水文地质学总结(地质出版社)

绪论水文地质学：是研究地下水的科学。水文地质学研究的是：地下水在与岩石圈、地幔、水圈、生物圈、大气圈和人类生活活动相互作用下，其水量与水质在时间上的变化，以及对各个圈层产生的影响，从而服务于人与自然相互协调的可持续发展。地下水：地下水是赋存于地面以下岩石空隙中的水。地下水的功能：资源、地质营力、致灾因子、生态环境因子和信息载体等方面。地球中水的分布与循环水文循环：是大气水、地表水和地壳浅表地下水之间的水分交换。地质循环：发生于大气圈到地幔之间的水分交换。我国水资源具有的特点：降水偏少，年总降水量比全球平均降水量少22%；人均水资源量偏低；空间分布不均匀，东部丰富，西部贫乏；季节及年际变化大，旱涝灾害频繁；水质污染较严重。地下水的优点：分布广泛;（2）变化稳定；（3）具有天然调节性；（4）水质良好；（5）利于开发利用。地下水的缺点：地下水隐藏于地下，查明分布规律才能利用；另外，虽然不易污染，但一旦污染，不像地表水那样容易自净修复，需要花费相当长时间和耗费昂贵成本。岩土中的空隙和水孔隙：颗粒及颗粒集合体之间的空隙。孔隙度：是单位体积岩土（包括空隙在内）中空隙所占的比例。n表示岩土孔隙度，V表示包括孔隙度在内的岩土体积，Vn表示岩土中空隙体积，则：或裂隙：是岩石在各种应力作用下破裂变形而成的。按照裂隙的成因，区分为：成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙及卸荷裂隙。溶穴：原有的裂隙或孔隙，经过地下水溶蚀，扩大而成的空洞。岩土中的水详细分类：结合水：固相表面引力大于自身重力的水。重力水：固体表面结合水层以外的水分子，受重力的影响大于固体表面的引力，在重力作用下运移。毛细水：受毛细力作用保持在岩石空隙中的水。容水度：指岩土完全饱和水时所容纳的水的体积的比值。（通常容水度与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等，对于具有膨胀性的粘性土，容水度大于孔隙度。）含水量：是松散岩土空隙中所包含的水与岩土的比值。重量含水量（Wg）：岩土孔隙含水体积（Gm）与干燥岩土重量（Gs）的比值。体积含水量（Wv）：岩土孔隙含水体积（Vw）与包含空隙在内的岩土体积（V）的比值。给水度：是指地下水位下降单位体积时，释出水的体积和疏干体积的比值，记为μ，用小数表示。持水度（Sr）：是地下水位下降时，滞留于非饱和带中而不释出的水的体积与单位疏干体积的比值，用小数表示。渗透性：是指岩体传输水或其他流体（如油气）的性能。地下水的赋存包气带：地下水面以上称为包气带。饱水带：地下水面以下为饱水带。含水层：是饱水并能传输与给出相当数量水的岩层。隔水层：是不能传输与给出相当数量水的岩层。弱透水层：是本身不能给出水量，但垂直层面方向能够传输水量的岩层。含水系统：是由隔水或相对隔水边界圈围的，内部具有统一水力联系的赋存地下水的岩系。饱水带的地下水，按埋藏条件可划分为：潜水、承压水、上层滞水。饱水带的地下水，按其水介质可划分为：孔隙水、裂隙水、岩溶水。潜水：饱水带中第一个具有自由表面且有一定规模的含水层中的重力水。承压水：充满于两个隔水层之间的含水层中的水。上层滞水：报期待局部隔水层（弱透水层）之上积聚的具有自由表面的重力水。地下水运动的基本规律渗流：地下水在岩土空隙中的运动。渗流场：发生渗流的区域。层流：水质点做有秩序的、互不混杂的流动。紊流：水质点做无秩序的、相互混杂的流动。稳定流：水在渗流场所内运动，各个要素（水位、流速、流向等）不随时间改变时，称为稳定流。非稳定流：运动要素随时间变化的水流运动，称为非稳定流。一维流：渗流场中任意点的流速变化只与空间坐标一个方向有关的渗流。（与空间坐标的两个或三个方向有关的，分别称为二维流或三维流。）达西定律：（1）式中：Q为渗流流量（出口处流量，即通过砂柱个断面的体积流量）；A为过水断面的面积（砂柱的横断面积，包括沙颗粒和孔隙面积）；H1、H2分别为上、下游过水断面的水头；L为渗流途径（上、下游过水断面的距离）；I为水力梯度；K为渗透系数。通过过水断面A的流量，则渗流流速v为：由公式（1）及得：这是达西定律的另一种表达形式：渗流流速与水力梯度的一次方成正比，即线性渗流定律，K为其线性比例系数，称为渗透系数。等水头面（线）：渗流场中水头相等的各点连成的面（线）。水力梯度（I）：延等水头面（线）法线方向（水头降低方向）的水头变化率。式中：n为等水头面（线）的外法线方向，也是水头降低方向。渗透系数和渗透率的关系：式中：ρ为液体密度；g为重力加速度；μ为液体动力粘滞系数；k的量纲为[L2],常用单位达西或cm2.流网：在渗流场中某一典型剖面或切面上，由一系列等水头线与流线组成的网格称为流网。流线：是渗流场中某一瞬时的一条线，线上各水质点在此瞬时的流向均与此线相切。迹线：是渗流场中某一时间段内某一水质点的运动轨迹。包气带水包气带水运动的基本规律：垂向一维非饱和达西定律可表示为：式中：vz为垂向渗流流速。包气带水与饱水带相比，有以下不同：包气带存在毛细负压或基质势，但饱水带不存在；包气带任一点的压力水头是含水量函数，但稳定流条件下饱水带任一点的压力水头是定值；包气带的渗流系数随含水量的降低急剧变小，但饱水带的渗流系数一般可看作定值。地下水的化学组分及其演变地下水中含有各种气体、粒子、胶体、有机质以及微生物。地下水常见的气体成分:O2、N2、CH4及H2S等，以前三种为主。地下水中的微生物，主要有以下作用：参与地下水化学形成作用，改变地下水组分；生物修复地下水污染；改变含水介质特性；参与成岩作用；参与成矿作用。地下水化学成分形成作用溶滤作用：水与岩土相互作用，使岩土中一部分物质转入地下水中，便是溶滤作用。溶滤作用的结果，岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。浓缩作用:由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大的作用。（必须同时具备下述条件：干旱或半干旱的气候，有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土，低平地势下地下水位埋深较浅的排泄区。）脱炭酸作用：水中的CO2的溶解度岁温度升高及（或）压力降低而减小。升温及（或）降压时，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱炭酸作用。脱硫酸作用阳离子交替吸附作用：粘性土颗粒表面带有负电荷，将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。混合作用：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分不同的地下水，便是混合作用。（分为化学混合和物理混合。）溶滤水：富含CO2与O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。沉积水：是指与沉积物大体同时生成的、由古地表水演变而成的古地下水。内生水：来自地球深部层圈物质分异和岩石变质作用过程中化学反应生成的水。地下水的补给与排泄地下水的补给：是指饱水带获得水量的过程，水量增加的同时，盐量、能量也随之增加。地下水的排泄：是饱水带减少水量的过程，减少水量的同时，盐量和能量也随之减少。地下水存在两类水质演变方向不同的排泄方式：盐随水去的径流排泄，导致地下水及土壤不断淡化；水去盐留的蒸散排泄，导致地下水及土壤不断盐化。地下水排泄去路：溢流地表成泉，向地表水泄流，土面蒸发及植物蒸腾等。大气降水入渗补给机制：大气降水落到地面后，部分被植被叶面截留而蒸发，部分积聚于洼地而部分蒸发；剩余的水量，部分滞留于包气带，部分转化为地表径流，其余的成为地下水补给量。大气降水补给地下水的影响因素：气候、地质、地形、植被、土体利用等方面。（诸因素相互联系、相互制约的整体。）山区大气降水补给地下水不同于平原的特点：主要分布基岩，地面渗流能力的差别远大于平原松散沉积物；地形起伏与地质结构相结合，地形高处的降水以坡流或河流形式汇流补给低处的地下水，汇流区的范围经常大于补给区；地表水与地下水转化关系复杂，往往难以单独评价大气降水补给地下水水量，只能评价大气降水及地表水补给地下水的总量；地形切割强烈，地下水位埋藏深度大，包气带以重力水为主，截留水量（包气带水分亏缺）通常不大，通过向泉及（或）河流排泄。地表水补给地下水必须具备的两个条件：（1）地表水位高于地下水；（2）两者之间存在水力联系。地下水的其他补给来源：凝结水对地下水的补给；灌溉水对地下水的补给。地下水人工补给：采取有计划的人为措施，使地下水获得天然补给以外的额外补充。人工补给地下水的目的：利用含水层（含水系统）作为地下水库，调蓄其他水源，增加可利用水资源量；维护和改善生态环境（避免植被退化，维护湿地，防治土地沙漠化等）；防治某些地质灾害（防治海水或咸水入侵地下淡水，避免地面沉降及地裂缝等）；利用含水层调蓄热能等。地下水的排泄方式：通过泉、向地表水排泄、土面蒸发、叶面蒸腾等方式，实现天然排泄；通过井孔、排水渠道、坑道等设施，进行人工排泄。泉：是地下水的天然露头。传统的分类，将泉划分为上升泉和下降泉两大类：前者是承压水排泄，后者是潜水或上层滞水的排泄。泉的分类（根据出露原因）：侵蚀泉：单纯由于地形切割地下水而出露，包括切割潜水含水层及揭露承压水隔水顶板；接触泉：地形切割使相对隔水底板出露，地下水从含水层与隔水底板接触处出露；溢流泉：水流前方出现相对隔水层，或下伏相对隔水底板抬升时，地下水流动受阻，溢流地表；断层泉：地形面切割导水断裂，断裂带测压水位高于地面水位时出露成泉；接触带泉：岩脉或岩浆岩侵入体与围岩的接触带，地下水沿冷凝收缩形成的导水通道出露。地下水转化为气态向大气排泄的两种方式：土面蒸发和叶面蒸腾（两者都只地下水的面状排泄，都具有“水去盐留”的特点。）。影响地下水蒸发的因素：气候、潜水埋藏深度及包气带岩性。（相互耦合）蒸腾排泄：植物生长过程中，根系吸收与地下水有联系的包气带水分，传输到叶面，转化为气态水逸失于大气。地下水流系统系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体。地下水含水系统：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。地下水流动系统：指由源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体。地下水系统包括：地下水含水系统和地下水流动系统。地下水含水系统与地下水流动系统不同点：地下水含水系统的圈定，通常以隔水或相对隔水的岩层作为系统边界流动系统以流面为边界；流动系统受人为因素影响比较大；含水系统受人为影响小；控制含水系统发育的，主要是地质结构；控制地下水流动系统发育的，是自然地理因素。孔隙水流系统研究复杂的主要原因：缺乏明显的系统边界；介质场空间变化复杂；地貌及微地貌影响下的势场变化复杂；各级次含水系统与水流系统具有复杂的交错关系；经历长期地质及自然地理演变，后期发育的水流系统的影响叠加于前期水流系统之上，重塑演变过程十分复杂；大多受人为活动的强烈影响。地下水动态与均衡地下水动态：地下水各种要素（水位、水量、化学成分、气体成分、温度、微生物等）随时间的变化，称为地下水动态。地下水均衡：某一时段、某一范围内地下水水量（盐量、热量等）的收支状况，称为地下水均衡。地下水动态与均衡的关系是：地下水动态是地下水均衡的外在表现，地下水均衡是地下水动态的内在原因。影响地下水动态的因素分为两类：一类是地下水诸要素（水量、盐量、热量、能量等）本身的收支变化，即外界激励（输入）因素；另一类是影响激励（输入）—响应（输出）关系的转化因素（影响地下水动态曲线具体形态的因素）。后者主要是地质因素。地下水动态的本源因素是随时间变动的因素，包括：气象（气候）因素、水文因素、生物因素、地质营力因素、天文因素等。地下水动态类型：入渗—径流型动态：接收降水及地表水补给，以径流方式排泄；地下水化学作用以溶滤为主。广泛分布于不同气候条件下的山区及山前。特点：年水位变幅大而不均，由补给区到排泄区，年水位变幅由大到小。水质季节变化不明显，水土向淡化方向演变。径流—蒸发型动态：以侧向径流补给为主，以蒸发方式排泄；地下水化学作用以浓缩为主。主要分布于干旱内陆盆地远山及盆地中心部位。特点：年水位变幅小而均匀，水质缺乏明显季节变化，水土向盐化方向演变。入渗—蒸发型动态：以接受当地降水补给为主，径流微弱，就地蒸发排泄；地下水化学作用为溶滤—浓缩间杂发生。主要分布于半干旱平原和盆地内部。特点：地下水由补给区向排泄区短程径流，地下水位变幅小。入渗—弱径流型动态：以接受当地降水补给为主，径流和蒸发均微弱，地下水化学作用为溶滤为主。主要分布于我国湿润平原和盆地。特点：地下水位变幅小，水质季节变化不大，水土向淡化方向演变。地下水均衡：某一时间段内某一地段内地下水水量（盐量、热量、能量）的收支状况。均衡区：进行均衡计算所选定的地区。均衡期：进行均衡计算的时间段。（收入大于支出，为正均衡，反之为负均衡）正均衡：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量（或盐量、热量）的收入大于支出，表现为地下水储存量（或盐储量、热储量）增加。负均衡：某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量（或盐量、热量）的支出大于收入，表现为地下水的储存量（或盐储量、热储量）减少。天然状态下水均衡方程式：收入项（A）包括：大气降水量（X）、地表水流入量（Y1）、地下水流入量（W1)、水汽凝结量（Z1）。支出项（B）包括：地表水流出量（Y2）、地下水流出量（W2）、蒸发量（Z2).均衡期水的储蓄量变化为，则水均衡方程式为：潜水均衡方程式：潜水的收入项（A'）包括：降水入渗补给量（Xf），地表水入渗补给量（Yf）,凝结水补给量（Zc），上游断面潜水流入量（Wu1），下伏半承压含水层越流补给潜水水量（Qt），如果潜水向半承压水越流排泄，则Qt列为支出项。潜水的支出项（B'）包括：潜水腾发量（Zu，包括土面蒸发及叶面蒸腾），潜水及泉或泄流形式排泄量（Qd）下游断面潜水流出量（Wu2）。均衡期始末潜水储蓄量变化为，则第十一章孔隙水孔隙水：赋存于松散沉积物中的地下水。孔隙水的特点：(1)水量在空间分布相对均匀，连续性好(2)孔隙水一般呈层状分布;(3)同一含水层中的孔隙水具有密切的水力联系和统一的地下水面;(4)孔隙水的流动大多数呈层流，符合达西定律。裂隙水裂隙水：赋存于裂隙基岩中的地下水。裂隙水按其介质中空隙的成因可分为：成岩裂隙水、风化裂隙水和构造裂隙水。成岩裂隙：是岩石在成岩过程中受内部应力作用而产生的原生裂隙。沉积岩固结脱水、岩浆岩冷凝收缩等均可形成成岩裂隙。风化裂隙：暴露于地表的岩石，在温度和水、空气、生物等风化营力作用下，形成风化裂隙。构造裂隙：是岩石在构造应力作用下形成的，