1、水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeology参考教材 教 材：水文地质学基础-潘宏雨等编著，地质出版社，2008版 目录绪论绪论 第一章第一章 自然界的水循环及影响地下水的因素自然界的水循环及影响地下水的因素 第二章第二章 地下水的赋存地下水的赋存第三章第三章 地地下水的分类及特征下水的分类及特征 第四章第四章 地下水的运动地下水的运动第五章第五章 地下水的补给、排泄与径地下水的补给、排泄与径流流 第六章第六章 地下水的物理性质和化学成分地下水的物理性质和化学成分 第七章第七章 地下水的动态与均衡地下水的动态与均衡 第八章第八章 孔隙水孔隙水 第九章第九章 裂隙水裂隙
2、水 第十章第十章 岩溶水岩溶水2022-12-5Company L 1.1 地球上的水与水资源：地球上的水与水资源：v 地球上的水及所占比例地球上的水及所占比例水体种类水体种类亿亿 km3%淡水亿淡水亿 km3%海洋水海洋水13.3896.5400地表水地表水0.24251.750.241769.0地下水地下水0.23701.710.108330.92土壤水土壤水0.000160.0010.0001650.05大气水大气水0.0001290.00090.0001290.04生物水生物水0.0000110.000010.0000110.003总储量总储量13.85981000.3503100淡水
3、占全球水量的淡水占全球水量的2.528%第一章绪论第一章绪论2022-12-5地球上的水与水资源：淡水 冰冻冰冻积雪积雪地下水地下水河湖水河湖水淡水淡水 2.5%咸水咸水 我国西北缺水剪影我国西北缺水剪影我国耕地与农村用水我国耕地与农村用水 Company Logo地下水灌溉面积其它灌溉面积60%60%全国60%的耕地 全部或部分使用地下水灌溉农村饮用地下水饮用其它水全国95以上的农村饮用地下水城市防洪设施标准降低，城市防洪设施标准降低，外滩防洪挡水墙越筑越高外滩防洪挡水墙越筑越高苏锡常苏锡常40水位埋深等值线和水位埋深等值线和200mm地面沉降等值线地面沉降等值线 地下水位下降与地面沉降的相
4、关性明显常州市无锡市苏州市苏州市无锡市常州市常州市无锡市苏州市1980年1990年2000年01020km40m水位埋深等值线200mm地面沉降等值线沪宁铁路第一章第一章 自然界的水循环及影响地下水的因素自然界的水循环及影响地下水的因素第一节 自然界的水循环一、自然界中水的分布二、自然界中水的循环第二节 影响地下水的因素一、气象（气候）因素二、影响地下水的水文因素三、影响地下水的地质因素四、影响地下水的人为因素 第一节第一节 自然界中水的分布：自然界中水的分布：水体种类水体种类亿亿 km3%淡水亿淡水亿 km3%海洋水海洋水13.3896.5400地表水地表水0.24251.750.24176
5、9.0地下水地下水0.23701.710.108330.92土壤水土壤水0.000160.0010.0001650.05大气水大气水0.0001290.00090.0001290.04生物水生物水0.0000110.000010.0000110.003总储量总储量13.85981000.3503100淡水占全球水量的淡水占全球水量的2.528%2022-12-5地球上的水与水资源：淡水 冰冻冰冻积雪积雪地下水地下水河湖水河湖水淡水淡水 2.5%咸水咸水 v 降水降水蒸发蒸发径流径流水汽输送水汽输送入渗入渗蒸发蒸发降水降水水汽输送水汽输送 水文循环的分类循环时空尺度不同：大循环（海-陆）小循环（
6、海-海，陆-陆）现代水文学：循环路径不同：全球水文循环 流域水文循环 水-土-生系统水文循环 水文循环的运动规律海洋的蒸发量大于降水量陆地的降水量大于蒸发量大陆输入水汽量与输出水量基本平衡第二节第二节 影响地下水的因素影响地下水的因素地下水是水循环的一部分，是大陆水资源的重要组成。地下水的补给、径流、排泄又组成了其本身的循环。地下水的补给来源、补给量的大小，以及地下水水位的高低、水质的好坏等，很大程度上取决于气象、水文条件。-1、气象（气候）因素-2、水文因素-3、地质因素-4、人为因素一、气象（气候）因素一、气象（气候）因素 大气的物理状态称为天气。某一区域天气的平均状态称为这一区域的气候。
7、决定大气物理状态的气象因素包括1.气温2.湿度3.降水4.蒸发二、水文因素二、水文因素 河流与地下水联系。一般河流上游排泄地下水，下游补给地下水。1、水系和流域的概念2、径流及其表示方法三、地质因素三、地质因素 地层岩性赋存的基础 地质构造埋藏、分布、运动的主导因素 地貌条件补给、径流、排泄的重要条件四、人为因素四、人为因素 人造林及防护林带能加速循环，有利；修建水利工程，南水北调，人工运河，水库 修筑梯田可减少地表径流、阻挡水土流失、增加降雨入渗、增强地下水径流等。矿区排水第二章第二章 地下水的赋存地下水的赋存第一节 岩石的空隙 一、孔隙 二、裂隙 三、溶穴（隙）第二节 岩石中水的存在形式
8、一、气态水 二、结合水 三、重力水 四、毛细水 五、固态水第三节 岩石的水理性质 一、容水性 二、持水性 三、给水性 四、透水性第四节 含水层与隔水层 一、含水层与隔水层的概念 赋存在地表以下岩土空隙中的水。岩土的空隙:1.松散沉积物中的孔隙孔隙2.坚硬岩石中的裂隙裂隙3.可溶性岩石中的溶隙溶隙连通性好分布不均匀连通性差第一节 地下水的概念第一节第一节 岩土的空隙岩土的空隙（a）分选好的高孔隙度沉积 （b）分选差的低孔隙度沉积 （c）分选好的高孔隙度卵石沉积 （d）分选好的矿物充填沉积（e）岩体溶解空隙 （f）岩体裂隙孔隙度孔隙度是指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例一、孔隙二、
9、裂隙裂隙裂隙:坚硬岩石中的空隙，岩石中的空隙主要由各坚硬岩石中的空隙，岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙种成因的裂隙成岩裂隙、构造裂隙和风化裂成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。隙所构成。体积裂隙率（体积裂隙率（Kr）裂隙体积（裂隙体积（Vn）与包括裂隙在内的岩石体积（）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值的比值 面积裂隙率（面积裂隙率（Ka）单位面积岩石上裂隙面积的大小单位面积岩石上裂隙面积的大小 线裂隙率（线裂隙率（Kl）垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数三、溶穴（隙）溶穴溶穴:可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩
10、等，在地下水溶蚀下会产灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶穴（隙）。生空洞，这种空隙称为溶穴（隙）。岩溶率（岩溶率（Kk）：）：%100kkkVVKVVKk或第二节第二节 岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式岩石“骨架”中的水（矿物质结合水）沸石水结晶水结构水岩石空隙中的水气态水结合水重力水毛细水固态水强结合水弱结合水地壳岩石中的水液态水一、气态水 气态水既水蒸气，它和空气一起分布于包气带岩石孔隙中。来源于大气中的水汽于液态地下水的蒸发。二、结合水 -密度大于1，平均2g/cm3左右；-不受重力影响；-不能流动。只有在温度105110时才以气态的形式脱离颗粒表面而移动；-溶
11、解盐类能力弱；-80 时仍不结冰；-有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度；-不能传递静水压力；-无导电性。（1）强结合水的特点强结合水的特点（2）弱结合水的特点）弱结合水的特点-密度大于1，为1.31.774g/cm3；-不受重力影响；-可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但速度十分缓慢；-溶解盐类能力较弱 -冰点为-15 -有一定的粘滞性和抗剪强度 -在一定条件下（饱水带）可传递静水压力 -弱结合水的外层能被植物吸收利用三、重力水 能在重力作用下自由运动的水四、毛细水 依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的孔隙或宽度小于0.25mm的
12、裂隙。毛细水类型毛细水类型支持毛细水：存在于支持毛细水：存在于饱水带饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于水。能传递静水压力，当温度低于00时结冰。时结冰。悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的细空隙中的水。悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的细空隙中的水。呈呈“悬挂悬挂”状态，经蒸发后消失。状态，经蒸发后消失。五、固态水 存在于矿物结晶内部及其间的水。存在于矿物结晶内部及其间的水。结构水：结构水：以以H H+和和OHOH-离子形式存在于矿物结晶格架离子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。中，与矿物结合紧密。
13、结晶水：结晶水：以以H H2 2O O分子形式存在于矿物结晶格架中，分子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。与矿物结合紧密。沸石水：沸石水：以以H H2 2O O分子形式存在于矿物晶格的空隙中分子形式存在于矿物晶格的空隙中，与矿物结合不紧密。，与矿物结合不紧密。第三节第三节 岩石的水理性质岩石的水理性质容水性容水性岩石能容纳一定数量水的性质。用容岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。水度表示。持水性持水性岩石在重力释水后能在空隙中保持一岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量的性质。用持水度表示。定数量的性质。用持水度表示。给水性给水性饱水岩石在重力作用下能自由排出一饱水岩石在重力作用
14、下能自由排出一定数量水的性质。用给水度表示。定数量水的性质。用给水度表示。透水性透水性岩石允许水通过的性岩石允许水通过的性能能。用渗透系。用渗透系数或单位吸水量表示。数或单位吸水量表示。第四节第四节 含水层与隔水层含水层与隔水层 一、一、基本概念基本概念 饱水岩层中，根据岩层饱水岩层中，根据岩层而进行的划分：而进行的划分：v 含水层含水层（AquiferAquifer）：）：是能够是能够透过透过并并给出给出相当数量水的岩层相当数量水的岩层各类砂土，砂岩等各类砂土，砂岩等 v 隔水层隔水层（Aquifuge)Aquifuge)：不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层不能透过与给出水或透
15、过与给出的水量微不足道的岩层裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）弱透水层弱透水层（AquitardAquitard）：）：渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度作用渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层下，具有一定的透水能力的岩层各种粘土，泥质粉砂岩各种粘土，泥质粉砂岩、砂质页岩、砂质页岩定义中的模糊概念定义中的模糊概念“相当水量，微不足道，较大水力梯度相当水量，微不足道，较大水力梯度等等 严格的严格的“是与非是与非”的逻辑思维，在很多情况下是的逻辑思维，在很多情况下是相对的和模糊相对的和模糊的
16、的概念概念相对性的意义：相对性的意义：从实际应用角度来看划分的相对性从实际应用角度来看划分的相对性相当水量相当水量 满足需要就可以了。满足需要就可以了。如在某处一口井出水量如在某处一口井出水量80m80m3 3/d/d，作为，作为1 1万万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。又人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。又如一个小泉水流量如一个小泉水流量0.11/s8.6m0.11/s8.6m3 3/d/d从理论意义来看从理论意义来看微不足道微不足道 微不足道，有时空尺度的制约。微不足道，有时空尺度的制约。如华北平原早期地下水开采就是典型的例子，深层水与浅层水如华北平原
17、早期地下水开采就是典型的例子，深层水与浅层水的开采有一粘土隔水层；开采深层，水量大，水位降低快，浅的开采有一粘土隔水层；开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层层水向深层“越流越流”-粘土层成为粘土层成为“透水层透水层”。现在进行水文地质计算、模拟时，不再简单二分了，而是用模现在进行水文地质计算、模拟时，不再简单二分了，而是用模糊学的研究方法，给个隶属度糊学的研究方法，给个隶属度1 1，0 0之间，可以为之间，可以为 0.8,0.7,0.8,0.7,0.3,0.3,表示表示“透水性透水性”？54321岩岩层层渗渗透透性性与与时时间间尺尺度度的的关关系系含水系统含水系统Groundwater
18、aquifer system 地下水含水系统：地下水含水系统：v 是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系的含水岩系 v 含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层 v 含水系统：可以进行子系统划分含水系统：可以进行子系统划分 v 含水系统的定义是从大的空间尺度研究含水层、隔水层、含水系统的定义是从大的空间尺度研究含水层、隔水层、与弱透水层的组合关系，是从地质成因角度对岩层的水与弱透水层的组合关系，是从地质成因角度对岩层的水文地质特征进行划分的分析方法文地质特征进行划分的分析
19、方法(或给出的概念或给出的概念)2022-12-5Company L含水系统层次划分系统与子系统AB2022-12-5Company L冲洪积平原地下水含水系统丘陵丘陵 倾斜平原区倾斜平原区 低平原低平原 第三章 地下水的分类及其特征第一节 地下水的分类第二节 包气带地下水 一、土壤水 二、上层滞水第三节 潜水 一、潜水的埋藏条件 二、潜水面的形状及其表示方法第四节 承压水 一、承压水的特征和埋藏条件第五节 潜水等水位线图及承压水等水压线图第一节第一节 地下水的分类地下水的分类v 广义地下水广义地下水：赋存于地面以下岩石空隙中的水赋存于地面以下岩石空隙中的水(包气带、饱水带中的水包气带、饱水带
20、中的水)狭义地下水：狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水地表以下饱水带岩层空隙中的水重力水重力水 地下水分类地下水分类：主要依据主要依据含水介质的类型（赋存空间）含水介质的类型（赋存空间）埋藏条件（赋存部位）埋藏条件（赋存部位）地下水的埋藏条件：指含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水地下水的埋藏条件：指含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水层（弱透水层）限制的情况。层（弱透水层）限制的情况。v表表3-13-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9 9类类 孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水潜
21、水潜水孔隙潜水孔隙潜水裂隙潜水裂隙潜水岩溶潜水岩溶潜水承压水承压水孔隙承压水孔隙承压水裂隙承压水裂隙承压水岩溶承压水岩溶承压水 图 6-1 地下水埋藏示意图1承压水位;2潜水位;3隔水层;4含水层;A-承压水井;B-自流水井;C-潜水井地下水埋藏类型第二节第二节 包气带地下水包气带地下水 一、土壤水：位于地表附近（0.5m左右）土壤层中的水。主要为结合水和毛细水。土壤水对供水无意义，但对于植物的生长有重要的作用二、上层滞水上层滞水：上层滞水：当包气带存在局部隔水层（弱透水层）时，局部隔水当包气带存在局部隔水层（弱透水层）时，局部隔水层（弱透水层）上会积聚具有自由水面的重力水，这便是上层滞层（弱
22、透水层）上会积聚具有自由水面的重力水，这便是上层滞水。水。v 分布最接近地表，接受大气降水的补给，通过蒸发或向隔水底板分布最接近地表，接受大气降水的补给，通过蒸发或向隔水底板（弱透水层底板）的边缘下渗排泄；（弱透水层底板）的边缘下渗排泄；v 水量小，动态变化显著，只有在缺水地区才能成为小型供水水源水量小，动态变化显著，只有在缺水地区才能成为小型供水水源或暂时性供水水源；或暂时性供水水源；v 包气带中的上层滞水，对其下部的潜水的补给与蒸发排泄，起到包气带中的上层滞水，对其下部的潜水的补给与蒸发排泄，起到一定的滞后调节作用；一定的滞后调节作用；v 极易受污染，利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护
23、。极易受污染，利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护。第三节第三节 潜水潜水 图 6-3 地下水埋藏示意图1沙层;2隔水层;3含水层;4潜水面;5基准面T-潜水埋藏深度;M-含水层厚度;H-潜水位 埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。特征特征:与大气相通，具自由水面，补给区与分布区一致，动态受气候影响较大。潜水面形状受地形影响。潜水面(water table)：潜水表面是一个自由的水面。潜水位(water level)：潜水面上任一点的海拔高程。潜水含水层厚度：从潜水面到隔水底板的垂直距离。潜水埋藏深度：潜水面到地面的垂直距离。潜水含水层厚度与潜水埋藏深度随潜水面的升降而发生
24、相应的变化。2、基本要素（专业术语）一、潜水的埋藏条件和特征一、潜水的埋藏条件和特征 潜水的特征：（1）潜水具有自由水面；（2）潜水因无隔水顶板，大气降水、地表水等可以通过包气带直接渗入补给潜水；（3）潜水的水位、水量、水质等动态变化与气象水文、地形等因素密切相关。（4）潜水易受人为因素污染（5）潜水因埋藏浅，补给来源充沛，水量较丰富，易于开发利用，是重要的供水水源。2022-12-5Company L2 3 4 5 6 7 8 D 1 M 潜水与潜水含水层图潜水与潜水含水层图1-1-潜水含水层潜水含水层 2-2-隔水层隔水层 3 3、4 4 潜水面潜水面 潜水面潜水面 M-M-含水层厚度含水
25、层厚度 D-D-潜水埋深潜水埋深 5-5-大气降水入渗大气降水入渗 6-6-蒸发蒸发 7-7-流向流向 8-8-泉泉 二、潜水面的形状及其表示方法二、潜水面的形状及其表示方法（一）潜水面的得形状及其影响因素潜水面的形状是潜水的重要特征之一，它一方面反映外界因素对潜水的影响；另一方面也反映潜水的特点，如：流向、水利坡度等。潜水面的其符合地表起伏大体一致，但较地形平缓。潜水面的影响因素：地形地貌；含水层透水性；含水层厚度；隔水底板起伏；气象、水文、人文条件。（二）、潜水面的表示方法和意义潜水等水位线图：潜水等水位线图：由某时刻潜水位相等的各点连线组由某时刻潜水位相等的各点连线组成的图件成的图件。（
26、某时刻潜水面的等高线图）（某时刻潜水面的等高线图）潜水流向：潜水流向：垂直等水位线由高到低为潜水的流向。垂直等水位线由高到低为潜水的流向。潜水面坡度：潜水面坡度：相邻两条等水位线的水位差除以其水平相邻两条等水位线的水位差除以其水平距离。距离。当潜水面坡度不大时，即可视为潜水水力梯度。当潜水面坡度不大时，即可视为潜水水力梯度。第四节第四节 承压水承压水 2、特征特征 1）承压水具有承压性；）承压水具有承压性；2）承压水的补给区和分布区不一致；）承压水的补给区和分布区不一致；3）承压水的动态变化不明显；）承压水的动态变化不明显；4）承压水的化学成分一般比较复杂；）承压水的化学成分一般比较复杂；5）
27、承压含水层的厚度，一般不随补排量的增减而变化；）承压含水层的厚度，一般不随补排量的增减而变化；6）承压水一般不易受污染。）承压水一般不易受污染。一、承压水的特征和埋藏条件一、承压水的特征和埋藏条件1、含义：不具自由水面，并承受一定的水头压力。分布区和补给区不一致。动态变化较稳定。不易受地面污染。H1初见水位 H2承压水位H承压水头 h承压水位埋深 2022-12-5Company L基岩自流盆地中的承压水基岩自流盆地中的承压水承压含水层承压含水层 隔水顶板隔水顶板 隔水底板隔水底板 承压含水层承压含水层厚度（厚度（M M）承压高度（承压高度（H H）测压水位线测压水位线（面）：（面）：补给区补
28、给区 承压区承压区 排泄区排泄区 自溢区自溢区3 3、承压水的埋藏条件、承压水的埋藏条件1、承压盆地（自流盆地）2、承压斜地（自流斜地）1 1、潜水水位线图可以解决的问题、潜水水位线图可以解决的问题 1、确定潜水的流向；2、确定潜水面的水力坡度；3、判断潜水和地表水的补排关系；4、确定潜水埋藏深度；5、确定泉水出露位置和沼泽化范围；6、判断含水层岩性和厚度的变化；7、确定含水层厚度；8、作为布置引水工程设施的依据。2022-12-5Company L某地潜水等水位线图（平面）某地潜水等水位线图（平面）河河河河流流流流2 2、承压等水压线图、承压等水压线图 等水压线图等水压线图 等水压线 承压含
29、水层测压水位相等的各点连线。等水压线图 根据承压水测压水位，按一定高差间距绘制的各条等水位线所构成的图。等水压线图反映的水文地质信息等水压线图反映的水文地质信息 承压水的流向、水力梯度。（方法同潜水流向、水力梯度）测压水位 静止水位的海拔。测压水位的埋深 地表高程与测压水位之差。承压高度 静止水位（测压水位）高出含水层顶板的距离。含水层埋深 地表高程与隔水顶板高程之差。承压水自溢区 地形等高线与同高的测压水位线各个交点连线所圈围的范围。确定与其它含水层或地表水体的相互补给关系。（需有等水位线图或地表水体水位）2022-12-5Company L等水压线图等水压线图2022-12-5潜水与承压水
30、的相互转化正仪正仪-化肥厂含水层剖面示意图化肥厂含水层剖面示意图第四章 地下水的运动第一节 渗流的基本概念第二节 达西定律 一、线性渗透定律 二、渗透流速第一节第一节 渗流的基本概念渗流的基本概念 渗流（渗流（seepage flowseepage flow）：）：地下水在岩石空隙中的运动地下水在岩石空隙中的运动称为称为渗流或渗透渗流或渗透。地下水渗流地下水渗流遵循水力学基本原理；水力学的许多概遵循水力学基本原理；水力学的许多概念、定律、方法都可用来研究渗流；念、定律、方法都可用来研究渗流；两者差异两者差异：水力学研究水在水力学研究水在管道管道、渠道渠道中的流动，水流速度较快中的流动，水流速度
31、较快明流明流；流体（水）在流体（水）在岩石空隙岩石空隙中的流动，因空隙细小，水流中的流动，因空隙细小，水流很缓慢很缓慢地下水渗流地下水渗流。渗流场（渗流场（flow fieldflow field）：）：发生渗流的区发生渗流的区域称为域称为渗流场渗流场。渗流场是渗流场是地下水运动地下水运动的空间；的空间；渗流场由渗流场由固体颗粒骨架固体颗粒骨架和和岩石空隙岩石空隙两部两部分组成，渗流只发生在分组成，渗流只发生在岩石空隙岩石空隙中；中；无论是固体颗粒骨架，还是岩石空隙空无论是固体颗粒骨架，还是岩石空隙空间，在间，在微观上讲都不是连续的微观上讲都不是连续的。地下水的运动形态地下水的运动形态 按水流
32、流态分为：按水流流态分为：层流：层流：在岩层空隙中渗流时，水质点作有秩序的、互不混杂在岩层空隙中渗流时，水质点作有秩序的、互不混杂的流动，称为的流动，称为层流运动层流运动。如砂、裂隙不很宽大的基岩中水。如砂、裂隙不很宽大的基岩中水的流动。的流动。紊流紊流：在岩层空隙中渗流时，水质点作无秩序的、互相混杂：在岩层空隙中渗流时，水质点作无秩序的、互相混杂的流动，称为的流动，称为紊流运动紊流运动。如大的溶穴、宽大裂隙中水的流。如大的溶穴、宽大裂隙中水的流动。动。作紊流运动时，水流所受阻力比层流状态大，消耗的能量较作紊流运动时，水流所受阻力比层流状态大，消耗的能量较多。多。按地下水运动要素随时间的变化情
33、况分为：按地下水运动要素随时间的变化情况分为：稳定流稳定流：水在渗流场内运动时，各个运动要素（水位、流速：水在渗流场内运动时，各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变，称为稳定流。、流向等）不随时间改变，称为稳定流。非稳定流非稳定流：水质点的各个运动要素随时间改变的水流运动。：水质点的各个运动要素随时间改变的水流运动。第二节第二节 达西定律达西定律 1、线性渗透定律（达西定律）达西达西(1856年):法国水力学家，通过大量实验得到线性渗透定律。实验实验：装有砂的圆筒（图)。水由筒的上端加入,流经砂柱,由下端流出。上游用溢水设备控制水位,使实验过程中水头始终保持不变。在圆筒的上下端各设一根
34、测压管，分别测定上下两个过水断面的水头。下端出口处设管嘴以测定流量。根据实验结果，得到下列关系式根据实验结果，得到下列关系式：Q=Kh/L=KIQ=Kh/L=KI （达西公式）达西公式）式中式中:Q:Q渗透流量渗透流量(出口处流量，通过砂柱各断面的流量；出口处流量，通过砂柱各断面的流量；过水断面过水断面(在实验中相当于砂柱横断面积在实验中相当于砂柱横断面积)；hh水头损失水头损失(h=H(h=H1 1-H-H2 2,即上下游过水断面的水头差即上下游过水断面的水头差)；LL渗透途径（上下游过水断面的距离渗透途径（上下游过水断面的距离)；II水力梯度水力梯度(相当于相当于h/Lh/L，即水头差除以
35、渗透途径）；，即水头差除以渗透途径）；kk渗透系数。渗透系数。2 2、渗透流速（、渗透流速（）过水断面过水断面：指砂柱的横断面积指砂柱的横断面积 在该面积中在该面积中,包括包括砂颗粒所占据的面积砂颗粒所占据的面积及及空隙空隙所占据的面积所占据的面积，而水流实际流过的面积是，而水流实际流过的面积是扣除结扣除结合水所占据的范围以外的空隙面积合水所占据的范围以外的空隙面积 ,即:式中:为有效空隙度为有效空隙度。enenV由水力学可知由水力学可知,通过某一断面的流量通过某一断面的流量Q Q等于流速等于流速V V与过水断面与过水断面的乘积的乘积,即即：Q=V Q=V 即即 V=Q/V=Q/据此达西定律可
36、以写为另一种形式，即据此达西定律可以写为另一种形式，即：V=KIV=KI 水在多孔介质中的渗透流速与水力梯度水在多孔介质中的渗透流速与水力梯度的一次方成正比的一次方成正比达西定律（线性渗透定律）达西定律（线性渗透定律）3、水力坡（梯）度（）I水力梯度的概念：水力梯度的概念：水力梯度水力梯度I I的定义：的定义：沿渗透途径水头损失渗透途径水头损失与相应渗透途径长度相应渗透途径长度的比值。水力梯度水力梯度I I的讨论：的讨论：水在空隙中运动时水在空隙中运动时,必须克服必须克服水与隙壁水与隙壁以及以及流动流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力快慢不同的水质点之间的摩擦阻力(摩擦阻力随水流摩擦阻力随水流速
37、增加而增大速增加而增大),),而消耗机械能而消耗机械能,造成水头损失。造成水头损失。水力梯度的理解：水力梯度的理解：水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的机械能。驱动力,即克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。从这个角度来说，达西定律的实质是从这个角度来说，达西定律的实质是能量守恒与能量守恒与转化定律转化定律在地下水流运动中的具体体现。在地下水流运动中的具体体现。注意注意：既然机械能消耗于渗透途径上，因此，既然机械能消耗于渗透途径上，因此，求算水力求算水力梯度梯度I I时时,水头差必须与相应的渗透途径相对应水头差必须与相应的渗透途径相对应。4、渗透系数（）K渗透系数的概念：渗透系数的概
38、念：渗透系数渗透系数表征岩石渗透性能的定量指标。渗透系数的单位：渗透系数的单位：一般采用m/d、cm/s渗透系数的物理意义：渗透系数的物理意义：由达西公式(V=KIV=KI）可知：渗透系数为水力梯度渗透系数为水力梯度I=1I=1时的渗透流速。时的渗透流速。渗透系数的影响因素：渗透系数的影响因素：(V=KIV=KI）a.a.渗透系数与渗透系数与水力梯度水力梯度、渗透流速渗透流速有关有关 水力梯度=定值时,渗透系数愈大,渗透流速就愈大；渗透流速=定值时,渗透系数愈大,水力梯度愈小。渗透系数愈大,岩石透水能力愈强。b.b.渗透系数与渗透系数与岩石的空隙性质岩石的空隙性质有关有关 C.C.渗透系数与渗
39、透系数与水的某些物理性质水的某些物理性质有关有关 水流在岩石空隙中运动,需要克服隙壁与水及水质点间的摩擦阻力摩擦阻力，例如：粘滞性不同的两种液体在同一岩石中运动,则粘滞性大的液体渗透系数就小于粘滞性小的液体。一般情况下当水的物理性质变化不大时,把渗透系数看成单纯说明岩石渗透性能的参数；但在研究卤水或热水运动时,还需要考虑其它因素。松散岩石渗透系数参考值松散岩石渗透系数参考值第五章、地下水的补给、径流与排泄第五章、地下水的补给、径流与排泄第一节 地下水的补给第二节 地下水的排泄地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环：含水层或含水系统从外界
40、获得水量的含水层或含水系统从外界获得水量的过程过程：含水层或含水系统向外界排出水量的含水层或含水系统向外界排出水量的过程过程第一节第一节 地下水的补给地下水的补给1 1、大气降水入渗机制包气带是降水对地下水补给的枢纽，包气带的岩性结构和含水量状况对降水人渗补给起着决定性作用目前认为，松散沉积物的降水入渗有两种方式：降水入渗的现象两类空隙的入渗过程总结：均匀砂土层活塞式 (piston/diffuse)含裂隙的土层捷径式 (bypass)2、大气降水的补给的影响因素 气候因素气候因素（P P，E E）；）；降水总量降水总量,降水强度降水强度,降水频率；降水频率；降水延续时间降水延续时间总量大，强
41、度适中，间隔短，时间长的绵绵细雨最有总量大，强度适中，间隔短，时间长的绵绵细雨最有利。利。温度适中，温差较小，相对湿度大，蒸发强度小。温度适中，温差较小，相对湿度大，蒸发强度小。地形地形:高或低，陡或缓高或低，陡或缓 地质地质:渗透性愈大则愈有利渗透性愈大则愈有利 地下水位埋深：地下水位埋深：其他：其他：3 3、地表水对地下水的补给地表水对地下水的补给 地表水体地表水体（河、湖、水库等）都可以成为地下水的补给来源（河、湖、水库等）都可以成为地下水的补给来源 河流补给河流补给:因地而异（空间上），不同部位，岩性等；因地而异（空间上），不同部位，岩性等；因时而异（时间上），不同季节，不同补排关系因
42、时而异（时间上），不同季节，不同补排关系 比较比较长年性河流长年性河流与与季节性河流季节性河流对地下水的补给的异同点？对地下水的补给的异同点？河流补给的主要影响因素有哪些？河流补给的主要影响因素有哪些？如何确定河水对地下水的补给量？如何确定河水对地下水的补给量？地表水补给地下水的地表水补给地下水的必要条件必要条件有哪些：有哪些：有水力联系有水力联系 地表水水位高于地下水水位地表水水位高于地下水水位季节性河流补给地下水河流不同部位地表水与地下水之间的补给关系含水层之间的补给 越流地下水量的内部转化 潜水承压水之间的补给2022-12-5含水层通过含水层通过钻孔钻孔发发生水力联系生水力联系含水层通
43、过含水层通过导水断层导水断层发生水力联系发生水力联系含水层之间的水力联系第二节第二节 地下水的排泄地下水的排泄 地下水排泄的研地下水排泄的研究包括：究包括：排泄方式、影响因素、排泄量的确定排泄方式、影响因素、排泄量的确定 排泄方式：排泄方式：泉（点状排泄）向地表水体泄流（河流线状）、向相邻含水层的排泄蒸发（面状排泄）前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的区别：前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的区别：径流排泄径流排泄水分（盐分）呈液态排出水分（盐分）呈液态排出,盐随水去蒸发排泄蒸发排泄水分呈气态排出，盐分积累下来，水分呈气态排出，盐分积累下来，水去盐留 泉是地下水的天然露头，多为泉是地下
44、水的天然露头，多为“点点”状，属状，属径流排泄径流排泄 泉的出露是地形、地质与水文地质条件有机结合的结果，泉的出露是地形、地质与水文地质条件有机结合的结果，据据补给泉的含水层类型可将泉划分为补给泉的含水层类型可将泉划分为上升泉、下降泉上升泉、下降泉。1.1.下降泉下降泉(出露潜水含水层中的泉）出露潜水含水层中的泉）根据出露条件又将下降泉分为：根据出露条件又将下降泉分为：侵蚀泉：地形切割到潜水面侵蚀泉：地形切割到潜水面接触泉：地形切割至隔水底板接触泉：地形切割至隔水底板溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉1.泉2.上升泉（由承压含水层补给的泉）
45、上升泉（由承压含水层补给的泉）a.侵蚀泉：当河流、冲沟等切穿承压含水层的隔水顶板时的泉。b.断层泉：地下水沿导水断层上升，在地面高程低于测压水位处涌溢地表形成的泉。c.接触带泉：岩脉或侵入体与围岩的接触带，常因冷凝收缩而产生隙缝，地下水沿此类接触带上升形成的泉。2、泄流、泄流 河流切割含水层时，地下水向河流的排泄，称为泄流 地下水的泄流量可通过分割河流流量过程线的方法确定3.3.蒸发蒸发土面蒸发：潜水通过包气带耗失水分叶面蒸腾：通过植物根系吸收潜水或包气带水转化为叶面水而蒸发消耗 （一株大的植物，犹如一台生物抽水机）第六章第六章 地下水的物理性质和化学成分地下水的物理性质和化学成分第一节 概述
46、第二节 地下水的物理性质第三节 地下水的化学成分和化学性质 一、地下水中的主要化学成分 二、地下水的主要化学性质 三、地下水化学成分的形成作用 四、地下水化学成分的基本成因类型 五、地下水化学成分的分析内容与表示方法第一节第一节 概述概述地下水物理性质：主要指水温、颜色、透明度、嗅和味。化学性质由溶解和分散于地下水中的气体、离子、分子，胶体物质和悬浮固体的成分，微生物及这些物质的含量所决定。地下水中溶解的化学成分同一般天然水中的化学成分基本相同（见天然水水质）。它不同于地表水的是它含有极小量的溶解氧，而CO2则溶解较多；有一些地下水还含有H2S、CH4-和氡。在大多数地下水中，阴离子主要是HC
47、O-，阳离子主要是Na+、Ca2+和Mg2+。地下水按矿化度分为淡水（矿化度升）、微咸水(13克/升)、咸水(310克/升)、盐水(1050克/升)和卤水(50克/升)。地下水的化学成分：地下水中所含的无机的和有机的化学成分。地下水是一种浓度较稀的溶液，它含有常见离子（最常见的阳离子是钙、镁、钠，最常见的阴离子是重碳酸根、硫酸根、氯根）、微量组分（如氟、溴、碘、硼等）和气体组成（如氮、二氧化碳、甲烷等）。一定化学成分的地下水是一定的地质环境下的产物。地下水化学成分是指地下水中所含的有机的和无机的化学成分。第二章第二章 地下水的物理性质地下水的物理性质1、温度影响地温的热源：太阳辐射和地热。地温
48、可分三个带：变温带 常温带：等于年平均气温 增温带：增温梯度级=33m/年常温带深度：KTaazxlnln0-地温梯度：指年常温带以下，深度每增加100m时地温的增加值。oC/100m。-其倒数称为地热增温级。m/-不同地区由干岩石的导热性、地壳运动和水文地质条件的不同，地热增温级有所变化。我国部分地区地热增温级我国部分地区地热增温级2、颜色-地下水一般无色。-单当某种离子较多，或者富集悬浮物质和胶体物质，可显示出各种颜色。水中存在水中存在的物质的物质硬水硬水低价铁低价铁高价铁高价铁硫化氢硫化氢硫细菌硫细菌锰化合锰化合物物腐殖酸盐腐殖酸盐水的颜色浅蓝灰蓝黄褐暗绿红色暗红暗黄或灰黑-测定水的颜色
49、，用标准颜色的溶液或有色玻璃片与水样相比较获得。-我国规定饮用水的色度不超过20色度。3、味（口味）4、嗅（气味）-气味强度等级：5、透明度透明的无悬浮物，60cm水深见图像半透明的少量悬浮物，3060cm水深见图像微透明的有较多悬浮物，3.5mg/l，即处于氧化环境 （2）氮（N2）来源大气圈，随降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2 说明地 下水是大气起源的，另还有生物起源与变质起源 环境在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且处于 封闭环境 来源的判别N2和惰性气体间的比例关系2、硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）地下水中出现H2S和CH4，意义恰好和出现O2相反，说明处于还原
50、的地球化学环境。来源：（1）生物化学作用 SO42-+2C+2H2O2HCO3-+H2S（2）地壳深部的变质作用及火山作用3、二氧化碳（CO2）促进 物质的溶解23CO(二)地下水中的主要离子成分水中离子成分主要取决于：元素的丰度（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的重量百分比；元素组成的化合物在水中的溶解度 地壳中主要元素有哪些？地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低）地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C （地下水中高）地下水中主要离子有：阴离子：HCO3-、SO42-、Cl-阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+次要离子：CO32-、NO3-、NO2-、H+、NH4+、Fe2
