水文地质学
水文地质学基础的研究对象与内容
1、研究对象：水文地质学是研究地下水的科学，它研究与岩石圈、水圈、大气圈以及人类活动相互作用地下水水量和水质的时空变化规律。
2、特征：水文地质学是一门边缘交叉学科。 3、研究内容：
1）地下水的形成、埋藏、赋存、分布 2）地下水的运动
3）地下水的补给、径流、排泄 4）物理化学性质、成份及形成原因 5）地下水的起源、循环、转化规律 6）地下水的动态与均衡
水文地质学基础与其他课程的衔接 水文地质学包括： 水文地质基础/原理 地下水动力学 水文地质调查
专门水文地质学（水文地质调查方法、供水水文地质、矿床水文地质）
地质工程专业的后续课程：降水工程（36学时，第8学期）
与地下水有关的问题 1、地下水水位变动破坏原有的岩土与地下水的力学平衡系统，以及产生的各种效应。最典型的是斜坡稳定问题。
3、沙漠化、荒漠化面积不断扩大，草地退化和沙化面积逐年增加
新疆沙漠化土地面积已达9.61万Km2(合961万Km2 ，1.44亿亩)。 青海省沙漠化面积每年以13万Km2(1300 Km2)的速度扩大。 水文地质学在国民经济建设中作用
6、地下水是有些工程效益降低的主要原因： 1）溶解作用 2）润滑作用 3）侵蚀作用
7、地下水是破坏土壤肥力的重要因素； 8、地下水是某些地方性疾病的致病原因
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 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 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。
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
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。包括：气温、气压、湿度、蒸发、降水。 该断面的平均流速V的乘积，即：Q= V?F
6、径流总量: W (Runoff Volume)：指一定的时段内T(=t2 - t1)通过河流某一断面的总水量，(单位：m3)。可由下式求得：W=Q?T
7、径流模数(M)：系指单位流域面积F（km2）上平均产生的流量，以L/s?km2为单位，计算式为： M=Q/F?103 (1L=10—3m3)
2、气温随时间的变化指一个地区气温的昼夜变化、季节变化和多年变化。气温随空间变化包括水平方向和垂直方向的变化。
3、气压：大气的质量施加在地表或地表物体上的压力称为大气压力。
赤道处临近地面下部形成低压带，赤道两侧地面处形成亚热带高压带。对于我国气候起到控制作用的是两个高气压中心带：夏威夷亚热带高压中心和蒙古寒带高压中心。 1.3.1 与水文循环有关的气象因素
4、湿度：
1）绝对湿度：e 或 m
2）相对湿度：绝对湿度于饱和水汽含量的比值。r=e/E=m/M
3）饱和湿度：一定温度下空气中水汽的最大含量，E或M。
5、蒸发：常温下水由液态变为气态进入大气的过程叫做蒸发。水面的蒸发速度取决于气温、气压、湿度、风速等。
饱和差：某温度下空气中的饱和水汽含量与实际水汽含量之差。d=E-e。
6、降水：空气中水汽含量达到饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，以液态或固态降落到地面，形成降水。
（2）高层降水，低层降水
（3）描述指标有：降水量，降水历时，降水强度，降水类型
描述降雨特性的几个特征值:
降雨强度分级：暴雨、大雨、中雨、小雨 2002.08.29 汉中佛坪暴雨成灾
1.3.2 与水文循环有关的水文因素
1、径流：降落到地表的降水在重力作用下沿地表和地下流动的水流。
2、水系:汇注于某一干流的全部河流的总体构成一个地表径流系统，称为水系。
3、水系的流域:一个水系的全部集水区域 。
4、分水岭/线：相邻两个流域之间地形最高点的连线即为分水线，又称分水岭。
5、流量(Q)：系指单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为m3/s。流量Q等于过水断面面积F与通过
8、径流深度：径流深度(Y)：系指计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度，单位为mm，计算式为：Y=W/F?103 径流系数(ɑ)：为同一时段内流域面积上的径流深度Y (mm)与降水量X(mm)的比值： ɑ=Y/X， 以小数或百分数表示。 蒸发系数（β）：为同一时段内流域面积上的蒸发量Z (mm)与降水量X(mm)的比值： β=Z/X， 以小数或百分数表示。
1.4 我国水文循环概况
一、循环系统（途径） 1、太平洋水循环系统 2、印度洋水循环系统 3、南海水循环系统
4、东北鄂霍次克水循环系统 5、西北内陆水循环系统
二、我国水文循环的基本特点 1、在降水时间上分布不平衡 2、在降水空间上分布不均匀
我国的水文循环五大系统并不是独立存在的，相互之间产生干扰，水循环系统复杂。 二、2 降水在空间上的不均匀性
降水量东南沿海在1500mm，长江流域约为1200mm，西安580mm，兰州327.7mm，酒泉87.3mm，格尔木38.3mm，乌鲁木齐277.5mm，和田33.4mm，吐鲁番20mm，且末18.6mm。有些地方在有些年份终年无雨。
1.5 全球的水均衡
1.海洋的蒸发量大于降水量。 2.大陆的降水量大于蒸发量。
3.大陆内陆区降水量和蒸发量基本相等。 Z－蒸发 X－降水 Y－径流
Z洋＝X洋＋Y陆 Z陆＝X陆－Y陆 Z洋＋Z陆＝X洋＋X陆
Z洋＝50.5万km3 Z陆＝7.2万km3 X洋＝45.8万km3 X陆＝11.9万km3 Z洋－X洋＝50.5－45.8＝4.7万km3 X陆－Z陆＝11.9－7.2＝4.7万km3
也即：通过水循环，每年有4.7万km3的淡水从海
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洋转移到大陆上，成为人类可以利用的淡水资源。
绪论 复习思考题
一、关键概念 水文地质学 二、简答题
1.水文地质学有哪些分支？
2.简述水文地质学在国民经济中的作用？试举例。
第一章 复习思考题
一、关键概念
水循环；水文循环；大循环；蒸发；小循环；降水；蒸发；流量；径流总量；径流模数；径流深度；径流系数；蒸发系数； 二、简答题 1、何谓自然界的水循环？水循环的作用？研究意义？5、 我国水循环特点二？
三、某水文站上游流域面积为576km2，多年平均径流量8.7m3/s，流域多年平均降水量为850mm。试求： 1.年径流总量
2.径流模数:流域出口断面流量与流域面积的比值,即流域单位面积上所产生的流量。 3.径流深度Runoff depth 4.径流系数 5.蒸发系数
第二章 岩石中的空隙与水分
§2.1 岩石中的空隙
岩石的空隙是地下水储存和运移的先决条件，空隙的多少、大小、形状、联通状况和分布规律，决定着地下水的埋藏、分布和运动。
将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即：松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。 §2.1.1 孔隙
1、孔隙：在松散堆积物中或胶结不好的沉积岩中以及部分喷出岩中，组成岩石的颗粒或颗粒集合体之间能存在的多孔状的空隙。
2、孔隙性：岩土孔隙的大小、分布规律、数量、形状、性质、联通情况等的总称。
3、孔隙度：岩石孔隙体积与岩石总体积之比。n=Vn/V 4、影响孔隙度大小的因素： 1）分选程度
2）颗粒排列状况：排列方式相同但颗粒直径不同的等粒岩石，其孔隙度完全相同。 3）颗粒形状
4）胶结充填情况 §2.1.2 裂隙
固结的坚硬岩石，包括：沉积岩、岩浆岩、变质岩，一般不存在或只是保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。
按照成因分类：成岩裂隙 构造裂隙 风化裂隙
裂隙率：裂隙体积与岩石总体积之比。Kr=Vr/V 野外研究裂隙时，还应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况。
在花岗岩闪长岩岩体边坡上，分布大量陡于80°倾角的构造裂隙。 §2.1.3 溶穴
1、溶穴：起因于水的溶蚀，在可溶岩（白云岩、岩盐、石膏、石灰岩等）中形成的空洞（溶隙）。 2、岩溶率：Kk=Vk/V
特点：岩溶率的变化范围很大，且在相邻很近地点处岩溶率完全不同，同一地点的不同深度处岩溶率也有很大变化。
四、岩石中的空隙小结
1、岩石中的空隙是研究地下水的基础
2、分布特点：孔隙主要分布于松散堆积物中，分布广泛，联通均匀
裂隙分布于坚硬岩石中，分布不均 溶穴分布可溶性岩石中，分布不均
3、孔隙度，运用范围广；裂隙率、岩溶率受到地区限制，运用不广，代表性不强。三者定义也各不相同。
4、裂隙率和岩溶率可以直接评价赋水性，孔隙度加孔隙大小才可评价。
5、孔隙度及其影响因素。
按岩层的空隙类型分为三种类型地下水：①孔隙水；②裂隙水；③岩溶水。
§2.2 岩石中水的存在形式
岩石空隙中水的存在形式有： ①结合水； ②重力水； ③毛细水；
④固态水和气态水。
岩石骨架中的水（矿物结合水） 一、结合水 1、定义：
2、强结合水（吸着水）： 3、弱结合水（薄膜水）：
3
结合水区别于普通液态水的最大特征是：具有抗剪强度，即必须施加一定的力方能使其发生变形，施加的外力越大，发生流动的水层厚度也越大。
二、重力水 1、定义：
2、重力水是水文地质研究的主要对象 三、毛细水
1、毛细水定义： 2、毛细现象： 3、支持毛细水 4、悬挂毛细水
5、悬留孔角毛细水（触点毛细水）： 四、气态水、固态水以及矿物中的水
气态水在一定温度、压力条件下，于液态水相互转化，两者之间保持动态平衡。 五、小结：
1、重力水是水文地质研究的主要对象，毛细水是消耗地下水水量的，结合水影响地下水的运动。
2、在大孔隙中以重力水为主，细小孔隙中以结合水为主，裂隙、溶穴中几乎全部为重力水。 §2.3 与水储容及运移有关的岩石性质
岩石空隙大小、多少、连通程度及其分布的均匀程度，都对其储容、滞留、释出以及透过水的能力有影响。
§2.3 与水储容及运移有关的岩石性质
一、容水性
1、容水性：岩石的孔隙具有容纳地下水的性质。 2、容水度：岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积之比。Sc=Vw/V。一般说来，容水度在数值上于孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。但是，?? 3、含水量：某一时刻岩石孔隙中的实际水量与岩石的比值。该指标说明松散岩石实际保留水份的状况。 1）重量含水量：Wg=Gw/Gs 2）体积含水量：Wv=Vv/V
3）当水的比重为1，岩石的干容重（单位体积干土的重量）为rα时，重量含水量与体积含水量的关系为：Wv=Wg*rα 二、给水性 1、给水性：含水岩石在重力作用下能释放出水的性质。2、给水度：在重力作用下岩石所能释放出水体积与岩石总体积的比值。μ＝Vw/V。
野外识别：地下水水位下降一个单位深度，从地下水水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出水的体积，称为给水度。
3、注意：野外地层的给水度为一变值，室内试验中给水度为定值。
4 、给水度的影响因素：
1 ）岩性：主要是孔隙的大小与多少； 2 ）初始地下水埋藏深度 3 ）地下水下降速率 4 ）地下水下降幅度
5、给水度在理想数值上等于容水度减去持水度 三、持水性
1 、持水性：饱水岩石在重力作用下失水，依赖静电引力和毛细力依然能保持水的性质。
2 、持水度：地下水水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作持水度。Sr
3、 给水度、持水度与孔隙度的关系： μ＋Sr=n 四、透水性
1、透水性：岩石允许水透过的能力叫做透水性。 2、定量指标：渗透系数 3、影响透水性的因素：
1）空隙的大小和联通情况，特别是最小空隙直径的影响，平均孔隙直径。
2）孔隙度：粘土和砂砾石孔隙度的区别。 颗粒的分选性，决定孔隙的变化和曲折性。 五、小结：
1、应该掌握的性质：①容水度；②含水量；③给水度；④持水度；⑤透水性。
2、一般情况下，孔隙越小，持水度越大，给水度越小。
3、一般不能用容水性来评价水资源，因为容水性同时包括有重力水、结合水和毛细水。真正能利用的只有重力水。
第二章 岩石中的空隙与水分复习思考题
一、关键概念
空隙性；孔隙；孔隙度；裂隙；裂隙度；溶隙（穴）；岩溶率；结合水；容水性；
容水度；含水量；给水性；给水度；持水性；持水度；透水性；渗透系数 二、论述题
1、影响孔隙度的因素？（按主次叙述） 2、影响孔隙大小的主要因素有哪些？（按主次叙述）3、岩土中水的主要存在形式有哪些？其各自的特点？
4、影响透水性的主要因素？
第三章 地下水的赋存
§3.1 包气带与饱水带
一、包气带、饱水带定义
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二、包气带与饱水带界面的划分标准 以初见地下水水位为依据。
三、包气带形态、分带以及研究意义
1、形态：不同部位、不同时间运动方向、速度都在变化，是x、y、t的函数，受到气象因素影响严重。 2、分带：
1）土壤水带 2）中间带 3）毛细水带 3、研究意义：
1）降水要经过包气带下渗，地下水蒸发排泄也必然经过包气带。 2）包气带水盐的形成及其运动规律对饱水带水的形成有重要意义。 4、包气带中水的几种形式：结合水、毛细水、气态水、过路重力水
四、饱水带的特征
1、饱水带中岩石的空隙完全被液态水充满。
2、饱水带中水是连续分布的，可以传递静水压力，在水头差的作用下可以发生连续运动。这也是打井一定要打到饱水带的重要原因。
饱水带中的重力水是开发利用或排除的主要对象。
§3.2 含水层、隔水层与弱透水层
一、含水层、隔水层的定义。
1 、按照渗透性可以分为透水层和不透水层。
2 、含水层：能够透过并给出相当数量水的饱水岩层。3 、隔水层：不能透过与给出水，或者透过与给出的水量微不足道的岩层。不透水层通常称为隔水层。 4、弱透水层：在越流场很有意义。 区别：含水层与透水层
二、含水层的构成条件（三个）
1、岩土体必须具备饱含重力水的空隙——空间问题。2、具有有利于地下水聚集和储存的地质构造。 1）含水层下要有隔水层，使得水不能向下渗漏； 2）在地下水流动方向上要有阻水构造，使得水不能排空。
3、要有充足的补给来源。 三、含水层和隔水层的相对性 1、隔水层的相对性
1）没有绝对隔水的岩层； 2）粘土层也可以含水；
3）石英岩在多数地区是富水的，但是在华北震旦系的石英岩又是隔水的。
4）不同岩性组合时，隔水层是相对的。如细砂层。 2、含水层划分的相对性
1）释出多少水就是含水层并无定量绝对指标。要根据供水意义和研究目的来区别。
2） 地表的亚粘土覆盖在砂砾石层上，两种情况。 3）供水意义：
四、含水层、隔水层、透水层的相互转化 五、野外如何判断含水层
1、仔细研究岩性，不同岩性的储水空间也不同。 2、研究岩层的组合关系。 3、地质构造条件的分析。 4、地貌条件分析 。 六、含水层概念的回顾
1、孔隙含水层称为含水层比较符合实际。
2、裂隙称为含水带，因不同部位裂隙的成因不同，裂隙发育情况不同。
3、岩溶称为含水系统较为合适。因其不均匀性比裂隙带更严重。
§3.3 地下水分类
一、地下水定义
1、广义地下水:指赋存于地面以下岩土体空隙中的水；包气带及饱水带中所有含于岩土体空隙中的水均属之。
2、狭义地下水:仅指赋存于饱水带岩土体空隙中的水。
二、地下水的赋存特征： 埋藏条件与含水介质类型 三、按照含水介质分类： 1 、孔隙水 2 、裂隙水 3、岩溶水
四、按照埋藏条件分类。 1、潜水 2、承压水 3、上层滞水
五、综合两种条件分类： 表3－1 地下水分类表
图3—3 潜水、承压水及上层滞水
1—隔水层；2—透水层；3—饱水部分；4—潜水位；5—承压水测压水位；6—泉(上升泉); 7—水井，实线表示井壁不进水；a—上层滞水；b—潜水；c—承压水
§3.4 上层滞水
一、定义
1、狭义：包气带中局部隔水层（弱透水层）上面积聚的具有自由水面的重力水。
2、广义：同包气带水，包括有毛细水，结合水和过
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