水文地质学基础课件.ppt

1、a,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,a,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,a,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

2、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，从而构成一个统 一的含水整体，即地下水圈 。,a,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,a,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。,

3、a,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）98.5% 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）。,a,7,饮用矿泉水标准（GB） H2SiO3 25 mg/l 游离CO2 250 mg/l Li 0.2 mg/l Sr 0.2 mg/l Zn 0.2 mg/l I 0.2 mg/l M

4、 1000 mg/l (Ar Rn),a,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。,a,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

5、、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。,a,10,4、地下水是重要的环境要素 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

6、存和发展方面变化的现象。,a,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。,a,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

7、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。,a,13,三、水文地质学发展过程（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。,a,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

8、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。,a,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。,a,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

9、。 地壳上部（200 大于罐头盒 卵石、碎石 200 20 玻璃球 罐头盒 砾石、石屑 20 2 大米 鹌鹑蛋 砂 2 0.05（粗、中、细） 大米小米粗玉米面 粉砂（土） 0.005 0.05 细玉米面 黏土 V = k I 或 Q=k w I 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,a,63,a,64,管道流：雷诺数: Re= V d / 临界雷诺数 Rec= Vc d / 2000 渗流： 雷诺数: Re= V d10 / ,a,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=k I (虚拟流速) 渗流过水断面面积：含水层断

10、面面积 孔隙平均流速: u=V/ ne,a,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,a,67,a,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？,a,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,a,70,a,71,a,72,a,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。,a,74,a,75,a,76,a,77,a,78,a,79,第

11、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。,a,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

12、邻含水层越流；人工排泄； 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。,a,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,a,82,降水入渗过程图解,a,83,地表入渗速率随时间变化（降水强度与地表径流）,a,84,降水入渗系数：a = qx / X qx = 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,a,85,a,

13、86,地表水补给： 出山河流与地下水关系,a,87,间歇性河流与地下水关系,a,88,a,89,a,90,含水层之间补给,a,91,a,92,a,93,a,94,a,95,a,96,其它形式补给,a,97,泉水分类,a,98,a,99,a,100,a,101,基流分割,a,102,潜水蒸发强度与埋深关系,植被蒸发对潜水位的影响,a,103,地下水循环对水质的影响,a,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

14、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、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。,a,105,a,106,a,107,a,108,a,109,a,110,a,111,a,112,a,113,a,114,a,115,a,116,a,117,a,118,a,119,a,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

15、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。,a,121,a,122,a,123,a,124,a,125,a,126,a,127,a,128,a,129,a,130,a,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,a,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

16、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。,a,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,a,134,a,135,冲积平原中的地下水,现代河道,近期古河道,微地貌-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,a,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

17、深部地下水水质特征：大的宏观规律如上图。（有时没准！）,a,137,a,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？,a,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 * 水质类型分带规律解释,a,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,a,141,a,142,第十一章 裂隙水 岩石的裂隙性：成岩裂隙、

18、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。,a,143,11.1 裂隙水概述 基岩裂隙分类：成岩裂隙、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”,

19、a,144,a,145,a,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

20、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）,a,147,a,148,a,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,a,150,11.3-4 裂隙介质含水层研究方法（等效孔隙介质研究法）,a,151,a,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

21、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。,a,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 水文地质图的读图分析来加深理解。,a,154,流动系统对岩溶发育影响-概念模型 1

22、,a,155,实例分析,a,156,流动系统对岩溶发育影响-概念模型 2,a,157,a,158,岩溶发育三阶段过程概念模型,a,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,a,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）,a,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,a,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,a,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