水文地质期末复习重点.pdf

绪论 1.水文地质学：水文地质学是研究地下水的科学。它研究与岩石圈、水 圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空 变化规律，并研究如何运用这些规律兴利除害，为人类服务的科学。 2.研究对象：地下水 3.研究内容：地下水的形成与转化；地下水的类型与特征；饱水带及包 气带中水分和溶质的运动；地下水动态与水均衡；地下水资源计算与评 价；地下水资源系统管理； 4.地下水的功能：宝贵的自然资源；重要的生态环境因子；灾害因子； 活跃的地质营力；地球内部信息载体 第1章 地球上的水及其循环 1水循环：地球上各个层圈系统内的水相互联系、相互转化的过程。 包括水文循环和地质循环。 水文循环：是指发生于大气水、地表水和地下水之间的水循环 水文循环分类：路径不同：大循环（海-陆）和小循环（海-海或陆- 陆）；时空尺度：全球水文循环，流域水文循环，水-土-生系统 2水系：是指汇流于某一干流的全部河流所构成的地表径流系统。 流域：是指一个水系的全部集水面积，亦即地表水或地下水的分水岭所 包围的集水区域。 分水岭（分水线）：是指相邻两个流域之间地形最高点的连线。 3径流模数：是流域内单位面积单位时间产生的径流量，单位为 L/skm2，计算公式M=Q/F103。 径流深度：是某一时段内的径流总量均匀分布于整个流域面积上所得到 的平均水层深度，单位为mm，计算公式R=W/F10-3。 径流系数：是同一时段内流域面积上的径流深度R（mm）与降水量 P（mm）的比值，表示为b=R/P。 第二章 岩石中的空隙与水分 1、空隙：岩石中没有被固体颗粒占据的那部分空间，是地下水赋存场 所和运移通道。类型：松散岩石中的孔隙；坚硬岩石中的裂隙；可溶岩 石中的溶穴 空隙特征的表征指标：孔隙-孔隙度（n）；裂隙-裂隙率（Kr）； 溶穴（溶隙）-岩溶率（Kk） 2、岩石的水理性质：是与水的储容、运移及释出有关的岩石性质的总 称。 含水量：是岩石空隙中所保留的水分的多少。 2.1给水度：是指地下水位下降一个单位深度、从地下水位延伸到地表 面的单位面积岩石柱体在重力作用下所释放出来的水的体积。常用小数 表示，无量纲 给水度的影响因素 岩性：颗粒粗大的松散岩石，空隙宽大，重力释水时持水性差，给 水度大。 地层结构：含有细颗粒夹层时给水度较小。 空隙大小与性质：空隙宽大时给水度较大，而空隙狭小时，结合水 与毛细水为主，持水性强，给水度小。 水位埋深（在毛细带内）：埋深小于最大毛细上升高度时，给水度 较小。 水位降速：抽水时降速过大时给水度偏小，降速很小时给水度较稳 定。 2.2含水量：是岩石空隙中所保留的水分的多少。 2.3持水度（Sr）：是指地下水位下降一个单位深度、单位水平面积岩 石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水的体积。常用小数表示，无 量纲。存在关系式：m + Sr = n 2.4岩石的渗透性：是指岩石允许重力水透过的能力。用渗透系数K表征 影响因素有： （1）孔隙直径的大小。透水能力很大程度上取决于最小的孔隙直径。 （2）孔隙通道：形状弯曲而变化时，渗透性较差。 （3）颗粒分选性：比对孔隙度的影响要大。 2.5空隙度、储水系数 第三章 地下水赋存 1、包气带：是指地下水面以上至地表面之间的地带。 包气带水的垂直分带：土壤水带、中间带和毛细水带 2、饱水带：是地下水面以下岩土空间全部或几乎全部被水充满的地 带。 3、地下水存在形式 4、含水层：是指饱水并能传输与给出相当数量水的岩层。构成含水层 的三个条件是：（1）有储存水的空间（储水构造），（2）周围有隔水 岩石，（3）有水的来源，含有重力水为主。 5、隔水层：是指不能传输与给出相当数量水、或者透过与给出的水量 微不足道的岩层。具有相对性，以含有结合水为主。 弱透水层：是指本身不能给出水量、但垂直层面方向能够传输水量的岩 层 6、潜水：是指饱水带中第一个具有自由表面且有一定规模的含水层中 的重力水。亦即地表以下第一个稳定隔水层以上具有自由水面的地下 水。潜水的特点:1水位易受气象水文因素影响； 2与大气水、地表水联 系密切，积极参与水循环，对气象、水文响应敏感，水资源易得到补 充，含水层厚度有限，缺乏多年调节性；3水质受气候地形条件影响。 另外潜水的补给区通常与排泄区是一致的。 7、承压水：是指充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的 水，具有承压性质。承压水的特点：因受上部隔水层的影响，1承压性2 与大气圈、地表水圈的联系较差，不易受气象水文影响3水循环缓慢，4 水资源不易补充5不易污染，但污染后不易恢复6水质受埋藏和与外界联 系的限制。 8、潜水等水位线图：潜水位相等的各点连线。作用：1 判断地下水流 向；2计算水利坡度；3地形图与等水位线仪器计算水位埋深；4确定潜 水与地表水补排关系 9、将某一承压含水层测压水位相等的各点连线得到等水位线图，可用 于确定承压水流向和水力梯度。等水压线图：1判定地下水流向；2水力 坡度3溢流区 第四章 地下水运动的基本规律 1、渗流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。 2、层流运动：水质点做有秩序的、互不混杂的流动。紊流运动：水质 点做无秩序的、互相混杂的流动。 3、稳定流：是指水在渗流场内运动过程中各个运动要素（水位、流 速、流量、流向等）不随时间改变的水流运动。非稳定流：是指水在渗 流场内运动过程中各个运动要素（水位、流速、流量、流向等）随时间 变化的水流运动。 4、达西定律又称为线性渗透定律：是指流体在多孔介质中遵循渗透速 度（v）与水力梯度（I）呈线性关系的运动规律，是法国H. Darcy于 1856年通过砂柱渗透实验而得到的线性渗透定律。 1）达西定律的数学表达式为： 其中Q-为渗透流量（出口处流量），亦即通过过水断面（砂柱各断 面）A的流量(m3/d)； K-多孔介质的渗透系数(m/d)；是水力梯度等于1时的渗透流速，它 是描述含水层介质透水能力的重要水文地质参数。 A,w-过水断面面积(m2) ；h水头损失（h=H1-H2，为上下游过水 断面的水头差）； L渗透途径； I-为水力梯度（I = h/L），等于两个计算断面之间的水头差除以渗 透途径，亦即渗透路径中单位长度上的水头损失 2）渗流速度（v）是假想渗流的速度，是假设水流通过包括骨架与空隙 在内的断面（A）上的平均流速，等于通过实际过水断面的实际流速u与 岩石的有效孔隙度之积。 3、渗透 4、流网：是指在渗流场的某一典型剖面或切面上，由一系列等水头线 和流线所组成的网络。特点：a、在各项同性介质中，流线与等水头线 正交；在各向异性介质中，流线与等水头线斜交；b、是按一定规则绘 制的，等水头线（等水头差绘制），流线（等流量宽，单宽流量相等） 5、流线：是渗流场中某一瞬时的一条线，线上各个水质点在此时刻的 流向均与此线相切。 迹线：是渗流场中某一时间段内某一水质点的运动轨迹。 流线可 看作水质点运动的摄影，迹线则是对水质点运动所拍的电影。在稳定流 条件下，两者重合。 6、均质岩层：渗流场中所有点都具有相同参数（K）的岩层。非均质 岩层：渗流场中所有点不都具有相同参数的岩层，渗透系数 K=K(x,y,z)，为坐标的函数。 7、各向同性岩层：渗流场中某一点的渗透系数不取决于方向，即不管 渗流方向如何都具有相同渗透系数的岩层。各向异性岩层：渗流场中某 一点的渗透系数取决于方向，渗透系数随渗流方向不同而不同的岩层。 8、层状非均质介质是指介质场内各岩层内部渗透性为均质各向同性， 但不同层介质的渗透性不同。 第五章地下水的理化性质及其形成作用 1、地下水中气体： O2、N2、 H2S 、CH4、 CO2、Rn等；离子：H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ , OH-, Cl-, SO42-, NO2-, HCO3-, CO32-, SiO32-, PO42-； 2、氧(O2)和氮(N2)来源： 主要起源于大气：（大气降水+地表水入渗 补给）；生物：水生植物的光和作用释放氧气；生物化学作用：微生物 分解有机物与矿物盐类 ；变质作用：岩石在高温高压下影响下可生成 O2 主要来源于大气； N2 三个来源：大气、生物成因、变质成因。 CH4和H2S 封闭、还原环境，在有机质与微生物参与的生物化学过 程中形成，其中H2S为SO42-的还原产物。H2S来源：硫酸盐还原； 硫 化矿物分解； 火山喷发 CO2 来源：(1) 大气 (2)生物 (3)变质 (4)人类活动 3、溶解性总固体(TDS):溶解在水中的无机盐和有机物的总称。mg/L、 g/L 矿化度（M）：是指地下水中各种离子、分子与化合物的总量，单位 g/l。地下水中主要离子成分随总溶解固体的变化而变化。溶解度由大 而小的顺序是Cl-SO42-HCO3-。 低矿化水（1）中HCO3-, Ca2+, Mg2+为主； 高矿化水（10-30）中Cl-, Na+为主； 中等矿化水 （1-10）中阴离子SO42-为主，阳离子以Na+, Ca2+为主。 卤水中以 CaCl2为主。 硬度：总硬度 暂时硬度 永久硬度 4、地下水化学成分的形成作用类型：溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作 用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用 、混合作用。 SO22- + 2C + 2H2O H2S + 2HCO3- 5、简分析：物理性质（温度、颜色、透明度、嗅味、味道等）、HCO3- , SO42-, Cl-, CO32-；Ca2+, Mg2+, Na+, K+；总硬度、pH值；NO3-, NO2-, NH4+, Fe2+, Fe3+, H2S、耗氧量、矿化度。单位为mg/l, mmol/l。 全分析：化学成分HCO3-, SO42-, Cl-, CO32-, NO3-, NO2-；Ca2+, Mg2+, Na+, K+ , NH4+, Fe2+, Fe3+, Mn2+；H2S、CO2、耗氧量；总硬 度、pH值、干涸残余物。某些微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时 需分水的侵蚀性CO2。单位为mg/l, mmol/l 6、库尔洛夫式 7、地下水化学成分的表示：TDS/M；含盐量；酸碱度；硬 度 8、地下水化学类型的表示方法 （一）单项组分的表示 1.重量浓度单位%，g/g，ppm（10-6g/g），ppt（10-9g/g） 2.体积浓 度单位g/L，mg/L，ug/L 3. 离子毫克当量/升（mgN/L）表示单位 4. 离子毫克当量百分数 （二）库尔洛夫式表示 第六章 地下的补给与排泄 1、补给：含水层或含水系统从外界获得水量的过程，水量增加的同 时，盐量、能量等也随之增加 2、排泄：含水层或含水系统向外界排出水量的过程，减少水量的同 时，盐量和能量等也随之减少。 3、地下水径流的特点： （1）地下水径流首先取决于水力梯度，地下水流向总是水力梯度最大 的方向。 （2）径流受岩石透水性的制约。 （3）水流长城层流运动，流速很小，动能通常不考虑。 （4）边界对流速影响小，除非边界明显改变了地下水流向和过水断面 面积。 径流速度影响因素 （1）含水层的渗透性；（2）水力梯度； （3）过水断面面积； （4）温度；（5）含盐量。 径流的强弱，影响着含水层水量与水质的形成过程。 4、影响地下水补给的因素 5、地下水的补给源及其计算方法 地下水的补给来源有：天然：大气降水、地表水、凝结水及相邻含水层 的补给等；人类活动有关的：灌溉水入渗、水库渗漏及人工回灌 6、泉的成因类型 根据出露成因将上升泉可分为：侵蚀（上升）泉、断层泉和接触带泉。 根据出露条件又将下降泉分为：侵蚀泉、接触泉、溢流泉 泉的水文地质意义 判明地下水的排泄条件； 判明含水层特征环境； 说明地下水补给 条件，圈定富水区； 判定山区泉域的含水性、导水性； 判定泉所在含 水层的化学特征。 7、地下水蒸发排泄的影响因素及其计算 a.气候因素：干燥，气温高，蒸发量愈大 b.地下水位埋深：超过蒸发极限深度则蒸发0 c.包气带岩性： 8、地下水径流方向、径流强度与径流量； 第七章 地下水的动态与均衡 1、地下水动态：地下水各要素（如水位、水量、水化学成分、水温 等）随时间的变化。 1）地下水动态的形成机制 与环境的相互作用 降水补给地下水系统水位上升 (出现变化） 激励脉冲式的降水 响应波状信号的信息 地下水水位对外界输入（降水）响应的特点： （1）滞后和延迟现象 （2）有叠加现象 因外界激励（或输入）而引起的系统响应（或输出）的变化 幅度是含水系统内部结构作用的结果 某要素（水位）随时间的变化程度用稳定性来恒量 动态稳定变化幅度小 动态不稳定变化幅度大 2）影响因素 1、气象（气候）因素决定动态总轮廓 特点：大面积，普遍产生影响 (主要有降水与蒸发因素) 降水的影响因素：降水量、降水强度、延续时间 蒸发的影响因素：气温、湿度、风速 气象因素表现： 降水的昼夜变化 降水的年内季节性变化 降水的多年变化（如11年周期的太阳黑子变化） 与此相对应，地下水动态也有这三种周期性变化 昼夜变化 -在许多地区不明显 年内变化 -最突出 多年变化 -研究周期长 2、水文因素 指地表水体的变化对地下水动态的影响 3、地质因素 气候与水文因素决定了一个地区地下水动态的总轮廓 地质因素起修饰作用，滤波或削峰填谷的作用 潜水位的埋深：埋深的大小，对滞后-延迟时和变幅的 影响 包气带岩性：K起作用； 饱水带岩性：K和均起作用 地下水所处的空间部位：补给区，排泄区。一般而言， 补给区较排泄区更不稳定 4、人为因素 包括开采、人工回灌、灌溉、库渠渗漏、污水排放等 3、地下水动态天然类型 4、潜水、承压水的动态类型 1、潜水的动态类型三种类型 蒸发型 主要出现在干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆 地。 径流型 广泛分布于山区及山前 弱径流型 气候湿润的平原与盆地，蒸发排泄有限，径流排泄为 主，但径流微弱。 2、承压水 径流型 动态变化的程度取决于构造封闭条件。构造开启程度愈好，水交替愈强 烈，动态变化愈强烈，水质的淡化趋势愈明显。 5、地下水均衡：某一时段、某一范围内，地下水水量（热量、盐量、 能量）的收支状况。 均衡期：均衡计算的时间段 均衡区：均衡计算所选定的地区 正均衡：某均衡区某均衡期内地下水水量(盐量、热量)的收入大于支 出，表现为地下水储存量(热量、盐量)增加。 负均衡：某均衡区 某均衡期内地下水水量(盐量、热量)的收入小于支出，表现为地下水储 存量(热量、盐量)减少。 地下水均衡方程：表示地下水均衡收入项和支出项关系的方程。在研究 区内某一时段内某一含水层地下水各补给量总和(Qr)与各消耗量总和 (Qd)之差值等于均衡期始末的地下水贮存量的变化量Q的关系式。即 Q= Qr - Qd。 地下水贮存量变化量：均衡区内在均衡期起止两时刻水位变动带内重力 水量。通常以水层厚度(h) 计算，其中是变动带内岩石的给水 度；h是均衡期水位变化的平均值。 6、水量均衡计算与均衡分析 第八章 不同介质中的地下水的基本特征 1、孔隙水、裂隙水、岩溶水、矿床水的基本概念； 孔隙水：赋存于松散沉积物中的地下水 裂隙水是指赋存并运移于坚硬基岩裂隙中的地下水 岩溶水(喀斯特水)：赋存并运移于岩溶化岩层中的水 矿床水 2、冲洪积扇中地下水的分带特征 扇形地中地下水特点(由扇顶至前缘)： 含水层介质：颗粒由粗变细，透水性由强变弱。 水位埋深：由大变小；水位变化由大变小。 地下水径流：由强变弱，渗透速度由大变小。 水化学作用：由单一（溶滤作用为主）变多样（溶滤、蒸发浓缩、 阳离子交替吸附等），水化学类型由单一变复杂。 水质：由好变差， 矿化度由低增高。 地下水分带 1）赋存条件： 岩性：颗粒粗大颗粒变细 水位埋深：深浅 潜水深埋带潜水溢出带潜水下沉带 渗透性：好差 2）补、径、排条件： 补给：充沛差 径流：强烈受阻，v 快慢 排泄：径流排泄蒸发排泄 3）动态和均衡： 动态：水位动态变化 大小 均衡：统一的地下水系统 4）水化学： 水化学作用：溶滤蒸发浓缩 矿化度：低中高 盐分溶滤带盐分过路带盐分积聚带 水化学类型： HCO3SO4Cl 3、河流冲积物中地下水特征 1）地上河冲积物中的地下水（从河谷向两侧）： 岩性：从河谷向两侧，颗粒逐渐变细， 渗透性：渗透性由好变差， 补径排：补给方式由降水入渗补给变为降水入渗补给和侧向径流补 给。径流条件由好变差，径流由强变弱，排泄由径流排泄转为蒸发排 泄。 水化学：由溶滤作用变为蒸发作用为主，平面上形成多个含水条带， 垂向上可能相互交叠形成天窗。 2）河谷冲积平原中的地下水：含水层颗粒较粗大，沿江河成条带状有 规律地分布，与地表水水力联系密切，补给充分，水循环条件好，水质 较好，开采技术条件好，一般可构成良好的地下水水源地。 4、裂隙水的类型与特征 裂隙潜水和裂隙承压水（承压裂隙水） 成岩裂隙水、风化裂隙水、 构造裂隙水 裂隙水特点： 1）各裂隙含水系统内部具有统一的水力联系，各个系统与系统之间没 有或仅有微弱的水力联系。 2） 补径排、动态特征及其水量的大小取决于自身的规模。 3） 裂隙水的分布不均匀、各向异性 5、岩溶发育的基本条件 四个基本条件（1）岩层具有可溶性 ： 可溶岩的存在、可溶岩必须是 透水的 （2）地下水具有侵蚀能力 ： 具有侵蚀能力的水、水是流动的 岩溶水的基本特征 A岩溶含水介质的特征(1) 岩溶含水介质具有很大的不均匀性 (2) 广 泛分布的细小孔隙与裂隙 (3) 岩溶水量分布极不均匀 B、岩溶水的运动特征(1) 通常为层流、紊流共存， (2) 在岩溶水系统 中，局部流向与整体流向常常是不一致的。（3) 岩溶可以是潜水，也 可以是承压水。 C、岩溶水的补、径、排与动态特征- 补给：大气降水入渗面状补 给，补给强度较大。 排泄：以泉的形式集中排泄。 动态：变化 比较剧烈，水位