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环境科学中的地下水水文学地下水是指地下自然存在的水体，在地质层中沉积了数万年，具有大量的储量和慢速流动的特点。
它是人类生产和生活中不可或缺的水源，对于地球生态系统的平衡也起着重要的作用。
因此，研究地下水的水文学是环境科学中一个至关重要的领域。
一、地下水水文学的基本概念地下水水文学是土地水文学的重要分支，其研究对象是地下水的水文过程。
地下水的获取和分布与地质情况和气候环境等因素有关。
地下水水文学主要研究地下水的产生、流动和储存等过程。
它的基本概念包括水文循环、地下水流动、地下水资源评价等。
水文循环是指自然界中水在不同介质之间的流动过程，包括地表径流、蒸发、植物蒸腾和地下水的流动等。
地下水流动是指地下水在不同地质层之间的渗透和流动过程。
地下水资源评价是指对地下水资源进行分布、储量、质量和可利用性等方面的评价和分析。
二、地下水水文学的研究内容1、地下水的水文循环地下水水文学的研究重点之一是地下水的水文循环。
地下水是水文循环的重要组成部分，它通过渗透和地下水流动等过程参与地表水循环，并与河流、湖泊和海洋等水体相互作用，对地表水资源的稳定和平衡起着重要的调节作用。
2、地下水的分布和储量地下水是储藏在地下岩石或土壤中的水体，在自然地质条件下形成。
地下水的分布和储量与地质、气候和人类活动等因素有关。
地下水储量的评估是地下水水文学的另一个重要研究内容，其目的是对不同地区地下水储量进行科学的评估和合理的利用。
3、地下水流动和污染地下水流动是地下水水文学的另一个重要研究内容，其研究对象是地下水的流动规律以及不同地质层和水文单元之间的相互作用。
地下水污染是指地下水中存在有害物质，如重金属、化学药品和有机物等，导致地下水质量下降和污染环境的一种形式。
地下水的流动和污染研究对于保护地下水资源和预防地下水污染具有重要的意义。
三、地下水水文学的应用1、地下水资源开发利用地下水是重要的水资源，对于满足人类的生产和生活需要起着至关重要的作用。
⽔⽂学第七章_地下⽔第七章地下⽔华东师范⼤学资源与环境学院地理系师育新◆地下⽔是地球⽔资源的重要组成部分，与⼈类社会有着⼗分密切的关系，是⼈类⽣产⽣活的重要⽔源，同时地下⽔⼜是重要的环境因⼦，对⼀个地区的⽣态环境起着极为重要作⽤。
⼀、地下⽔的形成与分布（⼀）、地下⽔的概念◆⼴义地下⽔是指蓄存并运移于地表以下⼟壤和岩⽯空隙中的⾃然⽔. ◆狭义地下⽔则特指潜⽔⾯以下饱和带（饱⽔带）中岩⼟空隙中的重⼒⽔。
（⼆）地下⽔的贮存空间 1．岩⽯的空隙衡量岩⽯空隙发育程度的数量指标为空隙度。
◆空隙度是岩⽯中空隙的体积与岩⽯总体积的⽐值。
如已知岩⽯的总体积为V ，岩⽯空隙体积为Vn ，则岩⽯的空隙度为：P ＝Vn/V, 以⼩数或百分数表⽰。
将空隙作为地下⽔的储容场所和运动通道研究时，根据空隙的成因，可以分为孔隙、裂隙和溶隙3类。
（1）孔隙◆松散岩⽯的颗粒或颗粒集合体之间，普遍存在着相互连通，呈⼩孔状的空隙，称作孔隙。
它的多少⽤孔隙率表⽰。
◆孔隙率是某⼀岩⽯中孔隙体积所占⽐例。
它等于岩⽯中孔隙体积V n 与岩⽯总体积V 之⽐： n=V n /V ⽤百分数或⼩数表⽰。
（2）裂隙在坚硬岩⽯中充满了各种裂隙。
如成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙等。
裂隙的多少⽤岩⽯中裂隙的体积V T 与岩⽯总体积V 之⽐，即裂隙率（K T ）表⽰： K T =V T ／V 。
裂隙发育⾮常不均匀，它对地下⽔的赋存、运动有很⼤影响。
（3）溶隙发育在易溶岩⽯中，主要由地下⽔的溶蚀作⽤⽽形成。
K k ＝V k ／V式中：K K ——岩溶率；V k ——岩⽯中溶隙的体积；V ——岩⽯总体积。
岩溶发育极不均匀，⼤者宽达数百⽶，⾼数⼗⽶，长⼏⼗公⾥，如⼀些地下溶洞、暗河，⼩的仅⼏毫⽶。
2．含⽔层和隔⽔层◆含⽔层是指能够给出并透过相当数量⽔的岩体。
这类含⽔的岩体⼤都呈层状，所以称为含⽔层，如砂层、砾⽯层等。
◆隔⽔层是指那些既不能给出⼜不能透过⽔的岩层，或者它给出或透过的⽔量都极少。
地下水基础知识大全地下水(ground water)，是指赋存于地面以下岩石空隙中的水，狭义上是指地下水面以下饱和含水层中的水。
在国家标准《水文地质术语》(GB/T 14157-93）中，地下水是指埋藏在地表以下各种形式的重力水。
下面，随小桔一起轻松愉快去了解地下水来源、分类、特点、隔层水和含水层！受益匪浅！目录：一、地下水的来源和赋存形式1. 地下水的来源2. 岩石中的孔隙和水分3. 岩石中水存在的形式4. 与水分的储存和运移有关的岩石性质二、地下水及其分类1. 基本概念2. 地下水分类三、包气带、饱水带、含水层与隔水层1. 基本概念2. 含水层类型划分3. 上层滞水和潜水4. 层间水（承压水）5. 潜水和承压水（层间水）比较一、地下水的来源和赋存形式|一、地下水的来源1. 渗入水2. 沉积水3. 再生水4. 初生水5. 有机成因水|二、岩石中的孔隙和水分1. 岩石中的孔隙：孔隙、裂隙和溶孔2. 有关孔隙度的几个基本概念•孔隙：组成松散岩石颗粒或颗粒集合体之间的间隙；裂隙：应力作用下坚硬岩石破裂变形产生的。
可分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙；溶孔（洞）：可溶的沉积岩在地下水溶蚀下产生的空洞；孔隙度Φ：某一体积V岩石中孔隙体积Vn所占比例裂隙率Kr：裂隙体积Vr与包括裂隙在内的岩石体积V的比值熔岩率K：溶洞的体积Vk与岩石总体积V的比值3. 影响孔隙度大小的因素方体排列紧密，孔隙度大；四面体排列，松散，孔隙度大;颗粒分选程度：分选好，孔隙度大；分选差，颗粒大小悬殊，细小颗粒充填于粗大颗粒之间，孔隙度降低;颗粒形状：颗粒形状不规则--排列松散--孔隙度大粘性土的结构和次生孔隙：带电粘粒--聚合--结构孔隙--孔隙度增大--次生孔隙（虫洞、根孔、干裂缝）发育--孔隙度增大。
孔隙的特点4. 岩石中的各种裂隙1-分选良好，排列酥松的砂；2-分选良好，排列紧密的砂；3-分选不良的，排列紧密的砂；4-经过部分胶结的砂岩；5-具有结构性孔隙的黏土；6-经过压缩的黏土；7-具有裂隙的岩石；8-具有溶的可溶岩|三、岩石中水存在的形式1. 气态水：以水蒸气的形式储存在地下的水；2. 固态水：指岩石中温度在0℃以下的重力水。
讲授：肖长来吉林大学环境与资源学院水文水资源系2004年9月地下水水文学Groundwater Hydrology第二章岩石中的孔隙与水分提要本章要求学生掌握空隙（孔隙、裂隙、溶穴）的概念、分类、表示方法及主要影响因素，掌握重力水、毛细水、结合水、容水度、含水量、给水度、持水度、透水性的概念、表示方法及主要影响因素，了解岩石中水的存在形式，岩石的水理性质（与水的储存及运移有关的岩石性质），太沙基有效应力原理，理解地下水位变动引起的岩土压密。
第二章岩石中的孔隙与水分2.1岩石中的空隙2.2 岩石中水的存在形式2.3 岩石的水理性质（与水的储容及运移有关的岩石性质）2.4 有效应力原理与松散岩石压缩2.1 岩石中的空隙2.1.1 孔隙（1）孔隙是指组成松散岩石的物质颗粒或其集合体之间的空间。
特点：①呈小孔状，②分布均匀且密集，③连通性好。
Pore space is the volume between mineral grains in a porous medium.(HG)（2）孔隙度是指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。
n=Vn/V ·100%，V=Vn+Vs,其中n 为孔隙度，Vn 为孔隙体积，Vs 为岩石固体颗粒体积，V 为岩石总体积。
Porosity is the ratio of the volume of void spaces in a rock or sediment to the total volume of the rock orsediment.(HG)2.1 岩石中的空隙岩石中的各种空隙2.1 岩石中的空隙岩石中的各种空隙（3）孔隙度(n) 大小的影响因素：①分选程度（f=d60/d10）：分选差时n小，大小混杂时n小；②颗粒排列：立方体时n=47.64%，四面体n=25.95%，其余一般介于两者之间，菱面体排列n=26.795%≈37%。
③颗粒形状：棱角多、松散的，n大。
地下水水文学1自然界水的分布、循环与均衡自然界水均衡(water equilibrium)水分循环三要素：蒸发(Z)、降水(X)和径流⑺水均衡：在一定时间、一定区域内，水分循环的三要素之间的数量关系水均衡原理：对于任一地区(系统)，在任一时间内，收入的水量与支出的水量之间的差额必等于其蓄水量的变化。
在海洋：Zo=x o-^ y在陆地：Z C=X C - V全球：Z O + Z C=X O + X C 水在岩土中的赋存形式液态水结合水：受到固相表血的吸引力大于其自身重力的那部分水重力水：距离固相表面更远的、能在重力下运移的那部分水毛细水：松散岩土中细小孔隙通道构成毛细管，在毛细力的作用K,地下水沿着细小孔隙上升到一定高度，这种既受重力又受毛细力作用的水。
支持毛细水悬挂毛细水孔角毛细水气态水固态水其它：矿物结合水(沸石水、结晶水、结构水)与水分贮存、运移有关的岩土性质容水性：岩土能容纳一定水量的性能，常用含水率表示。
含水率饫单位体识岩土中所含水的体积(water content; mositure content)容水度(water capacity) 岩土完全饱和时所容纳的最大水体釈与岩土总体积2比。
在数值上，一般与孔隙度(裂隙率、溶隙率)相等，但对于有膨账性的岩土，由于充水后体积扩大，其容水度可大于孔隙度饱和度(saturation)5:含水率与容水度的比值。
5=1表示饱和，O<S<1表示非饱和v G e o汐= 2X100% 或 5 =—=-V C J C H, n式屮0—体积含水率V w••含水体积V—包括孔隙在内的岩土总体积0^重量含水率G w••含水的重ffl G7-干燥岩土的重ft持水性(moisture retention)：含水岩土在重力作用下释水时，由于同体颗粒表面的吸附力和毛细力的作用，使在其空隙中能保持一定水量的性能持水度心：指饱水岩土在重力作用下，经过2—3天释水后，岩土空隙巾尚能保持的水体积与岩土总体积之比，这时的岩土含水率也称为田间持水率。
一．地下水水文学1自然界水的存在位置：岩石圈、水圈、生物圈，主要分布在岩石圈。
2水文循环：（大循环、小循环）地球浅部层圈中的水，即大汽水、地表水、地壳浅部地下水的相互交替。
（速度较快、途经较短），动力主要为太阳辐射、地球引力。
3地质循环：地球浅部层圈水与深部层圈水之间的相互交换过程4自然界的水均衡：在一定的时间、区域内，水分循环三要素（蒸发、降水、径流），之间的数量关系。
全球水均衡：ZM +ZC=XM+XC5地下水存在岩土的孔隙中，孔隙是一个控制因素。
孔隙性（孔隙的大小、形状、分布特点以及连同情况），分为三类（松散沉积物的空隙、坚硬不可溶岩石中的空隙、可溶性岩石中的空隙）6孔隙度：松散岩土的孔隙主要表现为空袭的多少与大小。
大小取决于排列情况与分选程度。
一定体积的孔隙体积与该岩土总体积之比（n=VN/V），孔隙度的大小与颗粒大小无关。
7.孔隙三种分类的差异表1-38.水的岩土存在形式图1-89水体的岩理性质：（容水性、给水性、持水性、透水性）容水性：岩土具有容纳一定水量的性质。
容水度：（S）是指岩土中所能容纳的最大的水体积与岩土总体积之比。
给水性：饱水岩土在重力作用下能自由排出一定水量的性质。
给水度：（）是指饱水岩土在重力作用下释放水的体积与岩土总体积之比。
（给水度的大小与岩性、初始地下水埋深以及地下水位下降速度）。
持水性：是指饱水岩土在重力作用下，推出重力水后仍能保持一定水量的性质。
持水度：（Sr）是指饱水岩土在重力释水后，仍能保持水量与岩土总体积之比。
透水性：岩土允许重力水透过的能力。
透水性是影响水量的重要因素，岩土孔隙的大小、多少、连通性直接影响透水性。
渗透系数：（K）表征岩土透水量的指标。
10岩层给水性和透水性能的好坏分类：含水层、隔水层（弱透水层）。
含水层：能够透过并且给出相当数量水的岩层。
隔水层不能透过或不能给出水。
11含水层具备条件：储水空间（孔隙愈大、数量愈多、连通性愈好，透水性愈好）、储层地下水的地质构造条件、良好的补给来源。
地下⽔⽔⽂学（⿇省理⼯讲义）1.72, Groundwater HydrologyProf. Charles HarveyLecture Packet #1: Course Introduction （课程简介）, Water Balance Equation(⽔量平衡)Hydrologic cycle with yearly flow volumes based on annual surface precipitation on earth, ~119,000 km 3/year.3000 BC – Ecclesiastes 传道书1:7 (Solomon)“All the rivers run into the sea; yet the sea is not full; unto （直到） the place from whence the rivers come, thither they return again.”Greek Philosophers (Plato, Aristotle 柏拉图，亚⾥⼠多德) embraced the concept （接受这个概念）, but mechanisms were not understood.17th Century – Pierre Perrault showed that rainfall （降⾬） was sufficient to explain flow of the Seine.地表径流径流排泄蒸腾和蒸发渗透地下⽔补给地下⽔流动低渗透地层LatitudeThe Earth’s Energy (Radiation) Cycle:TheSpaceAtmosphereOcean and LandCirculation redistributes energy 20 0 -20-60 4.03.0T o tal Flux2.0 Latent1.0Heat0 Ocean-1.0 CurrentsSensibleHeat-2.0 -3.0-4.0Ener gyTransfer (1022cal /yr ) Ne t ra dia tio n flu x (101cal cm 2 /yr) 90 0N 60 030 00 0 300 600 90 0 SSpatial distribution of energy and temperature drives circulation – both Polar front/subarctic lowWesterliesWesterliesTrade WindsTrade WindsPolar front/subarctic lowCoupled Earth CyclesEstimates from river outflows indicate 17 x 109 Tons/Year of material is transportedinto the Ocean. Another 2 or 3 x 109 Tons/Year is trapped in reservoirs. 80% of material transported is particulate 20% is dissolved0.05 mm/yr (may have been accelerated by man, and actual rates may be much larger)Soil Moisture(16,500) Glaciers(24,000,000)Rivers(2 ,120) Lakes & marshes (102,000)46 ,00043 ,800Oceans,338,000,000)(1 Ground Water(10,800,000)458,0002 ,700,70044 Energy CycleHydrologic CycleMaterial 物质 CycleGlaciers Fresh Water AtmosphereOceansRelative volumes of water in glaciers, fresh water, atmosphere and oceans.is potable and available.What are water needs for humans?Primitive conditions – 3 to 5 gallons/day Urban use – 150 gallons/dayUS Fresh Water Use – 1,340 gallons/dayWhere does the water go? To make things…to clean things….A lot of water is used for agriculture o56% (76 BGD) is consumptive use o20% (28 BGD) is lost in conveyance o 24% (33 BGD) is return flowA lot of water is used for thermoelectric power generation o 87% of all industrial water useA small savings in either of these categories would free up significant quantities for public suppliesAnalysis of human appropriation of renewable freshwater supply (RFSW) on land. Figure adapted from Postel et al., Science, (271) p. 758, Feb. 9, 1996Postel et al.’s Calculations1)Calculation of appropriated ET – indirect132 billion tons of biomass produced a year (Vitousek, 1992).30% used by people.Approximate people’s use of ET from the proportion of biomass – 30%.Subtract agricultural irrigation (2,000 km3/year) and assume half the water.from parks and lawns is irrigation (80 km3/year).2)Inaccessible runoff95 of the Amazon, Half of the Zaire-Congo and all of the Polar rivers 7774 .km3/year (did not consider other northern rivers –conservative?).Flood water. 11,100 km3/year of runoff is base flow (6).Capacity of man-made reservoirs is 5,500 km3/year. Accessible runoff = Baseflow + reservoir capacity = 12,500. adjusted for accessible3)Withdrawals (consumed)12,000 m3/ha average irrigation water application.240,000,000 ha of world irrigated area.2,880 km3/year.65% consumed = 1,870 km3/year.Industrial use: 975 km3/year, 9% consumed, 90 km3/year.Municipal use: 300 km3/year, 17% consumed, 50 km3/year.Reservoir losses – 5% loss, 275 km3/year.Total consumed = 2,285 km3/year.4)Instream use28.3 L/s per 1,000 population, applied to 1990 population, 4,700 km3/year.Assuming 50% of waste gets treatment – 2,350 km3/year.Neglects dispersed pollution (agricultural) and flood waters.Estimated water use in the United States, billion gallons per day (bgd), for domestic and commercial purposes. Adapted from Solley, Pierce, and Perlman, 1993.Watershed Hydrologic BudgetsDelineation of a watershed (drainage basin, river basin, catchment)Area that topographically appears to contribute all the water that flowsthrough a given cross section of a stream. In other words, the area over which water flowing along the surface will eventually reach the stream, upstream of the cross-section.Horizontal projection of this area is the drainage area.The boundaries of a watershed are called a divide, and can be traced on atopographic map by starting at the location of the stream cross-section then drawing a line away from the stream that intersects all contour lines at right angles. If you do this right, the lines drawn from both sides of the stream should intersect. Moving to either sideWater Balance EquationSt =P G + in (Q + ET +G out )SAt steady-state: = 0tP G +in = +(Q ET + G out )Hydrologic ProductionRunoff, or Hydrologic CirculationQ and P are the only quantities that we can try to measure directly. If steadystateis assumed, these measurements can be used to calibrate models of evapotranspiration and groundwater flow.PETSG i n o utQFrom and engineering point of view we are interested in understanding what controls Q.Q = P + (G in ?G out )?ETHow much of Q is available to human use? How can we increase Q?Lake Parabola(A simple quadratic model of the cross section of a circular lake)Discharge into Lake ParabolaIf there is constant volume flux Q m 3/day into the lake, how does the depth dependon time? (At time 0, the depth is H o m)Since there is no outflow, the charge in storage must equal the inflow Mass-balance (water balance) equationdV H ( ) πd H ( 2) πdHQ = == Hdt 2c dtc dtThis differential equation can be solved by separation of variablesT HcQ∫π dt =H∫ohdhH 21-2-112π 232 H[m]1T [days]Discharge into and Evaporation out of Lake Parabolae = rate of evaporation [L/T]dV H ( ) π =QAe =Q He dt cπdH πdH Qc H =Q ? He = ?e c dt c dt πHcQ T H 2 o+ 2= H 2H =2 c Q T H o 2 π0 2 4 6 1410 8 12 Q=10 [m 3 /day]c=0.1 [1/m]dHQcSteady State Solution=edt πHQc (10)(0 .1)H = = = 10 .6 m πe π( 0 . 03) Discharge, evaporation and seepage dV H () Q eA ??kHA =Q ?e πH ?k πH 2 = dt c cπH dh =Q ?e πH ?k π 2dh Qc e ?kHH= ?cdtccdt πHH 21-2 -1 0 1 210 8H [m] 6Q=10 [m 3 /day]4 c=0.1 [1/m] e=0.03 [m/day]2T [days]dh QcSteady State Solution = ?e ?kHdt πHQc ?eH ?kH 2 = 0πQuadratic formula:e π± (e π) 2 ? 4ck Q π H ==-3.8 m, 2.8 m2k πResidence Time (steady state, complete mixing) Very useful concept for degradation and chemical reactions0 R V = QT RT R = V/Q ExactlyComplete mixingQT R = V/QOn Average2.75 2.5 2.25 H [m] 2Q=10 [m 3 /day]1.75 c=0.1 [1/m] e=0.03 [m/day] 1.50 k=0.03 [1/day]1.25200600400800T [days]For this problem:Consider discharge and evaporation out of Lake Parabola. Assume no seepage.Q = input = output = 10 [m3/day]V H () =πH 2 = π10.62 = 1,765m32 c 2(0. 1)1,765m3T R =V Q / = 10m3 / day = 176 .5days Consider yourself:。
