水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)講義

水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)講義

主講內(nèi)容及學(xué)時分配

（講課學(xué)時：38學(xué)時）

第0章緒言2學(xué)時

第1章自然界的水循環(huán)2學(xué)時

第2章地下水的賦存6學(xué)時

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第3早地下水運動的基本規(guī)律6學(xué)時

第4章地下水的化學(xué)成分及其形成作用4學(xué)時

弟5早地下水的補給、排泄與徑流4學(xué)時

弟0早地下水的動態(tài)與均衡4學(xué)時

第7章孔隙水2學(xué)時

第8章裂隙水2學(xué)時

第9章巖溶水2學(xué)時

第10章特殊類型地下水2學(xué)時

第11章地下水資源分析及其開發(fā)管理1學(xué)時

第12章地下水調(diào)查概要1學(xué)時

教材：《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》，章至潔，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

參考教材：

緒論

§0.1地球上的水與水資源

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%

?地下水占淡水資源的30%

我國各省人均淡水資源

一、利用自然資源有兩種方式:

1.不可再生資源:

如果某種資源的存量大到足以保證上百年的需要，而且在資源耗竭以后,

可以開發(fā)替代資源。

礦產(chǎn)資源是典型的不可再生資源

2.可再生資源：

如果某種資源的再生速率高于人們的消費速率，就可以保證永續(xù)利用。

可再生資源是永遠不會耗竭的

------------淡水資源的主體是可再生的

二、地球上的水與水資源的重要性

1.水——自然界存在，自然屬性

?不斷循環(huán)運動

?良好的溶劑，重要載體

?水具有能量

2.水——人類生存、社會經(jīng)濟發(fā)展不可或缺，社會屬性

?生命之源，是地球系統(tǒng)的“血液”

?旱災(zāi)、水災(zāi)、水污染，對人類發(fā)展不協(xié)調(diào)

?水資源可再生，但水資源有價值（價值規(guī)律）

?水資源管理不當，成為社會不穩(wěn)定因素之一

三、地球上的水與水資源：我國水資源概括

＞中國的大氣降水與水資源分帶

＞中國的人口密度與分省人均淡水資源

我國是世界上最缺水的13個國家之一

人均水資源占有量僅為世界平均值的1/4

§0.2地下水的功能（作用）

■概念：水文地質(zhì)學(xué)簡言之——研究地下水的科學(xué)

＞水對人類生活與生產(chǎn)起著不可或缺的重大影響

＞地下水是水資源組成部分

＞其主要功能(functions)為：

1、地下水是一種寶貴的資源(resource)

2、地下水是極其重要的生態(tài)環(huán)境因子

3、地下水是一種很活躍的地質(zhì)營力

4、地下水是地球內(nèi)部地質(zhì)演變的信息載體

一、地下水是一種寶貴的資源

1.供水水源——

優(yōu)點：分布廣，動態(tài)變小，潔凈，不易污染

據(jù)報道：陸地一半為干旱、半干旱地區(qū)1/3耕地，2/3牧區(qū)水源不足

城市供水不足，近來更有增加趨勢

世界上，阿拉伯國家-進口雨水，中東的長期摩擦一是石油，二是水

80年代以來，我國城市缺水總體也愈來愈嚴重，很顯然：水資源的欠

缺嚴重制約著國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。全國60%的耕地全部或部分使用地下水

灌溉，全國95%以上的農(nóng)村飲用地下水。

2.液體礦產(chǎn)(liquidmining)

＞地下水高含鹽類或稀有元素，開發(fā)提煉具有工業(yè)開采價值

------如四川自貢，三疊紀巖層中的鹵水，每升達300g之多。

＞醫(yī)療或健身功能的礦泉水(Naturalmineralwater)

------療養(yǎng)院，天然礦泉水廠，啤酒廠等一尋找特殊功能的水資源

＞開發(fā)提取一定的能量(熱能，冷能)地下水

1)地下水的露頭——泉井，往往具有冬暖夏涼的特點，地球淺層

是常溫帶一保溫作用，起到“冬灌夏用，夏灌冬用”

2）地球是個天然熱庫—可以供熱，供取暖等用處

二、地下水是極其重要的生態(tài)環(huán)境因子

------地下水是影響生態(tài)與環(huán)境的重要因素之一

1.地下水的變化往往會打破原有的生態(tài)平衡，使環(huán)境發(fā)生變化—即可

以有益，也可以是有害的

2.有害的例子：農(nóng)業(yè)用水不當?shù)拇紊}漬化、不統(tǒng)一開采，河西走廓的

民勤縣，綠州變沙漠、過量開采地下水——地面沉降（上海、天津）、海水

入侵，地面塌陷，地下水污染等

3.地下水與其周圍的環(huán)境，人、水、熱、動是個相互依存的有著內(nèi)在聯(lián)

系的生物生存鏈，打破一個環(huán)節(jié)就會引起或正或負的反饋（報復(fù)）

>地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問題：沙化荒漠化加重

>地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問題：上海地面沉降

>地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問題：地下水污染

三、地下水是一種很活躍的地質(zhì)營力

----------地殼內(nèi)能量、熱量的傳輸者

>1.傳遞應(yīng)力：水為誘發(fā)地震，地質(zhì)災(zāi)害是地下水作用

>2.人工地震預(yù)報---觀測地下水

>3.地球是個天然熱庫——在地質(zhì)循環(huán)和水文循環(huán)中傳輸?shù)貧?nèi)部的能

（熱）量的傳輸者

四、地下水是地球內(nèi)部地質(zhì)演變的信息載體

--------地下水是（地球內(nèi)部地質(zhì)演變的）信息載體

>1.由于是應(yīng)力傳遞者，同時又是在流動——

所以地下水水位，水量，水溫，水化學(xué)等的變化或異常可以提供埋藏在

地下的許多信息.

>2.強的溶劑：

在地質(zhì)循環(huán)和水文循環(huán)中化學(xué)組分溶解，傳遞到適宜的部位沉淀（沉積）：

成礦如找礦、找油、地震預(yù)報、地質(zhì)演變.

§0.3水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展與趨勢

一、發(fā)展階段：

四個時期：1856年以前的萌芽時期——1856年至本世紀中葉的

奠基時期——20世紀中葉至今的發(fā)展時期——21世紀的轉(zhuǎn)變時期

>1.萌芽時期：由逐水而居到鑿井取水------大轉(zhuǎn)折

>2.奠基時期：1856年，達西定律一地下水定量計算——奠定了水文

地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)

>3.發(fā)展階段：二次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)后，科學(xué)技術(shù)推動生產(chǎn)力迅猛發(fā)展以

及人口的急劇增長

1）泰斯非穩(wěn)定流理論提出，對地下水資源量的認識一革命

2）計算機技術(shù)的發(fā)展，在地下水模擬、規(guī)劃管理等推進

>4.轉(zhuǎn)變時期：核心內(nèi)容的轉(zhuǎn)變，可持續(xù)發(fā)展觀的提出

------------水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展正向“地下水科學(xué)”的轉(zhuǎn)變——發(fā)展趨勢。

二、水文地質(zhì)學(xué)的趨勢一簡況

趨勢：

>1.核心課題轉(zhuǎn)移：找水水文地質(zhì)學(xué)一資源…一生態(tài)環(huán)境…

>2.視野擴展：含水層一地下水系統(tǒng)一水文-生態(tài)環(huán)境-技術(shù)-社會系

統(tǒng)。

>3.目標改變：由當前的問題轉(zhuǎn)向長期的可持續(xù)發(fā)展…

>4.內(nèi)容擴展：從地下水的水量為主，轉(zhuǎn)向水量與水質(zhì)的研究并重；

從狹義地下水，擴大到廣義地下水，乃至地下水圈…

>5.思路的改變：從成生角度，加強過程與機理研究…

>6.多學(xué)科交叉滲透成為主流：地下水科學(xué)與其它自然科學(xué)以及社會

科學(xué)交叉滲透，以多學(xué)科方式研究與處理問題

>7.服務(wù)方式轉(zhuǎn)變：…方式發(fā)生了很大改變，如何使水文地質(zhì)工作成

果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，成為一個急需解決的重大課題。

三、水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展與趨勢一任務(wù)

1.目前任務(wù)：

>1.正確地預(yù)測在人類活動干預(yù)下地下水的變化

>2.正確地評價、開發(fā)、管理與保護地下水資源

>3.保護與地下水有關(guān)的生態(tài)環(huán)境，成為當務(wù)之急

>4.正確地預(yù)測礦產(chǎn)開發(fā)的地下水問題，避免地下水害

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§0.4課程內(nèi)容

本課主要內(nèi)容：

一、水文地質(zhì)學(xué)基本概念

概念、名詞與術(shù)語

二、水文地質(zhì)學(xué)基本原理

地下水形成基本規(guī)律——賦存、分布、運動

三、地下水科學(xué)的分析方法

>微觀——以概念為基礎(chǔ)的分析方法

＞宏觀——地下水系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的綜合分析

四、應(yīng)用分析—概念與原理的掌握

思考題：

1、為什么說“水資源”是可再生的資源？

2、為什么說“水資源”既有自然屬性，又有社會屬性

第一章自然界中的水循環(huán)

§1.1水循環(huán)

>地球上各部位、各層圈都存在著水，各部位的水是相互聯(lián)系、相互

轉(zhuǎn)化的整體也稱為水圈—水系統(tǒng)

>自然界的水循環(huán)——

一、各部位水的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化關(guān)系

>水循環(huán)分為：地質(zhì)循環(huán)，水文循環(huán)

>本章重點討論水文循環(huán)

地質(zhì)循環(huán)與水文循環(huán)關(guān)系示意圖

（據(jù)阿勃拉莫夫）

§1.2水文循環(huán)

1.定義一

水文循環(huán)示意圖——環(huán)節(jié)或要素

2.水文循環(huán)的劃分

（1）循環(huán)路徑不同：

大循環(huán)（海-陸）與小循環(huán)（海-海，陸-陸）

(2)時空尺度不同：

全球水文循環(huán)，流域水文循環(huán)，水-土-生系統(tǒng)水文循環(huán)

3.水文循環(huán)的運動規(guī)律

(1)海洋的蒸發(fā)量大于降水量

(2)陸地的降水量大于蒸發(fā)量

(3)大陸輸入水汽量與輸出水量基本平衡

水文循環(huán)尺度——全球、流域(區(qū)域)、水-土-生

思考：水文循環(huán)發(fā)生的動力條件是什么？

§1.3水量平衡(Waterbalance)

一、通用水量平衡方程

1.水文學(xué)(水文地質(zhì)學(xué))研究的基本原理

物質(zhì)不滅(質(zhì)量)、能量守恒定律為基本原理

2.通用水量平衡方程：區(qū)域一段一要素

I=0+(Wl—W2)=0+AW

其中，I：時段內(nèi)輸入?yún)^(qū)域的各種水量之和

0:時段內(nèi)輸出區(qū)域的各種水量之和

△W=W1-W2：區(qū)域內(nèi)時段始末的儲水量

不同區(qū)域、不同研究對象可以寫出具體的水量平衡方程式

二、我國的水量平衡

河流流域面積降水量徑流量蒸發(fā)量

II中國水系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

域總計63.76896403.4492.6

內(nèi)流河域36.2416433.8130.2

全國合計100629269.5359.5

中國水系

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太平洋流域

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§1.4水文循環(huán)的作用

一、水文循環(huán)的作用:

通過循環(huán)一水的質(zhì)量得以凈化、水的數(shù)量得以再生水資源不斷更新與再

生，可以保證在其再生速度水平上的永續(xù)利用——也是可持續(xù)發(fā)展保證。

§1.5影響水文循環(huán)的因素一自學(xué)

?1.氣象因素

?2.自然地理條件

?3.人類活動等

結(jié)果：有利于蒸發(fā)，不利于徑流，促進內(nèi)陸水文循環(huán)

思考題

?1.水文循環(huán)的內(nèi)、外因是什么？

?2.為什么稱水資源為可再生資源，可再生的水資源是，取之不盡

的嗎？

?4.舉例說明人類活動對“水文循環(huán)”產(chǎn)生的影響。

?5.研究一個地區(qū)水量平衡有何意義？

第二章地下水的賦存

§2.1巖石中的空隙

基本概念：

1.巖石一一水文地質(zhì)學(xué)中指堅硬的巖石及松散的土層

2.空隙——巖、土中各種類型的空洞的總稱

空隙一是地下水賦存場所(places)和運移通道(conduits)

空隙分為

(1).孔隙(pore)一unconsolidatedsoil一(第四紀地質(zhì)學(xué))

(2).裂隙(fissure)—hardrock(構(gòu)造地質(zhì)學(xué))

(3).溶穴(cavity)—dissolublerock一(巖溶地貌學(xué))

《工程地質(zhì)學(xué)》是從土層的物理力學(xué)指標(性能)來討論，如土的壓縮性

或強度變形。

一、孔隙(pore,void)

土體孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與分布。松散土體

宏觀上可以分為2大類：砂性土與粘性土類

1、砂礫石孔隙大小及其影響因素

v試樣a—礫石(模型)，試樣b一砂土樣品，試樣c一砂礫混合樣品

有關(guān)?

＞簡單歸納-一砂礫石土孔隙大小與什么有關(guān)？

顆粒大小、排列——立方體或四面體、分選、膠結(jié)與充填等

＞孔隙大小特征的描述：

孔喉(d)d=0.414D

孔腹(d‘)d'=0.732D

(上述為：立方體排列的理想等徑園球顆粒)

2.砂礫石的孔隙度(porosity)及其影響因素

孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標

(1).定義：某一體積巖石(包括顆粒骨架與空隙在內(nèi))中孔隙體積所

占的比例。通常用n表示

V

〃=——X100%

VI

＞?問：孔隙度的大小與什么有關(guān)？——與顆粒大小有關(guān)？

a.與排列有關(guān)——緊密與疏松

理想最疏松孔隙為47.64%,最緊密排列孔隙為25.95%。

b.與分選有關(guān)——下面試樣哪個孔隙度大？哪個?。?/p>

試樣：①礫石；②砂石；③混合樣

完全混合試樣時一，孔隙度n混=n礫Xn砂(請自己推導(dǎo)證明)

＞影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。

＞自然界中松散巖石的孔隙度：

表2—1松散巖石孔隙度參考數(shù)值

巖石名稱礫石砂粉砂粘土

孔隙度25-40%25-50%35-50%40-70%

＞矛盾之一：與粒徑的關(guān)系不是愈大則愈大？

＞矛盾之二：孔隙度超過最疏松排列的47.64%—達到70%

2.粘性土的孔隙度(porosity)及其影響因素

(1)粘土顆粒

＞粘性土是指土體顆粒V0.0051nm的直徑

＞粘性土由于顆粒細小，比表面積大，連結(jié)力強

＞粘粒在懸浮推移互相接觸時，就會連結(jié)起來形成粘粒團”

＞細小粘粒集合(團)構(gòu)成(稱為)顆粒集合體。

＞集合體與集合體結(jié)合構(gòu)成粘性土的沉積結(jié)構(gòu)特征

(2)粘土孔隙

粘性土如同海綿、峰窩或絮狀結(jié)構(gòu)

＞結(jié)構(gòu)孔隙——集合體與集合體、粘粒與粘粒之間

＞次生孔隙——蟲孔、根系孔、裂隙裂痕等

二、裂隙

1.裂隙的概念(fissurefracture)

固結(jié)的堅硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙，而存在有各種內(nèi)外力作

用下產(chǎn)生的裂縫（縫隙）：風化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙

2.空間形態(tài)是兩向延伸長，橫向延伸短的“餅狀”空隙，單個裂隙是孤

立的

3.裂隙巖體：從水的賦存與運移角度來看，裂隙的描述包括：

1）裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長度和密度）

2）張開性（裂隙寬度）

3）裂隙率等

三、溶穴（solutioncavity）cavern

1.在裂隙基礎(chǔ)，水流對可溶巖進一步作用的結(jié)果——是擴大了的裂隙溶

穴：溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等

2.巖溶巖體：要描述裂隙特征及巖溶發(fā)育特征（裂隙+溶洞）

1）巖溶發(fā)育方向

2）溶蝕率一鉆孔巖溶發(fā)育程度

3）溶洞（方向、規(guī)模等）

四、空隙特征的對比

空隙特征的比較

1.含水介質(zhì)——由各類空隙所構(gòu)成的巖石稱為含水介質(zhì)，也稱為介質(zhì)場。

含水介質(zhì)的空間分布與連通特征（孔隙含水介質(zhì)、裂隙含水介質(zhì)、溶質(zhì)

含水介質(zhì)）是不同的，三種主要類型的含水介質(zhì)比較：

＞連通性一孔隙介質(zhì)最好，其它較差

＞空間分布一孔隙介質(zhì)分布最均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻

孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊

＞空隙比率一孔隙介質(zhì)最大，裂隙最小

＞空隙滲透性一孔隙介質(zhì)-各向同性，裂隙與溶穴-各向異性造成

空隙介質(zhì)上述差異的主要原因：沉積物形成和空隙形成的環(huán)境

思考題：

1.什么叫孔隙度？孔隙度大與孔隙大有區(qū)別嗎？

2.堅硬的花崗巖、砂巖、灰?guī)r的空隙特征有何異同點？(可以通過查閱

資料和文獻回答)

3.試總結(jié)砂礫類土體的孔隙形狀特點

§2.2巖石空隙中水的存在形式

＞存在形式：氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)

設(shè)想實驗：材料(玻璃珠子、細管)+水(水杯)

(1)2個玻璃珠子之間滴上兒滴水，接觸部位就會有所殘留水

(2)在飽水試樣中取1顆和2個顆粒，顆粒和顆?？紫堕g的水？

(3)將玻璃細管插入水中，取出，管中殘留水？

通過上述3例及圖示一空隙中水的存在形式：

結(jié)合水----(absorbedwater,boundwater)

重力水----(gravitationalwater;bulkwater)

毛細水----(capillarywater)

一、結(jié)合水(absorbedwater,boundwater)

1.定義

附著于固體表面，在自身重力下不能運動的水即結(jié)合水具有一定的抗

剪強度

?抗剪強度的產(chǎn)生與大小與什么有關(guān)

表面引力T艮從庫侖定律，隨固體表面的距離加大而減弱

（1）性質(zhì)：

結(jié)合水具有固態(tài)和液態(tài)水的雙重性質(zhì)；即自身重力作用下不能運動，在

外力作用下能夠移動（運動）及變形

（2）意義：

只要有固相表面就存在結(jié)合水，存在范圍廣，其量很小（結(jié)合水膜很?。?，

當孔隙直徑小于2倍結(jié)合水膜厚度時，孔隙中只含有不能自由運動的結(jié)合水

（又稱無效空間）

2.強結(jié)合水和弱結(jié)合水

（1）強結(jié)合水（吸著水）：厚度：兒個水分子或兒百個水分子，受到的

引力：1萬個大氣壓。

（2）弱結(jié)合水（薄膜水）：厚度：兒十、兒百或兒千個水分子厚度。

二、重力水

重力水（gravitationalwater;bulkwater）

遠離固相表面，水分子受固相表面吸引力的影響極其微弱，主要受重力

影響。重力影響下可以自由運動

?無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

液態(tài)水的特征

?地層內(nèi)巖石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通過泉，或井流出（抽

出）

?重力水是水文地質(zhì)學(xué)研究的主要對象，也是勘察的主要對象

三、毛細水

毛細水（capillarywater）

1、基本概念

?毛細現(xiàn)象：

①根據(jù)細小管插入水中，水上升至一定高度停下來

?毛細力：

毛細水：受到表面吸引力，重力，還有另一種力一稱毛細力的作用，產(chǎn)

生毛細現(xiàn)象。

(1)毛細力的產(chǎn)生：

是在三相界面上內(nèi)彎液面引起——液面彎曲產(chǎn)生的

(2)毛細力的方向：作用方向始終指向彎曲液面的凹側(cè)

?凹凸彎液而是指相對于液相一側(cè)而言的

?凹形彎液面一負的毛細壓強(negative)-一如同真空吸力

?凸形彎液面一正的毛細壓強(positive)

(3)毛細力的大?。?/p>

毛細力大小與彎液面的曲率成正比(曲率大，毛細力大；曲率小，毛細力

小)。一根毛細管子，管徑越小，毛細力越大；反之亦然

毛細力大，毛細上升高度也越大。

2、毛細水的存在形式(statesforms)

在巖石空隙中，毛細水的存在形式可分為三種：

(1)支持毛細水(supportingcapillarywater)

在地下水面支持下存在的(附著水面上的)，隨地下水升降而升降。上

升高度與水面上部的巖石孔隙性質(zhì)有關(guān)

(2)懸掛毛細水(suspensioncapillarywater)

脫離水面，巖石細小孔隙中保留的水分，稱為懸掛毛細水。上粗下細或

上細下粗砂礫試樣的例子。？懸掛毛細水的高度

思考：一個等徑園管，如果支持毛細水高度為懸掛毛細水高度？

(3)孔角毛細水(觸點毛細水)(cornerwater,contiguitywater?)

孔角毛細水與懸掛毛細水是不同—？

懸掛毛細水似串珠狀且連續(xù)分布的，孔角毛細水是孤立的

§2.3巖石的水理性質(zhì)

巖石(包括骨架與空隙在內(nèi)的總稱)

水理性質(zhì)：就水文地質(zhì)學(xué)主要涉及是與水分儲容、釋出與運移有關(guān)的性

質(zhì)包括：

一、容水度和孔隙度(porosity)(反映巖石最大含水能力)

孔隙度——n;容水度——nr?兩者有何關(guān)系

■巖石完全飽水時，所能容納的最大水體積與巖石總體積之比

二、含水量(watercontent)_w

■巖石樣實際保留水分的狀況，(是某巖樣某時的含水狀態(tài))又稱巖石

的天然含水量

1.重量含水量：松散巖石中孔隙中所含水的重量與干燥巖石重量的比

值。

2.體積含水量：含水的體積與包含孔隙在內(nèi)的巖石體積的比值。

3.飽和差：巖石容水度和體積含水量之間的差值。

4.飽和度：體積含水量與容水度之比成為飽和度。

三、持水度(specificretention)_Sr

巖石的持水能力——最大保持水分的能力

■飽水巖石在重力作用下釋水后，巖石中保持的水的體積與巖石總體積

之比

四、給水度

1、定義：

當?shù)叵滤幌陆狄粋€單位高度時，單位水平面積巖石柱體，在重力作用

下釋放出來的水體積，稱為給水度。

V

u=―x100%

V總

當水位下降一個單位，土層孔隙中是否所有的水都流出來？

在土層中會保留什么形式的水？

結(jié)合水（膜），孔角毛細水，有時懸掛毛細水與支持毛細水

2.影響因素：

（1）巖性：空隙大的巖石，給水度大

?礫>粗砂>…>粉砂——（與粒徑有關(guān)）

?0顆粒細小者，比表面積大，結(jié)合水與孔角毛細水殘留多

（2）地下水位初始埋深（H0）

?0當?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谥С置毸畮Ц叨葧rHO>>he,可

達最大R值

?H0<<he時，地下水位下降1個高度時，原重力水大多轉(zhuǎn)化為

支持毛細水，土層給水量大大降低，R變小。

?土層含水量曲線分析：當水位埋深足夠大時，土層給水度不發(fā)

生變化（為定值），此時給水度一也是最大理論給水度

（3）與地下水位下降速度有關(guān)

地下水位下降快慢會影響到口的大小—（下降快U<U理、下降慢11

一u理），這是因為釋水滯后，而導(dǎo)致的釋水減量

（4）土層結(jié)構(gòu)

?巖土層為層狀非均質(zhì)土?xí)r，往往會影響R值，

?多層狀土的特征而言，上粗下細，上細下粗結(jié)構(gòu)影響是不同的。

五、透水性（permeabiIity）----（先自學(xué)一下）

?反映巖土透過水的能力

?后續(xù)講“地下水的運動”時再討論

?巖石空隙直徑越大一透水能力越強一透水性越好!

§2.4包氣帶與飽水帶

一、包氣帶與飽水帶的劃分

地下水面（水位）：地下一定深度巖石中的空隙被重力水所充滿，形成

一個自由水面，以海拔高度表示稱之地下水位（一般通過打井，地下開挖來

確定）

包

包

中間帶氣

氣

帶

帶

與

飽毛細水帶

水

地下水面一地下水位

帶

飽

水

帶

——

二、包氣帶

包氣帶(zoneofaerationorzoneofunsaturation)

1.特點：①巖石空隙未被水充滿

②是固、液、氣三相介質(zhì)并存介質(zhì)

2.水的存在形式（多樣）

結(jié)合水、毛細水（各種）、重力水、氣態(tài)水

3.包氣帶水的垂直分帶

土壤水帶，

中間帶（過渡帶）

支持毛細水帶，毛細飽和水帶

包氣帶是飽水帶中地下水參與水文循環(huán)的一個重要通道；“重力水”通

過包氣帶獲得降水、地表水的入滲補給（補充），部分水又通過包氣帶將水

分傳輸，蒸發(fā)，消耗出去。

三、飽水帶

飽水帶（saturationzone）

1.巖石空隙被水完全充滿一是二相介質(zhì)（固相+液相水）

2.空隙中水的存在形式：

①重力水；②結(jié)合水

?重力水：連續(xù)分布（孔隙是連通）一傳遞壓力一在水頭差作用

下，地下水（空隙中的水）可以連續(xù)運動。

?地下開挖，坑道，巷道，基坑，打井在此帶均有重力水涌出來!

§2.5含水層和隔水層

一、基本概念

飽水巖層中，根據(jù)巖層給水與透水能力而進行的劃分

1.含水層（Aquifer）：

是能夠透過并給出相當數(shù)量水的巖層一各類砂土，砂巖等

2.隔水層(Aquifuge)：

不能透過與給出水或透過與給出的水量微不足道的巖層——裂隙不發(fā)

育的基巖、頁巖、板巖、粘土(致密)

3.弱透水層(Aquitard)：

滲透性很差，給出的水量微不足道，但在較大水力梯度作用下，具有

一定的透水能力的巖層—各種粘土，泥質(zhì)粉砂巖

二、概念的相對性

定義中的模糊概念一“相當水量，微不足道，較大水力梯度”等

嚴格的“是與非”的邏輯思維，在很多情況下是相對的和模糊的概念相對性

的意義：

1.從實際應(yīng)用角度來看劃分的相對的性——相當水量滿足需要就可以

了。如在某處一口井出水量80m3/d,作為1萬人的供水，非含水層；作為飲料

廠、裝瓶生產(chǎn)則為含水層。又如一個小泉水流量0.11/sg8.6m3/d,大廠——

非，村用——是。

2.從理論意義來看——微不足道

微不足道，有時空尺度的制約

三、含水系統(tǒng)

含水系統(tǒng)一Groundwateraquifersystem

1.地下水含水系統(tǒng)：是指由隔水或相對隔水巖層圈閉的，具有統(tǒng)一水力

聯(lián)系的含水巖系

2.含水系統(tǒng)：包含多個含水層和弱透水層，或局部隔水層

3.含水系統(tǒng)：可以進行子系統(tǒng)劃分

4.含水系統(tǒng)的定義是從大的空間尺度研究含水層、隔水層、與弱透水層

的組合關(guān)系，是從地質(zhì)成因角度對巖層的水文地質(zhì)特征進行劃分的分析方法

（或給出的概念）

§2.6地下水的分類

1.廣義地下水：地表以下巖石空隙中的水（包氣帶、飽水帶中的水）

2.狹義地下水：地表以下飽水帶巖層空隙中的水一重力水

3.地下水分類：

主要依據(jù)——含水介質(zhì)的類型（賦存空間）

埋藏條件（賦存部位）

v表3-1含水介質(zhì)三類，埋藏三分，組合共分為9類

孔隙水裂隙水巖溶水

包氣帶上層滯水上層滯水上層滯水

潛水孔隙潛水裂隙潛水巖溶潛水

承壓水孔隙承壓水裂隙承壓水巖溶承壓水

4.地下水分類

§2.7潛水與承壓水及上層滯水

一、潛水與潛水含水層

1.潛水與潛水含水層概念

(1)潛水:

地表以下，第一個具有自由表面的穩(wěn)定含水層中的水。

?自由表面——即設(shè)有隔水層限制，與大氣直接相通，除大氣壓強外

不受其它力。

?穩(wěn)定——具有一定的空間連續(xù)性(范圍)以示區(qū)分上層滯水

(2)潛水含水層

--賦存潛水的巖層

屋建筑時的基坑排水，大堤堤角處的散浸滲漏(潛水)

2.潛水面(watertable)

[1]潛水位(waterlevel)

[2]潛水含水層-

[3]含水層厚度-

[4]潛水埋深-

1-潛水含水層2-隔水層3,4潛水面潛水位M-含水層厚度

D-潛水埋深5-大氣降水入滲6-蒸發(fā)7-流向8-泉

潛水與潛水含水層

3、主要特征

[1]補給（來源）：降水入滲，河湖入滲

[2]排泄（匯）：泉,（河）泄流,蒸發(fā)

補給或排泄通過含水層厚度變化而儲水與釋水！

[3]動態(tài)：受氣象，水文因素影響明顯，變化快（水量、水位季節(jié)性

變化），受人為因素影響也顯著，易污染

[4]水循環(huán)交替迅速：水循環(huán)周期短，更新恢復(fù)快

[5]潛水研究基本方法一繪制潛水等水位線圖一獲取信息-資料的手

段——調(diào)查、勘探，分析

二、承壓水與承壓含水層

1.承壓水定義

充滿于2個隔水層（或弱透水層）之間的含水層中的水，稱之。

2.基本要素與特征

（1）基本要素

①承壓含水層；②隔水頂板；③隔水底板；④承壓含水層厚度（M）；

⑤埋深（D）；⑥測壓水位線（面）：測壓水位線的連線（面）一此線

是虛擬的（如圖有壓管）；⑦承壓水頭（H）；⑧補給區(qū)；⑨承壓區(qū)；⑩排

泄區(qū)；（11）自溢區(qū)一測壓水位線與地形等高線的交點連接區(qū)。

（2）特征:

?補給與排泄

有限區(qū)域與外界聯(lián)系，水循環(huán)遲緩些，水交替慢，平均滯留時間長（年

齡老或長）恢復(fù)性差，水化學(xué)變化較大，礦化度一般要高點，可以保留

“古老”的水

?動態(tài)

要穩(wěn)定些，如果分布面積大，厚度穩(wěn)定一則調(diào)節(jié)能力很強

■問題？承壓含水層的變化：在儲水與釋水時，含水層厚度

是不變的，承壓含水層的儲水與釋水是如何進行的？！

（3）承壓含水層的儲水與釋水

?彈性給水度ue

承壓含水層中當測壓水位下降（或上升）1個單位，單位水平面積含水層較

體所釋放（或儲存）的水量

?測壓水位降低導(dǎo)致

1）含水層孔隙中水的壓力降低一水體積膨脹釋水，水的膨脹系數(shù)約為

1/20000

2）孔隙水壓力降低，巖層顆粒間承受壓力增加一骨架被壓縮顆粒不變一

骨架壓縮=空隙體積減?。ㄅ帕懈淖儯?-----發(fā)生釋水（擠出來）水

V這兩部分水很有限，所以Ue很??；與重力給水度Rd相比要小101-103

?承壓含水層的彈性給水度

從理論上來看：

?彈性給水度是可以恢復(fù)的

?實際上彈性是有限恢復(fù)的

?越過含水層彈性范圍（限定），將產(chǎn)生一次性的變形一即永久

性不可恢復(fù)的變形

?最終導(dǎo)致含水層的彈性給水與釋水能力降低

三、潛水與承壓水的相互轉(zhuǎn)化

?在自然或?qū)嶋H條件下，潛水與承壓水的劃分也是相對的

?在復(fù)雜條件下，很難將某些含水層中的水劃定為潛水或承壓水

V幾個例子：

?山區(qū)基巖互層

?一個較厚的含水層

?一個封閉的含水層一潛水?

■開采前一潛水含水層

■開采后一承壓含水層

學(xué)習(xí)提示：

?前第一、二、三章，是水文地質(zhì)學(xué)中常用的基本概念和術(shù)語，要求掌

握

?V后幾章將著重介紹一些基本理論與方法

第四章地下水運動的規(guī)律

§4.1重力水的運動

一、基本概念：

1、滲透與滲流：

1）滲透：地下水在巖石空隙中的運動稱為滲透（或滲流）。

特點：（1）曲折復(fù)雜的水流通道；

（2）遲緩的水流（由于所受到的摩擦阻力較大，所以運動遲緩，通常用

每日（晝夜）多少米來計算其流通量。）

實質(zhì)：用充滿含水層中的假想水流來代替僅僅在巖石空隙中運動的真

正水流。其條件是：

（1）假想水流通過任意斷面的流量必須等于真正水流通過同一斷面的流

量；

（2）假想水流在任意斷面的水頭必須等于真正水流在同一斷面的水頭；

（3）假想水流通過巖石所受到的阻力必須等于真正水流所受到的阻力。

2、層流與紊流：

1）層流：在巖層空隙中滲流時，水的質(zhì)點有秩序的、互不混雜的流動。

在具有狹小空隙的巖石中流動時一，重力水受介質(zhì)的吸引力較大，水的質(zhì)點排

列較有秩序。

2）紊流：在巖層空隙中滲流時，水的質(zhì)點無秩序地、相互混雜的流動。

3、穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流

?穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流：水在滲流場中運動，各個運動要素（水位、流速、

流向）不隨時間改變時，稱為穩(wěn)定流。運動要素隨時間變化的水流運

動，稱為非穩(wěn)定流。

4、地下水的運動的空間變化類型:

1）線狀流：滲流場中任一點的速度變化只與空間坐標的一個方向有關(guān)

時的水流。

2）平面流：滲流場中任一點的速度變化只與空間坐標的兩個方向有關(guān)

時的水流。

3）空間流：滲流場中任一點的速度變化只與空間坐標的三個方向有關(guān)

時的水流。

水力學(xué)研究水在管、渠一明流

-多孔介質(zhì)，空隙細小，水流很緩慢——滲流

?從流態(tài)來看一地下水多為層流（除巖溶管道外）

層流----紊流

?側(cè)重穩(wěn)定流——（不討論非穩(wěn)定流）

二達西定律（Darcy'slaw）達西定律一線性滲透定律（linearlaw）

法國水力學(xué)家，1856年（以實驗為基礎(chǔ)研究時期）

通過大量的室內(nèi)實驗得出的

1、實驗條件：裝置圖一

1）等徑圓筒裝入均勻砂樣（uniformsand）,斷面為①

2）上（下）各置一個穩(wěn)定的溢水裝置——保持穩(wěn)定水流

3）實驗時上端進水，下端出水——示意流線

4）砂筒中安裝了2個測壓管

5）下端測出水量（outflow）—Q

2）滲透流速

根據(jù)水力學(xué)流速與流量的關(guān)系

Q=coy

于是：y=K/滲透流速等于滲透系數(shù)與水力坡度的乘積。Y與I的一次

方成正比。

在實際的水流中,水力坡度在各處不同

—K也

dl

2達西定律討論

1）滲透流速（V）與過水斷面（3）

Q-K1=3V

v過水斷面與水力學(xué)中的水流過斷面是否一致？否

＞過水斷面——3,假想的斷面

＞實際孔隙斷面——3n孔隙度

＞實際水流斷面——3ne有效孔隙度

Q/?=V比照水力學(xué)，

實際流速尸Q/3'

＞關(guān)系：地下水滲透流速片㈤e

＞滲透流速匕是假設(shè)水流通過整個巖層斷面（骨架+空隙）時所具有的虛擬

的平均流速。

＞意義：研究水量時，只考慮水流通過的總量與平均流速，而不去追蹤實際

水質(zhì)點的運移軌跡——簡化的研究

過水斷面（3）實際過斷面（3'）

2）水力梯度

水力梯度（/）（hydraulicgradient）

＞a）概念：水力學(xué)中水力坡度（J）:單位距離上的水頭損失

＞是沿滲流途徑上的水頭損失與相應(yīng)的滲流長度之比

,H「H,AHh

1——

L-LL

＞B）物理涵義上來看I：代表著滲流過程中，機械能的損失率，由水力學(xué)中

水頭的概念加以分析：

＞0任意點的水頭表達式

H=Z+2+

-2g

總水頭測壓水頭速度水頭

機械能勢能動能

其原因是u2/2g很小而忽略:

>D）在地下水滲流研究中常：

總水頭》測壓水頭愈是習(xí)慣用法）

我們?nèi)匀挥谩?!=H1-H2代表該程L1—2上的總水頭損失，

I一則為總能量損失率

>E）滲流過程中總機械能的損耗原因（與水力學(xué)相近）

1）流體的粘滯性引起的——內(nèi)摩擦阻力（分子間）

2）固體顆粒表面對水流的反作用力

>F）從達西公式：夕=必來看：

當I增大時,V也愈大;

即流速V愈大，單位滲流途徑上損失的能量也愈大;反過來，水力梯度I

愈大時，驅(qū)動水流運動與速度也愈大

注意：水頭損失一定要與滲流途徑相對應(yīng)

3滲透系數(shù)

在有些教科書中也稱為水力傳導(dǎo)率

1）定義：水力梯度為I=1時的滲透流速（V=KI）

具有速度量綱L2T-1

2）由公式夕=47分析

當I一定時，巖層的《愈大，則夕也愈大，0大

因此,滲透系數(shù)K是表征巖石透水性的定量指標

3）影響因素：——以松散巖石,等徑孔隙為例來分析

v從公式即得出：

K=K/

V

K?___內(nèi)在透水率p-—水的比重；v——水的粘滯系數(shù)。

＞表3-1列出常見巖石滲透系數(shù)的參考值

4達西定律的適用范圍（自學(xué)）

雷諾數(shù)數(shù)介于「10之間

5達西定律的應(yīng)用實例：（自學(xué)）

關(guān)鍵問題:利用達西公式和微積分的簡單計算。

三、流網(wǎng)（Flownet）

1基本概念（concept）

1）滲流場：地下水流動（運動）的空間

2）流網(wǎng)：是由一系列等水頭線與流線組成的網(wǎng)格，稱流網(wǎng)（flownet）

流網(wǎng)是描述滲流場中地下水流動狀況的有效工具

3）流線：某時刻在滲流場中畫出的一條空間曲線，該曲線上各個水質(zhì)

點的流速方向都與這條曲線相切（某時刻各點流向的連線）

4）跡線：流體水質(zhì)點在滲流場中某一時間段內(nèi)的運動軌跡

5）等水頭線：在某時刻，滲流場中水頭相等各點的連線（水勢場的分

布）

2二維流網(wǎng)圖:

1）平面流網(wǎng)：潛水等水位線圖，承壓水等測壓水位線圖

2）剖面流網(wǎng)：含水量厚度較大時，常需要刻畫剖面的水流

3流網(wǎng)特點：

1）在各向同性介質(zhì)中，流線與等水頭線正交；在各向異性介質(zhì)中，流

線與等水頭線斜交

2）是按一定規(guī)則繪制的，等水頭線（等水頭差繪制），流線（等流量

寬，單寬流量相等）

4定性流網(wǎng)繪制

＞在許多實際工作中，繪制定性流網(wǎng)分析問題很重要，精確流網(wǎng)受許多條件

（資料不足等）制約，很難辦到

v思考回答：

■邊界條件？有哪兒類？

■流線起點和終點？等水頭線如何控制？

■等流量如何確定？

■“源”一resource（發(fā)散流線處）

■“匯”一sink（吸收流線處）

■“地下分水線”一divideline（分水或分流處為“流線”）

1）繪制步驟（簡要）：

（1）尋找已知邊界（濕周，隔水邊界，水位線）

a）定水頭邊界：河渠濕周一-等水頭線；

b）隔水邊界：流線（“零通量”）

c）地下水面邊界：當無滲入補給與蒸發(fā)排泄，有側(cè)向補給，作穩(wěn)

定流時，地下水面是一條流線；當有入滲補給時，既不是流線，也不是

等水頭線。

(2)分水線、源、匯的確定