2025年水文地质学基础笔记.pdf

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此,补给、排泄与径流决定着地下水水量水质在空间与时间上的分布含水层或含水系统从外界获得水量的过程称作补给地下水的补给来源有大气降水、地表水、凝结水,来自其它含水层或含水系统的水等。与人类活动有关的地下水补给有灌溉回归水、水库渗漏水,以及专门性的人工补给松散沉积物中的降水入渗存在活塞式与捷径式两种活塞式下渗:入渗水的湿锋面整体向下推进,犹如活塞的运移捷径式入渗:降水强度较大,细小孔隙来不及吸收全部水量时,一部分雨水将沿着渗透性良好的大孔隙通道优先快速下渗,并沿下渗通道水分向细小孔隙扩散。存在比较连续的较强降雨时,下渗水通过大孔道的捷径优先到达地下水面砂砾质土中主要为活塞式下渗,而在粘性土中则活塞式与捷径式下渗同时发生落到地面的降雨,有三个去向:转化为地表径流,腾发返回大气圈,下渗补给含水层河水补给地下水时,补给量的大小取决于下列因素:透水河床的长度与浸水周界的乘积(相当于过水断面),河床透水性(渗透系数),河水位与地下水位的高差(影响水力梯度)以及河床过水时间大气降水与地表水是地下水的两种主要补给来源,从空间分布上看,大气降水属于面状补给,范围普遍且较均匀;地表水则可看作线状补给,局限于地表水体周边。从时间分布比较,大气降水持续时间有限而地表水体持续时间长,或是经常性的。在地表水体附近,下水接受降水及地表水补给,开采后这一补给还可加强,因此地下水格外丰富干旱地区的山间盆地降水稀少,它对地下水的补给微不足道。发源于山区,依靠高山冰雪融水或降水供给水量的河流,往往成为地下水主要的,甚至唯一的补给来源潜水和承压水含水层接受降水及地表水补给的条件不同。潜水在整个含水层分布面积上都能直接接受补给,而承压水仅在含水层出露于地表,或与地表连通处方能获得补给。因此,地质构造与地形的配合关系,对:..博观而约取,厚积而薄发。——苏轼承压含水层的补给影响极大大气降水及河水补给地下水水量的确定:,大气降水入渗补给地下水的量通常可用下式确定:Q=X*α*F*1000,式中:Q—降水入渗补给地下水量(m3/a);X—年降水量;α—入渗系数;F—补给区面积(km2),基岩山区大气降水、地表水与地下水的转换情况比较复杂,由于山区地形切割,地下水位埋藏深度大,地下水的蒸发排泄量可以忽略,大体上可认为山区地下水的补给量等于其排泄量,故可通过测定地下水排泄量反求其补给量凝结水的补给:在某些地方,水汽的凝结对地下水的补给有一定意义。饱和湿度随温度降低,温度降到一定程度,空气中的绝对湿度与饱和湿度相等。温度继续下降,超过饱和湿度的那一部分水汽,便凝结成水。这种由气态水转化为液态水的过程称作凝结作用相邻含水层通过其间的弱透水层发生水量交换,称作越流。越流经常发生于松散沉积物中,粘性土层构成弱透水层含水层或含水系统失去水量的过程称作排泄含水层(含水系统)的排泄包括排泄去路、排泄条件与排泄量地下水通过泉、向河流泄流及蒸发、蒸腾等方式向外界排泄。此外,还存在一个含水层(含水系统)向另一含水层(含水系统)的排泄。用井孔抽汲地下水,或用渠道、坑道等排除地下水,均属地下水的人工排泄泉是地下水的天然露头,在地形面与含水层或含水通道相交点地下水出露成泉。山区丘陵及山前地带的沟谷与坡脚,常可见泉。而在平原地区很少有根据补给泉的含水层的性质,可将泉分为上升泉及下降泉两大类。上升泉由承压含水层补给,下降泉由潜水或上层滞水补给根据出露原因,上升泉可分为侵蚀(上升)泉、断层泉及接触带泉根据出露原因,下降泉可分为侵蚀泉、接触泉与溢流泉当河流切割含水层时,地下水沿河呈带状排泄,称作地下水的泄流低平地区,尤其干旱气候下松散沉积物构成的平原与盆地中,蒸发与蒸腾往往是地下水主要的排泄方式地下水的蒸发排泄实际上可以分为两种:一种是与饱水带无直接联系的土壤水的蒸发,另一种是饱水带—潜水的蒸发植物生长过程中,经由根系吸收水分,在叶面转化成气态水而蒸发,这便是叶面蒸发,也称蒸腾地下水获得矿化度与化学类型不同的补给水,水质也因而发生变化。干旱地区的潜水往往因长期蒸发浓缩而成为高矿化水。在那些经常获得低矿化水补给的地段,如河流沿岸,季节性集水洼地,灌渠两侧等,常可找到适于饮用的淡水透镜体地下水的排泄,根据其对水质影响可分为两大类:一类是径流排泄,包括以泉、泄流等方式的排泄在内,其特点是盐随水走,水量排走的同时也排走盐分。另一类是蒸发排泄,其特点是水走盐留将补给、排泄结合起来,我们可以划分为两大类地下水循环;渗入—径流型和渗入—蒸发型。前者,长期循环的结果,使岩土与其中赋存的地下水向溶滤淡化方向发展;后者,长期循环,使补给区的岩土与地下水淡化脱盐,排泄区的地下水盐化,土壤盐渍化地下水系统地下水系统包含地下水含水系统和地下水流动系统地下水含水系统是指由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。显然,一个含水系统往往由若干含水层和相对隔水层(弱透水层)组成。然而,其中的相对隔水层并不影响含水系统中的地下水呈现统一水力联系地下水流动系统是指由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我们说含水系统是由隔水或相对隔水岩层圈闭的,并不是说它的全部边界都是隔水或相对隔水的。除了极:..子曰:“知者不惑,仁者不忧,勇者不惧。”——《论语》少数构造封闭的含水系统以外,通常含水系统总有某些向环境开放的边界,以接受补给与进行排泄。这种开放边界不仅出现于表面,而且也存在于地下含水系统在概念上是含水层的扩大,因此,关于含水层的许多概念均可应用于含水系统在各级流动系统中,补给区的水量通过中间区输向排泄区。因此,以中间区为标准,补给区是水分不足区,地表水稀少,地下水埋藏深度大,土壤含水量低,多分布耐旱植物;排泄区是水分过剩区,地下水埋深浅,土壤含水量高,多沼泽、湿地与泉,多喜水植物。在干旱区则出现盐渍地,多分布耐盐植物。在岩层透水性特别良好的岩溶发育区,这种水分分布不均匀现象尤为突出在地下水流动系统中,任一点的水质取决于下列因素:(a)输入水质;(b)流程;(c)流速;(d)流程上遇到的物质及其可迁移性;(e)流程上经受的各种水化学作用地下水的动态与均衡含水层(含水系统)经常与环境发生物质、能量与信息的交换,时刻处于变化之中。在与环境相互作用下,含水层各要素(如水位、水量、水化学成分、水温等)随时间的变化,称作地下水动态地下水动态是含水层(含水系统)对环境施加的激励所产生的响应,也可理解为含水层(含水系统)将输入信息变换后产生的输出信息如果我们把地下水动态看作是含水层(含水系统)连续的信息输出,就可将影响地下水动态的因素分为两类,一类是环境对含水层(含水系统)的信息输入,如降水、地表水对地下水的补给,人工开采或补给地下水,地应力对地下水的影响等;另一类则是变换输入信息的因素,主要涉及赋存地下水的地质地形条件潜水与承压水由于排泄方式及水交替程度不同,动态特征也不相同潜水及松散沉积物浅部的水,可分为三种主要动态类型:蒸发型、径流型及弱径流型承压水均属径流型,动态变化的程度取决于构造封闭条件。构造开启程度愈好,水交替愈强烈,动态变化愈强烈,水质的淡化趋势愈明显开采孔隙承压水时,由于孔隙水压力降低而上复载荷不变,作为含水层的砂砾层及作为弱透水性的粘性土层都将压密释水,砂砾层的弹性给水度与粘性土的贮水系数都将变小孔隙水孔隙水赋存于松散沉积物颗粒构成的孔隙网络之中。在我国,第四系与部分第三系属未胶结或半胶结的松散沉积物,赋存孔隙地下水洪积扇中的地下水冲积平原中的地下水湖积物中的地下水黄土高原的地下水裂隙水坚硬基岩在应力作用下产生各种裂隙:成岩过程中形成成岩裂隙;经历构造变动产生构造裂隙,风化作用可形成风化裂隙贮存并运移于裂隙基岩中的裂隙水,往往具有一系列与孔隙水不同的特点裂隙水按其介质中空隙的成因可分为成岩裂隙水、风化裂隙水、构造裂隙水。由于其各自所赋存介质的不同,其空间分布、规模及水流特性存在一定的差异成岩裂隙是岩石在成岩过程中受内部应力作用而产生的原生裂隙。沉积岩固结脱水、岩浆岩冷凝收缩等均可产生成岩裂隙沉积岩及深成岩浆岩的成岩裂隙通常多是闭合的,含水意义不大陆地喷溢的玄武岩成岩裂隙最为发育,此类成岩裂隙大多张开且密集均匀,连通良好,常构成贮水丰富、导水通畅的层状裂隙含水系统:..太上有立德,其次有立功,其次有立言,虽久不废,此谓不朽。——《左传》暴露于地表的岩石,在温度变化和水、空气、生物等风化营力作用下形成风化裂隙。风化裂隙常在成岩裂隙与构造裂隙的基础上进一步发育,形成密集均匀、无明显方向性、连通良好的裂隙网络。风化营力决定着风化裂隙层呈壳状包裹于地面,一般厚度数米到数十米,未风化的母岩往往构成相对隔水底板,故风化裂隙水一般为潜水,被后期沉积物覆盖的古风化壳可赋存承压水造裂隙是在地壳运动过程中岩石在构造应力作用下产生的,它是所有裂隙成因类型中最常见、分布范围最广、与各种水文地质工程地质问题关系最密切的类型,是裂隙水研究的主要对象。通常我们说裂隙水区别于孔隙水,具有强烈的非均匀性、各向异性、随机性等特点也主要是针对构造裂隙水而言的随着深度加大,围压增加,地温上升,岩石的塑性加强,裂隙张开性变差。因此裂隙岩层的透水性通常随深度增大而减弱不同规模、不同方向的裂隙通道相互连通为导水裂隙网络形成裂隙含水系统。由于岩性变化和构造应力分布不均匀,通常很难在整个岩层中形成分布均匀、相互连通的张开裂隙网络。夹于塑性岩层中的薄层脆性岩石,由于变形时应力分布均匀、整个岩层中形成密集均匀的张裂隙。岩石暴露地表之后,在风化和卸荷作用下,各种裂隙普遍张开,形成整个风化层内普遍连通的裂隙网络。某些地区的玄武岩在冷凝过程中形成密集均匀而有规律的裂隙网络。这些岩层中的裂隙密集均匀,构成整个岩层内具有统一水力联系的层状裂隙含水系统裂隙含水系统通常具有树状或脉状结构,一些大的导水通道作用突出,使裂隙水表现出明显的不均匀性,有时表现出突变性。钻孔或坑道如未揭露系统中的主干裂隙,由于次一级裂隙的集水能力有限,水量不大,只揭露微小裂隙时便基本无水。但一旦钻孔或坑道揭露含水裂隙网的主干裂隙,就如在干渠中取水一般,广大范围内裂隙网络中的水便逐级汇于主干通道,出现相当大的水量。在同一裂隙岩层中打井或开挖坑道时,水量之所以相差悬殊,正是由于一个裂隙含水系统是不同级次裂隙的集合体,而同一岩层中又可能包含着若干个规模不同互不联系的裂隙含水系统的缘故目前研究裂隙介质渗流的方法可分为三类:等效多孔介质方法、双重介质方法、非连续介质方法等效多孔介质方法就是用连续的多孔介质的理论来研究非连续裂隙介质中的问题有些介质如未充分胶结的中粗粒砂岩、经过溶蚀的灰岩、白云岩等,存在两种导水能力相差悬殊的空隙空间。其中的大空隙如裂隙、溶蚀裂隙、溶蚀孔隙等,导水能力比较强;小空隙如原生孔隙、微小裂隙、溶蚀小孔等,导水能力很低,但为数众多,贮存能力不可忽略。为了比较准确地刻画这一类介质,可以分别用两种等效的多孔介质去近似代替大小两种空隙,这种方法称为双重介质方法非连续介质方法可以准确计算出裂隙网络内任意一点的水头、孔隙水压力、渗透速度、流量等,是研究裂隙渗流的一种比较理想的方法。但其缺点是对实际资料的要求很高,计算复杂,要求用电网络模拟或计算机模拟。目前常用于针对裂隙渗流本质的理论研究,实际工作中主要用于需要确定孔隙水压力与流速的情况。适用于研究区域比较小、工作程度比较高的水文地质工程地质问题(如岩体高边坡稳定性、地下硐室围岩稳定性等)断层两盘的岩性及断层力学性质,控制着断层的导水—贮水特征。发育于脆性岩层中的张性断裂,中心部分多为疏松多孔的构造角砾岩,两侧一定范围内则为张开度及裂隙率都增大的裂隙增强带,常具良好的导水能力岩溶水水对可溶岩石进行化学溶解,并伴随以冲蚀作用及重力崩坍,在地下形成大小不等的空洞,在地表造成各种独特的地貌现象以及特殊的水文现象,上述作用及由此产生的各种现象称为岩溶(喀斯特)。岩溶可以划分为地表岩溶和地下岩溶,此处主要讨论与岩溶水密切相关的地下岩溶赋存并运移于岩溶化岩层中的水称为岩溶水(喀斯特水)。由于介质的可溶性以及水对介质的差异性溶蚀;岩溶水在流动过程中不断扩展介质的空隙,改变其形状,改造着自己的赋存与运动的环境,从而改造着自身的补给、径流、排泄与动态特征。岩溶水系统是一个能够通过水与介质相互作用不断自我演化的动力系统:..穷则独善其身,达则兼善天下。——《孟子》卤化物岩(岩盐、钾盐、镁盐),硫酸盐岩(石膏等)及碳酸盐岩(石灰岩、白云岩、大理岩)等都是可溶岩。卤化物盐类和硫酸盐类岩石分布不广,岩体较小,而碳酸盐类岩石分布广,岩体大,具有普遍意义。因此我们仅对分布最广最有实际意义的碳酸盐岩进行讨论。可溶岩作为岩溶发育的物质基础,其成分与结构对岩溶发育的控制作用包括两个方面,一是它作为溶解对象,不同成分与结构的岩石溶解的难易程度不同;二是它作为导水介质,在后期的构造应力作用下形成的裂隙有所差异,通过介质对地下水流动的控制而影响岩溶发育碳酸盐岩由不同比例的方解石和白云石组成,并含有泥质、硅质等杂质。在通常条件下,纯方解石的溶解速度约为白云石的两倍,故纯灰岩要比白云岩容易溶蚀2015/12/27对照《水文地质学基础》(王大纯编著)整理