水文地质学概念

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。地球深部高温高压下变质生成：CaCO3---CaO+CO2SiO2+CaCO3---CaSiO3+CO2工业发展造成人为CO2（温室效应）主要离子成分七种：Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+和Mg2+氯离子（Cl-）来源：与其相关的各种原岩的风化溶解。如沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；岩浆岩中含氯矿物[氯磷灰石Ca5（PO4）3Cl、方钠石NaAlSiO4NaCl]的风化溶解。来自海水：海水补给地下水，或者来自海面的风将细沫状的海水带到陆地，使地下水中Cl-增多；火山喷发物的溶滤；人为污染硫酸根离子（SO42-）来源：含石膏（CaSO4•2H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；硫化物的氧化2FeS2+7O2+2H2O→2Fe2++4H++4SO42-重碳酸根离子（HCO3-）来源：来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩）CaCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+MgCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Mg2+岩浆岩与变质岩地区，主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解钠离子（Na+）来源：沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；海水岩浆岩和变质岩地区，来自含钠矿物风化溶解。钾离子（K+）来源与Na+相近地下水中含量远低于Na+含量。钙离子（Ca2+）来源：碳酸盐类沉积物的溶解岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解镁离子（Mg2+）含量与来源同Ca2+次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、NO3-、CO32-、SiO32-及PO43-等溶滤作用概念：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中的过程。影响因素：组成岩土的矿物盐类的溶解度，岩土的空隙特征，水的溶解能力决定着溶滤作用的强度，水中CO2、O2等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力，地下水的径流与交替强度是决