第一部分：水文地质基础教材

水文地质基础陈亮1.1一般概念自然界中的水，以气态、液态和固态分布于地球的大气圈、水圈和岩石圈中。降水是指大气层中水汽凝结并降落到地表、海洋面或植被表面的一切液态及固态水，如雨、雪、霜等。降水一部分蒸发重返大气中，另一部分则汇到地表的河湖中，还有一部分沿着岩石空隙渗入地下形成地下水。地下水在岩石中运动遇到适当的条件，又流出地表转变为地表水，完成了一个循环。大循环主要受全球气候控制，是全球性的，这是海洋、陆地之间的循环，又称外循环。小循环是局部循环，它是水自海洋表面蒸发，又降至海洋表面，或水从陆地上的江湖水面、地表或叶面蒸发，又降到陆地表面。小循环是地区性的，一般受局部气象因素控制。水系：又叫“河系”。流域内各种水体构成的脉络、沼泽、湖泊系统的总称。一般包括某干流及其各级支流、湖沼、流域内地下暗流等，如汾河水系、黄河水系等。流域：是地表水及地下水分水线所包围的集水区域的统称。习惯上往往指地表水的集水区域。一般把某水系的集水区域称该水系的流域。水系中各支流的集水区域称该支流的流域。流域内包括不同级别的水系，同时也有不同级别的流域。如洪洞南涧河水系属汾河流域，汾河水系又属黄河流域等。地下水分水线与地表水分水线不一致的流域称“非闭合流域”，反之则称“闭合流域”。根据地形图上的分水线可以定出流域边界，此范围内的面积称流域面积。分水岭：指相邻两流域之间的山岭和高地。降水形成的地表径流，沿两侧斜坡注入不同河流。地下径流分水线称地下分水岭。分水线：指相邻流域的分界线，通常是分水岭最高点的连线。此线两侧的径流，注入不同的河流。分水线又分为地面分水线和地下分水线。由于流域内地质地貌条件影响，两者一般不相吻合，但通常以地面分水线作为流域分界线的标准。分水线是划分和计算流域的根据。水位：指江、河、湖泊和水库在某一地区及某一时刻的自由水面以及地下水的表面，以相对于特定基准面的高程表示。流量：单位时间通过水渠或管道某一横断面的流体量。一般指体积流量，单位为m3/s。层流：流体质点不相互混杂，迹线有条不紊的流动。紊流：流体质点相互混杂，迹线极不规则的流动。渗流：指水在土壤、砂砾或岩石裂隙中流动的现象。液体在多孔介质中的运动叫渗透。绝大多数渗透属层流渗透，只有在少数的溶洞、宽大裂隙、卵砾石中，当流速较大时，才出现紊流渗透。1.2岩石的水文地质特征1、岩石的空隙性岩石空隙是地下水储存场所和运移的通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即：松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。孔隙——指岩石块体单元中未被固态物质充填的空间。裂隙——指岩石块体单元中自然形成的裂缝。溶隙——指可溶性岩石（以石灰岩为主）在地表水和地下水长期溶蚀作用下形成的各种洞穴。松散砂土孔隙粘土孔隙裂隙溶隙2、岩石空隙中的水地壳岩石中的水矿物结合水空隙中的水沸石水结晶水结构水结合水液态水重力水毛细水固态水气态水强结合水弱结合水（1）物理结合水指靠静电引力和氢链联结力吸引在土粒或岩石颗粒表面，不能在自身重力影响下运动的水。颗粒表面对水分子的吸引力自内向外逐渐减弱，结合水的物理性质也随之发生变化。最接近颗粒表面的结合水称为“强结合水”或“吸着水”，其外层称为“弱结合水”或“薄膜水”。结合水区别于普通液态水的最大特征是具有抗剪强度，即必须施加一定的外力后才能使其变形。（2）半自由水指由毛细力支持而充满于岩石毛细孔隙中的水。它受重力作用，能传递静水压力，可为植物吸收。（3）自由水①固态水：指以冰的形式存在于岩石孔隙中的水。②气态水：指以水蒸气的形式存在于未饱和岩石空隙中的水。③重力水：指饱和于岩石孔隙中，在重力作用下能自由运动的水。它传递静水压力，是水文地质学研究的主要对象。3、岩石的水理性质水理性质：指与水分的储容与运移有关的岩石性质。空隙大小不同，各种形式的水所占比例不同，空隙越大，重力水所占比例越大；空隙越小，结合水所占比例便越大。因此，岩石中空隙大小的不同，岩石中水的存在形式不同，具有不同的容水性、持水性、给水性与透水性等水理性质（1）容水性：岩石能容纳一定水量的性质。（2）持水性：在重力作用下岩石仍能保持一定水量的性能。其强弱取决于岩石颗粒表面吸附水的能力，岩石颗粒越小，滞留的水越多，持水度越大，反之亦然。（3)给水性：饱水岩石在重力作用下能自由流出一定水量的性能。其性能好坏与岩石孔隙大小、多少、连通程度有关。（4）贮水（或释水)性：承压含水层当水位上升（或下降）时，引起弹性贮存（或释放）一定水量的性能。（5）透水性：指土或岩石允许水透过的能力。其强弱取决于土或岩石中的孔隙和裂隙的大小和连通性，以渗透系数表示，可分为5个等级。透水性等级渗透系数/(m/d)岩石名称强透水的>10良透水岩石（卵石、砾石、粗砂）良透水的10~1透水岩石（砂、裂隙岩石）半透水的1~0.001微透水岩石（亚砂土、粉砂、砂岩）弱透水的0.01~0.001极微透水岩石（亚黏土、黏土质砂岩）不透水的<0.001不透水岩石，即隔水岩石（黏土）（6）导水性：岩石传导水的性能。（7）导压性：岩石传递水压的性能。(8)毛细性：饱水岩层水面以上，在毛细力作用下，水能上升一定高度的性能。毛细上升现象是地下水表面张力和重力、空隙壁面对水分子的吸附力平衡作用的结果，毛细力可以传递水压力。岩石名称粗砂中砂细砂亚砂土亚粘土粘土毛细上升最大高度，cm2-412-3535-120120-250250-350500-6001.3含水层与隔水层含水层：能够透过并给出相当数量水的岩层，具有良好的给水性和透水性——砂土、砾石、裂隙和溶穴发育的岩石。含水层首先应该是透水层，是透水层中位于地下水位以下经常为地下水所饱和的部分，上部未饱和部分则是透水不含水层。隔水层：不能透过并给出水或只能透过与给出极少量水的岩层，具有良好地持水性——粘土、页岩等。成为含水层的必备条件：1）岩层具有储存重力水的空间各类空隙——孔隙、裂隙和溶穴。岩石的空隙越大，数量越多，连通性越好，储存和通过的重力水就越多，越有利于形成含水层。2）具备储存地下水的地质结构透水和不透水层组合在一起。含水地质结构的两种基本形式：a.透水-含水-隔水形式：大部分松散沉积物和基岩裸露地区b.隔水-含水-隔水形式：常具承压性，山前平原深部的砂砾石透水层、煤系地层中的裂隙等。3）充足的补给水源部分或全部出露地表以便能接受大气降水和地表水的补给顶底的隔水层中存在透水天窗或导水断裂通道1.4地下水的物理性质与化学成分1.4.1地下水的主要物理性质及其定性表示方法1.4.1.1水温地下水的温度与埋藏深度有关，近地表的水，温度受气温的影响，在恒温带（距地表15~20m）以下的水温，则随深度的加大而逐渐升高，其变化的规律决定于地区的地热增温梯度，即地温梯度，正常地温区地温梯度小于或等于3℃/100m。地下水按温度分类类别非常冷的水极冷的水冷水温水热水极热的水沸腾的水温度/℃<00~44~2020~3737~4242~100>1001.4.1.2颜色地下水的颜色决定于水中的化学成分及其悬浮杂质。当其化学成分或悬浮杂质不同时，呈现的颜色亦不同。水中存在物质与水的颜色的关系水中存在的物质硬水低价铁高价铁硫化氢硫细菌锰的化合物腐植酸盐水的颜色浅蓝灰蓝黄褐翠绿红色暗红暗黄或灰黑1.4.1.3透明度

地下水的透明度决定于水中固体物质与胶体颗粒悬浮物的含量。地下水透明度的野外鉴别特征见下表。

地下水透明度的野外鉴别特征分级野外鉴别特征透明的无悬浮物及胶体，60cm水深可见3mm的粗线微浊的有少量悬浮物，大于30cm水深可见3mm的粗线浑浊的有较多的悬浮物，半透明状，小于30cm水深可见3mm的粗线极浊的有大量的悬浮物或胶体，似乳状，水深很小也不能清楚看见3mm的粗线1.4.1.4气味1.4.1.5口味水中存在的化学成分与口味的关系见下表。地下水是否有臭味，主要取决于水中所含的气体成分和有机质。水中存在的化学成分与口味的关系存在物质NaClNa2SO4MgSO4MgCl2大量有机质铁盐腐植酸H2S与碳酸气同时存在CO2及适量Ca(HCO3)2Mg(CO3)2口味咸涩苦甜涩沼泽味酸可口1.4.1.6导电性地下水的导电性决定于水中所溶盐分的数量，这是因为各种盐类的水溶液一般都是良好的电解质。1.4.1.7放射性地下水的放射性决定于水中所含放射性元素的数量。可以认为所有地下水都具有不同程度的放射性，但一般甚为微弱。埋藏于放射性矿床附近的地下水，通常具有较强的放射性。1.5地下水的分类及其特征1.5.1地下水的主要类型孔隙水（松散沉积空隙中的水）裂隙水（坚硬岩石裂隙中的水）岩溶水（岩溶化岩石中的水）饱气带上层滞水饱气带中局部隔水层以上季节存在的水。广义上也包括饱气带中其它形式的水，如土壤水等岩石风化层中季节性存在的水。区域地下水水位以上局部隔水层的季节性存在的水岩溶化岩石垂直渗入带中季节性存在的水饱水带潜水各种成因类型松散沉积物中的水。当十分接近或成片出露于地表时成为沼泽水坚硬岩石上部风化裂隙和构造裂隙中的水裸露岩溶化岩层中的水承压水由松散沉积物构成的自流盆地，单斜山前平原中的水，以及平原的深部水构造盆地，向斜或单斜构造中层状裂隙岩层中的水。构造破碎带中的水以及独立裂隙系统中的水构造盆地，向斜或单斜构造中岩溶化岩层中的水按埋藏条件按含水层空隙的性质1.5.2各类地下水的主要特征影响地下水形成的自然地理因素有气象因素、水文因素、地形与地下水。地下水按埋藏条件分为上层滞水、潜水、承压水。1.5.2.1饱气带上层滞水的特征（1）埋藏在饱气带中局部隔水层之上的重力水，主要是降水、凝结水或地表水渗过局部隔水层聚集而形成的季节性地下水。（2）分布不广、分布范围与补给范围一致，以蒸发及向周围流散下渗进行排泄。（3）具自由水面，属无压水。（4）水量不大，并随季节性变化，一般雨季有，旱季干。（5）易受污染。意义：小型季节性供水，对建筑施工及露天采矿有影响。1.5.2.2饱水带潜水的特征饱水带潜水的特征如下：（1）埋藏于地表以下第一个稳定隔水层之上的重力水，主要为渗入形成，亦有凝结成因。（2）一般分布区域补给区一致，以蒸发及泉的形式排泄。（3）具有自由水面，属无压水。潜水面形态波状起伏，与岩性、厚度、地形、隔水底板形态变化有关。（4）水位、水量随积极性变化，旱季水位下降，水量减少，雨季反之。（5）易受污染。意义：工农业供水的主要水源，厚松散层潜水，对建井施工和浅部煤层开采有一定影响。1.5.2.3饱水带承压水特征饱水带承压水的特征如下：（1）充满于两个隔水层之间的重力水，它有不透水的底板与顶板，主要来源为大气降水渗入、地表或潜水补给，亦有地质封存形式。（2）分布区、补给区及承压区常不一致，主要以泉的形式排泄。（3）有假想的承压水面，故属承压水。地形合适时，揭露含水层能自流（也称自流水）。（4）水位、水量、水温受气候影响小，季节变化不显著。（5）不易受污染。意义：都是大型供水的主要水源，亦是矿井大型突水的主要水害，可供医疗、热源及提取有用原料。1.5.3泉的类型及其特征泉是在地表上地下水的天然露头，是地下水的一种重要排泄形式。1.5.3.1按形成原因分类按形成原因，泉可分为以下几类：（1）侵蚀泉——河谷、冲沟侵蚀切割潜水层，潜水出露成泉。（2）接触泉——河谷、冲沟切割含水层直到底部隔水层，迫使潜水在含水层与隔水层接触处流出地表称泉。（3）溢出泉——地下水流动受阻，水位抬高溢出地表成全。（4）断层泉——地下水沿断裂带上升至地表成泉。1.5.3.2按补给方式分类按补给方式，泉可分为以下两类：（1）上升泉——泉水在含水层中自下而上运动。（2）下降泉——泉水在含水层中自上而下运动。1.5.3.3按补给水源分类按补给水源，泉可分为以下几类：（1）悬挂泉（上层滞水泉）——由上层滞水补给，多出露于河谷阶地前缘陡坎上或风化裂隙发育的基岩陡坡上