地下水文学复习.docx

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第一章

1.水在岩石中的存在形式

2.地下水的分类，各种地下水的特点

包气带水特点

土壤水：

受大气条件、地面水和地下水状态的制约；接受大气降水补给；主要消耗于蒸发和作物吸收

上层滞水：

与气候、水文条件密切相关；接受大气降雨与地表水补给；消耗于蒸发和下渗；范围不广，补、排分布区一致；水量随季节变化大

潜水特点

特点：

1*具有自由水面（上部与大气连通）；

2*直接接受降雨和地表水的补给；

3*埋藏区与补给区一致（补给较容易）

4*通过潜水蒸发和水平地下径流排泄

5*动态不稳定（水位、水量受气候条件和河流水文状况的影响，水质受地表环境和人类活动的影响）

承压水特点

特点：

1*具承压性，水承受的压力越大，承压水头就越大

2*补给区较远，补给区与分布区不一致，资源不易补充和恢复

3*动态较稳定（由于隔水顶板的限制，承压水与大气圈、地表水的联系较弱，受气候、水文因素的影响较小）

4*不易受污染，但一旦污染则不易自净

3.地下水的循环过程，地下水的补给、排泄、径流

补给：

含水层自外界获得水量的作用过程称作地下水补给，大气降水渗入，地表水渗入，大气中和包气带岩石空隙中水汽的凝结补给,人工补给。

排泄：

含水层失去水量的作用过程称作地下水排泄，泉水溢出（点），向地表水排泄（线，如河流）

径流:

4.地下水资源及形成的基本条件

地下水资源的概念：

赋存于地壳表层可供人类利用的，本身又具有不断更替和恢复能力的各种地下水量。

是一种可以再生的自然资源，包括浅层水资源和承压水资源

地下水资源主要是由于大气降水的直接入渗和地表水渗透到地下形成的。

5.可开发利用的地下水资源

6.浅层地下水资源：

特点，补给来源，排泄途径，可开发利用的地下水储存量，潜水给水度的概念和表达形式

浅层地下水资源特点：

分布于面积广阔的松散第四纪沉积物中（冲、洪积平原）

含水层上覆没有隔水层，直接与大气相通，水的垂直交替和水平运动十分强烈

表现为多层，潜水，潜水-承压水（局部承压水）

从大范围上下含水层之间具有密切的水力联系，各层压力水位和水位高度相差不大，当地降水可以直接入渗补给各层含水层

所有含水层属于一个地下水系统，系统内的水具有密切的水力联系

补给来源：

开采区内部地下水的补给：

1）.降雨入渗补给

2）.河流和大型沟渠对地下水的渗漏补给

3）.灌溉对地下水的补给（包括两部分）

4）.越流（层）补给（顶托补给）

开采区外的地下水侧向补给：

当开采区水位下降漏斗的范围还未达到含水层边界（或地下水侧向补给源）之前，周边的补给主要来自相邻地区地下水位下降和含水层疏干而排出的水量，这只是相邻地区之间水量的相互调剂，对整个含水层而言，地下水侧向径流并未变化

当开采区水位下降漏斗的范围扩展到补给边界以后，形成新的补给排泄条件，这时由于含水层水力坡降增大，将造成地下水侧向径流的增加

排泄途径：

潜水蒸发消耗：

蒸发是潜水消耗的主要途径

河流和大型沟渠对地下水的排泄：

当河渠水位低于地下水位时，河渠排泄地下水，排泄量的估算方法同河渠对地下水的补给量估算

可开发利用的地下水储存量：

概念：

在开发利用初期，地下水最大静水位与开采前水位之间的含水层中储存的水量（类似水库容中死水位与设计水位之间的容积）

潜水给水度的概念和表达形式：

潜水给水度μd定义：

单位面积含水层中潜水位每下降一个单位深度时，由于含水层的疏干而释放出来的水量（无因次）

μd=（Θs-Θf）△Z

7.承压地下水资源：

特点，补给来源，可开发利用的承压水弹性储量，弹性释水系数的概念和表达形式

特点：

承压水一般埋藏较深，又有上下隔水层的阻隔，不能直接接受大气降雨、河渠和灌水入渗补给，补给径流条件差

补给来源：

①开采层内部的补给：

相邻含水层之间的越流补给，相邻弱透水层的弹性释水

②来自开采区外的侧向补给

可开发利用的承压水弹性储量：

面积为A的含水层，从开采前的压力水位到允许最大静水位之间的承压含水层中释放出来的总水量：

W=me·DS·A

弹性释水系数μe：

定义：

当压力水头下降一个单位，从单位水平面积，高为含水层厚度m的承压含水层柱体中释放出来的水量，无量纲

根据弹性释水系数μe的定义：

对于厚度为m，单位水平面积的含水层中，由于单位水头变化而引起水体积的变化为γnβwm；引起骨架的变化为γβsm，即μe应该等于两项之和：

me＝γmnβw＋γmβs＝γm（nβw＋βs）（无因次）

岩石的空隙有哪几类（按成因）？

有哪些因素、是如何影响孔隙度的大小的？

松散岩层的孔隙（pore）

非溶性坚硬岩石中的裂隙（fissure）

易溶性岩石中的溶隙（cavity）

孔隙度大小的影响因素

颗粒排列情况：

颗粒大小最疏松排列方式----立方体形态排列n=47.64％

最紧密排列方-----四面体形态排列n=26.18％

大多介于此两者之间，但粘性土例外

颗粒大小：

颗粒直径不同的等粒岩土，当排列方式相同时，孔隙度完全相同

颗粒分选程度：

分选性愈差，大小愈悬殊，孔隙度愈小

颗粒的形状：

形状愈不规则，孔隙度愈大

胶结程度：

被胶结充填的岩石，孔隙度降低

土壤结构：

团聚较好的土壤（团粒结构发育）孔隙较高

液态水按所受的引力不同分为哪几类？

结合水：

固相表面引力和重力，吸着水，薄膜水

毛细水：

毛细力和重力，支持毛细水，悬着毛细水，孔角毛细水

重力水：

重力

地下水是如何分类的？

潜水有哪些特点？

按埋藏条件分类：

包气带水，潜水，承压水

按蓄积的岩层分类：

孔隙水，裂隙水，岩溶水

特点：

具有自由水面（上部与大气连通）；

直接接受降雨和地表水的补给；

埋藏区与补给区一致（补给较容易）；

通过潜水蒸发和水平地下径流排泄；

动态不稳定（水位、水量受气候条件和河流水文状况的影响，水质受地表环境和人类活动的影响）

从潜水等水位线图上可确定哪些因素？

潜水面的水力坡度:

即两点之间的水位差/两点之间的水平距离；潜水坡度一般很小，常为千分之几至百分之几；

地下水流向:

地下水水力坡度最大的方向；

地下水埋深；

什么是地下水分布、地下水动态、地下水均衡？

地下水的数量和质量（水位、水量、水化学成分与水温等水文要素）在空间上的变化就是地下水的分布；

其在时间上的变化过程就是地下水的动态；引起动态变化的原因是不同时间内的补给与排泄的不均衡；

利用水量平衡原理，分析研究某一单元在某一时段内地下水水量、水质补排收支均衡的数量关系，即为地下水均衡，包括水均衡、盐均衡和热均衡

第二章

§1多孔介质中水的势能与达西定律

如何表示土壤水的能量？

什么是土水势？

土水势如何表示？

包括哪些分势？

标准参照状况是如何规定的？

土水势概念：

一个平衡的土—水系统所具有的能够做功的能量即为该系统的土壤水势能，简称土水势

土壤水势值的表达：

只用相对数值表示即可，不可能也没必要用绝对数量表示

总土水势＝重力势＋压力势＋基质势＋溶质势＋温度势

Φw=Φg+Φp+Φm+Φs+ΦT

参照状况一般使用标准状况，即在大气压下，与土壤水具有相同温度以及在某一固定高度的假象的纯自由水体。

重力势、压力势的概念及表达形式；基质势的概念及确定方法；溶质势的概念；总水头的概念；会实际求取某点的势能。

重力势：

重力对土壤水作用的结果，其大小由土壤水在重力场中相对于基准面的位置所决定（也称位置势能）

压力势：

由于压力差的存在，使土壤中某点水分相对于大气压力而具有的势能差，称为该点的压力势

基质势：

基质势是由于土壤基质对水分的吸持作用所引起，其吸持力是吸附力和毛管力，这些力吸引和束缚水在土壤中，并降低土壤水的势能,使之低于标准参照状态自由水的势能，因而，基质势为负值

溶质势：

由于溶质分子对水有吸持作用，使含有一定溶质浓度的水溶液比纯净的自由水具有更低的能量水平，这种溶液与纯自由水之间存在的势能差为溶质势或渗透势

总水头：

多孔介质中，任一点的总水势Φ可用总水头H表示：

H=h±z

土壤水分特征曲线的概念，为什么土壤水分特征曲线反应了土壤水能量和数量之间的关系？

水分特征曲线有哪些影响因素？

土壤水的基质水头（或负压水头）h是土壤含水率Θ的函数，h＝h（Θ），它们之间的关系曲线称为土壤水分特征曲线

土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系，是反映土壤水分基本特性的曲线

影响因素：

土壤质地、土壤结构和土壤容重、温度

什么是容水度？

滞后现象？

扫描曲线？

水分特征曲线的滞后现象（吸水容易脱水难）：

同一种土壤的水分特征曲线并不是单值曲线，在恒温条件下，土壤脱湿和吸湿过程的水分特征曲线是不同的，这种现象称之滞后现象。

在土壤水分运动中，若中途导致吸水和脱水过程交替进行，此时，土壤负压与含水率的关系曲线将在两主特征曲线之间，从一条特征曲线过渡到另一条特征曲线，这种中间过渡的曲线称为扫描曲线

深刻理解达西定律与理查兹方程的概念和区别；饱和与非饱和土壤水流的异同；会实际求取任一断面的水流通量。

理查兹方程（非饱和土壤水流的达西定律）

§2基本方程

掌握各种基本方程（承压水、潜水、饱和-非饱和水流）的物理含义和异同；掌握方程中各参数（a,T,k,μe,μ）物理概念。

承压含水层：

饱和－非饱和土壤水运动基本方程，比较饱和水流与非饱和水流的差别；掌握非饱和水流运动方程的两种基本形式及各自的适用条件。

潜水含水层中地下水运动基本方程

潜水含水层中水流运动有哪些特点？

为什么要对潜水方程进行线性化处理？

潜水含水层地下水运动的特点：

渐变流特点：

1）流线的弯曲很小或流线的曲率半径很大，接近于一直线；

2）相邻两流线之间的夹角很小或流线近乎平行

对于各向同性的介质来说，流线与等势线正交

潜水特点：

1）一般情况下，潜水为渐变流；

2）不透水层水平时，渐变流的潜水面及以下的流线均可视为相互平行的水平线处理（由于不透水层也是一条流线）；

3）由“2）”，可知此时，等势面（三位流动）或等势线（二维流动）是近似垂直的，垂直断面近似为过水断面

为什么要对潜水方程进行线性化处理：

方便建立模型，求出斜率截距，预测走势

§3水井开采条件下地下水的运动

会认识各种实际的物理模型，会根据物理模型写出相应的数学模型；掌握各种模型的解，会根据不同条件选用不同公式计算；

泰斯公式（承压，无越流，侧向无限）；雅可布公式（承压，有越流，侧向无限）；布尔顿公式（潜水，无越流，侧向无限，考虑滞后疏干）；仿泰斯公式（潜水，无越流，侧向无限，考虑厚度变化）；仿布尔顿公式（潜水，无越流，侧向无限，考虑厚度变化）；

考虑滞后疏干的布尔顿（Boulton）分析方法

各种公式的作用：

已知水文地质参数（k，T，μe,μd，a），求任一点的降深；已知Q、降深S（根据抽水资料），求水文地质参数。

潜水滞后疏干的概念：

疏干速度远小于水位下降速度，不能按瞬时释放处理。

潜水的滞后疏干是指当在潜水含水层中抽水时，因潜水位下降在潜水面以上形成非饱和带，由于毛细作用，使得非饱和带中地下水的运动总是滞后于饱和带中地下水的运动。

掌握群井抽水时对任一点影响降深的计算公式；单井阶梯状流量抽水的计算；水位恢复过程地下水影响降深的计算；

掌握镜像反射的应用条件；会计算直线边界附近水井的抽水问题。

使用镜像反射法的要求：

以边界为镜进行映射；

虚实井位置对称；

虚实井强度（流量）相等；

虚实井工作时间相同；

虚井的性质取决于边界的性质，补给边界时与实井相反，隔水边界时与实井相同；

当有两个边界时，连同边界一起映射，边界映射后性质不变

习题2－3－2某无限分布均质等厚承压含水层中，有2口抽水井，相距200m，两井同时开始抽水，流量分别为Q1=1000m3/d，Q2=1400m3/d，抽水2d后，井2因发生事故而停抽，井1的流量变为1500m3/d，到第5天0点，井2恢复抽水，流量为Q2=1400m3/d，井1流量不变，已知T=200m2/d，me=2×10-3。

求：

在两井的中点处抽水10d后的降深是多少？

（先画出两抽水井的变流量过程线图，然后再计算）

习题2－3－3某无限分布均质等厚承压含水层中，有3口抽水井（井的分布如图）各井的工作情况见表，均为零点开始抽水。

已知T=200m2/d，me=2×10-3。

求：

M点在4月14日零点的降深S.

抽水时间

抽水量

井1

4月5日0时－15日0时

40m3/h

井2

4月7日0时－10日0时

60m3/h

井3

4月2日0时－12日0时

30m3/h

习题2－3－4

如图所示的几种边界条件（其它条件符合泰斯条件），能否用镜像反射法求解？

若能，请映射后写出降深表达式。

河渠的渗漏可分为三个阶段：

j①非稳定非饱和的湿润河床（渠床）以下土层阶段

k②稳定自由渗流阶段

l③顶托渗流阶段

第三章

根据主要径流方向的不同，可将地下水交替分三类：

垂向交替：

补给以降雨入渗、河水垂直入渗为主，排泄以蒸发为主的地区，一般出现在无出口的内陆盆地或渗入－蒸发型的平原潜水地区

侧向交替：

出现在泉露头处或含水层与地表水体的交界处，以水平径流为主，地下径流发育

混合交替：

介于两极端类型之间，两种交替都有。

天然地下水多数属于混合交替型，但有主次之分

径流深度：

把某一时段内径流总量均匀铺在含水层面积上得到的水深，称为径流深度，一般以毫米计

§2降雨入渗补给

2.1降雨入渗补给规律（非饱和土壤水的角度）

充分供水情况下，土壤的渗透性能：

土壤的入渗能力仅取决于土壤本身的渗吸强度i土

供水强度一定的情况下，土壤的渗透性能：

土壤的入渗能力取决于土壤本身的渗吸强度i土和外界的降雨强度R0

影响降入渗补给的因素有哪些

降雨特性：

降雨强度、降雨量、降雨延续时间

土壤的蓄水能力V：

地下水埋深、雨前土壤含水率状况、土壤的蓄水性能（土壤质地沙粘）

径流：

地形条件，土地平整情况、作物覆盖状况及田间工程（排水）

垂直入渗条件下的Philip解的表达形式及对应的I（t），I（t）,z（θ，t）；适用范围和条件；

2.2降雨入渗补给的试验研究

了解同一降雨年过程，不同埋深下，地下水的渗透补给强度的变化趋势

在土质和土壤初始剖面含水率相同条件下，降雨量一定时（如对于P=150mm）时，△h~d关系如下：

：

地下水埋深d

d=dcr，对应降雨下地下水上升高度最大，地下水得到的补给量最大；

d>dcr后，完全上升高度随d的增加减少；一部分补给土壤水，一部分补给地下水

土壤透水性一定,降雨总量一定,埋深越小，入渗补给地下水量占总入渗量的比例（B/A）越大（即消耗于包气带的越多）

随埋深的加大有如下的特点：

地下水补给过程的锋的个数减少，几次雨完成一个锋；

锋（补给强度）不断减小，

锋相对于雨的滞后效应越大

2.3入渗补给的数值模拟及数值模拟分析

只会针对实际问题写出数学模型，包括初始条件，边界条件和基本方程

2.4降雨入渗对地下水补给量的确定方法

系数法Pr=αp

Pr……..降雨对地下水的补给量，mm

α……...降雨入渗补给系数

p……...降雨量，mm,一般为年降雨量。

§3潜水蒸发

3.1裸地条件下的潜水蒸发

表土蒸发的三个阶段及影响因素；均质土壤潜水稳定蒸发

土面蒸发的影响因素

外界气象因素（外因）：

包括太阳辐射、气温、湿度和风速等气象因素，

既决定着水分蒸发过程中能量的供给（辐射），

也影响着土表水汽向大气的扩散过程（风），

这些因素概括称为大气蒸发能力，常以水面蒸发作为综合指标来衡量大气蒸发力的大小

土壤的供水能力（内因）：

受土壤中含水率的大小和分布、土壤质地的影响

表土蒸发分三个阶段

1.表土蒸发强度保持稳定的阶段

2.表土蒸发强度随含水率变化的阶段

3.表层形成干土层后表土蒸发阶段

3.2作物生长条件下的潜水蒸发，作物蒸腾下的潜水蒸发及吸水率的概念

在外界条件和地下水埋深一定时，作物生长条件下的潜水蒸发主要取决于蒸腾沿根系的分布

根系吸水率S，单位体积土壤在单位时间内的根系吸水量（1/T）；

作物蒸腾影响因素；

蒸腾规律

与表土蒸发规律相似，分两个阶段，也与外界蒸发能力和土壤供水能力有关

第一阶段：

土壤有效含水量较大，E=E0（水面蒸发）

第二阶段：

作物水分收到胁迫，土壤有效含水量较小，E=αE0，（α<1）

作物生长条件下土壤水分蒸发：

除与外界蒸发条件和土壤供水能力有关外，还与作物的种类、生长情况、生长阶段有关

3.3潜水蒸发的试验研究

潜水蒸发系数概念，利用该系数和水面蒸发估算潜水蒸发

指潜水蒸发量Ε与相应计算时段的水面蒸发量Ε0的比值。

潜水蒸发系数法E=C年E0

3.5潜水蒸发的确定方法

系数法

§4地下水资源评价

4.1深层承压水和浅层地下水的特点和适用范围

深层承压水

埋藏深、补给远，不直接接受降雨或地表水体的补给，远离补给源，侧向补给少，地下水的补给主要来自相邻含水层和弱透水层的越流补给

大面积开采时补给量一般都超过开采量；故不宜大面积开采

开采成本高

适宜于生活和企业用水（量小、分散）；或异常干旱年份的农业后备水源

浅层地下水（潜水或微承压水）

特点：

接受降雨和地表水体的常年补给，补给量丰富，埋藏浅，开采容易，开采费用较承压水低廉。

适应于农业用水量大，面广，区域性的特点，主要用于农业用水

4.2对于浅层地下水，为什么要进行地下水的多年均衡调节？

4.3区域地下水均衡

多年均衡法的基本思想？

均衡法的适用条件？

多年均衡法的基本思想：

将地下含水层作为作为一个多年调节的地下水库，

在多年运用（一个水文周期）的过程中，

地下水含水层相当于一个地下水库，

枯水年库水位下降，丰水年库水位升高

该水库的范围与开采范围基本相同，坝高（库容）决定于提水机械的扬程

经过多年的调节计算，分析满足一定用水条件下，多年内达到的最大降深（选泵依据）以及在干旱年份动用的地下水储存量（兴利库容）在丰水年能否得到回补。

当多年用水量<多年补给量时，肯定可以得到回补，这时依据多年内达到的最大降深选泵的扬程；

当多年用水量>多年补给量时，肯定得不到回补，这时需要确定一定的回灌方案或减小用水量；或采用井渠结合方案

为什么要划分均衡区，划分原则和依据？

目的：

使得均衡内各要素可以代表区域情况

由于区域均衡法是以某一特定的区域作为一个整体进行分析，计算中采用的水文参数（降雨补给和蒸发消耗）和水文地质参数（给水度等）必须能够反映这一区域的平均情况，而计算求得的时段末地下水位也是计算区的平均值。

因此均衡区的水文地质条件、补给和开采条件不应该有显著差异

具体计算时：

可以将计算区域划分为若干个均衡区，在均衡区内根据条件的差异和计算要求再分为若干均衡段

划分均衡区考虑的因素一般包括：

地质、水文地质条件、地下水埋藏及运动情况、地貌地形情况、河流切割情况、土壤、作物、灌排渠系、开采条件等

在一定补给、储存、开采条件下地下水资源评价的多年均衡法

多年补给>多年用水，进行均衡计算的目的？

多年补给<多年用水，需要采取何种措施？

给你一个水文系列，进行均衡计算，计算原理同表3-7，表3-8，表3-9

第四章

§1地下水水质

地下水的化学成分：

（8大离子，4种气体，微量元素等）

八大离子：

Cl－,SO4－,HCO3－,CO32－,Na+,Mg2+,Ca2+和K+

CO2、O2、N2、H2S

微量元素：

溴（Br）、碘（I）、氟（F）、硼（B）、磷（P）、铅（Pb）、锌（Zn）、锂（Li）、锶（Sr）、钡（Ba）、砷（As）、钼（Mo）、铜（Cu）等

地下水的物理化学作用（吸附，沉淀和溶解，放射性衰变，机械过滤）

吸附是指地下水中的某些成分由于固液相之间的作用聚集在固体表面的过程

水中某离子浓度超过饱和浓度时，从水中除去而产生沉淀

使某些固相物质（或盐分）转为液相的过程称为溶解

放射性衰变作用：

水中放射性物质的来源：

人为因素为主，水中放射性物质与外界的作用：

运动，吸附，离子交换等

机械过滤作用：

指土壤像一个过滤器，当水通过土壤时，水中的悬浮物、细菌等颗粒较大的物质可以被土壤截留

§2溶质运移基本方程

掌握对流、机械弥散、分子扩散、水动力弥散的概念

对流：

溶质在多孔介质中由平均水流运动所携带而产生的质量输运现象称为对流

水动力弥散现象：

是大量的单个溶质质点通过孔隙的实际运移（受浓度梯度和多孔介质自身特性的影响）

分子扩散：

由于流体中所含溶质浓度的不均一而引起的物质输运现象

机械弥散：

流体在多孔介质中运动时，由于微观尺度和宏观尺度的流速的不均匀性而引起的这种物质输运现象

了解饱和与非饱和介质中溶质运移的基本方程及各项的物理含义；

了解书中所列几种边界条件的物理概念

§3地下水污染

地下水污染的概念，地下水污染源的分类，工业污染和农业污染的特点和途径

地下水污染：

凡是在人类活动的影响下，地下水质（物理性质、化学组分、生物性状）朝着不利于人类生活或生产的水质恶化方向发展的现象，统称为地下水污染

地下水污染源的分类：

按生产部分：

工业污染源，生活污染源，农业污染源等

按空间特征分：

点状污染源，线状污染源，面状污染源

按存在状态分：

固体，液体，气体，可溶混和不可溶混的污染源

按时间特征分：

连续污染源，间断（周期）性污染源，瞬时污染源

§4和§5

地面沉降和海水入侵的危害产生的原因、危害及对应措施？

地面沉降

起因：

地下水是维持土体平衡的一个重要因素。

大量开采地下水，水体从含水层孔隙中排出或使地下水压力降低，改变了土体原来的应力状态和平衡条件，致使土体结构和稳定性遭到破坏，产生各种环境地质灾害

危害性：

一些城市面临被海淹没的危险：

东京、曼谷、伦敦、威尼斯等

加重城市防洪排涝防潮负担：

曼谷、上海、天津等城市，地面沉降，城市防洪系统降低，使积水难排，洪、潮灾害加重。

如天津，地面沉降使海河两岸防洪堤下降1-2m，加上河道淤积，使海河泄洪能力下降2/3，77年7月，市区暴雨积水损失2亿元。

造成建筑物破坏：

由于地面的不均匀沉降，城市建筑、公路铁路、桥梁输水管道、灌溉系统等遭到破坏，对人民生命、财产安全、工农业生产造成巨大损失

控制措施：

限制地下水的开采量

地表水人工回灌，补给地下水资源（冬灌夏用,夏灌冬用）

调整地下水的开采层次,避免集中开采

海水入侵

海水入侵是指沿海地带海水侵入地下水含水层，并发生海水补给地下水的现象

海水入侵的原因：

过量开采地下水导致咸淡水界面上移；以及温室效应使全球气候变暖，极地冰雪融化，导致海平面上升

海水入侵的控制措施：