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1、应用水文地质学基础知识20142014年年8 8月月目 的n n复习水文地质学的基本概念和原理n n拓宽水文地质学知识内 容绪绪言言1.1.地球上的水循地球上的水循环环2.2.岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分3.3.地下水地下水赋赋存条件存条件4.4.地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律5.5.地下水的化学成分及其形成作用地下水的化学成分及其形成作用6.6.地下水的地下水的补给补给与排泄与排泄7.7.地下水地下水动态动态与均衡与均衡8.8.孔隙水、裂隙水和岩溶水孔隙水、裂隙水和岩溶水绪 言n n水文地水文地质质学：是研究地下水的科学。研究地下水水量和水学：是研究地下水的科学。研究地下水
2、水量和水质时质时空演化空演化规规律，地下水的律，地下水的合理开合理开发发利用利用等。等。n n地下水：地下水：赋赋存于地表以下岩石空隙中的水（非存于地表以下岩石空隙中的水（非饱饱和和带带水、水、饱饱和和带带水）。水）。n n地下水的功能和作用地下水的功能和作用n n宝宝贵贵的的资资源（与其它源（与其它资资源的不同）源的不同）n n重要的重要的环环境要素（境要素（资资源、源、污污染、生染、生态态、灾害等）、灾害等）n n地地质营质营力力n n信息信息载载体体学科体系n n水文地水文地质质学是地学是地质质学的一个分支学的一个分支n n水文地水文地质质学也称学也称为为地下水水文学，是水文学的一个分支
3、地下水水文学，是水文学的一个分支n n水文地水文地质质学是地学是地质质学与水文学所形成的交叉学科，而由于两者学与水文学所形成的交叉学科，而由于两者不同，形成相不同，形成相对对独立的一独立的一门门学科体系。学科体系。地质学水文学基础学科水文地质学学科体系n n基础学科基础学科n n水文地质学基础水文地质学基础n n地下水动力学地下水动力学n n水文地球化学水文地球化学n n应用学科应用学科n n供水水文地质学供水水文地质学n n矿床水文地质学矿床水文地质学n n农田供水水文地质学农田供水水文地质学n n油田水文地质学油田水文地质学n n工程水文地质学工程水文地质学n n技术学科技术学科n n计算
4、水文地质计算水文地质n n同位素水文地质同位素水文地质n nRSRS、GISGIS1.地球上的水循环n n水文循水文循环环的定的定义义 是指地球上各种形是指地球上各种形态态的水，在太阳的水，在太阳辐辐射、地心引力等作射、地心引力等作用下，通用下，通过过蒸蒸发发、水汽、水汽输输送、凝送、凝结结降水、下渗和径流等降水、下渗和径流等环环节节，不断地，不断地发发生相生相态转换态转换和周而复始运和周而复始运动动的的过过程。程。水的存在形式n n大气水（气大气水（气态态）n n陆陆地地表水（江河、湖）地地表水（江河、湖）n n冰川水（固冰川水（固态态）n n海洋水海洋水n n地下水地下水n n土壤水（包气
5、土壤水（包气带带水）水）n n地下水（狭地下水（狭义义，饱饱和和带带水）水）水文循环的基本过程n n蒸蒸发发n n水汽水汽输输送送n n凝凝结结降水降水n n入渗入渗n n径流（地表径流径流（地表径流,地下径流）地下径流）水文循环基本过程水循环的类型n n大循大循环环：海洋与：海洋与陆陆地之地之间间水分交水分交换过换过程程n n小循小循环环：陆陆地或海洋的局部水分交地或海洋的局部水分交换换的的过过程程n n陆陆地小循地小循环环n n外流区小循外流区小循环环n n内流区小循内流区小循环环n n海洋小循海洋小循环环水循环的基本特征n n海洋的蒸海洋的蒸发发量大于降水量量大于降水量n n陆陆地的降水
6、量大于蒸地的降水量大于蒸发发量量n n陆陆地外流区地外流区输输入水汽量与入水汽量与输输出水汽量基本平衡出水汽量基本平衡n n内内陆陆盆地的降水量等于蒸盆地的降水量等于蒸发发量量水文循环的机理n n水文循水文循环环服从服从质质量守恒量守恒和和能量守恒原理能量守恒原理n n水文循水文循环环的基本的基本动动力是太阳能和地球引力力是太阳能和地球引力n n水文循水文循环环的内在因素是水的特殊的物理性的内在因素是水的特殊的物理性质质：在常温常：在常温常压压下可以下可以进进行三种状行三种状态态的相互的相互转转化化n n全球水文循全球水文循环环是是闭闭合系合系统统，局部，局部为为开放系开放系统统n n水文循水
7、文循环过环过程伴随着能量的程伴随着能量的转换转换和其他物和其他物质质的运移和聚集的运移和聚集水文循环的作用与效应n n影响气候影响气候变变化化n n水文循水文循环环的的强强弱和路径，决定了地区气候特征弱和路径，决定了地区气候特征n n水循水循环对环对能量的能量的转换转换和再分配，起到和再分配，起到调节调节气候气候n n天气天气现现象本身就是水文循象本身就是水文循环环的的产产物物n n水文循水文循环环形成各种地貌形形成各种地貌形态态n n地表水体本身就是水循地表水体本身就是水循环环的要素的要素n n水循水循环环中水流的冲刷、侵中水流的冲刷、侵蚀蚀、搬运、堆、搬运、堆积积作用形成各种地貌形作用形成
8、各种地貌形态态 举举例例 n n水成沉水成沉积积岩的形成岩的形成过过程程n n影响的影响的应应力的平衡力的平衡水文循环的作用与效应n n水文循水文循环环是是环环境的主要控制因素境的主要控制因素n n水循水循环环的的强强度和度和时时空分布，是洪、空分布，是洪、涝涝、旱等自然灾害、旱等自然灾害产产生的主要原因。循生的主要原因。循环环强强度度过过大：易大：易产产生洪生洪涝涝灾害；灾害；循循环环强强度度过过小：易小：易产产生水生水资资源不足，旱灾源不足，旱灾n n很多生物依很多生物依赖赖于水分循于水分循环传输环传输养分而得以生存和养分而得以生存和发发展展水文循环的作用与效应n n水文循水文循环为环为人
9、人类类提供了巨大的水提供了巨大的水资资源和能源源和能源n n提供了人提供了人类赖类赖以生存和以生存和发发展的展的可再生可再生的水的水资资源源n n提供了巨大的能源提供了巨大的能源n n水水车车：将太阳能：将太阳能转转化化为为机械能机械能n n水力水力发电发电：将太阳能：将太阳能转转化化为电为电能能n n热热水水资资源：以水循源：以水循环为环为媒介，利用地媒介，利用地热资热资源源n n水文循水文循环环是地球上一切水文是地球上一切水文现现象象产产生的根源生的根源 水文循水文循环环是地球是地球环环境存在和境存在和发发展最重要的影响因素，因此，展最重要的影响因素，因此，可以可以说说研究水文循研究水文循
10、环环是水文学研究的主旋律。是水文学研究的主旋律。2、岩石中的空隙和水分n n岩石中的空隙岩石中的空隙n n岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式n n岩石的水理性岩石的水理性质质基础知识n n矿矿矿矿物形成作用物形成作用物形成作用物形成作用：岩：岩浆浆作用、作用、风风化作用、区域化作用、区域变质变质作用作用n n矿矿矿矿物物物物：矿矿物指由物指由地地质质作用作用所形成的天然所形成的天然单质单质或或化合物化合物。它。它们们具有相具有相对对固定的化学固定的化学组组成，成，呈呈固固态态者者还还具有确定的内部具有确定的内部结结构；它构；它们们在一在一定的物理化学条件范定的物理化学条件范围围内内稳稳定，是
11、定，是组组成成岩石岩石和和矿矿石石的基本的基本单单元。元。基础知识n n矿矿矿矿物种物种物种物种类类类类：目前已知的：目前已知的矿矿物物约约有有30003000种左右，种左右，绝绝大多数是固大多数是固态态无机物，无机物，液液态态的（如的（如石油石油、自然汞自然汞）、）、气气态态的（如的（如天然气天然气、二二氧化碳氧化碳和和氦氦）以及固）以及固态态有机物（如有机物（如油油页页岩岩、琥珀琥珀）仅仅占数十种。占数十种。在固在固态矿态矿物中，物中，绝绝大部分都属于晶大部分都属于晶质矿质矿物，只有极少数（如物，只有极少数（如水水铝铝英石英石）属于）属于非晶非晶质矿质矿物物。来自。来自地球地球以外其他以外
12、其他天体天体的天然的天然单质单质或化合物，称或化合物，称为为宇宙宇宙矿矿物物。由。由人工人工方法所方法所获获得的某些与得的某些与天然天然矿矿物物相同或相同或类类同的同的单质单质或化合物，或化合物，则则称称为为合成合成矿矿物物如如人造宝石人造宝石。矿矿物物原料原料和和矿矿物物材料材料是极是极为为重要的一重要的一类类天然天然资资源，广泛源，广泛应应用于用于工工农业农业及科学技及科学技术术的各个部的各个部门门。n n岩石：岩石：矿矿物的集合体，是物的集合体，是组组成地壳的主要物成地壳的主要物质质。岩石。岩石可以由一种可以由一种矿矿物所物所组组成，如石灰岩成，如石灰岩仅仅由方解石一种由方解石一种矿矿物
13、所物所组组成；也可由多种成；也可由多种矿矿物所物所组组成，如花成，如花岗岗岩岩则则由石由石英、英、长长石、云母等多种石、云母等多种矿矿物集合而成。物集合而成。组组成岩石的物成岩石的物质质大部分都是无机物大部分都是无机物质质。n n岩石的固岩石的固结结性分性分类类：松散岩：松散岩类类、固、固结结岩岩类类（基岩）（基岩）n n岩石的可溶性：非可溶性岩、可溶性岩岩石的可溶性：非可溶性岩、可溶性岩n n岩石的成因分岩石的成因分类类n n火成岩：火成岩：由於岩由於岩浆浆侵入地壳内部，或流出地表面造成熔岩，侵入地壳内部，或流出地表面造成熔岩，在在经经冷却凝固而造成。火成岩是所有岩石中最原始的岩石。冷却凝固
14、而造成。火成岩是所有岩石中最原始的岩石。n n沉沉积积岩：岩：由原来已形成的岩石，受到由原来已形成的岩石，受到风风化作用后化作用后变为变为碎屑，碎屑，或由生物的或由生物的遗遗迹等，再迹等，再经过经过侵侵蚀蚀、沉、沉积积、及石化等作用而造、及石化等作用而造成的岩石。成的岩石。这类这类岩石都成岩石都成层层状，最先沉状，最先沉积积者在下部，者在下部，时时代代较较老；老；层层次愈上者，次愈上者，则时则时代愈新，代愈新，这这叫做叠置叫做叠置层层法法则则；n n变质变质岩：岩：原来的火成岩或沉原来的火成岩或沉积积岩，再岩，再经过经过地壳运地壳运动动或岩或岩浆浆侵侵入作用所入作用所发发生的高温和高生的高温和
15、高压压与与热热液的影响，可以改液的影响，可以改变变其原来其原来岩石的岩石的结结构或构或组织组织，或使部分，或使部分矿矿物消失，而物消失，而产产生他种新的生他种新的矿矿物，因而成物，因而成为为另外一种与原岩不同的岩石，称另外一种与原岩不同的岩石，称为变质为变质岩，如岩，如大理岩大理岩变变自石灰岩；板岩自石灰岩；板岩变变自自页页岩；石英岩岩；石英岩变变自砂岩等。自砂岩等。岩石中的空隙n n地下水的地下水的储储存空存空间间岩石的空隙岩石的空隙n n孔隙松散岩孔隙松散岩层层n n裂隙基岩裂隙基岩n n溶隙（溶穴）可溶性岩石溶隙（溶穴）可溶性岩石n n空隙性空隙性指岩石空隙的大小、多少、形状、分指岩石空
16、隙的大小、多少、形状、分布特点以及布特点以及连连通情况等。通情况等。这这些特性些特性对对于地下水的埋藏、分布、运于地下水的埋藏、分布、运动动有有重要的影响。重要的影响。岩石中的空隙n n松散岩松散岩层层孔隙特点孔隙特点n n孔隙率（度）：一定体孔隙率（度）：一定体积积岩石（包括孔隙）中孔隙体岩石（包括孔隙）中孔隙体积积所占的比例。所占的比例。n n影响松散岩影响松散岩层层孔隙度的因素孔隙度的因素n n“理想土理想土”模型模型n n颗颗粒排列方式和密粒排列方式和密实实程度程度n n颗颗粒大小和形状粒大小和形状n n分分选选程度程度n n土壤土壤结结构（构（单单粒、粒、团团粒粒结结构）构）n n其
17、他因素：次生裂隙、根孔、虫孔等其他因素：次生裂隙、根孔、虫孔等n n裂隙裂隙n n成岩裂隙成岩裂隙n n构造裂隙构造裂隙n n风风化裂隙化裂隙n n裂隙性裂隙性n n裂隙的方向、裂隙的方向、宽宽度、延伸方向、充填情况等。度、延伸方向、充填情况等。n n裂隙率裂隙率n n溶穴溶穴n n发发生在可溶性岩石之中生在可溶性岩石之中n n具有具有继继承性承性n n岩溶率（溶隙率）岩溶率（溶隙率）n n岩石空隙的特性（均匀性、方向性、岩石空隙的特性（均匀性、方向性、连连通性）通性）n n松散岩松散岩类类：空隙分布均匀、：空隙分布均匀、连连通性好通性好n n基岩裂隙：不均匀、具方向性、不同方向裂隙可形成裂隙
18、网基岩裂隙：不均匀、具方向性、不同方向裂隙可形成裂隙网络络n n可溶岩溶隙：极不均匀、很可溶岩溶隙：极不均匀、很强强的方向性、容易形成各自的岩的方向性、容易形成各自的岩溶水流系溶水流系统统。n n按含水介按含水介质质的地下水分的地下水分类类 含水含水含水含水层层层层（体）（体）（体）（体）：饱饱含水的透水含水的透水层层（体），或能（体），或能够够透透过过并并给给出相当数量水的出相当数量水的岩岩层层（体）。（体）。孔隙水孔隙水：储存于松散层中的地下水。裂隙水裂隙水：储存于基岩裂隙中的地下水。岩溶水岩溶水：储存于可溶性岩石溶穴中的地下水。岩石中的水的存在形式n n结结合水合水n n重力水重力水n
19、n毛毛细细水水n n毛毛细细水水n n毛毛细现细现象：液体表面象：液体表面张张力作用下力作用下在毛在毛细细管中水位上升一定高度的管中水位上升一定高度的现现象。象。n n毛毛细细上升高度与毛管直径成反比。上升高度与毛管直径成反比。n n岩石孔隙等效于弯曲的毛岩石孔隙等效于弯曲的毛细细管管在地下水面以上必然有毛在地下水面以上必然有毛细细水。水。n n结论结论：松散岩：松散岩层层的的颗颗粒越粗，孔粒越粗，孔隙越大，隙越大，则则毛毛细细上升高度越小。上升高度越小。岩石的水理性质n n岩石的水理性岩石的水理性质质即岩石孔隙即岩石孔隙类类型、大小与水的存在形式之型、大小与水的存在形式之间间的关系，主要的关
20、系，主要的定量指的定量指标标：n n容水度：岩石完全容水度：岩石完全饱饱和和时时所能容所能容纳纳水的最大体水的最大体积积与岩石与岩石总总体体积积之比之比n n含水量含水量n n重量含水量重量含水量n n体体积积含水量：岩石中水的体含水量：岩石中水的体积积与岩石体与岩石体积积（包括孔隙和水的体（包括孔隙和水的体积积）之比。（土壤的凋萎含）之比。（土壤的凋萎含水量、田水量、田间间持水量、毛管断裂含水量等）持水量、毛管断裂含水量等）n n给给水度（水度（）：）：单单位体位体积积的的饱饱和岩石，在重力的作用下和岩石，在重力的作用下释释出水的体出水的体积积。或：地下水位下降一个或：地下水位下降一个单单位
21、深度，从地下水位延伸到地表面的位深度，从地下水位延伸到地表面的单单位水平位水平面面积积岩石柱体，在重力作用下岩石柱体，在重力作用下释释出的水的体出的水的体积积。（。（应应用：重要的水文地用：重要的水文地质质参数，区域水参数，区域水资资源源评评价）价）n n持水度（持水度（S Sr r）：地下水位下降一个）：地下水位下降一个单单位深度，位深度，单单位水平面位水平面积积岩石柱体中岩石柱体中反抗重力而保持在岩石孔隙中的水的体反抗重力而保持在岩石孔隙中的水的体积积。n n透水性：岩石允透水性：岩石允许许水通水通过过的能力，定量指的能力，定量指标标渗透系数。渗透系数。3、地下水赋存条件n n地下水面：地
22、表以下一定深度，岩石中的地下水面：地表以下一定深度，岩石中的孔隙被重力水所充孔隙被重力水所充满满，则则形成地下水面。形成地下水面。n n饱饱水水带带：地下水面以下岩石。：地下水面以下岩石。n n包气包气带带：地下水面以上，未被水充：地下水面以上，未被水充满满的岩的岩层层。n n支持毛支持毛细带细带n n中中间带间带n n土壤水土壤水带带n n水文地水文地质质学研究的重点是学研究的重点是饱饱水水带带。但包气。但包气带带作作为补给为补给通道作用也不容忽通道作用也不容忽视视。地下水赋存n n含水含水层层n n定定义义：饱饱含水的透水含水的透水层层，或能，或能够够透透过过并并给给出相当数量水的岩出相当
23、数量水的岩层层。n n辨异：辨异：饱饱含水的弱透水含水的弱透水层层（粘土、沿粘土等）；不含水的透（粘土、沿粘土等）；不含水的透水水层层（沙漠、被疏干的含水（沙漠、被疏干的含水层层等）等）n n隔水隔水层层n n定定义义：不透水的岩：不透水的岩层层，或不能透，或不能透过过并并给给出一定水量的岩出一定水量的岩层层。n n辨异：隔水辨异：隔水层层的相的相对对性，并非完全隔水弱透水性，并非完全隔水弱透水层层n n含水含水层层和隔水和隔水层层的的相相对对性性和和对对立立统统一性一性地下水赋存n n地下水分地下水分类类：1.1.包气包气带带水水(上上层层滞水滞水)；2.2.潜水；潜水；3.3.承承压压水；
24、水；n n潜水含水潜水含水层层；承；承压压含水含水层层地下水赋存n n潜水潜水n n定定义义：饱饱水水带带中第一个具有自由表面的含水中第一个具有自由表面的含水层层中的水。中的水。n n特点：特点：n n无隔水无隔水顶顶板，板，积积极参与水循极参与水循环环（补给补给、排泄）；、排泄）；n n动态动态随季随季节变节变化明化明显显；n n重力重力释释水；水；n n易受易受污污染；染；n n一般情况下，潜水面与地形起伏相一致。一般情况下，潜水面与地形起伏相一致。潜水的几个基本要素地下水赋存n n承承压压水水n n定定义义：充：充满满于两个隔水于两个隔水层层（弱透水（弱透水层层）之）之间间的含水的含水层
25、层中的水。中的水。n n特点：特点：n n承承压压性承性承压压含水含水层层水水头头高于隔水高于隔水顶顶板（辨异：板（辨异：层间层间水）；水）；n n有隔水有隔水顶顶板，参与水循板，参与水循环环不不积积极（极（补给补给、排泄），超采后不易恢复；、排泄），超采后不易恢复；n n动态动态随季随季节节不不变变化明化明显显；n n弹弹性性释释水；水；n n不易受不易受污污染。染。承压水的几个基本概念4、地下水运动的基本规律n n达西定律n n达西定律的应用n n等水位线和流网n n读图：承压含水层等压线图读图：承压含水层等压线图达西定律n n概念概念n n渗流：地下水在岩石空隙中的运渗流：地下水在岩石空
26、隙中的运动动。特点：。特点：n n运运动缓动缓慢；慢；n n不不规则规则；n n不不连续连续（不是空（不是空间间的的连续连续函数）。函数）。n n渗流渗流场场：发发生渗流的区域。生渗流的区域。n n层层流：水的流：水的质质点作有秩序的、互不混点作有秩序的、互不混杂杂的流的流动动。n n紊流：水的紊流：水的质质点无序的、互相混点无序的、互相混杂杂的流的流动动。n n稳稳定流：各运定流：各运动动要素不随要素不随时间变时间变化的水流。化的水流。n n非非稳稳定流：运定流：运动动要素随要素随时间变时间变化的水流。化的水流。n n达西定律达西定律Q-Q-渗透流量渗透流量(L(L3 3T T-1-1)；-
27、过过水断面水断面(L(L2 2)；h-h-水水头损头损失失(水水头头差，差，L)L)；L-L-渗透途径渗透途径(L)(L)；K-K-渗透系数渗透系数(LT(LT-1-1)；I-I-水力梯度水力梯度(无量无量纲纲)。n n物理意物理意义义 地下水由水地下水由水头头（位）高（位）高处处向低向低处处流流动动，流速大小与水力梯度，流速大小与水力梯度成正比，比例系数即成正比，比例系数即为为渗透系渗透系数。（数。（FickFick定律）定律）n n达西定律达西定律讨论讨论n n过过水断面：是指垂直水断面：是指垂直于流向横断面于流向横断面积积，包，包括括颗颗粒和孔隙所占据粒和孔隙所占据的面的面积积的的总总和
28、，是一和，是一种假想的种假想的过过水断面面水断面面积积，实际实际孔隙面孔隙面积为积为：n n渗透速度渗透速度n n是一种假想流速，是平均到整是一种假想流速，是平均到整个假想个假想过过水断面上的流速。水断面上的流速。n n地下水在孔隙中的地下水在孔隙中的实际实际流流动动速速度要大于渗透速度，水度要大于渗透速度，水质质点的点的平均平均实际实际流速流速为为：n n水力梯度（水力梯度（I I）n n沿渗透途径水沿渗透途径水头损头损失与相失与相应应途途径径长长度的比度的比值值。n n水力梯度可表示水力梯度可表示为为：n n渗透系数（渗透系数（K K）n n岩石渗透性能的定量指岩石渗透性能的定量指标标，在
29、数，在数值值上等于上等于单单位水力梯度条位水力梯度条件下的渗流速度。件下的渗流速度。n n量量纲纲：LTLT-1-1。n n影响因素：孔隙大小、多少影响因素：孔隙大小、多少n n颗颗粒大小粒大小n n分分选选程度程度n n问题问题：是否松散岩：是否松散岩层层的孔隙度越大，渗透系数越大？的孔隙度越大，渗透系数越大？n n用途：重要的水文地用途：重要的水文地质质参数，用于水参数，用于水资资源源评评价，建立地下价，建立地下水模型水模型n n渗透系数（渗透系数（K K）n n如何得到如何得到K K值值？n n室内室内试验试验，缺点：，缺点：扰动扰动，点参数，点参数n n均衡均衡计计算，区域平均算，区域
30、平均值值，缺点：精度低，缺点：精度低n n模型反演：建立数学模型，通模型反演：建立数学模型，通过调过调整参数，整参数，拟拟合合实际观测实际观测水位，确定水位，确定水文地水文地质质参数。参数。n n数数值值法：法：n n解析法：解析法：n n注意：用注意：用稳稳定流模型求参，只能求得定流模型求参，只能求得K K值值，而不能通，而不能通过过反演等到反演等到给给水度水度值值。而非。而非稳稳定流模型可得到两者。定流模型可得到两者。达西定律的应用n n求断面流量求断面流量已知某均已知某均质质含水含水层层，剖面如，剖面如右右图图所示，含水所示，含水层层渗透系数渗透系数为为K K，沿径流方向有两个水，沿径流
31、方向有两个水位位观测观测孔，孔孔，孔间间距距为为L L，两，两观测观测孔孔观测观测水位分水位分别为别为HaHa和和HbHb，求：沿地下水流方，求：沿地下水流方向的向的单宽单宽流量流量。根据达西定律：根据达西定律：设设K K100m/d;Ha=51m;100m/d;Ha=51m;Hb=49m;L=1000mHb=49m;L=1000m。得：。得：Q=10mQ=10m3 3/d/d mmn n求水平等厚承求水平等厚承压压含水含水层层流量流量和和层压层压水水头线头线如右如右图图所所示，有一承所所示，有一承压压含水含水层层由均由均质质等厚的砂等厚的砂组组成，隔水底板成，隔水底板水平，地下水做水平水平，
32、地下水做水平稳稳定运定运动动。砂砂层层中的渗流是中的渗流是缓缓慢的属慢的属层层流，流，符合达西定律：符合达西定律：分离变量并积分KMh1h200L设设x x(0,L),(0,L),并并对应对应的的测压测压水位水位为为h h，根据上式可，根据上式可写成如下两式：写成如下两式：结论：均质水平等厚承压含水层的测压曲线是直线。n n岩层的渗透介质分类n n均均质质、非均、非均质质含水含水层层n n各向同性、各向异性含水各向同性、各向异性含水层层n n组组合：合：n n均均质质各向同性各向同性n n均均质质各向异性各向异性n n非均非均质质各向同性各向同性n n非均非均质质各向异性各向异性n n等水位线
33、n n潜水位、潜水位、测压测压水位水位n n等水位（等水位（压压）线线：潜水位（：潜水位（测压测压水位）相等的各点水位）相等的各点的的连线连线，称，称为为等水位（等水位（压压）线线。（等水位面）。（等水位面）n n流流线线：渗流：渗流场场中某一瞬中某一瞬间间的一条曲的一条曲线线，曲，曲线线上各水上各水质质点在此瞬点在此瞬间间的流向均于此的流向均于此线线相切。相切。n n流网：等水位流网：等水位线线与流与流线组线组成的网格。成的网格。n n在各向同性介在各向同性介质质中，流网中，流网为为正交网格。正交网格。n n用途n n地下水分布状况地下水分布状况n n地下水位地下水位标标高高n n埋深埋深n
34、 n含水含水层类层类型（潜水、承型（潜水、承压压含水含水层层）n n地下水流地下水流动动方向方向n n判断水文地判断水文地质质条件条件n n含水含水层层相相对导对导水性能（厚度、渗透性）水性能（厚度、渗透性）n n边边界条件（隔水界条件（隔水边边界、界、补给补给和排泄和排泄边边界）界）n n与河流的关系与河流的关系n n地下水的径流模式地下水的径流模式5、地下水化学成分及其形成作用n n几个几个问题问题：n n地下水是否是地下水是否是纯纯水？水？n n处处水（水（H H2 2O O）以外，地下水中有何成分？）以外，地下水中有何成分？n n如果有其它成分，如果有其它成分，这这些成分如何形成的？些
35、成分如何形成的？n n这这些成分些成分对对人人类类的生活、生的生活、生产产有何影响？有何影响？n nn n显显然，地下水在其循然，地下水在其循环过环过程中，不断地与地壳岩石以及地幔物程中，不断地与地壳岩石以及地幔物质发质发生各种地球化学作用，并与大气圈、地表水圈、生物圈生各种地球化学作用，并与大气圈、地表水圈、生物圈进进行各种物理、化学、生物作用，形成各种行各种物理、化学、生物作用，形成各种类类型的地下水化学型的地下水化学类类型，其物理性型，其物理性质质和化学成分是随空和化学成分是随空间间和和时间时间而而变变化的。化的。n n研究地下水化学成分的意研究地下水化学成分的意义义n n阐阐明地下水的
36、起源、形成与分布明地下水的起源、形成与分布规规律律 n n阐阐明成明成矿矿机制，完善与丰富找机制，完善与丰富找矿矿理理论论 n n地下水地下水质质量量评评价价n n水文地球化学水文地球化学 研究地下水中化学元素迁移、集聚和分布研究地下水中化学元素迁移、集聚和分布规规律的科学。律的科学。地下水主要化学成分地下水主要化学成分 n n气体成分气体成分n nO O2 2、N N2 2n n主要来源于大气。主要来源于大气。n nO O2 2多多说说明明处处于氧化于氧化环环境，反之，若地下水中境，反之，若地下水中N N2 2单单独存在，水明独存在，水明处处于于较较封封闭闭的的还还原原环环境。境。n n大气
37、中的大气中的(A+Kr+Xe)/N(A+Kr+Xe)/N2 2恒等于恒等于0.01180.0118。若小于次。若小于次值值，说说明地下水中含明地下水中含有生物起源或有生物起源或变质变质起源的起源的N N2 2。n nH H2 2S S、CHCH4 4n n这这两种气体的存在，两种气体的存在，说说明地下水明地下水处处于比于比较较封封闭闭的的环环境，在生物化学境，在生物化学作用下，作用下，产产生生H H2 2S S、CHCH4 4。n nCOCO2 2n n来源：土壤、大气、深部高温的来源：土壤、大气、深部高温的变质变质作用作用n n作用：作用：COCO2 2含量多，含量多，则则溶解碳酸溶解碳酸盐
38、盐演的能力演的能力强强。n n近几十年来，大气中的近几十年来，大气中的COCO2 2浓浓度大幅度增高，或多或少使地下水中的度大幅度增高，或多或少使地下水中的COCO2 2有所增加。有所增加。n n主要离子成分主要离子成分n nClCl-n n主要来源：（主要来源：（1 1）含有）含有氯氯化物的岩石；（化物的岩石；（2 2）海水；（）海水；（3 3）火山）火山喷发喷发物物的溶的溶滤滤；（；（4 4）人）人为污为污染。染。n nClCl-是地下水中最是地下水中最稳稳定的离子成分，不定的离子成分，不为为植物及植物及细细菌所菌所摄摄取、不被土取、不被土壤壤颗颗粒所吸附，溶解度大，不宜沉淀析出。随着粒所
39、吸附，溶解度大，不宜沉淀析出。随着矿矿化度的增加，化度的增加，ClCl-成成为为地下水中的主要离子成分。地下水中的主要离子成分。n nSOSO4 4-2-2n n主要来源：（主要来源：（1 1）含石膏及其它硫酸）含石膏及其它硫酸盐盐的沉的沉积积岩的溶解；（岩的溶解；（2 2）金属）金属硫化物硫化物矿矿床的溶解；（床的溶解；（3 3）化石燃料燃）化石燃料燃烧产烧产生大量的生大量的SOSO2 2，最，最终终形成形成酸雨，酸雨，补给补给地下水。地下水。n nHCOHCO3 3-n n主要来源：（主要来源：（1 1）含碳酸）含碳酸盐盐岩的溶解作用岩的溶解作用 CaCOCaCO3 3+H+H2 2O+C
40、OO+CO2 2 2HCO2HCO3-3-+Ca+Ca2+2+；（；（2 2）在岩）在岩浆浆岩和岩和变质变质岩地区，来自岩地区，来自吕吕硅酸硅酸盐矿盐矿物的物的风风化溶解。化溶解。n n是低是低矿矿化水中的主要阴离子成分。化水中的主要阴离子成分。n nNaNa+K+K+n n主要来源：沉主要来源：沉积积岩中岩中钠盐钠盐和和钾盐钾盐的溶解、岩的溶解、岩浆浆岩和岩和变质变质岩中含岩中含钠钾矿钠钾矿物的物的风风化溶解。化溶解。n n这这两种离子的两种离子的盐类盐类溶解度都很高，石膏溶解度都很高，石膏矿矿化地下水中主化地下水中主要的阳离子成分。要的阳离子成分。n nCaCa2+2+n n主要来源：沉主
41、要来源：沉积积岩中碳酸岩中碳酸盐盐岩和含石膏岩石的溶解，岩岩和含石膏岩石的溶解，岩浆浆岩和岩和变质变质岩中含高岩中含高矿矿物的物的风风化溶解。化溶解。n n一般的一般的CaCa2+2+盐盐的溶解度都比的溶解度都比较较低，是地低，是地矿矿化水中的主要阳化水中的主要阳离子成分。但离子成分。但CaClCaCl2 2的溶解度相当大，在一定的条件下，的溶解度相当大，在一定的条件下，也有可能成也有可能成为为高高矿矿化水中的主要阳离子成分。化水中的主要阳离子成分。n nMgMg2+2+n n来源、分布、作用与来源、分布、作用与CaCa2+2+接近。接近。n n地下水总矿化度：n n地下水中各种离子、分子及化
42、合物的地下水中各种离子、分子及化合物的总总量。它表量。它表示水中的含示水中的含盐盐量。量。n n单单位：位：g/L,mg/Lg/L,mg/Ln n测测定及定及计计算方法：算方法：1.1.在在100100110110度温度下，将水蒸干后所得的干沽残余物度温度下，将水蒸干后所得的干沽残余物总总量表示；量表示；2.2.阴、阳离子含量相加，减去一半的阴、阳离子含量相加，减去一半的HCOHCO3 3含量含量地下水化学类型n n地下水种不同的化学地下水种不同的化学组组分，反映了地下水大成因和演化分，反映了地下水大成因和演化过过程，程，可用水中主要离子成分来表示地下水的化学可用水中主要离子成分来表示地下水的
43、化学类类型。型。n n库库尔尔洛夫式：洛夫式：简简明地反映了地下水化学的特点。将阴阳离子分明地反映了地下水化学的特点。将阴阳离子分别标别标在横在横线线上下，按毫克当量百分比自大上下，按毫克当量百分比自大尔尔小的小的顺顺序排列，小于序排列，小于10%10%的不予表示。的不予表示。横横线线前依次表示气体成分、特殊成分及前依次表示气体成分、特殊成分及矿矿化度，横先后以字母化度，横先后以字母t t为为代号表代号表示示摄摄氏温度。氏温度。n n舒卡列夫分舒卡列夫分类类：将水中六中主要离子（含量大于：将水中六中主要离子（含量大于25%25%毫克当量）的阴离毫克当量）的阴离子和阳离子子和阳离子进进行行组组合
44、，共分出合，共分出4949型水，按型水，按矿矿化度又划分化度又划分为为4 4组组：A A 1.5g/L1.5g/L、B:1.5-10g/LB:1.5-10g/L、C:10-40g/LC:10-40g/L、D:40g/LD:40g/L。地下水化学成分的形成作用地下水的成因n n大气降水成因（溶大气降水成因（溶滤滤水）：水）：n n积积极参与极参与现现代水循代水循环环，直接或，直接或间间接来自大气降水接来自大气降水补给补给的地下水。的地下水。n n具有明具有明显显的水化学演化和分布的水化学演化和分布规规律。律。n n绝绝大多数地下水的成因。大多数地下水的成因。n n沉沉积积水水n n矢志于沉矢志于
45、沉积积物大体同物大体同时时形成的古地下水。形成的古地下水。n n具有具有较较好的封好的封闭闭条件，一般条件，一般处处于于还还原原环环境中。境中。n n具有特殊的地下水化学具有特殊的地下水化学类类型，如型，如盐盐水、水、卤卤水等。水等。n n内生水内生水n n地球深部地幔物地球深部地幔物质质成因的地下水。成因的地下水。n n地下水地下水热热水来源：有人估水来源：有人估计约计约10-30%10-30%来自内生水，岩石中包括体的研究也表明来自内生水，岩石中包括体的研究也表明内生水的存在。内生水的存在。n n该该研究尚不成熟。研究尚不成熟。各种成因的地下水在形成初始有各自的初始化学成分，形成之后不断运
46、各种成因的地下水在形成初始有各自的初始化学成分，形成之后不断运动动并参与地球物并参与地球物质质循循环环，不断与，不断与环环境介境介质发质发生各种作用，水化学成分随之生各种作用，水化学成分随之发发生生变变化。化。6、地下水的补给与排泄n n地下水是自然界水的存在形式之一，参与自然界的地下水是自然界水的存在形式之一，参与自然界的水循水循环环。n n如果将含水如果将含水层层或地下水系或地下水系统单统单独划分出来，作独划分出来，作为为自自然界水循然界水循环环的一个子系的一个子系统统，则该则该子系子系统统与外界有水与外界有水量、能量和溶量、能量和溶质质的交的交换换。n n补给补给：含水：含水层层（地下水
47、系（地下水系统统）从外界）从外界获获得水量的得水量的过过程。程。补给补给量量n n排泄：含水排泄：含水层层（地下水系（地下水系统统）失去水量的）失去水量的过过程。排程。排泄量泄量地下水的补给与排泄n n主要主要补给补给有有n n降水入渗降水入渗n n降雨、融雪降雨、融雪n n地表水体地表水体n n河渠渗漏、湖泊、水河渠渗漏、湖泊、水库库、海洋、固体水融化、海洋、固体水融化n n相相邻邻含水含水层层n n越流越流补给补给、侧侧向流入（从一个地下水系向流入（从一个地下水系统统流入另一个地流入另一个地下水系下水系统统）n n人工人工补给补给n n灌灌溉溉入渗、人工回灌入渗、人工回灌n n主要排泄有n
48、 n潜水蒸发蒸腾（蒸散发）n n向地表水体排泄n n泉、基流等泉、基流等n n向相邻含水层排泄n n越流、越流、侧侧向流出向流出n n人工开采降雨补给n n下渗（下渗（infiltrationinfiltration）n n降雨降雨对对地下水的地下水的补给补给一次降雨一次降雨对对地下水的地下水的补给补给可可表示表示为为：Pr降水对地下水的补给量；P降雨量；R地表径流量；V非饱和带蓄水量，为d降雨前地下水位的埋深；hn毛细支持带厚度；t田间持水量；0毛细支持带以上降雨前土壤含水量由上式可以看出，降雨入渗补给量决定于两方面：由上式可以看出，降雨入渗补给量决定于两方面：1.1.下渗量；下渗量；2.2
49、.包气带的蓄水能力。包气带的蓄水能力。n n下渗模式n n下渗过程中的水分分带n n降水降水补给补给n n是地下水是地下水补给补给的根本来源的根本来源n n降水降水补给过补给过程（右程（右图图）n n影响因素影响因素n n降水特征降水特征n n降水量降水量n n降水降水强强度度n n持持续时间续时间n n下下垫垫面情况面情况n n地形坡度地形坡度n n植被植被发发育情况育情况n n包气包气带带特性特性n n岩性岩性n n结结构构n n厚度厚度n n前期土壤含水量前期土壤含水量n n降水入渗系数降水入渗系数 n n降水入渗补给量的确定n n降水入渗降水入渗补给补给系数法系数法 的确定方法：的确定
50、方法：n n试验试验法；法；n n区域均衡法；区域均衡法；n n数数值值模型的参数模型的参数识别识别；n n类类比法比法n n均衡法均衡法地表水补给n n最常最常见见的地表水体的地表水体补给补给方式，是地下水重要的方式，是地下水重要的补给补给来源之一。来源之一。n n主要影响因素主要影响因素n n河床的湿周河床的湿周n n河床及其下部地河床及其下部地层层岩性、岩性、结结构构n n河水位与地下水位之差河水位与地下水位之差n n河流河流过过水水时间时间n n河流河流补给补给地下水的几种地下水的几种类类型（型（计计算方法不同）算方法不同）n n有水力有水力联联系：直接水力系：直接水力联联系、越流式系