2025年大学地下水考试题及答案

2025年大学地下水考试题及答案一、名词解释（每题4分，共20分）1.包气带：地表与地下水面之间的非饱和带，介质孔隙中同时存在空气和水，水以结合水、毛细水和重力水形式存在，其厚度受地下水位波动影响，是大气降水入渗补给地下水的重要通道。2.渗透系数：表征多孔介质透水性的定量指标，数值上等于水力梯度为1时的渗透流速，单位为m/d或cm/s，受介质颗粒大小、分选性、孔隙度及流体粘滞性等因素控制。3.越流补给：相邻含水层通过弱透水层发生的水量交换过程，当主含水层水位下降形成水头差时，相邻含水层（或上层滞水）的水通过弱透水层向主含水层运移，常见于多层含水层系统中。4.地下水年龄：地下水在含水层中从补给区到采样点的停留时间，可通过放射性同位素（如氚、碳-14）或稳定同位素（如氧-18、氢-2）结合水动力模型测定，反映地下水更新能力。5.混合溶蚀效应：两种或多种不同成分的地下水混合时，因碳酸平衡破坏导致溶解能力增强的现象。例如，低矿化度的HCO₃⁻型水与高矿化度的SO₄²⁻型水混合后，可能突破方解石溶解平衡，促进碳酸盐岩进一步溶蚀。二、简答题（每题8分，共40分）1.简述包气带与饱水带在水动力特征上的主要差异。答：包气带与饱水带的水动力特征差异主要体现在以下方面：（1）水的存在形式：包气带以非饱和水为主（结合水、毛细水、悬挂毛细水），水势由基质势和重力势组成；饱水带为自由重力水，水势主要由压力势和重力势决定。（2）运动驱动力：包气带水运动受毛细力与重力共同作用，渗透系数随含水量变化呈非线性关系（含水量降低时渗透系数急剧减小）；饱水带水运动主要受重力驱动，渗透系数为常数（达西定律适用）。（3）补给与排泄：包气带直接接受大气降水和地表水体入渗补给，通过蒸发和植物蒸腾排泄；饱水带主要通过包气带垂向入渗或侧向径流补给，排泄方式为泉、蒸发（埋深较浅时）或人工开采。（4）动态特征：包气带含水量和水势随降水、蒸发呈高频波动；饱水带水位、流量变化相对滞后且平缓。2.说明达西定律的适用条件及其参数的水文地质意义。答：达西定律（Q=K·A·I）的适用条件包括：（1）层流状态：地下水在多孔介质中流动的雷诺数Re＜1-10（具体阈值因介质而异），避免紊流对流速-水力梯度线性关系的破坏；（2）均质各向同性介质：介质的渗透性能在空间上均匀且各个方向相同，确保渗透系数K为常数；（3）不可压缩流体：地下水密度和粘滞性受压力、温度变化可忽略，适用于浅层地下水（埋深＜1000m时）；（4）稳定流或缓变流：水流运动的惯性力可忽略，水头梯度随时间变化缓慢。参数意义：Q为渗透流量（m³/d），反映单位时间通过过水断面的水量；K为渗透系数（m/d），表征介质透水性强弱；A为过水断面面积（m²），垂直于水流方向；I为水力梯度（无量纲），是沿水流方向单位距离的水头下降值，反映水流的驱动力大小。3.简述地下水化学类型的主要命名方法（以舒卡列夫分类为例）。答：舒卡列夫分类是基于主要离子（阳离子：Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺；阴离子：HCO₃⁻、SO₄²⁻、Cl⁻）的质量摩尔浓度比例进行分类的方法，具体步骤为：（1）计算各主要离子占阴（阳）离子总量的摩尔百分比；（2）阳离子中以含量＞25%的离子作为主离子（可能有1-2种），阴离子同理；（3）将阴、阳离子主离子按“阴离子-阳离子”顺序组合（如HCO₃-Ca型），若某类离子含量均＜25%则归为“其他型”；（4）根据矿化度（总溶解固体TDS）分为4组：A组（TDS＜1.5g/L）、B组（1.5-10g/L）、C组（10-40g/L）、D组（＞40g/L）。例如，HCO₃⁻占阴离子总量的30%、Ca²⁺占阳离子总量的35%、TDS=0.8g/L的地下水，命名为HCO₃-Ca·Mg（若Mg²⁺也＞25%）或HCO₃-Ca（仅Ca²⁺＞25%）的A组水。该方法能直观反映地下水的形成环境（如溶滤水多为HCO₃型，蒸发浓缩水多为Cl型）。4.列举地下水系统的主要边界类型并说明其水文地质意义。答：地下水系统边界按性质可分为自然边界和人为边界两类：（1）自然边界：①隔水边界（流量边界）：由隔水层（如页岩、致密花岗岩）构成，边界上水力梯度为0（流量Q=0），常见于含水层与隔水层接触带；②透水边界（水头边界）：包括河流、湖泊、水库等地表水体，边界上水头等于地表水位（定水头边界），或通过弱透水层与其他含水层相连（越流边界），反映地表水-地下水的水力联系；③地下水分水岭：由地下水位最高点构成的虚拟边界，两侧水流向相反方向运动，通常为流量边界（Q=0）。（2）人为边界：①抽水井或注水井：抽水井为定流量或定降深边界，注水井为定流量补给边界，反映人类活动对地下水系统的干扰；②人工隔水帷幕（如防渗墙）：通过工程措施形成的隔水边界，限制地下水流动；③灌溉区或矿区：灌溉区可能形成季节性补给边界（入渗量增加），矿区疏干排水形成强排泄边界。边界类型的确定是建立地下水数值模型的关键，直接影响模型的模拟精度和对实际系统的表征能力。三、计算题（每题10分，共20分）1.某均质各向同性潜水含水层，渗透系数K=12m/d，初始水位埋深2m，含水层厚度H₀=15m（从隔水底板到潜水面）。在垂直地下水流方向布置两个观测孔，孔间距L=50m，上游孔水位H₁=13.5m（以隔水底板为基准），下游孔水位H₂=12.8m。试计算：（1）单宽流量q（m²/d）；（2）若下游孔水位因开采降至11.2m，其他条件不变，此时单宽流量变为多少？解：（1）潜水含水层稳定流单宽流量公式为q=K·(H₁²-H₂²)/(2L)。已知H₁=13.5m，H₂=12.8m，L=50m，K=12m/d，代入得：q=12×(13.5²-12.8²)/(2×50)=12×(182.25-163.84)/100=12×18.41/100=2.2092m²/d（2）下游孔水位降至H₂'=11.2m时，q'=12×(13.5²-11.2²)/(2×50)=12×(182.25-125.44)/100=12×56.81/100=6.8172m²/d2.某承压含水层厚度M=20m，渗透系数K=8m/d，导水系数T=K·M=160m²/d。在半径为r₀=0.2m的抽水井中以Q=480m³/d的流量稳定抽水，影响半径R=300m。试计算：（1）抽水井内的水位降深s₀；（2）距离井10m处观测孔的水位降深s₁（假设为稳定流，符合泰斯公式简化条件）。解：承压水稳定流（裘布依公式）降深公式为s=(Q/(2πT))·ln(R/r)。（1）井内降深s₀=(Q/(2πT))·ln(R/r₀)=(480/(2×3.14×160))·ln(300/0.2)=(480/1004.8)·ln(1500)=0.4777×7.313=3.49m（2）r=10m时，s₁=(480/(2×3.14×160))·ln(300/10)=0.4777×ln(30)=0.4777×3.401=1.625m四、论述题（每题20分，共20分）论述人类活动对区域地下水循环的影响机制，并结合具体案例说明其生态环境效应。答：人类活动通过改变地下水的补给、径流和排泄条件，显著影响区域地下水循环，主要机制及案例如下：（一）补给环节的改变1.农业灌溉：大规模漫灌或渠系渗漏增加包气带入渗量，可能导致地下水位上升（如新疆玛纳斯河流域，20世纪80年代后灌溉面积扩大使部分区域地下水位年均上升0.3-0.5m），引发土壤次生盐渍化；而喷灌、滴灌等节水措施减少入渗，可能降低地下水补给量（如华北平原，2000年后推广节水灌溉使浅层地下水年补给量减少约15亿m³）。2.城市硬化：道路、建筑等不透水地面比例增加（如北京城区硬化率＞70%），地表径流系数从自然状态的0.2-0.3升至0.7-0.8，大气降水入渗补给量减少约40%-60%，导致城市周边地下水补给不足。3.人工回灌：通过修建渗水池、回灌井等（如美国洛杉矶盆地，年回灌量达2亿m³），将再生水或地表水注入含水层，可补充地下水储量，缓解漏斗区沉降（上海20世纪60年代实施人工回灌后，地面沉降速率从110mm/a降至10mm/a以下）。（二）径流环节的改变1.地下工程建设：隧道、矿山开采等揭露含水层（如四川锦屏水电站施工期日均排水量达5万m³），破坏原有的水力梯度，导致地下水向工程区汇集，改变区域流场（云南个旧锡矿开采后，区域地下水流向由北西向转为向矿区中心流动）。2.跨流域调水：如南水北调中线工程，通过改变地表水体分布（受水区河道水位抬升），可能引发侧向补给地下水（河南受水区2015-2020年地下水位平均回升1.2m），改变原有的地下水径流方向。（三）排泄环节的改变1.地下水开采：超量开采（如华北平原年均开采量约230亿m³，超采量50-80亿m³）导致地下水位持续下降，形成区域漏斗（华北漏斗区面积达7万km²），使天然排泄（泉、蒸发）转为人工排泄，同时引发含水层疏干（河北深层地下水累计疏干体积达1800亿m³）。2.地表水体截流：修建水库、水坝（如黄河上游龙羊峡等梯级水库）导致下游河道断流（如黄河下游1997年断流226天），减少河流对地下水的补给，使原本依赖河流排泄的地下水转为以蒸发或开采为主（黄河三角洲地区因河道断流，地下水矿化度由2-3g/L升至5-10g/L）。生态环境效应方面，以华北平原为例：长期超采导致地下水位下降10-50m，浅层地下水漏斗区植被因根系无法触及含水层而退化（如衡水湖湿地面积缩小40%）；深层地下水开采引发粘性土释水压缩，地面沉降速率达20-50mm/a（天津部分区域累计沉降＞3m），威胁基础设施安全；同时，地下水位下降使包气带增厚，土壤好气性微生物活动增