表1地球浅部层圈水的分布
《地理》水循环--笔记
水循环示意图
海上内循环 降蒸 水发
人类对水循环的影响
目前，人类活动对水循环的影响主要体现在对 地表径流 的影响。
水循环环节
人类活动
地表径流 地下径流
引河湖水灌溉，修建水库，跨流域调水、填河改陆、围湖造田
地下工程建设、地下水人工回灌，抽取地下水 地下交通线路修建破坏渗流区的地质结构，改变地下水的渗透方向
蒸腾作用（transpiration）：
是水分从活的植物体表面（主要是叶子）以水蒸汽状态散失到 大气中的过程，是与物理学的蒸发过程不同。
蒸腾作用不仅受1.外界环境条件的影响，而且还受。2.植物本身 的调节和控制，因此它是一种复杂的生理过程。
陆地内循环
蒸
降 水
发 、 蒸
腾
降 水 下 渗
海陆间循环 水汽输送
洪
涝
灾
害
雨涝灾害
由大雨、暴雨或持续降雨 低洼地区积水、淹没
洪涝灾害的的危害
0
破坏 基础设施
2 洪水会破坏交 通、通信、水 利等基础设施。
容易
0 引发疫情
4 此外，洪涝过后 容易引发疫情， 威胁人类身体健 康。
0 淹没农田 洪涝危害巨大，
1 洪水常常淹没 农田。
引发
0 生态问题
3 洪涝还会引起 河流泥沙淤塞、 水土流失等问 题。
第一节 水循环
一、“水的行星” 三分陆地，七分海洋
水圈是自然水组成的一个连续但不规则的圈层
气态 数量最少,但分布最广 形态 液态 数量最大，分布次之
固态 仅高纬、高山或特殊条件下
海洋水 97% 主体 空间分布 陆地水 供应人类所需的淡水
大气水 数量最少，但分布最广
水文地质学基础--2.地球上的水循环
% 0 69.0 30.92 0.05 0.04 0.003 100
2.5%
97.5%
淡水 咸水
29.9% 0.9%
0.3%
冰和永久积雪
地表淡水
68.9%
地下淡水
土壤水、沼泽 水和永冻土
• 不同层圈其水分含量、分布及物理化学状态不同，可以区 分为浅部层圈水和深部层圈水。
• 浅部层圈水 分布于大气圈到地壳的上半部的水； 分布类型：大气水、地表水、地下水以及生物体中的水； 物理状态：气态水、液态水和固态水，以液态水为主。 化学状态：以自由水分子形式存在； 深部层圈水 分布于地壳的下部到下地幔之间的水； 物理状态：高温高压，压密的气水溶液； 化学状态：多以离子态或矿物结合水的形式存在。
2.2 地球中水的循环
从大气圈到地幔的各层圈的水分是一个完整的统一体，它们之 间相互联系、相互转化。 根据循环的途径、速度和深度等，分为地质循环和水文循环。
地质循环(Geological Cycle)
➢发生于大气圈到地幔之间的水分交换。 ➢一般属于间接循环，它与岩浆活动、岩 石重结晶、沉积成岩等地质活动有关，它 主要表现为伴随地球物质的运动、转移、 变化过程而产生的水分循环。 ➢具有循环途径长，速度缓慢（循环周期 长）的特点。 ➢研究水的地质循环，有助于分析地壳浅 表和深部各种地质作用，对于寻找矿产资 源、预测环境变化和深部地质灾害具有重 要意义。
水文循环(Hydrological Cycle)
定义：是大气水、地表水及地壳浅部岩石空隙中的地下水 之间的水分交换。 特点： 是一种直接循环，即浅部层圈中水分子的直接转换； 具有循环速度快，循环途径短，交替迅速的特点。 分类： 大循环：海洋—陆地之间，受控于全球气候条件的变化； 小循环：陆地—陆地，或海洋—海洋，受局部气候影响， 可调控。 水文循环的动力——太阳辐射和重力共同作用。 水文循环的意义 水质净化、水量更新再生；
水文循环
第一章水文循环第一节地球上的水（简单概念）地球是一个富水的行星。
地球上的水从大气到地球表面至地核各个层圈都赋存有水。
即：地球浅部层圈水，如大气圈、地球表面、岩石圈和生物圈中；地球深部的地幔和地核中。
（1）地球浅部层圈水分布有大气水、地表水、地下水以及生物体中的水，这些水均以自由态H2O 分子形式存在，以液态为主，也呈气态与固态存在。
我们从表1-1中，可以建立地球浅部层圈水的分布状况与数量概念。
（2）地球浅部层圈水的淡水从表1-1中可知，浅部层圈中水的总体积约为13.86×108。
若将这些水均匀平铺在地球体表面，水深约为2718m。
但是，其中海水等咸水约占97.47%，淡水只占2.53%。
各淡水体的比例：约68.8%为冰川与积雪，0.3%为河湖，30%为地下水，其他淡水占0.9%。
（3）地球深层圈水（一般性了解）地球深层圈水分布于地壳下部直到下地幔这一范围内。
在地壳下部深约15~35km处，地温达400℃以上，压力也很大，这里的水不可能以普通液态水或气态水形式存在，而成为被压密的气水溶液。
表1-1 地球浅部层圈水的分布关于地幔的含水量，有关学者通过不同方式得到的结论基本一致。
认为未经去气作用的地幔物质约含5％—7％的水。
假定地幔总重量为4×1027g，其中熔融物质占25％，则地幔软流层中所含的水分总量约相当于现代海洋水总量的35~50倍。
据推测，在极高的温压下，这里的水电离为及，甚至近一步电离为及。
当软流层的岩浆沿通道上升，温压降低时，氢、氧离子将结合为自由态的水（）而析出〔区永和等，1988〕。
第二节水循环水循环概念：上述讨论的地球上各部位（层圈的）的水是相互联系、相互转化的，这一过程称为水循环。
地球上各层圈的水也是称水系统。
自然界的水循环分为图1-1 自然界的水循环〔据阿勃拉莫夫〕Ⅰ—海洋水；Ⅱ—沉积盖层；Ⅲ—地壳的晶质岩；Ⅳ—岩浆源；Ⅴ—地幔岩；Ⅵ—大陆冰盖；1—来自地幔源的初生水；2—返回地幔的水；3—岩石重结晶脱出水（再生水）；4—沉积成岩时排出的水；5—和沉积物一起形成的埋藏水；6—与热重力和化学对流有关的地内循环；7—蒸发和降水（小循环）；8—蒸发和降水（大循环）；9—地下径流；10—地表径流地质循环的概念：地球深部层圈水与表层圈水之间的转化过程称为地质循环。
水文地质学概论
第一章 自然界的水循环 Water /hydrological cycle
地球上的水 水循环 与水文循环有关的气象水文因素 我国水文循环概况
第一节 地球上的水
地球是个富水行星，地球各层圈水的分布状况及其 存在状况差别很大。
深部层圈：地壳下部直到下地幔范围内的总水量为 现代海洋的35-50倍。地壳下部深约15-35km范围， 压力很大，400OC，水以压密的气水溶液存在；地幔 物质的5-7%为水。
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西北地区荒漠化
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地下水污染情况
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地下水污染： 1、开采漏斗 2、地面沉降 3、海水入侵 4、水质污染
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3、地下水是一种很活跃的地质营力
─地壳内能量、热量的传输者
传递应力：水为诱发地震，地质灾害是地下水作用 人工地震预报──观测地下水
地球是个天然热库——在地质循环和水文循环 中传输地壳内部的能（热）量的传输。
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1、地下水是一种宝贵的资源（resources）
b) 液体矿产:
地下水高含盐类或稀有元素，具工业开采价值。 如四川自贡三叠纪岩层中的卤水，每升水含盐300g之多。
医疗或健身功能的矿水(natural mineral water) 。 疗养院、天然矿泉水厂、啤酒厂等需特殊功能的水资源。
地下热能利用 地球是个天然热库──可以供热，发电等。
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三、水文地质学的发展历史
三个时期：1856年以前的萌芽时期，1856年至20世纪中叶的 奠基时期，20世纪中叶至今的发展时期。 萌芽时期：由逐水而居到凿井取水的大转折—坎儿井 奠基时期：1856年，达西定律出现，标志可进行地下水渗流 的定量计算（奠定了水文地质学的基础）。 发展阶段：二次世界大战后，科学技术推动生产迅猛发展及 人口急剧增长，需水量越来越大，迫切需要预测开采地下水 引起的地下水变化。正确地评价、开发、管理与保护地下水 资源以及保护与地下水有关的生态环境，成为水文地质学的 主要工作。
地层中的水分类
地层中的水分类
地层中的水主要可以分为以下几类：
1. 浅层地下水：潜藏在地表以下第一个不透水层以上的地下水，其水面称为地下水位。
由于经过地层的渗滤，这种水质的物理性状较好，浑浊度小，细菌数也较少。
然而，在流经地层的过程中，它可溶解各种矿物盐类，使水质变硬。
此外，由于水中溶解氧被土壤中的生物化学过程所消耗，所以水中氧含量较低。
2. 深层地下水：位于第一个不透水层以下的地下水。
由于地层起伏不平，含水层内水位不同，某些深层地下水可受有压力，形成承压地下水。
这种水因受压力大，能沿井管涌出水面，也被称为自流井。
深层地下水由于覆盖地层厚，不易受地面污染，所以水质透明无色、水温恒定、细菌数较少、盐类含量高、硬度高，且水量较稳定，常作为城镇集中式供水水源。
3. 泉水：由地表缝隙自行涌出的地下水。
以上信息仅供参考，如需获取更多详细信息，建议查阅地层水方面的书籍或咨询地质学家。
水文地质学1章
水文地质学第一章地球上的水及其循环1.1地球上的水一、地球上的水的起源及其存在空间1、起源2、存在空间浅部层圈水,深部层圈水二、浅部层圈水的总水量地球浅部层圈水的分布1.2自然界的水循环水循环:自大气圈到地幔的地球各个圈层中的水构成的系统中水相互联系、相互转化的过程叫做自然界的水循环。
自然界的水循环分为水文循环和地质循环两类。
水循环水文循环示意图1.2.1 水文循环1、天然水循环1)循环过程2)循环原因:a:内因:固液气三相水可以相互转化b:外因:太阳辐射使得水体蒸发,地球重力使水降落到地面。
3)循环环节:蒸发-运移-降水-径流4)循环类型:a:大循环(洋陆之间)b:小循环c:内循环1.2.1 水文循环5)水循环的作用(对水):a:促进天然水的更新b:促进海洋和大气水的交换,也促进大陆内部不同流域内的水交换; c:促进各个圈层之间的交换(大气圈、生物圈、水圈、岩石圈)6)研究水循环的意义:加强小循环,阻截大循环塔里木河,世界第二大内陆河新疆塔里木河的断流和输液疗法1.2.1 水文循环2、人为因素影响下的水循环1)循环的过程:在蒸发和径流两环节之间加入了人为因素。
2)人为活动影响的结局:a:由于水量变化导致地下水量的变化b:天然水受到污染,水质发生变化c:打破了原有的生态系统平衡。
1.2.1 水文循环研究水文循环的意义:全球多年平均降水量为1130mm,折合水量57.7万km3,还不到全球总水量13.86亿km3的0.0416%。
但是这部分经常参与水循环运动的有效水量,对于自然界和人类的生活和生产活动却有重大意义。
1.直接影响气候的变化。
2.形成江、河、湖、沼等水体及各种地貌。
3.造成巨大的水利资源。
4.形成一切水文现象。
1.2.2 地质循环1、定义:地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程叫做地质循环。
2、过程有二:1.3.1 与水文循环有关的气象因素1、气象因素:影响地下水形成与动态的气候特征及其变化的要素。
1-4地球的圈层结构
地球的外部圈层 大气圈 2.大气的垂直分层 2.大气的垂直分层 高层大气:从平流 高层大气:
层顶到3000千米的 层顶到3000千米的 高 层 层 大 层
电 离 层
地球的外部圈层 水 圈
水圈的主体 是地球上的海洋, 是地球上的海洋, 其面积约占全球面 积的71%. 积的71%.
水 人类实际能够利 球 上 用的淡水资源仅占地 河流水 的 大气水 球淡水储量的0.3% 0.3%, 球淡水储量的0.3%, 水 水 水 约为地球总储水量的 陆地水 水 十万分之七. 十万分之七.水 海洋水
地
地球的外部圈层 生物圈
生物圈是地球生物与其环 境共同组成的特殊圈层. 境共同组成的特殊圈层.生命 活动渗透到大气圈, 活动渗透到大气圈,水圈和岩 石圈中, 石圈中,成为地球上最具活力 的圈层. 的圈层.
案例研究: 案例研究:
美国" 美国"生物圈 2号"实验的成败 说明了什么问题? 说明了什么问题?
水 圈 地球是由不同物质和不同状态的圈层所组 成的球体.因为以地心为共同球心,所以 也叫同心圈层.
地核
岩石圈
地球的内部圈层
地壳 莫霍面 地幔 地核
古登堡面
Байду номын сангаас
地震波速度与地球内部构造图 地震波速度与地球内部构造图
地球的内部圈层 岩石圈——内部圈 岩石圈——内部圈 层的特殊圈层, 层的特殊圈层,由 地壳和上地幔顶部 (软流层以上的上 地幔)构成. 地幔)构成.
中 间 层
电 离 层
气温随高度 递减; 递减;空气对流 运动剧烈; 运动剧烈;天气 现象复杂多变. 现象复杂多变.
平 流 层
对 流 层
大气的垂直分层(中纬度地区) 大气的垂直分层(中纬度地区)
《水文地质学》自然界的水循环-图
气压
气压向两侧下降
空气
空气
气流
亚热带 高压带
气流 下降
气流
低压带 赤道
亚热带 高压带
相对低 压带
极地 高压带
• 湿度
（1）绝对湿度与相对湿度 绝对湿度：某一地区某一时刻空气中水汽的含量 饱和水汽含量：在某一温度下空气中可容纳的最大 水汽数量 相对湿度：绝对湿度与饱和水汽含量之比
体 积(km3) 12 900
l 338 000 000 24 064 100 176 400 1l 470 2 120 16 500
23 400 000 300 000
1 385 983 490
％ 0.001 96.5 1.74 0.013 0.0008 0.0002 0.001
1.7 0.022
地球表面有生命的地带被称为“生 物圈”。它包括地球上一切生命有机体 （植物、动物和微生物）及其赖以生 存和发展的环境（空气、水、岩石、 土壤等）。生物群落与环境之间以及 生物群落内部通过能量流动和物质循 环形成一个统一整体，即生态系统， 生物圈是地球上最大的生态系统。群 落内部依靠食物链维系着物质和能量 的平衡和流动，生物和环境之间也因 物质和能量的制约而达到一种较稳定 的状态，即生态平衡。生物与环境之 间、生物群落内部以及人类与生物环 境之间时刻存在着复杂的相互作用， 研究这 些相互作用将有助于人类更好 地保护自身生存环境。
据研究，初期地球上水很少，最早是 从大气中分化出来的。当时 大气中的大 量水气，由于温度降低，以尘埃为凝结 核，形成水滴降落地面。更多的水来自 地球内部岩石中的结晶水，它们由于温 度升高形成水汽，随火山活动等逸出地 壳进入大气中，经凝结降落地面，因此 水圈是整个地质时期由小到大，长期积 累的结果。
01第1章地下水及其赋存
水文循环(hydro-cycle)
是指地球浅部层圈中的水，即大气水、地表水和地壳上部 地下水相互间的交替循环。 特点：交替速度较快，途径较短。 水分循环三要素：蒸发(Z)、降水(X)和径流(Y)
地质循环
地球浅部层圈水与深部层圈水之间的相互转化过程。
四川大学水电学院
地下水水文学
潜水的特征
与降水和地表水联系密切，积极参与水循环 分布区与补给区基本一致 排泄方式
径流排泄：泉、渗流形式 蒸发(腾)排泄：失水分，留盐分盐碱土 动态的季节性变化显著(丰水，水位高，含水层厚) 易受污染
等水位线图(phreatic water contour)
在潜水面上，将高程相同的点(即潜水位相同的点)相连， 即为潜水面的等水位线图 通过该图可确定潜水流向、水力梯度及潜水与河水的补排 关系等，见图1-10、图1—11
地下水水文学
主讲：刘国东 教授
Email:liugd988@
第一章 地下水及其赋存
Groundwater and its occurrence
§1.1 自然界水的分布、循环与均衡
地下水水文学
1.1.1 自然界水的分布
浅部层圈水：地球总水量140786万km3，海水137000 万km3 (占97.3%)，陆地地表水2943万km3 (2.1%) ， 陆地地下水841.7万km3 (0.6%) 。 深部层圈水：水量更多，但不能利用
饱和，0<S<1表示非饱和
S
Cw n
四川大学水电学院
地下水水文学
1.2 地下水的赋存
1.2.3.2 给水性(specific yield)
含水岩土在重力作用下能自由释出一定水量的性能
地球的圈层结构
地壳 地球的内部圈层：地幔 地核
地球的外部圈层：大气圈 水圈 生物圈
地球内部圈层构造示意图
地幔 地核
上 地 幔
外 核 内核 下地幔
地壳
“通往地心之路”—火山
目前，地质科学家已经在13个国家打了近100口深浅不一的科学钻探井， 其中4000米至5000米以上的深井有20个。12262米的科探井世界纪录是由 前苏联在科拉半岛上的SG3井保持的；德国曾经打了一口9100米的科探井。 在我国江苏省东海县毛北开钻的5118米科探井工程将是亚洲第一、世界第 三深井。
这种改变对人类又有什么影响
思考
地球圈层结构在空间分布上的特点
在高空和地球内部，各圈层基本上是上下平行 分布的，但在地球表面附近，各个圈层确是相 互渗透相互重叠。
地球内部圈层构造示意图
地幔 地核
上 地 幔
外 核 内核 下地幔
地壳
上地幔上部存在一个 软流层，这里可能为 岩浆的主要源地
温度、压力和密度 很大
二、地球的外部圈层
大气圈、水圈、生物圈相互交错、相 互影响，构成地球上最具活力的外部 圈层。
1、大气圈
环绕地球最外部的气体圈层。
1、低层大气的物质组成
2000—3000千米
氮 78% 氧21%
其他气体1%
（氩、二氧化碳、臭氧等）
电离层
海拔高度
高层大气
50千米
臭氧层
平流层
12千米
1、气温随海拔升高而降低 2、天气复杂多变
对流层
2、水圈Байду номын сангаас
主体，占71%
冰川水 河流水 大气水
地表水
地 球 上 的 水
普通地质学地球的圈层结构
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地 球 内 部 圈 层 结 构 及 各 圈 层 的 主 要 地 球 物 理 数 14 据
地温：温度在地球内部的分布状况称为地温场 。通常把地表常温层以下每向下加深100 m所升高 的温度称为地热增温率或地温梯度(温度每增加1℃ 所增加的深度则称为地热增温级)。
根据推算，在莫霍面处的地温大约为4001000℃，在岩石圈底部大约为1100℃，在上、下地 幔界面附近(约650km深处)大约为1900℃，在古登 堡面(核幔界面)附近大约为3700℃，地心处的温度 大约为4300-4500℃。
地震波从地震的震源激发向四面八方传播，到达地表的 各个地震台站后被地震仪所记录下来。根据这些记录，人 们可以推断地震波的传播路径、速度变化以及介质的特点， 了解地球的内部构造。
2
3
地震波的传播如同光波一样，当遇到不同波速 介质的突变界面时，地震波射线就会发生反射和折 射，这种界面称为波速不连续面。
25
26
地球内部各圈层之间的界面（包括相变界 面），其实都不是一个截然的界面，而是一个过渡 带的特点，在这个薄带内，具有上、下部物质混杂 的特征。
整个固态地幔的温度在1000～3500℃之间，其 地温梯度仅为0.088℃／100ｍ，相当于地壳内平均 地温梯度的１／33．这种较低增温幅度在硅酸盐岩 石内的热传导是很微弱的。
向是沿着垂直于等压面方向由高压区指向低压区，其大小
为这个方向上单位距离内气压的改变量。气压梯度力可分
为水平气压梯度力和垂直气压梯度力。真正造成大气水平
运动的力是水平梯度力。此外，运动的大气还会受到地转
偏向力、惯性离心力及摩擦力的作用。
51
二、水 圈
49
50
（四）、大气的运动
人类活动对水循环的影响
污染物扩散快。河流的流动性，使污染的影响范围不限于污染发生区，上游遭受污染会很快影响到下游，甚至一段河流的污染，可以波及整个河道的生态环境（考虑到鱼的洄游等）。
污染危害大。河水是主要的饮用水源，污染物通过饮水可直接毒害人体，也可通过食物链和灌溉农田间接危及人身健康。
河流污染是指直接或间接排入河流的污染物造成河水水质恶化的现象。其主要特点：
降水
蒸发
径流
水汽输送
入渗
蒸发
降水
水汽输送
水循环的作用
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
河流污染
污染程度随径流量而变化。在排污量相同的情况下，河流径流量愈大，污染程度愈低；径流量的季节性变化，带来污染程度的时间上的差异。
特征
穷营养湖泊
富营养湖泊
湖的形态
ห้องสมุดไป่ตู้深、湖岸陡
浅、湖岸较平缓
水色
淡、呈蓝色
浓、程绿蓝绿和黄色
透明度
高
低
溶解氧
浓度高
昼夜相差悬殊
营养物
N<0.3mg/L P<0.03mg/L
N>0.3mg/L P>0.03mg/L
生物群落
种类多、数量少，主要是硅藻，贝壳动物。
种类少、数量多，主要是蓝藻，一般缺乏底栖生物。
人类对水循环的影响
改变地面及植被状况，而影响大气降水到达地面的分配。如修筑水库.
由于过度开发局部地区的地表水和地下水，使地表、地下水贮量下降，出现地下漏斗及地上的断流，造成次生盐渍化；也使下游水源减少，水位下降，水质恶化，沿海出现海水入侵，加重了额干旱化和盐渍化威胁。
地球圈层分布
地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。
地球外圈可进一步划分为四个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈；地球内圈可进一步划分为三个基本圈层，即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。
此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈.这样，整个地球总共包括八个圈层，其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。
<一> 地球外圈1）大气圈大气圈是由气体和悬浮物组成的包围地球的复杂系统。
其主要成分是氮和氧，是地球自然环境的重要组成部分。
2）水圈水圈是地球表层水体构成的连续但不规则的圈层。
其主要组成有地表水、地下水、大气水、生物水等。
其特征是水圈里的水处于不间断的循环运动之中！3）生物圈生物圈是地球表层生物及其生存环境的总称。
其组成为生物及生物赖以生存的环境。
4）岩石圈岩石圈是地球上部相对于软流圈而言的坚硬的岩石圈层。
厚约60~120公里，为地震高波速带。
包括地壳的全部和上地幔的上部，由花岗质岩、玄武质岩和超基性岩组成。
其下为地震波低速带、部分熔融层和厚度100公里的软流圈。
<二> 地球内圈1）地幔圈地幔界于莫霍界面和古登堡界面之间，厚度为2 800多千米。
根据地震波波速的变化，把地幔分为上地幔和下地幔两层。
在上地幔上部存在一个软流层，一般认为这里可能是岩浆的主要发源地。
2）外核液体圈地幔圈之下就是所谓的外核液体圈，它位于地面以下约2900公里至5120公里深度。
整个外核液体圈基本上可能是由动力学粘度很小的液体构成的，其中2900至4980公里深度称为E层，完全由液体构成。
4980公里至5120公里深度层称为F层，它是外核液体圈与固体内核圈之间一个很簿的过渡层。
3）固体内核圈地球八个圈层中最靠近地心的就是所谓的固体内核圈了，它位于5120至6371公里地心处，又称为G层。
根据对地震波速的探测与研究，证明G层为固体结构。
地球内层不是均质的，平均地球密度为5.515克/厘米3，而地球岩石圈的密度仅为2.6～3.0克/厘米3。
地下水动力学课后思考题及其参考答案
整理课件
15
第五章 包气带水的运动
(1)当潜水水位下降时，支持毛细水和悬挂毛细水的运动有什么不 同特点？
当潜水水位下降时，支持毛细水随水位向下运动，悬挂毛细水 不运动。 (2)对于特定的均质包气带，其渗透系数随着岩石含水量的增加而 增大直至为一常数，所以渗透系数是含水量的函数；
正确。参见P48中。
详见P7、P8。
第二章 岩石中的空隙与水
(1)对比以下概念： 孔隙度和孔隙比； 详见P15中。
(2)在一个孔隙度为30%的砾石堆积体中，充填了孔隙度为60%的粉 质粘土，试估算该堆积体的实际孔隙度。
P17中：n=30%×60%=18%。 (3)粘性土的孔隙特点？
粘性土中结构孔隙和次生孔隙(虫孔、根孔、裂缝等)的存在， 使得粘性土的孔隙率超过理论最大值很多。
(2)潜水含水层的给水度和承压含水层的给水度存在很大 的区别，你知道为什么吗？
参见P33。
整理课件
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(3)请对以下陈述作出辨析： >>在排泄区，地下水不接受大气降水的补给； 不正确，在排泄区也可接受补给。 >>只有测压水位高于地面的地下水才叫承压水； 不正确，只要测压水位高于隔水顶板的地下水都为承压水。 >>地面的污染物可通过包气带扩散到潜水中，但不会影响承压水。 错误，只要承压水与潜水有水力联系，就会受到影响。
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(2)请对以下陈述作出辨析 >>潜水面如果不是流线，则流线可能向下穿越潜水面，也可
能向上穿越潜水面； 正确。
>>地下水总是从高处往低处流； 错误，地下水总是从能量高的地方流向能量低的地方。
>>含水层孔隙度越大，则渗透系数越大； 错误，粘土的孔隙度很大，但其渗透系数很小。
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Q u
因为Q =ω V，比较上两式可写为以下等式：
v u
又因为
ne ，所以可得 v neu
即：渗透
速度等于实际流速与有效空隙度的乘积。
三、水力梯度
水力梯度的概念：
• 水力梯度I的定义：
沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的
比值。
• 水力梯度的讨论： 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(摩擦阻力随 水流速增加而增大),而消耗机械能,造成水头损失。
粘性土：由于空隙细小,结合水所占比例大,所
以有效孔隙度很小。
空隙大的岩层（例如溶穴发育的可溶岩，有宽
大裂隙的裂隙岩层）： ne =μ = n。
讨论可知：ω 不是实际的过水断面,故V也并
非真实的流速,而是假设水流通过包括骨架与空隙 在内的断面（ω ）时所具有的一种虚拟流速。 令通过实际过水断面 时的实际流速为u 即:
其具体范围为：
• 存在一个临界雷诺数Re临（1~10）， Re临是达西
定律成立的上限，当Re＜ Re临，即低雷诺数时，
属低速流，这时该区域内达西定律适用。
• 当Re临＜Re＜20～60时，出现一个过渡带，从层 流运动过渡到非线性层流运动。 • 高雷诺数时为紊流，达西定律失效。
• 野外实验证实：当I=0.00005~0.05之间变动时， 达西定律成立。 • 地下水不仅在多孔介质中的渗流，在裂隙、溶隙 中的渗流多数情况下也服从达西定律。达西定律 的适用范围实际上相当广泛。 • 因地下水的渗流运动极其复杂，用雷诺数确定的 层流 —— 过渡带 —— 紊流，还没有精确的分界线， 达西定律的适用范围至今还没有彻底解决。
渗透系数等于水力梯度I=1时的渗透流速。
• 渗透系数的影响因素： (V = KI）
a.渗透系数与水力梯度、渗透速度有关
水力梯度 = 定值时,渗透系数愈大,渗透 流速就愈大； 渗透流速 = 定值时,渗透系数愈大,水 力梯度愈小。
渗透系数愈大,岩石透水能力愈强。
b.渗透系数与岩石的空隙性质有关 C.渗透系数与水的某些物理性质有关 水流在岩石空隙中运动,需要克服隙壁与水及 水质点间的摩擦阻力，例如： 粘滞性不同的两种液体在同一岩石中运动,则 粘滞性大的液体渗透系数就小于粘滞性小的液体。
第三章 地下水运动的基本规律
第一节 地下水运动的基本规律
本 节 内 容
• 重力水运动的基本规律
• 流网 • 饱水粘性土中水的运动规律
第一节
重力水运动的基本规律
• 达西定律 • 渗透速度 • 水力梯度 • 渗透系数
一、达西定律
• 达西(1856年):法国水力学 家，通过大量实验得到线 性渗透定律。 • 实验：装有砂的圆筒（图)。
水由筒的上端加入,流经砂柱, 由下端流出。上游用溢水设备控 制水位,使实验过程中水头始终 保持不变。在圆筒的上下端各设 一根测压管，分别测定上下两个 过水断面的水头。下端出口处设 管嘴以测定流量。
由实验得到下列关系：
Q = Kω h/L = Kω I
（达西公式）
式中:Q—渗透流量(出口流量,通过砂柱各断面的流量）；
• 水力梯度的理解： ①水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所 耗失的机械能。
②驱动力,即克服摩擦阻力使水以一定速度流动的
力量。
从这个角度来说，达西定律的实质是能量守恒与
转化定律在地下水流运动中的具体体现。
注意：
求算水力梯度I时,水头差必须与相应的渗透途径
相对应。
四、渗透系数(K)
渗透系数的概念： • 渗透系数—表征岩石渗透性能的定量指标。 • 渗透系数的单位：一般采用m/d、cm/s • 渗透系数的物理意义： 由达西公式(V = KI）可知：
•有效空隙度 ne ： 指重力水流动的空隙体积(不包括结合水占据的 空间）与岩石体积之比。
• 孔隙度n、给水度μ、有效空隙度 ne 大小的比较：
有效空隙度 ne < 孔隙度n；
有效孔隙度 ne > 给水度μ （由于重力释水时
空隙中所保持的除结合水外,还有孔角毛细水及悬
挂毛细水,故有效孔隙度 ne >给水度μ ）。
流网
• 均质各向同性介质中的流网
• 层状非均质介质中的流网
一、均质各向同性介质中的流网
• 在均质各向同性介质中，地下水必定沿 着水头变化最大的方向——即垂直于等
水头线的方向运动。
• 流线与等水头线构成正交网格。
流网的绘制（以均质各向同性介质的稳定流流
网的绘制为例）： • 精确绘制定量流网需要充分掌握有关的边界条
V = KI
水在多孔介质中的渗透速度与水力梯度 的一次方成正比——达西定律（线性渗透定律）。
二、渗透速度
• 过水断面ω：指砂柱的横断面积
在该面积中,包括砂颗粒所占据的面积及空隙
所占据的面积，而水流实际流过的面积是扣除结 合水所占据的范围以外的空隙面积 (图2）即:
ne
式中: ne — 有效空隙度。
一般情况下当水的物理性质变化不大时,把渗
透系数看成单纯说明岩石渗透性能的参数；但在研
Байду номын сангаас
究卤水或热水运动时,还需要考虑其它因素。
表4-1
松散岩石渗透系数参考值
• 达西定律的适用范围： 渗透流速V与水力梯度I的一次方成正比,故达 西定律又称线性渗透定律。 但多次实验表明,只有雷诺数（Re）≤1-10之 间某一数值的层流运动才服从达西定律，超过此范 围，V与I不是线性关系。 绝大多数情况下,地下水的运动都符合线性渗 透定律,因此,达西定律适用范围很广。
ω—过水断面(在实验中相当于砂柱横断面积)；
h—水头损失(h=H1-H2,即上下游过水断面的水头差) ； L—渗透途径（上下游过水断面的距离) ； I—水力梯度(相当于h/L）； k—渗透系数。
由水力学可知,通过某一断面的流量Q等于流速 V与过水断面ω 的乘积,即： Q = ωV
即
V = Q/ω
据此达西定律可以写为另一种形式，即：
非线性定律：
当雷诺数（Re）≥10时，地下水的运动就不 符合线性渗透定律, 达西定律就不适用了。 • 谢才 —— 克拉斯诺波里斯基公式 Q Kc A I
V Kc I
式中 Kc —— 紊流运动时的渗透系数。 • 福希海默公式
I aV bV
2
式中 a、b —— 由实验室确定的常数。
第二节