水文地质学基础课后思考题(附答案)

第1-2章思考题1、试概括地下水的功能及其意义。（1）宝贵的资源：地下水分布广泛，变化稳定，水质良好，便于利用，是理想的饮用水源，也是工业、农业用水的重要供水水源。含水介质储能，夏储冬用。地源热泵。地下水景观，如古井遗址、湿地等是良好的旅游资源。（2）重要的地质营力：地下水是物质和热量传输（温泉）及应力传递（水库诱发地震，滑坡）的载体。地下水是良好溶剂，成矿、找矿发挥重要作用。（3）不可忽视的致灾因子：地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷、潜蚀管涌等。地方病，如甲状腺病。（4）活跃灵敏的生态环境因子：地下水是生态环境系统中一个最为活跃灵敏的子系统。气候、水、土壤和生物，处于相互作用的动平衡，人类活动干扰天然地下水，成为生态环境恶化的重要因素。如盐渍化（干旱－半干旱地区）、沼泽化（湿润地区）、石漠化（南方岩溶地区）、地下水污染等。（5）极有价值的信息载体：地下水及其沉淀物、化学及微生物特征，可提供十分珍贵的环境变化信息。可预测地震，提供不同时空尺度的环境信息，水文地质找矿，可重塑历史时期及地质时期的气候变化。2、试比较水文循环与地质循环。水文循环：大气水、地表水、地壳浅表地下水之间的水分交换。（1）是直接循环，浅部层圈水分子直接交换。（2）循环速度快，途径短，交替迅速。（3）水文循环的驱动力是太阳辐射和重力。（4）对于保障生态环境及人类的生存发展，至关重要。水质持续净化，水量持续更新再生。地质循环：大气圈到地幔之间发生的水分交换。（1）是间接循环，与沉积岩、岩浆活动、岩石重结晶有关。（2）循环途径长，速度缓慢，周期长。（3）有助于分析地层浅表和深部各种地质作用，对于寻找矿产资源、预测大尺度环境变化和深部地质灾害等均有重大意义。第3章讨论题1、孔隙度大和孔隙大有区别吗？孔隙是松散岩层中颗粒及颗粒集合体之间的空隙；孔隙度是单位体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙所占的比例。孔隙大表示松散岩层中颗粒及颗粒集合体之间的空隙大，孔隙度大指的是岩体中孔隙的比例大。前者只是对孔隙的单一形态描述，后者为孔隙在岩土体的占比。2、粘性土孔隙度大，是含水层吗？不是含水层。粘性土的孔隙度大，但是孔隙很小，，并非好含水层，土粒表面有很多结合水，细小孔隙间有毛细水，这两部分水都很难释出，不具备含水条件，含水能力较弱。3、某岩土的给水度是一个确定值吗？不是确定值。给水度取决于颗粒大小、分选、土层结构、地下水位初始埋深、地下水位下降速度等多方面因素的影响，这些因素不是确定和统一的。当其它条件相同情况下，初始水位深度大于支持毛细水高度时，其值与理论值接近；当初水深小于毛细水高度，随着初水深下降，其值减小，直到初水深小于饱和毛细水高度，其值接近于零。水位下降速度越快，产生悬挂毛细水或孔角毛细水越多，其值越小。4、为什么岩层裂隙是较好的地下水运移通道？在松散岩层中，孔缝分布连续均匀，构成有统一水力联系、水量分布均匀的层状孔缝含水层。而对于坚硬基岩，由于裂缝在岩石中发育不均匀，从而导致储存其间水的分布不均匀。裂缝发育的地方透水性强，含水量多，反之，透水性弱，含水量也少。因裂缝率比孔缝率小，加之裂缝发育不均匀且具方向性，在裂缝发育密集均匀且开启性和连通性较好的情况下，裂缝水呈层状分布，并且具有良好的水力联系和统一的地下水面。在裂缝发育不均匀，连通条件较差时，通常只在岩石中某些局部范围内连通而构成若干个互不联系或联系很差的脉状含水系统，各系统之间水力联系很差，往往又无统一的地下水位。同时，裂缝水的分布和富集受地质构造条件控制明显。所以说岩层裂隙是较好的地下水运移通道。第四章1、为什么承压含水层的弹性给水度远小于潜水含水层的重力给水度？因为在承压含水层中，弹性给水度是当承压含水层中测压水位升降一个单位，单位水平面积含水层柱体释放或储存的水量。潜水含水层的重力给水度是指在潜水含水层中，当水位下降一个单位时，从单位面积含水层存贮体中，由于重力疏干释放地下水的体积。开采承压含水层时，释出的水量主要是由于减压水体积发生弹性膨胀。但由于水的膨胀系数很小，所以这一部分释出水量很小，由于水压下降导致的有效应力增加量很小，这一部分释出水量很小，还有有效应力增大而导致含水层微量压密。承压含水层能释出的水量远小于潜水含水层。下降单位面积单位水位时，承压含水层释出的水量要比潜水含水层小1-3个数量级。2、如何理解“自然界中并不存在绝对的隔水层”？含水层与隔水层的划分具有相对性，取决于应用场合及涉及的时空尺度。同一岩层，在不同场合下，可归为含水层，亦可归为隔水层。如：作为大型供水水源，供水能力强的岩层才是含水层；渗透性较差的岩层，只能看做隔水层。但对于小型供水水源，渗透性较差的岩层也可以看做含水层。再如，裂隙极不发育的基岩，无论对于供水还是矿坑排水，都是典型的隔水层；但是对于核废料处置，就必须看做含水层。同时，从较大时间尺度考察，所有岩层都是可以渗透的3、在实际划分含水层和隔水层时要考虑哪些因素？从时空尺度、供水（给水能力）、排水、需求等角度来考虑。比如供水时出水量是否发到理想供水量；建大坝时水库是否渗透等；在核废料的处置等重要的工程选址时，对含水层渗透性的要求和标准更高，在考虑岩层的渗透性时，不只考虑透不透水，还要考虑通道中释放气体的湿度。4、为什么弱透水层不能给出水，却能发生越流？弱透水层一般为粘土层，其渗透能力低，但是在垂直层面方向上，由于渗透断面大，水力梯度大，通过垂直层面越流，与相邻的含水层发生水量交换。第5章讨论题1.渗流的驱动力是什么？能态差异是地下水渗流的驱动力。2.地下水的质点流速、实际流速、渗透流速有何关系？渗透流速：假想的流速，相当于渗流包括骨架与孔隙内的断面上的平均流速，也称作“达西流速”或比流量。实际流速：水通过实际过水断面上的平均流速。此过水断面不包括骨架、不连通的死孔隙和不流动的结合水膜。质点流速：水质点在渗流过程中某个时刻的实际流速。三种速度的关系：渗流流速总小于实际流速，而质点流速和实际流速大小关系不一定。实际流速是各个水质点流速的再平均，渗透流速是假想的流速，质点流速才是真正意义上的地下水的流速。3.达西公式的应用条件是什么？达西公式的适用范围的上限是雷诺数小于1至10的层流。适用下限暂无定论。但目前我们认为粘性土中的渗流，只有在一定（较大）的水力梯度作用下，才有渗流发生，渗流速度与水力梯度呈线性关系。4.下图为河间地块剖面二维地下水稳定流动，两河水位相等、均匀稳定入渗。试在剖面图上示意画出潜水位线与流网，标明地下分水岭，并用达西定律简述理由第4题图非均质河间地块含水层答：由达西定律Q＝KIA可知，因为粗砂砾的渗透系数大于细砂的渗透系数，且是均匀稳定等流量下渗，渗透面积相等，所以只有I变化。因为粗砂砾的水力梯度小于细砂的水力梯度，反映在潜水面上就是左侧潜水面坡度较缓，右侧较陡；在图上就是相较于均质土层，分水岭发生右移。第6章讨论题1.从下表可以看出，土的颗粒越细、孔径越小、毛细上升高度越大；是否颗粒越细，毛细水上升速度也越大？为什么？不一定。因为根据线性渗透定律V＝KI，可以知道毛细上升速度取决于渗透系数和水力梯度。再取潜水面为基准面分析，可知V＝k（hc/Zc－1）。颗粒越细小，其毛细上升高度虽然越大，但同时它的渗透系数也越小，二者的相乘后，毛细水上升速度不一定很大。2.给水度与土壤水分特征曲线有关吗？为什么？给水度与土壤水分特征曲线有关。在饱和土壤中施加负压，当负压绝对值较小时，土壤中无水排出，土壤含水量维持饱和值；当负压绝对值超过某一临界值时，土壤最大孔隙中的水分开始向外排出，随着负压绝对值的增大，较小孔隙中的水被排出。不同土质的土壤进气值不同，一般轻质土（如砂土）的土壤进气值较小，重质黏性土壤进气值较大。3.怎样才能使测定的给水度接近理论最大值？使地下水位尽可能缓慢匀速下降时，测出的给水度接近理论值。4.为什么井打到毛细饱和带不出水，而土壤水取样器（用比包气带岩性细很多的饱水陶土头制成密封容器并抽真空）却可以取出包气带水？答：是毛细力作用的结果。因为三者毛细力的大小顺序可以表示为为井＜包气带沉积物＜土壤水取样器。第七章1.为什么TDS高的地下水以易溶盐类的离子为主？为什么TDS低的地下水以难溶盐类物的离子为主？因为溶解度：碳酸盐类＜硫酸盐类＜氯化物。随着TDS增大，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出，继续增大，钙的硫酸盐饱和析出，故TDS高的水中以易溶的氯和钠占优势。TDS很低时，表明该地区经受的溶滤作用越强烈，持续时间越久，可溶盐类离子成分在地下水源源不断的径流与交替过程中早已被溶解带走，因而最后岩层中保留下来的就只剩难溶的碳酸盐及硅酸盐，地下水的成分也因此以难溶离子成分为主。2.地下水中出现TDS小于1g/L的Cl—Na型水，有哪些可能原因？可能该区地下水主要的化学成分就是Cl-Na，且可能因本身或溶滤作用带走等因素导致其含量本就较少。可能是处于滨海地区由于大气降水或海风带来细末状的海水使得出现TDS较低且以Cl－Na型的地下水。3.溶滤作用能否形成TDS高的地下水？为什么？溶滤作用较难形成TDS高的地下水。在此过程中，氯化物、硫酸盐依次溶解运移而被贫化，经受溶滤强烈，随着持续时间越长，岩体保留下来的只是难溶盐类，其溶解度小，地下水中含量通常不大，故最终形成低TDS地下水。4.某一热水的水化学特征的库尔洛夫式如下，试在派珀三线图上标出该水样的位置。第8章讨论题1.试解释下图所示入渗速率随时间变化的原因。第1题用图地面入渗速率随时间变化曲线（石生新，1992）入渗能力受控于包气带渗透性，随着降水延续而降低，最后趋于稳定。这与入渗过程中驱动下渗的水力梯度变化有关，随着时间的推移，水力梯度趋于定值（I＝1），入渗能力趋于稳定（V＝K）。2.利用定水位埋深的地中蒸渗仪求取降水入渗系数时，可能产生哪些误差？可能产生系统误差和随机误差。其中系统误差产生的原因：在天然条件下，地下水埋藏深度较浅时，随着降水补给，地下水位抬升，毛细饱和带接近地表，入渗能力降低。但地中蒸渗仪中的地下水埋藏深度人为控制为定值，故地下水位浅时测的的补给量明显偏大，求取的降水入渗系数也偏大。随机误差产生的原因：地中蒸渗仪充填的原状土样在采样和运输过程中会受到扰动，其物理边界也与天然边界有所差异。3.降水分别以活塞式或捷径式入渗时，对地下水补给有何不同？降水以活塞式补给时：下渗水流犹如活塞推进，老水先于新水到达含水层，且需在使得包气带饱和后才可补给下方含水层，地下水位对降水的响应的延迟和滞后现象明显。降水以捷径式补给时：下渗水流呈指状推进，存在快速运移的优先流，新水可以超过老水优先到达含水层，且不必等包气带达到饱和即可补给下方含水层，地下水位对降水的响应迅速。4.湿润平原区的潜水同样存在蒸发消耗，为什么水土不会盐化？因为湿润平原地区气候湿润，潜水蒸发不很强烈。在蒸发过程中，随着水分消耗，盐分累积于支持毛细水带及土壤表层，在降水时入渗水流淋滤盐分返回潜水，湿润平原地带由于其降水充沛，故盐分不会累积于土壤表层和支持毛细水带，水土也不会盐化。5.在干旱—半干旱地区，砂土、粉砂土、粘土哪种土最容易出现盐碱地？为什么？粉砂土最容易产生盐碱地。包气带岩性通过控制毛细上升高度和速度影响潜水蒸发。砂的毛细上升速度快，但毛细上升高度小；亚黏土和黏土毛细上升高度大，但毛细上升速度慢，都不利于潜水蒸发；粉质亚砂土及粉砂，有较高的毛细上升高度与速度，潜水蒸发最为强烈，故其最容易产生盐碱地。第九章1.试列举地下含水系统与地下水流系统的异同。2.潜水含水层中也可以打成自流井，那么，潜水和承压水的区别究竟在哪里？二者产生自流的机理不同。潜水的自流是缘于重力作用与高程差，是需要有特殊的地形切割才能让水在重力作用下流出地形线的；而承压水产生自流更普遍，其由于具有承压性，一直有个压力势促使其在排泄点流出，相当于被压力“挤出”，一旦承压含水层有一处排泄点使其具备排泄条件，便可以在承压作用下卸压排泄。3.复杂的地形盆地形成多级水流系统的条件，试做图加以说明。书P87第10章讨论题1.试比较：接受降雨及河流补给时，地下水位的响应有