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水文地质学概念

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第一章：地球上的水及其循环

泄流概念：地下水呈带状以流向河流等地表水体的方式进行排泄。

越流：具有一定水头差的相邻含水层通过其间的弱透水层发生的水力联系

动态：地下水的各要素（水位、水量、水质、水温、流速、流向等）在自然和人为因素的综合影响下随时间作有规律的变化。

湿度：表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。

小循环与大循环：海洋与大陆之间的水分交换为大循环。海洋或大陆内部的水分交换称为小循环。

自然界的水循环按其循环途径长短、循环速度的快慢以及涉及层圈的范围，可分为水文循环和地质循环两类。

地质循环：地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程。上地幔软流圈对流运动时的水分循环在成岩、变质和风化作用过程中水分子的分解与合成转换及分子态水进入矿物或从矿物中脱出形成再生水的转换

水文循环：是发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环。水文循环的速度较快，途径较短，转换交替比较迅速。

主要气象要素包括：降水、蒸发、 湿度、气温和气压

水文要素包括：流量、径流总量、径流模数、径 流深度和径流系数

降水量和降水方式：降水量越大，蒸发量越大，同量的降水量，降水强度越小蒸发量越大

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。可分为地表径流和地下径流 。

径流特征值：流量：系指单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为m3/s。流量Q等于过水断面面积F与通过该断面的平均流速V的乘积，即：Q=V·F

径流总量:系指某一段T内,通过河流某一断面的总水量,单位为m3。可由下式求得：W=Q•T

径流模数：指单位流域面积F(km2)上平均产生的流量,以L/s•km2为单位，计算式为：

径流深度：指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,单位为mm，计算式为:

径流系数：为同一时段内流域面积上的径流深度Y(mm)与降水量X(mm)的比值：

以小数或百分数表示。

第二章：岩石中的空隙与水分

空隙的三种类型：

孔隙：松散沉积物中的空隙 。孔隙度（n）： V 表示包括孔隙在内的岩石体积

Vn表示岩石中孔隙的体积

裂隙：坚硬岩石地层中的空隙。体积裂隙率（Kr）裂隙体积（Vn）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值，即 面积裂隙率（Ka）单位面积岩石上裂隙面积的多少。

线裂隙率（Kl）垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数

溶穴：可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙。岩溶率（Kk）：

空隙特征：

孔隙：分布均匀、连通性好、各向异性不明显

裂隙：分布不均匀、连通性差、各向异性明显

溶穴：以空隙大小悬殊、分布极不均匀为特征

空隙发育的复杂性：松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙； 坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉积岩往往存在大量的原生孔隙，其数量可大大超过裂VVnKr/VVrKk/隙与溶穴。

强结合水的特点：密度大于1，平均2g/cm3左右，不受重力影响，不能流动。只有在温度105~110℃时才以气态的形式脱离颗粒表面而移动，溶解盐类能力弱80 ℃时仍不结冰，有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度，不能传递静水压力，无导电性

弱结合水的特点：密度大于1，为1.3~1.774g/cm3 ，不受重力影响，可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但速度十分缓慢。溶解盐类能力较弱，冰点为-15℃，有一定的粘滞性和抗剪强度，在一定条件下（饱水带）可传递静水压力，弱结合水的外层能被植物吸收利用

毛细水：依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水。毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙毛细现象及实质：将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。其实质是毛细张力的作用。 形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强，称毛细负压。

毛细水类型：支持毛细水，悬挂毛细水。孔角毛细水

毛细上升高度hc和毛细上升速度

式中：D为毛管直径，mm；Pc为附加表面压力，此在数值上为作用于液面的圆周状边线上指向液层内部的表面张力的合力与其作用面积之比： Pc = 2R/R2；为表面张力系数。

对主曲率半径分别为R1和R2的毛细空隙，拉普拉斯公式：

毛细上升速度：（1）具有不均匀性：开始时上升速度快，以后逐渐减 慢，直到停止。（2）毛细空隙越大，毛细上升速度越大 毛细空隙越小，毛细上升速度越小。

毛细水类型：支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙 中的水。能传递静水压力，当温度低于0℃时冰结。悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈“悬挂”状态，经蒸发后消失。成因：入渗重力水；地下水面急剧下降由支持毛细水转化而成。孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与颗粒接触处孔隙狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。

水文地质参数：容水度：单位体积饱水岩石中所能容纳的最大水的体积。

若以重量计，则称容水量。

除膨胀性粘性土外，容水度与孔隙度（体积裂隙率、体积岩溶率）相当。

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（一般为最大簿膜水层厚度时的体积）。

若以重量计，则称持水量。

若空隙中除持有最大簿膜水外，还保持有一定量的悬挂毛细水和孔角水，则称田间持水度或田间持水量。

给水度（u）单位饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水的体积。即当地下水位下降一个单位时，在重力作用下单位水平面积岩石柱体中所能释放出的水体积。

在数值上

影响给水度大小的因素：岩性影响。有三个方面：组成岩石的矿物成分，颗粒大小、级配及分选程度，空隙情况。毛细上升水及地下水埋深影响。地下水位下降速率影响

渗透系数（K）水力坡降为1时的渗透流速（m/d）

影响渗透性大小的因素:对松散层:颗粒大小、形状、分选程度、密实度、胶结情况。水质、水温、液体类型。对坚硬岩体，同松散层，更取决于裂隙的几何结构特征：延伸方向、宽度、密度、长度、连通性、充填物、裂隙面的粗糙程度等。 含水层的分类：水层介质的性质。孔隙含水层，裂隙含水层，岩溶含水层。含水层透水性在空间：均质，非均质。渗透性与水流运动方向的关系：各向同性，各向异性

第三章：地下水的储存

地下水:指赋存于地面 以下岩土空隙中的水。指赋存于饱水带岩土空隙中的水。

地下水分类：单一因素分类：按起源：初生水、再生水、凝结水、渗入水。按地下水动态：渗入—蒸发型、渗入—径流型， 渗入—蒸发径流（过渡型）。按化学成分：TDS、酸碱度、硬度。综合因素分类

孔 隙 水 裂 隙 水 岩 溶 水

土壤水

局部粘性土隔水层上 裂隙岩层浅部季节性 裸露岩溶化岩层上部岩

包 气 带 水 季节性存在的重力水 存在的重力水及毛细水 道中季节性存的重力水

（上层滞水）过路及

悬留毛细水及重力水

各类松散沉积物浅部 裸露于地表的各类裂 裸露于地表的岩溶

潜 水 的水 隙岩层中的水 化构造中的水

山间盆地及平原松散 组成构造盆地、向斜构 组成构造盆地向斜构

承 压 水 沉积物 深部的水 构造或单斜断块的被掩 造或单斜断块的被掩

覆的各类裂隙岩层中的水 覆的岩溶化岩层中水

上层滞水：包气带中位于局部隔水体以上具有自由水面的重力水。

有如下特点：补给：大气降水。排泄：蒸发、向隔水体边缘流散排泄。动态变化：雨季补给，旱季消耗，甚至没有。水质水量：含盐量低，易受污染；水量小，仅能作为小型或暂时性供水 水源。

潜水含水层：地面以下第一个具有连续 自由水面的含水层。潜水：潜水含水层中的地下水。潜水面：地面以下第一个连续自由水面。 潜水位：潜水面的海拔高程。

潜水层厚度：潜水面到隔水底板的垂直距离。 潜水面埋深：潜水面到地面的垂直距离。潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板；

潜水特征：分布区与补给区一致潜水面不承受除大气压力外的其他任何附加压力。两种排泄方式：径流排泄：泉和渗流形式泄出地表。蒸发排泄：土面蒸发和植物蒸腾。动态：受水文和气象控制和影响，呈季节性变化 。水质和水量：水质取决于气候、地形及岩性条件 ；易污染。水量易恢复，但缺乏多年调节性

潜水影响因素：地形，含水层厚度及透水性，水文气象因素，地质构造因素，人为因素。

承压水：充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水，叫作承压水 。

承压含水层：赋存承压水的含水层。

隔水顶板和隔水底板：承压含水层上部和下部的隔水层（弱透水层）称作隔水顶板和隔水底板。 承压含水层厚度：隔水顶底板之间的距离为承压含水层厚度。

承压水盆地：形成承压水的向斜盆地。

承压水特点：分布区大于补给区。含水层中心部分埋没于隔水层之下，是承压区；两端出露于地表，这非承压区。含水层从出露位置较高的补给区获得补给，向另一个侧出露位置较低的排泄区排泄。 隔水顶板承受一定的静水压力。即静止水位高于初见水位。承压水面是虚构面，只有在揭穿隔水顶板时才存在。含水层厚度不发生显著变化（弹性储水与释水）

承压水的形成条件：主要取决于构造条件：盆地构造、单斜构造等其次是地层、岩性条件：透水性与地层的组合关系最后是地形地貌条件：盆地、谷地、山岭等影响补给与排泄岩层组合关系影响蓄水条件

结晶水：以H+和OH-离子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。

结构水：：以H2O分子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。

沸石水：以H2O分子形式存在于矿物晶格的空隙中，与矿物结合不紧密。

三者差别：1 结合水的数量不同； 2 结合水逸出程度不同：前两者需高温，后者在常温下即可逸出

包气带与饱水带的差别：（1）饱水带只存在重力势，包气带同时存在重力势与毛细势；（2）饱水带任一点的压力水头是个定值，包气带的压力水头则是含水量的函数；（3）饱水带的渗透系数是个定值，包气带的渗透系数随含水量的降低而变小

第六章：地下水的化学成分及形成作用

地下水主要的气体成分常见的有O2、 N2、CO2、CH4 及 H2S

氧（O2）、氮（N2）：来源：主要来源于大气 ： O2占20.95%， N2占78.09%，生物化学作用：微生物分解有机物与矿物盐类水生植物的光合作用放出O2 ，变质作用：岩石在高温高压下影响下可生成。H2S来源：硫酸盐还原，硫化矿物分解，火山喷发，H2S和CH4的存在表明还原环境，H2S一般出现在深层地下水中，油田水中含量很高，常以此作为寻找石油的间接标志。二氧化碳（CO2）来源：大气，但含量较低，工业化城市地区含量高。土壤层。有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用使土壤中源源不断产生CO2并溶入流经土壤的地下水中。

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水文地质学

水文地质学

水文地质学是一门研究地下水的数量和质量随时间和空间变化以及合理利用地下水或预防和控制其危害的规律的学科。

地下水的埋藏，分布，运动和组成在不同的环境中是不同的。找出上述条件可以为科学利用或预防地下水提供基础。水文地质学着眼于自然历史和地质环境的影响，主要利用水文循环和水平衡原理与地下水水文学密切相关，但研究重点略有不同。

水文地质学发展简史

人们早在远古时代就已经钻过水井。中国最著名的古迹是距今约5700年前的浙江余姚的河姆渡古文化遗址。在古代波斯时期，喀麦隆人在德黑兰附近建起了卡累兹，最大长度为26公里，最大深度为150米。大约在公元前250年，在中国四川，挖了一条深度超过100米的自流井，用于开采地下盐水。中国汉代的赤潮龙首运河是结合井道和运河的取水结构。在利用井泉的过程中，人们还探索了地下水的来源。法国的Palisi，中国的徐光启和法国的Edme Mariotte指出，Seisensui来自大气降水或河流入渗。 Edme Mariotte还提出了含水层和含水层的概念。

1855年，法国水力工程师达西（Darcy）对沙子进行了水渗透测试，并获得了线性渗透定律，即著名的达西定律，奠定了水文地质学的基础。 1863年，法国禧年根据达西定律提出了计算潜水水流量的假设以及地下水流向井的稳定公式。 1885年，英国的张伯伦确定了自流

井发生的地质条件。 1885年，福希海默（Forchheimer）制作了流网络图，并开始应用映射方法。

在19世纪末和20世纪初，提出了一些有关地下水来源的新理论。奥地利的修斯提出了1902年的出生理论。1908年，莱恩，戈登和俄罗斯的安德鲁索夫分别提出自然界存在与沉积岩同时产生的沉积水。 1912年，Keilhack提出了地下水和泉水的分类方法，并概述了地下水的埋藏特征和排放条件。 1928年，Mainzer提出了承压含水层的可压缩性和弹性。他们为水文地质学的形成做出了重要贡献。

水文地质学 2

水文地质学 2

水文地质学：

水文地质学是研究地下水的数量和质量随空间和时间变化的规律，以及合理利用地下水或防治其危害的学科。

发展简史：

人们早在远古时代就已打井取水。中国已知最古老的水井是距今约5700年的浙江余姚河姆渡古文化遗址水井。古波斯时期在德黑兰附近修建了坎儿井，最长达26公里，最深达150米。约公元前250年，在中国四川，为采地下卤水开凿了深达百米以上的自流井。中国汉代凿龙首渠，是一种井、渠结合的取水建筑物。

1855年，法国水力工程师达西，进行了水通过砂的渗透试验，得出线性渗透定律，即著名的达西定律，奠定了水文地质学的基础。1863年，法国裘布依以达西定律为基础，提出计算潜水流的假设和地下水流向井的稳定流公式。1885年，英国的张伯伦确定了自流井出现的地质条件。奥地利福希海默在1885年制出了流网图并开始应用映射法。

19世纪末20世纪初，对地下水起源又提出了一些新的学说。奥地利修斯于1902年提出了初生说。美国莱恩、戈登和俄国安德鲁索夫在1908年分别提出在自然界中存在与沉积岩同时生成的沉积水。1912年德国凯尔哈克提出地下水和泉的分类，总结了地下水的埋藏特征和排泄条件。美国迈因策尔于1928年提出了承压含水层的压缩性和弹性。他们为水文地质学的形成作出了重要贡献。

泰斯于1935年利用地下水非稳定流与热传导的相似性，得出了

地下水流向水井的非稳定流公式即泰斯公式，把地下水定量计算推进到了一个新阶段。20世纪中叶，苏联奥弗琴尼科夫和美国的怀特在水文地球化学方面作出了许多贡献。到第二次世界大战结束时，在地下水的赋存、运动、补给、排泄、起源以至化学成分变化、水量评价等方面，均有了较为系统的理论和研究方法。水文地质学已经发展成为一门成熟的学科了。

20世纪中叶以来，合理开发、科学管理与保护地下水资源的迫切性和有关的环境问题，越来越引起人们的重视。同时，人们对某些地下水运动过程有了新的认识。1946年起，雅可布和汉图什等论述了孔隙承压含水层的越流现象。英国博尔顿和美国的纽曼分别导出了潜水完整井非稳定流方程。

水文地质学 3

水文地质学 3

《水文地质学基础》读书报告

一、地球上的水及其循环

地球上的水的分布可分为浅部层圈水与深部层圈水。浅部层圈水:从大气圈到地壳上半部,包括大气水、地表水、地下水以及生物体中的水,以液态为主,也呈气态与固态形式存在。深部层圈水:分布于地壳下部到下地幔,以被压密的气水溶液的形式存在。浅部层中自由态的水与深部层中的特殊高温高压下离解状态下的水以及地壳矿物内部的结合水相互转化相互联系,因此广义上的水圈包括地球各圈层中以各种不同状态存在且相互转化的所有的水。

地球上的水循环即地球上各圈层中的水相互联系相互转化的过程,可分为水文循环和地质循环。

水文循环的对象为浅部层圈水中的大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水。循环过程为蒸发(海洋蒸发、水面蒸发、土面蒸发、叶面蒸发等)→大气中水汽转移→降水→入渗→地表径流或地下径流→蒸发。水文循环按循环途径长短可分为大循环和小循环。海洋与大陆之间的水分交换为大循环;海洋或大陆内部的水分交换为小循环。是分子态水的转换,更替速度较快。

地质循环为地球浅层圈与深层圈之间水的相互转化过程。常伴有水分子的分解与合成,转换速度缓慢。

与水文循环有关的气象因素包括大气圈的结构(主要因素是对流层的物理状态和运动规律)、大气的热源(太阳短波辐射以及地表长波辐射)、主要的气象要素(气温、气压、湿度、蒸发、降水)。水文因素主要是径流。表征地表径流的特征值有:流量;径流总量;径流模数;径流深度;径流系数。

我国水文循环概况:由于季风的控制,我国大部分地区旱季雨季分明,降水集中。我国水资源在时间上分配不均。雨季降水丰沛,旱季降水稀少。此外,我国降水在空间上分布也不均匀,从东南沿海向西北内陆递减。降水是地下水补给的最重要来源,因此一个地区地下水资源的丰富程度通常决定于该地区降水量的多寡。一个地区地下水资源通常是多年水文循环的结果,我们在研究一个地区的地下水状况时必须从整个地球或某个较大尺度区域的水文循环角度出发,从整体上把握地下水形成、流动以及污染物迁移转化的复杂性。

水文地质学 4

水文地质学 4

水文地质学

明白得水文地质学的研究对象与任务，了解水文地质学的研究意义。

1．水文地质学的研究对象

水文地质学〔hydrogeology〕是研究地下水的专门学科。它是在地质科学〔如地层学、岩石学、构造地质学、地球化学、地球物理学等〕的基础上，和其它一系列基础自然科学(如数学、物理学、化学、生物学等)以及水文科学相互结合，相互渗透，逐步进展成为一门跨学科的综合性边缘学科。

地下水是存在于地下岩石中的水分。其存在形式多种多样，狭义上的地下水是地下1000m范畴内岩土间隙中的水，是本课程的要紧研究对象。

水文地质学要紧研究地下水的来源、分布规律、埋藏条件、物理性质、化学成分、运动规律、动态特点、勘察方法以及不同条件下的合理利用与爱护、防治地下水的危害等方面。

2．水文地质学的研究意义

地下水对人类的阻碍是多方面的。归纳起来，表现在两个方面：

1． 有利方面

(1) 供水水源

水是人们赖以生存的宝贵资源。水资源包括地表水资源和地下水资源，地下水以其水质好、分布广泛、变化稳固、以及便于利用而得到广泛应用。在洪涝、半洪涝地区，地下水往往是要紧的，甚至是唯独的生活及工农业供水水源。

① 生活用水——都市生活用水要求水质好〔必须符合饮用水水质标准〕、水量稳固。地下水普遍能满足这些要求，因此常作为生活供水水源开发。全世界用于生活水量占总用水量的5%。

② 工业用水——工业生产过程中或制造的产品需要用到大量的水。占总水量的20%。

③ 农业用水——农业灌溉用水量十分庞大，据统计，全世界总用水量的75%。

(2) 矿物原料：地下水本身是游泳的矿物原料，专门含化学成分高的地下水。可从中提取多种有用的化合物和元素，如自贡地下卤水，含盐量70g/l，含有井盐(NaCl)、钾盐、芒硝、溴、碘、钡等成分。开采历史悠久。

(3) 医疗用水：地下水中含某些专门成分如放射性元素、专门气体且具有较高温度时，常具有医疗意义。温泉多数具有医疗功效。