地下水文学(最终)

绪 论 1.地下水： 埋藏于地表以下的各种形式的重力水。 2.地下水开发利用与环境问题：地下水水位持续下降泉水流量衰减甚至断流 地面沉 降、地面塌陷、地裂缝海（咸）水入侵 土地沙漠化； 地下水污染；土壤次生盐 碱化。 3.地下水的优点：分布广泛、 便于就地使用、水质普遍较优、 供水量受气候变 化影响较小、动态比较稳定。 4.地下水资源的特点：可恢复性 、系统性、复杂性 第 1 章 地下水及其赋存 1.地下水储存条件 （1）岩土空隙性：松散岩土中的孔隙、非可溶性坚硬岩石中的裂隙、可溶性岩石中的溶隙。 a.孔隙度=孔隙体积/岩土总体积= nV b.孔隙度大小的影响因素：分选程度（用来表征岩土颗粒大小相差的程度）： d60/d10，值越大，孔隙度越小；粒配曲线：半对数坐标，横坐标表示泥沙粒径，纵坐标表 示小于某粒径的泥沙在总沙样中所占的重量百分比。 孔隙度随埋深的增大而减小，不同成分的土层减小趋势有所不同。 c.不同类型空隙的性质：各向异性，亦称“非均质性” 。物体的全部或部分物理、化学 等性质随方向的不同而各自表现出一定的差异的特性。 空隙 孔 隙 裂 隙 溶 隙 空隙的形成 松散沉积物中空隙相 互连通并呈孔状 与裂隙成因有关：成岩裂 隙、构造裂隙、风化裂隙 可溶性岩石在含侵蚀性 CO2 的地下水作用下形成 数量指标 孔隙度 裂隙率 岩溶率 影响因素 颗粒大小、排列形式、 分选程度、颗粒形状 及胶结情况 取决于裂隙成因 岩石的可溶性、透水性； 水的侵蚀性、流动性 差别 分布均匀、相互连通、 各向异性不显著 不均匀、连通性差、各向 异性显著 空隙大小悬殊、分布极不 均匀 （2）水在岩土中的赋存形式：气态水、固态水、液态水（结合水、毛细水、重力水） 。 重力水：能在重力影响下发生运动的自由 水称重力水。 3.岩土的水理性质：亦称岩土的水文地质性质，它表示岩土控制水分活动的性质。水能否 进入空隙中，能否自由运动和能否被取（排）出等。有：容水性、持水性、给水性、透水 性。 名称 容水性 给水性 持水性 透水性 定义 岩土能容纳一 定水量的性能 饱水岩土在重力作用下 所能自由排出水的性质 饱水岩土在重力释水 后仍能保持水的能力 岩土允许重力水 透过的能力 影响 空隙多少 空隙大小、空隙多少 与岩土颗粒大小有关 空隙大小、多少， 因素 （主要为结合水） 岩土胶结 意义 岩土容纳水的 能力 岩土中所能利用的水量 岩土中水的流动 特性 给水度：饱和岩土在重力作用下，释出水的体积与岩土体积之比。 与岩性、初始地下水埋深和地下水位下降速率有关：颗粒大，空隙多的给水度好，初 始埋深大于毛细上升高度的给水度好，下降速率慢的给水度好。 容水度（Sc）=给水度（u）+持水度（Sr）= 孔隙度（n） 4.含水层、隔水层： 含水层：指能够给出和透过相当数量水的岩层。 隔水层：指不能给出也不能透过水，或给出与透过水的数量很小的岩层。 含水层的三条件：有储存水的空间、周围有隔水岩石、有水的来源，含有重力水为主。 5.地下水类型和特征（根据地下水的埋藏条件）：包气带水（上层滞水） ；潜水；承压水。 （1）包气带水（上层滞水） 包气带：地下水面以上的岩土层，其空隙没有被水充满，部分空隙仍然包含着空气。 包气带水：储存在包气带中的水。 上层滞水：当包气带中存在局部的隔水层或弱透水层时，可在包气带中形成局部或暂时 存在的重力水，即上层滞水。 上层滞水的特点：分布范围小，具有明显局部性；分布区与补给、排泄区一致；季节性 变化大：雨季出现，旱季可能消失；易受人类活动的影响。 (2)潜水：埋藏在地表以下饱水带中第一个稳定分布的隔水层之上具有自由水面的重力水。 潜水的特征： a.潜水的分布区与补给区一致 b.潜水具有自由水面，积极参与水循环 c.潜水直接通过包气带与大气水、地表水发生水力联系，所以气象、水文因素对其动 态 变化影响明显 d.潜水的水位、流量和化学成分都随地区和时间的不同而变化 e.潜水在重力作用下，由潜水位较高处向较低处流动 潜水水位等值线图的用途 确定潜水流向：水流流向垂直于等水位线，从水位高的地方流向水位低的地方。 确定潜水的水力坡度：水力坡度等于相邻两条等水位线水位差与两者之间水平距离之比。 确定潜水的埋藏深度：根据潜水水位等值线图绘制潜水流向，并指出与地表水的关系； 确定潜水与地表水的补排。 A：河水排泄地下水（潜水补给河水） B：河水补给地下水（河水补给潜水） C：河流左侧排泄地下水、右侧补给地下水（左侧潜水补给河水，右侧河水补给地下水） 。 （3）承压水：是充满在两个隔水层之间的含水层中具有静水压力的重力水。 承压水特征： 水体承受静水压力，具有承压性。 它的分布区与补给区是不一致的。 埋藏深 度较大，水位、水量、水温、水质等受水文气象因素、人为因素及季节变化影响小。承 压水水质变化很大，淡水、卤水都有。 6.地下水类型及其特征（根据岩土空隙类型的不同） （1）孔隙水：存在于岩层孔隙中的地下水，最常见的孔隙水埋藏于松散的沉积物中， 例如洪积、冲积、湖积、黄土等沉积物中。 冲积物的二元结构：上层河漫滩相沉积：细粒、亚粘土和亚砂土，透水性较差； 下层河床相沉积：粗粒的砂层或砂砾石，透水性好，具有承压性质。 二元相结构因分布范围大土层厚，易接受地表水和降水,入渗补给水量丰富易开采,水质好。 (2)裂隙水:照裂隙的成因可以分为：成岩裂隙水，构造裂隙水和风化裂隙水；由于裂隙通道 在空间上的展布具有明显的方向性，之间水力联系差，水量分布不均匀，裂隙水具有强烈 的的不均匀性和各向异性 (3)岩溶水 岩溶：可溶性岩石在水的作用下形成的溶蚀地貌现象。 岩溶水：贮存并运动于溶蚀洞隙中的地下水。 岩溶发育的影响因素：岩石的可溶性；岩石的透水性；水的侵蚀性；水的流动性。 第 2 章 地下水的物理化学性质 1.地下水化学成分的综合指标 （1）反映地下水质量的指标：总溶解固体，也称矿化度或总矿化度，是指水中溶解 的各种化学组分的总量（不包含悬浮物和溶解气体） 。包含溶于水中的分子、离子及化合物。 含盐量； 硬度；负硬度 （2）反映地下水环境状态的指标：化学需氧量（COD） ； 生化需氧量（BOD ） ； 总有机碳（TOC） ； 氧化还原电位（ Eh） （3）反映地下水酸碱平衡的指标：碱度； 酸度。 2.化学成分的形成作用： 溶滤作用 ：岩土中的部分物质通过与水的相互作用而转入地下水。 溶滤作用强度的决定因素：矿物盐的溶解度；岩土的空隙特征；水的溶解能力；水的 流动状况和交替强度。 浓缩作用 ：指在蒸发作用下，水分流失而盐分浓度不断升高的现象。 总溶解度（TDS）越高，易溶盐分越多，明浓缩作用很强烈。水分减少后，溶解度小 的难溶盐分首先析出，最后剩下较多的易溶盐分。 脱碳酸作用：水中 CO2 随温度升高或压力降低而减小称之为脱碳酸作用。 脱硫酸作用：有机物使硫酸根还原为硫化氢的过程。 阳离子交换吸附作用：岩土与地下水中的阳离子发生吸附交换的现象。 混合作用 ：成分不同的两种水汇合到一起，形成化学成分与之前两者不同的地下水。 人类活动的影响：废弃物污染地下水；人类活动改变地下水的形成条件。 3.舒卡列夫分类：它以地下水中常见的七大离子为基础，含量超过 25%毫克当量的离子进 行组合，如：HCO3-和 Ca2+, HCO3-和 Mg2+, Na+,和 SO4-, Cl-Na，共分成 49 种类型的 水。按 TDS 又划分为四组。 A：TDS40g/L。 第 3 章 地下水的补给、径流与排泄 1.地下水的补给、径流、排泄： 补给与排泄：含水层或含水系统与外界进行水量、能量和盐量交换的环节。 径流：含水层或含水系统内部进行水量和盐量积累和运输的过程。 2.地下水的补给：含水层或含水系统从外界获得水量的作用过程称作补给。 补给的研究包括：补给来源、影响补给的因素、补给量。 地下水补给来源：大气降水、地表水、其它含水层或含水系统的水、人工补给。其 他还有：凝结水、侧向补给、融雪（冻）水。 3.降雨后包气带水的下渗方式： 活塞式 是指上部新的入渗水推动下部较老的水作面状下移。此类下渗主要发生于比 较均质的、孔隙大小差别不大的砂层中。 捷径式 水流不作面状推进，而沿着某些通路优先下渗。例如在粘性土中下渗水往往 沿着某些大孔道根孔、虫孔及裂隙移动。 4.捷径式下渗与活塞式下渗比较： 活塞式下渗是年龄较“新”的水推动其下的年龄较“老”的水，始终是“老”水比 “新”水先到达含水层；捷径式下渗时“新”水可以超前于“老”水到达含水层。 对于捷径式下渗，入渗水不必全部补充包气带水分亏缺，即可下渗补给含水层。而 活塞式下渗，入渗水则需全部补足上层包气带水分亏缺，才会继续下渗。 5.影响大气降水补给地下水的因素： （1）雨前土壤含水量： 雨前土壤含水量较小，干燥土将吸收大量渗入地表的降水，少 量降水只能形成薄膜水而不能形成重力水，因而无法补给地下水； 若雨前土壤含水量较大，并接近田间持水量，则渗入的降水几乎不再被土壤吸收而直 接形成重力水，因而即便只有少量降水也会对地下水产生补给。 在次降水量相等的情况下，同一地区雨前土壤含水量较大时所引起的潜水位升幅明显 大于雨前土壤含水量较小所引起的潜水位升幅，且次降水量愈大，这种差别越显著。 （2）包气带岩性：岩性：透水性越好，入渗速率越大，降水转化为地下水的量也越大； 反之则小。 （3）地下水埋深：通过实验研究，降水入渗补给量随地下水埋深的不同而不同。直接 决定其上的包气带蓄水能力。 （4）降水量：对地下水的补给起重要作用。 （5）降水强度和 降水历时；（6）植被；（7）地形。 上述补给影响因素是相互制约、互为条件的整体，不能孤立地割裂开来看。要结合具 体情况分析，抓住其中的主要影响因素。 6.地下水水量的确定（地中渗透仪的原理）： 当渗透仪中的土柱接近降水入渗或凝结水的补给时，其补给量将会通过导水管流入接 渗流内，可直接读出补给量，再从马利奥特瓶读出供水水量。 7.大气降水与地表水对地下水的补给特征对比： 补给来源 大气降水 地表水 空间分布 面状补给，范围普遍且较均匀 线状补给，局限于地表水体周边 时间分布 持续时间有限 持续时间长，或是经常性的 8.含水层之间的补给：两含水层相互连通产生直接补给；通过切穿隔水层的导水断层 进行补给；隔水层分布不稳定时，在缺失其部分，相邻的含水层便通过“天窗”发生水 力联系； 越流补给，松散沉积物含水层之间的黏性土层不完全隔水，具有一定水头差的 相邻含水层通过此类弱透水层发生的渗透，称为越流；穿越整个含水层的钻孔或止水不 良的分层钻孔，往往成为含水层之间人为的联系通道。 9.地下水的排泄：地下水从含水层中以不同方式排泄于地表或另一个含水层中的过程。 排泄的研究包括排泄去路及方式、影响排泄的因素及排泄量。 地下水通过泉（点状排泄） 、向河流泄流（线状排泄）及蒸发（面状排泄）等形式向外 界排泄。还有越流、地下水的开采。 9.泉的分类：根据补给泉的含水层的性质： （3）上升泉：承压水的天然露头。地下水在静水压力作用下，上升并溢出地表的泉， 由承压水补给。 （4）下降泉：地下水受重力作用自由流出地表的泉。由潜水或上层滞水补给。 根据出露原因：侵蚀泉；断层泉；接触泉；溢流泉。 10.影响土面蒸发的主要因素： （1）气候：气候愈干燥，相对湿度愈小，土面蒸发便愈强烈。 （2）潜水埋深：潜水埋深愈浅，土面蒸发愈强烈。 （3）包气带岩性：包气带岩性主要通过其对毛细上升高度与速度的控制影响潜水蒸发。 粉质亚砂土、粉砂等组成的包气带，潜水蒸发最强烈。 11.地下水径流：地下水由补给处流向排泄处的作用过程称作径流。 径流强度：单位时间内通过单位断面的流量。其大小与含水层的透水性，补给区与排 泄区之间的水位差成正比；与补给区到排泄区之间的距离成反比。 12.地下水的径流系统与含水系统： （1）地下水径流系统（地下水流动系统）实质上是以流面为边界的具有统一补给、径 流与排泄的地下水单位。 （2）地下水含水系统是具有隔水或相对隔水边界的沉积单位或构造单位，其中包含的 地下水具有不同程度的水力联系。 13.地下水径流的基本类型：（1）畅流型（流线近似平行，水力梯度大） ；（2）汇流型： 流线在平面上呈汇集装，水力梯度由小变大；（3）散流型：流线在平面上呈散射状，水力 梯度由大变小；（4）缓流型：水力梯度很小；（5）滞流型：水力梯度趋于零。 14.地下水含水系统与地下水径流系统的差别： 答： 前者的结构包括水与介质两部分，后者着重考虑水的本质；前者边界是固定 的地址边界，因此系统的数目与空间形态相对稳定，后者以流面为边界，其数目、空间形 态及流向都可以在外界因素影响下发生变化；在功能上，前者具有储存、释放和调节地 下水水量、储热、输热及对盐分的溶解、迁移和积累等功能，后者主要表现为传输水、盐、 热的功能。 第四章 地下水动态及其预报 1.地下水均衡：一定时间间隔内，某一地段内地下水水量（盐量、热量、能量）的收支状 态。 地下水动态是指地下水位、水量、水质和水温等水文要素随时间和空间变化的现象和过程。 变化的实质是上述因素收支不平衡的结果 地下水动态是地下水均衡的外部表现；地下水均衡是地下水动态的内在原因。 2.影响地下水动态的基本因素： （1）自然因素：气候、气象、水文、生物、地质、土壤。 （2）人为因素：地下水开采(工业、农业开采） ；地下水回灌；水利工程；人为污染。 水动态的真变化（地下水均衡引起的） ；水动态的伪变化（其他因素引起的，如气压变 化） ；河水补给（远离河流，水位变幅小） ；河流排泄（接近河流，水位变幅小） ；潮汐作用 （潮差大，海岸近，水位变幅大） ；包气带厚度（越厚地下水位抬升时间越晚） ；渗透系数， 给水度（越大，地下水位变幅越小） 。 3.人类活动对地下水动态的影响：改变地下水补给；改变地下水排泄。 4.地下水的动态类型及主要特征：（对于潜水） （1）蒸发型（干旱半干旱的平原或盆地）：年水位变幅小，各处相近，水质季节变化明 显，不断盐化；（2）径流型（山区及山前）：年水位变幅大而不均，水质季节变化不明显， 趋于淡化；（3）弱径流型（气候湿润的平原与盆地）：年水位变幅小，各处相近，水质季 节变化不明显，趋于淡化。 其他及人类活动影响下的地下水动态类型 （1）降水入渗型： 年水位变幅较大，地下水位与降水量变化一致或稍滞后 （2） 水文型：地下水位随地表水位变化，其幅度与河流远近有关 5.地下水的均衡（对象）： （1）均衡区：均衡计算所选定的区域 （2）均衡期：进行均衡计算的时间段 （3）均衡项（要素）：收入项（各类补给量，侧向入流） 、支出项（各类排泄量和侧向 流出量）和储存变化量（收支差额） 6.地下水动态变化预测模型： （1）确定性模型：解析法、物理模拟法、数值模拟； （2）随机模型：回归分析法、频谱分析法、灰色模型、时间序列模型、随机微分分析 法 第 5 章 地下水运动的基础理论 2.多孔介质：有空隙的岩石。广义上包括孔隙介质、裂隙介质和岩溶不十分发育的由石灰 岩和白云岩组成的介质，统称为多孔介质。重要性质：孔隙性，压缩性、渗透性。 3.渗流的概念：具有实际水流的运动特点（流量、水头、压力、渗透阻力） ，并连续充满整 个含水层空间的一种虚拟水流；是用以代替真实地下水流的一种假想水流。 4.渗流场：假想水流所占据的空间区域，包括空隙和岩土颗粒所占的全部空间。 5.渗流的特点：假想水流的性质与真实地下水流相同；充满含水层空隙空间和岩石颗 粒所占据的空间；通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与实际水流相同；运动 时所受的阻力与实际水流所受阻力相等。 6.储水率：水头降低 1 个单位时单位体积含水层所释放的水量； 7.储水系数：水平横截面积为 1 个单位面积、厚度为 M 的含水层，水头改变 1 个单位时弹 性释放的水量。 8.岩石压缩系数（ ）=孔隙度（ n） 孔隙压缩系数（ p） 9.渗透率（K）：表示多孔介质渗透性强弱的物理量。 10.导水系数：水力坡度等于 1 时，通过整个含水层厚度上的单宽流量。T=K*M 11.含水层介质的特征：均质：K 在岩石中处处相等，不随空间变化；非均质：K 在 岩层中随空间位置的变化而改变；各向同性介质：K 不随渗流方向改变；各向异性介 质：K 随水流方向改变。 12.承压水压力传导系数： =T/ * 13.水井分类（按井径大小和成井方法）：管井是直径通常小于 0.5m、深度比较大、采 用钻机开凿的水井；筒井是直径通常大于 0.5m 甚至数米、深度比较浅、通常用人工开 挖的水井。 根据揭露含水层的程度和进水条件：完整井：水井打穿整个含水层，而且在含水层 的厚度都下了滤水管。非完整井：水井只打穿部分含水层，或只在部分含水层中下了滤 水管，其余下封闭管的，叫非完整井。 *ssgn 按揭穿含水层的类型：潜水井：揭露潜水含水层的水井。又称无压井；承压水井： 揭露承压含水层的水井。又称有压井。当水头高出地面自流时又称为自流井；当地下水埋 深很大时，可出现承压-无压井 按井工作的方式：抽水井： 是从井中抽取地下水的水井；注水井（injection well） 是将水注入地下的水井。 按井工作时相互影响的程度：单井、干扰井。 14.水位降深：从井中抽水时，井周围含水层中的地下水向井中运动，井中和井附近的水位 降低。降深亦即抽水井及其周围某时刻的水头比初始水头的降低值。 15.影响半径是从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离。 16.地下水向井的非稳定运动（假定条件）：含水层均质、各向同性、等厚、水平无限分 布； 无垂向补给； 抽水井孔径视为无限小； 初始静止水位水平； 地下水呈层流 运动。 第 9 章 地下水资源评价 1.地下水资源的特点：可恢复性；时空变化性；有限性；相互转化性；不可取代性。 2.地下水资源特有的优点：广泛性；自调节性；质优性；系统性。 3.地下水系统：包括地下水含水系统和地下水流动系统；地下水含水系统是指由隔水或相 对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系。 4.可开采量：在水源地设计的开采期内，以合理的技术经济开发方案，在不引起开采条件 恶化和环境地质问题的前提下，单位时间内，可以从含水层取出的水量。 5.地下水资源评价基本原则： 局部水资源的评价应以区域地下水资源评价为前提；地下水资源评价应建立在地 下水随时间变化的基础上；地下水资源评价以当地总水资源的分析为基础；使有限的 地下水资源产生最优的社会、经济效益；开采地下水引起的环境变化，以不产生公害为 原则。 6.饮用水水质评价标准： 物理性质的要求；普通溶解盐类的评价；对有毒成分的 限制； 对细菌及有机污染物的限制。 8.锅炉用水水质评价方法： 成垢作用 ：水煮沸时，水中所含的一些离子、化合物可以相互作用而生成沉淀，依 附于锅炉壁上形成锅垢，这种作用称为成垢作用。 起泡作用 ：指水煮沸时在水面上产生大量气泡的作用。如果气泡不能立即破裂，就 会在水面以上形成很厚的极不稳定的泡沫层。泡沫太多时将使锅炉内水的汽化作用极不均 匀和水位急剧地升降，致使锅炉不能正常运转。 腐蚀作用：由于水中氢置换铁使炉壁受到损坏的作用称为腐蚀作用。 9.地下水资源管理：是与地下水的存储、传输和抽取的合理规划和利用有关的地下水系统 的管理活动。 10.地下水管理的内容：地下水水位的控制和优化；地下水水质的改良、控制及分质 供水的调度；人工补给与地下水库的建立和调蓄；健全的水资源管理机构和合理的水 资源法规。 11.为专门目的服务的地下水管理内容：为城市生活和工业用水服务的