水文地质学基础讲义

水文地质学基础讲义

主讲内容及学时分配

（讲课学时：38学时）

第0章绪言2学时

第1章自然界的水循环2学时

第2章地下水的赋存6学时

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第3早地下水运动的基本规律6学时

第4章地下水的化学成分及其形成作用4学时

弟5早地下水的补给、排泄与径流4学时

弟0早地下水的动态与均衡4学时

第7章孔隙水2学时

第8章裂隙水2学时

第9章岩溶水2学时

第10章特殊类型地下水2学时

第11章地下水资源分析及其开发管理1学时

第12章地下水调查概要1学时

教材：《水文地质学基础》，章至洁，中国矿业大学出版社，2004.

参考教材：

绪论

§0.1地球上的水与水资源

地球上的水及所占比例：

•海洋水：占96.54%

•淡水占全球水量的2.527%

•地下水占淡水资源的30%

我国各省人均淡水资源

一、利用自然资源有两种方式:

1.不可再生资源:

如果某种资源的存量大到足以保证上百年的需要，而且在资源耗竭以后,

可以开发替代资源。

矿产资源是典型的不可再生资源

2.可再生资源：

如果某种资源的再生速率高于人们的消费速率，就可以保证永续利用。

可再生资源是永远不会耗竭的

------------淡水资源的主体是可再生的

二、地球上的水与水资源的重要性

1.水——自然界存在，自然属性

•不断循环运动

•良好的溶剂，重要载体

•水具有能量

2.水——人类生存、社会经济发展不可或缺，社会属性

•生命之源，是地球系统的“血液”

•旱灾、水灾、水污染，对人类发展不协调

•水资源可再生，但水资源有价值（价值规律）

•水资源管理不当，成为社会不稳定因素之一

三、地球上的水与水资源：我国水资源概括

＞中国的大气降水与水资源分带

＞中国的人口密度与分省人均淡水资源

我国是世界上最缺水的13个国家之一

人均水资源占有量仅为世界平均值的1/4

§0.2地下水的功能（作用）

■概念：水文地质学简言之——研究地下水的科学

＞水对人类生活与生产起着不可或缺的重大影响

＞地下水是水资源组成部分

＞其主要功能(functions)为：

1、地下水是一种宝贵的资源(resource)

2、地下水是极其重要的生态环境因子

3、地下水是一种很活跃的地质营力

4、地下水是地球内部地质演变的信息载体

一、地下水是一种宝贵的资源

1.供水水源——

优点：分布广，动态变小，洁净，不易污染

据报道：陆地一半为干旱、半干旱地区1/3耕地，2/3牧区水源不足

城市供水不足，近来更有增加趋势

世界上，阿拉伯国家-进口雨水，中东的长期摩擦一是石油，二是水

80年代以来，我国城市缺水总体也愈来愈严重，很显然：水资源的欠

缺严重制约着国民经济的可持续发展。全国60%的耕地全部或部分使用地下水

灌溉，全国95%以上的农村饮用地下水。

2.液体矿产(liquidmining)

＞地下水高含盐类或稀有元素，开发提炼具有工业开采价值

------如四川自贡，三叠纪岩层中的卤水，每升达300g之多。

＞医疗或健身功能的矿泉水(Naturalmineralwater)

------疗养院，天然矿泉水厂，啤酒厂等一寻找特殊功能的水资源

＞开发提取一定的能量(热能，冷能)地下水

1)地下水的露头——泉井，往往具有冬暖夏凉的特点，地球浅层

是常温带一保温作用，起到“冬灌夏用，夏灌冬用”

2）地球是个天然热库—可以供热，供取暖等用处

二、地下水是极其重要的生态环境因子

------地下水是影响生态与环境的重要因素之一

1.地下水的变化往往会打破原有的生态平衡，使环境发生变化—即可

以有益，也可以是有害的

2.有害的例子：农业用水不当的次生盐渍化、不统一开采，河西走廓的

民勤县，绿州变沙漠、过量开采地下水——地面沉降（上海、天津）、海水

入侵，地面塌陷，地下水污染等

3.地下水与其周围的环境，人、水、热、动是个相互依存的有着内在联

系的生物生存链，打破一个环节就会引起或正或负的反馈（报复）

>地下水利用产生的环境问题：沙化荒漠化加重

>地下水利用产生的环境问题：上海地面沉降

>地下水利用产生的环境问题：地下水污染

三、地下水是一种很活跃的地质营力

----------地壳内能量、热量的传输者

>1.传递应力：水为诱发地震，地质灾害是地下水作用

>2.人工地震预报---观测地下水

>3.地球是个天然热库——在地质循环和水文循环中传输地壳内部的能

（热）量的传输者

四、地下水是地球内部地质演变的信息载体

--------地下水是（地球内部地质演变的）信息载体

>1.由于是应力传递者，同时又是在流动——

所以地下水水位，水量，水温，水化学等的变化或异常可以提供埋藏在

地下的许多信息.

>2.强的溶剂：

在地质循环和水文循环中化学组分溶解，传递到适宜的部位沉淀（沉积）：

成矿如找矿、找油、地震预报、地质演变.

§0.3水文地质学的发展与趋势

一、发展阶段：

四个时期：1856年以前的萌芽时期——1856年至本世纪中叶的

奠基时期——20世纪中叶至今的发展时期——21世纪的转变时期

>1.萌芽时期：由逐水而居到凿井取水------大转折

>2.奠基时期：1856年，达西定律一地下水定量计算——奠定了水文

地质学的基础

>3.发展阶段：二次世界大战战后，科学技术推动生产力迅猛发展以

及人口的急剧增长

1）泰斯非稳定流理论提出，对地下水资源量的认识一革命

2）计算机技术的发展，在地下水模拟、规划管理等推进

>4.转变时期：核心内容的转变，可持续发展观的提出

------------水文地质学的发展正向“地下水科学”的转变——发展趋势。

二、水文地质学的趋势一简况

趋势：

>1.核心课题转移：找水水文地质学一资源…一生态环境…

>2.视野扩展：含水层一地下水系统一水文-生态环境-技术-社会系

统。

>3.目标改变：由当前的问题转向长期的可持续发展…

>4.内容扩展：从地下水的水量为主，转向水量与水质的研究并重；

从狭义地下水，扩大到广义地下水，乃至地下水圈…

>5.思路的改变：从成生角度，加强过程与机理研究…

>6.多学科交叉渗透成为主流：地下水科学与其它自然科学以及社会

科学交叉渗透，以多学科方式研究与处理问题

>7.服务方式转变：…方式发生了很大改变，如何使水文地质工作成

果转化为生产力，成为一个急需解决的重大课题。

三、水文地质学的发展与趋势一任务

1.目前任务：

>1.正确地预测在人类活动干预下地下水的变化

>2.正确地评价、开发、管理与保护地下水资源

>3.保护与地下水有关的生态环境，成为当务之急

>4.正确地预测矿产开发的地下水问题，避免地下水害

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§0.4课程内容

本课主要内容：

一、水文地质学基本概念

概念、名词与术语

二、水文地质学基本原理

地下水形成基本规律——赋存、分布、运动

三、地下水科学的分析方法

>微观——以概念为基础的分析方法

＞宏观——地下水系统理论为基础的综合分析

四、应用分析—概念与原理的掌握

思考题：

1、为什么说“水资源”是可再生的资源？

2、为什么说“水资源”既有自然属性，又有社会属性

第一章自然界中的水循环

§1.1水循环

>地球上各部位、各层圈都存在着水，各部位的水是相互联系、相互

转化的整体也称为水圈—水系统

>自然界的水循环——

一、各部位水的联系与转化关系

>水循环分为：地质循环，水文循环

>本章重点讨论水文循环

地质循环与水文循环关系示意图

（据阿勃拉莫夫）

§1.2水文循环

1.定义一

水文循环示意图——环节或要素

2.水文循环的划分

（1）循环路径不同：

大循环（海-陆）与小循环（海-海，陆-陆）

(2)时空尺度不同：

全球水文循环，流域水文循环，水-土-生系统水文循环

3.水文循环的运动规律

(1)海洋的蒸发量大于降水量

(2)陆地的降水量大于蒸发量

(3)大陆输入水汽量与输出水量基本平衡

水文循环尺度——全球、流域(区域)、水-土-生

思考：水文循环发生的动力条件是什么？

§1.3水量平衡(Waterbalance)

一、通用水量平衡方程

1.水文学(水文地质学)研究的基本原理

物质不灭(质量)、能量守恒定律为基本原理

2.通用水量平衡方程：区域一段一要素

I=0+(Wl—W2)=0+AW

其中，I：时段内输入区域的各种水量之和

0:时段内输出区域的各种水量之和

△W=W1-W2：区域内时段始末的储水量

不同区域、不同研究对象可以写出具体的水量平衡方程式

二、我国的水量平衡

河流流域面积降水量径流量蒸发量

II中国水系1(mm)(mm)(mm)

外太平洋56.72918391527

流印度洋6.51739518.6220.4

河北冰洋0.53357215.9141.1

域总计63.76896403.4492.6

内流河域36.2416433.8130.2

全国合计100629269.5359.5

中国水系

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内流区域

太平洋流域

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§1.4水文循环的作用

一、水文循环的作用:

通过循环一水的质量得以净化、水的数量得以再生水资源不断更新与再

生，可以保证在其再生速度水平上的永续利用——也是可持续发展保证。

§1.5影响水文循环的因素一自学

♦1.气象因素

♦2.自然地理条件

♦3.人类活动等

结果：有利于蒸发，不利于径流，促进内陆水文循环

思考题

♦1.水文循环的内、外因是什么？

♦2.为什么称水资源为可再生资源，可再生的水资源是，取之不尽

的吗？

♦4.举例说明人类活动对“水文循环”产生的影响。

♦5.研究一个地区水量平衡有何意义？

第二章地下水的赋存

§2.1岩石中的空隙

基本概念：

1.岩石一一水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层

2.空隙——岩、土中各种类型的空洞的总称

空隙一是地下水赋存场所(places)和运移通道(conduits)

空隙分为

(1).孔隙(pore)一unconsolidatedsoil一(第四纪地质学)

(2).裂隙(fissure)—hardrock(构造地质学)

(3).溶穴(cavity)—dissolublerock一(岩溶地貌学)

《工程地质学》是从土层的物理力学指标(性能)来讨论，如土的压缩性

或强度变形。

一、孔隙(pore,void)

土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与分布。松散土体

宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类

1、砂砾石孔隙大小及其影响因素

v试样a—砾石(模型)，试样b一砂土样品，试样c一砂砾混合样品

有关?

＞简单归纳-一砂砾石土孔隙大小与什么有关？

颗粒大小、排列——立方体或四面体、分选、胶结与充填等

＞孔隙大小特征的描述：

孔喉(d)d=0.414D

孔腹(d‘)d'=0.732D

(上述为：立方体排列的理想等径园球颗粒)

2.砂砾石的孔隙度(porosity)及其影响因素

孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标

(1).定义：某一体积岩石(包括颗粒骨架与空隙在内)中孔隙体积所

占的比例。通常用n表示

V

〃=——X100%

VI

＞?问：孔隙度的大小与什么有关？——与颗粒大小有关？

a.与排列有关——紧密与疏松

理想最疏松孔隙为47.64%,最紧密排列孔隙为25.95%。

b.与分选有关——下面试样哪个孔隙度大？哪个小？

试样：①砾石；②砂石；③混合样

完全混合试样时一，孔隙度n混=n砾Xn砂(请自己推导证明)

＞影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。

＞自然界中松散岩石的孔隙度：

表2—1松散岩石孔隙度参考数值

岩石名称砾石砂粉砂粘土

孔隙度25-40%25-50%35-50%40-70%

＞矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？

＞矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%—达到70%

2.粘性土的孔隙度(porosity)及其影响因素

(1)粘土颗粒

＞粘性土是指土体颗粒V0.0051nm的直径

＞粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强

＞粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成粘粒团”

＞细小粘粒集合(团)构成(称为)颗粒集合体。

＞集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征

(2)粘土孔隙

粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构

＞结构孔隙——集合体与集合体、粘粒与粘粒之间

＞次生孔隙——虫孔、根系孔、裂隙裂痕等

二、裂隙

1.裂隙的概念(fissurefracture)

固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有各种内外力作

用下产生的裂缝（缝隙）：风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙

2.空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状”空隙，单个裂隙是孤

立的

3.裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：

1）裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）

2）张开性（裂隙宽度）

3）裂隙率等

三、溶穴（solutioncavity）cavern

1.在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果——是扩大了的裂隙溶

穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等

2.岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+溶洞）

1）岩溶发育方向

2）溶蚀率一钻孔岩溶发育程度

3）溶洞（方向、规模等）

四、空隙特征的对比

空隙特征的比较

1.含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场。

含水介质的空间分布与连通特征（孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶质

含水介质）是不同的，三种主要类型的含水介质比较：

＞连通性一孔隙介质最好，其它较差

＞空间分布一孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀

孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊

＞空隙比率一孔隙介质最大，裂隙最小

＞空隙渗透性一孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向异性造成

空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境

思考题：

1.什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？

2.坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？(可以通过查阅

资料和文献回答)

3.试总结砂砾类土体的孔隙形状特点

§2.2岩石空隙中水的存在形式

＞存在形式：气态、固态、液态

设想实验：材料(玻璃珠子、细管)+水(水杯)

(1)2个玻璃珠子之间滴上儿滴水，接触部位就会有所残留水

(2)在饱水试样中取1颗和2个颗粒，颗粒和颗粒孔隙间的水？

(3)将玻璃细管插入水中，取出，管中残留水？

通过上述3例及图示一空隙中水的存在形式：

结合水----(absorbedwater,boundwater)

重力水----(gravitationalwater;bulkwater)

毛细水----(capillarywater)

一、结合水(absorbedwater,boundwater)

1.定义

附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水即结合水具有一定的抗

剪强度

?抗剪强度的产生与大小与什么有关

表面引力T艮从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱

（1）性质：

结合水具有固态和液态水的双重性质；即自身重力作用下不能运动，在

外力作用下能够移动（运动）及变形

（2）意义：

只要有固相表面就存在结合水，存在范围广，其量很小（结合水膜很薄），

当孔隙直径小于2倍结合水膜厚度时，孔隙中只含有不能自由运动的结合水

（又称无效空间）

2.强结合水和弱结合水

（1）强结合水（吸着水）：厚度：儿个水分子或儿百个水分子，受到的

引力：1万个大气压。

（2）弱结合水（薄膜水）：厚度：儿十、儿百或儿千个水分子厚度。

二、重力水

重力水（gravitationalwater;bulkwater）

远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受重力

影响。重力影响下可以自由运动

♦无重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布一受表面吸引的作用

液态水的特征

♦地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽

出）

♦重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的主要对象

三、毛细水

毛细水（capillarywater）

1、基本概念

♦毛细现象：

①根据细小管插入水中，水上升至一定高度停下来

♦毛细力：

毛细水：受到表面吸引力，重力，还有另一种力一称毛细力的作用，产

生毛细现象。

(1)毛细力的产生：

是在三相界面上内弯液面引起——液面弯曲产生的

(2)毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹侧

•凹凸弯液而是指相对于液相一侧而言的

•凹形弯液面一负的毛细压强(negative)-一如同真空吸力

•凸形弯液面一正的毛细压强(positive)

(3)毛细力的大小：

毛细力大小与弯液面的曲率成正比(曲率大，毛细力大；曲率小，毛细力

小)。一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；反之亦然

毛细力大，毛细上升高度也越大。

2、毛细水的存在形式(statesforms)

在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：

(1)支持毛细水(supportingcapillarywater)

在地下水面支持下存在的(附着水面上的)，随地下水升降而升降。上

升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关

(2)悬挂毛细水(suspensioncapillarywater)

脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分，称为悬挂毛细水。上粗下细或

上细下粗砂砾试样的例子。？悬挂毛细水的高度

思考：一个等径园管，如果支持毛细水高度为悬挂毛细水高度？

(3)孔角毛细水(触点毛细水)(cornerwater,contiguitywater?)

孔角毛细水与悬挂毛细水是不同—？

悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的

§2.3岩石的水理性质

岩石(包括骨架与空隙在内的总称)

水理性质：就水文地质学主要涉及是与水分储容、释出与运移有关的性

质包括：

一、容水度和孔隙度(porosity)(反映岩石最大含水能力)

孔隙度——n;容水度——nr?两者有何关系

■岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比

二、含水量(watercontent)_w

■岩石样实际保留水分的状况，(是某岩样某时的含水状态)又称岩石

的天然含水量

1.重量含水量：松散岩石中孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比

值。

2.体积含水量：含水的体积与包含孔隙在内的岩石体积的比值。

3.饱和差：岩石容水度和体积含水量之间的差值。

4.饱和度：体积含水量与容水度之比成为饱和度。

三、持水度(specificretention)_Sr

岩石的持水能力——最大保持水分的能力

■饱水岩石在重力作用下释水后，岩石中保持的水的体积与岩石总体积

之比

四、给水度

1、定义：

当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石柱体，在重力作用

下释放出来的水体积，称为给水度。

V

u=―x100%

V总

当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？

在土层中会保留什么形式的水？

结合水（膜），孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水

2.影响因素：

（1）岩性：空隙大的岩石，给水度大

•砾>粗砂>…>粉砂——（与粒径有关）

•0颗粒细小者，比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多

（2）地下水位初始埋深（H0）

•0当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时HO>>he,可

达最大R值

•H0<<he时，地下水位下降1个高度时，原重力水大多转化为

支持毛细水，土层给水量大大降低，R变小。

•土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发

生变化（为定值），此时给水度一也是最大理论给水度

（3）与地下水位下降速度有关

地下水位下降快慢会影响到口的大小—（下降快U<U理、下降慢11

一u理），这是因为释水滞后，而导致的释水减量

（4）土层结构

•岩土层为层状非均质土时，往往会影响R值，

•多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响是不同的。

五、透水性（permeabiIity）----（先自学一下）

•反映岩土透过水的能力

•后续讲“地下水的运动”时再讨论

•岩石空隙直径越大一透水能力越强一透水性越好!

§2.4包气带与饱水带

一、包气带与饱水带的划分

地下水面（水位）：地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，形成

一个自由水面，以海拔高度表示称之地下水位（一般通过打井，地下开挖来

确定）

包

包

中间带气

气

带

带

与

饱毛细水带

水

地下水面一地下水位

带

饱

水

带

——

二、包气带

包气带(zoneofaerationorzoneofunsaturation)

1.特点：①岩石空隙未被水充满

②是固、液、气三相介质并存介质

2.水的存在形式（多样）

结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水

3.包气带水的垂直分带

土壤水带，

中间带（过渡带）

支持毛细水带，毛细饱和水带

包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道；“重力水”通

过包气带获得降水、地表水的入渗补给（补充），部分水又通过包气带将水

分传输，蒸发，消耗出去。

三、饱水带

饱水带（saturationzone）

1.岩石空隙被水完全充满一是二相介质（固相+液相水）

2.空隙中水的存在形式：

①重力水；②结合水

♦重力水：连续分布（孔隙是连通）一传递压力一在水头差作用

下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。

♦地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来!

§2.5含水层和隔水层

一、基本概念

饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而进行的划分

1.含水层（Aquifer）：

是能够透过并给出相当数量水的岩层一各类砂土，砂岩等

2.隔水层(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——裂隙不发

育的基岩、页岩、板岩、粘土(致密)

3.弱透水层(Aquitard)：

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—各种粘土，泥质粉砂岩

二、概念的相对性

定义中的模糊概念一“相当水量，微不足道，较大水力梯度”等

严格的“是与非”的逻辑思维，在很多情况下是相对的和模糊的概念相对性

的意义：

1.从实际应用角度来看划分的相对的性——相当水量满足需要就可以

了。如在某处一口井出水量80m3/d,作为1万人的供水，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0.11/sg8.6m3/d,大厂——

非，村用——是。

2.从理论意义来看——微不足道

微不足道，有时空尺度的制约

三、含水系统

含水系统一Groundwateraquifersystem

1.地下水含水系统：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

2.含水系统：包含多个含水层和弱透水层，或局部隔水层

3.含水系统：可以进行子系统划分

4.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文地质特征进行划分的分析方法

（或给出的概念）

§2.6地下水的分类

1.广义地下水：地表以下岩石空隙中的水（包气带、饱水带中的水）

2.狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水一重力水

3.地下水分类：

主要依据——含水介质的类型（赋存空间）

埋藏条件（赋存部位）

v表3-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9类

孔隙水裂隙水岩溶水

包气带上层滞水上层滞水上层滞水

潜水孔隙潜水裂隙潜水岩溶潜水

承压水孔隙承压水裂隙承压水岩溶承压水

4.地下水分类

§2.7潜水与承压水及上层滞水

一、潜水与潜水含水层

1.潜水与潜水含水层概念

(1)潜水:

地表以下，第一个具有自由表面的稳定含水层中的水。

♦自由表面——即设有隔水层限制，与大气直接相通，除大气压强外

不受其它力。

♦稳定——具有一定的空间连续性(范围)以示区分上层滞水

(2)潜水含水层

--赋存潜水的岩层

屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏(潜水)

2.潜水面(watertable)

[1]潜水位(waterlevel)

[2]潜水含水层-

[3]含水层厚度-

[4]潜水埋深-

1-潜水含水层2-隔水层3,4潜水面潜水位M-含水层厚度

D-潜水埋深5-大气降水入渗6-蒸发7-流向8-泉

潜水与潜水含水层

3、主要特征

[1]补给（来源）：降水入渗，河湖入渗

[2]排泄（汇）：泉,（河）泄流,蒸发

补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水！

[3]动态：受气象，水文因素影响明显，变化快（水量、水位季节性

变化），受人为因素影响也显著，易污染

[4]水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快

[5]潜水研究基本方法一绘制潜水等水位线图一获取信息-资料的手

段——调查、勘探，分析

二、承压水与承压含水层

1.承压水定义

充满于2个隔水层（或弱透水层）之间的含水层中的水，称之。

2.基本要素与特征

（1）基本要素

①承压含水层；②隔水顶板；③隔水底板；④承压含水层厚度（M）；

⑤埋深（D）；⑥测压水位线（面）：测压水位线的连线（面）一此线

是虚拟的（如图有压管）；⑦承压水头（H）；⑧补给区；⑨承压区；⑩排

泄区；（11）自溢区一测压水位线与地形等高线的交点连接区。

（2）特征:

♦补给与排泄

有限区域与外界联系，水循环迟缓些，水交替慢，平均滞留时间长（年

龄老或长）恢复性差，水化学变化较大，矿化度一般要高点，可以保留

“古老”的水

♦动态

要稳定些，如果分布面积大，厚度稳定一则调节能力很强

■问题？承压含水层的变化：在储水与释水时，含水层厚度

是不变的，承压含水层的储水与释水是如何进行的？！

（3）承压含水层的储水与释水

♦弹性给水度ue

承压含水层中当测压水位下降（或上升）1个单位，单位水平面积含水层较

体所释放（或储存）的水量

♦测压水位降低导致

1）含水层孔隙中水的压力降低一水体积膨胀释水，水的膨胀系数约为

1/20000

2）孔隙水压力降低，岩层颗粒间承受压力增加一骨架被压缩颗粒不变一

骨架压缩=空隙体积减小（排列改变）------发生释水（挤出来）水

V这两部分水很有限，所以Ue很小；与重力给水度Rd相比要小101-103

♦承压含水层的弹性给水度

从理论上来看：

♦弹性给水度是可以恢复的

♦实际上弹性是有限恢复的

♦越过含水层弹性范围（限定），将产生一次性的变形一即永久

性不可恢复的变形

♦最终导致含水层的弹性给水与释水能力降低

三、潜水与承压水的相互转化

♦在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的

♦在复杂条件下，很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水

V几个例子：

♦山区基岩互层

♦一个较厚的含水层

♦一个封闭的含水层一潜水?

■开采前一潜水含水层

■开采后一承压含水层

学习提示：

♦前第一、二、三章，是水文地质学中常用的基本概念和术语，要求掌

握

♦V后几章将着重介绍一些基本理论与方法

第四章地下水运动的规律

§4.1重力水的运动

一、基本概念：

1、渗透与渗流：

1）渗透：地下水在岩石空隙中的运动称为渗透（或渗流）。

特点：（1）曲折复杂的水流通道；

（2）迟缓的水流（由于所受到的摩擦阻力较大，所以运动迟缓，通常用

每日（昼夜）多少米来计算其流通量。）

实质：用充满含水层中的假想水流来代替仅仅在岩石空隙中运动的真

正水流。其条件是：

（1）假想水流通过任意断面的流量必须等于真正水流通过同一断面的流

量；

（2）假想水流在任意断面的水头必须等于真正水流在同一断面的水头；

（3）假想水流通过岩石所受到的阻力必须等于真正水流所受到的阻力。

2、层流与紊流：

1）层流：在岩层空隙中渗流时，水的质点有秩序的、互不混杂的流动。

在具有狭小空隙的岩石中流动时一，重力水受介质的吸引力较大，水的质点排

列较有秩序。

2）紊流：在岩层空隙中渗流时，水的质点无秩序地、相互混杂的流动。

3、稳定流与非稳定流

♦稳定流与非稳定流：水在渗流场中运动，各个运动要素（水位、流速、

流向）不随时间改变时，称为稳定流。运动要素随时间变化的水流运

动，称为非稳定流。

4、地下水的运动的空间变化类型:

1）线状流：渗流场中任一点的速度变化只与空间坐标的一个方向有关

时的水流。

2）平面流：渗流场中任一点的速度变化只与空间坐标的两个方向有关

时的水流。

3）空间流：渗流场中任一点的速度变化只与空间坐标的三个方向有关

时的水流。

水力学研究水在管、渠一明流

-多孔介质，空隙细小，水流很缓慢——渗流

•从流态来看一地下水多为层流（除岩溶管道外）

层流----紊流

•侧重稳定流——（不讨论非稳定流）

二达西定律（Darcy'slaw）达西定律一线性渗透定律（linearlaw）

法国水力学家，1856年（以实验为基础研究时期）

通过大量的室内实验得出的

1、实验条件：装置图一

1）等径圆筒装入均匀砂样（uniformsand）,断面为①

2）上（下）各置一个稳定的溢水装置——保持稳定水流

3）实验时上端进水，下端出水——示意流线

4）砂筒中安装了2个测压管

5）下端测出水量（outflow）—Q

2）渗透流速

根据水力学流速与流量的关系

Q=coy

于是：y=K/渗透流速等于渗透系数与水力坡度的乘积。Y与I的一次

方成正比。

在实际的水流中,水力坡度在各处不同

—K也

dl

2达西定律讨论

1）渗透流速（V）与过水断面（3）

Q-K1=3V

v过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否

＞过水断面——3,假想的断面

＞实际孔隙断面——3n孔隙度

＞实际水流断面——3ne有效孔隙度

Q/«=V比照水力学，

实际流速尸Q/3'

＞关系：地下水渗透流速片㈤e

＞渗透流速匕是假设水流通过整个岩层断面（骨架+空隙）时所具有的虚拟

的平均流速。

＞意义：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而不去追踪实际

水质点的运移轨迹——简化的研究

过水断面（3）实际过断面（3'）

2）水力梯度

水力梯度（/）（hydraulicgradient）

＞a）概念：水力学中水力坡度（J）:单位距离上的水头损失

＞是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比

,H「H,AHh

1——

L-LL

＞B）物理涵义上来看I：代表着渗流过程中，机械能的损失率，由水力学中

水头的概念加以分析：

＞0任意点的水头表达式

H=Z+2+

-2g

总水头测压水头速度水头

机械能势能动能

其原因是u2/2g很小而忽略:

>D）在地下水渗流研究中常：

总水头》测压水头愈是习惯用法）

我们仍然用△!!=H1-H2代表该程L1—2上的总水头损失，

I一则为总能量损失率

>E）渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）

1）流体的粘滞性引起的——内摩擦阻力（分子间）

2）固体颗粒表面对水流的反作用力

>F）从达西公式：夕=必来看：

当I增大时,V也愈大;

即流速V愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大;反过来，水力梯度I

愈大时，驱动水流运动与速度也愈大

注意：水头损失一定要与渗流途径相对应

3渗透系数

在有些教科书中也称为水力传导率

1）定义：水力梯度为I=1时的渗透流速（V=KI）

具有速度量纲L2T-1

2）由公式夕=47分析

当I一定时，岩层的《愈大，则夕也愈大，0大

因此,渗透系数K是表征岩石透水性的定量指标

3）影响因素：——以松散岩石,等径孔隙为例来分析

v从公式即得出：

K=K/

V

K„___内在透水率p-—水的比重；v——水的粘滞系数。

＞表3-1列出常见岩石渗透系数的参考值

4达西定律的适用范围（自学）

雷诺数数介于「10之间

5达西定律的应用实例：（自学）

关键问题:利用达西公式和微积分的简单计算。

三、流网（Flownet）

1基本概念（concept）

1）渗流场：地下水流动（运动）的空间

2）流网：是由一系列等水头线与流线组成的网格，称流网（flownet）

流网是描述渗流场中地下水流动状况的有效工具

3）流线：某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上各个水质

点的流速方向都与这条曲线相切（某时刻各点流向的连线）

4）迹线：流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹

5）等水头线：在某时刻，渗流场中水头相等各点的连线（水势场的分

布）

2二维流网图:

1）平面流网：潜水等水位线图，承压水等测压水位线图

2）剖面流网：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的水流

3流网特点：

1）在各向同性介质中，流线与等水头线正交；在各向异性介质中，流

线与等水头线斜交

2）是按一定规则绘制的，等水头线（等水头差绘制），流线（等流量

宽，单宽流量相等）

4定性流网绘制

＞在许多实际工作中，绘制定性流网分析问题很重要，精确流网受许多条件

（资料不足等）制约，很难办到

v思考回答：

■边界条件？有哪儿类？

■流线起点和终点？等水头线如何控制？

■等流量如何确定？

■“源”一resource（发散流线处）

■“汇”一sink（吸收流线处）

■“地下分水线”一divideline（分水或分流处为“流线”）

1）绘制步骤（简要）：

（1）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）

a）定水头边界：河渠湿周一-等水头线；

b）隔水边界：流线（“零通量”）

c）地下水面边界：当无渗入补给与蒸发排泄，有侧向补给，作稳

定流时，地下水面是一条流线；当有入渗补给时，既不是流线，也不是

等水头线。

(2)分水线、源、汇的确定