第一部分水文地質學基礎
第一章地下水概論
1.1自然界中的水
1.1.1、地下水：
這一名詞有廣義與狹義之分。廣義的地下水是指賦存和運動於地表以下岩土空隙中的水；包氣帶及飽水帶中所有含於岩石空隙中的水均屬之。狹義的地下水僅指賦存於飽水帶岩土空隙中的水。
自然界的水分布於大氣圈、水圈和岩石圈之中，分別稱為：大氣水、地表水和地下水。
1.1.2、空隙性：
通常將岩石空隙的大小、多少、形狀、聯通程度，以及分朽狀況等性質統稱為岩石的空隙性。岩石的空隙是地下水貯存和運動的先決條件。空隙的多少、大小、均勻程度和聯通狀況，決定著地下水的埋藏、分布和運動。
1.1.3、孔隙:鬆散岩石是由大小不等的顆粒組成的。顆粒或顆粒集合體之間的空隙，稱為孔隙。
將岩石空隙作為地下水儲存場所和運動通道研究時，可分為三類，即：鬆散岩石中的孔隙，堅硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。
1.1.4、水在岩石中的存在形式 （1）組成岩石礦物的礦物結合水；（2）存在於岩石空隙中的水：結合水、重力水、毛細水、固態水和氣態水。
1.1.5、結合水：由於靜電引力作用而吸附在岩石顆粒上的水。強結合水又稱吸著水，是最靠近顆粒表面的結合水；弱結合水又稱薄膜水。
1.1.6、岩石的水理性質：與水分的貯存和運移有關的岩土性質稱岩石的水理性質。包括容水性、持水性、結水性和透水性。
容水性：岩石能容納一定水量的效能為容水性。
持水性：岩石在重力作用下仍能保持一定水量的效能為持水性。
給水性：飽水岩石在重力作用下，能自由排出一定水量的效能稱給水性。
透水性：岩石可透過水的效能稱透水性。
滲透係數：衡量透水性的定量指標稱滲透係數。岩石透水性的好壞，首先決定於岩石空隙的大小，同時與空隙的形狀、多少、連通程度有關。
鬆散沉積物，孔隙率變化較小。給水度的大小在很大程度上可以反映透水性的好壞。
1.1.7、含水層：能透過並給出重力水的岩層稱為含水層；
構成含水層的條件：（1）有儲水空間。（2）存在儲存地下水的地質構造條件。（3）有充足的補給水源和補給條件。 三者缺一不可。
1.1.8、隔水層：不能給出並透過水的岩層。隔水層是相對於含水層而言的，自然界中沒有絕對不透水的岩層。
1.2 地下水的型別
1.2.1、地下水的埋藏條件：是指含水岩層在地質剖面中所處的部位及受隔水層（弱透水層）限制的情況。據此可將地下水分為包氣帶水、潛水及承壓水。
包氣帶：地表以下一定深度，岩石中的空隙被重力水所充滿，形成地下水面。地下水面以上稱為包氣帶；地下水面以下稱為飽水帶
包氣帶水：在包氣帶中，空隙壁面吸附有結合水，細小空隙中含有毛細水，未被液態水佔據的空隙中包含空氣及氣態水，空隙中的水超過吸附力和毛細力所能支援的量時，空隙中的水便以過路重力水的形式向下運動。上述以各種形式存在於包氣帶中的水統稱為包氣帶水。
潛水：飽水帶中第乙個具有自由表面的含水層中的水稱作潛水。潛水沒有隔水頂板，或只有區域性的隔水頂板。
潛水的表面為自由水面，稱作潛水面；潛水位：潛水面上任一點距基準面的絕對標高，也稱為潛水位標高。從潛水面到隔水底板的距離為潛水含水層的厚度。
潛水面到地面的距離為潛水埋藏深度。潛水含水層厚度與潛水面潛藏深度隨潛水面的公升降而發生相應的變化。
潛水的特徵：（1）潛水面以上一般無穩定的隔水頂板，具自由表面，為無壓水。（2）潛水在重力作用下，由潛水位較高處向潛水位較低處流動，流動速度取決於含水層的滲透效能和水力坡度。
（3）潛水通過包氣帶與地表連通，潛水的分布和補給區是一致的。（4）潛水的水位、流量和化學成分隨地區和時間的不同而變化。
承壓水：充滿於兩個隔水層（弱透水層）之間的含水層中的水，叫作承壓水。承壓含水層上部的隔水層（弱透水層）稱作隔水頂板，下部的隔水層（弱透水層）稱作隔水底板。
隔水頂底板之間的距離為承壓含水層厚度。承壓性是承壓水的乙個重要特徵。潛水一般多貯存在第四系鬆散沉積物中，也可形成於裂隙性或可溶性基岩中。
基本特點是與大氣圈和地表水聯絡密切，積極參與水迴圈。含水層中心部分埋沒於隔水層之下，是承壓區；兩端出露於地表，為非承壓區。鑽孔中靜止水位到含水層頂面之間的距離稱為承壓高度，這就是作用於隔水頂板的以水柱高度表示的附加壓強。
井中靜止水位的高程就是承壓水在該點的測壓水位。測壓水位高於地表的範圍是承壓水的自溢區，在這裡井孔能夠自噴出水。承壓水在很大程度上和潛水一樣，主要**於現代大氣降水與地表水的入滲。
承壓水特徵：（1）當鑽孔揭露承壓含水層時，在靜水壓力作用下，初見水位與穩定水文不一致。（2）一般情況下，承壓水的分布區與補給區不一致。
承壓水補給區往往位於地勢較高的含水層出露處。（3）承壓水的出水量、水質、水溫受當地氣候影響較小，隨季節變化不明顯。（4）承壓水受地表汙染小。
承壓水頭：地下水在靜水壓力作用下，上公升至含水層頂板以上的高度。
無壓層間水：水不能充滿於兩個隔水層時，水無靜水壓力，對上部隔水層無上托力。
指出：（1）上層滯水、潛水、承壓水分布位置；（2）承壓水的三個分割槽。
1.2.2、上層滯水：
上層滯水是存在於包氣帶中，區域性隔水層之上的重力水。補給條件：完全受大氣降水和地表水體直接入滲補給。
特點：一般水量較小；受季節控制性顯著；接近地表易受汙染。
1.2.3、按含水介質（空隙）型別，可將地下水區分為孔隙水、裂隙水及岩溶水。
1.3地下水的迴圈
1.3.1、地下水的迴圈：
是指地下水的補給、徑流和排洩的全過程。過程： 含水層從大氣降水、地表水和其他水源獲得補給——在含水層中經過一段距離的徑流——排出地表重新變成地表水和大氣降水。
補給：含水層從外界獲得水量的過程稱作補給。 含水層的補給**有：大氣降水、地表水、凝結水、其它含水層的水和人工補給水。
徑流：地下水由補給區流向排洩區的全過程，稱為徑流。地下水的徑流是補給和排洩的中間過程，三者是統一的、 不可分割的迴圈過程。
地下水徑流的研究主要包括：（1）徑流方向 （2）徑流強度：平均滲透速度 v=k δh/l （3）徑流量
排洩：含水層失去水量的過程稱為排洩。在排洩過程中，含水層的水質、水量及水位都會產生相應
變化。 地下水的排洩方式：（1）泉水排洩；（2）向地表水排洩；（3）蒸發排洩；（4）相鄰含水層的排洩。
1.3.2、補給量、排洩量、徑流量關係：
山區：補給量=徑流量=排洩量
平原淺層地下水：補給量=排洩量，徑流量《補給量（排洩量）
第二章地下水的運動及動態
2.1、達西定律
達西定律：水在土中滲透的滲流量q與圓筒斷面積f及水頭損失△h成正比，與滲透距離l成反比。
1856 年，法國水力學家達西（h.darcy）通過大量的實驗，得到線性滲透定律。
實驗是在裝有砂的圓筒中進行的。
根據實驗結果，得到下列關係式：
q=kfδh / l＝kfi
式中：q——滲透流量（出口處流量，即為通過砂柱各斷面的流量）；
f——過水斷面（在實驗中相當於砂柱橫斷面積）；
δh ——水頭損失（δh＝h1－h2，即上下游過水斷面的水頭差）；
l ——滲透距離（上下游過水斷面的距離）；
i ——水力梯度（相當於δh/l,即水頭差除以滲透途徑）；
k ——滲透係數。
此即達西公式。
2.2、地下水在空隙中運動的平均速度稱為實際平均流速，簡稱實際流速（u）：
u=q/f′
滲透流速v：v=q/f；f：砂柱的橫斷面積，包括顆粒面積和空隙面積。
滲透流速小於實際流速
2.3、滲透係數k
滲透係數k ：是表示岩土透水性的指標。它是含水層重要的水文地質引數之一。
岩石和滲透液體的物理性質有關的常數。當水力坡度i＝1時，滲透係數在數值上等於滲透流速。由於水力坡度無量綱，故滲透係數具有速度量綱。
即k的單位和v的單位相同，以m/s或m/d表示。
2.4、地下水向完整井的穩定運動
裘布依公式：——抽水試驗
研究狀況：含水層在均質、等厚、廣泛分布、隔水底板水平、天然潛水位水平，地下水穩定流動
降落漏斗：從潛水含水層中抽水時，水井周圍的潛水位逐漸下降，形成乙個以井孔為軸心的漏斗狀潛水面，即所謂降落漏斗。當出水量和井中動水位穩定一段時間後，這個漏斗也趨於穩定。
降落漏斗邊緣到井軸的距離稱影響半徑。
2.5、地下水動態
地下水動態：在有關因素影響下，地下水的水位、水量、水化學成分、水溫等隨時間的變化狀況稱作地下水動態。
影響地下水動態的因素：（1）自然因素：氣候、水文、地質因素、土壤生物因素；（2）人為因素
地下水動態的型別：（一）蒸發型：乾旱、半乾旱平原及山間盆地；（二）徑流型：山區及山前地帶；（三）蒸發、徑流型：氣候濕潤的平原地區。
第三章不同介質中的地下水
3.1 孔隙水
孔隙水：是儲存於第四系鬆散沉積物及第三系少數膠結不良的沉積物的孔隙中的重力水。 沉積物形成時期的沉積環境對於沉積物的特徵影響很大，使其空間幾何形態、物質成分、粒度以及分選程度等均具有不同的特點。
因此，不同成因的沉積物，控制著儲存於其中的孔隙水的水文地質條件。
一、洪積物的特徵及其中的地下水
洪流挾帶的物質大部分是從山坡上沖刷下來的殘積、坡積物，碎屑成分大小混雜，磨圓度和分選性較差。
二、沖積物中的地下水
沖積物是經常性水流形成的沉積物。河流的上、中、下游沉積特徵不同。
三、湖積物中的地下水
四、濱海三角洲沉積物中的地下水
3.2、裂隙水
裂隙水：埋藏於基岩裂隙中的地下水統稱為裂隙水。它的埋藏分布和裂隙的發育特徵相適應。受地質構造、岩性、地貌等條件的控制
一、 面狀裂隙水（風化裂隙水）
二、 層狀裂隙水
三、 褶皺蓄水構造中的地下水
3.3、岩溶水
3.3.1、岩溶的概念：
岩溶是指地下水和地表水對可溶性岩石的化學作用和物理作用及其形成的水文現象和地貌現象。岩溶地貌又稱喀斯特（karst）地貌。喀斯特原是亞得里亞海北端東海岸石灰岩高原的地名，那裡發育著各種奇特的石灰岩地形。
十九世紀末，南斯拉夫學者j．司威治cvijic研究了喀斯特高原的各種石灰岩地形，並把這種地貌叫喀斯特。以後，喀斯特一詞便成為世界各國通用的專門術語。
3.3.2、碳酸鹽的溶蝕機理
（1）與水接觸的石灰岩在水作用下溶解：caco3＝ca2+＋co3-
（2）原溶解於水中的co2與h2o的反應
co2＋h2o＝h2co3＝h++hco3-
co2＋h2o＋caco3＝ca2+＋2（hco3）-
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