水文与水文地质总结.docx

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水文与水文地质总结

自然界的水循环按其循环途径长短、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循环两类。

水文循环：

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。

水文

循环的速度较快，途径较短，转换交替比较迅速。

地质循环：

地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程称为水的地质循环。

径流与径流系统基本概念

径流：

降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流；

径流系统：

汇注于某一干流的全部水流的总体，也称水系；

流域：

某一水系的全部集水区域；

分水岭：

相邻两个流域之间地形最高点的连线。

有关空隙的几个基本概念

孔隙：

组成松散岩石的颗粒或颗粒集合体之间的空隙；

裂隙：

应力作用下坚硬岩石破裂变形产生的，可分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙；溶穴：

可溶的沉积岩在地下水溶蚀下产生的空洞；

孔隙度n：

某一体积V岩石中孔隙体积Vn所占的比例

=Vn/V

裂隙Kr率：

裂隙体积Vr与包括裂隙在内的岩石体积V的比值

=Vr/V

溶岩率K：

溶穴的体积Vk与岩石总体积V的比值

=Vk/V

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容水度：

岩石完全饱水时所能容纳的最大水体积与岩石总体积的比值，

一般说来在数值上与孔隙度相当。

给水度：

地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱

体，在重力作用下释放的水的体积。

容水度－持水度=给水度

透水性：

岩石允许水透过的能力，孔隙大小是决定透水性好

坏的主要因素。

影响岩层透水性的因素

决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小，孔隙直径愈小，透水性愈差。

当孔隙直径小于两倍结合水层厚度时，在寻常条件下就不透水。

只有在孔隙大小相等的前提下，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。

当包气带中存在局部隔水层时，在局部隔水层上积聚具有自由水面的自由水，这便是上层滞水。

（1）定义：

饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称为潜水。

充满于两个隔水层之间的含水层中的水叫作层间水，亦称地层水、承压水。

、达西定律

年，法国水力学家达西（H.Darcy）通过大量的实验，得到线性渗透定律。

根据实验结果，得到下列关系式：

=KWh/L=KWI（4-1）

式中：

Q－渗透流量（出口处流量，即为通过砂柱各断面的流量）；

－过水断面（在实验中相当于砂柱横断面积）；

－水头损失（h=H1-H2，即上下游过水断面的水头差）；

－渗透途径（上下游过水断面的距离）；

－水力梯度（相当于h/L，即水头差除以渗透途径）；

－渗透系数。

此即达西公式。

从水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速V与过水断面w的乘积，即：

Q=WV（4-2）

即V=Q/W。

据此及公式（4-1），达西定律也可以另一种形式表达之：

=KI4-3）

称作渗透流速，其余各项意义同前。

、水力梯度（I）

水力梯度I为沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。

水在空隙中运动时，必须克服水与隙壁以及流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力（这种摩擦阻力随地下水流速增加而增大），从而消耗机械能，造成水头损失。

因此，水力梯度可以理解为水流通过单位长途渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的机械能。

从另一个角度，也可以将水力梯度理解为驱动力，即克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。

既然机械能消耗于渗透途径上，因此求算水力梯度I时，水头差h必须与相应的渗透途径L相对应。

二、绘制流网的步骤

（1）首先根据边界条件绘制容易确定的等水头线或流线（边界包括水头边界、隔水边界及地下水面边界）

（2）流线总是由源指向汇的，因此，根据补给区（源）和排泄区（汇）可以判断流线的趋向。

渗流场中具有一个以上补给点或排泄点时，首先要确定分流线，分流线是虚拟的隔水边界

（3）根据流线与等水头线正交这一规则，在已知流线与等水头线间插补其余部分

、地下水中主要气体成分

——地下水中常见的气体成分有O2、N2、CO2、CH4、及H2S等，尤以前三种为主。

——通常情况下，地下水中气体含量不高，每公升水中只有

几毫克到几十毫克。

——地下水中的气体成分很有意义。

一方面，气体成分能

够说明地下水所处的地球化学环境；另一方面，地下水

中的有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学

反应。

——地下水中分布最广、含量较多的离子共七种，即：

氯离子（Cl-）、硫酸根离子（SO42-）、重碳酸根离子（HCO3-）、钠离子（Na）、钾离子（K）、钙离子（Ca2）及镁离子（Mg2）。

——构成这些离子的元素，或是地壳中含量较高，且较易溶于水的（如O2、Ca、Mg、Na、K），或是地壳中含量虽不很大，但极易溶于水的（Cl、以SO42-形式出现的S）。

Si、Al、Fe等元素，虽然地壳中含量很大，但由于其难溶于水，地下水中含量通常不大。

——一般情况下，随着总矿化度（总溶解固体）的变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。

低矿化水中常以HCO3-及Ca2、Mg2为主；高矿化水则以Cl-及Na为主；中等矿化的地下水中，阴离子常以SO42-为主，主要阳离子则可以是Na，也可以是Ca2。

——地下水的矿化度与离子成分间之所以往往具有这种对应关系，一个主要原因是水中盐类的溶解度不同。

★在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。

溶滤作用的结果，岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。

★溶滤作用的强度，即岩土中的组分转入水中的速率，取决于一系列因素：

（1）取决于组成岩土的矿物盐类的溶解度。

显然，含岩盐沉积物中的NaCl将迅速转入地下水中，而以SiO2为主要成分的石英岩，是很难溶于水的。

（2）岩土的空隙特征是影响溶滤作用的另一因素。

缺乏裂隙的致密基岩，水难以与矿物盐类接触，溶滤作用便也无从发生。

（3）水的溶解能力决定着溶滤作用的强度。

水对某种盐类的溶解能力随该盐类浓度增加而减弱。

某一盐类的浓度达到其溶解度时，水对此盐类便失去溶解能力。

因此，总的说来，低矿化水溶解能力强而高矿化水弱。

（4）水中CO2、O2等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力。

水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。

O2的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈强。

（5）水的流动状况是影响其溶解能力的一个关键因素。

流动停滞的地下水，随着时间推移，水中溶解盐类增多，CO2、O2等气体耗失，最终将失去溶解能力，溶滤作用便告终止。

地下水流动迅速时，矿化度低的、含有大量CO2和O2的大气降水和地表水，不断入渗更新含水层中原有的溶解能力降低了的水，地下水便经常保持强的溶解能力，岩土中的组分不断向水中转移，溶滤作用便持续地强烈发育。

浓缩作用

★溶滤作用将岩土中的某些成分溶入水中，地下水的流动又把这些溶解物质带到排泄区。

★在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处，地下水位埋藏不深，蒸发成为地下水的主要排泄去路。

由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大。

★随着地下水矿化度上升，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如NaCl）的离子逐渐成为水中主要成分。

——水中CO2的溶解度受环境的温度和压力控制。

CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。

★岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。

一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。

从形成地下水化学成分的基本成分出发，可将地下水分为三个主要成因类型：

溶滤水、沉积水和内生水。

★下面以海相淤泥为例说明其变化：

——海相淤泥通常含大量有机质和各种微生物，处于后缺氧环境，有利于生物化学作用。

——海水的平均化学成分是矿化度35g/L的氯化钠水（M35

γNa/γCl=0.85，Cl/Br=293）。

——海相淤泥沉积水与海水比较有以下不同：

（1）矿化度很高，最高可达300g/L；

（2）硫酸根离子减少乃至消失；

（3）钙的相对含量增大，钠相对含量减少（γNa/γCl<0.85）；

（4）富集溴、碘，碘的含量升高尤为显著，Cl/Br变小；

（5）出现硫化氢、甲烷、铵、氮；

（6）pH值增高。

——变化机理

（1）海相沉积水矿化度的增大，一般认为是海水在泻湖中蒸发浓缩所致。

（2）脱硫酸作用使原始海水中的SO42-减少以至消失，出现H2S，水中增加，水的pH值提高。

（3）HCO3-增加与pH值提高，使一部分Ca2、Mg2HCO3-作用生成CaCO3与MgCO3沉淀析出，Ca2与Mg2减少。

（4）水中Ca2与Mg2的减少，水与淤泥间阳离子吸附平衡破坏，淤泥吸附的部分Ca2转入水中，水中部分Na2被淤泥吸附。

（5）甲烷、铵、氮等是细胞与蛋白质分解以及脱硝酸作用的产物。

（6）溴与碘的增加是生物富集并在其遗骸分解时进入水中所致。

（7）海相淤泥在成岩过程中受到上覆岩层压力而密实时，其中所含的水，一部分被挤压进入颗粒较粗且不易压密的相邻岩层，构成后生沉积水；另一部分仍保留于淤泥层中，这便是同生沉积水。

（8）埋藏在地层中的海相淤泥沉积水，在经历若干时期以后，由于地壳运动而被剥蚀出露地表，或者由于开启性构造断裂使其与外界连通。

经过长期入渗淋滤，沉积水有可能完全排走，而为溶滤水所替换。

在构造开启性不十分好时，则在补给区分布低矿化的以难溶离子为主的溶滤水，较深处则出现溶滤水和沉积水的混合，而在深部仍为高矿化的以易溶离子为主的沉积水。

、化学元素间的比例系数及其地球化学意义

（1）重量比

★Cl/Br比值：

——正常海水：

Cl/Br大约为300

——高矿化，Cl/Br小于300的地下水为富溴的残余

海水的沉积水（海水浓缩，NaCl沉淀，Br相对

富集），或封闭程度较好的地层水

——Cl/Br大于300，与溶解NaCl沉积物有关的水

★Br/I系数

——一般地下水中Br/I系数很小

——正常海水中Br/I大约为1300

——海相淤泥沉积水：

I富集，Br/I系数降低

★Ca/Sr系数

——溶滤碳酸盐类沉积物所形成的地下水，

/Sr系数近200

——海水及与海水有关的沉积水中，Ca/Sr系

数较小，为33

（2）毫克当量比

★γNa/γCl

——海水：

γNa/γCl大约为0.85

——经过阳离子交替吸附的沉积水：

γNa/γCl小于0.85

——岩盐层溶滤形成的地下水γNa/γCl大

约为1.0

——一般地下水γNa/γCl大于1.0

★γNa/γCl

——钠氯系数（rNa/rCl-）是地层封闭性、地层水变质程度和活动性的重要指标,但与油气没有直接关系,属于环境指标。

——在海相沉积层中,若地下水rNa/rCl->0.87,可能是渗透水（现代渗透水、古渗透水）、现代渗透水与沉积水的混合水,或受岩石中钠与其他盐类（非氯化物）影响的沉积水。

★γSO4/γ（SO4Cl）或rSO42-102/rCl

表征脱硫酸作用程度，作用完全，此系数为0，封闭程度好。

对于脱硫系数（rSO42-×100/rCl-）而言,一般认为在油田水中,由于生物化学作用及碳氢化合物的参与反应,使SO2-4离子还原成H2S而失去,发生脱硫酸作用,致使油田水中SO42-离子减少。

脱硫酸可以在厌氧硫酸盐还原细菌作用下发生,也可以在气态烃或液态烃作用下发生。

一般脱硫系数越小,地层越封闭,还原环境越强,对有机质向油气转化及油气的保存越有利。

★（γHCO3CO3）/rCl

碳酸盐平衡系数

★r（Cl-Na）/rMg

该系数越大，表明封闭程度好，水/岩作用强

油田水概念：

广义的油田水是指油田内的地下水，包括油层水和非油层水。

狭义的油田水是指油田范围内直接与油层连通的地下水，即油层水。

油田水与非油田水中有机组分的差异

油层水的烃类有气态烃（C1-4烃类）和液态烃。

而非油层水中常只含少量甲烷。

油层水中苯系化合物含量高,一般可达0.01～1.58mg/l,最高可达5～6mg/l,且甲苯/苯

大于1;非油层水中苯系化合物含量低,且甲苯/苯小于1。

酚在油层水中含量较高,一般大于0.1mg/l,最高可达10～15mg/l,且以邻甲酚和甲酚

为主;非油层水的含量低,且以苯酚为主。

油田水中常含数量不等的环烷酸、脂肪酸和氨基酸等。

、油田水化学成分与地球化学环境之关系

在盆地形成、发展和消亡的过程中，控制油田水化学成分演变方向的水文地质因素发生相应的变化，其地球化学环境也发生变化，使油田水化学成分在某一地质时期具有定向发生变化的特点，决定了油田水化学成分的性质和演变规律。

三、油田水的类型

苏林分类

为成因分类，根据毫克当量的大小进行分类2-舒卡列夫分类

--派珀（A.M.Piper）三线图解