水文地质学考博试题.doc

anh参考教材：水文地质学基础，专门水文地质学1. 地下水的含水系统和流动系统的含义与区别地下水含水系统往往由含水介质和相对隔水介质组成,它既包括饱水带又包括包气带。地下水含水系统在概念上更侧重于介质的空隙特性及地质结构。根据不同的地质背景条件,地下水含水系统可分为基岩构成的含水系统和以松散堆积物为主的含水系统。地下水流动系统是指由源到汇的流面群构成的、具有统一时空演化过程的地下水统一体。地下水流动系统的概念是以地下水渗流场的认识为基础的,除水文地质参数的空间差异外,不刻意区分含水层和隔水层。2. 地下水动态的影响因素与含义地下水动态是指在自然和人为因素的影响下，地下水的水位、水量、水化学成分、水温等随时间的变化状况，地下水动态提供含水层或含水系统的系列信息。地下水动态受气候、水文、地质和人类活动等因素的影响，研究得比较多的是潜水水位变化，它实际上反映了潜水含水层水量收入（补给）与支出（排泄）之间的关系。气候因素 气候是影响潜水动态最活跃的因素。雨季，降水入渗补给使潜水位上升，潜水矿化度降低；雨季过后，蒸发和径 流排泄使潜水位逐渐下降，在翌年雨季前出现谷值，潜水矿化度升高。这种一年中周而复始的变化，称为季节变化。气候的多年变化，则使潜水位发生相应的多年周期性起伏水文因素地表水体附近，地下水动态受地表水的明显影响。河水位上升时，近岸处的潜水位上升最快，上升幅度最大；远离河岸，潜水位变化幅度变小，反应时间滞后。 气候水文因素决定了地下水动态的基本模式，而地质因素则影响其变化幅度与变化速度。例如，承压含水层受到上覆隔水层的限制，补给区动态变化强烈而迅速，远离补给区则变得微弱而滞后。对于潜水，包气带厚度越大，滞留于包气带中的水便越多，潜水位的变化越滞后于降水。地质因素人为因素影响地下水的天然动态：例如，打井取水后，天然排泄量的一部或全部转由采水井排出，如采水量超过补给量，地下水位则逐年下降。再如，利用地表水大水漫灌而不加强排水，潜水位将因灌水入渗补给而逐年上升，引起土壤次生沼泽化或盐渍化。3. 地下水污染的含义与特点地下水污染是指人类活动使地下水的物理、化学和生物性质发生改变，使其溶解的或悬浮的有害成分的浓度超过了国家或国际规定的饮用水最大允许浓度。4.包气带、饱水带，地下渗流的基本运动方式达西定律Q=KFh/L式中Q为单位时间渗流量，F为过水断面，h为总水头损失，L为渗流路径长度，I=h/L为水力坡度，K为渗透系数。关系式表明，水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。从水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面F的乘积，即Q=Fv。或，据此，达西定律也可以用另一种形式表达v=KIv为渗流速度。上式表明， 渗流速度与水力坡度一次方成正比。说明水力坡度与渗流速度呈线性关系，故又称线性渗流定律。达西定律适用的上限有两种看法：一种认为达西定律适用于地下水的层流运动；另一种认为并非所有地下水层流运动都能用达西定律来表述，有些地下水层流运动的情况偏离达西定律，达西定律的适应范围比层流范围小。这个定律说明水通过多孔介质的速度同水力梯度的大小及介质的渗透性能成正比。这种关系可用下列方程式表示：V=K（h2h1）L。其中V 代表水的流速，K 代表渗透力的量度(单位与流速相同, 即长度/时间)，（h2h1）L 代表地下水水位的坡度（即水力梯度）。因为摩擦的关系，地下水的运动比地表水缓慢得多。可以利用在井中投放盐或染料，测定渗流系数和到达另一井内所需的时间。5.地下水渗流的数学方式有哪些优缺点。1、直线渗透定律（达西定律）被广泛应用来研究地下水的运动。达西定律是在稳定运动条件下得到的。当渗流运动为非稳定运动时只是渗流速度和水力坡度值随时间在变化。近年来的研究成果表明，达西定律的适用范围并非包括全部的层流。当雷诺数（Re）增大，水流的惯性作用增张到不可忽略不计时，尽管水流仍保持层流型态，但渗流速度与水力坡度之间却不再是线性关系，此时达西定律不适用。所以，惯性作用较小而可以忽略不计是达西定律的一个适用条件。2、当地下水呈紊流型态运动时，采用哲才克拉斯诺波里斯基公式表示紊流渗透的基本定律。式中，KT为地下水呈紊流型态运动时空隙介质的渗透系数。它与水的性质、空隙介质的结构特点有关外，还取决于空隙介质固体骨架壁的粗糙程度。3、裘布依基本微分方程裘布依在分析地下水运动特征的基础上指出，绝大多数地下水流具有缓变流的特点。以此为条件，以达西公式为基础，可以得到裘布依基本微分方程。裘布依基本微分方程式与达西公式的微分式在形式上虽完全相同，但二者是有区别的。裘布依基本微分方程中的dH/dL表示水流为缓变流或沿流向剖面上具有缓变流特征时过水断面的水力坡度。一因而，层流及缓变流(或沿流向剖面上具有缓变流特征)是裘布依基本微分方程的适用条件。6.大气降水的补给地下水的因素有哪些？ 主要有年降水总量、降水特征、蒸发强度、包气带的岩性与厚度、地形、植被等。 降水量的相当一部分要用于补充水分亏缺。因此年降水量过小时，能够补给地下水的有效降水量很小；年降水量大则有利于补给地下水。 降水强度过大而超过地面入渗速率时，将产生地表径流。间歇性的小雨则每次降雨量仅足以湿润表层，雨后蒸发消耗。上述两种情况均不利于地下水获得补给。不超过地面入渗速率的绵绵细雨对地下水补给很有利。 包气带渗透性好，有利于降水入渗补给。包气带厚度(潜水埋藏过大)，则包气带滞留的水量也大，不利于补给地下水。但是如果潜水埋深过浅，毛细饱和带达到地表，也不利于降水入渗。 在降水强度超过地面入渗速率时，地形坡度会使地表坡流迅速流走，使地表径流增加，平缓与局部低洼的地势有利于滞积表流，增加降水入渗的份额。 森林可滞蓄降水而减少地表径流。但过密的植被会有较强的蒸腾消耗。上述各种影响因素是相互制约、互为条件的，不能孤立地加以分析。7. 抽水试验的目的和意义。抽水试验是确定含水层参数，了解水文地质条件的主要方法。采用主孔抽水、带有多个观测孔的群孔抽水试验，包括非稳定流和稳定流抽水实验，同时要求观测抽水期间和水位恢复期间的水位、流量、水温、气温等内容，了解试验基地及其所在地区的水文气象、地质地貌及水文地质条件。目的(1) 确定含水层及越流层的水文地质参数：渗透系数K、导水系数T、给水度m、弹性释水系数m*、导压系数a、弱透水层渗透系数K、越流系数b、越流因素B、影响半径R等。(2) 通过测定井孔涌水量及其与水位下降（降深）之间的关系，分析确定含水层的富水程度、评价井孔的出水能力。(3) 为取水工程设计提供所需的水文地质数据，如影响半径、单井出水量、单位出水量、井间干扰出水量、干扰系数等，依据降深和流量选择适宜的水泵型号。(4) 确定水位下降漏斗的形状、大小及其随时间的增长速度；直接评价水源地的可开采量。(5) 查明某些手段难以查明的水文地质条件，如确定各含水层间以及与地表水之间的水力联系、边界的性质及简单边界的位置、地下水补给通道、强径流带位置等。 意义：确定地下水的主要补给来源及方向，抽水影响范围及程度，水源地岩溶含水层的富水性及供水保证能力，水源地附近地下水与地表水之间的水力联系，水源地附近主要断裂带构造的水力性质，水源地抽水对下游地的影响及水文地质参数与水源地地下水允许开采量的计算。8、水文地质图反映了哪些问题？反映某地区的地下水分布埋藏形成转化及其动态特征的地质图件（主要表示地下水类型、产状、性质及其储量分布状况等的地图）。是某地区水文地质调查研究成果的主要表示形式。水文地质图按其表示的内容和应用目的，可概括为3类：综合性水文地质图、专门性水文地质图、水文地质图。 反映某一区域内总的水文地质规律的综合性水文地质图。以区域内的地质地形气候和水文等因素的内在联系为基础，综合反映地下水的埋藏分布水质水量动态变化等特征，以及区域内地下水的补给径流排泄等条件。 综合性水文地质图的比例尺常小于1:10万。为某项具体目的而编制的专门性水文地质图。如地下水开采条件图供水水文地质图土壤改良水文地质图等。这类图的内容以水文地质规律为基础，同时又考虑应用目的的经济技术条件。专门性水文地质图多采用大于1:10万的比例尺。 表示某一方面水文地质要素的水文地质图。例如，地下水水化学类型图地下水等水位线图地下水污染程度图等。9、过量开采地下水引起的环境地质问题：开采条件恶化，资源枯竭，地下水位下降，增加采水的能耗，大量水井报废。破坏了原有的水文循环，如泉水干枯、沼泽、湿地被疏干等，赖以生息的物群消亡，在干旱地区，地下水位下降导致包气带水分供应不足，植被衰退；表土裸露易遭风蚀，造成沙漠化；依靠植物的野生动物衰减，导致生态全面退化。含水层的天然应力发生改变，采排地下水引起地面沉降和塌陷。拦蓄与引入地表水因地下水均衡破坏，导致土壤次生沼泽化与盐渍化，使土地荒芜； 海水或咸水入侵淡水含水层，导致水质恶化； 人为影响地下水水质污染。10、根据等水位线图能够解决哪些水文地质问题？（1）潜水等水位线图：反映潜水面形状，是潜水面的等高线图。利用该图可以研究和解决以下问题：A确定潜水流向，潜水在重力作用下，垂直于等水位线，由高水位处流向低水位处。B确定地下水的水力坡度，进而确定地下水流速。沿水流方向取任意两点的水位差，除以两点间投影在平面上的直线距离，即可得出水力坡度。C. 调查地下水的埋藏深度。某一点地表的海拔高度，减去该点潜水位的海拔高度，即为该处地下水的埋藏深度。D. 确定潜水与地表水的补给关系。判断地表水、泉水与潜水等的关系，当地表水水位高于潜水水位，地表水补给潜水；反之，潜水补给地表水。E. 研究和布设排水工程的设置等。在潜水等水位线图上，排水工程一般布局在数值较小的一侧。在排水沟走向的选择上，为增加排水面积，排水沟一般沿与等潜水位线平行的方向伸展。（2）承压水等水位线图：反应了虚构的承压水面的形状，同潜水等水位线图一样，利用该图可以确定承压水的流向及水力坡度；定性判定含水层的厚度与渗透性的变化。11、潜水、承压水的概念，区别与联系饱和带中第一个稳定隔水层之上、具有自由水面的含水层中的重力水，成为潜水。充满于两个稳定隔水层之间，含水层中具有水头压力的地下水，称为承压水。饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称作潜水。潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。潜水的水面为自由水面，称作潜水面。从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层厚度。潜水面到地面的距离为潜水埋藏深度。特征：由于潜水含水层上面不存在隔水层，直接与包气带相接，所以潜水在其全部分布范围内部可以通过包气带接受大气降水、地表水或凝结水的补给。潜水面不承压，通常在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方径流。潜水的排泄方式有；两种：一种是径流到适当地形处，以泉、渗流等形式泄出地表成流入地表水，这便是径流排泄。另一种是通过包气带或植物蒸发进入大气，这是蒸发排泄。潜水直接通过包气带与大气围及地表水圈发生联系。所以，气象、水文因素的变动，对它影响显著，动态有明显的季节性变化特点；潜水积极参与水循环，资源易于补充恢复，但受气候影响，且含水层厚度一般比较有限，其资源通常缺乏多年调节性；潜水的水质变化很大，主要取决于气候、地形及岩性条件，潜水容易受到污染。 一般情况下，潜水面不是水平的，而是向排泄区倾斜的曲面，起伏大体与地形一致，但常较地形起伏缓和。 充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水，叫做承压水。承压水含水层上部的隔水层（弱透水层）称作隔水顶板，下部的隔水层（弱透水层）叫做隔水底板。隔水顶底板之间的距离为承压含水层厚度。特征： 承压性是承压水的一个重要特征。 承压水受到隔水层的限制，与大气圈、地表水圈的联系较弱。无论在那一种情况下，承压水参与水循环部不如潜水那样积极。因此，气候、水文因素的变化对承压水的影响铰小，承压水动态比较稳定。 承压水资源不像潜水资源那样容易补充、恢复，但由于其含水层厚度一般较大，往往具有良好的多年调节性能。 任一承压含水层接受其他水体的补给，必须同时具备两个条件，缺一不可。第一，水体(地表水、潜水或其他承压含水层)的水位必须高出此承压含水层的测压水位。第二，水体与该含水层之间必须有联系通道。 在接受补给或进行排泄时，承压含水层对水量增减的反应与潜水含水层不同。因排泄而减少水量时表现为含水层中水的密度变小及含水空隙缩减。 承压水一般不易受到污染，但一旦污染后很难使其净化。12、完整井流、不完整井流，潜水、承压水井流渗流的特征有什么不同。1、在潜水井流中，降落漏斗区内含水层的上部界面，两者是重合的，含水层饱水部分的厚度（h）是随距井的距离（r）和时间（t）而变化的，即h=（r，t），r愈大h愈大。在承压井流中，降压漏区并不是含水层的上部界面，两者是不重合的。含水层的厚度不随降压漏斗的变化而变化。2、除外边界的补给与入渗（或越流）的补给作用外，潜水井的抽水流量主要来自潜水含水层本身的局部疏干；含水层饱水部分的体积因此逐渐变小。而承压井的抽水流量来自承压含水层的弹性释放；含水层并未被局部疏干，体积基本上不发生变化。1、不完整井流周围流线弯曲程度较完整井流大，因而前者渗流的铅直分速度vz较大，不容忽略；后者vz较小，一般都可以忽略。2、在井水位降深及其他条件相同时，完整井的流量（Qc）大于非完整井的流量（QH）；在抽水流量及其他条件相同时，完整井的降深（Sc）小于非完整井的降深（SH）。这都是非完整井周围流线强烈弯曲引起附加水头损失的必然结果。根据井揭露含水层的程度可分完整井和非完整井。前者是指井揭露含水层的全部厚度、并在全部厚度范围内进水(图2-1，a)，后者是指井或是仅揭露部分含水层、或是虽揭穿了含水层的全部厚度，但仅一部分含水层厚度进水(图2-1 ，b 、b、c、d)。 有压流与无压流是根据渗流是否具有与大气接触的自由表面，即相对压强是否为零来划分的。如果渗流不具有与大气接触的自由表面，亦即渗流场中任一点处的压强都不为零(一般大于零)时，这种渗流称为有压流，这种类型的地下水就是承压水。否则，则是无压流和潜水。若两隔水层问的地下水没有充满格个透水岩层时，渗流具有压强为零的自由表面，则为无压潜水。13、地下水均衡研究的基本任务？ 地下水均衡：在某一时段内，某一区域（或地段内）研究地下水水量、水质或热量收支的数量关系。均衡是地下水动态变化的内在原因，动态则是地下水均衡的外在表现。要对地下水的动态和均衡进行研究，首先要弄清楚研究影响地下水动态的因素，主要有两类，一类是环境对含水层的信息输入，如降水，地表水的补给，人工开采或补给地下水，地应力对地下水的影响，另一类主要涉及地下水赋存的条件，地质地形等，人类活动的影响也不可忽视。研究地下水动态与均衡的研究意义具体表现在：（1）在天然条件下，地下水的动态是地下水埋藏条件和形成条件的综合反映。因此，可根据地下水的动态特征分析、认识地下水的埋藏条件、水量、水质形成条件和区分不同类型的含水层。（2）地下水动态是均衡的外部表现，故可利用地下水动态资料去计算地下水的某些均衡要素。如根据次降水量、潜水位升幅和潜水含水层给水度计算大气降水的入渗系数；根据潜水位的升幅或降幅计算地下水的储存量及潜水的蒸发量等。（3）由于地下水的数量与质量均随着时间而变化，因此一切水量、水质的计算与评价，都必须有时间的概念。如对同一含水层来说，在雨季、旱季、丰水年、枯水年，其水资源数量与水质都可能大不一样。因此，地下水动态资料是地下水资源评价和预测时必不可少的依据。（4）用任何方法计算的地下水允许开采量，都必须能经受地下水均衡计算的检验；任何地下水开采方案，都必须受地下水均衡量的约束。为尽可能地减少开采地下水引起的负作用，开采量一般不能超过地下水的补给量，即不应破坏地下水的均衡状态。（5）研究地下水的均衡状态，可预测地下水水量、水质及与地下水有关的环境地质作用的变化及总体发展趋势。14、地下水与地表水相比有哪些优缺点？地下水可分为上层滞水、潜水和承压水。上层滞水的水质与地表水基本相同。潜水含水层通过包气带直接与大气圈、水圈相通，具有季节性变化的特点。承压水地质条件不同于潜水,其受水文、气象因素直接影响小，含水层的厚度不受季节变化的支配，水质不易受人为活动污染。地表水主要包括江河水、湖沼水和以固体形态存在的冰川等。降水和地表水下渗到地下的土层和岩石空隙中，成为地下水。地下水与地表水相比，主要优缺点：（1）空间分布：地表水的分布局限于稀疏的水文网，地下水则在广阔的范围里普遍分布。（2）时间调节性：地表水循环迅速，其流量与水位在时间上变化显著，而地下水循环速度远较地表水缓慢。与地表水相比，地下水具有较强的调节性。集中的降水补给可积蓄在季节变动带中，然后缓慢释放，缓慢径流的路程效应可平抑各处来水的波动，发挥削峰填谷的作用。（3）水质：除海洋含盐量极高以外, 其他地表水的含盐量低,地表水容易受污染使水质恶化，水温变化大，与地下水相比，硬度较低；地下水在入渗与渗流过程中由于岩层的过滤水质比较纯净，水温恒定，不容易被污染。然而地下水一旦被污染，再度净化要比地表水困难得多。（4）可利用性：地表水利用需要水质处理，一次性投资大，而地下水需要处理水质，一次性投资低。然而把地下水提到地表要消耗能量，费用比较高，并且不适当的开发利用地下水会造成严重的环境问题。地表水与地下水是具有密切联系的有机整体水资源系统。地表水的空间分布格局会因人为活动的干预，在较短的时间内发生改变。鉴于 地表水与地下水调节性的不同，通过人为活动，改变流域诸要素（流域内的地形，坡面形态，地表岩性，植被覆盖程度）中某些要素，可以使地表汇流部分转化为土壤水和地下水，然后缓慢释放，地表水系统与地下水系统相互耦合，可以调节地表水在时间上的分布状况，延长降水的作用时间。形成良性的衍生水循环。15、岩溶发育的基本条件与影响因素有哪些？岩溶是水与可溶岩介质相互作用的产物，盐溶化过程实际上就是水作为应力对可溶岩层的改造过程。岩溶发育必须具备四个基本条件，即可溶性岩石，岩石具有透水性，水具有溶蚀能力和流动性岩溶形成的条件：岩石的可溶性：取决于岩石的岩性成分和结构。按岩性成分，可溶岩划分为易溶的卤素盐类、中等溶解度的硫酸盐类和难溶的碳酸盐类。岩石的透水性：碳酸盐岩的初始透水性取决于它的原生孔隙和构造裂隙的发育程度，岩石裂隙越大，岩石的透水性越强，岩溶作用越显著；水的溶蚀性：主要决定于水溶液的成分，含有碳酸的水，对碳酸盐类的侵蚀能力比纯水大，取决于其所含的co2、水的溶蚀能力来源于二氧化碳（CO2）与水结合形成的碳酸（H2CO3）,水中的二氧化碳主要来自大气流动、有机物在水中的腐蚀和矿物风化。H2O + CO2=H2CO3 ；（第一步：形成碳酸） H2CO3=H + HCO3；（第二步：碳酸离解生成H） H + CaCO3=HCO3 + Ca2 （第三步：H与CaCO3反应生成HCO3，从而使CaCO3溶解）这几步反应在大自然间是十分复杂的过程，因为温度，气压，生物，土壤等许多自然条件制约着反应的进行，并且这些反应都是可逆的，水中的二氧化碳增多，反应向上进行，就有利于CaCO3的分解；岩溶作用进行比较容易，反之则不利于岩溶作用。水的流动性：水的溶蚀能力与水的流动性关系密切。只有当地下水不断流动，与岩石广泛接触，富含二氧化碳的水不断补充更新，才能经常保持侵蚀性，溶蚀作用才能持续进。地下水侵蚀性愈强，可溶性愈强，水流慢，溶蚀弱；反之快。另外，流动的水带动河底砂砾对岩石进行机械侵蚀，这样更有利于岩溶作用的深入。另外，气候因素：各种自然地理及地质因素主要通过影响地下水的径流影响岩溶发育。比如我国西南地区气候湿润，降水量大，地表径流相对稳定，流水下渗作用连续，并且降水使流水得以更新和有效补充。因此岩溶作用得以延续进行。16、洪积扇地下水有哪些特征？图1 半干旱地区洪积扇水文地质示意剖面图 1. 基岩；2砾石；3砂；4粘性土；5潜水位；6承压水测压水位；7地下水流线；8降水入渗；9蒸发排泄；10下降泉；11井，涂兰色部分有水 洪积扇上部，粗大的颗粒直接出露地表，或仅覆盖落土层，十分有利于吸收降水及山区汇流的地表水，是主要补给区。此带地势高，潜水埋藏深。岩层透水性好，地形坡降大，地下径流强烈。蒸发微弱而溶滤强烈，故形成低矿化水。此带属潜水深理带或盐分溶滤带。地下水位动态变化大。向下，随着地形变缓、颗粒变细，透水性变差，地下径流受阻，潜水壅水而水位接近地表