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水文地质复习资料null第一章地球上的水及其循环第一章地球上的水及其循环主讲教师：王涛Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础1.2 水文循环 Hydrologic-cycleCompany Logowww.themegallery.com（1）定义指发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中地下水之间的水循环。水文循环示意图——环节或要素（2）水文循环的划分循环路径不同：大循环（海-陆）与小循环（海-海，陆-陆）时空尺度不同：全球水文循环，流...

null第一章地球上的水及其循环第一章地球上的水及其循环主讲教师：王涛Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础1.2 水文循环 Hydrologic-cycleCompany Logowww.themegallery.com（1）定义指发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中地下水之间的水循环。水文循环示意图——环节或要素（2）水文循环的划分循环路径不同：大循环（海-陆）与小循环（海-海，陆-陆）时空尺度不同：全球水文循环，流域水文循环，水-土-生系统水文循环1.2 水文循环 Hydrologic-cycle水文循环-环节null 1、蒸发蒸发是水分通过热能交换从固态或液态转换为气态的过程，是水分从地球地面和水体进入大气的过程。 2、水气输送水汽输送，是指大气中的水汽由气流携带着从一个地区上空输送到另一个地区的过程。 3、凝结降水降水是水汽在大气层中微小颗粒周围进行凝结，形成雨滴，再降落到地面的过程。 4、下渗下渗是指降落到地面上的雨水从地表渗入土壤内的运动过程。 5、径流径流又称为河川径流，亦即地表径流和地下径流、壤中流之和。 1.3 水量平衡 Water balanceCompany Logowww.themegallery.com1.3.1 通用水量平衡方程（1）水文学（水文地质学）研究的基本原理质量守恒定律和能量守恒定律为基本原理（2）通用水量平衡方程：区域—时段—各要素 I = O + (W1 -- W2) = O + △W 其中，I ：时段内输入区域的各种水量之和 O ：时段内输出区域的各种水量之和 △W =W1 -W2：区域内时段始末的储水量不同区域、不同研究对象可以写出具体的水量平衡方程式（在地下水均衡中介绍） 1.3 水量平衡 Water balance1.4 水文循环的作用Company Logowww.themegallery.com水文循环的作用：通过循环—水的质量得以净化、水的数量得以再生水资源不断更新与再生，可以保证在其再生速度水平上的永续利用──也是可持续发展保证1.4 水文循环的作用1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com 对水文循环有显著影响的气象、水文因素主要有:气温、气压、湿度、降水、蒸发、径流。 1.5.1 气温（1）气温产生的原因大气直接吸收太阳辐射热：仅占太阳辐射热的15%；大气吸收地表辐射能量：43%的太阳辐射到达地面，地表接受太阳辐射增温后、再向大气辐射能量，此部分能量绝大部分为大气吸收而增温。大气与地表直接接触：由于热传导、对流而升温这更是大气增温的主要原因。 1.5 影响水文循环的气象、水文因素1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.1 气温（2）气温的时空变化时间上的变化: 昼夜变化、季节变化和多年变化；空间上的变化: 水平方向和垂直方向水平方向，同一高度上，从赤道向两极由高到低; 垂直方向，同一地点,不同高度上气温不同,在对流层内,一般每升高100M,气温降低0.5℃。1.5 影响水文循环的气象、水文因素1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.2 气压（1）概念指大气的质量施加在地表或地表上的物体之上时而产生的压力。单位:mm水银（Hg）柱高度。在

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状态下,(即气温为0℃,纬度45°的海平面上)气压为760 mm水银（Hg）柱高度，约相当于105Pa。（2）气压的空间变化特征垂向上的变化:随高度增加,气压下降。水平方向上的变化:由地表的热力状况决定,地表的温度越高,则气压越低,相反,地表的温度越低,则气压越高。 1.5 影响水文循环的气象、水文因素1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.3 湿度（1）概念指大气中的水汽含量。由于水汽既有重量，又有压力，因而其既可用重量单位表示，也可以用压力单位表示。（2）湿度的分类绝对湿度和相对湿度绝对湿度：指某一地区在某时刻空气中的水汽含量。1.5 影响水文循环的气象、水文因素1.5 影响水文循环的气象、水文因素www.themegallery.com1.5.3 湿度（2）湿度的分类绝对湿度：指某一地区在某时刻空气中的水汽含量。采用重量单位表示时,单位为g/cm3, 常用代号m；采用压力单位表示时,单位为mmHg，常用代号e。绝对湿度只能

说明

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某一时刻空气中水汽含量的多少,而不能反映出空气中水汽含量达饱和的程度,于是又提出了相对湿度的概念。1.5 影响水文循环的气象、水文因素1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.3 湿度（2）湿度的分类相对湿度：指绝对湿度与饱和水汽含量之比，常用代号r。式中：e、m代表绝对湿度；E、M代表饱和水汽含量。饱和水汽含量：指某一温度条件下，空气中可以容纳的最大水汽数量。采用重量单位表示时，常用代号M；采用压力单位表示时，常用代号E；1.5 影响水文循环的气象、水文因素 1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.3 湿度（2）湿度的分类饱和水汽含量与温度关系：（见表1-2 P11）一般规律：随气温升高，饱和水汽含量增大；反之，则减小。相对湿度与温度间关系：假设绝对湿度不变的前提下：温度增加，饱和水汽含量增加，则相对湿度降低；温度下降，饱和水汽含量降低，则相对湿度增加。 1.5 影响水文循环的气象、水文因素 1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.3 湿度（2）湿度的分类露点指当温度下降至某一值时，水汽含量达饱和，亦即 =100%=1，此时的气温就叫露点，若温度继续下降，则空气中过剩的水汽将凝结形成不同形式降水。 1.5 影响水文循环的气象、水文因素 1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.4 蒸发（1）概念指常温下，水由液态变为气态进入大气的过程。（2）类型有土面蒸发、水面蒸发和叶面蒸发（蒸腾）。通常用水面蒸发量的大小表示一个地区的蒸发强度。气象部门测定蒸发量的

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是：用蒸发皿装上水，测定一定时期内的蒸发水量，并用水柱高度的mm数表示，如：北京的多年平均年蒸发量为1102mm。气象部门提供的蒸发量只反映一个地区蒸发的相对强度，而不能代表一个地区的实际蒸发水量，因为一个地区不全是水面，且用小直径蒸发皿测得的蒸发量比实际水面蒸发量又偏大许多。1.5 影响水文循环的气象、水文因素 1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.4 蒸发（3）影响水面蒸发速度、强度的因素主要有气温、气压、湿度、风速等，其中主要取决于气温与绝对湿度的对比关系，更具体地讲，主要取决于相对湿度的大小，相对湿度越小，饱和差越大，则蒸发速度越快。饱和差：饱和水汽含量与绝对湿度之差。公式：d=E-e 饱和差越大，则蒸发越大。风速是影响蒸发的另一重要因素，风将水面上蒸发出的水汽带走，从而可以大大加快蒸发的速度与强度。1.5 影响水文循环的气象、水文因素 1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.5 降水（1）概念指空气中的水汽含量达到饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，并以液态或固态的形式降落于地面，这就是降水。降水的形式有：雨、雪、冰、霜等。（2）降水量气象部门用雨量计测定降水量，以某地区在某时间段内的降水总量平铺于该区地面得到的水层高度mm数表示。降水量数据是一个实际量，在计算含水层的降水入渗补给量时，经常使用。 1.5 影响水文循环的气象、水文因素 nullCompany Logowww.themegallery.com1.5.5 降水（3）天气、气候的概念天气：指某地区在某时刻（或短暂的时间段内如1小时，几小时，1天等）各种气象因素综合影响所决定的大气物理状态气候：指某区域的天气平均状态，一般指多年平均状态，并以气象要素的多年平均值表征，称为该区域的气候。 nullCompany Logowww.themegallery.com1.5.6 径流（1）有关概念径流：指降落于地面的降水在重力作用下，沿地表或地下流动的水流，分为地表径流与地下径流。水系：指汇注于某一干流的全部河流的总体构成的一个地表径流系统。流域：指一个水系的全部集水区域，流域范围内的降水通过各级支流汇注于干流。分水岭：指相邻两个流域之间地形最高点的连线，这是地表水的分水岭。地表水系、流域和分水岭同样可用于地下水。 1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.6 径流（2）径流要素（主要针对地表径流，但对地下径流也可以适用）流量（Q）：单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为m3/s，公式为： Q=F·V 式中： F：断面面积 V：断面的平均流速径流总量（W）：某时段T内，通过河流某一断面的总水量，单位为m3 W=Q·T 式中：Q：流量（m3/s）； T：时间（s） 1.5 影响水文循环的气象、水文因素 1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.6 径流（2）径流要素（主要针对地表径流，但对地下径流也可以适用）径流模数（M）：单位流域面积平均产生的流量，单位为L/s·Km2 式中： F：流域面积（Km2） Q：流量（m3/s）径流深度（Y）：计算时段内的总径流量均匀分布在测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度，单位：mm 式中： W：计算时段内的径流总量（m3） F：测站以上的整个流域面积（Km2） 1.5 影响水文循环的气象、水文因素 1.5 影响水文循环的气象、水文因素Company Logowww.themegallery.com1.5.6 径流（2）径流要素（主要针对地表径流，但对地下径流也可以适用）径流系数（）：同一时间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）的大小可以反映流域内降水转化为地表径流的效率。 1.5 影响水文循环的气象、水文因素第二章地下水的赋存规律第二章地下水的赋存规律主讲教师：王涛Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础2.1 岩石中的空隙2.1 岩石中的空隙岩石——水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层空隙——岩、土中各种类型的空洞的总称空隙—是地下水赋存场所（places）和运移通道（conduits）空隙类型孔隙（pore）--松散土层（unconsolidated soil）裂隙（fissure）-- 坚硬岩石（hard rock）溶穴（cavity）-- 可溶岩石（dissoluble rock）下面讨论描述空隙特征的有关概念，参数（指标）和分析方法。2.1.1 孔隙Company Logowww.themegallery.com 孔隙（pore）指松散岩石颗粒或颗粒集合体之间的空隙。孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与分布 1、砂砾石孔隙大小及其影响因素孔隙大小与颗粒大小关系？试样 a—砾石样品，b—砂土样品，c—砂砾混合样品提问：试样a与b构成的孔隙哪种大？哪种小？孔隙大小与颗粒排列关系——立方体、四面体孔隙大小特征的描述：孔喉 d=0.414D（立方体）孔喉 d=0.155D （六面体） (上述为：理想的等粒球排列）孔喉和孔腹？总结：砂砾石孔隙大小主要取决于颗粒大小与排列情况2.1.1 孔隙孔隙与粒径关系Company Logowww.themegallery.com a—砾石(模型) b—砂土样品 c—砂砾混合样品孔隙与粒径关系立方体排列与四面体排列Company Logowww.themegallery.com立方体排列与四面体排列立方体排列四面体排列d′2.1.1 孔隙Company Logowww.themegallery.com2.1.1 孔隙2、砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标定义：指某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。通常用 n 表示？问：孔隙度的大小与什么有关？ ——与颗粒大小有关？ a. 与排列方式有关——紧密与疏松理想最疏松孔隙度为47.64%(立方体排列)紧密排列孔隙度为25.95%（四面体排列）。 b. 与分选程度有关——下面试样哪个孔隙度大？哪个小？试样：①砾石 ②砂石 ③混合样不同颗粒大小的试样——孔隙度？Company Logowww.themegallery.com不同颗粒大小的试样——孔隙度？三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列方式相同时，孔隙度完全相同。2.1.1 孔隙Company Logowww.themegallery.com2.1.1 孔隙2、砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素完全混合试样：孔隙度 n混=n砾×n砂（请自己推导证明）具体指当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，且粗大颗粒之间的孔隙，完全为细小颗粒所充填时，则此岩石的孔隙度等于由粗粒和细粒单独组成时的岩石的孔隙度的乘积。总结影响砂砾石孔隙度大小的主要因素是颗粒的分选程度及排列情况。颗粒形状、胶结与充填也会影响孔隙度。颗粒形状愈不规则，孔隙度愈大。分选程度差，颗粒大小愈悬殊，孔隙度愈小。2.1.1 孔隙Company Logowww.themegallery.com自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些不同 P17表2-1 表2--1 松散岩石孔隙度参考数值矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%— 达到70% 2.1.1 孔隙2.1.1 孔隙Company Logowww.themegallery.com3、粘性土的孔隙与孔隙度粘土颗粒粘性土是指土体颗粒＜0.005mm 的直径 “粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成粘粒团” 细小粘粒集合（团）构成（称为）颗粒集合体。集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征粘土孔隙：孔隙大小除与颗粒大小及排列有关，还与结构孔隙、次生孔隙有关。孔隙度可以超过最大理论孔隙度？粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构结构孔隙——集合体与集合体、粘粒与粘粒之间次生孔隙——虫孔、根系孔、裂隙裂痕等2.1.1 孔隙2.1.2 裂隙Company Logowww.themegallery.com裂隙（ fissure fracture ）固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙）裂隙类型：风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙裂隙形态：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状”空隙，单个裂隙是孤立的裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括： 1) 裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度） 2) 张开性（裂隙宽度） 3) 裂隙率等2.1.2 裂隙2.1.2 裂隙Company Logowww.themegallery.com裂隙率裂隙多少用裂隙率表示，有如下三种： ① 体裂隙率（KV）：一般用于室内测定式中：VV 裂隙体积；V包含裂隙在内的岩石体积。 ② 线裂隙率KL ：一般用于野外测定指与裂隙走向垂直方向上单位长度内裂隙所占的比例。式中： bi：沿裂隙走向方向第i条裂隙的宽度 L：与裂隙走向垂直方向上代表性测量线段的长度2.1.2 裂隙2.1.2 裂隙Company Logowww.themegallery.com裂隙率裂隙多少用裂隙率表示，有如下三种： ③ 面裂隙率（Ka）：一般用于野外测定指单位面积岩石上裂隙所占的比例。式中：F ：代表性露头地段岩石面积 bi ：第i条裂隙宽度 Li：第i条裂隙长度2.1.2 裂隙2.1.3 溶穴 Company Logo溶穴（cavity） cavern 在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果 ——是扩大了的裂隙溶穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+溶洞） 1）岩溶发育方向 2）溶蚀率--钻孔岩溶发育程度 3）溶洞（方向、规模等）2.1.3 溶穴 2.1.3 溶穴溶穴（cavity） cavern 岩溶率Kk ：为溶穴的体积（VK ）与包括溶穴在内的岩石体积（V ）的比值。式中： VK：溶穴体积 V：包含溶穴在内的可溶岩体积。2.1.3 溶穴 2.1.4 空隙特征的对比Company Logowww.themegallery.com空隙特征的比较含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质（孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶穴含水介质）。含水介质的空间分布与连通特征是不同的，三种主要类型的含水介质比较：连通性— 孔隙介质最好，其它较差空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀。孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴大小极悬殊空隙比率—孔隙介质最大，裂隙最小空隙渗透性—孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向异性造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境2.1.4 空隙特征的对比2.2 岩石空隙中的水Company Logowww.themegallery.com2.2 岩石空隙中的水存在形式：气态固态液态设想实验：

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关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料

（小石子、细管）+水（水杯）（1）在小石子之上滴上几滴水，小石子上就会有残留水？（2）在饱水试样中，小石子上和小石子上孔隙间的水？（3）将玻璃细管插入水中，取出，管中残留水？通过上述3例及图示→空隙中水的存在形式：结合水——（absorbed water, bound water）重力水——（gravitational water;bulk water）毛细水——（capillary water） 2.2.1 结合水Company Logowww.themegallery.com2.2.1 结合水结合水（absorbed water, bound water）（1）定义附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水（2）类型强结合水：离固相颗粒表面非常近的水；弱结合水：离固相颗粒表面较远的水。（3）性质结合水具有固态和液态水的双重性质，即在自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）及变形，也可以说其具有一定的抗剪强度。？抗剪强度的产生与大小与什么有关？表面引力（固相表面与水分子间静电引力）—服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱结合水与重力水结合水与重力水Company Logowww.themegallery.com结合水与重力水结合水与重力水Company Logowww.themegallery.com 表面引力—服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱结合水与重力水结合水2.2.2 重力水Company Logowww.themegallery.com重力水（gravitational water; bulk water）远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受自身重力影响。在自身重力影响下可以自由运动的水叫重力水地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽出）重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的主要对象2.2.2 重力水结合水与重力水2.2.3 毛细水Company Logowww.themegallery.com毛细水（capillary water） 1、基本概念毛细现象： ① 根据细小管插入水中，水上升至一定高度停下来 ② 在土层中挖个洞，在洞内放个接渗皿，能否接到水?—北方地窖，陕北的窑洞毛细力：毛细水：受到表面吸引力，重力，还有另一种力—称毛细力的作用，产生毛细现象我们可以把毛细力归纳为3点：2.2.3 毛细水毛细水空隙中的水毛细水2.2.3 毛细水Company Logowww.themegallery.com毛细力：毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起——液面弯曲产生的。毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹侧（p44）毛细力的大小：毛细力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大,毛细力大;曲率小，毛细力小）一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；反之亦然毛细力大，毛细上升高度也越大2.2.3 毛细水毛细水2.2.3 毛细水Company Logowww.themegallery.com2、毛细水的存在形式（states forms）在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种： a) 支持毛细水（supporting capillary water ）在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关 b) 悬挂毛细水（suspension capillary water ）脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分，称为悬挂毛细水上细下粗砂砾试样的例子。？悬挂毛细水的高度 c) 孔角毛细水（触点毛细水）（corner water, contiguity water?）孔角毛细水与悬挂毛细水是不同——？悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的 2.2.3 毛细水支持与悬挂毛细水小结2.3 岩石的水理性质Company Logowww.themegallery.com2.3 岩石的水理性质一、定义指岩石与水接触过程中表现出来的控制水分活动的各种性质。就水文地质学来说，主要涉及是与水分储容、释出与运移有关的性质包括：容水度、含水量、持水度、给水度二、水理性质 1、容水度和孔隙度（porosity）- nr 岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比（反映岩石最大含水能力）孔隙度——n; 容水度——nr ？两者有何关系2.3 岩石的水理性质2.3 岩石的水理性质二、水理性质 1、容水度和孔隙度（porosity）- nr 孔隙度——n; 容水度——nr ？两者有何关系一般情况下，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等，但在如下情况下，二者不相等：对于吸水后体积发生收缩或膨胀的土粒：吸水后膨胀时， nr >n 吸水后收缩时， nr 题

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： 1）决定潜水的流向； 2）求潜水的水力坡度；3）确定潜水的埋藏深度； 4）提供合理的取水位置； 5）推断含水层岩性或厚度变化； 6）确定地下水和地表水的相互补给关系； 7）确定泉水出露点和沼泽化范围。虚线－潜水等水位线实线－地形等高线null潜水与地表水的关系潜水补给河流河流补给潜水单侧补给null承压水(pressure water)充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水。A－补给区 B－承压区 C－排泄区null 特征： 1）承压水的分布区和补给区是不一致的。 2）地下水面承受静水压力，非自由面。 3）承压水的水位、水量、水质及水温等受到气象水文因素季节变化的影响不显着。 4）任一点的承压含水层的厚度不变，不受降水季节变化的支配。承压含水层局部H1－初见水位 H2－承压水位 H－承压水头 h－承压水位埋深 null承压水等水位线图null如图中A点：地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。则承压水位埋深为： 103－91＝12m 承压水头为91－83＝8 m 含水层埋深为： 103－83＝20m承压水等水位线图可确定下列重要指标：承压水位埋深承压水头大小含水层埋深（初见水位）第三章地下水的运动 The movement of G.WFundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础第三章地下水的运动 The movement of G.W主讲教师：王涛第三章地下水的运动第三章地下水的运动地下水运动的几个基本概念（1）渗流与渗流场渗流（渗透）：指地下水在岩石空隙中的运动。渗流场：指发生渗流的区域。（2）层流运动与紊流运动层流运动：在岩石空隙中渗流时，水的质点作有秩序的、互不混杂的流动。紊流运动：在岩石空隙中渗流时，水的质点无秩序地、互相混杂的流动。从流态来看，地下水多为层流（除岩溶管道外）第三章地下水的运动第三章地下水的运动地下水运动的几个基本概念（3）稳定流与非稳定流稳定流：指水在渗流场内运动，各个运动要素(水位、水量、流速、流向等)不随时间变化的水流运动。非稳定流：指各个运动要素随时间变化的水流运动。严格地讲，自然界中地下水都属于非稳定流。 3.1 达西定律（Darcy’s law）Company Logowww.themegallery.com3.1 达西定律（Darcy’s law）达西定律—线性渗透定律（linear law） H.Darcy— 法国水力学家，1856年通过大量的室内实验得出的。 3.1.1 实验条件：装置图—P36，图4-1 1）等径圆筒装入均匀砂样（uniform sand），断面为ω 2）上（下各）置一个稳定的溢水装置——保持稳定水流 3）实验时上端进水，下端出水——示意流线 4）砂筒中安装了2个测压管 5）下端测出水量（outflow）—Q3.1.1 达西试验装置3.1.1 达西试验装置达西试验装置_两种达西试验装置_两种2—变水头装置1—常水头装置3.1.2 达西定律（Darcy’s law）3.1.2 达西定律（Darcy’s law）通过变水头，多次实验得出：出水端的流量Q与砂柱、测压管水头之间的关系为：（1） Q ——渗流量； ω——砂柱断面面积； h ——水头损失（m）；L ——渗流途径； K——与试样有关的比例常数。由水力学中水动力学基本原理：（2） Q = K I ω3.1.2 达西定律（Darcy’s law）Company Logowww.themegallery.com3.1.2 达西定律（Darcy’s law）渗透流速根据水力学，流速与流量的关系对上式转化： Q = ω ·V 与（2）式比较 V = K·I ----- （3） V称为渗透流速（seepage velocity \Darcy velocity ）达西定律中由此看出：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V—I关系图转下页V——I 曲线V——I 曲线V = K · I ——（3）3.2 达西定律讨论Company Logowww.themegallery.com3.2 达西定律讨论3.2.1 渗透流速（V）与过水断面（ω） Q = K ω I = ω V 过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否过水断面——ω，假想的断面实际孔隙断面——ωn 孔隙度实际水流断面——ωne 有效孔隙度 Q/ω =V 比照水力学，实际流速 Q/ω′= u ，ω′= ω ne 关系：地下水渗透流速 V= u ne 渗透流速V：是假设水流通过整个岩层断面（骨架+空隙）时所具有的虚拟的平均流速。意义：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而不去追踪实际水质点的运移轨迹——简化的研究过水断面比较过水断面ω与实际过水断面ω’Company Logowww.themegallery.com过水断面ω与实际过水断面ω’ 过水断面（ω）实际过水断面（ω’） ω’＝ ω ne (1)有效空隙度ne为重力水流动的空隙体积(不包括结合水占据的空间)与岩石体积比。有效空隙度ne<孔隙度n。（2）有效孔隙度ne>给水度μ ？过水断面ω与实际过水断面ω’Company Logowww.themegallery.com过水断面ω与实际过水断面ω’ 实际过断面（ω’）过水断面（ω）地下水实际流线基于渗透流速的流线4.2.2 水力梯度4.2.2 水力梯度水力梯度（I）（hydraulic gradient）水力学中水力坡度（J）:单位距离上的水头损失是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比物理涵义上来看I：代表着渗流过程中，机械能的损失率，由水力学中水头的概念加以分析：在地下水渗流研究中任意点的水头表达式总水头测压水头速度水头机械能势能动能3.2.2 水力梯度水力梯度（I）在达西实验中： 3.2.2 水力梯度其原因是 u2/2g 很小而忽略在地下水渗流研究中常：总水头  测压水头 (包括位置水头和测压高度) 我们仍然用 △H = H1-H2 代表该程 L1—2 上的总水头损失， I —则为总能量损失率渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）流体的粘滞性引起的——内摩擦阻力（分子间）固体颗粒表面与水流之间的摩擦阻力3.2.2 水力梯度3.2.2 水力梯度水力梯度（I）从达西公式: V = KI 来看：当I 增大时，V 也愈大；即流速V 愈大，单位渗流途径上损失的能量也愈大;反过来，水力梯度I愈大时，驱动水流运动与速度也愈大注意：水头损失一定要与渗流途径相对应3.2.3 渗透系数3.2.3 渗透系数渗透系数 K（coefficient of permeability）在有些教科书中也称为水力传导系数（hydraulic conductivity）定义：水力梯度为 I =1 时的渗透流速（V=KI）单位为m／d或cm／s 由公式V = K I 分析当I一定时，岩层的 K 愈大，则 V 也愈大， Q 大因此，渗透系数 K 是表征岩石透水性的定量指标 V—I关系图3.2.3 渗透系数Company Logowww.themegallery.com3.2.3 渗透系数渗透系数 K 影响因素：—— 以松散岩石等径孔隙为例来分析 γ-水的比重； μ-动力粘滞系数; d0-孔径从公式即得出： K与岩石性质有关 K ∝（d02，ne）与流体物理性质有关 K ∝（γ/μ）表3-1列出常见岩石渗透系数的参考值3.2.3 渗透系数Company Logowww.themegallery.com3.2.3 渗透系数渗透系数 K 表3-1 松散岩石渗透系数参考值第四章地下水的理化特征及其形成作用Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础第四章地下水的理化特征及其形成作用主讲教师：王涛null概述地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。化学成分：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。null概述水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。在利用地下水时，不同的用水目的，对水的质量有一定要求（如：饮用水、锅炉用水、灌溉用水、饮用矿泉水、地下水对混凝土的侵蚀性等）研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合。 null 4.1 地下水的物理特征一、温度： 1、地温梯度：一般在1.5-4.0℃/100m之间，一般为3℃/100m。 2、地下水温的简单规律：1）变温带的水温呈现微小的季节变化；2）常温带中的地下水温与当地年平均气温接近（±1℃）；3）增温带中的水温随其赋存于循环深度的增加而升高。 null3、温度的控制因素：大气温度及埋藏深度；水温超过20℃称为温水，20-37℃称为低温水，42℃以上的称为高温水。如华清池为43℃，长白山的抚松温泉为61℃，海南的官塘温泉为79-90℃，而西藏的羊八井温度则高达150-160℃。 4、温度计算：某一深度H处地下水温（T）的计算公式： T=t+（H-h）r 其中T：地下水水温；H:地下水循环深度；t：年平均气温；r：地温梯度；h：年常温带深度。 4.1 地下水的物理特征null二、颜色：水本无色，太深时才显示出淡蓝色；含有其他离子、分子之后才会显示出不同的颜色，如氧化铁为暗红色，氧化亚铁为浅蓝绿色，有机质为莹黄色、灰黄色，硫化氢为翠绿色。三、味道：地下水味道有苦有涩有甜，主要取决于化学成分和气体成分的种类和含量。如二氧化碳或碳酸钙时清凉可口，硫酸钙为涩味，氯化镁为苦味。四、透明度：主要决定于水中固体和胶体悬浮物的含量。 4.1 地下水的物理特征null五、气味：地下水中含有不同成分的气体及有机质时，地下水便具有不同的气味；如硫化氢为臭鸡蛋味，腐殖质多则有霉草味，氧化亚铁为铁腥味。六、比重：温度在4℃时比重为1。当水中的溶解的盐类成分的数量增多时，水的比重增大。七、导电性能：的大小决定于水中所含电解质种类、浓度大小及地下水的温度高低。一般用电导率表示，电导率为电阻率的倒数，单位是S/cm(西门子每厘米)。 4.1 地下水的物理特征4.2 地下水的化学特征4.2 地下水的化学特征一、地下水中常见的气体成分氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）硫化氢（H2S）、甲烷（CH4），常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关二、地下水中主要离子成分地下水中含量多的有七种离子阴离子： HCO-3 ， SO2-4 ， Cl- 阳离子： Ca2+, Mg2+, K+, Na+4.2 地下水的化学特征地下水中常见的气体成分 1、氧（oxygen, O2）、氮（nitrogen, N2）起源：随大气降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2 ——说明地下水是大气起源的，氮还有生物起源与变质起源。说明是大气成因的；若比值小于0.0118，则说明是生物或变质成因的。环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且处于封闭还原环境。4.2 地下水的化学特征4.2.1 气体成分4.2.1 气体成分地下水中常见的气体成分 2、硫化氢（H2S）、甲烷（methane, CH4）这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与的生物化学过程中形成。还原环境下： SO2-4 → H2S，成煤过程，煤田水成油过程，油气藏，油田水脱硫酸作用： 4.2.1 气体成分4.2.1 气体成分3、二氧化碳（CO2）大气降水中的CO2含量较低，地下水中CO2主要源于土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生碳酸盐岩地层：在深部高温下，可变质生成CO2 深部地幔和地壳：通过活动的深大断裂。人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的CO2增加，（增长20%）引起温室效应。地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解能力愈强！4.2.1 气体成分——研究意义地下水中气体成分的研究意义：气体成分——指示地下水所处的地球化学环境氧化环境—oxidation 还原环境—deoxidation 气体成分—可以增加水对盐类的溶解能力促进水→岩的化学反应，相互作用4.2.1 气体成分——研究意义4.2.2 主要离子成分4.2.2 主要离子成分地下水中的主要离子成分水中离子成分主要取决于： ①元素的丰度（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的重量百分比； ②元素组成的化合物在水中的溶解度地壳中主要元素有哪些？地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低）地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C （地下水中高）地下水中主要离子有： Anion 阴离子：HCO-3、SO2-4

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