水文地质基础知识

水文地质基础知识
只介绍我们日常工作中经常接触到的一些地下水方面的基本知识。

主要讲三个问题：一、地质基础知识；二、水文地质基础知识；
三、供水管井的设计。

1 地质基础
地质学主要研究地貌、地质构造、地质成因、地质年代等地质科学。

水文地质学是地质科学的一个分支，与地质科学有着紧密的联系。

工作中常接触的地质学相关知识介绍如下。

1.1地质年代
代——纪——世（统）
从近到远：
1、新生代（K Z)：距今年龄0.02—0.8亿年。

包含：第四纪、第三纪。

构造运动属喜山期。

2、中生代（M Z)：距今年龄0.8—2.3亿年。

包含：白恶纪、侏罗纪、三叠纪。

构造运动属燕山期、印支期。

3、古生代（P Z)，距今年龄2.3—6亿年。

包含：二叠纪、石炭纪、泥盆纪、志留纪、奥陶纪、寒武纪。

构造运动属华力西期、加里东期。

4、远古代（P t)，距今年龄6—35亿年。

5、远太古代，距今年龄＞35亿年。

第四纪的划分：
（1）四分法：全新世（全新统）（Q4)；更新世晚期（上更新统）（Q3)：更新世中期（中更新统）（Q2)：更新世初期（下更新统）（Q1)。

（2）根据冰期、间冰期划分：
①全新世（全新统）（Q4)：
冰后期—（Q4IP)
②更新世晚期（上更新统）（Q3)：
大理冰期—（Q3d)
大理—庐山间冰期—（Q3d-I)
③更新世中期（中更新统）（Q2)：
庐山冰期—（Q2I)
大姑—庐山间冰期—（Q2d-I)
④更新世初期（下更新统）（Q1)：
大姑冰期—（Q1d)
鄱阳—大姑间冰期—（Q1b-d)
鄱阳冰期—（Q1b)
第三纪划分：根据年龄划分：
①上新世（N2)，距今年龄0.03—0.12亿年。

②中新世（N1)，距今年龄0.12—0.25亿年。

③渐新世（E3)，距今年龄0.25—0.4亿年。

④始新世（E2)，距今年龄0.4—0.6亿年。

⑤古新世（E1)，距今年龄0.6—0.8亿年。

1.2 地形图的分幅及编号
1、1:100万
纬线：自赤道起算，纬差4°，横列，用数字1—22表示。

经线：自距格林威治天文台180°的子午线由西向东起算，经差6°，纵列，用数字1—60表示。

经线与纬线相交，构成1:100万地形图分幅。

图幅编号由纬线与经线数字组成，以图幅内最大城市作为图幅名称。

如“10-50北京幅”。

2、1:50万、1:20万、1:10万
1幅1:100万图中包含：
1:50万4幅，分别用甲、乙、丙、丁表示；
1:20万36幅，用数字（1）—（36）表示；
1:10万144幅，用数字1—144表示。

3、1:5万、1:2.5万、1:1万
1:10万以下大比例尺地形图，均以1:10万图幅编号作为基础。

1幅1:10万图中包含：1:5万4幅，分别用甲、乙、丙、丁表示；
1幅1:5万图中包含：1:2.5万4幅，用数字1、2、3、4表示；
1幅1:2.5万图中包含：1:1万4幅，用数字（1）、（2）、（3）、（4）表示。

1.3 地貌
1、地貌类型的划分
以昌吉州辖区为例，从南向北大体可划分为三个大的地貌单元：
（1）山地——南部天山山区、奇台县东北部中低山区。

①高山、中高山、低高山—绝对高度3500-5000m。

②高中山、中山、低中山—绝对高度1000-3500m。

③中低山、低山—绝对高度500-1000m。

④丘陵—绝对高度＜500m。

（2）平原——中部平原区
①冲积平原—山间盆地冲积平原、山间河谷冲积平原、山前冲积扇平原。

②洪积平原—砂砾质洪积平原、粉砂-粘土质洪积平原（细土平原）。

（3）沙漠——北部沙漠区
①岩漠（石质荒漠）—风城、雅丹地貌。

②砾漠（戈壁）—风蚀带走细沙、粘土，留下砾石而成。

③沙漠—有流动的沙丘、固定的沙丘、半固定的沙丘几种。

④泥漠—发育于低洼地带，系携带粘土颗粒的暂时性流水，经蒸发干涸后，留下淤泥而成。

1.4 第四纪地质
第四纪地质主要研究第四纪的划分、第四纪堆积物的成因、第四纪堆积物的类型等。

主要介绍与我们日常工作密切关相的第四纪松散堆积物岩性分类及等级划分。

1、松散岩石分类
以岩石颗粒粒径的累积含量百分数（%）划分：
（1）砾石类—卵石：粒径＞20mm，累积含量＞50%。

粗砾：粒径＞10mm，累积含量＞50%。

细砾：粒径＞2mm，累积含量＞50%。

（2）砂类——砾砂：粒径＞2mm，累积含量＞25%。

粗砂：粒径＞0.5mm，累积含量＞50%。

中砂：粒径＞0.25mm，累积含量＞50%。

细砂：粒径＞0.1mm，累积含量＞75%。

极细砂（粉砂）：粒径＞0.1mm，累积含量＜75%。

（3）粘性土类—亚砂土：粒径＜0.05mm，累积含量3-10%。

亚粘土：粒径＜0.05mm，累积含量10-30%
粘土：粒径＜0.05mm，累积含量＞30%
2、松散岩石等级划分
松散岩石等级划分为7级，以岩石颗粒粒径的累积含量百分数（%）及硬杂质含量（%)划分：
Ⅰ级：粒径≤0.5mm，含量≥50%，硬杂质含量≤10%的各类砂土、粘性土。

Ⅱ级：粒径≤2mm，含量≥50%，硬杂质含量≤20%的各类砂土。

Ⅲ级：粒径≤20mm，含量≥50%，硬杂质含量≤30%的各类碎石土。

Ⅳ级：粒径≤50mm，含量≥50%，硬杂质含量≤50%的各类碎石土。

Ⅴ级：粒径≤100mm，含量≥50%的各类碎石土。

Ⅵ级：粒径≤200mm，含量≥50%的各类碎石土。

Ⅶ级：粒径＞200mm，含量≥50%的各类碎石土。

此分类等级主要用于水文地质钻探。

2 水文地质基础
水文地质学是研究地下水的科学。

根据其研究的内容和范围，可概括为四个主要组成部分：
普通水文地质学：是水文地质学的基础科学，主要研究地下水的形成、分类、物理性质、化学成分等。

是水文地质基础理论的定性部分。

地下水动力学：是研究地下水运动的理论科学，主要研究地下水在岩石孔隙、裂隙中运动的基本规律（渗流）。

是水文地质基础理论的定量部分。

水文地质普查与勘探：是水文地质工作的手段和方法，主要研究测绘、水文地质试验、地下水动态与均衡、以及为各种目的（如城市供水、农田灌溉、水工建筑等）进行的水文地质调查方法。

也称专门水文地质学。

应用水文地质学：是水文地质学的应用部分，如矿床水文地质学、区域水文地质学、矿水学、古水文地质学等。

主要介绍我们工作中常遇到的相关基础知识。

2.1 地下水的赋存
1、岩石的空隙性
地下水之所以能存在于地壳内，是因为岩石中有空隙。

按其成因及分布特点，可将空隙分为：孔隙、裂隙、溶隙。

（1）孔隙：松散岩土中的空隙称为孔隙，其数量指标以孔隙度表示。

岩石颗粒粗、形状规则、分选性好、排列规则，孔隙度大；反之孔隙度小。

存在于孔隙中的地下水称孔隙水。

（2）裂隙：指坚硬岩石中的成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙，其数量指标以裂隙率表示。

裂隙率在空间分布上很不均匀。

存在于裂隙中的地下水称裂隙水。

（3）溶隙：易溶岩石（石灰岩、白云岩、石膏、盐岩）在地下水作用下产生的溶洞、裂隙称为溶隙。

其数量指标以岩溶率表示。

溶隙水在昌吉州范围内很少见。

2、岩石的水理性质
岩石的水理性质包括：
（1）溶水性：岩石能容纳一定水量的性能。

其数量指标用溶水度表示。

岩石空隙完全被水饱和时，溶水度与空隙度相当（膨润土例外）。

（2）持水性：在重力作用下，岩石依靠分子力和毛细力能保持一定水量的性能。

其数量指标用持水度表示。

岩石颗粒越细持水度越大。

（3）给水性：在重力作用下，饱水岩石能流出一定水量的性能。

其数量指标用给水度表示。

岩石颗粒越粗给水度越大。

给水度=溶水度—持水度
（4）透水性：岩石允许水透过的性能。

实际工作中往往将岩层区别为透水岩层和不透水岩层。

卵石层、砾石层、砂层、裂隙发育的岩层都是透水岩层；粘土层和裂隙不发育的坚硬岩层是不透水的或隔水的岩层。

（5）毛细性：受毛细作用，水通过岩土的毛细孔隙运动的性能。

研究岩土的毛细性，主要在于弄清楚毛细最大上升高度和毛细上升速度。

岩土颗粒越细，毛细最大上升高度越大，毛细水上升到最大高度所需的时间越长；反之上升高度减小，所需时间缩短。

土壤盐碱化、道路翻浆、建筑物基础侵蚀等都与岩土的毛细性有关。

3、含水层
含水层：是指透水的而又饱含地下水的岩层。

（1）构成含水层的条件
①岩层具有储存地下水的空间——空隙。

②岩层具有储存地下水的地质条件——地形、地貌、构造。

③具有一定的水量——岩层的富水性达到一定程度。

（2）含水层的划分
1）根据空隙类型分：
①孔隙含水层—如砾石含水层、砂砾石含水层。

②裂隙含水层—如砂岩裂隙含水层、花岗岩裂隙含水层。

2）根据含水层埋藏条件分：
①承压含水层—夹在两个不透水层之间的含水层。

②无压含水层—含水层的上界面为自由水面。

3）根据渗透性的空间变化分：
①均质含水层—在各部位、各方向上渗透性相同。

②非均质含水层—不同部位、不同方向上渗透性不同。

严格的讲，自然界中的含水层都是非均质的。

实际工作中，为了研究和计算方便，可将渗透性随坐标变化不大的含水层看作是“均质的”，以简化计算。

4、隔水层
隔水层：指不透水的岩层。

对地下水的运动起阻隔作用。

如：松散地层中的粘土、亚粘土层；坚硬岩石中的页岩、泥岩。

严格的讲，地壳表部岩层不存在绝对的隔水层。

含水层与隔水层都是相对的。

5、含水岩组与含水构造
（1）含水岩组：指含水特性基本相同的岩层组合。

生产实践中，常把岩层成因类同，含水性、富水性、迳流状况相近，与另一类含水层之间又有明显区别的含水层，划为一个含水岩组。

如第一承压含水岩组；第二承压含水岩组等。

（2）含水构造：也叫蓄水构造，指含水地层体的一个笼统的术语。

自然界中含水层和隔水层都以一定的构造形态存在。

如向斜含水构造（含水盆地）；单斜含水构造（含水斜地）；断裂含水构造等。

6、昌吉州地区地下水的赋存
昌吉州地处天山北坡，其地下水的赋存具有一定的规律性。

（1）在南部天山山区主要分布有基岩裂隙水。

（2）在玛纳斯县旱卡子乡，吉木萨尔县新地乡、大有乡、泉子街镇，受向斜地质构造影响，形成山间盆地，区内第四纪沉积物颗粒较粗，富水性较强，盆地底部为第三纪不透水基岩，具有良好的蓄水构造，在第四纪松散沉积物中分布有孔隙潜水。

（3）在河流出山口以后，由于地形变缓，河流流速变小，携带的泥沙大量沉积，形成冲洪积扇，各河流的冲洪积扇重叠，形成冲洪积扇裙。

河流的沉积规律是自扇顶到扇缘，沉积物颗粒由粗到细。

受前山断裂构造的影响，冲洪积扇的不透水基底埋藏较深，形成单斜含水构造（含水斜地）。

在冲洪积扇部位的松散沉积物中分布有孔隙潜水。

（4）在冲洪积扇前缘，河流的搬运作用减弱，沉积颗粒变细，沉积层次增多，粗细颗粒交互沉积，形成多层结构潜水—承压水含水层。

上游孔隙潜水渗流至此，受不透水层阻隔，一部分以泉的形式溢出地表，一部分补给承压水。

此带称为潜水溢出带，该带的松散沉积物中分布有孔隙潜水和孔隙承压水。

（5）在潜水溢出带以北的广大细土平原区，广泛分布有潜水—承压水含水层。

此区的松散沉积物中分布有孔隙潜水和孔隙承压水。

2.2 地下水的运动
1、地下水运动的基本定律
地下水在岩石空隙中的运动称渗流。

渗流的基本定律遵循达西定律。

公式如下：
Q=K×F×I
F=B×M
Q=K×B×M×I×365
式中：
Q—地下水通过断面F的流量（m3/a)。

K—渗透系数（m/d)。

F—地下水过水断面面积（m2)。

B—地下水过水断面宽度（m)。

M—地下水过水断面宽度内含水层厚度（m)。

（大厚度潜水含水层M取滤水管长度）。

I—地下水水力坡度（无量纲）。

365—一年365天。

2、渗透系数
渗透系数：是岩石透水性的指标。

渗透系数与流量成正比。

渗透系数的数值是水力坡度I=1时的渗透速度。

一般通过抽水试验、注水试验、渗水试验等方法确定，也可根据经验估计。

渗透系数的经验数值见表2-1。

渗透系数的经验数值
表2-1
岩土类别渗透系数（m/d) 岩土类别渗透系数（m/d）
粘土＜0.001 粗砂20—50
亚粘土0.01—0.001 砾石50—150
亚砂土1—0.01 卵砾石100—500
细砂1—5 漂石500—1000
中砂5—20
一般岩层颗粒越均匀、磨圆度越好、细颗粒杂质含量越少，渗透系数越大。

反之则小。

从地质成因角度分析，即岩层分选性和磨圆性越好，渗透系数越大。

3、地下水迳流
（1）地下水迳流的概念
地下水的运动是渗流运动。

由于岩层孔隙的连续性，实际工作中把地下水在岩层孔隙中的运动宏观地看成是连续的迳流运动。

地下水迳流的特征：
①地下水流动的方向是最大水力坡度的方向。

②地下水的流速受水力坡度制约，水力坡度越大，流速越大。

③地下水的运动有无压流和有压流的区别。

④地下水迳流受岩层透水性的制约。

★地下水的流速主要取决于含水层的透水性、水力坡度、过水断面积三要素。

（2）地下水的补给—迳流—排泄
地下水的的迳流运动与地下水的补给、排泄密切相关。

在任何一个含水构造中，地下水之所以会流动，会保持一定的水力坡度，是因为它有一定的补给来源和一定的排泄途径。

若含水层透水性相同，当补给水源丰富，排泄途径通畅，且补给区与排泄区又有相当大的高差时，该含水层迳流强度就大。

反之迳流强度就小。

地下水运动的方向总是由补给区流向排泄区；由水位（水头）高的地方流向水位（水头）低的地方。

（3）昌吉州地下水的补给—迳流—排泄条件
昌吉州范围内，西起玛纳斯东至木垒，地下水运动的总体方向是由南向北。

南部天山山区是地下水主要补给区，中部冲洪积平原是迳流区，北部细土平原和沙漠是排泄区。

地下水补给来源：
①河道入渗：根据河道径流量及入渗补给系数计算。

②山前测渗：根据山前含水层渗透系数、水力坡度、过水断面积计算。

③水库入渗：根据水库库容及水库入渗补给系数计算。

④渠系入渗：根据渠系引水量及渠系入渗补给系数计算。

⑤田间入渗：根据进入田间的灌溉水量及田间入渗补给系数计算（不同土壤、不同地下水埋深田间入渗补给系数不同）。

⑥降水入渗：根据次降水＞10mm的降水量及降水入渗补给系数计算（不同土壤、不同地下水埋深降水入渗补给系数不同）。

地下水的迳流条件：
诸河流出山口至潜水溢出带，是地下水的迳流区，该区含水层颗粒粗、水力坡度大、迳流条件好。

地下水的排泄途径：
①垂直排泄：
泉水溢出：山区泉水溢出主要补给地表径流；平原区泉水溢出是地下水排泄途径，泉水流量即为排泄量。

地下水开采：开采量即为排泄量。

潜水蒸发：根据潜水蒸发系数及分布面积计算。

潜水蒸发系数与地下水位埋深、土壤类别、灌区或非灌区、有植被或裸地等条件有关。

一般地下水位埋深＞5m，视潜水蒸发系数为0。

②水平排泄：
即以地下潜流的形式侧向流出评价区。

侧向排泄量根据排泄断面面积、含水层渗透系数、水力坡度计算。

2.3 地下水向管井的运动
通常可采用裘布依公式计算：
1、承压含水层采用：
Q=2.73K.M.S/(IgR－Igr0)
2、无含水层采用：
Q=1.37(2H－S).S/(IgR－Igr0)
式中：
Q——管井水量（m3/d)；
K——含水层渗透系数（m/d)；R——影响半径（m）；
r0 ——管井半径（m）；M——承压含水层厚度（m）；H——无压含水层厚度（m）S——管井内水位降（m）。

3、管井设计
3.1 管井设计的一般规定
1、明确井的用途、需水量及水质要求。

2、明确建井区地质及水文地质条件。

3、管井结构设计一般包括下列内容：
（1）确定井的深度：根据开采含水层的埋藏深度、厚度、水质、富水性及出水能力等因素综合确定。

（2）确定开孔及终孔口径：根据使用的钻机类型、钻进的地层特征、安装的过滤器口径、填砾厚度等因素确定。

（3）确定井壁管及过滤器的类型、规格及安装位置：根据当地水文地质条件、管井的设计出水量、水质、抽水设备最大外径等因素确定。

（4）确定沉淀管长度：根据含水层岩性、井的深度确定。

一般取2—10m。

（5）确定管井封闭：根据对水质的要求、不良含水层或非开采含水层位置确定管井封闭的位置及封闭材料。

3.2管井过滤器设计
3.2.1 过滤器类型的选用
目前供水管井常用的过滤器类型有：
（1）骨架过滤器：钢管穿孔或扁钢焊接。

适用于卵石、砾石地层。

（2）缠丝过滤器：钢管穿孔缠丝。

适用于卵石、砾石地层。

（3）填砾过滤器：钢管穿孔缠丝环状间隙填充砾石。

适用于卵石、砾石、粗、中、细砂地层。

（4）双层填砾过滤器（笼状过滤器）：适用于细砂、粉砂、粉砂含泥地层。

3.2.2过滤器口径选用
过滤器口径与管井出水量密切相关，目前尚无适宜的计算公式。

根据国内外许多野外对比试验资料，综合得出初步规律：（1）无压含水层中：相同深度的浅井（井深小于200-300m），其出水量的增加与过滤器口径增加的半数略成正比。

（2）承压含水层中：相同深度的浅井（井深小于200-300m），其出水量的增加与过滤器口径增加成直线关系。

且含水层渗透系数越大，管井出水量的增加也越显著。

※松散岩层供水管井过滤器口径应综合考虑管井设计出水量、滤水管长度、滤水管孔隙率以及允许入管流速等诸因素确定。

按下式确定：
D≥Q/πL.P.V
式中：
Q：管井设计流量(m3/s)；
πL·P·V
L1：：过滤器长度(m)：
P：过滤器表面孔隙率；
V：允许入管流速（＜0.03m/s）。

※生产井的口径应根据水文地质条件和水源地的需水量而定。

在水源丰富的卵砾石、砂砾石地层中，应尽量加大管井过滤器口径，在满足一定取水量的前提下，减少井数，降低投资。

目前昌吉州地区采用的大口径管井过滤器口径有：400、450mm；管井最大出水量达到360—800m3/h。

3.2.3过滤器长度选用
过滤器的长度，主要根据含水层厚度、颗粒组成、出水量大小、过滤器直接综合确定。

当含水层厚度较薄时，过滤器长度应与含水层厚度相等。

当含水层很厚时，过滤器长度可参考下式确定：
L=Q.a/d
式中：L——过滤器长度（m）；
Q——井的出水量（m3/h)；
d——过滤器外径（mm)，不填砾井按过滤器缠丝外径计算，填砾井按填入砾石层的外径计算。

a——经验系数，决定于含水层颗粒组成，按下表选用。

不同含水层经验系数a值
含水层的渗透系数K（m/d) a值
K=2—5 90
K=5—15 60
K=15—30 50
K=30—70 30
3.2.4 填砾过滤器技术要求
在中、细砂地层或分选性较差的砂砾石地层中，宜采用填砾过滤器，其主要优点是增大过滤器有效孔隙率，减少进水时的水头损失，防止细砂涌入井内，增大管井出水量，延长管井使用寿命。

填砾的质量要求如下：
（1）填砾的形状以均匀近园形为宜；
（2）填砾的成分以石英砂岩为宜；
（3）填砾运至现场后要过筛、剔除杂质、土和不合格砾石；
（4）填砾规格根据含水层颗粒级配情况而定：
1）均质砂层：取含水层颗粒直径d50-60的8-10倍；
2）卵砾石地层：取含水层颗粒直径d70-90的8-10倍，若均匀性较差可取6-8倍。

（5）填砾厚度根据含水层颗粒级配情况而定：
1）中细砂地层：填砾厚度可取100—150mm；
2）卵砾石地层：填砾厚度可取75—100mm。

根据野外抽水试验资料分析，填砾厚度＜250mm，对增加井的出水量影响显著；填砾厚度＞250mm，对增加井的出水量效果不大。

填砾规格参考值见下表。

填砾规格及缠丝间隙参考表
单位：mm 含水层
填砾规格填砾厚度缠丝间隙名称砾径（d50-60）
细沙0.1—0.25 1—2.5 100-150 1—1.5
中砂0.25—0.5 2—5 100-150 2—3 粗砂0.5—2 4—7 100-125 3—4 砾石2—10 7.5—10 75-100 5.00 卵石＞10 回填75—100 5.00。