水文地质基础知识ppt课件

应用水文地质学基础知识,2014年8月,目的,复习水文地质学的基本概念和原理拓宽水文地质学知识,内容,绪言地球上的水循环岩石中的孔隙与水分地下水赋存条件地下水运动的基本规律地下水的化学成分及其形成作用地下水的补给与排泄地下水动态与均衡孔隙水、裂隙水和岩溶水,绪言,水文地质学：是研究地下水的科学。研究地下水水量和水质时空演化规律，地下水的合理开发利用等。地下水：赋存于地表以下岩石空隙中的水（非饱和带水、饱和带水）。地下水的功能和作用宝贵的资源（与其它资源的不同）重要的环境要素（资源、污染、生态、灾害等）地质营力信息载体,学科体系,水文地质学是地质学的一个分支水文地质学也称为地下水水文学，是水文学的一个分支水文地质学是地质学与水文学所形成的交叉学科，而由于两者不同，形成相对独立的一门学科体系。,地质学,水文学,基础学科,水文地质学,学科体系,基础学科水文地质学基础地下水动力学水文地球化学应用学科供水水文地质学矿床水文地质学农田供水水文地质学油田水文地质学工程水文地质学技术学科计算水文地质同位素水文地质RS、GIS,1.地球上的水循环,水文循环的定义是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗和径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。,水的存在形式,大气水（气态）陆地地表水（江河、湖）冰川水（固态）海洋水地下水土壤水（包气带水）地下水（狭义，饱和带水）,水文循环的基本过程,蒸发水汽输送凝结降水入渗径流（地表径流,地下径流）,水文循环基本过程,水循环的类型,大循环：海洋与陆地之间水分交换过程小循环：陆地或海洋的局部水分交换的过程陆地小循环外流区小循环内流区小循环海洋小循环,水循环的基本特征,海洋的蒸发量大于降水量陆地的降水量大于蒸发量陆地外流区输入水汽量与输出水汽量基本平衡内陆盆地的降水量等于蒸发量,水文循环的机理,水文循环服从质量守恒和能量守恒原理水文循环的基本动力是太阳能和地球引力水文循环的内在因素是水的特殊的物理性质：在常温常压下可以进行三种状态的相互转化全球水文循环是闭合系统，局部为开放系统水文循环过程伴随着能量的转换和其他物质的运移和聚集,水文循环的作用与效应,影响气候变化水文循环的强弱和路径，决定了地区气候特征水循环对能量的转换和再分配，起到调节气候天气现象本身就是水文循环的产物水文循环形成各种地貌形态地表水体本身就是水循环的要素水循环中水流的冲刷、侵蚀、搬运、堆积作用形成各种地貌形态举例水成沉积岩的形成过程影响的应力的平衡,水文循环的作用与效应,水文循环是环境的主要控制因素水循环的强度和时空分布，是洪、涝、旱等自然灾害产生的主要原因。循环强度过大：易产生洪涝灾害；循环强度过小：易产生水资源不足，旱灾很多生物依赖于水分循环传输养分而得以生存和发展,水文循环的作用与效应,水文循环为人类提供了巨大的水资源和能源提供了人类赖以生存和发展的可再生的水资源提供了巨大的能源水车：将太阳能转化为机械能水力发电：将太阳能转化为电能热水资源：以水循环为媒介，利用地热资源水文循环是地球上一切水文现象产生的根源水文循环是地球环境存在和发展最重要的影响因素，因此，可以说研究水文循环是水文学研究的主旋律。,2、岩石中的空隙和水分,岩石中的空隙岩石中水的存在形式岩石的水理性质,基础知识,矿物形成作用：岩浆作用、风化作用、区域变质作用矿物：矿物指由地质作用所形成的天然单质或化合物。它们具有相对固定的化学组成，呈固态者还具有确定的内部结构；它们在一定的物理化学条件范围内稳定，是组成岩石和矿石的基本单元。,.,基础知识,矿物种类：目前已知的矿物约有3000种左右，绝大多数是固态无机物，液态的（如石油、自然汞）、气态的（如天然气、二氧化碳和氦）以及固态有机物（如油页岩、琥珀）仅占数十种。在固态矿物中，绝大部分都属于晶质矿物，只有极少数（如水铝英石）属于非晶质矿物。来自地球以外其他天体的天然单质或化合物，称为宇宙矿物。由人工方法所获得的某些与天然矿物相同或类同的单质或化合物，则称为合成矿物如人造宝石。矿物原料和矿物材料是极为重要的一类天然资源，广泛应用于工农业及科学技术的各个部门。,岩石：矿物的集合体，是组成地壳的主要物质。岩石可以由一种矿物所组成，如石灰岩仅由方解石一种矿物所组成；也可由多种矿物所组成，如花岗岩则由石英、长石、云母等多种矿物集合而成。组成岩石的物质大部分都是无机物质。岩石的固结性分类：松散岩类、固结岩类（基岩）岩石的可溶性：非可溶性岩、可溶性岩,.,岩石的成因分类火成岩：由於岩浆侵入地壳内部，或流出地表面造成熔岩，在经冷却凝固而造成。火成岩是所有岩石中最原始的岩石。沉积岩：由原来已形成的岩石，受到风化作用后变为碎屑，或由生物的遗迹等，再经过侵蚀、沉积、及石化等作用而造成的岩石。这类岩石都成层状，最先沉积者在下部，时代较老；层次愈上者，则时代愈新，这叫做叠置层法则；变质岩：原来的火成岩或沉积岩，再经过地壳运动或岩浆侵入作用所发生的高温和高压与热液的影响，可以改变其原来岩石的结构或组织，或使部分矿物消失，而产生他种新的矿物，因而成为另外一种与原岩不同的岩石，称为变质岩，如大理岩变自石灰岩；板岩变自页岩；石英岩变自砂岩等。,岩石中的空隙,地下水的储存空间岩石的空隙孔隙松散岩层裂隙基岩溶隙（溶穴）可溶性岩石空隙性指岩石空隙的大小、多少、形状、分布特点以及连通情况等。这些特性对于地下水的埋藏、分布、运动有重要的影响。,岩石中的空隙,松散岩层孔隙特点孔隙率（度）：一定体积岩石（包括孔隙）中孔隙体积所占的比例。影响松散岩层孔隙度的因素“理想土”模型颗粒排列方式和密实程度颗粒大小和形状分选程度土壤结构（单粒、团粒结构）其他因素：次生裂隙、根孔、虫孔等,裂隙成岩裂隙构造裂隙风化裂隙裂隙性裂隙的方向、宽度、延伸方向、充填情况等。裂隙率,溶穴发生在可溶性岩石之中具有继承性岩溶率（溶隙率）岩石空隙的特性（均匀性、方向性、连通性）松散岩类：空隙分布均匀、连通性好基岩裂隙：不均匀、具方向性、不同方向裂隙可形成裂隙网络可溶岩溶隙：极不均匀、很强的方向性、容易形成各自的岩溶水流系统。,按含水介质的地下水分类含水层（体）：饱含水的透水层（体），或能够透过并给出相当数量水的岩层（体）。,孔隙水：储存于松散层中的地下水。,裂隙水：储存于基岩裂隙中的地下水。,岩溶水：储存于可溶性岩石溶穴中的地下水。,岩石中的水的存在形式,结合水重力水毛细水,毛细水毛细现象：液体表面张力作用下在毛细管中水位上升一定高度的现象。毛细上升高度与毛管直径成反比。岩石孔隙等效于弯曲的毛细管在地下水面以上必然有毛细水。结论：松散岩层的颗粒越粗，孔隙越大，则毛细上升高度越小。,岩石的水理性质,岩石的水理性质即岩石孔隙类型、大小与水的存在形式之间的关系，主要的定量指标：容水度：岩石完全饱和时所能容纳水的最大体积与岩石总体积之比含水量重量含水量体积含水量：岩石中水的体积与岩石体积（包括孔隙和水的体积）之比。（土壤的凋萎含水量、田间持水量、毛管断裂含水量等）给水度（）：单位体积的饱和岩石，在重力的作用下释出水的体积。或：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水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积。（应用：重要的水文地质参数，区域水资源评价）持水度（Sr）：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在岩石孔隙中的水的体积。透水性：岩石允许水通过的能力，定量指标渗透系数。,3、地下水赋存条件,地下水面：地表以下一定深度，岩石中的孔隙被重力水所充满，则形成地下水面。饱水带：地下水面以下岩石。包气带：地下水面以上，未被水充满的岩层。支持毛细带中间带土壤水带水文地质学研究的重点是饱水带。但包气带作为补给通道作用也不容忽视。,地下水赋存,含水层定义：饱含水的透水层，或能够透过并给出相当数量水的岩层。辨异：饱含水的弱透水层（粘土、沿粘土等）；不含水的透水层（沙漠、被疏干的含水层等）隔水层定义：不透水的岩层，或不能透过并给出一定水量的岩层。辨异：隔水层的相对性，并非完全隔水弱透水层含水层和隔水层的相对性和对立统一性,地下水赋存,地下水分类：1.包气带水(上层滞水)；2.潜水；3.承压水；潜水含水层；承压含水层,地下水赋存,潜水定义：饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水。特点：无隔水顶板，积极参与水循环（补给、排泄）；动态随季节变化明显；重力释水；易受污染；一般情况下，潜水面与地形起伏相一致。,潜水的几个基本要素,地下水赋存,承压水定义：充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水。特点：承压性承压含水层水头高于隔水顶板（辨异：层间水）；有隔水顶板，参与水循环不积极（补给、排泄），超采后不易恢复；动态随季节不变化明显；弹性释水；不易受污染。,承压水的几个基本概念,4、地下水运动的基本规律,达西定律达西定律的应用等水位线和流网,读图：承压含水层等压线图,达西定律,概念渗流：地下水在岩石空隙中的运动。特点：运动缓慢；不规则；不连续（不是空间的连续函数）。渗流场：发生渗流的区域。层流：水的质点作有秩序的、互不混杂的流动。紊流：水的质点无序的、互相混杂的流动。稳定流：各运动要素不随时间变化的水流。非稳定流：运动要素随时间变化的水流。,达西定律Q-渗透流量(L3T-1)；-过水断面(L2)；h-水头损失(水头差，L)；L-渗透途径(L)；K-渗透系数(LT-1)；I-水力梯度(无量纲)。物理意义地下水由水头（位）高处向低处流动，流速大小与水力梯度成正比，比例系数即为渗透系数。（Fick定律）,达西定律讨论过水断面：是指垂直于流向横断面积，包括颗粒和孔隙所占据的面积的总和，是一种假想的过水断面面积，实际孔隙面积为：,渗透速度是一种假想流速，是平均到整个假想过水断面上的流速。地下水在孔隙中的实际流动速度要大于渗透速度，水质点的平均实际流速为：水力梯度（I）沿渗透途径水头损失与相应途径长度的比值。水力梯度可表示为：,渗透系数（K）岩石渗透性能的定量指标，在数值上等于单位水力梯度条件下的渗流速度。量纲：LT-1。影响因素：孔隙大小、多少颗粒大小分选程度问题：是否松散岩层的孔隙度越大，渗透系数越大？用途：重要的水文地质参数，用于水资源评价，建立地下水模型,渗透系数（K）如何得到K值？室内试验，缺点：扰动，点参数均衡计算，区域平均值，缺点：精度低模型反演：建立数学模型，通过调整参数，拟合实际观测水位，确定水文地质参数。数值法：解析法：注意：用稳定流模型求参，只能求得K值，而不能通过反演等到给水度值。而非稳定流模型可得到两者。,达西定律的应用,求断面流量已知某均质含水层，剖面如右图所示，含水层渗透系数为K，沿径流方向有两个水位观测孔，孔间距为L，两观测孔观测水位分别为Ha和Hb，求：沿地下水流方向的单宽流量。根据达西定律：设K100m/d;Ha=51m;Hb=49m;L=1000m。得：Q=10m3/dm,求水平等厚承压含水层流量和层压水头线如右图所所示，有一承压含水层由均质等厚的砂组成，隔水底板水平，地下水做水平稳定运动。砂层中的渗流是缓慢的属层流，符合达西定律：,分离变量并积分,设x(0,L),并对应的测压水位为h，根据上式可写成如下两式：,结论：均质水平等厚承压含水层的测压曲线是直线。,岩层的渗透介质分类均质、非均质含水层各向同性、各向异性含水层组合：均质各向同性均质各向异性非均质各向同性非均质各向异性,等水位线潜水位、测压水位等水位（压）线：潜水位（测压水位）相等的各点的连线，称为等水位（压）线。（等水位面）流线：渗流场中某一瞬间的一条曲线，曲线上各水质点在此瞬间的流向均于此线相切。流网：等水位线与流线组成的网格。在各向同性介质中，流网为正交网格。,用途地下水分布状况地下水位标高埋深含水层类型（潜水、承压含水层）地下水流动方向判断水文地质条件含水层相对导水性能（厚度、渗透性）边界条件（隔水边界、补给和排泄边界）与河流的关系地下水的径流模式,5、地下水化学成分及其形成作用,几个问题：地下水是否是纯水？处水（H2O）以外，地下水中有何成分？如果有其它成分，这些成分如何形成的？这些成分对人类的生活、生产有何影响？显然，地下水在其循环过程中，不断地与地壳岩石以及地幔物质发生各种地球化学作用，并与大气圈、地表水圈、生物圈进行各种物理、化学、生物作用，形成各种类型的地下水化学类型，其物理性质和化学成分是随空间和时间而变化的。,研究地下水化学成分的意义阐明地下水的起源、形成与分布规律阐明成矿机制，完善与丰富找矿理论地下水质量评价水文地球化学研究地下水中化学元素迁移、集聚和分布规律的科学。,地下水主要化学成分,气体成分O2、N2主要来源于大气。O2多说明处于氧化环境，反之，若地下水中N2单独存在，水明处于较封闭的还原环境。大气中的(A+Kr+Xe)/N2恒等于0.0118。若小于次值，说明地下水中含有生物起源或变质起源的N2。H2S、CH4这两种气体的存在，说明地下水处于比较封闭的环境，在生物化学作用下，产生H2S、CH4。CO2来源：土壤、大气、深部高温的变质作用作用：CO2含量多，则溶解碳酸盐演的能力强。近几十年来，大气中的CO2浓度大幅度增高，或多或少使地下水中的CO2有所增加。,主要离子成分Cl-主要来源：（1）含有氯化物的岩石；（2）海水；（3）火山喷发物的溶滤；（4）人为污染。Cl-是地下水中最稳定的离子成分，不为植物及细菌所摄取、不被土壤颗粒所吸附，溶解度大，不宜沉淀析出。随着矿化度的增加，Cl-成为地下水中的主要离子成分。SO4-2主要来源：（1）含石膏及其它硫酸盐的沉积岩的溶解；（2）金属硫化物矿床的溶解；（3）化石燃料燃烧产生大量的SO2，最终形成酸雨，补给地下水。HCO3-主要来源：（1）含碳酸盐岩的溶解作用CaCO3+H2O+CO22HCO3-+Ca2+；（2）在岩浆岩和变质岩地区，来自吕硅酸盐矿物的风化溶解。是低矿化水中的主要阴离子成分。,Na+K+主要来源：沉积岩中钠盐和钾盐的溶解、岩浆岩和变质岩中含钠钾矿物的风化溶解。这两种离子的盐类溶解度都很高，石膏矿化地下水中主要的阳离子成分。Ca2+主要来源：沉积岩中碳酸盐岩和含石膏岩石的溶解，岩浆岩和变质岩中含高矿物的风化溶解。一般的Ca2+盐的溶解度都比较低，是地矿化水中的主要阳离子成分。但CaCl2的溶解度相当大，在一定的条件下，也有可能成为高矿化水中的主要阳离子成分。Mg2+来源、分布、作用与Ca2+接近。,地下水总矿化度：地下水中各种离子、分子及化合物的总量。它表示水中的含盐量。单位：g/L,mg/L测定及计算方法：在100110度温度下，将水蒸干后所得的干沽残余物总量表示；阴、阳离子含量相加，减去一半的HCO3含量,地下水化学类型,地下水种不同的化学组分，反映了地下水大成因和演化过程，可用水中主要离子成分来表示地下水的化学类型。库尔洛夫式：简明地反映了地下水化学的特点。将阴阳离子分别标在横线上下，按毫克当量百分比自大尔小的顺序排列，小于10%的不予表示。横线前依次表示气体成分、特殊成分及矿化度，横先后以字母t为代号表示摄氏温度。舒卡列夫分类：将水中六中主要离子（含量大于25%毫克当量）的阴离子和阳离子进行组合，共分出49型水，按矿化度又划分为4组：A1.5g/L、B:1.5-10g/L、C:10-40g/L、D:40g/L。,地下水化学成分的形成作用,地下水的成因,大气降水成因（溶滤水）：积极参与现代水循环，直接或间接来自大气降水补给的地下水。具有明显的水化学演化和分布规律。绝大多数地下水的成因。沉积水矢志于沉积物大体同时形成的古地下水。具有较好的封闭条件，一般处于还原环境中。具有特殊的地下水化学类型，如盐水、卤水等。内生水地球深部地幔物质成因的地下水。地下水热水来源：有人估计约10-30%来自内生水，岩石中包括体的研究也表明内生水的存在。该研究尚不成熟。各种成因的地下水在形成初始有各自的初始化学成分，形成之后不断运动并参与地球物质循环，不断与环境介质发生各种作用，水化学成分随之发生变化。,6、地下水的补给与排泄,地下水是自然界水的存在形式之一，参与自然界的水循环。如果将含水层或地下水系统单独划分出来，作为自然界水循环的一个子系统，则该子系统与外界有水量、能量和溶质的交换。补给：含水层（地下水系统）从外界获得水量的过程。补给量排泄：含水层（地下水系统）失去水量的过程。排泄量,地下水的补给与排泄,主要补给有降水入渗降雨、融雪地表水体河渠渗漏、湖泊、水库、海洋、固体水融化相邻含水层越流补给、侧向流入（从一个地下水系统流入另一个地下水系统）人工补给灌溉入渗、人工回灌,主要排泄有潜水蒸发蒸腾（蒸散发）向地表水体排泄泉、基流等向相邻含水层排泄越流、侧向流出人工开采,降雨补给,下渗（infiltration）降雨对地下水的补给一次降雨对地下水的补给可表示为：,Pr降水对地下水的补给量；P降雨量；R地表径流量；V非饱和带蓄水量，为,d降雨前地下水位的埋深；hn毛细支持带厚度；t田间持水量；0毛细支持带以上降雨前土壤含水量,由上式可以看出，降雨入渗补给量决定于两方面：1.下渗量；2.包气带的蓄水能力。,下渗模式,下渗过程中的水分分带,降水补给是地下水补给的根本来源降水补给过程（右图）影响因素降水特征降水量降水强度持续时间下垫面情况地形坡度植被发育情况包气带特性岩性结构厚度前期土壤含水量降水入渗系数,降水入渗补给量的确定降水入渗补给系数法的确定方法：试验法；区域均衡法；数值模型的参数识别；类比法均衡法,地表水补给,最常见的地表水体补给方式，是地下水重要的补给来源之一。主要影响因素河床的湿周河床及其下部地层岩性、结构河水位与地下水位之差河流过水时间河流补给地下水的几种类型（计算方法不同）有水力联系：直接水力联系、越流式无水力联系：入渗式、越流式,河流含水层有直接水力联系,河流含水层无水力联系（脱节）,河流含水层越流式关系,含水层-河流补排关系的变化,确定河流补给量测流法地下水动力学方法（达西定律）损失系数法数值模型识别,相邻含水层的补给,地下水人工补给方式,人工补给,泉,地下水的天然露头根据泉的水力状态,可分为:下降泉：由潜水含水层或上层滞水补给，无压。侵蚀泉：沟谷切割揭露潜水含水层接触泉：地形切割达到隔水底板而在接触面出露溢流泉：前水流向方向上透水性急剧变弱，水流受阻而出露上升泉：由承压含水层补给，泉口测压水位通常高于地面标高。侵蚀上升泉：地形切割揭露承压含水层顶板断层泉：接触带泉,地下水蒸发,蒸发的基本概念水面蒸发土壤蒸发植物蒸发（蒸腾）地下水蒸发,地下水蒸发,在有植被的情况下，土壤蒸发包括土面（裸地）蒸发和植物蒸腾（叶面蒸发）两部分，其中由地下水补给土壤水分蒸发损失水量的部分为地下水蒸发。地下水蒸发类型,地下水蒸发的影响因素,气象因素：温度、湿度、风、气压、降水等（外界蒸发能力，0）；土壤的输水能力：土壤类型含水量植被类型及覆盖率；潜水位埋深。,潜水蒸发量的确定,潜水蒸发系数法潜水蒸发系数Ca是多年平均潜水蒸发量e与多年平均水面蒸发量0的比值。Ca是我国水资源评价中常用的一个参数，其值主要是通过试验站蒸渗仪是测各种条件下（岩性、有无作物即作物类型）。蒸发量计算公式为：e=0Ca,经验公式法阿维扬诺夫经验公式式中：地下水蒸发量(mm/d)；0水面蒸发能力(mm/d)；潜水位埋深(m)；0潜水蒸发的临界埋深(m)；n经验指数，一般取13。该公式适用于无作物条件下的潜水蒸发量计算，但实际上已被用于由作物条件下潜水蒸发量的计算。一般在由作物条件下，0更大，n值较小，潜水蒸发量更大。在地下水数值模型中，一般用该式计算地下水蒸发量。,半理论半经验公式采用非饱和土壤水稳定流理论，分析潜水蒸发与水面蒸发和地下水埋深的关系，通过假定：的经验关系，推导出：式中：max最大极限蒸发强度，随地下水位埋深而变化，mm/d；当00时0曲线的斜率，且有：max；、随土壤类型变化的参数，由试验资料确定。该公式为适于无作物生长条件，在地下水埋深大于1m条件下计算较为准确。,有作物生长的潜水蒸发经验公式根据一维非饱和土壤水流方程和非饱和导水率经验公式（加德纳公式），可推导出潜水蒸发公式：S1潜水面以上某测点实测土壤吸水力S1=-1；S0潜水面上的土壤吸水力(S0=0)；HS1点至潜水面的距离；a、b由实验数据得到的经验系数。,器测法（地中渗透仪、蒸散仪，Lisimeter）蒸散仪（Lisimeter）：测量土壤和植物蒸散发的仪器。地中渗透仪：综合性测试仪器，可测试不同条件下的土壤、植物、潜水蒸发量，降水入渗量等。野外试验场,运用数值模型计算潜水蒸发量根据土壤水运动理论及其参数，运用数值方法建立土壤输运移模型，并通过实测数据对模型进行校正，从而计算各种条件下的地下水蒸发量。运用建立的地下水模拟模型，通过地下水位的拟合，反求地下水蒸发量。,7、地下水动态与均衡,地下水动态定义：含水层(地下水)各要素随时间的变化。如泉流量、地下水位、水化学成分、水温等。,地下水均衡定义：某一时间段内某一地区内地下水水量(组分、能量)的收支状况称为地下水均衡。均衡区：进行均衡计算的区域，最好选择完整的水文地质单元。均衡期：进行均衡计算的时间段。常用年或多年。均衡项：均衡期内地下水的各补排项。正均衡：储存量增加。只是出现在某一时间段。负均衡：储存量减少。人为的作用常常出现长期负均衡，导致储存量的不断减少而资源量枯竭。地下水均衡的影响因素：补排量之差。地下水均衡的表现：地下水动态。,地下水均衡方程式作用：分析均衡区内地下水的收支状况；分析地下水系统中各补排项的比例和作用；评价地下水补给资源量；估算某些未知的均衡项。,两项之差应等于储存量的变化量：,例：有一河间地块（如右图所示）潜水含水层，地下水的补给项主要有侧向流入、河流补给、降水入渗、凝结水补给和越流补给，主要排泄项有侧向流出、蒸散发和项和流排泄。含水层给水度为，年变幅为h。试列出河间地块潜水含水层年均衡方程式。收入和支出项分别为：,地下水动态的影响因素内在要素：地下水均衡气象因素水文因素人为影响地下水系统结构含水层类型（承压含水层、潜水含水层）含水介质（孔隙、裂隙、溶隙）补及途径和距离（包气带厚度都等）水文地质参数其他因素（应力变化等）,8、孔