出，其任务是研究地下水的形成和分布、物理和化学性质、运动规律、开发利用和保护，同时还要研究有效防止并消除地下水危害的措施。
目的是：运用这些规律兴利除害，为人类服务。
从任务可以看出包含两个方面有意思：一是理论性问题，即要认识自然；二是技术方法问题，即在认识自然的基础上，要改造自然。
二水文地质学在国民经济建设中的作用水文地质学其所以能形成一门独立的科学，是因为它在国民经济建设中具有重要的作用。
水是人类赖以生存的不可缺少的宝贵资源。
地下水由于其水质良好，分布广泛，变化稳定及便于利用，因此是理想的供水水源。
在我国北方（华北、西北）地下水是主要的生活，以及工农业生产的供水水源。
１地下水是宝贵的水资源水资源包括地表水、地下水、大气水，地下水只是整个水资源的一个组成部分。
水文学与水文地质学重点总结
水文学与水文地质学第一章1、水文学概念：水文学是研究自然界中各种水体的形成、分布、循环和与环境相互作用的一门科学。
2、水文循环（1）水的这种既无明确的“开端”，有无明确的“终了”的无休止的循环运动过程称为水文循环。
（2）水分由海洋输送到大陆又回到海洋的循环称为大循环或外循环。
水分在陆地内部或海洋内部的循环称为小循环或内循环。
为区分这两种小循环，将前者叫做陆地小循环，后者叫做海洋小循环。
（3）内因——水的三态在常温条件下的相互转化外因——太阳辐射和地心引力（4）四个环节：水分蒸发—水汽输送—凝结降水—径流3、水文循环的时空分布变化特点（简答—扩展）（1）水循环永无止境（2）水文现象在时间上既有具周期性又具有随机性（3）水文现象在地区分布上既具有相似性又具有特殊性4、水量平衡原理概念：水量平衡是指在自然水循环过程中，任意区域在一定时间内，输入水量与输出水量之差等于该区域的蓄水变化量。
第二章1、河流基本特征（看透书P15—P17、小题）（1）河流长度(L)自河源沿主河道至河口的长度。
深泓线（中泓线）：河槽中沿流向各最大水深点的连线。
（2）河流的弯曲系数(Φ)河流的弯曲系数等于河流长度与河源到河口之间的直线距离之比。
（3）河槽特征1）河流的断面河流横断面河谷河槽：基本河槽洪水河槽过水断面河流的纵断面2）河流平面形态（4）河流纵比降(J)河流纵比降指任意河段首尾两端的高程差与其长度之比河段纵断面近于直线：J=(Z1-Z2)/L河段纵断面呈折线：J=[(Z0+Z1)L1+(Z1+Z2)L2+…+(Z n-1+Z n)L n-2Z0L]/L2（5）河流分段一条河流按照河段不同的特征，沿水流方向可划分为河源、上游、中游、下游和河口5段。
2、流域的概念：流域是指汇集地表径流和地下径流的区域，是相对河流的某一端面而言。
闭合流域的概念：当流域的地面分水线与地下分水线相重合，则地面和地下集水区域也相重合，相邻的流域不发生水量交换，此种流域称为闭合流域。
水文地质学知识点整理
地下水的概念P1：地下水是赋存于地表以下岩石（土）空隙中各种形态的水的总称。
既有液态的水液，也有气态的水汽，也包括固态的水冰，还有介于它们之间其他形态的水。
地下水的功能属性P2：地下水的资源属性，地下水是生态因子，地下水是环境（灾害）因子，地下水是一种重要的地质营力，地下水是地球深部的信息载体。
水文地质学的研究方法P4：野外调查，野外试验，室内试验，遥感，地球物理勘察，信息技术的应用。
第一章水循环与地下水赋存1、了解地球内部圈层构P7 地球圈层构造划分表地球外部圈层：由五个大致成层分布的自然子系统组成，按照性质可以分成3类。
即3个无机子系统———大气圈、水圈、岩石圈。
1个类有机子系统———土壤圈。
1个有机子系统———生物圈。
2、地球水圈可以划分为地质水圈和水文水圈。
P93、地球上的水循环P10：地球各个圈层中的水相互联系、相互转化的过程统称为大气水的水循环，又叫做自然界的水循环。
按其循环途径的长短、循环速度的快慢以及涉及层圈的范围，可分为地质循环和水文循环两类。
4、岩石（土）介质中水的存在形式P17页5、赋存介质的水理性质P19-20：指与水的储容和运移有关的赋存介质的性质，主要包括空隙的大小、多少、连通程度及其分布的均匀程度，这些性质的差异，会使其储容、滞留、释放以及透过水的能力不同。
表征介质水理性质的指标有容水度，给水度，持水度。
容水度：指介质能够容纳一定水量的性质。
给水性：指饱水介质在重力作用下，能够自由给出一定水量的性质持水性：指重力释水后，介质能够保持一定水量的性能。
二、地下水的基本类型及其特征1、包气带和饱水带：P212、越流P22：把两个含水层透过该弱透水层发生垂直水量交换的现象称为地下水的越流。
按照地下水的埋藏条件，可以把地下水分为潜水、承压水、与上层滞水。
其中潜水和承压水在一定条件下是可以相互转化的。
P233、潜水的概念P26：潜水是地表一下埋藏在饱水带中第一个稳定隔水层智商的具有自由水面的重力水。
水文地质学基础(第六版)第4章 地下水的赋存
中间带（过渡带） 支持毛细水带，毛 细饱和水带
包气带是饱水带中地下水参与水文循 环的一个重要通道；“重力水”通过 包气带获得降水、地表水的入渗补给 （补充），部分水又通过包气带将水 分传输，蒸发，消耗出去。
饱水带
岩石空隙被水完全充满 →→是二相介质（固相+液相水）
空隙中水的存在形式：
①重力水
②结合水
承压水埋藏类型：
承压水的形成主要取决于地质构造，不同的地质构造决定了承压水埋藏 类型的不同。这是与潜水形成的主要区别。 构成承压水的地质构造大体上可以分为：盆地或向斜构造和单斜构造
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动态特征：
承压水参与水循环不如潜水积极，气象、水文因素对于 承压水的影响较小，承压水动态比较稳定，资源不容易补 充和恢复，但是由于其含水层厚度通常较大，资源具有多 年调节性。
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可解决的问题：
潜水与地表水的相互关系：根据水位确定潜水与地表水的相互补给关系。
•
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可解决的问题：
潜水与地表水的相互关系：根据水位确定潜水与地表水的相互补给关系。
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承压水的水质取决于埋藏条件及其与外界联系的程度。 与外界联系紧密，参加水循环积极，承压水的水质就越接 近入渗的大气降水和地表水，通常为含盐量低的淡水；如 果与外界联系差，水循环缓慢，水的含盐量就越高。
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水压面特征：
概念：测压水位即测压水的水压面，非实际存在，只是一个
可解决的问题：
合理布设取水井和排水沟：根据水位合理布设取水井和排水沟。
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4.3.4 承压水
水文地质学要点
第一章地球上的水及其循环一、名词解释：1．水文地质学：水文地质学是研究地下水的科学。
它研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作业下地下水水量和水质的时空变化规律，并研究如何运用这些规律去兴利除害，为人类服务。
5．水文循环：发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环。
6．地质循环：地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程。
9．绝对湿度：某一地区某一时刻空气中水汽的含量。
10．相对湿度：绝对湿度和饱和水汽含量之比。
14．径流：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。
17．分水岭：相邻两个流域之间地形最高点的连线。
18．流量：单位时间内通过河流某一断面的水量。
19．径流总量：某一时间段内，通过河流某一断面的水量。
20．径流模数：单位流域面积上平均产生的流量。
21．径流深度：计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度。
22．径流系数：同一时段内流域面积上的径流深度与降水量的比值。
二、填空1．水文地质学是研究地下水的科学。
它研究岩石圈、水圈、大气圈、生物圈及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律。
2．地下水的功能主要包括：资源、生态环境因子、灾害因子、地质营力、或信息载体。
3．自然界的水循环分为水文循环和地质循环。
4．水文循环分为大循环和小循环。
5．水循环是在太阳辐射和重力作用下，以蒸发、降水和径流等方式周而复始进行的。
6．水循环是在太阳辐射和重力作用下，以蒸发、降水和径流等方式周而复始进行的。
7．主要气象要素有气温、气压、湿度、蒸发、降水。
8．在水文学中常用流量、径流总量、径流深度、径流模数和径流系数等特征值说明地表径流。
四、简答题1．水文地质学的发展大体可划分为哪三个时期？1856年以前的萌芽时期，1856年至本世纪中叶的奠基时期，本世纪中叶至今的发展时期。
3．水文循环与地质循环的区别？水文循环通常发生于地球浅层圈中，是H2O 分子态水的转换，通常更替较快；地质循环发生于地球浅层圈和深层圈之间，常伴有水分子的分解与合成，转换速度缓慢。
水文地质学第一章至第十章知识点总结
第一章绪论1、研究对象：地下水(与岩石圈、水圈、大气圈以及人活动相互作用的地下水水量和水质的时空变化规律。
)2、研究内容：1）地下水的形成、埋藏、赋存、分布；2）地下水的运动；3）地下水的补给、径流、排泄；4）物理化学性质、成份及形成原因；5）地下水的起源、循环、转化规律。
3.与地下水有关的问题1、地下水水位变动破坏原有的岩土与地下水的力学平衡系统，以及产生的各种效应。
最典型的是斜坡稳定问题。
2.土壤盐渍化。
3、矿坑涌水、充水问题。
4、土壤盐渍化或沼泽化等导致的农业生产问题。
5.沙漠化、荒漠化面积不断扩大，草地退化和沙化面积逐年增加。
6、地下水和地表水水质问题河湖萎缩、干涸、水质遭受严重污染。
7、地下水水资源保护、管理、合理开发利用问题。
４，水文地质学在国民经济建设中作用1、地下水是一种宝贵的资源；2、地下水是重要的液体矿产和矿水资源；3、地下水是良好的载热介质和能源；4、是有效的找矿标志，预报地震的手段；5、是地下矿坑和地下工程突水的重要因素；6、地下水是有些工程效益降低的主要原因：溶解作用；润滑作用；侵蚀作用。
7、地下水是破坏土壤肥力的重要因素；8、地下水是某些地方性疾病的致病原因；9、地下水引起的公害：地面沉降，地下水污染等。
第二章地球上的水及其循环1.1 地球上的水存在空间：浅部层圈水，深部层圈水。
1.2 自然界的水循环水循环：自大气圈到地幔的地球各个圈层中的水构成的系统中水相互联系、相互转化的过程叫做自然界的水循环。
自然界的水循环分为水文循环和地质循环两类。
（水在循环过程中与地球表面圈层之间发生相互作用的水资源、生态与环境、水旱灾害等都与水循环有关。
）地质循环图示与图解1—来自地幔岩的初生水；2—返回地幔的水；3—岩石重结晶脱出水（再生水)；4—沉积成岩时排出的水5—和沉积物一起形成的埋藏水；6—与热重力和化学对流有关的地内循环7—蒸发和降水（小循环）；8—蒸发和降水（大循环）；9—地下径流；10—地表径流。
水文地质学基础
附件2
2012年度省级精品课程建设项目申报书
（本科）
推荐单位长安大学
课程学校长安大学
课程名称水文地质学基础
课程类型专业基础课
所属一级学科名称水利工程
所属二级学科名称水文与水资源工程
课程负责人马致远
填报日期2012.11.05
陕西省教育厅制二○一二年九月
填写要求
一、以word文档格式如实填写各项。
二、表格文本中外文名词第一次出现时，要写清全称和
缩写，再次出现时可以使用缩写。
三、有可能涉密和不宜大范围公开的内容不可作为申
报内容填写。
四、课程团队的每个成员都须在“2．课程团队”表格中
签字。
五、“8．承诺与责任”需要课程负责人本人签字，课程
建设学校盖章。
1．课程负责人情况
2．课程团队
3．课程建设
4．课程内容
8．承诺与责任
9．学校推荐意见
—21 —。
水文地质学重点
第一节：水文地质学基础1．地下水：地下水是赋存于地面以下土层和岩石空隙中的水。
地下水起源渗入水：降水渗入地下形成的水，是地下水形成的主要形式凝结水：空气中的水汽在颗粒和岩石外表凝结形成地下水初生水：岩浆中别离出来的气体冷凝形成的水埋藏水：与沉积物同时生成或海水渗入到原生沉积物的孔隙中而形成的地下水径流的定义：径流是指一个流域内的降水除去消耗于蒸发以外的全部水流。
径流流量决定于流域面积规模和降水量等。
第二节：地下水的赋存〔体积〕裂隙率：裂隙的体积〔Vr〕与包含裂隙在内的岩石的总体积〔V〕之比。
面裂隙率：裂隙的总面积与岩层面总面积之比线裂隙率：裂隙的总宽度与岩芯总长度之比。
给水性：饱水岩石在重力作用下，能自由给出一定水量的性能。
给水度：地下水下降1个单位深度时，单位水平面积的岩石柱体在重力作用下释放出水的体积。
〔单位体积在重力作用下释放出水量〕〔注意与释水率的区别透水性：透水性指岩石可以被水透过的性能。
渗透系数〔水力传导系数〕：水力坡度为1时，渗透系数在数值上等于渗流速度。
渗透系数不仅取决于岩石的性质，而且与渗透液体的物理性质有关。
渗透率〔内在透水率〕：衡量岩石透水性大小的指标称渗透率。
与渗透液体的性质无关。
一般情况下，地下水的容重和粘滞性改变不大，可用渗透系数近似当作岩层的透水性指标。
含水层：能透过水并给出相当数量水的岩层。
1.含水层形成的条件岩层具有储存重力水的空间〔孔隙、裂隙、溶隙〕2.具备储存地下水的地质结构〔透水-含水-隔水、隔水-含水-隔水〕3.具有充足的补给水源含水层与透水层的区别：含水层首先应该是透水层，是透水层中位于地下水位以下经常为地下水所饱和的部分上部未饱和的部分则是透水不含水层。
故一个透水层可以是含水层，如冲击沙砾含水层，也可以是透水不含水层，如坡积亚砂土层，还可以是一部分为位于水面以下的是含水层，另一部分位于水面以上的为透水不含水层含水带：是指空间延伸长度较大，而宽度有限的狭长带状地带。
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uD
惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比 . υ— — 流体的平均速度； ll— — 流束的定型尺寸； lρ、η一一在工作状态； 流体的运动粘度和动力粘度 ,ρ— — 被测流体密度； 注：雷诺数是判别流态的重要参数（Re）。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间 的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。
两式：
q1
KM
h1 h x
and
q2
KM h h2 Lx
q1 q2
h1 h h h2 x Lx
h
h1
x L
(h1
h2 )
3、计算潜水含水层流量和潜水位曲线
有一潜水含水层由均质的砂组成，隔水底板水平，在平 面上水流呈稳定平行流动。由达西定律的单宽流量：同样设
x (0,L), 并对应的潜水位为h，可通过流量相等推导出潜 水位曲线公式：
reach Pond 2 on average? v?
How much contaminant mass
will enter Pond 2 (per
unit time)?
M?
Application (cont.)
Water flows between
W 1510 ft
Pond 1
Pond 2
ponds through the
§ Formulate a mathematical representation of your
conceptual model that:
• Meets the assumptions and
•QA?ddresses the objecvt?ives
M? M = Q
C
Application (cont.)
v Collect data to complete your Conceptual Model and to Set up your Mathematical Model
§ The model determines the data to be
collected
• Cross sectional area (A = w b)
q K h dh dx
qdx Khdh
q L dx 0
K h2 hdh h1
q K h1 h2 h1 h2 2L
KM I
h2
h12
x L
(h12
h22 )
第三节 等水位线和流网
一、几个基本概念 1）测压高度hn:
hn p
2）测压水头Hn: H n z hn z p
在静水条件下，含水层任一点的测压水头是相同的，即水面 为一水平面，尽管测压点的测压高度不同。
K
uni ts [L/T]
达西定律其它形式
体积流量
单位流量
Q A
=
平均线性
流速
AQ.n=
q n
=
用于计算渗流时间段内地 下水的量
给定A时计算 Q
用于计算地下水运动的 平均流速
实例：
A company has installed two settling ponds to: Settle suspended solids from effluent Filter water before it discharges to stream Damp flow surges
的流量Q与断面面积 A 和水力梯度I成
正比，比例系数为K，称为“渗透系数”。
图4-3 达西装置示意图
Q-渗透流量(L3T-1)；
Q -过水断面(L2)；
h-水头损失(水头差，L)； L-渗透途径(L)；
KA H 1 H 2 L
KAI
K-渗透系数(LT-1)； I-水力梯度(无量纲)。 l 物理意义
V Q KI A
渗透率k
v ：表征岩层对不同流体的固有渗透性能，渗透率k仅 仅取决于岩石的空隙性质，与渗流的液体性质无关。
K gk
n 如何得到K值？ • 室内试验，缺点：扰动，点参数 • 均衡计算，区域平均值，缺点：精度低 • 模型反演：建立数学模型，通过调整参数，拟合实际观测水位， 确定水文地质参数。数值法、解析法。 • 注意：用稳定流模型求参，只能求得K值，而不能通过反演等到给 水度值。而非稳定流模型可得到两者。
Pond 2 Pond 1
658 652
N
0
5000 ft
Questions to be addressed:
How much flow can Pond 1 receive without
overflowing?
Q?
How long will water (contamination) take to
¡ An An e ne为有效空隙度，即重力水流动的空隙体积（不包括
结合水占据的空间）与岩石体积之比。
¡ 由于重力释水时空隙中所保持的除结合水外，还有孔角毛细水乃至 悬挂毛细水， 因此，有：
n n e
（孔隙度）
ne
（给水度）
四、渗透速度（V ）
l 并非真实流速，而是假设水流通过包括骨架与空隙在内的断面（A ）时
根据达西定律：设K＝100m/d; Ha=51m; Hb=49m; L=1000m。得：Q=10m3/d
Q K I K M 1I
K Ha Hb Ha Hb
2
L
K 2L
H
2 a
H
2 b
4
2、求水平等厚承压含水层流量 和承压水头线
如右图所所示，有一承压含
水层由均质等厚的砂组成，
h1
KM
h2
隔水底板水平，地下水做水 0
0’
平稳定运动。砂层中的渗流
L
是缓慢的，属层流，符合达 西定律：
v K dh dx
单宽流量为： q v K M 1 dh
dx
KM dh dx
qdx KMdh
L qdx
0
q L dx 0
q KM
h2 KMdh
h1
KM h2 dh h1
h1 h2 KMI L
设x (0,L), 并对应的测压水位为h，根据上式可写成如下
v?
v
– K: hydraulic tests – n: estimated from
Sensitivity analysis
agnradi/nosirzelaabnodra/toorrylatbeosrtasMCtor=y QtesMts?
§ Which parameters influence the results most strongly?
– w: length perpendicular to flow – b: thickness of the permeable unit
Q?
• Hydraulic gradient (Dh/Dx)
– Dh: difference in water level in ponds – Dx: flow path length, width of barrier • Hydraulic Parameters
图4-1 实际和理想的水流对比
二.流速较缓慢
一般以m/d计算，而河道或管网中的水流则以m/s计算；
根据流速的大小，渗流分两种流态：
层流：在岩石空隙中渗流时，水质点作有秩序的、互不混杂的流动。 流速小，一般岩石空隙；
紊流：水质点无秩序地、互相混杂的流动 。流速大，岩石大空隙（砾
石层、溶洞）。 用雷诺数（Re）判别流态。R e
3）总水头
能量守恒定律：单位质量液体的总机械能又称为总水头。
l 流体的总机械能：位能、压2
m－流体微2 元的质量；u－流体质点的实际流速；
l 任意两点的理想液体的伯努利方程
l 任意两点的实际液体的伯努利方程
z1
雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态。
一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过 渡状态。
图4-2 孔隙岩石中地下水的层流和紊流 （a）-层流；（b）-紊流；1-固体颗粒；2-结合水；箭头表示水
流运动方向。
三. 稳定流与非稳定流
地下水的各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变时，称作稳 定流。否则为非稳定流。
松散岩石渗透系数参考值表
六、达西定律的适用范围
l层流：雷诺数Re<2000-3000；紊流：Re>2000-3000 l达西定律适用范围：Re＜1－10之间某一数值的层流运动。
1 已知某均质含水层，剖面如右图所示，含水层渗透系数 为K，沿径流方向有两个水位观测孔，孔间距为L，两观测 孔观测水位分别为Ha和Hb，求：沿地下水流方向的单宽流 量。
§ Formulate reasonable assumptions
Saturated flow (constant hydraulic conductivity)
Laminar flow (a fundamental Darcy’ s Law assumption)
Parallel flow (so you can use 1-D Darc’y s law)
l 量纲：m/d, cm/s 。 l 影响因素：孔隙大小、多少
− 颗粒大小
V
Q A
KI
− 分选程度
− 问题：是否松散岩层的孔隙度越大，渗透系数越大？
(孔隙大小起主要影响因素，空隙率起次要作用)
− 流体的粘滞性（石油、卤水、热水等） l 用途：重要的水文地质参数，用于水资源评价，建立地下水模型。
l渗透系数在空间位置的变化：均值各向同性、均值各向异 性、非均值各向同性、非均值各向异性
Dh=6.51 ft