水文地质学基本概念

μe
承压含水层中当测压水位下降(或上升)1个单位，单位水平 面积含水层所释放(或储存)的水量
测压水位降低导致
1) 含水层孔隙中水的压力降低—水体积膨胀释水，水的膨胀系 数约为 1/20000 2) 孔隙水压力降低，岩层颗粒间承受压力增加—骨架被压缩 • 颗粒不变—骨架压缩 = 空隙体积减小（排列改变）
地下水环境基本概念
地下水与水循环
地下水是水循环的环节之一、 入渗过程中可过滤降解部分地表污染物，
但其防污能力是有限的。
含水层、隔水层、弱透水层
饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而进行的划分
含水层（Aquifer）：
是能够透过并给出相当数量水的岩层—各类砂土，砂岩等
隔水层（Aquifuge)：
构造裂隙
特点：常形成密集均匀、无明显 方向性，连通良好的裂隙网络。 通常，风化壳规模相当有限，风 化裂隙含水层水量不大，就地补 给就地排泄，旱季泉流量变小或 干涸。地形控制富水性
特点：不均匀性和各向异性
岩溶水系统
具有地上、地下双层空间结构； 地表水与地下水转化频繁； 岩溶地下水空间分布极不均； 管道化、水系化、易污染。
名称 K(m/d) 亚粘土 0.001~0.1 亚砂土 0.1~0.5 粉砂 0.5~1.0 细砂 1.0~5.0
名称 中砂 粗砂 砾石 卵石
K(m/d) 5~20 20~50 50~150 100~500
5
20 50 150 500
5.8E-03
2.3E-02 5.8E-02 1.7E-01 5.8E-01
水文地质学基本概念
目
1 2
录
自然地理概况
水文地质条件
地下水质量现状评价 地下水污染预测与评价 地下水污染防治措施
3
4 5 1 6
参考资料
网上应能下载 到 相应资料
水文地质学基础
地下水污染与防治 地下水动力学 Visual Modflow (软件及说明）
地下水的重要性
Water Life
地下水污染难治理
地下水有机物污染治理难度大、费用高、 时间长 美国某空军基地一有机污染场地 （200×300米）治理，10多年，2亿美元 美国污染场地治理费用平均每个3000万美元， 全国污染场地治理需要1万亿美元以上。
日本全国有40万处污染地点，治理费用高达
10兆日元以上。
地下水环境基本概念（水文地质学、地下水科学）

承压水特征 分布区与补给区分布范围有限且不一致 动态受季节变化、人为因素影响较小 包气带防污性能相对较强
补给区
广义地下水： 地表以下岩石空隙中的水(包气带、饱水带中的(液、气态 水) ) subsurface-water,under groundwater, groundwater 狭义地下水：地表以下饱水带岩层空隙中的水—重力水
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包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量 称作残留含水量，数值上相当于最大的持水度。
当初始水位埋深足够大时，水位下降十分缓慢时，释水才 比较充分，给水度才能达到其理论最大值。 给水度、持水度与孔隙度的关系是：
Sr n
承压含水层的储水与释水
承压含水层的储水与释水
弹性给水度
介质渗透系数在地下水污染中的意义是什么？
达西定律讨论
渗透流速（V）与过水断面（ω ）
Q=KωI=ωV
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（Critical Point for Darcy)
实际孔隙断面——ω n
孔隙度
实际水流断面——ω e 有效孔隙度 关系：地下水渗透流速 V= u ne
不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩 层——裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）
弱透水层（Aquitard）：
渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度 作用下，具有一定的透水能力的岩层——各种粘土，泥 质粉砂岩
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地下水分类——按埋藏条件分
潜水：饱水带中第一个具有自由水面的含水层中的水 承压水：充满于两个隔水层之间的含水层中的水
舟曲泥石流灾后 --打井取地下水 为应急饮用水源
地下水污染的复杂性
污染物进入含水层，不仅污染地下水，而且污染 含水介质。其迁移、转化受地质条件的控制。
地下水污染具隐蔽性
地下水流速：几个厘米~几个公里/天
补给区
排泄区
污染 源
污染
源 数天级 数年级
污染检出
数十年级
数百年级
1.污染现象难以发现 2. 污染源和污染途径难以查明
35-50% 40-70%
？ 砂子与粉砂的孔隙度超过最疏松排列的47.64%
粘土的孔隙度达到了70%
岩土颗粒形状愈不规 则，棱角愈明显，通 常排列就愈松散，孔 隙度也愈大。
孔隙度与粒径的关系
岩石的水理性质
给水度（specific yield）—— (e d) (water drained from soil under gravity flow) 定义： 当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石 柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度。
地下水分类主要依据——含水介质的类型（赋存空间） 埋藏条件（赋存部位） 含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9类
孔隙水 包气带 潜水 承压水 上层滞水 孔隙潜水 孔隙承压水 裂隙水 上层滞水 裂隙潜水 裂隙承压水 岩溶水 上层滞水 岩溶潜水
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水位与埋深
潜水埋深 (m) 承压水水头 (m) 潜水
在有些教科书中也称为水力传导率 （hydraulic conductivity）
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
一般松散岩土颗粒越细，渗透系数越小
m/d 0.001 0.1 0.5 1
cm/s 1.2E-06 1.2E-04 5.8E-04 1.2E-03
基本概念 地下水的广义概念： 赋存于地表以下土壤 与岩石空隙中的水
饱 水 带
地下水的狭义概念： 赋存于地表以下土壤 与岩石空隙中的重力 水
包气带与饱水带 包气带与饱水带
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
空隙分为
1. 孔隙（pore）--unconsolidated soil
———发生释水（挤出来）水
这两部分水很有限，所以 μe 很小 ；
与重力给水度 μd相比要 小10-1 ~ 10-3
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Storage Terms
h
h b
Unconfined aquifer Specific yield = Sy
S=V/Ah S = Ss b
Confined aquifer Storativity = S
2. 裂隙（fissure）-- hard rock 3. 溶穴（cavity）-- dissoluble rock
地下水分类——按含水介质分
孔隙水：储存于松 散层中的地下水。
裂隙水：储存于基岩 裂隙中的地下水
岩溶水：储存于可溶性 岩石溶穴中的地下水
孔隙
对地下水储存和运移具有重大影响的是：
－－孔隙的多少 －－孔隙的大小
(u为平均实际流速)
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
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孔隙
松散岩石孔隙度参考数值
岩石名称
孔隙度
砾石
砂
粉砂
粘土
25-40% 25-50%
Ss = specific storage
From Wisconsin Uni.
Figures from Hornberger et al. (1998)
中文名称： 弥散系数 英文名称： dispersion coefficient 定义： 因弥散作用引起的单位时间内，单位浓度梯度下通过单 位土壤截面的溶质量。
h Q Kω L
水力梯度
水力梯度（I）（hydraulic gradient）
v 水力学中水力坡度（J）:单位距离上的水头损失 v 是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比
H1 H 2 ΔH h I L1 2 L L
渗透系数
渗透系数 K（coefficient of permeability）

V 100 % V总
当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？ 在土层中会保留什么形式的水？ 结合水(膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水
岩石的水理性质
持水度（specific retention）__Sr

岩石的持水能力——最大保持水分的能力 岩石的持水量（持水体积）与岩石总体积之比(饱水的岩土释 水后，单位体积内保持的水量) 原因：毛细力（及分子力）
承压水 承压水隔 水顶板埋 深(m)
潜水水位 (m)
海平面（Z=0m）
达西定律（Darcy’s law）
F=ma
Darcy's law (an expression of conservation of momentum) was originally determined experimentally by Henry Darcy (during 1855–1856) 法国工程师达西（Henri Darcy)在 1852至1855年利用沙质土壤进行了 大量实验，得到线性渗流定律。即 达西定律。Q=JKA
孔隙的多少直接影响着其储存地下水的能力，孔隙越多，
储容的地下水便越多。
孔隙的大小影响着地下水地孔隙中运移和循环的能力，
孔隙越大，地下水的运动便越畅通。
裂隙水分类
风化裂隙
特点：（1）最常见、分布范围最 广；（2）岩性不同，构造裂隙的 水文地质意义也不同；（3）富水 部位。随深度的增加，裂隙的张开 性变差，其透水性随深度的增加而 减弱；（4）可以导通深部含水层
潜水与潜水含水层图
6 3 4 8 7 1 M 5 D
2
1-潜水含水层 2-隔水层 3、4 潜水面 潜水位 M-含水层厚度(可变） Company Logo D-潜水埋深 5-大气降水入渗 6-蒸发 7-流向 8-泉
•潜水特征 潜水面为一自由水面：季节性的升降变化导致包气带厚度变化 靠重力作用由高水位向低水位流动：天然条件下基本与地形起伏 一致 潜水的分布区与补给区一致 积极参与水循环，受人类活动影响较大 包气带防污性能相对较弱