水文地质学考试基本重点

'第一章绪论水文地质学：狭义：研究地下水的科学。广义：研究地下水圈的科学。水文地质分支：地下水动力学水文地球化学供水水文地质学矿床水文地质学农业水文地质学区域水文地质学古水文地质学地下水的主要功能：1、地下水是一种宝贵的资源（resources）a)供水水源：分布广，变化稳定，水质好不易污染。b)液体矿产：地下水高含盐类或稀有元素，具工业开采价值。2、地下水是极其重要的生态环境因子，地下水的变化会影响生态环境的天然平衡3、地下水是一种很活跃的地质营力─地壳内能量、热量的传输者4、地下水是（地球内部地质演变的）信息载体，由于地下水是应力传递者，又在流动；地下水位、水量、水温、水化学成分等的变化或异常可以反映地下的许多信息。5、灾害因子：地下水污染、海水入侵、过量开采导致地面下沉、饱和砂土振动液化、管涌突水、大型工程中地址问题、核燃料排放等。第二章地球中水的分布与循环水循环：自大气圈到地幔的地球各个圈层中的水构成的系统中水相互联系、相互转化的过程叫做自然界的水循环。自然界的水循环分为水文循环和地质循环两类。地质循环：地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程。水文循环：发生于大气水、地表水和（岩石空隙中的）地下水之间的水循环。水循环的作用：通过水循环水质得以净化、水量得以更新再生。循环原因：　　　a：内因：固液气三相水可以相互转化　　　b：外因：太阳辐射使得水体蒸发，地球重力使水降落到地面。循环环节：蒸发－运移－降水－径流循环类型：a：大循环（洋陆之间）：陆海之间的水分交换b：小循环：海陆内部的水分交换c：内循环：水循环的作用（对水）：　a：促进天然水的更新　b：促进海洋和大气水的交换，也促进大陆内部不同流域内的水交换；　　c：促进各个圈层之间的交换（大气圈、生物圈、水圈、岩石圈）研究水循环的意义：加强小循环，阻截大循环水循环的研究意义：水循环把水圈中的所有水体都联系在一起，它直接涉及到自然界中一系列物理的、化学的和生物的过程。水循环对于人类社会及生产活动有着重要的意义。水循环的存在，使人类赖以生存的水资源得到不断更新，成为一种再生 资源，可以永久使用；使各个地区的气温、湿度等不断得到调整。此外，人类的活动也在一定的空间和一定尺度上影响着水循环。研究水循环与人类的相互作用和相互关系，对于合理开发水资源，管理水资源，并进而改造大自然具有深远的意义。中国地下水分区：我国地下水分为4个大区、8个亚区(1)东部湿润半湿润平原丘陵区处于我国最低一级地形阶梯。地质结构、地势及气候均有利于发育地下水。本区人口密集、工农业越发达地下水开采强度大污染也最为严重。本区包括三个亚区分别为东北湿润半湿润平原亚区黄淮海湿润平原丘陵亚区华南湿润丘陵亚区。南海诸岛属于本区。海岛上淡地下水稀缺零星分布于海水形成的地下咸水之上。(2)中部气候复杂高原山地盆地区气候、地形及地质结构变化复杂。受特定自然地理地质背景控制地下水分布很不均匀。本区包括三个亚区分别为内蒙古干旱半干旱高原亚区晋陕干旱半干旱黄土高原及山间盆地亚区川滇黔湿润岩溶高原盆地亚区。(3)西北干旱山地盆地荒漠区除西北部外均为降水小于200mm的干旱区。在构造控制下形成高山和大型盆地相间分布。本区地表水和地下水转换复杂气候干热易于盐渍化。(4)青藏半干旱冻土高原区长期构造隆升构成半干旱冻土高原。降水及高山雪水共同补给地表水和地下水。湖盆及河谷地带多发育孔隙水物理风化强烈使基岩裂隙水普遍发育。西北部降水稀少地下水贫乏。东南部为半湿润高山峡谷较为湿润温暖宜牧宜农宜林也是潜在的水能开发区。第一章岩土中的空隙和水空隙：岩、土中各种类型空洞的总称。空隙是地下水的赋存场所和运移通道。空隙的特征（空隙的多少、大小、形状、联通状况和分布规律）决定着地下水的埋藏、分布和运动。空隙特征的比较：由空隙所构成的岩石称为含水介质。含水介质有三种：孔隙介质、裂隙介质、溶穴介质。·连通性—孔隙介质最好，其它较差·空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀；孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊·空隙率—孔隙介质最大，裂隙最小·渗透性—孔隙介质属各向同性，裂隙与溶穴为各向异性造成空隙介质差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的地质环境差异。孔隙（pore）:松散岩石颗粒间的空隙空隙分为裂隙（fissure）:坚硬岩石破裂产生的空隙溶穴（cave）:可溶性岩石被溶蚀后产生的空隙孔隙性：岩土孔隙的大小、分布规律、数量、形状、性质、联通情况等的总称。孔隙度：岩石孔隙体积与岩石总体积之比。n=Vn/V影响孔隙度大小的因素主要有：v颗粒排列v分选v胶结充填程度v结构及次生孔隙分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度愈差，孔隙度愈大；反之愈小；粘性土的 孔隙度还取决于其结构及次生孔隙。毛细水：土体中受毛细管作用保持在自由水面以上的水。结合水：固相表面引力大于自身重力的水。重力水：又称自由水(freewater)。岩土中在重力作用下能自由运动的地下水。容水度：指岩土完全饱水时所容纳的水的体积与岩土体积的比值。反映岩石最大含水能力；注意：除粘土容水度大于孔隙度外，岩石容水度一般与空隙度相当。含水量：指松散岩土孔隙中包含的水与岩土体积的比值。给水度：指地下水下降单位高度时，释放水的体积和疏干体积的比值，记作μμμμ。松散岩土给水度的影响因素：岩性（颗粒大小、分选）、地下水位下降速度、初始地下水位埋深、土层结构（粗细颗粒成层分布状况）。持水度：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于岩石空隙中的水量。渗透性：反映岩土透过水的能力有效应力原理1925年，太沙基（K.Terzaghi）提出 有效应力原理：有效应力=总应力-孔隙水压力 有效应力：岩土骨架所承受的应力。在封闭（或相对封闭）条件下，上覆载荷的总应力（σ），由饱水岩土骨架应力（σ′，即有效应力）与孔隙水压力（u）共同承受。σ=σ′+u 有效应力有：σ′=σ–u 有效应力原理应用范围（1）孔隙水压力是连续的，对于岩土体任意水平都适用（2）对于饱水含水层（或含水体），封闭（或相对封闭）是孔隙水压力形成的必要前提（3）有效应力原理不仅适用于土体，也适用于岩体 第一章地下水的赋存含水层：能够透过并给出相当数量水的饱水岩层。隔水层：不能透过与给出水，或者透过与给出的水量微不足道的岩层。不透水层通常称为隔水层。弱透水层：渗透性很差，给出水微不足道，但在较大水力梯度作用下，具有一定透水性能的岩层。潜水：饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水。承压水：充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水量中的水。上层滞水：狭义：包气带中局部隔水层（弱透水层）上面积聚的具有自由水面的重力水。广义：同包气带水，包括有毛细水，结合水和过路重力水。越流：在天然条件下,上、下含水层之间夹有半透水层,在水头差作用下,高水头含水层的水通过半透水层渗透而进入水头低的含水层的现象。如何判断河水、地下水补给关系：地下水的潜水水位高于河水水位——地下水补给河水地下水的潜水水位低于河水水位——河水补给地下水地下水的潜水水位一侧高于河水水位、另一侧低于河水水位——即一侧是地下水补给河水、另一侧是河水补给地下水第二章地下水运动的基本规律(一)达西定律 根据试验结果，得到关系式：Q=Kωh/l其中：根据I=h/l可以推出：Q=KωI其中：Q-渗透流量(L3T-1)；w-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)。(一)渗透流速根据水力学流速与流量的关系：Q=ω·V则Q=KωI可简化为V=K·I，称为渗透流速。公式V=K·I，为单位面积上的流量，称比流量。渗透流速与水力梯度是一次方成正比，故达西定律又称为线性渗透定律。渗透流速与水力梯度是一次方成正比，故达西定律又称为线性渗透定律。渗透流速与水力梯度是一次方成正比，故达西定律又称为线性渗透定律。流网：渗流场某一典型剖面或切面上，由一系列等水头线与流线组成的网格。（剖面流网、平面流网等水头线（equipotentiallines）：在某时刻，渗流场中水头相等各点的连线（水势场的分布）流线（flowlines）：某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上各个水质点的流速方向都与这条曲线相切流网的绘制：先按流动趋势画出流线，然后根据流网正交性画出等势线，形成流网。如发现所画的流网不成曲边正方形时，需反复修改等势线和流线直至满足要求。1、分析边界条件,根据边界性质画出易确定的等水头线和流线2、确定源、汇，控制流线的趋向3、画出渗流场周边流线4、中间内插，画其他流线等单宽流量控制流线根数5、等水头差确定等水头线间隔6、按正交规则画等水头线第一章包气带水包气带：地面以下潜水面以上的地带。也称非饱和带，是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换的地带,它是岩土颗粒、水、空气三者同时存在的一个复杂系统。饱水带：是在地下水面以下，土层或岩层的空隙全部被水充满的地带。含水层都位于饱水带中。饱水带岩层按其透过和给出水的能力，可分为含水层和隔水层。包气带水垂直分布：土壤水带→中间带→支持毛细水→毛细饱和水带上层毛细水带:由地表向下某一深度内含水量为一定值，相当于残留含水量（Wc）。构成残留含水量的包括结合水、孔隙毛细水与部分悬挂毛细水（图a—①），是反抗重力保持于土中的最大持水度。这部分水与其下的支持毛细水及潜水不发生水力联系。支持毛细水带:由此往下，进入支持毛细水带，含水量随着接近潜水面而增高（图a—②）。 毛细饱和带:在潜水面之上有一个含水量饱和（体积含水量等于孔隙度）的带，称为毛细饱和带（图a—③）。第一章地下水的化学组分及其演变1.溶滤作用：是指地下水与岩土相互作用、岩土中一部分物质转入到地下水中的作用。2.蒸发浓缩作用：指地下水通过蒸发排泄而引起水中成分的浓缩，使水中盐分浓度增大、矿化度增高的现象。3.脱碳酸作用脱碳酸作用是在温度升高、压力降低的情况下CO2自水中逸出而HCO3-含量则因形成碳酸盐沉淀减少的过程。4.脱硫酸作用：脱硫酸作用是在封闭缺氧的还原环境中，在有机物和脱硫酸细菌作用下，硫酸盐被分解成H2S和HCO3-的生物化学过程。5.阳离子交替吸附作用：阳离子交替吸附作用是地下水与岩石相互作用，岩石颗粒表面吸附的阳离子被水中阳离子置换，并使水化学成分发生改变的过程。6．混合作用：混合作用是指两种或两种以上不同成分水之间的混合，使原有水的化学成分发生改变的作用。有时发生化学反应，第二章地下水的补给与排泄地下水是通过补给与排泄两个环节参与自然界的水循环补给：含水层或含水系统从外界获得水量的过程 排泄：含水层或含水系统向外界排出水量的过程地表水补给地下水：l地表水体（河、湖、水库等）都可以成为地下水的补给来源。l河流补给:因地而异（空间上），不同部分，岩性等；因时而异（时间上），不同季节，不同补排关系。Ü比较长年性河流与季节性河流对地下水的补给的异同点；Ü河流补给的主要影响因素有哪些？Ü如何确定河水对地下水的补给量？l地表水补给地下水的必要条件有哪些：（1）有水力联系（2）地表水水位高于地下水水位1.地表水补给：A.条件：①地表水位高于地下水②两者之间存在水力联系B.地表水入渗补给量计算地表水补给地下水的计算公式为Q=K·I·A·T·sinq其中：K为渗透系数；I为水力梯度；A为过水断面面积；T为补给时间；q为河水流向与地下水流向之间的夹角。补给量Q与A、I、T、K成正比关系。C.地表水补给地下水影响因素①透水河床的长度和浸水周界的乘积（相当于过水断面），过水断面大，补给量就大。②河床的透水性，亦即河床岩性的渗透系数，渗透系数大，补给量就大。③河水位与地下水的高差，影响水力梯度，水力梯度大补给量就大。④河水过水时间，过水时间长有利于河水补给地下水。⑤河水流向与地下水流向之间的夹角。泉是地下水的天然露头，多为“点”状，属径流排泄泉的出露是地形、地质与水文地质条件有机结合的结果，据补给泉的含水层类型可将泉划分为上升泉、下降泉。1.下降泉(出露潜水含水层中的泉）根据出露条件又将下降泉分为：â侵蚀泉：地形切割到潜水面â接触泉：地形切割至隔水底板â溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉2.上升泉（出露于承压含水层中的泉）上升泉根据出露条件分为：侵蚀泉，断层泉，接触带泉。侵蚀泉：河流冲沟切穿承压含水层的隔水顶板断层泉：水沿断裂带上升在地面高程低于测压水位处涌溢地表接触带泉：地下水沿有隙缝的接触带上升成泉。泉综合定名法：首先是空隙性质（定出类型），其次是出露原因（成因），最后是性质。泉名=空隙性质+成因+水的性质例：岩溶+接触带+上升泉 第一章地下水流系统地下水系统是个广义的泛指概念从不同研究角度，不同学者的定义，归纳起来可划分为二大类（1）地下水含水系统（2）地下水流动系统地下水含水系统是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系地下水流动系统是指从源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体地下水含水系统与地下水流动系统的比较a.两者的共同点突破了把单个含水层作为功能单元的传统（system≠aquifer）力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体c.两者的关系：①通常情况下，一个大的含水系统可以包含若干个流动系统②两者都可以进一步划分为子系统——分层次的：子系统是不同、大的系统是一致的–流动系统在人为流动影响下，规模、数量均会发生变化，但变化受到大的含水系统边界的、制约，通常不会越出大的含水系统边界地下水动态：地下水各种要素（水位、水量、化学成分、气体成分、温度、微生物等）随时间的变化地下水均衡：某一时段、某一范围内地下水水量（盐量、热量等）的收支状况。第十一章孔隙水孔隙水：主要赋存在松散沉积物颗粒间孔隙中的地下水孔隙水的特点：•水量空间分布均匀，连续性好•一般呈层状分布（与岩层分布一致） •同•一含水层中的孔隙水具有密切的水力联系，并具有统一的地下水位•孔隙水的流动通常呈层流流态，符合达西定律洪积扇中地下水分布：第十二章裂隙水裂隙水：分布较广的构造裂隙水的特点：£分布不均匀有的地方打井有水，有的地方无水£水力联系不统一性£渗透的各向异性KX≠KY分类：脉状裂隙水（veinywater）：构造裂隙水层状裂隙水（stratiformwater)成岩裂隙发育的岩层，风化裂隙层断裂带的水文地质意义：贮水空间作用£集水廓道作用£导水通道作用£隔水屏障作用（隔水边界）第十三章岩溶水岩溶：是水与可溶性岩石相互作用的产物。作用过程包括：溶解、迁移、沉积。作用形式：溶蚀、冲蚀、侵蚀。作用结果：形成各种岩溶形态。岩溶水：赋存于可溶性岩层的溶蚀裂隙和洞穴中的地下水。岩溶水的特征：岩溶水的运动特征 ------岩溶系统的空隙网络构成决定的l层流与紊流共生l有压与无压共存l运动方向的不同步（局部与整体不一致）l2、岩溶水的补给，排泄与动态l补给方式——l灌入式，入渗系数大（60—80%南方，北方30%）l排泄——l集中大泉径流—排泄l动态——l很不稳定，岩溶程度愈高，愈不稳定l北方与南方的差异l水位变化也不一致3、岩溶水系统的圈定----研究较复杂£是含水系统边界与地表河水系统范围的结合£是地上与地下的结合岩溶发育的条件：岩溶：是水与可溶岩发生化学作用和岩土机械破坏的结果（与溶滤作用是不同）1、发育的基本条件（水与岩土两大类）(1)可溶岩层的存在：碳酸盐岩：灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩；结构：豹皮灰岩，生物碎屑灰岩，厚层状，薄层状(2)可溶岩必须透水——裂隙的发育--初始裂隙，断层发育决定了→洞(3)水具侵蚀性从开放体系中的平衡（碳酸）过程来分析l在上述模式中：*第一条途径（水与气）增加H+*第二条途径则产生CO32-l结果：增加Ca2+HCO3-lCO2的参与是岩溶发育的另一重要前提，也是影响因素之一[CO2来源：浅层大气与土壤层，深部来源尚无定论]4.水的流动性→地下水的循环交替是岩溶发育的充分必要条件l其作用：不断更替补充具侵蚀性的水；将溶解与侵蚀的物质带走----留下空洞（岩溶）岩溶水系统的演变：1、地下水流对介质的改造地下水流对介质改造的作用结果：1、介质改造愈强烈，机械破坏也愈强2、介质改造后，地下岩体中出现各种规模洞穴3、地表形成溶斗，落水洞以及各种规模的洼地，汇集降水4、介质导水能力增加，地下水位总体下降，水面以上岩体或洞穴失去进一步发展的水动力条件5、地下河系发生袭夺，河系归并，地下河系的流域不断扩大岩溶水系统演变过程：（1）岩溶发育初期流动系统（2）局部岩溶水系统形成 （3）岩溶水系统的袭夺（4）统一的地下水河系的形成发育：垂直落水洞，溶斗，过水溶洞（无水）常年有水地下河道第十五章地下水与环境地质灾害：是指在自然或者人为因素的作用下形成的，对人类生命财产、环境造成破坏和损失的地质作用（现象）。地面沉降：又称为地面下沉或地陷。它是在人类工程经济活动影响下，由于地下松散地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降运动（或工程地质现象）。地裂缝”：地面裂缝的简称。是地表岩层、土体在自然因素（地壳活动、水的作用等）或人为因素（抽水、灌溉、开挖等）作用下，产生开裂，并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种宏观地表破坏现象。滑坡：是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象。岩溶塌陷：是指在岩溶地区，下部可溶岩层中的溶洞或上覆土层中的土洞，因自身洞体扩大或在自然与人为因素影响下，顶板失稳产生塌落或沉陷的统称。地下水与生态环境和地质环境的关系：地下水分布广泛、对外界响应敏感，是最普遍而活跃的环境因子，它是维护陆地、淡水水域乃至近海生态系统健康运行的重要前提，有此可见，地下水对于地球生态环境与地质环境有着重要的影响，不适当的人类活动会干扰地下水，进而引发或导致一系列的地质灾害，引起生态系统退化，促使环境恶化，以人类超采地下水为例，具体表现为以下几点。1、地下水对河流的补给作用，对维护河流和梳域的生态系统的活性有着重要的意义。由于多年集中超量开采地下水，使地下水位大幅度下降，导致依赖地下水补给的河流断流，在雨季河流水体反而补给地下水，从而缩短了河流丰水期的时间，加速了河流的断流。2、超采地下水引起地下水位大幅度下降后，能使泉群消失和湖泊、沼泽干涸。3、因为连年超量开采地下水，地下水水位大幅度下降，引起地层压密面沉降现象，造成地面沉降，产生地裂缝。4、在干旱与半干旱地区，尤其是春、秋、冬季，大量开采地下水，使地下水位持续大幅度下降，地表植被生长困难，从而加剧了土地的沙化。5、地下水位大幅度下降，破坏了风景区的自然景观，极大地影响了风景区的旅游价值。由于以上原因，所以我们提倡优先保障生态环境需水，不要乱开乱采地下水，地下水与生态环境问题，已经成为当代水文地质学研究的热点和前沿。'