水文地质学学习教案.pptx

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1、会计学1水文水文(shuwn)地质学地质学第一页，共61页。Preface 水文地质学是研究地下水的科学。它研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律(gul)，并研究如何运用这些规律(gul)去兴利除害，为人类服务。Hydrogeology is a subject to research groundwater.It studies the changing laws of time and space of groundwater quantity and quality under the interaction among the lith

2、osphere,hydrosphere,atmosphere,biosphere and human activities and how to use these laws to serve the people.第1页/共61页第二页，共61页。PrefaceGroundwater is also called undergroundwater,that is the water existing in the pores of rocks and soils.The groundwater functions include:resources,biological environmen

3、t,disaster,geologic action and information carrier.Groundwater and its existing media are of other functions.Hydrogeologic actions in national economy are relative to groundwater and their functions of exiting media.第2页/共61页第三页，共61页。水水文文(s sh hu u w w n n)地地质质学学 3.3.水文地球化学水文地球化学 Hydrogeochemistry 1.

4、1.水文地质学基础水文地质学基础 Sedimentary hydrogeology4.4.区域水文地质学区域水文地质学 Regional Hydrogeology 5.5.石油水文地质学石油水文地质学Petroleum Hydrogeology 2.2.地下水动力学地下水动力学 Groundwater dynamics第3页/共61页第四页，共61页。对于作为供水水源的地下水，必须评价其水质水量，查明其分布规律。这方面的工作(gngzu)形成了供水水文地质学。The quality and quantity of groundwater must be evaluated and its di

5、stribution must be investigated.These works form Hydrogeology for Water Supply.Preface第4页/共61页第五页，共61页。含有某些特殊组分，具有某些特殊性质，因而具有一定医疗与保健作用的地下水，称作矿水。矿水是建立矿泉疗养地与生产瓶装矿泉水的必要资源。勘查与评价(pngji)工业矿水与医疗矿水，也形成了相应的学科分支矿水水文地质学Mineral Water Hydrogeology。Preface第5页/共61页第六页，共61页。第6页/共61页第七页，共61页。第一章 地球(dqi)上的水及其循环 Chapt

6、er 1 The water in the earth and its cycle第7页/共61页第八页，共61页。第一章 地球(dqi)上的水及其循环 1.1 The water in the earth 地球(dqi)上的水大气水 Meteoric water地表水 Surface water地下水groundwater第8页/共61页第九页，共61页。12 自然界的水循环Water cycle in natureWater cycle in nature 自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水构成一个系统。这一系统内的水相互(xingh)联系、相互(xingh)转化的过程即是自然界的水循环。

7、The water in the spheres of the earth constitutes a system from atmosphere to mantle.The water in the system can interlink and inter-transform.The process is called water cycle in nature.第9页/共61页第十页，共61页。1.2 Water cycle in natureWater cycle in nature 自然界的水循环按其循环途径(tjng)长短、循环速度的快慢以及涉及层圈的范围，可分为水文循环和地质

8、循环两类。The water cycle can be classified into two types:hydrologic cycle and geologic cycle according to the cycle ways and cycle velocity and sphere scale.第10页/共61页第十一页，共61页。1.2.1 水文循环(xnhun)Hydrologic cycle 水文循环(xnhun)是发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环(xnhun)。水文循环(xnhun)的速度较快，途径较短，转换交替比较迅速。1.2 Water cycl

9、e in natureWater cycle in nature第11页/共61页第十二页，共61页。1.2.1 水文循环 Hydrocycle 水文循环分为小循环与大循环。海洋与大陆之间的水分交换为大循环。海洋或大陆内部的水分交换称为小循环。通过调节小循环条件，加强小循环的频率和强度，可以(ky)改善局部性的干旱气候。目前人力仍无法改变大循环条件。Hydrologic cycle can be classified into small cycle and large cycle.The moisture exchange between ocean and land is called l

10、arge cycle.The moisture exchange in the ocean or on the land is called small cycle.The local dry climate can be improved by adjusting the conditions of small cycle and enhancing the frequency and strength.But now the conditions of large cycle cannot be changed.第12页/共61页第十三页，共61页。地球(dqi)浅层圈和深层圈之间水的相互

11、转 化过程称为水的地质循环。The interchanging process of water between shallow sphere and deep sphere is called geologic cycle.Chapter 1 The water in the earth and its cycle 1.2.1 地质(dzh)循环 Geologic cycle 第13页/共61页第十四页，共61页。第一章 地球(dqi)上的水及其循环 水文循环与地质循环是很不相同的自然界水循环。水文循环通常发生于地球浅层圈中，是H20分子态水的转换(zhunhun)，通常更替较快。水文循环对

12、地球的气候、水资源、生态环境等影响显著，与人类的生存环境有直接的密切联系。第14页/共61页第十五页，共61页。第一章 地球(dqi)上的水及其循环 水文循环与地质循环是很不相同的自然界水循环。水文循环通常发生于地球浅层圈中，是H20分子态水的转换，通常更替(gngt)较快。水文循环对地球的气候、水资源、生态环境等影响显著，与人类的生存环境有直接的密切联系。第15页/共61页第十六页，共61页。屈原天问(tin wn)柳宗元天对 东穷归墟 又环西盈 脉穴土区 而浊浊清清Chapter 1 The water in the earth and its cycle 第16页/共61页第十七页，共6

13、1页。水文循环与地质循环是很不相同(xin tn)的自然界水循环。水文循环通常发生于地球浅层圈中，通常更替较快。水文循环对地球的气候、水资源、生态环境等影响显著，与人类的生存环境有直接的密切联系。Hydrologic cycle and geologic cycle are quite different water cycle.Hydrologic cycle usually produces in shallow sphere.Hydrologic cycle affects climate,water resources,bio-environment heavily and is of

14、 close relation with existing environment of human being.Chapter 1 The water in the earth and its cycle 第17页/共61页第十八页，共61页。水文循环是水文学与水文地质(dzh)学的研究重点。地质(dzh)循环发生于地球浅层圈与深层圈之间，常伴有水分子的分解与合成，转换速度缓慢，过去常被人们所忽视。Hydrologic cycle is the key point of hydrology and hydrogeology.Geologic cycle produces between sh

15、allow sphere and deep sphere,with composition and decomposition of water molecules and exchange slowly,and is always ignored.Chapter 1 The water in the earth and its cycle 第18页/共61页第十九页，共61页。随着对各种成矿地质作用认识的深化，水参与各种地质作用过程的意义不断被人们所认识。研究水的地质循环，对于深入了解水的起源，水在各种地质作用过程乃至(nizh)地球演化过程中的作用，都具有重要意义。With the kno

16、wledge deepening of various mineralization,the meaning of water participating in various geologic actions is recognized.Study on geologic cycle is of significant for researching the water role of various process of geologic action and the earth evolution.(Geofluid)Chapter 1 The water in the earth an

17、d its cycle 第19页/共61页第二十页，共61页。1.3 与水文循环有关的气象、水文因素 1.3.1 气象因素 Climate factor 自然界中水循环的重要环节蒸发、降水，都与大气(dq)的物理状态密切相关;气象和气候因素对水资源的形成与分布具有重要影响。The key link of water cycle(evaporation and precipitation)are close relative with atmospheric physical state.Weather and climate are of significant for formation a

18、nd distribution of water resources.第20页/共61页第二十一页，共61页。第21页/共61页第二十二页，共61页。蒸发 在常温下水由液态变为气态进入大气的过程称为蒸发。空气(kngq)中的水汽主要来自地表水、地下水、土壤和植物的蒸发。有了蒸发作用，水循环才得以不断进行。Evaporation In normal temperature water changes to vapor,the process is called evaporation.The vapor in the air is mainly from evaporation of surfa

19、ce water,groundwater,soil water and plant.Water cycle can carry out with evaporation.Chapter 1 The water in the earth and its cycle 第22页/共61页第二十三页，共61页。降水 当空气中水汽含量达饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，以液态(yti)或固态形式降落到地面，这就是降水。Precipitation When vapor content in the air reaches saturated,the vapor over saturated limit

20、 will be condensed and fall to ground in liquid or solid state.The process is called precipitation.Chapter 1 The water in the earth and its cycle 第23页/共61页第二十四页，共61页。径流 径流是水文循环的重要环节和水均衡的基本要素，系指降落(jinglu)到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。因此，径流可分为地表径流和地下径流，两者具有密切联系，并经常相互转化。Runoff Runoff is the important link of

21、 hydrologic cycle and the basic factor of water balance,which refers to flowing water along surface or ground under the gravity action.Therefore runoff can be classified into surface runoff and ground runoff.Both of them are of close relation and usually exchange each other.Chapter 1 The water in th

22、e earth and its cycle 第24页/共61页第二十五页，共61页。第25页/共61页第二十六页，共61页。地表径流和地下径流均有按系统分布的特点。汇注于某一干流的全部河流的总体(zngt)构成一个地表径流系统，称为水系。Surface runoff and ground runoff distribute in system.All the streams collect into a river and constitute a system of surface runoff,which is called a water system.Chapter 1 The wat

23、er in the earth and its cycle 第26页/共61页第二十七页，共61页。一个水系的全部集水区域，称为该水系的流域。流域范围内的降水均通过各级支流汇注于干流(gnli)。相邻两个流域之间地形最高点的连线即为分水线，又称分水岭。All the collecting area of a water system is called a river basin.The precipitation of the river basin is collected to trunks from its branches.The highest line is called wat

24、ershed.Chapter 1 The water in the earth and its cycle 第27页/共61页第二十八页，共61页。Spatial shape of the river第28页/共61页第二十九页，共61页。1.4 Outline of hydrocycle in our country 我国绝大部分地区均为季风气候，一年中雨季与旱季分明，降水(jingshu)的时空分布很有规律，这与我国特殊的地理格局有关。Our country is mainly monsoon climate.The rain season and dry season are clear

25、 in a year.The space-time distribution of precipitation is regular,which is relative to special geographical location of our country.Chapter 1 The water in the earth and its cycle 第29页/共61页第三十页，共61页。我国水文(shuwn)循环的另一重要特征就是降水在空间分布上的不均匀性。例如东南沿海地区年均降水量均在1500mm以上，最大可达2000-3000mm.Another important feature

26、 of hydrologic cycle of our country is that the precipitation is not regular.For example,yearly precipitation in southeast area is over 1500mm,the maximum is 2000-3000mm.Chapter 1 The water in the earth and its cycle 第30页/共61页第三十一页，共61页。长江流域约1200mm，华北地区一般在600-800mm；而新疆塔里木盆地降水量仅在50mm以下，有的地方几乎(jh)终年无雨

27、。这就导致水资源在空间分布上的不均匀性。The precipitation in Yangtze river basin is above 1200mm,north China 600-800mm,but it is under 50mm in Tarim basin,Xinjiang.There is not almost any rain all the year in some places,which results in the irregular distribution of water resources.Chapter 1 The water in the earth and

28、 its cycle 第31页/共61页第三十二页，共61页。无论地表水或地下水，都是自然界水文循环中的一个环节，均以大气降水为其补给来源。因此，一个地区水资源的丰富程度主要取决于降水量的多寡。降水量大的地区，水资源较为(jio wi)丰富；反之，水资源贫乏。(焦作、贵州山区）Whether surface water or groundwater are all a link of hydrologic cycle in nature.Their recharge sources are precipitation.Therefore the water resources in a dis

29、trict are mainly depend on precipitation.Chapter 1 The water in the earth and its cycle 第32页/共61页第三十三页，共61页。本章小结自然界的水循环 水文循环（大循环、小循环）、地质循环与水文循环有关的气象因素 气象因素：气温、气压、湿度(shd)、蒸发、降水 水文因素：径流（地表径流、地下径流）我国水文循环：时空分布的不均衡Chapter 1 The water in the earth and its cycle 第33页/共61页第三十四页，共61页。第二章 岩石(ynsh)中的孔隙与水分Chapt

30、er 2 Pores and moisture in rocks 第34页/共61页第三十五页，共61页。Chapter 2 Pore and moisture in rocks 2.1 岩石中的空隙 Pores in rocks 地壳表层十余千米范围内，都或多或少存在着空隙，特别是地下一、两千米以内，空隙分布较为(jio wi)普遍。这就为地下水的赋存提供了必要的空间条件。第35页/共61页第三十六页，共61页。地 下 水 的 运 动 条 件 空隙(kngx)Moving conditions of groundwaterpore 空隙空隙(kngx)(kngx)类型类型松散(sngsn)沉

31、积物中的孔隙pore坚硬岩石中的裂隙crevice可溶性岩石中的溶隙、溶穴cave空隙度空隙度一定体积岩石中空隙体积所占的比例一定体积岩石中空隙体积所占的比例以以n n表示空隙度，表示空隙度，V VP P表示空隙体积，表示空隙体积，V V表示岩石体积，则表示岩石体积，则n=Vn=VP P/V/V。Chapter 2 Pore and moisture in rocks第36页/共61页第三十七页，共61页。22 岩石中水(zhn shu)的存在形式结合结合(jih)(jih)水水薄膜水薄膜水毛细水毛细水重力重力(zhngl)(zhngl)水水靠静电和分靠静电和分子引力吸附子引力吸附于岩土颗粒于

32、岩土颗粒表面，不受表面，不受重力影响重力影响吸着水表面吸着水表面厚度超过几厚度超过几百个水分子百个水分子直径的薄层直径的薄层状水状水受表面张力受表面张力作用保存于作用保存于毛细管中的毛细管中的水，易被植水，易被植物吸收物吸收受重力影响受重力影响可自由流动。可自由流动。是地下水的是地下水的主要赋存状主要赋存状态和水源态和水源Chapter 2 Pore and moisture in rocks第37页/共61页第三十八页，共61页。2.3 与水的储容及运移有关(yugun)的岩石性质 Rock properties relative to water volume and migration

33、岩石空隙(kngx)大小、多少、连通程度及其分布的均匀程度，都对其储容及运移有关。Chapter 2 Pore and moisture in rocks第38页/共61页第三十九页，共61页。2.3.1 容水度 容水度是指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。可用小数或百分数表示。一般说来容水度在数值(shz)上与孔隙度(裂隙率、岩溶率)相当。但是对于具有膨胀性的粘土，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。Chapter 2 Pore and moisture in rocks第39页/共61页第四十页，共61页。2.3.2 含水量 Water content 含水量说明松散

34、(sngsn)岩石实际保留水分的状况。松散(sngsn)岩石孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比值。Chapter 2 Pore and moisture in rocks第40页/共61页第四十一页，共61页。2.3.3 给水度（）若地下水面下降，则下降范围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水，将因重力作用(zuyng)而下移并部分地从原先赋存的空隙中释出。我们把地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用(zuyng)下释出的水的体积，称为给水度。Chapter 2 Pore and moisture in rocks第41页/共61页第四十二页，共6

35、1页。2.3.4 持水度(Sr)如前所述，地下水位下降时，一部分水由于毛细力(以及分子力)的作用而仍旧反抗重力保持于空隙中。地下水位下降一个单位深度，单位水平面积(min j)岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作持水度(Sr)。Chapter 2 Pore and moisture in rocks第42页/共61页第四十三页，共61页。234 持水度 给水度、持水度与孔隙(kngx)度的关系 +Sr=nChapter 2 Pore and moisture in rocks第43页/共61页第四十四页，共61页。235 透水性 Permeability 岩石的透水性是指岩石允许水

36、透过的能力。表征(bio zhn)岩石透水性的定量指标是渗透系数。关于渗透系数将在第四章专门讨论。在此仅讨论影响岩石透水性的因素。Rock permeability refers to the ability of water penetration.The permeable quantitative index is permeable coefficient.Chapter 2 Pore and moisture in rocks第44页/共61页第四十五页，共61页。图2-9表示圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘上分布着在寻常条件(tiojin)下不运动的结合水，其余部分是重力水。由于

37、附着于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质点之间存在着摩擦阻力，最近边缘的重力水流速趋于零，中心部分流速最大。由此可得出：孔隙直径愈小，结合水所占据的无效空间愈大，实际渗流断面就愈小；同时，孔隙直径愈小，可能达到的最大流速愈小。因此孔隙直径愈小，透水性就愈差。当孔隙直径小于两倍结合水层厚度时就不透水。第45页/共61页第四十六页，共61页。如果我们把松散岩石中的全部 孔隙通道概化为一束相互平行的等径圆管(图210)，则不难推知：当孔隙度一定而孔隙直径愈大，则圆管通道的数量愈少，但有效渗流(shn li)断面愈大，透水能力就愈强；反之，孔隙直径愈小，透水能力就愈弱。由此可见，决定透水性好坏的主

38、要因素是孔隙大小；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。第46页/共61页第四十七页，共61页。然而，实际的孔隙通道并不是直径均一的圆管，而是直径变化、断面形状复杂的管道系统(图a)。岩石的透水能力并不取决于平均孔隙直径(图2b)，而在很大程度上取决于最小的孔隙直径(图c)。此外，实际的孔隙通道也不是直线的，而是曲折的(图a)。孔隙通道愈弯曲，水质(shu zh)点实际流程就愈长，克服摩擦阻力所消耗的能量就愈大。颗粒分选性，除了影响孔隙大小，还决定着孔隙通道沿程直径的变化和曲折性(图2a)，因此，分选程度对透水性的影响，往往要超过孔隙度。第47页/共

39、61页第四十八页，共61页。2.4 有效应力原理与松散岩土压密 2.4.1 有效应力原理 Effective stress principle 太沙基(Terzaghi，1925)所提出的有效应力原理可以帮助我们分析(fnx)地下水位变动情况下岩石有效应力的变化以及由此引起的松散岩石压密问题 Effective stress principle that Terzaghi(1925)put out can help us to analyze the change of rock effective stress under the conditions of groundwater leve

40、l fluctuation and the problems of loosen rock compressed.Chapter 2 Pore and moisture in rocks第48页/共61页第四十九页，共61页。总应力等于(dngy)孔隙水压力及有效应力之和 Pu+Pz (22)Pz=P-u (23)有效应力等于(dngy)总应力减去孔隙水压力，这就是著名的太沙基有效应力原理。Chapter 2 Pore and moisture in rocks第49页/共61页第五十页，共61页。2.4.2 地下水位变动引起的岩土压密 为了简便起见，我们假设整个含水砂层充满水，且水位下降后其

41、测压管高度仍高出饱水砂层顶面。这种情况下，当由于抽水而引起测压管高度降低时，可近似(jn s)地认为总应力P不变，孔隙水压力降低，相应地有效应力增加。意即原先由水承受的应力由于水头降低，浮托力减少而部分地转由砂层骨架(颗粒本身)承担。Chapter 2 Pore and moisture in rocks第50页/共61页第五十一页，共61页。砂层是通过颗粒(kl)的接触点承受应力的。孔隙水压力降低，有效应力增加，颗粒(kl)发生位移，排列更为紧密，颗粒(kl)的接触面积增加，孔隙度降低，砂层受到压密。与此同时，砂层中的水则因减压而有少量膨胀。Chapter 2 Pore and moistu

42、re in rocks第51页/共61页第五十二页，共61页。砂层因孔隙水压力下降而压密，待孔隙水压力恢复后，砂层大体上仍能恢复原状。砂砾类岩土基本上呈弹性变形。但是(dnsh)，如果同样的压密发生于粘性土中，则由于粘性土释水压密时结构发生了不可逆转的变化，即使孔隙水压力复原，粘性土基本上仍保持其压密状态。粘性土以塑性变形为主。（含水量80%5%）Chapter 2 Pore and moisture in rocks第52页/共61页第五十三页，共61页。抽水引起地下水位下降，松散岩石将被压密，从而其孔隙度、给水(jshu)度、渗透系数等参数均将变小。对于粘性土来说，这种参数值的降低是不可逆

43、的。Pumping groundwater produces water level drawdown,loosen rocks are compressed,so as to decrease porosity and penetration coefficient and so on.All of these are irreversible for clayChapter 2 Pore and moisture in rocks第53页/共61页第五十四页，共61页。1 The effective stress principle and emission consolidation p

44、rocess 1.1 The effective stress principle The total stress(P)of saturated soil equals to effective stress(Pz)and pore water pressure()P=Pz This is called effective stress principle.The effective stress is also called the pressure among particles,and is the stress to control compress and shearing str

45、ength.Chapter 2 Pore and moisture in rocks第54页/共61页第五十五页，共61页。1.2 Emission consolidation process There are three kinds of reasons for the compress of saturated soil:(1)the compress of soil particles;(2)the compress of porous fluid;(3)the emission porous fluid.Owing to the compress of soil particles

46、and fluid are little,the compress of soil are primarily resulted from fluid emission and porous compress.Under the pressure some free water in the pore of saturated soil will be emitted continuously with time passing.Chapter 2 Pore and moisture in rocks第55页/共61页第五十六页，共61页。At the same time,the porous

47、 volume subtract and pore water pressure()are transformed into effective stress(Pz)which are undergone by particles.The compression of saturated soil is called emission consolidation process.The process is that pore water pressure disappears continuously and effective stress increases under the cont

48、rol of effective stress.Chapter 2 Pore and moisture in rocks第56页/共61页第五十七页，共61页。2 Development mechanisms of overpressure in mudstone It is well-known that the mudstone in a sedimentary basin always develops overpressure especially in the thick mudstone in the center of the basin.Why does the mudston

49、e develop overpressure?This can be explained by effective stress principle and emitting water consolidation theory.Chapter 2 Pore and moisture in rocks第57页/共61页第五十八页，共61页。Chapter 2 Pore and moisture in rocks sandstone Section mudstone section closing sandstonemudstone section overpressure section mudstone section 第58页/共61页第五十九页，共61页。Chapter 2 Pore and moisture in rocks一、选择(xunz)题在括号内的三项选择(xunz)中选择(xunz)一项最佳答案。岩石的给水度通常（a.大于、b.等于、c.小于）它的空隙度。第59页/共61页第六十页，共61页。Summary 空隙：孔隙、裂隙、溶隙 水的存在形式 结合(jih)水、薄膜水、毛细水、重力水 几个重要概念 容水度、含水量、给水度、持水度Chapter 2 Pore and moisture in rocks第60页/共61页第六十一页，共61页。