第六章地下水的运动选编
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第六章 地下水向边界附近井的运动
第六章地下水向边界附近井的运动一、填空题1. 应用映射法（镜像法）时，对虚井有如下要求：虚井与实井的位置对于边界是对称的；虚井与实井的工作强度应相等，即流量的绝对值相等；虚井的性质取决于边界的性质；虚井与实井的工作时间相同。
2. 应用映射法时，若实井为抽水井，那么对于定水头补给边界进行映射时，虚井为注水井；如果对于隔水边界进行映射，虚井为抽水井。
3. 对于有界含水层的求解，一般把边界的影响用虚井的影响来代替。
4. 直线补给边界附近的抽水井，当抽水降落漏斗还没有扩展到边界时，水流为非稳定流；当降落漏斗扩展到了边界时，水流趋稳定流。
二、判断题1. 映射法的基本原则是要求映射后，所得的无限含水层中的渗流问题，应保持映射前的边界条件和水流状态。
（√）2. 用映射法解决有界含水层问题时，需要将抽水井与观测孔的像同时映出，然后再进行叠加计算。
（×）3. 映射法只能用于稳定井流问题，而不能用于非稳定井流问题。
（×）4. 在应用映射法后所绘制的流网中，直线补给边界是一条等势线，而隔水边界则是一条流线。
（√）5. 映射法适用于任何类型的含水层，只要将相应类型含水层的井流公式进行叠加即可。
（√）6. 在半无限含水层中抽水时，抽水一定时间后降深可以达到稳定。
（×）三、计算题1. 已知半无限承压含水层的导水系数为800 m 2/d ，在距直线隔水边界100 m 处有一完整抽水井，井的直径为0.3 m 。
现以1300 m 3/d 定流量进行抽水，已知影响半径为1200 m 。
试求井中的水位降深。
米。
为即解： 2.79井中的水位降深79.215.010021200ln 800213002ln 22221m ar R T Q s s s w =⨯⨯⨯⨯==+=ππ 2. 有一承压含水层，厚度为14 m ，含水层一侧为补给边界，在距边界100 m 处布有一完整抽水井，井半径为0.20 m ，另有一观测孔，位于抽水井与边界之间，并距抽水井40m 处。
10第六章第三节地下水向完整井的非稳定流运动
配线法的优点：可以充分利用抽水试验得全部观测资料， 避免个别资料的偶然误差，提高计算的精度。
结论：拟合时尽可能使用中部弯曲的线段。
上式中除s、t在抽水过程为变数外，其余均可认为是常数， 这样，可以把该公式变换为：
式中 截距为：
斜率为：
由截距可解压力传导系数
由斜率可求导水系数T
导水系数T—表示含水层的导水性能。
压力导水系数a---表示含水层中水位传导速度的参数
储水系数或弹性给水度 指承压水头下降1m时，从单位面积含水层(即面积为单位面积，高度为含水层厚度的柱体)中释放出来的弹性水量。
---含水层体积的弹性系数
潜水
潜水
承压水
承压水
§6.4.1、承压含水层中的完整井流
对于定流量抽水
所以Theis公式的近似表达式为：
同理，潜水井的非稳定流Jacob公式为：
二 对Theis公式和与之有关的几个问题的讨论
1. Theis公式反映的降深变化规律
由于W（u）与u成正比，所以W（u） 与1/u成正比，从而，S与t和r的关系， 可作图并参考表进行如下讨论：
（1）当t不变时（同一时刻），径向距离r增大（1/u减小， W(u)减小），降深s变少，当r→∞时，s→0。
④ 任取一配点（在曲线上或曲线外均可），记下匹配点 的对应坐标，代入相应的公式求参数。 2. Jaco Nhomakorabea直线图解法
当u≤0.05时，可以用Jacob公式求参数
配线法的缺点：（1）抽水初期实际曲线常与标准曲线不符； （2）当抽水后期曲线比较平缓时，同标准曲线不容 易拟合准确，常带有人为误差。
2. Theis公式反映的水头下降速度的变化规律
近处水头下降速度大，远处下降速度小
结论：拟合时尽可能使用中部弯曲的线段。
上式中除s、t在抽水过程为变数外，其余均可认为是常数， 这样，可以把该公式变换为：
式中 截距为：
斜率为：
由截距可解压力传导系数
由斜率可求导水系数T
导水系数T—表示含水层的导水性能。
压力导水系数a---表示含水层中水位传导速度的参数
储水系数或弹性给水度 指承压水头下降1m时，从单位面积含水层(即面积为单位面积，高度为含水层厚度的柱体)中释放出来的弹性水量。
---含水层体积的弹性系数
潜水
潜水
承压水
承压水
§6.4.1、承压含水层中的完整井流
对于定流量抽水
所以Theis公式的近似表达式为：
同理，潜水井的非稳定流Jacob公式为：
二 对Theis公式和与之有关的几个问题的讨论
1. Theis公式反映的降深变化规律
由于W（u）与u成正比，所以W（u） 与1/u成正比，从而，S与t和r的关系， 可作图并参考表进行如下讨论：
（1）当t不变时（同一时刻），径向距离r增大（1/u减小， W(u)减小），降深s变少，当r→∞时，s→0。
④ 任取一配点（在曲线上或曲线外均可），记下匹配点 的对应坐标，代入相应的公式求参数。 2. Jaco Nhomakorabea直线图解法
当u≤0.05时，可以用Jacob公式求参数
配线法的缺点：（1）抽水初期实际曲线常与标准曲线不符； （2）当抽水后期曲线比较平缓时，同标准曲线不容 易拟合准确，常带有人为误差。
2. Theis公式反映的水头下降速度的变化规律
近处水头下降速度大，远处下降速度小
06地下水运动与动态PPT课件
第六章 地下水运动与动态
➢ 本堂课教学目的及要求：讲解线性和非线性渗透定律， 地下水完整井稳定流运动方程及其应用。区分地下水渗 透流速与实际流速，掌握Darcy定律适用范围，潜水完整 井和承压水完整井Dupuit公式及推导。通过作业掌握达 西定律
➢ 重点：Darcy定律，地下水渗透流速与实际流速的区别， Darcy定律的适用范围及其应用。
（四）达西定律适用范围
Re Ud ＜10
式中：Re-雷诺系数 U-地下水实际流速（m/d） d-孔隙周围颗粒的直径 u-地下水的运动粘滞系数（m2/d）
课堂作业练习：设地下水在孔隙介质中的渗流流速 V=10m/d，对应孔隙介质中颗粒直径为d=3mm，孔隙比 e=0.667，当地下水温度为15℃时的运动粘滞系数 u=0.1m2/d，问地下水的的运动是否满足Darcy定律
③ 层流和紊流
✓ 水质点有秩序地呈现相互平行而不混杂的运动称为层流； 水质点相互混杂而无序的运动称为紊流。
④ 非稳定、缓变流运动
✓ 渗流场内各运动要素不随时间变化的的地下水运动称为 稳定流；反之，与时间有关则为非稳定流。空间地下水 流运动的计算一般按照平面问题（二维流）考虑，因为 地下水流一般具有缓变流特征。
总阻力F FND 1ndd3 Add SU
6
由于 V nU I dhdS
一、线性渗透定律－Darcy定律推导
得到达西定律公式表达式
V
1n2nd2
I
即
K1n2nd2wC2d
多孔介 质结构
流体 性质
达西渗透系数决定于多孔介质结构（颗粒的大小、形状、 排列）和流体性质有关
一、线性渗透定律－Darcy定律
➢ 难点：达西公式推导，潜水和承压水完整井流Dupuit公 式及其推导。
➢ 本堂课教学目的及要求：讲解线性和非线性渗透定律， 地下水完整井稳定流运动方程及其应用。区分地下水渗 透流速与实际流速，掌握Darcy定律适用范围，潜水完整 井和承压水完整井Dupuit公式及推导。通过作业掌握达 西定律
➢ 重点：Darcy定律，地下水渗透流速与实际流速的区别， Darcy定律的适用范围及其应用。
（四）达西定律适用范围
Re Ud ＜10
式中：Re-雷诺系数 U-地下水实际流速（m/d） d-孔隙周围颗粒的直径 u-地下水的运动粘滞系数（m2/d）
课堂作业练习：设地下水在孔隙介质中的渗流流速 V=10m/d，对应孔隙介质中颗粒直径为d=3mm，孔隙比 e=0.667，当地下水温度为15℃时的运动粘滞系数 u=0.1m2/d，问地下水的的运动是否满足Darcy定律
③ 层流和紊流
✓ 水质点有秩序地呈现相互平行而不混杂的运动称为层流； 水质点相互混杂而无序的运动称为紊流。
④ 非稳定、缓变流运动
✓ 渗流场内各运动要素不随时间变化的的地下水运动称为 稳定流；反之，与时间有关则为非稳定流。空间地下水 流运动的计算一般按照平面问题（二维流）考虑，因为 地下水流一般具有缓变流特征。
总阻力F FND 1ndd3 Add SU
6
由于 V nU I dhdS
一、线性渗透定律－Darcy定律推导
得到达西定律公式表达式
V
1n2nd2
I
即
K1n2nd2wC2d
多孔介 质结构
流体 性质
达西渗透系数决定于多孔介质结构（颗粒的大小、形状、 排列）和流体性质有关
一、线性渗透定律－Darcy定律
➢ 难点：达西公式推导，潜水和承压水完整井流Dupuit公 式及其推导。
第6章土壤水和地下水PPT课件
壤土
土壤质地三角形
§1 土壤的质地结构及“三相”关系
土壤结构：
土壤中固体颗粒的排列方式、排列方向和团聚状态，有时也指 土壤孔隙的几何形状和大小。
§1 土壤的质地结构及“三相”关系
土壤中的“三相”关系：
固体颗粒、土壤水、空气
§1 土壤的质地结构及“三相”关系
与土壤“三相”有关的物理量：
s 表示土壤中固相比例的物理量：
最大吸湿量
❖在水汽达到饱和的空气中，干燥土壤的吸湿水达 到最大数量时的土壤含水量称为最大吸湿量，又 称吸湿系数。
最大分子持水量
❖膜状水达到最大数量，也就是水膜厚度达到最大 时所相应的土壤含水量称为最大分子持水量，它 是靠土壤颗粒分子力结合水分的最大值。
凋萎系数
❖ 植物生长需要通过根系不断地从土壤中吸收水分。根毛的吸水力量约 为15个大气压。当土壤颗粒对水分子的吸力超过15个大气压时，植物 就会因吸取不到土壤水而凋萎枯死。因此，所谓凋萎系数就是指土壤 颗粒对水分子的吸力为15个大气压时的土壤含水量。
土壤水运动的控制方程土壤水运动的控制方程非饱和水流的连续性方程非饱和水流的连续性方程单位时间内流入控单位时间内流入控制体的水量制体的水量流出控流出控制体的水量制体的水量控制体控制体内土壤水的改变量内土壤水的改变量w1w2w2w3先在田间地块选择代表性取样点按所需深度分层取土样将土样放入铝盒并立即盖好盖以防水分蒸发影响测定结果称重即湿土加空铝盒重记为w1然后打开盖置于烘箱在105110条件下烘至恒重再称重即干土加盒重记为w2
q
K(m)
d
dx
式中：K(m
d
dx
)
—非饱和导水率； —总水势梯度。
非饱和流导水率
非饱和条件下土壤水流 的数学表达式与饱和条件下 的类似，二者的区别在于： 饱和条件下的总水势梯度可 用差分形式，而非饱和条件 下则用微分形式；饱和条件 下的土壤导水率对特定土壤 为一常数，而非饱和导水率 是土壤含水量或基质势的函 数。
土壤质地三角形
§1 土壤的质地结构及“三相”关系
土壤结构：
土壤中固体颗粒的排列方式、排列方向和团聚状态，有时也指 土壤孔隙的几何形状和大小。
§1 土壤的质地结构及“三相”关系
土壤中的“三相”关系：
固体颗粒、土壤水、空气
§1 土壤的质地结构及“三相”关系
与土壤“三相”有关的物理量：
s 表示土壤中固相比例的物理量：
最大吸湿量
❖在水汽达到饱和的空气中，干燥土壤的吸湿水达 到最大数量时的土壤含水量称为最大吸湿量，又 称吸湿系数。
最大分子持水量
❖膜状水达到最大数量，也就是水膜厚度达到最大 时所相应的土壤含水量称为最大分子持水量，它 是靠土壤颗粒分子力结合水分的最大值。
凋萎系数
❖ 植物生长需要通过根系不断地从土壤中吸收水分。根毛的吸水力量约 为15个大气压。当土壤颗粒对水分子的吸力超过15个大气压时，植物 就会因吸取不到土壤水而凋萎枯死。因此，所谓凋萎系数就是指土壤 颗粒对水分子的吸力为15个大气压时的土壤含水量。
土壤水运动的控制方程土壤水运动的控制方程非饱和水流的连续性方程非饱和水流的连续性方程单位时间内流入控单位时间内流入控制体的水量制体的水量流出控流出控制体的水量制体的水量控制体控制体内土壤水的改变量内土壤水的改变量w1w2w2w3先在田间地块选择代表性取样点按所需深度分层取土样将土样放入铝盒并立即盖好盖以防水分蒸发影响测定结果称重即湿土加空铝盒重记为w1然后打开盖置于烘箱在105110条件下烘至恒重再称重即干土加盒重记为w2
q
K(m)
d
dx
式中：K(m
d
dx
)
—非饱和导水率； —总水势梯度。
非饱和流导水率
非饱和条件下土壤水流 的数学表达式与饱和条件下 的类似，二者的区别在于： 饱和条件下的总水势梯度可 用差分形式，而非饱和条件 下则用微分形式；饱和条件 下的土壤导水率对特定土壤 为一常数，而非饱和导水率 是土壤含水量或基质势的函 数。
第六章 地下水资源管理与保护
灌溉成本。需要做好以下几方面的工作：
实行计划用水，充分发挥井灌工程效益
加强机井配套，提高抽水设备装置效率 提高田间工程标准，以实现节水灌溉 选用合理的灌水方法,提高井灌效益 建立健全井灌区管理体制，实行水资源统一管理
② 机井的管理与养护
机井管理的责任制
机井的养护
建立健全机井技术档案 做好机井运行记录、防止井台沉陷 定期进行维护性抽水 定期进行维护性清淤
重力作用，溶洞之上的松散覆盖物塌落，地面形成
坑、槽、沟等塌陷现象，即为地面塌陷 。
地面塌陷具有突发性，所以破坏性很大，往往 造成人身伤亡和重大经济损失，尤其是在人群密集 区及交通枢纽地带，危害特别大。
城市地面塌陷
（3）泉水断流
由于地下水超采，地下水位大幅度下降，使泉水
断流。
（4）海水入侵
海水入侵是海 岸地区地下淡水超
2.地下水资源的变化趋势（与1984年成果比较）
北方地下水资源量减少，南方地下水资源量增加。 北方：多平均地下水资源量增加 242亿m3 ，可开采量增加643亿m3。
平原区地下水资源量减少，山区地下水资源量增加。 平原区：多年平均地下水资源量减少228亿m3，可开采 量减少309亿m3。山区：多年平均资源量增加348亿m3， 可开采量增加896亿m3。
区域降水量发生了变化 人类工程活动使地下水补给量减少
部分地区水文地质参数发生了变化
地下水可开采资源的评价面积增大（地下淡水可
开采资源评价面积增加了近430万km2）
评价精度明显提高
二、地下水资源开发利用的特征 1.地下水开采量持续增长
20世纪70年代平均每年地下水开采量为572亿m3，
第六章
地下水资源管理与保护
实行计划用水，充分发挥井灌工程效益
加强机井配套，提高抽水设备装置效率 提高田间工程标准，以实现节水灌溉 选用合理的灌水方法,提高井灌效益 建立健全井灌区管理体制，实行水资源统一管理
② 机井的管理与养护
机井管理的责任制
机井的养护
建立健全机井技术档案 做好机井运行记录、防止井台沉陷 定期进行维护性抽水 定期进行维护性清淤
重力作用，溶洞之上的松散覆盖物塌落，地面形成
坑、槽、沟等塌陷现象，即为地面塌陷 。
地面塌陷具有突发性，所以破坏性很大，往往 造成人身伤亡和重大经济损失，尤其是在人群密集 区及交通枢纽地带，危害特别大。
城市地面塌陷
（3）泉水断流
由于地下水超采，地下水位大幅度下降，使泉水
断流。
（4）海水入侵
海水入侵是海 岸地区地下淡水超
2.地下水资源的变化趋势（与1984年成果比较）
北方地下水资源量减少，南方地下水资源量增加。 北方：多平均地下水资源量增加 242亿m3 ，可开采量增加643亿m3。
平原区地下水资源量减少，山区地下水资源量增加。 平原区：多年平均地下水资源量减少228亿m3，可开采 量减少309亿m3。山区：多年平均资源量增加348亿m3， 可开采量增加896亿m3。
区域降水量发生了变化 人类工程活动使地下水补给量减少
部分地区水文地质参数发生了变化
地下水可开采资源的评价面积增大（地下淡水可
开采资源评价面积增加了近430万km2）
评价精度明显提高
二、地下水资源开发利用的特征 1.地下水开采量持续增长
20世纪70年代平均每年地下水开采量为572亿m3，
第六章
地下水资源管理与保护
6水文地质学-地下水运动规律
等效
实际水流
假想水流
地下水运动的基本规律
————达西定律————
Darcy－法国水利工程师，1802。 达西定律为水文地质学、地下水动力学、岩体水力学
的核心。 现代的基坑与隧道降水设计、地下水开采设计、地下
水资源管理与评价、水文地质勘察等的绝大多数计算 公式，均是基于达西定律推导出来的。
达西定律基本假设 地层属于多孔介质。 地下水在地层中运移表现为
渗透或渗流。
自然条件下，地下水在地层 中运移的阻力较大，因而为 层流运动。
达西定律计算式。
Q VAH 1H 2KAKAI
L
I-水头梯度【物理意义：渗 流单位长度的水头损失】。
K-渗透系数【物理意义：当 水头梯度I＝1时，渗透速 度】。
等效地下水取水构筑物的基本类型垂直取水构筑物?潜水完整井?潜水非完整井?承压水完整井?承压水非完整井水平取水构筑物水平取水构筑物?渗水管?渗渠垂直取水构筑物水平取水构筑物地下水流向潜水完整井的计算公式裘布依公式裘布依稳定流理论潜水井?在潜水完整井中长时间抽水后井中动水位和出水量均达到稳定状态并在井周围形成稳定降水漏斗形成稳定降水漏斗
达西定律假设地层 全部由空隙组成。
过水断面积为A。 Q＝AV。
地下水取水构筑物的基本类型
垂直取水构筑物
潜水完整井 潜水非完整井 承压水完整井 承压水非完整井 水平取水构筑物
渗水管 渗渠
垂直取水构筑物
水平取水构筑物
地下水流向潜水完整井的计算公式
——裘布依公式——
影响半径圆周上为定水头。
井内及其附近为二维流，即井
内不同深度的水头降均相同。
井附近的水力坡度不大于1/4。
地下水运动
堆积物毛细管上升水上升高度与孔隙大小的关系
松散堆积
粗砂
中砂
细砂
砂粘 土
亚粘 土
粘土
孔隙直径 （mm）
2.0― 1.0
1.0― 0.5
0.5― 0.25
0.25― 0.10
0.10― 0.05
0.05― 0.01
毛细管水上升 高度（cm）
2―4
12― 35
35―12 0
120―2 50
300―3 50
(4) 达西定律
达西(Henry Darcy)研究含水层中水从一处向另一处渗流 的速率(单位时间通过单位面积的水量，Q/F)，发现其值与这 两个地点之间的垂直高程差(h1-h2=△h)成正比，与水移动的 水平距离(L)成反比;同时,发现与含水层的渗透率密切相关,即 渗透率越大，水的流动也越快， Q= —K· F· （h1-h2）/L= —K· F· △h/L=K· F· I 或V=Q/F=KI（层流） 式中 I 为水力坡度，表示渗流沿程克服阻力所产生的 水头损失 ( △ h) 与渗流水平距离 (L) 之比值，取负值表示水 位随渗流流远而降低。这就是所谓的达西定律，它适用于 渗流速度小于3×10-3m/s。 该式表明，渗透速度与水力坡度的一次方成正比，故 达西公式称之为线性渗透定律。
作紊流运动时，水流所受阻力比层流状态大，消耗的 能量较多。在宽大的裂隙中 ( 大的溶穴、宽大裂隙及卵砾 石孔隙中)，水的流速较大时，容易呈紊流运动。
4.稳定流和非稳定流
地下水在流动时，其各运动要素（流速、流量、 水位等）不随时间变化时，称为稳定流。如果，地下水各 运动要素随时间变化时，称为非稳定流。地下水在自然界 绝大多数情况下为非稳定流运动。
渗透速度或渗流速度
水文地质基础-地下水运动
运动状态
潜水的运动状态较为简单，主要是水 平运动，同时也可以有垂直运动。
形成过程
潜水主要通过地下水位以上的包气带 水和地表水的入渗形成。
承压水
定义
特点
承压水是指承受静水压力的地下水，通常 存在于地下水位以下的含水层中。
承压水的水位和水量相对稳定，受外界影 响较小，同时具有较大的水压力。
运动状态
形成过程
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地下水运动
地下水循环
指地下水在蒸发、下渗、流动和排泄 等环节中不断循环的过程，是维持地 下水补给和动态平衡的重要机制。
指地下水在重力作用下的流动现象， 包括水平流动和垂直流动。
02 地下水类型
包气带水
定义
包气带水是指位于地表的土壤 和岩石层中，与大气相接触的
地下水。
特点
包气带水的水位和水量受季节 和气候条件影响较大，同时与 地表水有密切的水力联系。
要点一
总结词
三维模型考虑了地下水在三维空间中的流动，是最复杂的 模型。
要点二
详细描述
三维模型考虑了地下水在三维空间中的流动，包括水平流 动和垂直流动。这种模型适用于描述复杂的地下水流动系 统，例如在多层次地层中的流动。三维模型可以用来预测 地下水在空间中的流动趋势，以及评估地下水资源的整体 分布和储量。三维模型需要更多的数据和计算资源，因此 在实际应用中可能会受到限制。
湿度
湿度大小影响土壤含水量，进而影响地下水的补给和运动。
风速风向
在干旱地区，风速风向对地下水的蒸发和补给有重要影响。
06 地下水运动的应用
水资源管理
1 2
地下水资源评估
通过研究地下水运动规律，评估地下水资源的量、 质量和分布情况，为水资源开发利用提供科学依 据。
《水文地质基础》第六章 地下水的补给与排泄
第1节 地下水的补给
Groundwater recharge
补给方式：大气降水入渗、地表水入渗、凝
结水入渗、其他含水层或含水系统 、人工补 给
补给量(Incremeng of aquifer)的确定：
研究每一种补给方式的补给量大小
影响补给量大小的因素：讨论每一种补给
方式的影响因素
第1节 地下水的补给—大气降水入渗补 给
(Interaquifer flow; Flow across)
影响补给量大小的因素
两个含水层之间的水头差； 裂隙、断层的透水性； 弱透水层的透水性及厚度
越流补给量的确定：
K —— 弱透水层垂向渗透系数；
(Coefficient of permeability) I —— 驱动越流的水力梯度；
系：
地表水入渗补给量的确定
平原地区。选择符合下列条件的典型渗漏地段 ⑴ 无支流 ⑵ 无降水 ⑶ 无取水排水 ⑷ 河流两侧岩性均一
实测河段上、下游断面流量Q1和Q2
则渗漏量△Q为：
△Q = Q1 – Q2 根据△Q 的大小确定地表水与地下水的补排关系和 渗漏量。
此法不适用于间歇性河流及侧向径流强烈，潜水位 与河水位不相连的经常性河流。因为消耗于包气带的 水量占相当比例，误差较大。
人工回灌
采用有计划的人为措施补充含水量的水量称为人工
补给地下水 。其目的有：
补充、储存地下水资源； 抬高地下水位以改善地下水开采条件； 储存热源以用于锅炉用水； 储存冷源用于空调冷却； 控制地面沉降； 防止海水倒灌与咸水入侵含水层；
第2节 地下水的排泄
Groundwater discharge
按出露原因： 侵蚀泉、接触泉、溢流泉——下降泉 (Destructional spring;boundary spring, Contact spring; Overflowing spring) 侵蚀泉、断层泉、接触带泉——上升泉 (Fault spring)
第6章 地下水的补给与排泄
双环入渗试验装置 双环注水法--剖面图——连续降水
地中渗透仪结构图
a = G/Pr
6.1地下水的补给
3、降水入渗补给量 （2）山区降水入渗补给量的确定
可通过测定地下水的排泄量反求其补给量，包括河川基流 量（泉流量）、潜流量、开采量、蒸发量等，可以通过基流切 割法确定河川基流量。山区入渗系数为
式中Q ---- 地下水年排泄量（m3/a），余同上。
▪ 天然：大气降水、地表水、凝结水及相邻含水层的补给等 ▪ 人类活动有关的：灌溉水入渗、水库渗漏及人工回灌
6.1.1 大气降水对地下水的补给
讨论：入渗机制？影响因素？？补给量的确定？？？
1、大气降水入渗机制
▪ 包气带是降水对地下水补给的枢纽，包气带的岩性结 构和含水量状况对降水人渗补给起着决定性作用
6.2 .1 泉 spring
❖ 定义：
泉是地下水的天然露头。
多为“点”状，属径流排泄
❖ 分类：根据补给泉的含水层类型可将泉划分为上升 泉、下降泉。
根据出露成因将上升泉可分为：侵蚀（上升）泉、断层泉和 接触带泉。
根据出露条件又将下降泉分为：侵蚀泉、接触泉、溢流泉
1.下降泉——出露潜水含水层中的泉
▪ 目前认为，松散沉积物的降水入渗有两种方式： 降水入渗的现象— 两类空隙的入渗过程——总结：
均匀砂土层——活塞式 (piston/diffuse) 含裂隙的土层——捷径式 (bypass)
山西黄土及其入渗
6.1.1 大气降水对地下水的补给
1、大气降水入渗机制
❖ “活塞式”入渗 ——适用条件： 均匀的砂土层
水文地质学
Hydrogeology
防灾科技学院 宋洋
第六章 地下水的补给与排泄
第6章 地下水及其对工程的影响_重庆大学_工程地质_课件
1) 水泥和骨料材料的选择 2) 掺入高效活性矿物掺料 3) 掺入高效减水剂 4) 掺加防腐剂 5）建筑混凝土内配钢筋应采用未锈蚀的新钢筋， 钢筋出露部分应做防锈处理。 6）建筑用型钢和钢管需要做防腐处理。
24
6.3 地下水对工程的影响 6.3.1 土的渗透性 地下水在岩土空隙中的运动称为渗流(渗透)。 砂土是粒状固体颗粒与孔隙的集合体，土孔隙的存 在给非结合水（主要是重力水）提供了在水头差作 用下发生渗流的可能条件。土的渗透性是指土体被 水渗透的能力，它是土体渗透性、强度和变形特性 三大主要性质之一，是土体有别于其他致密工程材 料如钢材和混凝土等的独特性质。土的渗透性和土 中渗流对土体的强度和变形性能局有重要影响。
5
3. 承压水 1）承压水的概念 承压水是充满于两个稳定隔水层之间的含水层中具有静水压力的重 力水，如未充满则称无压层间水。承压水有上下两个稳定的隔水层，上 面的称为隔水顶板，下面的称为隔水底板。顶、底板之间的垂直距离为 含水层的厚度。
6
2）承压水的埋藏类型 承压水的形成主要取决于地质构造。形成承压水的地质构造主要是 向斜构造和单斜构造。 a.向斜构造
6.2.2
地下水化学性质
地下水的化学成分可以影响岩土的强度，从 而造成对建筑工程的侵蚀及其他危害。 1.地下水中常见的成分 地下水含有多种元素，有的含量大，有的含量 甚微。地壳中分布广、含量高的元素，如O、Ca、 Mg、Na、K等在地下水中最常见。有的元素如Si、 Fe等在地壳中分布很广，但在地下水中却不多；有 的元素如Cl等在地壳中极少，但在地下水中却大量 存在。这是因为各种元素的溶解度不同的缘故。所 有这些元素是以离子、化合物分子和气体状态存在 于地下水中，而以离子状态为主。
25
1.达西渗透定律 达西(H．Darcy)于1856年用如图7-9的试验装置，在稳定流和层流 条件下，用粗颗粒土进行了大量的渗透试验，测定水流通过土试样单位 截面积的渗流量，获得了渗流量与水力梯度的关系，从而得到渗流速度 与水力梯度(或水头能量损失)和土的渗透性质的基本规律，即渗流的基 本规律——达西渗透定律。
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6.3 地下水对工程的影响 6.3.1 土的渗透性 地下水在岩土空隙中的运动称为渗流(渗透)。 砂土是粒状固体颗粒与孔隙的集合体，土孔隙的存 在给非结合水（主要是重力水）提供了在水头差作 用下发生渗流的可能条件。土的渗透性是指土体被 水渗透的能力，它是土体渗透性、强度和变形特性 三大主要性质之一，是土体有别于其他致密工程材 料如钢材和混凝土等的独特性质。土的渗透性和土 中渗流对土体的强度和变形性能局有重要影响。
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3. 承压水 1）承压水的概念 承压水是充满于两个稳定隔水层之间的含水层中具有静水压力的重 力水，如未充满则称无压层间水。承压水有上下两个稳定的隔水层，上 面的称为隔水顶板，下面的称为隔水底板。顶、底板之间的垂直距离为 含水层的厚度。
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2）承压水的埋藏类型 承压水的形成主要取决于地质构造。形成承压水的地质构造主要是 向斜构造和单斜构造。 a.向斜构造
6.2.2
地下水化学性质
地下水的化学成分可以影响岩土的强度，从 而造成对建筑工程的侵蚀及其他危害。 1.地下水中常见的成分 地下水含有多种元素，有的含量大，有的含量 甚微。地壳中分布广、含量高的元素，如O、Ca、 Mg、Na、K等在地下水中最常见。有的元素如Si、 Fe等在地壳中分布很广，但在地下水中却不多；有 的元素如Cl等在地壳中极少，但在地下水中却大量 存在。这是因为各种元素的溶解度不同的缘故。所 有这些元素是以离子、化合物分子和气体状态存在 于地下水中，而以离子状态为主。
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1.达西渗透定律 达西(H．Darcy)于1856年用如图7-9的试验装置，在稳定流和层流 条件下，用粗颗粒土进行了大量的渗透试验，测定水流通过土试样单位 截面积的渗流量，获得了渗流量与水力梯度的关系，从而得到渗流速度 与水力梯度(或水头能量损失)和土的渗透性质的基本规律，即渗流的基 本规律——达西渗透定律。
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1.潜水水量平衡方程
(5-47)
(Pg+R1+E1+Q1+Qn)-(R2+E2+Q2)=μΔH
2.承压水水量平衡方程
(5－49)
3.地表水与地下水的转化与平衡
ΔPg=ΔRs-ΔEg (5－58)
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第七章 人类活动对水环境的影响
• 人类活动的水文效应 • 人类活动对水体水质的影响
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第五节 地下水动态与平衡
• 影响地下水动态的因素 • 地下水动态 • 地下水平衡
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一、影响地下水动态的因素 1.自然因素
(1) 气象气候因素 (2) 水文因素 (3) 地质地貌因素 (4) 生物与土壤因素
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2.人为因素 二、地下水动态 1.地下水动态的地区特征
2、跨流域调水对环境影响的过程： 调水 改变原有的水文情势 自然环境的变化 社会经济的变化
（三）小型农田水利措施水文效应
主要包括：灌溉、排水措施、山区梯田谷坊措施、平原与区 的控制措施等
（四）农业措施的水文效应
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二、森林水文效应
概念：是指森林覆盖对径流、蒸发、降水等水循环要素， 及河流水情、地下水、水质泥沙等水文现象的影响。
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潜水面上无隔水层,与大气相通,压强等于大气压强, 不承受静水压力,潜水分布区与补给区基本一致。
潜水含水层通过包气带与地表水及大气圈之间存在 密切联系,因此深受外界气象、水文因素的影响,动态 变化比较大,呈现明显的季节变化。
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2.潜水面形状及其表示方法 (1)潜水面的形状:倾斜、抛物线形和水平等多种形
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第一节人类活动的水文效应
• 水利工程、农业措施对水文要素的影响 • 森林水文效应 • 城市水文效应 • 人类活动水文效应的研究方法
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一、水利工程、农业措施对水文要素的影响
（一） 水库水文影响
狭义：研究水库与水文要素及变化过程之间的相互影响。 1.概念：
广义：研究水库与其周围的自然环境的相互作用、 相互影响的问题。
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(2)包气带的类型 厚型:土壤、中间和毛管带. 薄型:厚度不到1米 过渡型:
2.包气带的水分交换与动态 外界水分交换和内部水分的再分配及内排水过
程,发生在上、下界面上.
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三、潜水 1.潜水的概念和主要特征 饱水带中自地表向下第一个具有自由水面的含水 层中的重力水，称为潜水. 潜水位(h)是指潜水面上任一点的海拔高程(m)； 潜水埋深(T)是指潜水面距地表的铅直距离(m)； 含水层厚度(H)指潜水面至隔水底板的距离(m)； 潜水流水力坡度:是指潜水面上任意两点的水位差 与该两点的渗透距离之比。
3、河流水质恶化影响大；
4、河流自净能力强，水质恶化易于控制。
（三）湖泊（水库）水质恶化特点
1、湖泊、水库污染来源广、途径多，种类复杂
2、湖水稀释和搬运污染物质的能力弱
3、湖泊对污染物质的生物降解、累积和转化能力强
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（四） 地下水水质恶化特点 1.地下水水质恶化过程缓慢 2.地下水的间接恶化方式 3.地下水污染物浓度高 4.地下水污染难治理
二、天然水体水质恶化特点
（一）海洋水体水质恶化特点
1、污染源多而复杂 2、污染物持续性强，危害性大 3、污染范围大
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（二）河流水体水质恶化特点
1、河流水质恶化程度随流量的大小而变化河流的污 径比的大小反映河流的水质恶化程度；
2、河流水质恶化影响范围广河水不断流动，搬运污 染物质的能力强，故上游遭受污染，很快就影响到下 游；
含水介质的空隙性：裂隙率(KT)、岩溶率(Kk)与 孔隙率(n) 。含水介质的水理性质 :与水分的贮容、 运移有关的岩石性质称为含水介质的水理性质，包 括岩土的容水性、持水性、给水性、贮水性、透水 性及毛细性等。
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3.蓄水构造
指由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能够 富集和贮存地下水的地质构造体。主要有：单斜蓄 水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄 水结构、岩溶型蓄水结构等。
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2.线性渗透定律 线性渗透定律是描述重力水渗流现象的基本方程。
最早是由法国水力学家达西通过均质砂粒的渗流实 验得出的。试验发现渗透流量Q与水位差(h1-h2)成 正比，其数学表达式为：
3.渗透系数（k） 当水力坡度I=1时，则V=k，即渗透系数在数值上等 于渗流速度,表征含水介质透水性能的重要参数.
一、结合水运动
1.结合水运动基本规律 结合水又分为强结合水(吸湿水)和薄膜水(弱结合水) 两种.其中强结合水不能流动,所以结合水运动指的是属于 弱结合水的薄膜水运动。
2.结合水运动与越流渗透(5-14式)
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二、毛管水运动 1.毛管力及毛管上升高度(5-17式) 使液体在管内上升的湿润力就是毛管力。 2.包气带中毛管水的运动
第六章 地下水的结构与运动
第一节 地下水系统的组成与结构 第二节 地下水类型 第三节 地下水的补给与排泄 第四节 地下水运动 第五节 地下水的动态与平衡
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第一节 地下水系统的组成与结构
一、地下水的贮存空间 二、地下水流系统 三、地下水系统垂向结构
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地下水是存在于地表以下岩(土)层空隙中的各种 不同形式水的统称。
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2.地下水不同层次的力学结构 分子力、毛细力和重力。
3.地下水体系作用势 重力势、静水压势、渗透压势、吸附势等 分势组合为总水势。
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第二节 地下水类型
一、地下水基本类型的划分 二、包气带水 三、饱水带水(潜水和承压水) 四、空隙水(孔隙水、裂隙水和岩溶水)
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一、地下水基本类型的划分 从地理水文学角度来说，特别重视如下的分类：
1.按地下水的贮存埋藏条件分类 (1)包气带水
结合水（分吸湿水、薄膜水） 毛管水（分毛管悬着水与毛管上升水） 重力水（分上层滞水与渗透重力水） (2)饱水带水 潜水 承压水（分自流溢水与非自流溢水）
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2.按岩土的贮水空隙的差异分类 (1)孔隙水 (2)裂隙水 (3)岩溶水
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二 包气带水 1.包气带水的特征与包气带的类型 (1)包气带水的主要特征 包气带含水率和剖面分布最容易受外界条件的影 响； 包气带在空间上的变化主要体现在垂直剖面上的 差异; 包气带含水率变化与岩土层本身、岩土颗粒的机 械组成有关;
(1) 地下水动态的地区特征 (2) 地下水动态的垂直分异
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2.地下水动态的多年特征 • P260图 5-38 3.地下水动态类型 (1) 渗入——蒸发型 (2) 渗入——径流型 (3) 过渡型
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三、地下水平衡
(Pg+R1+E1+Q1)-(R2+E2+Q2)=ΔW
（1）可改变流域原有的水循环系统
2.作用： （2）可改变局部的气候类型
（3）水库坝上游水位的抬高，同时也抬高了上游地区 的地下水位，增加了水库临近地区的地下水补给量
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（二）跨流域调水水文效应
1、概念：为了改变水的地区分布，将湿润地区的部分水量 调到较干旱缺水的地区,以满足生产和生活的需要。
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2.地下水域 地下水流系统的集水区域,为立体的集水空间。地
下水域范围变化快,在地表上均存在相应的补给区与 排泄区.
三、地下水系统垂向结构 1.地下水垂向层次结构的基本模式
包气带:土壤水带、中间过渡带及毛细水带等3个 亚带;存在结合水(包括吸湿水和薄膜水)和毛管水；
饱和水带:潜水带和承压水带两个亚带,存在重力水 (包括潜水和承压水)。
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三 地下水的排泄 1.泉排泄 2.蒸发排泄 3.泄流排泄
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第四节 地下水运动
• 结合水运动 • 毛管水运动 • 重力水运动
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地下水在岩土空隙中的运动现象统称为“渗流”.分 饱和渗流和非饱和渗流.前者指饱水带的潜水和承压水在 重力作用下运动;后者是指包气带中的毛管水和结合水在 毛管力和骨架吸引力的控制运动,两种渗流的运动规律不 同.
（一） 森林的拦洪作用
（二）森林对流域蒸散发的影响
（三）森林对降水的影响
（四）森林对地下水的影响
（五）滥伐森林的后果
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三、城市水文效应
概念：指城市化所及地区内，水文过程的变化及其 对城市环境的影响。
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（一）城市化对水文过程的影响 （二）城市水资源危机 （三）城市化对水质的影响
1.承压水的主要特征
承压性、分布区与补给区不同、动态变化 相学院
2.承压水的形成 主要取决于地质构造条件, 最适宜的是向斜构造
和单斜构造. 3.承压水等水压线
某一含水层中承压水位相等的各点的连线。 五、空隙水 1.孔隙水
埋藏于松散岩土孔隙中的重力水。透水性、给水 性的变化小，运动呈层流状态。
一、地下水的贮存空间
1.含水介质、含水层和隔水层
(5-47)
(Pg+R1+E1+Q1+Qn)-(R2+E2+Q2)=μΔH
2.承压水水量平衡方程
(5－49)
3.地表水与地下水的转化与平衡
ΔPg=ΔRs-ΔEg (5－58)
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第七章 人类活动对水环境的影响
• 人类活动的水文效应 • 人类活动对水体水质的影响
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第五节 地下水动态与平衡
• 影响地下水动态的因素 • 地下水动态 • 地下水平衡
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一、影响地下水动态的因素 1.自然因素
(1) 气象气候因素 (2) 水文因素 (3) 地质地貌因素 (4) 生物与土壤因素
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2.人为因素 二、地下水动态 1.地下水动态的地区特征
2、跨流域调水对环境影响的过程： 调水 改变原有的水文情势 自然环境的变化 社会经济的变化
（三）小型农田水利措施水文效应
主要包括：灌溉、排水措施、山区梯田谷坊措施、平原与区 的控制措施等
（四）农业措施的水文效应
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二、森林水文效应
概念：是指森林覆盖对径流、蒸发、降水等水循环要素， 及河流水情、地下水、水质泥沙等水文现象的影响。
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潜水面上无隔水层,与大气相通,压强等于大气压强, 不承受静水压力,潜水分布区与补给区基本一致。
潜水含水层通过包气带与地表水及大气圈之间存在 密切联系,因此深受外界气象、水文因素的影响,动态 变化比较大,呈现明显的季节变化。
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2.潜水面形状及其表示方法 (1)潜水面的形状:倾斜、抛物线形和水平等多种形
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第一节人类活动的水文效应
• 水利工程、农业措施对水文要素的影响 • 森林水文效应 • 城市水文效应 • 人类活动水文效应的研究方法
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一、水利工程、农业措施对水文要素的影响
（一） 水库水文影响
狭义：研究水库与水文要素及变化过程之间的相互影响。 1.概念：
广义：研究水库与其周围的自然环境的相互作用、 相互影响的问题。
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(2)包气带的类型 厚型:土壤、中间和毛管带. 薄型:厚度不到1米 过渡型:
2.包气带的水分交换与动态 外界水分交换和内部水分的再分配及内排水过
程,发生在上、下界面上.
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三、潜水 1.潜水的概念和主要特征 饱水带中自地表向下第一个具有自由水面的含水 层中的重力水，称为潜水. 潜水位(h)是指潜水面上任一点的海拔高程(m)； 潜水埋深(T)是指潜水面距地表的铅直距离(m)； 含水层厚度(H)指潜水面至隔水底板的距离(m)； 潜水流水力坡度:是指潜水面上任意两点的水位差 与该两点的渗透距离之比。
3、河流水质恶化影响大；
4、河流自净能力强，水质恶化易于控制。
（三）湖泊（水库）水质恶化特点
1、湖泊、水库污染来源广、途径多，种类复杂
2、湖水稀释和搬运污染物质的能力弱
3、湖泊对污染物质的生物降解、累积和转化能力强
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（四） 地下水水质恶化特点 1.地下水水质恶化过程缓慢 2.地下水的间接恶化方式 3.地下水污染物浓度高 4.地下水污染难治理
二、天然水体水质恶化特点
（一）海洋水体水质恶化特点
1、污染源多而复杂 2、污染物持续性强，危害性大 3、污染范围大
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（二）河流水体水质恶化特点
1、河流水质恶化程度随流量的大小而变化河流的污 径比的大小反映河流的水质恶化程度；
2、河流水质恶化影响范围广河水不断流动，搬运污 染物质的能力强，故上游遭受污染，很快就影响到下 游；
含水介质的空隙性：裂隙率(KT)、岩溶率(Kk)与 孔隙率(n) 。含水介质的水理性质 :与水分的贮容、 运移有关的岩石性质称为含水介质的水理性质，包 括岩土的容水性、持水性、给水性、贮水性、透水 性及毛细性等。
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3.蓄水构造
指由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能够 富集和贮存地下水的地质构造体。主要有：单斜蓄 水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄 水结构、岩溶型蓄水结构等。
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2.线性渗透定律 线性渗透定律是描述重力水渗流现象的基本方程。
最早是由法国水力学家达西通过均质砂粒的渗流实 验得出的。试验发现渗透流量Q与水位差(h1-h2)成 正比，其数学表达式为：
3.渗透系数（k） 当水力坡度I=1时，则V=k，即渗透系数在数值上等 于渗流速度,表征含水介质透水性能的重要参数.
一、结合水运动
1.结合水运动基本规律 结合水又分为强结合水(吸湿水)和薄膜水(弱结合水) 两种.其中强结合水不能流动,所以结合水运动指的是属于 弱结合水的薄膜水运动。
2.结合水运动与越流渗透(5-14式)
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二、毛管水运动 1.毛管力及毛管上升高度(5-17式) 使液体在管内上升的湿润力就是毛管力。 2.包气带中毛管水的运动
第六章 地下水的结构与运动
第一节 地下水系统的组成与结构 第二节 地下水类型 第三节 地下水的补给与排泄 第四节 地下水运动 第五节 地下水的动态与平衡
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第一节 地下水系统的组成与结构
一、地下水的贮存空间 二、地下水流系统 三、地下水系统垂向结构
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地下水是存在于地表以下岩(土)层空隙中的各种 不同形式水的统称。
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2.地下水不同层次的力学结构 分子力、毛细力和重力。
3.地下水体系作用势 重力势、静水压势、渗透压势、吸附势等 分势组合为总水势。
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第二节 地下水类型
一、地下水基本类型的划分 二、包气带水 三、饱水带水(潜水和承压水) 四、空隙水(孔隙水、裂隙水和岩溶水)
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一、地下水基本类型的划分 从地理水文学角度来说，特别重视如下的分类：
1.按地下水的贮存埋藏条件分类 (1)包气带水
结合水（分吸湿水、薄膜水） 毛管水（分毛管悬着水与毛管上升水） 重力水（分上层滞水与渗透重力水） (2)饱水带水 潜水 承压水（分自流溢水与非自流溢水）
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2.按岩土的贮水空隙的差异分类 (1)孔隙水 (2)裂隙水 (3)岩溶水
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二 包气带水 1.包气带水的特征与包气带的类型 (1)包气带水的主要特征 包气带含水率和剖面分布最容易受外界条件的影 响； 包气带在空间上的变化主要体现在垂直剖面上的 差异; 包气带含水率变化与岩土层本身、岩土颗粒的机 械组成有关;
(1) 地下水动态的地区特征 (2) 地下水动态的垂直分异
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2.地下水动态的多年特征 • P260图 5-38 3.地下水动态类型 (1) 渗入——蒸发型 (2) 渗入——径流型 (3) 过渡型
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三、地下水平衡
(Pg+R1+E1+Q1)-(R2+E2+Q2)=ΔW
（1）可改变流域原有的水循环系统
2.作用： （2）可改变局部的气候类型
（3）水库坝上游水位的抬高，同时也抬高了上游地区 的地下水位，增加了水库临近地区的地下水补给量
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（二）跨流域调水水文效应
1、概念：为了改变水的地区分布，将湿润地区的部分水量 调到较干旱缺水的地区,以满足生产和生活的需要。
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2.地下水域 地下水流系统的集水区域,为立体的集水空间。地
下水域范围变化快,在地表上均存在相应的补给区与 排泄区.
三、地下水系统垂向结构 1.地下水垂向层次结构的基本模式
包气带:土壤水带、中间过渡带及毛细水带等3个 亚带;存在结合水(包括吸湿水和薄膜水)和毛管水；
饱和水带:潜水带和承压水带两个亚带,存在重力水 (包括潜水和承压水)。
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三 地下水的排泄 1.泉排泄 2.蒸发排泄 3.泄流排泄
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第四节 地下水运动
• 结合水运动 • 毛管水运动 • 重力水运动
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地下水在岩土空隙中的运动现象统称为“渗流”.分 饱和渗流和非饱和渗流.前者指饱水带的潜水和承压水在 重力作用下运动;后者是指包气带中的毛管水和结合水在 毛管力和骨架吸引力的控制运动,两种渗流的运动规律不 同.
（一） 森林的拦洪作用
（二）森林对流域蒸散发的影响
（三）森林对降水的影响
（四）森林对地下水的影响
（五）滥伐森林的后果
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三、城市水文效应
概念：指城市化所及地区内，水文过程的变化及其 对城市环境的影响。
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（一）城市化对水文过程的影响 （二）城市水资源危机 （三）城市化对水质的影响
1.承压水的主要特征
承压性、分布区与补给区不同、动态变化 相学院
2.承压水的形成 主要取决于地质构造条件, 最适宜的是向斜构造
和单斜构造. 3.承压水等水压线
某一含水层中承压水位相等的各点的连线。 五、空隙水 1.孔隙水
埋藏于松散岩土孔隙中的重力水。透水性、给水 性的变化小，运动呈层流状态。
一、地下水的贮存空间
1.含水介质、含水层和隔水层