水文地质基础知识

应用水文地质学基础知识2014年8月目的复习水文地质学的基本概念和原理拓宽水文地质学知识内容绪言1.地球上的水循环2.岩石中的孔隙与水分3.地下水赋存条件4.地下水运动的基本规律5.地下水的化学成分及其形成作用6.地下水的补给与排泄7.地下水动态与均衡8.孔隙水、裂隙水和岩溶水绪言水文地质学：是研究地下水的科学。研究地下水水量和水质时空演化规律，地下水的合理开发利用等。地下水：赋存于地表以下岩石空隙中的水（非饱和带水、饱和带水）。地下水的功能和作用宝贵的资源（与其它资源的不同）重要的环境要素（资源、污染、生态、灾害等）地质营力信息载体学科体系水文地质学是地质学的一个分支水文地质学也称为地下水水文学，是水文学的一个分支水文地质学是地质学与水文学所形成的交叉学科，而由于两者不同，形成相对独立的一门学科体系。地质学水文学基础学科水文地质学学科体系基础学科水文地质学基础地下水动力学水文地球化学应用学科供水水文地质学矿床水文地质学农田供水水文地质学油田水文地质学工程水文地质学……技术学科计算水文地质同位素水文地质RS、GIS……1.地球上的水循环水文循环的定义是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗和径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。水的存在形式大气水（气态）陆地地表水（江河、湖）冰川水（固态）海洋水地下水土壤水（包气带水）地下水（狭义，饱和带水）水文循环的基本过程蒸发水汽输送凝结降水入渗径流（地表径流,地下径流）水文循环基本过程水循环的类型大循环：海洋与陆地之间水分交换过程小循环：陆地或海洋的局部水分交换的过程陆地小循环外流区小循环内流区小循环海洋小循环水循环的基本特征海洋的蒸发量大于降水量陆地的降水量大于蒸发量陆地外流区输入水汽量与输出水汽量基本平衡内陆盆地的降水量等于蒸发量水文循环的机理水文循环服从质量守恒和能量守恒原理水文循环的基本动力是太阳能和地球引力水文循环的内在因素是水的特殊的物理性质：在常温常压下可以进行三种状态的相互转化全球水文循环是闭合系统，局部为开放系统水文循环过程伴随着能量的转换和其他物质的运移和聚集水文循环的作用与效应影响气候变化水文循环的强弱和路径，决定了地区气候特征水循环对能量的转换和再分配，起到调节气候天气现象本身就是水文循环的产物水文循环形成各种地貌形态地表水体本身就是水循环的要素水循环中水流的冲刷、侵蚀、搬运、堆积作用形成各种地貌形态[举例]水成沉积岩的形成过程影响的应力的平衡水文循环的作用与效应水文循环是环境的主要控制因素水循环的强度和时空分布，是洪、涝、旱等自然灾害产生的主要原因。循环强度过大：易产生洪涝灾害；循环强度过小：易产生水资源不足，旱灾很多生物依赖于水分循环传输养分而得以生存和发展水文循环的作用与效应水文循环为人类提供了巨大的水资源和能源提供了人类赖以生存和发展的可再生的水资源提供了巨大的能源水车：将太阳能转化为机械能水力发电：将太阳能转化为电能热水资源：以水循环为媒介，利用地热资源水文循环是地球上一切水文现象产生的根源水文循环是地球环境存在和发展最重要的影响因素，因此，可以说研究水文循环是水文学研究的主旋律。2、岩石中的空隙和水分岩石中的空隙岩石中水的存在形式岩石的水理性质基础知识矿物形成作用：岩浆作用、风化作用、区域变质作用矿物：矿物指由地质作用所形成的天然单质或化合物。它们具有相对固定的化学组成，呈固态者还具有确定的内部结构；它们在一定的物理化学条件范围内稳定，是组成岩石和矿石的基本单元。基础知识矿物种类：目前已知的矿物约有3000种左右，绝大多数是固态无机物，液态的（如石油、自然汞）、气态的（如天然气、二氧化碳和氦）以及固态有机物（如油页岩、琥珀）仅占数十种。在固态矿物中，绝大部分都属于晶质矿物，只有极少数（如水铝英石）属于非晶质矿物。来自地球以外其他天体的天然单质或化合物，称为宇宙矿物。由人工方法所获得的某些与天然矿物相同或类同的单质或化合物，则称为合成矿物如人造宝石。矿物原料和矿物材料是极为重要的一类天然资源，广泛应用于工农业及科学技术的各个部门。岩石：矿物的集合体，是组成地壳的主要物质。岩石可以由一种矿物所组成，如石灰岩仅由方解石一种矿物所组成；也可由多种矿物所组成，如花岗岩则由石英、长石、云母等多种矿物集合而成。组成岩石的物质大部分都是无机物质。岩石的固结性分类：松散岩类、固结岩类（基岩）岩石的可溶性：非可溶性岩、可溶性岩岩石的成因分类火成岩：由於岩浆侵入地壳内部，或流出地表面造成熔岩，在经冷却凝固而造成。火成岩是所有岩石中最原始的岩石。沉积岩：由原来已形成的岩石，受到风化作用后变为碎屑，或由生物的遗迹等，再经过侵蚀、沉积、及石化等作用而造成的岩石。这类岩石都成层状，最先沉积者在下部，时代较老；层次愈上者，则时代愈新，这叫做叠置层法则；变质岩：原来的火成岩或沉积岩，再经过地壳运动或岩浆侵入作用所发生的高温和高压与热液的影响，可以改变其原来岩石的结构或组织，或使部分矿物消失，而产生他种新的矿物，因而成为另外一种与原岩不同的岩石，称为变质岩，如大理岩变自石灰岩；板岩变自页岩；石英岩变自砂岩等。岩石中的空隙地下水的储存空间－岩石的空隙孔隙－松散岩层裂隙－基岩溶隙（溶穴）－可溶性岩石空隙性指岩石空隙的大小、多少、形状、分布特点以及连通情况等。这些特性对于地下水的埋藏、分布、运动有重要的影响。岩石中的空隙松散岩层孔隙特点孔隙率（度）：一定体积岩石（包括孔隙）中孔隙体积所占的比例。影响松散岩层孔隙度的因素“理想土”模型颗粒排列方式和密实程度颗粒大小和形状分选程度土壤结构（单粒、团粒结构）其他因素：次生裂隙、根孔、虫孔等%100VVnn裂隙成岩裂隙构造裂隙风化裂隙裂隙性裂隙的方向、宽度、延伸方向、充填情况等。裂隙率VVrKr溶穴发生在可溶性岩石之中具有继承性岩溶率（溶隙率）岩石空隙的特性（均匀性、方向性、连通性）松散岩类：空隙分布均匀、连通性好基岩裂隙：不均匀、具方向性、不同方向裂隙可形成裂隙网络可溶岩溶隙：极不均匀、很强的方向性、容易形成各自的岩溶水流系统。按含水介质的地下水分类含水层（体）：饱含水的透水层（体），或能够透过并给出相当数量水的岩层（体）。孔隙水：储存于松散层中的地下水。裂隙水：储存于基岩裂隙中的地下水。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结合水重力水毛细水毛细水毛细现象：液体表面张力作用下在毛细管中水位上升一定高度的现象。毛细上升高度与毛管直径成反比。岩石孔隙－等效于弯曲的毛细管－在地下水面以上必然有毛细水。结论：松散岩层的颗粒越粗，孔隙越大，则毛细上升高度越小。岩石的水理性质岩石的水理性质－即岩石孔隙类型、大小与水的存在形式之间的关系，主要的定量指标：容水度：岩石完全饱和时所能容纳水的最大体积与岩石总体积之比含水量重量含水量体积含水量：岩石中水的体积与岩石体积（包括孔隙和水的体积）之比。（土壤的凋萎含水量、田间持水量、毛管断裂含水量等）给水度（）：单位体积的饱和岩石，在重力的作用下释出水的体积。或：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，在重力作用下释出的水的体积。（应用：重要的水文地质参数，区域水资源评价）持水度（Sr）：地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持在岩石孔隙中的水的体积。透水性：岩石允许水通过的能力，定量指标－渗透系数。3、地下水赋存条件地下水面：地表以下一定深度，岩石中的孔隙被重力水所充满，则形成地下水面。饱水带：地下水面以下岩石。包气带：地下水面以上，未被水充满的岩层。支持毛细带中间带土壤水带水文地质学研究的重点是饱水带。但包气带作为补给通道作用也不容忽视。地下水赋存含水层定义：饱含水的透水层，或能够透过并给出相当数量水的岩层。辨异：饱含水的弱透水层（粘土、沿粘土等）；不含水的透水层（沙漠、被疏干的含水层等）隔水层定义：不透水的岩层，或不能透过并给出一定水量的岩层。辨异：隔水层的相对性，并非完全隔水－弱透水层含水层和隔水层的相对性和对立统一性地下水赋存地下水分类：1.包气带水(上层滞水)；2.潜水；3.承压水；潜水含水层；承压含水层地下水赋存潜水定义：饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水。特点：无隔水顶板，积极参与水循环（补给、排泄）；动态随季节变化明显；重力释水；易受污染；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承压水定义：充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水。特点：承压性－承压含水层水头高于隔水顶板（辨异：层间水）；有隔水顶板，参与水循环不积极（补给、排泄），超采后不易恢复；动态随季节不变化明显；弹性释水；不易受污染。承压水的几个基本概念4、地下水运动的基本规律达西定律达西定律的应用等水位线和流网读图：承压含水层等压线图达西定律概念渗流：地下水在岩石空隙中的运动。特点：运动缓慢；不规则；不连续（不是空间的连续函数）。渗流场：发生渗流的区域。层流：水的质点作有秩序的、互不混杂的流动。紊流：水的质点无序的、互相混杂的流动。稳定流：各运动要素不随时间变化的水流。非稳定流：运动要素随时间变化的水流。达西定律Q-渗透流量(L3T-1)；-过水断面(L2)；h-水头损失(水头差，L)；L-渗透途径(L)；K-渗透系数(LT-1)；I-水力梯度(无量纲)。物理意义地下水由水头（位）高处向低处流动，流速大小与水力梯度成正比，比例系数即为渗透系数。（Fick定律）IKVIKQVIKLhKQ达西定律讨论过水断面：是指垂直于流向横断面积，包括颗粒和孔隙所占据的面积的总和，是一种假想的过水断面面积，实际孔隙面积为：en渗透速度是一种假想流速，是平均到整个假想过水断面上的流速。地下水在孔隙中的实际流动速度要大于渗透速度，水质点的平均实际流速为：水力梯度（I）沿渗透途径水头损失与相应途径长度的比值。水力梯度可表示为：enVu,......-,-,dxdhdsdhLh渗透系数（K）岩石渗透性能的定量指标，在数值上等于单位水力梯度条件下的渗流速度。量纲：LT-1。影响因素：孔隙大小、多少颗粒大小分选程度问题：是否松散岩层的孔隙度越大，渗透系数越大？用途：重要的水文地质参数，用于水资源评价，建立地下水模型渗透系数（K）如何得到K值？室内试验，缺点：扰动，点参数均衡计算，区域平均值，缺点：精度低模型反演：建立数学模型，通过调整参数，拟合实际观测水位，确定水文地质参数。数值法：解析法：注意：用稳定流模型求参，只能求得K值，而不能通过反演等到给水度值。而非稳定流模型可得到两者。松散岩石渗透系数参考值：名称粒径（mm）渗透系数（m/d）名称粒径（mm）渗透系数（m/d）亚粘土0.005-0.010.001——0.10中砂0.5-0.255.0——20.0亚砂土0.01-0.050.10——0.50粗砂1-0.520.0——50.0粉砂0.05-0.10.50——1.00砾石2-2050.0——150.0细砂0.25-0.11.00——5.00卵石20-200100.0——500.0达西定律的应用求断面流量已知某均质含水层，剖面如右图所示，含水层渗透系数为K，沿径流方向有两个水位观测孔，孔间距为L，两观测孔观测水位分别为Ha和Hb，求：沿地下水流方向的单宽流量。根据达西定律：设K＝100m/d;Ha=51m;Hb=49m;L=1000m。得：Q=10m3/d·m22221bababaHHLKLHHHHIMKIKQ