水文地质学基础课件

1、1,水文地质学基础,授课人：刘金峰教材：王大纯等水文地质学基础/地质出版社/1995实验讲义：周淑敏等水文地质学基础实验讲义/经济学院/1999参考教材：于开宁等水文地质学/经济学院/1998课时：理论课与课堂练习50，实验课：4工程学院2005、3,2,水文地质学的概念、研究对象、内容；水文地质学在经济建设中的作用；地下水的功能；水文地质学的发展概况。,绪言,3,水存在于：江、河、湖、海、渠、坑、塘等洼地地表水大气层大气水生物体内生物水地壳浅部（十几公里，主要12公里）地下水矿物结晶格架地下水岩浆源地下水地幔带地下水*地下水圈地表以下至地幔带，各个深度之间的水具有一定的水力联系，从而构成一个

2、统一的含水整体，即地下水圈。,4,*地下水赋存在地表以下岩石空隙中的水。*水文地质学是研究地下水的科学。它研究地下水与周围环境（岩石圈、水圈、生物圈、大气圈）及人类活动的相互作用下，其水质、水量的时空变化规律；并研究如何运用这些规律兴利除害，造福于人类。研究地下水，头脑中要建立下面的概念,5,地下是有水的，水是变化和运动的，其变化和运动是有规律的，该规律是可以认识的.地下水的物理、化学作用作为一种地质营力，时刻都在改造着环境。地下水在改造环境的同时，本身也被改造。,6,一、地下水的功能（品格、特性）1、地下水是一种宝贵的资源可用淡水=（大气水+地表水+地下水）0.61%地下水=（可用淡水）98

3、.5%分布广，变化稳定（质、量、时空）；水质良好，不易污染；保证率高；数量大，便于利用。若集聚较多的盐分与元素（溴、碘、锶、钡等）就成为具有工业价值的液态矿床工业矿水。若含有某些特殊组分（锶、氡等）或具特殊性质（温度），就成为矿水（饮之健体者叫矿泉水）。,7,饮用矿泉水标准（GB）H2SiO325mg/l游离CO2250mg/lLi0.2mg/lSr0.2mg/lZn0.2mg/lI0.2mg/lM1000mg/l(ArRn),8,2、地下水是一种活跃的地质营力地质营力，是地质作用改造环境的能力。*地下水的地质作用，是地下水与环境介质之间的相互作用。水对于许多物质来说，可看作一种溶剂和载体。水

4、在运动中要与周围介质发生各种物、化作用，从而改变着环境面貌，同时也改变着水本身的物、化性质。花岗岩化作用、变质作用、地热迁移、有些金属矿产、岩溶地貌、地面沉降、地裂缝、滑坡、崩塌、河流的搬运与堆积、岩石风化等现象，都与地下水有关。,9,3、地下水是传递地球内部信息的载体地下水在环境介质中运动，二者相互作用的结果，双方都被改造，都“扑获”了对方的某些物质和信息（如成分、温度、压力等）水化学找矿。地热异常。人们可象诊脉看病一样，根据地下水的某些异常现象来判断地球内部的某些变化。如地应力、地热、地球化学等方面的变化，都可以通过地下水水位、水温、水质等的异常情况加以研究判断。,10,4、地下水是重要的

5、环境要素没有地下水植物则不能生长；水缺了旱，水多了涝。地下水位高了会引起土壤盐渍化、沼泽化。地下水位降低了会导致土壤沙化或沙漠化、草场退化、地面变形（地面沉降、地裂缝、地面塌陷）。劣质水变坏饮之伤身：缺碘会引起甲状腺肿大，高氟使骨质疏松、变脆、牙齿变黄；含盐过多不能饮用，甚至不能灌溉农田。*地下水污染在人类作用下使地下水水质向着不利于人的生存和发展方面变化的现象。,11,综上所述，地下水具有多方面的功能和作用，与人类有着极其密切而复杂的关系，具有积极和消极两方面的意义。我们的任务就是要在水文地质学理论的指导下，搞清地下水的形成、赋存、演化规律，合理有效的开发利用地下水资源，发挥其积极作用；同时

6、还要充分认识地下水与环境的关系，合理干预他们之间的平衡，使水文地质过程向着有益于人类生活和生产方向发展。同时，还要对业已出现的有关地下水的环境灾害问题水资源枯竭，地面变形、海水入侵、土壤盐碱化、沙化等，采取相应的措施加以控制和解决，称之为兴利除害。,12,二、水文地质学基础与其他学科的关系地下水活动的复杂性与广泛性，决定了水文地质学学科的综合性，它与许多学科相互渗透，共同发展。如：水质的变化水文地球化学及水分析技术。水量问题地下水动力学及计算技术、大气降水及地表水方面的知识。水与环境的关系环境水文地质学、生态学、植被学、土壤学等。地下水的赋存地层岩石、地质构造、第四纪地质、地貌。,13,三、水

7、文地质学发展过程（自学）此类问题的基本思路：任何一种学科的发展，都是由低级向高级螺旋式的逐渐发展起来的。该过程一般都是伴随着人类生活、生产以及生存的需要而出现的。需要将成为各个学科发展的强大动力。,14,四、水文地质学发展的趋势1、由寻找地下水转为解决地下水资源问题；2、研究范围由饱水带含水层到包气带及相对隔水层在内的整个含水系统；3、研究对象由饱水带岩石空隙中的水扩展到地下水圈；4、理论研究、实验研究与技术方法的应用相结合，使水文地质学由定性分析向严密的定量分析方向发展；5、水文地质学与环境科学相结合。,15,第一章地球上的水及其循环,自然界中水的形成。自然界中水的分布。自然界中水的循环。影

8、响水循环的因素气象、水文、地质等因素。教学提示：本章从自然界水的分布及其统一性来认识地下水，重点阐明地下水资源是地球水资源的一部分。,16,一、地球上的水地球各层圈（地核、地幔、地壳、水圈、生物圈、大气圈）都有水，但不同层圈中水的含量、分布、物化状态差别甚大。地壳上部（200大于罐头盒卵石、碎石20020玻璃球罐头盒砾石、石屑202大米鹌鹑蛋砂20.05（粗、中、细）大米小米粗玉米面粉砂（土）0.0050.05细玉米面黏土V=kI或Q=kwI比例系数k称为渗透系数，和介质与流体有关。限定为水时，仅仅和介质有关,63,64,管道流：雷诺数:Re=Vd/临界雷诺数Rec=Vcd/2000渗流：雷诺

9、数:Re=Vd10/,65,有效孔隙度：孔隙度n有效孔隙度ne给水度Sy()渗流速度（渗透速度）V=kI(虚拟流速)渗流过水断面面积：含水层断面面积孔隙平均流速:u=V/ne,66,4.2流网流网-等水头线与流线组成的网格定水头边界（河、湖泊）隔水边界分水线,67,68,非均质层状非均质流线平行于层面流线密度？流线垂直于层面等水位线密度？,69,流线在岩层界面上的折射（类似于光学中的折射）k1/k2=tg1/tg2,70,71,72,73,第五章毛细现象与包气带水的运动,毛细现象。毛细负压。毛细上升高度与悬挂毛细水。教学提示：本章主要讲清毛细现象的实质，掌握包气带水分分布及其运动规律。,74,

10、75,76,77,78,79,第六章地下水的化学成分及其形成作用,地下水的化学成分：溶解气体；离子与分子；胶体与有机质等。地下水的主要化学性质：矿化度；硬度；PH值等。地下水化学成分的形成、变异作用。地下水化学类型及其图解。不同的地下水化学类型对环境的指示意义。水质资料的整理及表示方法。教学提示：本章内容应侧重地下水化学成分的形成作用，并注重与后继课程水文地球化学课程的衔接、分工、配合。,80,第七章地下水的补给与排泄地下水的补给：大气降水入渗补给及入渗机理；地表水补给；凝结水补给；相邻含水层之间的越流补给；“天窗”补给人工补给。地下水排泄：蒸发排泄；泉排泄；向地表水泄流；向相邻含水层越流；人

11、工排泄；地下径流。教学提示：通过对地下水补给、排泄、径流概念及其影响因素的讲解与分析，使学生在理解补、径、排基本内涵的基础上，深刻理解地下水通过补、径、排过程，不断地进行着水分的交换和运移，从而决定了含水层水量与水质的分布规律。,81,7.1地下水的补给大气降水补给、地表水补给、凝结水补给、含水层补给大气降水补给机制：活塞式、捷径式,82,降水入渗过程图解,83,地表入渗速率随时间变化（降水强度与地表径流）,84,降水入渗系数：a=qx/Xqx=X-D-s影响a的因素：年降水量、降水特征、包气带岩性与厚度、地形、植被,85,86,地表水补给：出山河流与地下水关系,87,间歇性河流与地下水关系,

12、88,89,90,含水层之间补给,91,92,93,94,95,96,其它形式补给,97,泉水分类,98,99,100,101,基流分割,102,潜水蒸发强度与埋深关系,植被蒸发对潜水位的影响,103,地下水循环对水质的影响,104,第八章地下水系统地下水系统：地下水含水系统、地下水流动系统。地下水系统的水动力特征。地下水流动系统的水化学特征。地下水流动系统的水温度特征。教学提示：本章重点讲述地下水系统的概念及其特征。在授课过程中，强调地下水的形成、分布、运动的系统性和地下水系统的级次性；强调一个地下水系统中各部具有统一的水力联系。以流网分析为主线，阐明地下水流动系统的水动力特征、水化学特征、

13、温度特征。通过教学，使学生掌握以流网为工具分析一般水文地质问题的能力。,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,115,116,117,118,119,120,第九章地下水的动态与均衡地下水动态：地下水动态的概念；影响地下水动态的因素；地下水天然动态及人为影响动态；地下水动态的类型。地下水均衡：地下水均衡的概念；均衡地段与均衡期；地下水均衡方程式。教学提示：本章应在讲授地下水补给、排泄及其动态的基础上，重点阐明地下水均衡原理，使学生建立起地下水均衡的时空概念。应创造条件配合实验演示等深学生的理解。,121,122,123,124,125,126,127,

14、128,129,130,131,各分区水资源总补（排泄）给量大于全区总补给（排泄）量！,多年平均均衡式,132,第十章孔隙水孔隙水的一般特征。山间河谷及山间盆地地下水。山前倾斜平原地下水。河流下游堆积平原地下水。黄土高原地下水*。沙漠区大地下水*。滨海沙丘地下水*。教学提示：本章可将山前平原地下水及河流下游堆积平原地下水作为重点，着重阐明它们的形成、埋藏、分布及水交替循环的特点。,133,洪积扇中的地下水,地貌分带：山区-洪积扇（扇间洼地）-冲积平原-湖积平原（洼地）,扇顶,扇缘,泉集河,坡度大、埋藏深、颗粒粗、水位变幅大、矿化度低,134,135,冲积平原中的地下水,现代河道,近期古河道,微

15、地貌-岩性-地下水分带现代河道与近期古河道：地势高、颗粒粗、透水性好、埋深较大、易入渗、蒸发弱、水质较好河间洼地：地势低、颗粒细、透水性差、埋深较小、不易入渗、蒸发强、水质较差,136,冲积平原浅层地下水水质特征：与微地形有关，埋深大者矿化度低，小者高。宏观规律差冲积平原深部地下水水质特征：大的宏观规律如上图。（有时没准！）,137,138,黄土塬,黄土梁、峁,Q3,Q1-2,黄土：风积物（干旱环境的产物）垂直节理发育，垂直渗透系数水平渗透系数孔隙水？裂隙水？,139,结合水动力及渗透条件解释黄土塬地区等水位线图水质：相对与冲积物来说，土的风化不彻底，含盐量高，故水的矿化度较高*水质类型分带规

16、律解释,140,祁连山区，出山河水流量:14.4亿,扇群带渗漏:6.5亿,泉群出流:3.2亿,实例分析,融雪水,降水700mm,降水300mm,降水160mm,泉集河,红崖山阻挡,141,142,第十一章裂隙水岩石的裂隙性：成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙。裂隙含水介质的特点。裂隙水的埋藏类型及特征：层状裂隙水、脉状裂隙水、风化裂隙水。裂隙水特征：成岩裂隙水、构造裂隙水、风化裂隙水。教学提示：本章应在阐明岩石裂隙特征的基础上，重点介绍裂隙含水介质（含水系统）的特点及裂隙水赋存特征。教学中应配合基岩区水文地质图的读图分析，启发学生思考，达到加深理解的目的。,143,11.1裂隙水概述基岩裂隙分类：成

17、岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙特征（与松散岩层孔隙水对比）：不均匀性、各向异性裂隙率较孔隙水的有效孔隙度低1-2个数量级，动态变化大含水层产状复杂（孔隙水含水层近乎水平）含水层被隔水构造分割成“小片”,144,145,146,11.2裂隙水类型（含水意义）成岩裂隙水：沉积岩与深成岩浆岩的成岩裂隙多是闭合的，含水意义不大。陆地喷溢出的玄武岩成岩裂隙（冷凝收缩引起）较发育，可形成含水层；岩脉接触带，冷凝收缩裂隙形成近乎垂直的带状裂隙含水带。风化裂隙水：物理风化、化学风化风化层，厚度数米-数十米，连通性孔隙水类似，未风化的母岩构成相对隔水底板多种矿物组成的粗粒结晶岩石(花岗岩、片麻岩等)，热膨胀系数差异

18、大，风化裂隙发育，可形成含水层；裂隙不发育或泥质岩石风化后的孔隙小并被充填，不会形成含水层构造裂隙水(最主要的裂隙水类型)影响构造裂隙发育的主要因素：岩性（脆性与柔性）构造特征与部位背斜轴部、张性断层、断层两侧裂隙增强带等是裂隙较发育部位。胶结情况钙质胶结脆性硅质胶结、泥质胶结柔性（塑性）,147,148,149,11.3-4裂隙介质含水层研究方法（等效孔隙介质研究法）,没法真实研究,150,11.3-4裂隙介质含水层研究方法（等效孔隙介质研究法）,151,152,11.5断裂带水文地质意义柔性岩石（如页岩、泥岩等），裂隙闭合，仍不导水脆性岩石（如灰岩、粗砂岩等），裂隙张开性好，导水增强张性断

19、裂（多为正断层）断层自身成为强导水带（角砾岩），两侧裂隙增强带导水（上盘优于下盘）压性断层（多为逆断层）断层自身可能成为隔水构造（糜棱岩化，断层泥），两侧裂隙增强带导水（上盘优于下盘）。后期充填与胶结，使裂隙带的导水特征发生变化。,153,第十二章岩溶水岩溶空隙：溶孔、溶隙、溶管、溶洞、溶穴等。岩溶发育的条件、影响因素及特征。差异岩溶与地下河系化趋势及岩溶水的径流系统。岩溶水的埋藏分布特征：岩溶水分布的不均一性；岩溶含水带的分布规律。岩溶水的交替循环及动态特点。教学提示：本章应在阐明岩溶发育条件、岩溶介质特点及岩溶发育规律的基础上，着重讲述岩溶水的埋藏分布及交替循环特征。教学中应配合岩溶区水文

20、地质图的读图分析来加深理解。,154,流动系统对岩溶发育影响-概念模型1,155,实例分析,156,流动系统对岩溶发育影响-概念模型2,157,158,岩溶发育三阶段过程概念模型,159,12.3岩溶水的特征12.3.1含水介质特征空间分布极不均匀尺寸不等的多级次空隙系统,160,12.3.2岩溶水的运动特征1层流紊流共存2大岩溶通道象河流（瀑涨瀑落），小溶隙滞后（类似于孔隙水）,161,12.3.3岩溶水补给、排泄动态与特征1降水入渗系数80%（南方），比其他岩石大（北方）2水位（瀑涨瀑落）3水位动态的陡缓与大小溶（洞）隙的比例有关。4地下水流域可越过地表分水岭,162,12.3.3我国南北方岩溶及岩溶水差异1南方发育较充分（峰丛、峰林、溶蚀洼地、溶斗、落水洞、竖井等）2北方特殊条件下形成溶沟、落水洞，但不会形成峰林等3地下河、与泉水之区别,163,第十三章地下水资源地下水资源的概念。地下水资源的特征：系统性、可调节性、可恢复性、有限性、优越性、复杂性。地下水资源的分类及其供水意义：补给量、储存量、允许开采量