水文地质学基础习题和答案

1、水文地质学的研究任务是什么？ 本课程是煤及煤层气工程专业/岩土工程专业的专业根底课,主要任务是为后续的专业课奠定 有关现代水文地质学的根本概念、根本原理.通过该课程的学习,学生能够正确理解水文地质学的 根本概念、根本原理,在此根底上能够初步掌握解决工程/煤田水文地质问题的分析方法与思路. 2 2地下水的主要功能包括哪些？ 珍贵的资源理想的供水水源重要的矿水资源良好的景观资源 敏感的环境因子地下水是极其重要的环境因子.地下水的变化往往会打破原有的环境平衡状 态,使环境发生变化. 人类活动主要通过三种方式干扰地下水,造成一系列不良后果图 1414- -1 1: 过量开发与排除地下水一地下水位下降一

2、地表径流衰减、沼泽湿地消失、土地沙化、海咸 水入侵等; 过量补充地下水一地下水位升高一土地的次生盐渍化、次生沼泽化； 地下水位下降导致的粘土压密释水释放有害离子、化肥农药的不适当使用、废弃物的无序排放一地下水恶化、污染； 地下水位的变动会破坏其与周围岩土构成的统一的力学平衡,而产生某种效应地面沉降 与地裂缝、岩溶塌陷、地下洞室垮塌或突水、滑坡、岩崩、水库诱发地震、渗透变形. 活泼的地质营力地下水的主要作用是传递应力、传输热量和化学组分、侵蚀化学溶蚀、机 械磨蚀和冲蚀等. 重要的信息载体由于地下水是应力传递者,同时又是在流动,所以地下水水位,水量,水温, 水化学等的变化或异常可以提供埋藏在地下的

3、许多信息,如找我_、地震预报、地质演变. 3 3试分析我国地下水分区的特点,并探讨分区的自然背景. 第一章地球上的水及其循环 (1)试比拟水文循环与地质循环. 水文循环与地质循环是很不相同的自然界水循环： 水文循环通常发生于地球浅层圈中,是 H2O 分子态水的转换、更替较快；水文循环对地球的气候、水资源、生态环境等影响显着,与人类的生存环境有直接的密切联系；水文循环是水文学与水文地质学研究的重点. 水的地质循环发生于地球浅层圈与深层圈之间,常伴有水分子的分解和合成,转换速度缓慢.研究水的地质循环,对深入了解水的起源、水在各种地质作用过程乃至地球演化过程中的作用,具有重要意义. (水文循环特点速

4、度快、途径短、转化迅速. 内因固、液、气三相可相互转化. 动力条件一一太阳辐射和重力的共同作用. 形式蒸发、径流、降水.) ) (2)试述我国水资源的特点,并分析其对水文地质工作需求的影响. 我国水资源具有以下特点： (1)(1)降水偏少,年总降水量比全球平均降水量少 22%;22%; (2)(2)人均水资源量偏低； (3)(3)空间分布不均匀,东部丰富,西部贫乏； (4)(4)季节及年际变化大,旱涝灾害频繁； (5)(5)水质污染比拟严重. 合理有效地利用及保护水资源,是中国具有战略意义的头等大事. (3)(3)地球上水的循环按其循环途径长短、循环速度的快慢以及涉及层圈的范围,可分为水文循

5、环和地质循环.水循环的大气过程属于水文循环. 4 4名词解释：水文循环、地质循环. 水文循环是发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的循环. 水的地质循环即地球浅部与深部层圈之间水的相互转化过程. 5 5水文循环是在太阳辐射和重力作用下,以蒸发、降水、和重力等方式周而复始.水文循环分为大循环和小循环. 水文循环分为大循环海陆间循环和小循环海上内循环和内陆循环 第二章岩石中的空隙与水 1 1比照以下概念： 孔隙度和孔隙比； 孔隙度某一体积岩石包括颗粒骨架与空隙在内中孔隙体积所占的比例,即：n=n=V Vn/V/V 其中：n n 一表示岩石的孔隙度, V V 一表示孔隙在内的岩石体积,

6、V Vn一表示岩石中孔隙的体积. 孔隙比-岩石的孔隙比是指某一体积岩石包括颗粒骨架与空隙在内中孔隙体积V Vn与固体颗 粒体积V Vs的比值,即：Vs 2 2在一个孔隙度为 30%30%的砾石堆积体中,充填了孔隙度为 60%60%的粉质粘土,试估算该堆积体 的实际孔隙度. P17P17 中：n=30%X60%=18%n=30%X60%=18%. 3 3粘性土的孔隙特点？ 粘性土中结构孔隙和次生孔隙虫孔、根孔、裂缝等的存在,使得粘性土的孔隙率超过理论最 大值很多. 请对以下陈述作出辨析: 含水介质的固体颗粒越粗大,孔隙度就越大？ 不正确,粘土由于发育结构孔隙和次生孔隙使得粘性土的孔隙率往往比砾石

7、的空隙度要 大！ 分布有裂隙的岩石中,一般不发育孔隙？ 不正确,发育有孔隙. (5)(5)不同含水介质中空隙的连通、分布特征？ 赋存于松散岩石中的地下水分布与流动都比拟均匀 坚硬基岩中的裂隙是宽窄不等,长度有限的线状缝隙,往往具有一定的方向性,只有当不同方向的裂隙相互穿切连通时,才在某一范围内构成彼此联通的裂隙网络. 裂隙的连通性远较空隙差.因此,赋存于裂隙基岩中的地下水相互联系较差,分布与流动往往是不均匀的 赋存于可溶岩石中的地下水分布与流动通常极不均匀. (6)(6)结合水区别于普通液态水的最大特征是具有抗剪强度. (7)(7)岩石孔隙中毛细水的存在形式有支持毛细水、悬挂毛细水、孔角毛细水

8、. (8)(8)两种试样：砂样、砾石样水中浸泡后,快速提出水面,砂样孔隙中会保存什么形式的毛细 水,而在砾样孔隙中会保存什么形式的毛细水？ 砂样孔隙中会保存悬挂毛细水,而在砾样孔隙中会保存孔角毛细水？ (9)(9)将上粗下细,或上细下粗的管中滴水,在不饱水情况下,水停留在何处？上粗下细,上细下粗哪种土层容易形成悬挂毛细水？ 不饱水情况下,停留在细粒土中,下粗上细组成的土层容易形成悬挂毛细水. (10)(10)在土层中挖个洞,在洞内放个接渗皿,能否接到水？一北方地窖,陕北的窑洞. 一般接不到水！ (11)(11)请分析一下孔隙度与饱和体积含水量之间的关系？ 参见 P21P21 中 (12)(12

9、)松散岩石给水度的影响因素有哪些？ 与岩性有关： 与地下水位初始埋深有关： 与地下水位下降速度有关： 与岩土层结构有关. (13)(13)某岩石的裂隙中,有的充填了细砂,有的充填了粘土,有的没有充填,试分析各种情况下岩石的透水性. 裂隙中没有充填物的岩石的透水性最好,充填了细砂的岩石的透水性次之,充填了粘土的岩石的透水性最差. 第三章地下水的埋藏 (1)(1)比照以下概念： 毛细水带与包气带； 包气带自上而下分为土壤水带、中间带和毛细水带 隔水层与弱透水层 隔水层：不能透过与给出水,或透过与给出的水量微缺乏道的岩层. 弱透水层：渗透性相当差,在一般的供排水中所能给出的水量微缺乏道；但在较大水力

10、梯度作用下,具有一定的透水水平的岩层. 排泄区与补给区 含水层从从出露位置较高的补给区获得补给向另一侧出露位置较低的排泄去排泄 上层滞水与潜水 当包气带存在局部隔水层或弱透水层时,局部隔水层或弱透水层上会聚集具有自由水面的重力水,这便是上层滞水. 潜水：饱水带中第一个具有自由外表的含水层中的水.潜水没有隔水顶板,或只有局部的隔水顶板. (2)潜水含水层的给水度和承压含水层的给水度存在很大的区别,你 知道为什么吗？ 潜水含水层的给水度和承压含水层的给水度非常相似,但是在释出(或储存)水的机理方面是很 不相同的. 潜水含水层所释出的水来自局部空隙的排水；而承压含水层释放的水来自含水层提及的膨胀以

11、及含水截止的压密(从而与承压含水层的厚度有关) (3)(3)请对以下陈述作出辨析： 在排泄区,地下水不接受大气降水的补给； 不正确,在排泄区也可接受补给. 只有测压水位高于地面的地下水才叫承压水； 不正确,只要测压水位高于隔水顶板的地下水都为承压水. 地面的污染物可通过包气带扩散到潜水中,但不会影响承压水. 错误,只要承压水与潜水有水力联系,就会受到影响. (4)(4)在地下水的补给、径流、排泄上,承压含水层具有哪些特点？ 补给与排泄：有限区域与外界联系,水循环交替慢,平均滞留时间长(年龄老),可恢复性差. 水化学特征：变化较大,可以是淡水,也可能是卤水.不易污染,一旦污染,很难净化！ 动态变

12、化：较稳定,如果分布面积大,厚度稳定,那么调节水平很强. (5)(5)在无入渗补给而有蒸发排泄的条件下,如果潜水含水层地下水水位逐渐下降,其上部包气带 的含水量将减少,而地下水蒸发强度将减弱. 答复以下问题： 这组地层是含水层还是隔水层？ 粉砂岩为含水层,页岩为弱偷水层！ 煤层开采,巷道(矿坑)会否有水？ 会有水,由于断层和粉砂岩导水！ 如果需要修水库,建坝后库水是否渗漏？ 会渗漏,粉砂岩透水性好！ 如供水的需要是否为含水层？ 粉砂岩为含水层！ 第四章地下水的运动 (1)(1)请比照以下概念 渗透流速与实际流速.渗透流速是假设水流通过包括骨架与空隙在内的断面时所具有的 一种虚拟流速 实际流速就

13、是是通过断面空隙的流速 渗透系数与渗透率. 渗透系数不仅与岩石的物理性质有关,而且还与流体的物理性质有关. 渗透率仅与岩石的物理性质有关,不受流体的物理性质的影响. 水头与水位. 水头表示含水层中某一点的能量的大小,具有长度单位. 水位表示某一点地下水水面所处的高程 (2)(2)请对以下陈述作出辨析 潜水面如果不是流线,那么流线可能向下穿越潜水面,也可能向上穿越潜水面； 正确. 地下水总是从高处往低处流； 错误,地下水总是从能量高的地方流向能量低的地方. 含水层孔隙度越大,那么渗透系数越大； 错误,粘土的孔隙度很大,但其渗透系数很小. 当有入渗补给或蒸发排泄时,潜水面可以看作一个流面. 错误,

14、当有入渗补给或蒸发排泄时,潜水面既不是流面也不是等水头面 ?(3)?(3)一般情况下,可以用渗透流速除以孔隙度得到实际流速,这个实际流速与水质点的流动速 度有什么联系？P37P37 中. (4)(4)达西定律有哪些适用条件,分析一下该定律在裂隙含水层中应用时需注意哪些问题？ 地下水必须保持层流运动才符合线性定律 近年来的实验说明,当地下水为流速较大的层流运动,V V- -I I 开始偏离一直线,不符合达西定律; 雷诺数(R(Re) )为小于 1 1- -1010 时的层流运动才符合达西定律. 第五章包气带水的运动 (1)当潜水水位下降时,支持毛细水和悬挂毛细水的运动有什么不同特点？ 当潜水水位

15、下降时,支持毛细水随水位向下运动,悬挂毛细水不运动. (2)(2)对于特定的均质包气带,其渗透系数随着岩石含水量的增加而增大直至为一常数,所以渗透 系数是含水量的函数；正确. 第六章地下水的物理性质与化学性质 (1)(1)请比照以下概念 溶滤作用地下水与岩土相互作用下,岩土中某些组分向地下水中转移的过程.溶滤作用 的结果,岩土失去局部可溶物质,地下水获得新的组分,地下水的矿化度升高. 浓缩作用地下水在蒸发作用下,水分不断失去,盐分相对浓集,而引起的一系列地下 水化学成分的变化过程,结果形成高 TDSTDS, ,易溶离子为主的地下水(Cl(Cl-、NaNa+为主). 混合作用成分不同的两种地下水

16、混合后,形成化学成分与原来两者都不同的地下水,这 便是混合作用. (2)(2)请对以下陈述作出辨析： 地下水中的氧气和二氧化碳主要来源于补给地下水的降雨； 不正确,地下水中的二氧化碳主要来自于土壤,氧气来自于大气降水和地表水. 通常深部地下水处于复原环境,而浅部地下水由于氧气较为丰富,处于氧化环境； 正确 当含有 NaClNaCl 和 MgSO4MgSO4 的地下水发生浓缩作用时,NaClNaCl 首先析出； 不对,MgSO4MgSO4 首先析出. 在我国的干旱和半干旱地区,由于农业不合理的大水漫导致土地次生盐碱化,这是溶滤作用的结果. 错误,由于浓缩作用. 3)3)溶解了大量 COCO2的地

17、下水在温度升高或压强降低时将发生脱碳酸作用. (4)(4)由深循环地下水补给的、温度较高的泉水中,阳离子通常以 NaNa+为主,这是由于( (d d) )的结 果. a.a.溶滤作用；b.b.脱硫酸彳用；c.c.浓缩作用；d.d.脱碳酸作用 5)在某含水层的局部地区,沿着地下水流动方向,SO42-浓度显着下 降,HCO3-浓度那么显着升高,试答复以下问题： (A)(A)什么样的化学作用可能引起这种变化？ 脱硫酸作用.(在复原环境中,当有机质存在时,脱硫酸细菌能使 SOSO42一复原为 H H2S:S:) ) (B)(B)与此相对应,地下水中其它水化学组分可能发生哪些变化？ SOSO42一浓度显

18、着下降,H H2S S、HCOHCO3一浓度那么显着升高. (6)试用掌握的地下水化学知识解释以下现象： (A)(A)油田储层地下水中 H H2S,NHS,NH4+浓度较高,而 SOSO42-,NONO3-含量很低；在复原环境,脱硫酸作用所致. (B)(B)灰岩地区的泉口出现钙华. 脱碳酸作用所致.(温度升高或压力降低时 COCO2溶解度降低,游离的 COCO2从水中逸出,这就是脱碳酸作用) (7)(7)说明影响溶滤作用的影响因素和产生浓缩作用的条件. 岩土成分 化学组分的可溶性(溶解度、溶解速度)：盐分溶解度的差异导致易溶的先进入地下水中,而难溶的后进入地下水中 岩土的空隙特征 缺乏裂隙的致

19、密基岩,地下水难以与矿物类接触,溶滤作用便无从发生. 水的溶解水平 *水中已溶组分的多少一一随着盐分在水中的含量增高,溶解水平降低； * *水中某些气体组分一一 O O2增加硫化物的氧化；COCO2增加碳酸盐和硅酸盐类的溶解水平 水的流动状况 产生浓缩作用的条件一一干旱半干旱的气候；低平地势限制较浅的地下水埋深,有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土；地下水系统的势汇一一排泄区. 第七章地下水的补给和排泄 (1)(1)请比照以下概念 捷径式下渗一局部雨水将沿着渗透性良好的大孔隙通道优先快速下渗 活塞式下渗入渗水的湿锋面整体向下推进,犹如活塞的运移. 蒸发物质由固态转化成液态的过程 蒸腾植物生长过程

20、中,经由根系吸收水分,在叶面转化成气态水而蒸发,这便是叶面 蒸发,也称为蒸腾 (2)(2)请对以下陈述作出辨析： 降雨强度越大,地下水入渗补给强度也越大； 不正确.当降水强度大于地表入渗速率时,地形坡度大会使地表坡流迅速流走,使地表径流增加. 河流中的水分除了降雨直接转化而来外,还有地下水的奉献； 正确. 溢流泉属于上升泉；错误. 根据补给泉的含水层类型可将泉划分为下降泉、上升泉: 下降泉一一出露在潜水含水层中的泉； 上升泉出露在承压含水层中的泉. ?潜水埋深越小,蒸发越强烈,降水入渗补给系数也越大； 不正确,参见 P66P66 和 P77P77. 入渗系数只对潜水含水层有意义； 正确. 在地

21、下水的排泄区,发育的泉数量越多,说明含水层的透水性越强,补给条件也越好. 不正确,参见 P76P76. 在发育构造裂隙与风化裂隙的古老片麻岩以及燕山期花岗岩中,泉的数量非常多,而涌水量均 小于 1L/s,1L/s,这说明两者都是弱含水层. (3)(3)承压含水层中地下水的补给和排泄主要有哪些方式？ 相临含水层、地表水、大气降水的补给； 向相临含水层、地表水排泄. (4)简述影响大气降水补给地下水的因素. 气候气象因素.总量大,强度适中,间隔短,适中时间长的绵绵细雨最有利；温度适 中,温差较小,相对湿度大,蒸发强度小； 地形地形平缓和局部低洼的地势有利入渗； 性渗透性愈大那么愈有利于入渗； 地下

22、水位埋深过大过浅都不利于入渗； 植被. (5)分析： 黄河作为地上悬河,与周围潜水的补给和排泄关系如何？如果在黄河两侧开采地下水,将引起这种补排关系如何变化？ 黄河水补给地下水；开采地下水后,水位下降,水力梯度增大,补给增强！ (6)分析：水库的兴建可能对地下水的补给和排泄条件造成什么样的影响? 地下水的补给增强、水位抬升、蒸发增强！ (7)(7)某承压含水层被开采时,其上部的潜水含水层水头也逐渐下降,请解释这种现象？ 二者具有水力联系！ (8)画出间歇性河流对潜水的补给过程的横断面示意流网图,并说明间歇性河流变化规律对潜水含水层动态的影响. P68P68. (9)(9)某水源地附近一口泉的流

23、量发生衰减,可能原因有哪些？ 补给量减少或者排泄量增大！ 第八章地下水系统 (1)(1)请比照以下概念 地下水含水系统超越单个含水层而将包含假设干个含水层与相对隔水层的整体作为研究的 系统 地下水流动系统摆脱了传统的地质边界的制约,而以地下水流作为研究实体. 两者的共同之处还在于力求用系统的观点去考察分析、处理地下水问题. (2)(2)试论人类对地下水的开采行为,会对地下水含水系统和流动系统产生什么影响(图 8 8- -3 3、4)4) 流动系统在人为影响下会发生很大的变化.在强烈人工开采影响下,整个含水系统中形成了一 个新的流线指向盆地中央的辐辕式地下水流动系统,原来的流动系统全都消失了.显

24、然,由于强烈的势场变化,流线普遍穿越了相对隔水层.不过无论人为影响增强到什么程度,新的地下水流动系统的发育范围不会超越大的含水系统边界.限制含水系统发育的,主要是地质结构,而限制地下水流动系统发育的,主要是水势场.在天然条件下,自然地理因素限制着势场,是限制流动系统的主要因素. ?(3)?(3)发育在同一含水层中的上升泉与下降泉,矿化度一高一低,试 用地下水流动系统理论说明其机理(图 8 8- -13)o13)o 参见 P92P92 第九章地下水的动态与均衡 (1)(1)请比照以下概念 正均衡某一均衡区,在某一均衡期内,地下水水量(或盐量、热量)的收入大于支出, 表现为地下水储存量(或盐储量、

25、热储量)增加 负均衡反之,收入小于支出,表现为地下水水量(或盐储量、热储量)减少 蒸发型动态出地现于干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆地,此类地区地下水径流 微弱,以蒸发排泄为主. 径流型动态广泛分布于山区及山前,地形高差大,水位埋藏深,蒸发排泄可以忽略,以 径流排泄为主. (2)(2)辨析以下陈述 地下水水头上升,那么含水层的贮水量一定增加； 不一定,在内陆地区,承压含水层中可以观测到周期为 1212 小时的测压水位波动,这是月 亮和太阳对地球吸引造成的.承压含水层因载荷减轻而引起轻度膨胀,使测压水位下降；承压含水 层引力减轻,载荷增加而发生轻度挤压,使测压水位上升. 在相同的水文和气象条

26、件下,含水层的渗透性越大,那么地下水水头的动态变幅越大. 不一定,由于地震波的传递,大地震可以使距震中数千公里以外的某些敏感深层承压水 井产生厘米级的水位波动.(这是由于地震过程中,地应力的变化使岩层压缩或膨胀,导致孔隙压力 变化,表现为测压水位的波动) 第十章孔隙水 (1)(1)在洪积扇地区,从山前到平原区,含水层的结构、渗透性和地下水运动特征如何变化？ (2)山前冲洪积扇中地下水从山前向平原具有盐分增多的分带现象,试分析其原 因. 干旱气候的祁连山山前平原,年降水量只有 5050- -170mm170mm,降水入渗补给地下水微乎其微,蒸发 非常强烈,显示出良好的水化学分带： * * 洪积扇

27、顶部为矿化度小于 Ig/LIg/L 的重碳酸盐水； * * 中间过渡带为 1 1- -3g/L3g/L 的重碳酸盐- -硫酸盐水和硫酸盐水- -氯化物水； * * 溢出带以下为矿化度大于 10g/L10g/L 的氯化物. (3)分析湖积物中地下水的特征. 湖泊初期,湖积物发育,后期湖泊萎缩,湖积物多被冲积物所覆盖. 由于湖积物是砂砾石与粘土的互层,垂向越流补给与天窗补给比拟少.侧向上湖积砂砾含 水层主要通过进入湖泊的冲积砂层与外界联系.但补给范围小. 与外界联系较差,补给困难,地下水资源更新困难.地下水资源一般并不丰富. (4)黄土的垂向渗透系数远大于水平渗透系数,试分析一下这对黄土高原地下水

28、的影响. 黄土发育垂直节理,且多虫孔、根孔等以垂向为主的大孔隙.因此,黄土的垂向渗透系数常比水平 方向上的大几倍到几十倍.随着深度的增加,黄土中大孔隙减少,渗透性明显降低. 黄土填有较宽广的平台,切割较弱,有利于降水入渗而不利于迅速排泄. 黄土梁、期地面起伏大,切割强烈,不利于降水入渗和地下水的赋存,水位埋深大. 黄土杖地赋存有水量较小、水位较浅的地下水,可供少量居民用水或畜牧用水. 第十一章裂隙水 (1)(1)裂隙水的类型及其各自特点. 裂隙水按其介质中空隙的成因可分为： 成岩裂隙水 沉积岩及深成岩浆岩的成岩裂隙通常情况下大多是闭合的,含水意义不大； 陆地喷溢而出的玄武岩成岩最为发育,此类成

29、岩裂隙大多张开且密集均匀、连通良好,常常构 成储水丰富、导水通畅的层状含水系统. 侵入岩接触带的等处的形成裂隙含水层 风化裂隙水风化裂隙带呈壳状分布,一般厚数米到数十米.母岩构成隔水底板,一般为潜水； 被后期沉积物履 盖的古风化壳,可为承压水 构造裂隙水 具有强烈的非均匀性、各向异性、随机性等 构造裂隙的张开宽度、延伸长度、密度以及导水性受以下四个因素影响： 岩石(层)力学性质、构造应力、构造部位、深度 (2)(2)有人用等效多孔介质的方法研究裂隙含水层,分析一下其原理和适用条件. 根本原理：把非连续的裂隙系统等效为连续的孔隙含水系统. 应用条件：补、径、排条件不改变,特定功能等效. 应用范围：求解大范围的水量问题. (3)简述裂隙水流的根本特征. 裂隙含水系统通常具有树状或脉状结构,一些大的导水通道作用突出,使裂隙水表现出明显的不均匀性,有时表现突变性： 同一裂隙含水系统是不同级次裂隙的集合体； 在同一裂隙岩层中,可能包含着假设干个规模不同且互不联系的裂隙含水系统； 在整个岩体中,裂隙通道所占的比例很低,一般为千分之