《水文地质学基础》期末考试资料.docx

1、水文地质学基础期末考试资料计算题：1.根据下面某一地下水水样的水化学资料，试求以下问题：(1)试求该水样的矿化度。(2)写出库尔洛夫试，并分析地下水化学类型。2.某潜水水源地开采区为正方形，边长为15，区域面积为225，多年平均降水量为600，降水入渗系数为0.21，开采区西部和北部约160的地区，地下水埋深23m，蒸发强度0.00005m/d，其它区域无蒸发，南、西部为补给边界，单宽流量：5m/md和10m/md，北、东部为隔水边界，水源地开采为40万m/d，潜水含水层平均水位80m，含水为中粗粒砂，渗透系数为25m/d，重力给水度为0.15，其下伏承压含水层侧压水位为90m，两含水层间有一

2、厚度为10m，垂向渗透系数为0.0002m/d，弱透水层（亚粘土）且有较密切水力联系。（1）计算该水源地潜水含水层的补给量，排泄量；并进行水量均衡计算，确定该水源地是正还是负均衡。（2）按目前水源地开采强度，计算该水源地潜水含水层年平均水位变化情况。 N W3达西定律、越流公式4.有效应力原理：， 解释15.4中地下水引起的岩土体变形与位移如：地面沉降、滑坡1)孔隙水压力变化；2)地下水对岩土体不连续面的滑润3)地下水改变粘性土的强度4)地下水流引起的渗透变形一、水文地质学研究的是：地下水在与岩石圈、地幔、水圈、大气圈、生物圈和人类活动相互作用下，其水量在时间和空间上的变化，以及对各各个圈层产

3、生的影响，从而服从于人与自然相互协调的可持续发展。2.研究对象：地下水3.地下水圈：从地表到地幔带各圈层所构成的具有一定水力联系的统一的含水整体。4.地下水的基本功能:1)宝贵的自然资源：a)供水水源：地下水分布广泛，变化稳定，水质良好，便于应用，是理想水源。b)液体矿床：富含某些盐类和稀有元素具有工业和医疗使用价值，地下水热能的利用。2)重要的生态环境因子：影响生态环境变化，控制地表生态格局的分布。例如：过量开采地下水导致地表下沉，地面塌陷，海水倒灌入侵；农业用水不当，导致土壤盐碱化，沼泽化，荒漠化；3)活跃的地质营力4)地球内部信息载体5)灾害因子：地下水污染、海水入侵、过量开采导致地面下

4、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。5.我国水资源的特点二、地下水赋存条件包气带（或称非饱和带）和饱水带的划分：包气带：地表到地下水面这一部分； 特点：岩石空隙未被水充满，是固液气三相介质共存的介质。 水的存在形式：结合水、毛细水、重力水、气态水包气带水垂直分布：土壤水带中间带支持毛细水毛细饱和水带饱水带：岩石空隙完全被水充满，是二相介质 空隙中水存在：重力水、结合水(一)岩石中的空隙和水1.空隙分为：空隙、裂隙、溶穴2.孔隙（n）：描述松散岩石中孔隙多少的指标1)定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。1)孔隙度的影响因素：a)与排列的

5、松紧程度有关b)与颗粒的分选有关（注：影响孔隙度大小的主要因素）c)与颗粒的形态（棱角）有关。3.裂隙：固结在坚硬岩石中，存在在各种应力作用下，产生的裂缝 。1)按成因分成：风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙2)裂隙岩体描述：a)裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）b)张开性（裂隙宽度）c)裂隙率Kr（体积裂隙率、面裂隙率、线裂隙率）4.溶穴：可溶性的沉积岩在地下水的溶蚀下形成的空洞(二)岩土中的水存在形式：气、固、液1.空隙中的水存在形式：结合水、重力水、毛细水2.毛细水的存在形式：支持毛细水、悬挂毛细水、孔角毛细水(三)与水的储容及运移有关的岩石性质1.容水度：指岩土完全饱水时所容纳的

6、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。 孔隙度n; 容水度2.含水量：指松散岩土孔隙中包含的水与岩土体积的比值。3.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。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）。4.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。5.渗透性：反映岩土透过水的能力 岩石空隙直径越大透水能力越强透水性越好渗透系数 K(四)饱水带中的岩层分类：1.按岩层的性质：含

7、水层、隔水层、弱透水层1)含水层：是饱水并能透过与给出相当数量水的岩层。如：各类砂土或砂岩2)隔水层：不能透过与给出水或透过与给出水的水量微不足道的岩层；如裂隙不发育的基岩、页岩、板岩和致密的粘土3)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。如：各种砂土、泥质粉砂岩。2.按地下水的埋深：潜水、承压水和上层滞水1)潜水：指埋藏在地面以下，第一个稳定隔水层之上，具有自由表面的重力水。a)潜水的基本要素：潜水面潜水表面的自由水面潜水埋深D潜水面至地面的距离潜水水位H潜水面上任意一点的标准高程含水层厚度M潜水面至隔水底板的距离b)潜水的主要特征补给来源：潜水

8、直接与大气相通，可通过包气带接受降水、地表水等补给动态特征：受气象、水文因素影响明显，变化快（水量、水位季节性变化）。受人为因素影响也显著，易污染。循环交替：水循环周期短，更新恢复速度快。潜水面形态：潜水面形状受地形影响，潜水水位与地形的起伏相一致而较缓和。水化学特征：水的矿化度与地形、水的交替有关。湿润气候区，地形切割强烈、水交替强烈地区地下水矿化度低。干旱气候区细颗粒组成的盆地平原易形成咸水。c)潜水等水位线图i.确定潜水流向ii.判断与地表水的关系（补给、排泄）iii.判断地下分水岭的分布位置，与地形是否吻合。iv.结合地形图，确定潜水位埋深。 v.确定含水层厚度，推断含水层岩性和厚度的

9、变化。 vi.确定给水和排水工程位置vii.确定潜水面的坡度和潜水水力梯度。 2)承压水：充满于两个隔水层之间的含水a)基本要素承压含水层； 隔水顶板； 隔水底板；承压含水层厚度（M）； 埋深（D）测压水位：井孔中静止水位的高程 测压水位线（面）：测压水位线的连线（面）虚拟线承压高度（H）：作用于含水层的附加压强。 补给区；承压区；排泄区自溢区：测压水位线与地形等高线的交点连接区b)分类 承压水主要受控于地质构造，其次是地形和岩性。1. 形成 最有利于形成承压水的构造是向斜（自流盆地）和单斜（自流斜地）。 2. 根据构造和地形的关系分类 自流盆地中承压水：正地形盆地，地形与构造形态一致 自流斜

10、地中承压水：排泄区一般为点状排泄，上升泉c)水头压力d)特征：1. 承压性 承压性承压含水层水头高于隔水顶板2. 补给与排泄条件 有隔水顶板，参与水循环不积极（补给、排泄），超采后不易恢复 有限区域与外界联系，水循环迟缓些，水交替慢，平均滞留时间长（年龄老或长）恢复性差。 3. 水化学特征 不易受污染，水质变化大，矿化度一般要高点，可以保留“古老”水。4. 动态特征 动态随季节不变化明显，比潜水要稳定些，如果分布面积大，厚度稳定则调节能力很强。 e)承压等水位线图1.概念：将某一承压含水层测压水位相等的各点进行连线。 2.绘制 与潜水等水位线图一致（注：用同时间资料） 3.用途 确定流向、水力

11、梯度； 结合地形图，确定承压水位的埋深、自溢区； 结合含水层顶板等高线图，确定任一点承压高度，承 压含水层的埋深、厚度和透水性变化。 3)上层滞水：包气带局部隔水层（弱透水层）之上积聚的具有自由表面的重力水。上层滞水分布局限。接受大气降水补给，通过蒸发排泄，或通过隔水（弱透水）底边的边缘下渗排泄。3.按其含水的介质：孔隙水、裂隙水、岩溶水三、地下水运动基本规律(一)达西定律根据试验结果，得到关系式： Q = Kh/l 其中：根据 I=h/l 可以推出： Q = K I 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(

12、LT-1)； I-水力梯度(无量纲)。 (二)渗透流速 根据水力学流速与流量的关系： Q = V 则Q = KI可简化为V = KI，称为渗透流速。公式V = KI ，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。 (三)流网1.基本概念：1)等水位（压）线潜水位（测压水位）相等的各点的连线，称为等水位（压）线。 2)流线渗流场中某一瞬间的一条曲线，曲线上各水质点在此瞬间的流向均与此线相切。3)流网在渗流场的某一典型剖面或切面上由一系列等水头线和流线所组成的网络。2.流线的性质a)流线不能相交（同一时刻不可能有两个流向） b)流线光滑不能有急转

13、折（若有转折，在转折点有两个流向） c)流线相当于隔水边界（只能在其间运动，不能穿过流线运动） d)流线的形状受控于边界的性质和形状（平行于隔水边界，垂直于供水边界）3.流网的用途与性质1)用途a. 根据流线方向可以看出任一点的流向； b. 根据等水头线可以看出任一点水位的变化； c. 流线的密疏可以反映地下径流的强弱； d. 等水头线的密疏则说明水力梯度的大小。e. 追踪污染物质的运移f. 判断水文地质条件（含水层条件；边界条件；与地表水关系）2)性质a. 在各向同性介质中，流网为正交网格。（水沿水力梯度最大的方向运动） b. 对于稳定流，流线与迹线重合；对于非稳定流可以划分为多个小单元，每

14、个小单元可以看作稳定流。 c. 对于稳定流，流网不随时间变化。 四、地下水化学特征(一)地下水中气体成分1.O2、N2是氧化环境（开放、与大气相通）的标志；2.H2S 、CH4是还原环境（封闭、与大气隔绝）的标志；3.CO2的来源：生物化学作用；地壳深处灰岩遇热分解 (二)地下水中主要的离子成分 P53(三)地下水中的化学成分1.溶解性总固体（TDS）：地下水中所含种离子、分子与化合物的总量。(g/L） 习惯上以105 -110时将水蒸干所得的涸残余物总量。 因此： 计算时挥发性成分不计入； 只取重量的半数 。2.硬度：1)概念：水中Ca2+、 Mg2+的总含量。（meq/L） 目前新的国标中

15、以CaCO3含量（mg/L）表示。 2)分类： a)总硬度：水中Ca2+、 Mg2+的总含量 。 b)暂时硬度：水煮沸时（脱碳酸作用），因形成碳酸盐沉淀而失去的一部分Ca2+、 Mg2+含量 。 c)永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2+、 Mg2+含量，主要是Ca2+、Mg2+的硫酸盐和氯化物。 3)酸碱度(四)地下水化学成分的形成作用1.溶滤作用：1)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。 一个地区经受的溶滤愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。溶滤作用具有时间上的阶段性和空间上的差异性。2)溶滤作用的结果：形成低矿化度以难溶离子为主

16、的地下水。2.蒸发浓缩作用：1)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。2)必备条件：干旱半干旱的气候；低平地势控制下的地下水位埋深小；松散岩土颗粒细小，毛细作用强；一般发生于地下水流动系统的排泄处；具有时间和空间的尺度3)浓缩作用的结果：往往形成高矿化度、以易溶离子为主的地下水（Cl-Na+为主） 3.脱碳酸作用1)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。2)典型的例子是来自深部地下水的泉口的钙华。Ca2+/Mg2+2HCO3- CO2+H2O+Ca/MgCO34.脱硫酸作用 脱硫酸作用是在

17、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。SO22- + 2C + 2H2O H2S + 2HCO3- 封闭的地质构造为其有利环境，油水中有H2S，为找油标志。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。 吸附能力：H+ Fe3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ 阳离子交替吸附作用取决于岩土的吸附能力、岩土的比表面积、离子的相对浓度。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

18、生化学反应，例如： Ca(HCO3)2+Na2SO4 Ca SO4+ 2NaHCO3离子毫克当量/升（mgN/L）表示单位离子毫克当量百分数库尔洛夫式 数学分式的形式来表示地下水化学成分。 1)将阴、阳离子分别标示在横线上、下, 按毫克当量百分数自大而小的顺序排列, 小于10%的离子不予标示。 2)横线前依次标示气体成分、特殊成分及矿化度(用M表示), 单位均为g/L。 3)横线后以字母t为代号, 表示水温, 单位为 。 4)式中各成分含量一律标于该成分符号的右下角, 原子数则移至右上角。五、地下水的补给与排泄（一）补给来源：1.大气降水补给地下水影响大气降水补给地下水的因素年降水量：降水首先

19、需要补足包气带的水分亏损，因此降水量小时补给地下水的量就小。降水特征：雨强、雨面、历时都影响入渗，绵绵细雨有利于入渗。包气带岩性：渗透性强（K大）时，容易补给，渗透性差时不利于补给；厚度（水位埋深）大时消耗于包气带的水分多，不利于补给，而厚度小时有利于补给。地形：陡坡不利于补给，平缓有利于补给。森林、草地：有利于补给，而农作物可能减少补给。人类工程：都市化不利于补给。入渗能力的取决因素：首先是包气带渗透性；其次降水的时间降水入渗方式：活塞式入渗，捷径式入渗2.大气降水入渗补给量的计算方法平原区大气降水入渗补给量Q = aPF 103 式中：Q-降水入渗补给地下水量（m3/a）； P- 年降水量

20、（mm）； a - 降水入渗系数； F- 补给区面积（km2）。 确定a 的常用方法：地中渗透仪测定；经验值；利用天然潜水位变化幅度(h)确定：a = G/P = h / P山区降水入渗补给量的确定 特点：考虑到山区地形切割大，地下水埋深大，水平排泄为主，近似认为排泄量等于补给量，测定地下水排泄量反求补给量。 方法：1. 山区地下水以大泉形式排泄，通过定期测定流量求得排泄量。 2. 通过基流切割法确定河川基流量。 山区降水入渗系数为:a= Qg/(FP103) 式中：Qg -年地下水排泄量（m3/a），余同上3.地表水补给：A.条件：地表水位高于地下水两者之间存在水力联系山区，河流深切，河水位

21、常年低于地下水位，起排泄地下水的作用； 山前，堆积作用加强，河床抬高，地下水埋深大，则河水经常补给地下水； 冲积平原中上游，河水位与地下水位接近，汛期河水补给地下水，非汛期河水排泄地下水； 冲积平原中下游，堆积作用强烈，形成“地上河”（尤其在北方），如黄河下游，此时，河水常年补给地下水。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= KIATsinq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

22、大。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。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。河水过水时间，过水时间长有利于河水补给地下水。河水流向与地下水流向之间的夹角。越流： 具有一定水头差的相邻含水层，通过其间的弱透水岩层发生水量交换的过程，是地下水量的内部转化。 经常发生于松散沉积物中，粘性土层构成弱透水层，多为透镜体状。多层松散层中含水层通过天窗及越流发生补给。松散沉积物含水系统中，通过含水层顺层输运的水量，往往没有经由弱透水层的越流量大越流量计算公式：式中：Ql -越流补给量（m3/a）；K - 弱透水层的渗透系数（m/d）；M-弱透水层的厚度（m）；

23、HA、HB - 含水层A和B的水头（m）；I-水力梯度；F- 越流面积（m2）；T-越流时间（d/a）。4.其它补给：凝结水补给、灌溉水补给、人工补给（二）地下水的排泄：含水层或含水系统失去水量的过程称为排泄。地下水排泄的研究包括：排泄方式、排泄机制、影响因素、排泄量的确定地下水排泄方式：泉（点状排泄 ）、向河流排泄（河流线状）、向相邻含水层排泄、蒸发、蒸腾（面状排泄） 、越流、人工排泄等。前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的区别： 径流排泄水分（盐分）呈液态排出,盐随水去；蒸发排泄水分呈气态排出，盐分积累下来，水去盐留。泉：1.定义：地下水的天然露头地下水面或地下水含水通道与地形面相切时

24、，地下水呈点状或散点状涌出地表成泉。地形起伏明显的山区丘陵的沟谷和坡角、山前地带、河流两岸、洪积扇边缘和断层带附近，而平原区很少见。2.泉的分类：1)根据含水层性质：上升泉：承压水的天然露头。地下水在静水压力作用下上升 并溢出地表的泉。下降泉：地下水受重力作用自由流出地表的泉。是潜水或上层滞水的排泄注意：不能根据泉口的水是否“上升”来判断是上升泉还是下降泉，要根据补给泉的含水层或含水通道来区分。2)按出露原因分：a)侵蚀泉侵蚀上升泉： 侵蚀作用下，地形切割揭露承压含水层的隔水顶板形成的泉。侵蚀下降泉：侵蚀作用下，地形切割潜水含水层时而形成的泉。b)接触泉: 由于地形切割沿含水层和隔水层接触处出露的泉。c)溢流泉: 当潜水流前方透水性急剧变弱或下伏相对隔水底板隆起，潜水流动受阻而溢出地表的泉。d)断层泉：地形面切割导水断裂，断裂带测压水位高于地面时出露成泉。e)接触带泉：岩脉或岩浆岩侵入体与围岩的接触带，地下水沿冷凝收缩形成的裂隙上升成泉。