水文地质学课件.docx

1、水文地质学课件第一章地球上的水及其循环 地球上的水 自然界的水循环 与水文循环有关的水文、气象要素 第一节地球上的水 一.地球上水的存在: 不仅存在于大气圈、地球表面、岩石圈和生物圈中,也存在于地球深部的地幔乃至地核中。 二.浅部层圈水与深部层圈水 1.定义 浅部层圈水:从大气圈到地壳上半部的水。包括大气水、地表水、地下水及生物体中水。 深部层圈水:地壳下部到下地幔中的水。 2.深部层圈水 地壳下部深约1535KM处,地温达400以上,压力也很大,为压密的气水溶液。 不以普通液态水或气态水形式存在,而是呈离解状态的水,其与地壳矿物内部的结合水均是非自由态存在的水。 地球深层圈水和矿物结合水与地

2、球浅层圈自由水是相互联系、转化的整体。 广义的水圈包括地球各层圈中以各种不同状态存在且相互转化的所有水。 第二节自然界的水循环 自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水构成一个系统。这一系统内的水相互联系、相互转化的过程即是自然界的水循环。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。 1.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。 2.小循环与大循环: 海洋与大陆之间的水分交换为大循环。海洋或大陆内部的水分交换称为小循环。 3.地下水资源具有以下特点: 可恢复性。 系统性

3、:和地表水资源密切联系和相互转化 在时间和空间分布上的不均匀性 有较大的储量和较大的调蓄能力 复杂性 4.地质循环:地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程。 上地幔软流圈对流运动时的水分循环 在成岩、变质和风化作用过程中水分子的分解与合成转换及分子态水进入矿物或从矿物中脱出形成再生水的转换 第三节与水文循环有关的气象、水文因素 1 一.主要气象要素 降水、蒸发、湿度、气温和气压 二.水文要素 流量、径流总量、径流模数、径流深度和径流系数 气温 气温随时间的变化是指一个地区气温的昼夜变化、季节变化和多年变化。 气温随空间的变化包括水平方向和垂直方向的变化: 高度相同的地区,气温变化主要爱纬度的控

4、制,一般自赤道向两极由高到低。以同一时期各地区气温平均值绘制等温线图来表示气温水平变化。 垂直方向的变化,是指同一地点不同高度上的气温的变化。在对流层内,气温随高度增加而递减,一般每升高100m,气温约降低0.50C。 气压 大气的质量施加在地表或地表物体上的压力称为大气压力。 水气压(e):大气中水汽所具有的压力。 饱和水气压(E):在一定温度下,一定体积空气中所容纳的水汽含量是有一定限度的,水汽含量超过这个极限,水汽就凝结成水滴。水汽含量恰好达到这个限度,则称这时的空气是饱和空气。饱和空气的水汽压称为饱和水汽压。 eE 过饱和凝结降水 水汽压e、饱和水汽压E与温度t有关: e与t没有定量关

5、系,但t增高,e增大 E与t呈指数关系: E0为气温0时的饱和水汽压 a、b为常数:对水面a=7.45 b=235 对冰面 a=9.5 b=265.5 E随t的增高而增大,对降水和凝结有极为重要意义。 饱和差(d):同一温度下E和e的差 空气湿度 指空气的潮湿程度空气中含水汽的程度 绝对湿度(m):某地区某时刻每1立方米空气中实际所含水汽重量的克数(g/m3)。 m = 289e/T 或 m = 217e/T T为绝对温标 饱和湿度(M):某温度下1立方米空气中可容纳的最大水汽重量( g/m3 )。 M随t增高而增大。 相对湿度(r):同温度下空气中实际所含水汽量与饱和时水汽两的比值。 r =

6、 (m/M)100 r 100 过饱和凝结降水 露点:空气中水汽达到饱和时的气温。 蒸发 指在常温下水由液态变为气态进入大气的过程。 陆面蒸发土壤蒸发和植物蒸腾; 水面蒸发江、河、湖、海、湖泊、水库等地表水体。 水面蒸发受下列因素影响: 饱和差:即水面温度条件下的饱和水汽压和实际水汽压之差。差值越大,蒸发越强烈。一般,两者呈线性关系。 风速:风速大,扩散强,因而蒸发愈强。 温度:体现在汽化的强弱上。包括水温和气温。两者同时在饱和差中得到反映。 水质:浑浊水与清水比较,受相同热能情况下,浑浊水的温度比清水温度高,因而清水蒸发快;水中若含有盐分,因盐分子有吸水力,使水面蒸发减少,因而在相同环境条件

7、下,海水蒸发比淡水要小。 土壤蒸发 指土壤表面由湿变干的过程。 有下列影响因素: 土壤含水量:是主要因素。含水量高,蒸发强度大,且稳定 地下水埋深:埋深愈浅,蒸发量愈大。若地下水面接近地面,其蒸发量接近光滑水面的蒸发量。潜水蒸发量为零时的最小地下水埋深,称为极限埋深。 土壤结构:影响孔隙的数量、体积、和连通性。 土壤颗粒:越小,毛细上升高度越大,蒸发越强。 土壤色泽:影响对太阳热能的吸收,从而土壤内的温度和水分蒸发。即土壤颜色越深,越易蒸发。 地表特征:包括起伏和坡向等。一般:高地的蒸发量比谷地和盆地的蒸发量大;粗糙地面的蒸发量比平滑地面的大;阳面坡比阴面坡蒸发量大。 空气湿度:地面以上的湿度

8、梯度越大,土壤蒸发越强烈。 空气温度:包括气温和地温。两者越高,蒸发越多。 风:越大,蒸发越强烈。 降水量和降水方式:降水量越大,蒸发量越大。同量的降水量,降水强度越小,蒸发量越大。 植物蒸腾: 指土壤水分被植物根系吸收,通过植物茎内导管移动到叶部,然后从叶部气孔化汽逸出的过程。 影响因素如下: 植物性质:包括叶面大小、根系性质和大小、气孔数量等。 植物种类:水稻、小麦、豆类等不同作物的蒸腾程度不同。 注意:蒸腾的深度受植物根系分布深度控制,它可以达数十米深;蒸腾只消耗水分而不带走盐分。 土壤含水量:土壤含水量减小,则蒸腾强度显著降低。 气温:气温越高,则蒸发强度越大。 饱和差:蒸发强度与之成

9、线性关系。 降水 当空气中水汽含量达饱和状态时,超过饱和限度的水汽便凝结,以液态或固态形式降落到地面,这就是降水。 降水量,以某一地区某一时期的降水总量平铺于地面得到的水层高度mm数表示。 降水形式:雨、雹、雪、露、霜等。 降水要素:降水量、降水强度、降水历时、降水面积。 降水量:某时段内降至不透水平面上的水层厚度(mm)。 降水历时:降水所持续的时间。 降水强度:单位时间内的降水量。 降水面积:降水所笼罩的水平面积。 我国降水量的分布特点: 从东南到西北方向逐渐减少; 山地多于平原,迎风坡多于背风坡; 降水量年内分布不均; 雨季的起止时间各地先后不同。 水系、流域 水系:指汇流于某一干流的全

10、部河流、溪沟、湖泊等构成的脉络相连的地表水流系统。 流域:一个水系的全部集水区域。 分水点、分水岭和流域面积 分水线(岭):分水点的连线。 流域面积:由地面分水岭所控制的流域平面面积。 径流与径流特征值 径流:指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。可分为地表径流和地下径流。 径流特征值: 流量(Q):系指单位时间内通过河流某一断面的水量,单位为m3/s。 流量Q等于过水断面面积F与通过该断面的平均流速V的乘积,即: Q=VF 径流总量(W):系指某一段T内,通过河流某一断面的总水量,单位为m3。可由下式求得: W=Q?T 径流模数(M):指单位流域面积F(km2)上平均产生的流

11、量,以L/s?km2为单位,计算式: 径流深度(Y):指计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度,单位为mm,计算式为: 径流系数(a):为同一时段内流域面积上的径流深度Y(mm)与降水量X(mm)的比值: 以小数或百分数表示。 第二章岩石中的孔隙与水分 岩石中的空隙 岩石中的水分 岩石的水理性质 含水层与含水系统 第一节岩石中的空隙 岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律,对地下水的分布和运动具有重要影响。 孔隙松散沉积物中的空隙 裂隙坚硬岩石地层中的空隙 溶穴可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙 孔隙 概念:松散岩石是由大小

12、不等的颗粒组成的。颗粒或颗粒集合体之间的空隙,称为孔隙。孔隙度(n):或 或 V 表示包括孔隙在内的岩石体积 Vn表示岩石中孔隙的体积 影响孔隙度n大小的因素: 1.颗粒的排列方式: 等体积球作立方体排列,是最疏松排列 n = 47.64% 等体积球作四面体排列,是最紧密排列 n = 25.95% 2.颗粒大小: 理论上讲(按等体积球),n与颗粒大小无关,但实际上则无理想的等体积颗粒,大小必不相等,甚至大小悬殊。一般颗粒越大,则n越大。但由于分选性的影响,往往孔隙度反而减小。实际n值可大于47.64%或小于25.95%。 3.分选性 分选性越差,颗粒大小越悬殊,n则越小。反之则越大。 4.颗粒形状 形状越不规则,棱角越明显,排列越疏松,n越大。反之则越小。 5.胶结程度 胶结越好,n越小。 6.特殊孔隙的影响: 结构性孔隙、虫孔、根孔、甘裂缝等次生空隙。因此,对粘性土,它们对n的大小影响很大,不可忽视。 裂隙 坚硬岩石中的空隙,除沉积岩尚包含一定的原生孔隙外,其余的岩浆岩和变质岩一般均很少存在粒间孔隙。岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。 继续阅读