水文地质学基础

水文地质学基础(张建升)

基本概念：

补给：含水层从外界获得水量的过程称作补给。 排泄：含水层失去水量的过程称作排泄。

径流：地下水由补给区向排泄区流动的过程称作径流。 径流强度：单位时间通过单位断面的流量，即渗流速度。

强径流带：在某些发育不均一的泾流场中，强径流区段往往成不规则的带状展布，故称之为强径流带或集中径流带。

入渗率：单位时间内通过单位地表面积入渗的水量称为入渗率。 入渗系数：年降水入渗量qx与年降水量X的比值。

动态与均衡：地下水的动态是指地下水的数量和质量（水位、流量、水温、水化学成分等）在各种因素影响下随时间的变化情况。某一时间段内某一地段地下水水质、水量收支平衡的数量关系称作地下水均衡。

地下水的补给来源：大气降水、地表水、凝结水、其他含水层的水和人工补给水源。 空隙：岩石（土）中存在着空隙，空隙是地下水渗入、储存、运移的场所和通道。

孔隙：存在于松散的或未完全胶结的岩石颗粒与颗粒之间或颗粒集合体与颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。

裂隙：裂隙是坚硬岩石形成时或形成后由于各种内外营力的作用，使岩体遭受破坏而形成的 空隙。 溶隙：可溶性岩石经地下水的溶蚀和机械冲蚀作用产生的空隙称为溶隙。

孔隙度：衡量孔隙多少的指标称孔隙度。一般用岩石中孔隙体积和岩石总体积之比表示。 裂隙率：裂隙的体积（Vr）与包含裂隙在内的岩石的总体积（V）之比。 溶隙率：衡量岩石溶隙多少的指标叫溶隙率。

容水性：容水性是指岩石能够容纳一定水量的性能。

持水性：是指重力释水后，岩石能够保持住一定水量的性能。（主要是结合水和部分毛细水） 给水性：饱水岩石在重力作用下，能自由给出一定水量的性能。 透水性：透水性指岩石可以被水透过的性能。

渗透系数：水力坡度为1时，渗透系数在数值上等于渗流速度。渗透系数不仅取决于岩石的性质，而且与渗透液体的物理性质有关。

渗透率：衡量岩石透水性大小的指标称渗透率。与渗透液体的性质无关。 含水层：能透过水并给出相当数量水的岩层。

隔水层：不能透过并不能给水或只能透过与给出极少量水的岩层。

岩石的水理性质：水进入岩石空隙后，岩石空隙所表现出的与地下水的贮存和运移有关的一些物理性质。空隙的大小是影响岩石水理性质的重要因素。

总矿化度：总矿化度表示地下水中含盐量的多少，是表征水矿化程度的指标。它指地下水所含各种离子、分子及化合物的总量。

硬度：由于水中含有Ca2+、Mg2+而具有的性质，水中Fe3+、Al3+也具有硬度。 总硬度：水中含有Ca2+、Mg2+的总量称为总硬度。

溶虑作用：水和岩石相互作用时，岩石中的一部分物质溶于水中的作用。 重力水：岩石空隙全部被充满、在重力作用下运动的液态水成为重力水。 结合水：由于静电引力作用而吸引在岩石颗粒上的水叫结合水。 气态水：即水蒸气，它和空气一起分布于包气带岩石空隙中。

毛细水：由于毛细力的作用而充满岩石毛细空隙中的水成为毛细水。

渗透：地下水在岩石空隙中的运动称为渗透。

渗流：不考虑渗流途径的迂回曲折，不考虑岩层的颗粒骨架，假想地下水充满整个岩石空间并只向整体水流方向流动的水流称为渗流。

渗流速度V：渗流场中单位时间内渗流量Q通过过水断面w的比值。

饱水带：地下水面以下为饱水带，饱水带岩石空隙全部为液态水充满，既有重力也有结合水。 包气带：位于饱水带以上，直接与大气圈接触，为岩石、空气和水的三相系统。 层流：水流质点有秩序的、互不混杂的流动称作层流。 紊流：水流质点无秩序的、互相混杂的流动称作紊流。 稳定流：各运动要素不随时间改变的流动称作稳定流。

水头：渗流场中某一点位臵至基准面的高度Z，称为位臵水头；该点压强的液柱高度，称为压强水头；二者之和称为测压水头。

水力坡度I：水力坡度为沿渗透途径水头损失与相应渗透长度的比值。

流网：地下水中水流的方向总是指向水头变化最大的方向，即等水头线和流线垂直。一系列流线和等水头线组成的网格称为流网。

等水头线：渗流场中水头值相等的点连成的线。 迹线：某一水流点在不同时间内连续运动的轨迹。 流线：在渗场中作一理想的空间几何线，该线上各水流质点在某瞬间的渗透速度矢量均与此线相切，称此线为流线。在稳定流中，流线与迹线重合。

上层滞水：是埋藏在离地表不深，包气带中局部隔水层之上的重力水。

潜水：潜水是埋藏在地表以下，第一个稳定隔水层以上、具有自由水面的重力水。 承压水：埋藏并充满两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水。 岩溶水：赋存于各种岩溶空隙中的地下水便是岩溶水。

矿水：矿水是一种特殊形式的地下水，他一含有特殊的化学性质成分，自由逸出气体，多数情况下具有较高的温度等为特征。

地温梯度：表示地球内部温度不均匀分布的参数。一般埋藏越深的温度值越高，以每百米垂直深度上增加的温度值表示。

基本问题：

一、影响径流强度的因素： 1.含水层的透水性和水力坡度。 2.补给区到排泄区的水头差及距离。

3.与含水系统的构造有关（构造开启程度和断层的导水性） 二、径流强度、居留时间与水质的关系：

地下水在含水层中的居留时间是指地下水自从补给进入含水层中到被排泄出含水层中所经过的时间。地下水的居留时间越长，水和空隙壁岩石作用越充分，地下水的矿化度越高。地下水径流强度越大，居留时间越短，水的矿化度越小。 三、影响地下水动态的因素： 1）气候因素

季节性气候变化对潜水动态影响最为明显，我国降水集中子在夏季，此时，降水补给量增多，空气湿度大，蒸发并不强烈，因此潜水位升高。

随着气压的升高，承压水层中井水位下降，自流泉流量减少，反之亦然。 2）水文因素

地下水位与河水位的脉动基本一致，但前者比后者变化稳定，动态曲线前者相对平滑，后者多为锯齿。

地下水位的变化常常滞后与河水位变化，且变幅小于河水变幅。

河流排泄地下水时，愈接近河流，地下水位变化愈小，远离河流变化愈大。 3）地质因素

地质构造就定了含水层的结构及与大气降水，地表水的联系程度。 岩石的性质决定了含水层的给水性、透水性等水理性质。

地震时地质因素的突发因素，它能引起打下水位、水量、热动态和水化学成分的骤然变化。 4）人为因素

四、动态与均衡的关系：

地下水的动态是均衡的外部表现，而地下水均衡则是地下水动态的内在原因。 五、泉的类别及水文意义：

形成原因：地形受到侵蚀、地下水受阻水位升高、承压含水层有通道与地表相通。 泉按补给水源分类：1、下降泉 2、上升泉

泉按出露成因分类：1、侵蚀泉 2、接触泉 3、溢流泉4、断层泉

泉的水文地质意义：可以通过其确定地下含水层的富水性、水位标高、分布特征、化学特征及动态变化，还有助于判断隐伏地质构造，可以作为供水水源。

六、孔隙大小多少的意义：孔隙多少直接影响其储容地下水的能力，越多储藏量越丰富；孔隙大小影响地下水在孔隙中的运移和循环能力，孔隙越大，地下水运动越通畅。 孔隙大小的影响因素： 1.颗粒大小

2.颗粒的排列方式 3.颗粒的分选程度 4.颗粒的形态

5.颗粒被胶结情况以及矿物成分 七、岩溶发育的基本条件：

1.可溶岩的存在（碳酸盐分布最为广泛，因此成为岩溶研究的主演对象）

2.可溶岩必须是透水的（可溶岩的初始透水性主要取决于它的原生孔隙和次生裂隙） 3.具有侵蚀能力的水（碳酸盐矿物的溶解和沉淀是岩溶发育的最主要因素） 4.水具有流动性（地下径流越强，地下水的侵蚀性越强，地下岩溶的发育越强） 八、岩溶水的运动特征： 1.层流与紊流并存。 2.承压流与无压流并存。 3.统一水流与孤立水流并存。 4.明流与伏流并存。

5.双重介质间双向流的特征。 九、岩溶水按埋藏条件分类：

1.裸露型岩溶水：岩溶化地层广泛出露于地表。 2.覆盖型岩溶水：岩溶含水层之上有松散层覆盖

3.埋藏型岩溶水：岩溶含水层被固结的岩层所覆盖。 十、岩溶水的补给、排泄和动态特征： 1.溶孔溶隙水

①补给仍以缓慢地入渗补给为主，有一定的滞后作用。 ②具有统一的地下水位面及较完整的降落漏斗，具各向同性地下径流以扩散流为主，排泄以大泉集中式排泄为主，动态相对稳定。

③地下水动态常具有多年周期性变化。

④局部可以发育溶孔溶隙及小管道共同组成的强含水段 2.管道流 ①管道流在漏斗、竖井、落水洞、地下暗河入口、封闭洼地中接受集中式迅速的补给，以流入、灌入式补给为主。在管道中快速集中径流，地下暗河口或以大泉形式排泄。 ②流量随降雨量变化，其对降水的响应完全不同于溶孔溶隙水属暴涨暴落式水文型，流量不稳定系数很大。 ③具有不同的测压水头。 ④由管道补给的岩溶泉，泉动态变化明显。 3.溶孔溶隙 ①既有局部快速补给，又有大部分地区沿溶孔溶隙的缓慢下渗。 ②既有管道中的集中流，又有其周围裂隙溶隙中的扩散流。 ③既向排泄区运动，双重介质间也有侧向运动。 十一、潜水的特征：

1.潜水的分布区与补给区是一致的。 2.潜水是无压水。

3.潜水的水量、水位、水质等动态变化与气象因素的关系密切。 4.潜水始终是由高水位向低水位不断地运动。 十二、承压水的特征： 1.承受静水压力。

2.补给与分布区不一致。 3.动态变化不显著。

4.承压水不具有潜水那样的自由水面。 十三、裂隙水的特征：

1.基岩裂隙水的埋藏和分布具有不均一性和一定的方向性。 2.基岩裂隙水的含水层的形态多种多样。 3.明显受到地质因素的控制。 4.水动力条件比较复杂。

5.基岩裂隙水有事表现为无压水和承压水交替出现、层流和紊流同时出现等。 十四、孔隙承压水的特征：

1.隔水层仍有一定透水性，甚至有“天窗”。 2.深度越深，承压性越好。

3.压力水头高，不一定补给充足。 十五、岩溶水的特征：

1.岩溶水分布的不均一性。（指岩溶含水系统中不同块段富水性和水力联系的各向异性） 2.岩溶含水层的含介质特征。 3.岩溶水的运动特征。

4.岩溶水的补给、排泄和动态特征。 5.岩溶水的化学特征。 ①浅部矿化度一般较小，越深矿化度越大。 ②水化学特征与地下水的交替强度密度相关，补给区矿化度较小，深部及排泄区矿化度增大，水质类型也可能转变。 ③随着降雨量和流量变化，岩溶水的化学成分也呈有规律的起伏变化。 ④岩溶水的化学性质随区域的变化有所不同。 ⑤岩溶水易被污染

十六、冲击层的沉积特征：

冲积物是河流沉积的产物，在新生代各种成因类型的沉积中，冲积物常是富水的。

1.河流上游河谷的冲积层：只在枯水期沉积于河弯的凸岸和河谷开阔地，为粗大的卵石、砾石、粗砂，通常无细粒粘土质的覆盖层。 2.河流中游河谷的冲积层： ①河漫滩相沉积：由于洪水期和枯水期都发生沉积，形成了上细下粗的二元结构。 ②牛轭湖相沉积：河流的截弯取直作用，形成牛轭湖沉积，也具有二元结构，但上覆细粒盖层厚度增大，下伏粗粒粒度变小。 3.河流下游平原的冲积层：

①沉积物多为透镜体、条带状，不同沉积体呈现水平交错状。 ②构造运动对河流沉积的影响。 十七、冲击层的富水带：

1.河流上游河谷富水带：河谷砂砾卵石层厚度大、分布宽度广的地段，是富水带。 2.河流中游谷地富水带： ①低阶地相对高阶地富水性较弱，低阶地物别是一阶地的砂砾层是富水带。 ②河流的交汇地段、河流拐弯地段和河谷变宽地段。 ③古河床分布的地段和阶地前缘。 3.河流下游平原富水带：

下游平原是各种沉积物组成的复杂的综合体，富水带主要集中在古河床和近代河床砂砾层中。 十八、各裂隙发育的影响因素： 1.成岩裂隙发育的影响因素： ①地下温度的变化。 ②岩石内部的应力的变化。 2.构造裂隙发育的影响因素： ①岩石性质和岩层组合情况。 ②构造应力的强度与作用方式。 ③岩体受力的外界条件。 3.风化裂隙： ①气候：干冷下，机械破碎为主，有利于导水风化裂隙的形成，湿热时，化学作用为主。 ②岩石的矿物成分、结构和构造对风化裂隙的发育影响很大。 ③地质构造的对风化裂隙的发育影响以断裂构造最为明显。 4.应力释放裂隙：

与地壳岩石所受的应力变化有关。 十九、裂隙水的分类： 1.砂页岩裂隙水 2.红层裂隙水 3.侵入岩裂隙水 4.火山岩裂隙水

二十、裂隙水的影响因素： 1.区域地质构造强度

2.岩石性质和裂隙发育程度以及断裂带的性质 3.侵入体的形态和分布以及围岩性质 4.地貌条件

5.气候和水文条件

6.地下水的补给条件 7.新构造活动程度

二十一、地下水成分形成的作用： ①溶虑作用②浓缩作用③脱碳酸作用④脱硫酸作用⑤阳离子交替吸附作用⑥混合作用⑦人类活动 二十二、下水化学成分的基本成因类型：

1.渗入水：又称溶滤水，是大气降水、地表水或凝结水渗入地下形成的，主要分布在浅层。 2.沉积水：在沉积岩形成过程中或进入岩石中的水叫沉积水。

3.内生水：发生在地壳深部的许多地质作用，如火山喷发作用、岩浆作用和变质作用均有水产生，这些水称为内生水。

二十三、地下水的主要化学性质： ①氧化还原电位 ②总矿化度 ③地下水硬度 ④地下水的侵蚀性⑤地下水的酸碱性 二十四、岩石水理性质的影响因素和各性质之间的关系： 1.容水性与岩石空隙的多少有关。

2.持水性与颗粒的表面积和颗粒大小有关。 3.给水性取决于岩石空隙的大小，其次是多少。 4.透水性：①空隙大小②空隙最小直径③空隙的多少④颗粒的分选性⑤矿物成分⑥结构构造 二十五、岩溶发育不均一性的主要作用：

分异作用：岩溶发育前，可溶岩石中存在着宽度，频数，联通程度各不相同的裂隙。当侵蚀水灾连通性和开启性较好的裂隙中，水流畅通，溶蚀迅速拓宽，初始分异的结果又使水流更加集中，流速更大，进一步拓宽裂隙，当裂隙被改造到一定规模后，水流又曾流变为紊流，就快了管道的扩大形成洞穴，当岩石自重超过强度时，洞顶崩塌扩大了水-岩作用面积，是洞穴扩大规模，发育至地表就形成了竖井或落水井。 二十六、洪积扇的三个带及其特征：

1.冲积扇上部径流带：由厚层砂、砾石组成，地下水埋藏较深，径流条件良好，水质好，为矿化度小于0.5~1g/L，重碳酸钙型水。

2.洪积扇中部溢出带：由粗、细沉积物交错组成，地下水埋藏变浅，径流变弱，富水性降低，浅部常形成沼泽或溢出成泉，矿化度增大到1~2g/L，深部形成承压水，多是矿化度小于 1g/L。

3.洪积扇下部垂直交替带：由细粒沉积亚粘土、黄土状土、亚砂土与细粉砂的互层组成，埋藏加深，径流缓慢，一般是矿化度大于3g/L。

二十七、河流与地下水排泄、补给的关系 二十八、不同岩石不同水理性质不同的原因 二十九、地下水化学成分的研究方法 三十、 渗流与实际流速的关系 三十一、流网及其应用 三十二、达西定律的应用 三十三、均衡法的计算