水文地質(zhì)學(xué)課件

水文地質(zhì)學(xué)Hydrogeology河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院符勇教授

Preface

水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水的科學(xué)。它研究與巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈以及人類活動相互作用下地下水水量和水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律，并研究如何運(yùn)用這些規(guī)律去興利除害，為人類服務(wù)。

Hydrogeologyisasubjecttoresearchgroundwater.Itstudiesthechanginglawsoftimeandspaceofgroundwaterquantityandqualityundertheinteractionamongthelithosphere,hydrosphere,atmosphere,biosphereandhumanactivitiesandhowtousetheselawstoservethepeople.PrefaceGroundwaterisalsocalledundergroundwater,thatisthewaterexistingintheporesofrocksand

soils.Thegroundwaterfunctionsinclude:resources,biologicalenvironment,disaster,geologicactionandinformation

carrier.Groundwateranditsexistingmediaareofotherfunctions.Hydrogeologicactionsinnationaleconomyarerelativetogroundwaterandtheirfunctionsofexitingmedia.水文地質(zhì)學(xué)

3.水文地球化學(xué)Hydrogeochemistry

1.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)Sedimentaryhydrogeology4.區(qū)域水文地質(zhì)學(xué)RegionalHydrogeology

5.石油水文地質(zhì)學(xué)PetroleumHydrogeology

2.地下水動力學(xué)Groundwaterdynamics

對于作為供水水源的地下水，必須評價(jià)其水質(zhì)水量，查明其分布規(guī)律。這方面的工作形成了供水水文地質(zhì)學(xué)。

Thequalityandquantityofgroundwatermustbeevaluatedanditsdistributionmustbeinvestigated.TheseworksformHydrogeologyforWaterSupply

.Preface

含有某些特殊組分，具有某些特殊性質(zhì)，因而具有一定醫(yī)療與保健作用的地下水，稱作礦水。礦水是建立礦泉療養(yǎng)地與生產(chǎn)瓶裝礦泉水的必要資源?？辈榕c評價(jià)工業(yè)礦水與醫(yī)療礦水，也形成了相應(yīng)的學(xué)科分支——礦水水文地質(zhì)學(xué)MineralWaterHydrogeology。Preface第一章地球上的水及其循環(huán)

Chapter1Thewaterintheearthanditscycle第一章地球上的水及其循環(huán)

1.1Thewaterintheearth

地球上的水大氣水Meteoricwater地表水Surfacewater地下水groundwater1．2自然界的水循環(huán)Watercycleinnature

自大氣圈到地幔的地球各個(gè)層圈中的水構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)內(nèi)的水相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化的過程即是自然界的水循環(huán)。

Thewaterinthespheresoftheearthconstitutesasystemfromatmospheretomantle.Thewaterinthesystemcaninterlinkandinter-transform.Theprocessiscalledwatercycleinnature.

1.2Watercycleinnature

自然界的水循環(huán)按其循環(huán)途徑長短、循環(huán)速度的快慢以及涉及層圈的范圍，可分為水文循環(huán)和地質(zhì)循環(huán)兩類。

Thewatercyclecanbeclassifiedintotwotypes:hydrologiccycleandgeologiccycleaccordingtothecyclewaysandcyclevelocityandspherescale.

1.2.1水文循環(huán)Hydrologiccycle

水文循環(huán)是發(fā)生于大氣水、地表水和地殼巖石空隙中的地下水之間的水循環(huán)。水文循環(huán)的速度較快，途徑較短，轉(zhuǎn)換交替比較迅速。1.2Watercycleinnature

1.2.1水文循環(huán)Hydrocycle

水文循環(huán)分為小循環(huán)與大循環(huán)。海洋與大陸之間的水分交換為大循環(huán)。海洋或大陸內(nèi)部的水分交換稱為小循環(huán)。通過調(diào)節(jié)小循環(huán)條件，加強(qiáng)小循環(huán)的頻率和強(qiáng)度，可以改善局部性的干旱氣候。目前人力仍無法改變大循環(huán)條件。

Hydrologiccyclecanbeclassifiedintosmallcycleandlargecycle.Themoistureexchangebetweenoceanandlandiscalledlargecycle.Themoistureexchangeintheoceanoronthelandiscalledsmallcycle.Thelocaldryclimatecanbeimprovedbyadjustingtheconditionsofsmallcycleandenhancingthefrequencyandstrength.Butnowtheconditionsoflargecyclecannotbechanged.

地球淺層圈和深層圈之間水的相互轉(zhuǎn)化過程稱為水的地質(zhì)循環(huán)。Theinterchangingprocessofwaterbetweenshallowsphereanddeepsphereiscalledgeologiccycle.Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

1.2.1地質(zhì)循環(huán)Geologiccycle

第一章地球上的水及其循環(huán)

水文循環(huán)與地質(zhì)循環(huán)是很不相同的自然界水循環(huán)。水文循環(huán)通常發(fā)生于地球淺層圈中，是H20分子態(tài)水的轉(zhuǎn)換，通常更替較快。水文循環(huán)對地球的氣候、水資源、生態(tài)環(huán)境等影響顯著，與人類的生存環(huán)境有直接的密切聯(lián)系。第一章地球上的水及其循環(huán)

水文循環(huán)與地質(zhì)循環(huán)是很不相同的自然界水循環(huán)。水文循環(huán)通常發(fā)生于地球淺層圈中，是H20分子態(tài)水的轉(zhuǎn)換，通常更替較快。水文循環(huán)對地球的氣候、水資源、生態(tài)環(huán)境等影響顯著，與人類的生存環(huán)境有直接的密切聯(lián)系。

屈原《天問》柳宗元《天對》

東窮歸墟又環(huán)西盈脈穴土區(qū)而濁濁清清Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

水文循環(huán)與地質(zhì)循環(huán)是很不相同的自然界水循環(huán)。水文循環(huán)通常發(fā)生于地球淺層圈中，通常更替較快。水文循環(huán)對地球的氣候、水資源、生態(tài)環(huán)境等影響顯著，與人類的生存環(huán)境有直接的密切聯(lián)系。

Hydrologiccycleandgeologiccyclearequitedifferentwatercycle.Hydrologiccycleusuallyproducesinshallowsphere.Hydrologiccycleaffectsclimate,waterresources,bio-environmentheavilyandisofcloserelationwithexistingenvironmentofhumanbeing.Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

水文循環(huán)是水文學(xué)與水文地質(zhì)學(xué)的研究重點(diǎn)。地質(zhì)循環(huán)發(fā)生于地球淺層圈與深層圈之間，常伴有水分子的分解與合成，轉(zhuǎn)換速度緩慢，過去常被人們所忽視。

Hydrologiccycleisthekeypointofhydrologyandhydrogeology.Geologiccycleproducesbetweenshallowsphereanddeepsphere,withcompositionanddecompositionofwatermoleculesandexchangeslowly,andisalwaysignored.Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

隨著對各種成礦地質(zhì)作用認(rèn)識的深化，水參與各種地質(zhì)作用過程的意義不斷被人們所認(rèn)識。研究水的地質(zhì)循環(huán)，對于深入了解水的起源，水在各種地質(zhì)作用過程乃至地球演化過程中的作用，都具有重要意義。

Withtheknowledgedeepeningofvariousmineralization,themeaningofwaterparticipatinginvariousgeologicactionsisrecognized.Studyongeologiccycleisofsignificantforresearchingthewaterroleofvariousprocessofgeologicactionandtheearthevolution.(Geofluid)Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

1.3與水文循環(huán)有關(guān)的氣象、水文因素1.3.1氣象因素Climatefactor

自然界中水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)——蒸發(fā)、降水，都與大氣的物理狀態(tài)密切相關(guān);氣象和氣候因素對水資源的形成與分布具有重要影響。

Thekeylinkofwatercycle(evaporationandprecipitation)arecloserelativewithatmosphericphysicalstate.Weatherandclimateareofsignificantforformationanddistributionofwaterresources.

蒸發(fā)在常溫下水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)進(jìn)入大氣的過程稱為蒸發(fā)?？諝庵械乃饕獊碜缘乇硭?、地下水、土壤和植物的蒸發(fā)。有了蒸發(fā)作用，水循環(huán)才得以不斷進(jìn)行。

EvaporationInnormaltemperaturewaterchangestovapor,theprocessiscalledevaporation.Thevaporintheairismainlyfromevaporationofsurfacewater,groundwater,soilwaterandplant.Watercyclecancarryoutwithevaporation.Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

降水當(dāng)空氣中水汽含量達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)，超過飽和限度的水汽便凝結(jié)，以液態(tài)或固態(tài)形式降落到地面，這就是降水。

PrecipitationWhenvaporcontentintheairreachessaturated,thevaporoversaturatedlimitwillbecondensedandfalltogroundinliquidorsolidstate.Theprocessiscalledprecipitation.Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

徑流徑流是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)和水均衡的基本要素，系指降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流動的水流。因此，徑流可分為地表徑流和地下徑流，兩者具有密切聯(lián)系，并經(jīng)常相互轉(zhuǎn)化。

RunoffRunoffistheimportantlinkofhydrologiccycleandthebasicfactorofwaterbalance,whichreferstoflowingwateralongsurfaceorgroundunderthegravityaction.Thereforerunoffcanbeclassifiedintosurfacerunoffandgroundrunoff.Bothofthemareofcloserelationandusuallyexchangeeachother.

Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

地表徑流和地下徑流均有按系統(tǒng)分布的特點(diǎn)。匯注于某一干流的全部河流的總體構(gòu)成一個(gè)地表徑流系統(tǒng)，稱為水系。

Surfacerunoffandgroundrunoffdistributeinsystem.Allthestreamscollectintoariverandconstituteasystemofsurfacerunoff,whichiscalledawatersystem.Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

一個(gè)水系的全部集水區(qū)域，稱為該水系的流域。流域范圍內(nèi)的降水均通過各級支流匯注于干流。相鄰兩個(gè)流域之間地形最高點(diǎn)的連線即為分水線，又稱分水嶺。

Allthecollectingareaofawatersystemiscalledariverbasin.Theprecipitationoftheriverbasiniscollectedtotrunksfromitsbranches.Thehighestlineiscalledwatershed.Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

Spatialshapeoftheriver

1.4Outlineofhydrocycleinourcountry

我國絕大部分地區(qū)均為季風(fēng)氣候，一年中雨季與旱季分明，降水的時(shí)空分布很有規(guī)律，這與我國特殊的地理格局有關(guān)。Ourcountryismainlymonsoonclimate.Therainseasonanddryseasonareclearinayear.Thespace-timedistributionofprecipitationisregular,whichisrelativetospecialgeographicallocationofourcountry.Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

我國水文循環(huán)的另一重要特征就是降水在空間分布上的不均勻性。例如東南沿海地區(qū)年均降水量均在1500mm以上，最大可達(dá)2000-3000mm.

Anotherimportantfeatureofhydrologiccycleofourcountryisthattheprecipitationisnotregular.Forexample,yearlyprecipitationinsoutheastareaisover1500mm,themaximumis2000-3000mm.

Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

長江流域約1200mm，華北地區(qū)一般在600-800mm；而新疆塔里木盆地降水量僅在50mm以下，有的地方幾乎終年無雨。這就導(dǎo)致水資源在空間分布上的不均勻性。

TheprecipitationinYangtzeriverbasinisabove1200mm,northChina600-800mm,butitisunder50mminTarimbasin,Xinjiang.Thereisnotalmostanyrainalltheyearinsomeplaces,whichresultsintheirregulardistributionofwaterresources.Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

無論地表水或地下水，都是自然界水文循環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，均以大氣降水為其補(bǔ)給來源。因此，一個(gè)地區(qū)水資源的豐富程度主要取決于降水量的多寡。降水量大的地區(qū)，水資源較為豐富；反之，水資源貧乏。(焦作、貴州山區(qū)）

Whethersurfacewaterorgroundwaterareallalinkofhydrologiccycleinnature.Theirrechargesourcesareprecipitation.Thereforethewaterresourcesinadistrictaremainlydependonprecipitation.Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

本章小結(jié)●自然界的水循環(huán)水文循環(huán)（大循環(huán)、小循環(huán)）、地質(zhì)循環(huán)●與水文循環(huán)有關(guān)的氣象因素氣象因素：氣溫、氣壓、濕度、蒸發(fā)、降水水文因素：徑流（地表徑流、地下徑流）●我國水文循環(huán)：時(shí)空分布的不均衡Chapter1Thewaterintheearthanditscycle

第二章巖石中的孔隙與水分Chapter2Poresandmoistureinrocks

Chapter2Poreandmoistureinrocks

2.1巖石中的空隙Poresinrocks

地殼表層十余千米范圍內(nèi)，都或多或少存在著空隙，特別是地下一、兩千米以內(nèi)，空隙分布較為普遍。這就為地下水的賦存提供了必要的空間條件。地下水的運(yùn)動條件—空隙Movingconditionsofgroundwater—pore

空隙類型松散沉積物中的孔隙pore堅(jiān)硬巖石中的裂隙crevice可溶性巖石中的溶隙、溶穴cave空隙度一定體積巖石中空隙體積所占的比例以n表示空隙度，VP表示空隙體積，V表示巖石體積，則n=VP/V。Chapter2Poreandmoistureinrocks2．2巖石中水的存在形式結(jié)合水薄膜水毛細(xì)水重力水靠靜電和分子引力吸附于巖土顆粒表面，不受重力影響吸著水表面厚度超過幾百個(gè)水分子直徑的薄層狀水受表面張力作用保存于毛細(xì)管中的水，易被植物吸收受重力影響可自由流動。是地下水的主要賦存狀態(tài)和水源Chapter2Poreandmoistureinrocks2.3與水的儲容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)

Rockpropertiesrelativetowatervolumeandmigration

巖石空隙大小、多少、連通程度及其分布的均勻程度，都對其儲容及運(yùn)移有關(guān)。

Chapter2Poreandmoistureinrocks

2.3.1容水度

容水度是指巖石完全飽水時(shí)所能容納的最大的水體積與巖石總體積的比值。可用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。一般說來容水度在數(shù)值上與孔隙度(裂隙率、巖溶率)相當(dāng)。但是對于具有膨脹性的粘土，充水后體積擴(kuò)大，容水度可大于孔隙度。Chapter2Poreandmoistureinrocks

2.3.2含水量Watercontent

含水量說明松散巖石實(shí)際保留水分的狀況。松散巖石孔隙中所含水的重量與干燥巖石重量的比值。Chapter2Poreandmoistureinrocks

2.3.3給水度（μ）

若地下水面下降，則下降范圍內(nèi)飽水巖石及相應(yīng)的支持毛細(xì)水帶中的水，將因重力作用而下移并部分地從原先賦存的空隙中釋出。我們把地下水位下降一個(gè)單位深度，從地下水位延伸到地表面的單位水平面積巖石柱體，在重力作用下釋出的水的體積，稱為給水度。

Chapter2Poreandmoistureinrocks

2.3.4持水度(Sr)

如前所述，地下水位下降時(shí)，一部分水由于毛細(xì)力(以及分子力)的作用而仍舊反抗重力保持于空隙中。地下水位下降一個(gè)單位深度，單位水平面積巖石柱體中反抗重力而保持于巖石空隙中的水量，稱作持水度(Sr)。Chapter2Poreandmoistureinrocks

2．3．4持水度給水度、持水度與孔隙度的關(guān)系

μ+Sr=nChapter2Poreandmoistureinrocks

2．3．5透水性Permeability

巖石的透水性是指巖石允許水透過的能力。表征巖石透水性的定量指標(biāo)是滲透系數(shù)。關(guān)于滲透系數(shù)將在第四章專門討論。在此僅討論影響巖石透水性的因素。

Rockpermeabilityreferstotheabilityofwaterpenetration.Thepermeablequantitativeindexispermeablecoefficient.Chapter2Poreandmoistureinrocks

圖2-9表示圓管狀孔隙通道的縱斷面，孔隙的邊緣上分布著在尋常條件下不運(yùn)動的結(jié)合水，其余部分是重力水。由于附著于隙壁的結(jié)合水層對于重力水，以及重力水質(zhì)點(diǎn)之間存在著摩擦阻力，最近邊緣的重力水流速趨于零，中心部分流速最大。由此可得出：孔隙直徑愈小，結(jié)合水所占據(jù)的無效空間愈大，實(shí)際滲流斷面就愈??；同時(shí)，孔隙直徑愈小，可能達(dá)到的最大流速愈小。因此孔隙直徑愈小，透水性就愈差。當(dāng)孔隙直徑小于兩倍結(jié)合水層厚度時(shí)就不透水。

如果我們把松散巖石中的全部孔隙通道概化為一束相互平行的等徑圓管(圖2—10)，則不難推知：當(dāng)孔隙度一定而孔隙直徑愈大，則圓管通道的數(shù)量愈少，但有效滲流斷面愈大，透水能力就愈強(qiáng)；反之，孔隙直徑愈小，透水能力就愈弱。由此可見，決定透水性好壞的主要因素是孔隙大?。恢挥性诳紫洞笮∵_(dá)到一定程度，孔隙度才對巖石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。

然而，實(shí)際的孔隙通道并不是直徑均一的圓管，而是直徑變化、斷面形狀復(fù)雜的管道系統(tǒng)(圖a)。巖石的透水能力并不取決于平均孔隙直徑(圖2b)，而在很大程度上取決于最小的孔隙直徑(圖c)。此外，實(shí)際的孔隙通道也不是直線的，而是曲折的(圖a)?？紫锻ǖ烙鷱澢?，水質(zhì)點(diǎn)實(shí)際流程就愈長，克服摩擦阻力所消耗的能量就愈大。顆粒分選性，除了影響孔隙大小，還決定著孔隙通道沿程直徑的變化和曲折性(圖2a)，因此，分選程度對透水性的影響，往往要超過孔隙度。

2.4有效應(yīng)力原理與松散巖土壓密

2.4.1有效應(yīng)力原理Effectivestressprinciple

太沙基(Terzaghi，1925)所提出的有效應(yīng)力原理可以幫助我們分析地下水位變動情況下巖石有效應(yīng)力的變化以及由此引起的松散巖石壓密問題

EffectivestressprinciplethatTerzaghi(1925)putoutcanhelpustoanalyzethechangeofrockeffectivestressundertheconditionsofgroundwaterlevelfluctuationandtheproblemsofloosenrockcompressed.Chapter2Poreandmoistureinrocks

總應(yīng)力等于孔隙水壓力及有效應(yīng)力之和

P＝u+Pz(2—2)Pz=P-u(2—3)

有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去孔隙水壓力，這就是著名的太沙基有效應(yīng)力原理。Chapter2Poreandmoistureinrocks

2.4.2地下水位變動引起的巖土壓密

為了簡便起見，我們假設(shè)整個(gè)含水砂層充滿水，且水位下降后其測壓管高度仍高出飽水砂層頂面。這種情況下，當(dāng)由于抽水而引起測壓管高度降低時(shí)，可近似地認(rèn)為總應(yīng)力P不變，孔隙水壓力降低，相應(yīng)地有效應(yīng)力增加。意即原先由水承受的應(yīng)力由于水頭降低，浮托力減少而部分地轉(zhuǎn)由砂層骨架(顆粒本身)承擔(dān)。Chapter2Poreandmoistureinrocks

砂層是通過顆粒的接觸點(diǎn)承受應(yīng)力的?？紫端畨毫档?，有效應(yīng)力增加，顆粒發(fā)生位移，排列更為緊密，顆粒的接觸面積增加，孔隙度降低，砂層受到壓密。與此同時(shí)，砂層中的水則因減壓而有少量膨脹。Chapter2Poreandmoistureinrocks

砂層因孔隙水壓力下降而壓密，待孔隙水壓力恢復(fù)后，砂層大體上仍能恢復(fù)原狀。砂礫類巖土基本上呈彈性變形。但是，如果同樣的壓密發(fā)生于粘性土中，則由于粘性土釋水壓密時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化，即使孔隙水壓力復(fù)原，粘性土基本上仍保持其壓密狀態(tài)。粘性土以塑性變形為主。（含水量80%5%）Chapter2Poreandmoistureinrocks

抽水引起地下水位下降，松散巖石將被壓密，從而其孔隙度、給水度、滲透系數(shù)等參數(shù)均將變小。對于粘性土來說，這種參數(shù)值的降低是不可逆的。

Pumpinggroundwaterproduceswaterleveldrawdown,loosenrocksarecompressed,soastodecreaseporosityandpenetrationcoefficientandsoon.AlloftheseareirreversibleforclayChapter2Poreandmoistureinrocks

1Theeffectivestressprincipleandemissionconsolidationprocess1.1TheeffectivestressprincipleThetotalstress(P)ofsaturatedsoilequalstoeffectivestress(Pz)andporewaterpressure(μ)P=Pz＋μThisiscalledeffectivestressprinciple.Theeffectivestressisalsocalledthepressureamongparticles,andisthestresstocontrolcompressandshearingstrength.Chapter2Poreandmoistureinrocks

1.2EmissionconsolidationprocessTherearethreekindsofreasonsforthecompressofsaturatedsoil:(1)thecompressofsoilparticles;(2)thecompressofporousfluid;(3)theemissionporousfluid.Owingtothecompressofsoilparticlesandfluidarelittle,thecompressofsoilareprimarilyresultedfromfluidemissionandporouscompress.Underthepressuresomefreewaterintheporeofsaturatedsoilwillbeemittedcontinuouslywithtimepassing.Chapter2Poreandmoistureinrocks

Atthesametime,theporousvolumesubtractandporewaterpressure(μ)aretransformedintoeffectivestress(Pz)whichareundergonebyparticles.Thecompressionofsaturatedsoiliscalledemissionconsolidationprocess.Theprocessisthatporewaterpressuredisappearscontinuouslyandeffectivestressincrea