水文地质复习2

1、1、 绪论1、水文地质学的简单定义水文地质学是研究地下水圈的科学。地下水：地壳浅部含水层中可供生产、生活使用的井、泉水；包气带水；特点是不能依靠重力流动。火山喷发伴随的水汽；矿物水；是赋存于矿物结晶格架内部和格架之间的水。2、 地球上水的分布与循环 1）、表部层圈水。统指地壳上半部（地表以下15km17km深度范围内）到大气圈中的水。化学状态以H2O的分子形式存在；物理状态有汽、液、固三态，以液态为主。2）、深部层圈水。地球深部指地壳下部到下地幔与地核之间的部分。但高温高压的环境使水的物理化学状态发生了变化。自然界中的水循环 1）、水文循环。所谓水文循环是指地球表部层圈中的水，即大气水、地表水

2、及地壳浅部地下水相互间的交替转换过程。 2、地质循环。地球深部层圈水与表部层圈水之间的相互转化过程称为地质循环。 三、地质基础岩石的分类：1、岩浆岩（火山岩）；2、沉积岩；松散岩石3、变质岩地质构造：1、岩层接触关系2、褶曲3、断裂构造四、岩石的水理性质(一)岩石中的空隙1、孔隙由于松散岩石是由大小不等的颗粒组成，在颗粒或颗粒的集合体之间充满空隙，这些孔隙相互连通，呈小孔状，称为孔隙。松散岩石中孔隙的多少用孔隙度表示，或2、裂隙固结的坚硬岩石一般不存在或只保留有部分颗粒之间的空隙（或孔隙）。坚硬岩石主要发育各种成因的裂隙。分为成岩裂隙，构造裂隙和风化裂隙。坚硬岩石的裂隙发育程度通常用裂隙率表示

3、。 或者 3、溶隙（溶穴）可溶性岩石，如石灰岩，白云岩等，在地下水溶蚀作用下产生的空隙（洞），称为溶穴。用岩溶率表示。或者（2） 、岩石中水的存在形式按物理状态分：气态水，液态水，固态水。传统水文地质学重点研究液态水。根据其受力情况，又可以分为结合水(强结合水（吸着水），弱结合水（薄膜水）)。 ，毛细水和重力水。矿物内部存在的水称为矿物结合水。（3） 、岩石的水理性质岩石的水理性质反映岩石储容或透过地下水的性能。与岩石的空隙性有密切关系。容水性岩石能容纳一定水量的性能。度量指标为容水度。容水度指岩石中所能容纳水的体积与岩石总体积之比。可用小数或百分数表示。由定义可见，容水度与一般岩石的空隙度相

4、当。但膨胀性粘土饱水后体积会增大，容水度大于孔隙度。持水性岩石的持水性是指在重力作用下岩石仍能保持一定水量的性能。持水度：岩石在重力作用下释水后保持的水体积与岩石体积之比。在重力作用下岩石所能保持的水分主要是结合水，以及部分孔角毛细水。所以，粘性土持水度大甚至可与容水度相等，而裂隙岩石等持水度很小 给水性地下水位下降时，饱水岩石中的水在重力作用下能否自由释出或释出数量的多少，即为岩石的给水性。用给水度度量。给水度（）：当地下水位下降一个单位时，在重力作用下，单位水平面积上岩石柱体所释出的水体积。以小数或百分数表示，无量纲 粘性土给水度几乎为零，而粗粒松散岩石和裂隙岩石给水度甚至可以接近容水度。

5、4） 、含水系统1、包气带和饱水带地表以下第一个连续的自由水面以上部分称为包气带，水面以下部分称为饱水带。2、含水层地下水面之下，经常为地下水所饱和的透水层称之含水层 3、隔水层一般情况下不允许重力水透过或仅能透过极少量重力水的岩层属于隔水层。含水层中的越流如果某一含水层的上覆或下伏地层为弱透水层。含水层就具有半承压性质。当这个含水层与相邻含水层之间存在水位差时，地下水便会从高水头含水层通过弱透水层流向低水头含水层。这种现象称为越流。4、 地下水的类型 （一）、地下水的分类目前较为通用的地下水分类方法，一是根据地下水的单一特征分类，如，根据地下水起源不同，可把地下水分成渗入水，凝结水，初生水，

6、埋藏水等；根据地下水的矿化程度分为淡水、微咸水、咸水、盐水和卤水等；按地下水的埋藏条件，可将地下水分成包气带水、潜水和承压水等；按含水介质类型可把地下水分成孔隙水、裂隙水和岩溶水等。一是根据地下水的综合特征分类。有一种综合分类法综合考虑了地下水埋藏条件和含水介质特征，把地下水分成九种类型。二）、各类型地下水的特征1、包气带水包气带水是最接近地表的地下水，受气候因素影响最大。分布区与补给区一致。其中土壤水受毛管力和重力作用为主，因此主要作垂直运动（上层滞水可有水平运动，但不构成包气带水运动的主流）。补给以降水和灌水入渗为主，以及潜水和凝结水补给；消耗以下渗和蒸发蒸腾为主。2、潜水潜水是地表以下，

7、第一个稳定的隔水层（或弱透水层）以上，具有自由水面的重力水。这个自由水面称为潜水面。潜水面距地面的距离称为潜水面的埋藏深度。由潜水面往下至隔水层顶板之间储存有重力水，称之为潜水含水层。潜水面距隔水层顶板的距离就是含水层的厚度（区域上来看，这个厚度通常是变化的）。潜水面的绝对高程就称为潜水位。认识潜水等水位线图也称潜水面等高线图。利用潜水等水位线图可解决下述问题：确定潜水流向；确定潜水面的水力坡度；确定潜水与地表水之间的互补关系；确定潜水面埋藏深度；推断含水层岩性和厚度的变化；根据潜水等水位线图可以合理布置取水或集水设施；通过时间同步的长系列潜水等水位线图，可以分析潜水的区域分布特点，为水资源的

8、合理开发提供依据。3、承压水承压水是充满地表以下任意两个隔水层或弱透水层之间具有承压性质的重力水。在没有揭露承压含水层时，承压水的绝对水位是理论值。当通过钻井等手段揭穿了顶板之后，立即观测到的水位称为初见水位，其后，在无外部干扰情况下水位会因静水压力的改变而变动，直至一个稳定状态，称为静止水位（通常高于初见水位，可依此判别是否承压水）。此时的水面标高是真正的承压地下水的水位或测压水位。或称承压水头（承压水头理论上是指承压水的静止水位至含水层顶板的距离，也称之为承压水头高度）。地面标高与承压水位之差为承压水位埋深。承压水头高出地面称为正水头，低于地面称为负水头。承压水等水压线图承压水等水压线图是

9、承压含水层测压水位的等高线图。注意等测压水位面是虚构的面。一般情况下，钻孔打到图上标示的水位并不能取到水，必须打到承压含水层本身才能有水。这是与潜水等水位图不一样的地方。因此，需要结合承压含水层顶板等值线图确定含水层的埋深。利用等水压线图可以解决下列问题：确定承压水的流向；确定承压水面的坡度；确定承压水与其他含水层或地表水之间的关系；初步判断含水层厚度和透水性等。承压含水层弹性储水与释水的度量指标是储水系数（或弹性给水度），物理含义是，当测压水位改变一个单位时，单位面积含水层柱体所增加或释放出的水量，无量纲。5、 地下水运动的基本定律渗流的几个概念层流当液体流速较小时，液体质点做有序，互不混杂

10、的流动称为层流。紊流当液体流速较大时，液体质点无序，互相混杂的流动称为紊流。稳定流：流场中任意点的所有运动要素（流速、流量、压强等）仅是空间坐标的函数称为稳定流；非稳定流：流场中任意点的所有运动要素（流速、流量、压强等）同时是空间坐标和时间变量的函数称为非稳定流。（2） 地下水运动的基本规律等效渗流概念及空间平均模式的物理模型所谓等效是指在保持岩层中渗透流量、渗透压强以及渗流阻力等效的原则下，假设实际渗流充满整个岩体空间（即忽略岩体骨架）。此时认为渗流是连续水流，渗流场中各运动要素同时是时间和空间的连续函数。u渗透流速【LT-1】；Q单位时间内透过过水断面的渗透流量【L3T-1】；A过水断面（

11、垂直于渗流的岩层断面）面积【L2】。v渗流的实际流速（或实际平均流速）【LT-1】；Q单位时间内透过过水断面的渗透流量【L3T-1】；A实际过水断面（垂直于渗流的岩层断面）面积【L2】。渗透流速与实际流速关系有效孔隙度（二）地下水运动的基本规律线性渗透定律达西定律或者K 岩石的渗透系数（或称水力传导系数）【LT-1】；hw 水头损失，渗流通过的两过水断面之间的水位差【L】, J称为水力坡度或水力梯度；l两过水断面距离（渗透长度）【L】。式中其他符号意义同前述。（2） 地下水运动的基本规律水力梯度（或称水力坡降）反映了渗流流经两个过水断面之间水头损失的比例，或者说水力梯度是沿水流方向上单位渗透路

12、径上的水头损失。达西定律是线性关系式，反映了渗流有序互不混杂运动的特性。达西定律可以很好的描述层流运动。因此达西定律是线性渗透定律。（2） 地下水运动的基本规律非线性渗透定律哲才（A.Chezy）公式：（2） 地下水运动的基本规律渗透性的量化评价渗透系数渗透系数K的物理意义: 渗透系数反映了渗流的速度，因此与速度具有相同的量纲。说明当水力梯度一定时，渗透系数愈大，透过岩层的水量就愈大，岩石的渗透性就愈好；渗透系数与水力坡降成反比，渗透系数愈大，水力坡降就愈小，岩石透水性好，水头损失就小。因此渗透系数能定量反应岩石的渗透性。（2） 地下水运动的基本规律水头、水头损失的概念 由于一般情况下水力梯度

13、很小，在实际应用时，往往取两断面间的平均水力梯度，即：地下水渗流的连续性方程 ：（2） 地下水运动的基本规律2）承压水运动方程假设承压含水层具有可压缩性，且符合弹性理论，并设渗透介质及渗流本身的压缩与膨胀主要发生在垂直方向上，其余方向认为是不变的。则水的密度和介质的孔隙度都是压力的函数。 承压含水层存在越流时设上、下弱透水层厚度分别为M1、M2；渗透系数分别为K1、K2。由于K1、K2<<K，可近似认为水垂直通过弱透水含水层进入主含水层以后折向水平流动。此时，越流含水系统地下水运动方程可表示成 称为越流因素，量纲【L】 越流方程可写成：称为越流系数3） 潜水运动方程但潜水体积随自由

14、水面变化，因为有外部水量通过自由水面进入潜水含水层。所以，对三维潜水流必须加上潜水面的边界条件。 潜水二维流偏微分方程的推导裘布依（Dupuit）假设潜水面比较平缓；垂直流速可以忽略不计，或者说水头不随深度变化；任意过水断面上的水平流速相等；含水层底板是水平的。即令潜水二维流偏微分方程：若底板是倾斜的，设底板方程为：b=b(x,y),潜水偏微分方程可表示为 ：4） 汇源项有汇源项时，承压水流动方程可表示成：W称为汇源项。对地下渗流场而言， W为正时表示是汇，W为负时表示是源。习惯上以抽水为汇，注水为源。有时为了书写简洁，往往把抽（排）、注水与越流、入渗等捆绑在一起，统称汇源项。地下渗流的定解问

15、题及求解方法泛定方程与定解条件同时构成渗流场的定解问题。1）初始条件所谓初始条件就是在解非稳定流时给定计算起始时刻渗流场内各点的水头值。一般表述为： : 式中，W渗流域；渗流域内已知函数。 2）边界条件a)第一类边界条件或称已知水头条件。即边界上每一时刻的水头都是已知的。一般表述为： ; b)第二类边界条件,也称已知流量边界。此时水头对于边界的法向偏导数已知或边界上单位面积或长度的法向流量已知。一般表述为： ; 为隔水边界 C)第三类边界条件,又称混合边界条件。一般表述为：式中， 、为边界上的已知函数。 3）求解方法直接积分法，数值法，势函数法，复势法等地下水运动二、井流计算 一、基本概念一）

16、地下水开采井分类根据水井贯穿含水层的状况：完整井；不完整井 。根据水井揭露的含水层性质：承压含水层完整井，承压含水层不完整井；潜水含水层完整井，潜水含水层不完整井。降落漏斗渗流场中有汇点时，由影响边界至汇点（抽水井中心），水头下降形成的以抽水井为中心的漏斗状的凹形曲面。称之为降落漏斗。水位降深s(x,y,t)降落漏斗内任意点的静水位与动水位之差称为水位降深；s(x,y,t)=H0(x,y,0)-H(x,y,t) 有抽水井的地下渗流场真正达到稳定状态需要满足下述水文地质条件：含水层有侧向补给，且侧向补给量等于抽水量；降落漏斗区有垂向补给，如潜水接受降水入渗补给，且补给量等于抽水量；地下水系统底界

17、有越流补给抽水含水层，且补给量等于抽水量。 二、稳定井流一）承压完整井设在均质，各项同性，厚度处处为M的承压水含水层中，渗透系数为K，初始时刻，含水层中水位处处为H0。承压水稳定流方程为： 一）承压完整井设在均质，各项同性，厚度处处为M的承压水含水层中，渗透系数为K，初始时刻，含水层中水位处处为H0。设有半径为rw的完整井抽水，成为渗流场中的汇点。渗流场中的地下水呈径向流流向抽水井，影响半径为R。在柱坐标(r,q,z)下承压水径向稳定流方程可表述为： 抽水达到稳定时，在径向坐标r处取与抽水井管同轴的圆柱面为过水断面，则当抽水井抽水量为Q时，过水断面的流量也等于Q。此时，水头是对称的，与q无关。

18、即： 柱坐标方程变为： 承压水完整井流的定解问题 ：Hw抽水井水位 因为： 由达西定律可知断面上的流量：因此有 如果在降落漏斗范围的渗流场中，距抽水井分别为r1，r2处有两眼观测井，观测到水位分别为H1，H2，则定解问题可改写成： 二）完整的潜水井设在均质，各向同性，潜水面水平，因而含水层厚度基本不变的潜水含水层中，渗透系数为K，初始时刻，含水层中水位处处为h0。即满足裘布依（Dupuit）假设: 潜水面比较平缓；垂直流速可以忽略不计，或者说水头不随深度变化；任意过水断面上的水平流速相等；含水层底板是水平的 设有半径为rw的完整井抽水，成为渗流场中的汇点。渗流场中的地下水呈径向流流向抽水井，影

19、响半径为R。柱坐标下潜水稳定流方程可表述为： 抽水达到稳定时，在径向坐标r处取与抽水井管同轴的圆柱面为过水断面，则当抽水井抽水量为Q时，过水断面的流量也等于Q。此时，水头是对称的，与无关。而且由于含水介质是均质各向同性，即Kr=q=K。柱坐标方程变为： 把h2看做一个变量，通过线性化变化，使方程变为：h潜水含水层厚度 定解问题 如果在降落漏斗范围的渗流场中，距抽水井分别为r1，r2处有两眼观测井，观测到水位分别为H1，H2，则定解问题可改写成： 三、非稳定井流一）承压含水层完整井非稳定流的泰斯（Theis）解 设均质、各向同性、等厚、水平延伸的无限含水层中，初始时刻渗流场中任意点， 当抽水水头下降时引起的水量释放是瞬时完成的。设有井径无限小（设为rw）的完整井进行定流量抽水，成为渗流场中的汇点。渗流场中的地下水呈径向流流向抽水井，并服从达西定律。在柱坐标下承压水非稳定流井流的定解问题：s=H0-H水位降深 解析解 称为泰斯（Theis）公式 称为雅柯布（Jacob）公式二）潜水含水层完整井非稳定井流的布尔顿（Boulton）解布尔顿假设：含水层为均质各向同性，底板水平的无限含水层；初始自由水面水平；完整抽水井在无限含水层中是一个汇点（井径无限小）；定流量抽水，降深s(rw,t)<<H