第03讲地下水文学

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1、地下水水文学主讲：杜发兴副教授电话：13886728457Email:第三讲水文地质与地下水三峡大学水环学院 1.5 、不同含水层空隙中的地下水1.孔隙水冲积物中的孔隙水u 上游河床中砂砾石，是良好的含水层。u 中游河漫滩沉积有上细（粉细砂、粘性土） 下粗（砂砾）的二元结构，上层构成隔水层， 下层为承压含水层。u 下游滨海平原上部为潜水，埋藏浅不利于工 程建设，下部多层承压含水层。水文地质与地下水三峡大学水环学院 洪积物中的孔隙水潜水深埋带潜水溢出带潜水下沉带水文地质与地下水三峡大学水环学院 2.裂隙水按成因： 风化裂隙水 成岩裂隙水 构造裂隙水 按分布产状： 层状裂隙水 脉状裂隙水水文地质与

2、地下水三峡大学水环学院 3.岩溶水特点：空间分 布极不均匀， 动态变化强烈 ，流动迅速， 排泄集中。水文地质与地下水三峡大学水环学院 泉：地下水在地表的天然露头。按水头性质分： 1. 上升泉 2. 下降泉 按出露原因分： 1. 侵蚀泉 2. 接触泉 3. 溢出泉 4. 断层泉1.5 地下水的物理性质水文地质与地下水三峡大学水环学院 1.5 地下水的物理性质 u温度温度带(地球结构)变温带：深度35m，具有昼夜变化的规律年常温带：最大深度3040m,地下水温度与地 温相同，近似当地多年平均气温增温带：年常温带以下，随深度有规律的变化 。全球平均增温率约为3033m/C 。异常温度：地热现象类型根

3、据温度划分：过冷水(100C)水文地质与地下水三峡大学水环学院 u颜色地下水一般是无色的，但有时由于某种离子较多，或者富集了悬浮物和胶体物质，则可能显示出各种颜色。如果含硫化氢呈现翠绿色；含低铁，呈浅绿灰色；含高铁，呈黄褐色或锈色；含硫细菌，呈现红色；含粘土，呈淡黄色；含腐质酸，呈暗黑或黑黄灰色，等等。 用色度衡量。水文地质与地下水三峡大学水环学院 透明度地下水的透明度取决于水中固体与胶体悬 浮物的含量。按透明度分为四级(表1-4)。 对应的是浊度。嗅(气味)地下水通常是无气味的，但当其中含有某 些离子或气体时，则会产生特殊气味味地下水的味取决于它的化学成分。纯水是 无味的，但由于地下水中多少

4、溶解一些盐 类或气体，因此具有一定的味感水文地质与地下水三峡大学水环学院 比重地下水的比重决定于其中所溶解的盐分数 量。地下淡水的比重认为与化学纯水的比 重相同，其数值为1.0。水中溶解的盐分 越多，比重越大，有的甚至可达1.21.3导电性地下水的导电性取决于其中所含溶解电解 质的数量和质量，即多种离子的含量与其 离子价。离子含量越多，离子价越高，水 的导电性也越强放射性地下水的放射性取决于其中所含放射性元 素的数量，地下水或强或弱都具有放射性 ，但一般极微弱水文地质与地下水三峡大学水环学院 1.6 地下水的化学成分及其形成作用u一、地下水的化学成分地下水的化学成分比较复杂，含有各种气体 、离

5、子、胶体物质及有机物等。地下水中的气体成分地下水中常见的气体成分有O2、N2、H2S及 CO2等。氧气(O2)、氮气(N2)： 地下水中的氧气和氮 气主要来源于大气，它们随同大气降水及地 表水入渗补给地下水。 地下水中氮的单独 存在，通常可表明地下水起源于大气并处于 还原环境。水文地质与地下水三峡大学水环学院 硫化氢(H2S)： 地下水中出现硫化氢，其意义恰好和O2相反，表明水处于缺氧的还原环境。在封闭的环境中，当有有机质存在时， 由于微生物的作用，SO42-还原生成H2S， 即二氧化碳(CO2) ： 地下水中的CO2有两个来源：一是生物化学作用形成；二是深部变质 作用形成。此外，近代工业人为

6、产生的CO2随降水渗入地下。水文地质与地下水三峡大学水环学院 地下水中主要离子成分在天然状态下，地下水中分布最广、含量 最多的离子有以下七种：Cl-、SO42-、 HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。含盐量低的地下水常以HCO3-、 Ca2+、 Mg2+ 为主；高含盐量的地下水则以Cl-、 Na+为主；中等含盐量的地下水中阴离子 常以SO42- 为主，主要阳离子可以是Na+， 也可以是Ca2+。主要微量组分有Br、I、F、B、Sr、Ba等水文地质与地下水三峡大学水环学院 地下水中的胶体成分 地下水中的胶体成分分为无机胶体和有机 胶体两大类。无机胶体中分布最广的 Fe(OH)、A1(O

7、H) 及SO2，都是很难以离子 状态溶解于水的化合物。有机胶体是以碳 、氢、氧为主的高分子化合物，在地球表 面分布很广，尤其是在热带和沼泽地带， 地下水中的含量都很高。地下水中的微生物如在氧化环境中存在硫细菌或铁细菌，在 还原环境中存在脱硫酸细菌或脱氧细菌等水文地质与地下水三峡大学水环学院 u地下水的主要化学性质地下水的酸碱性根据pH值的大小，将地下水分为：强酸性 水(pH9)等五类地下水的总矿化度 地下水中所含各种离子、分子与化合物的 总量，称为地下水的总矿化度，以g/l表示 。按矿化度划分的地下水类型水文地质与地下水三峡大学水环学院 地下水的硬度 是指水中含有的能与肥皂作用生成难溶物 ，或

8、与水中某些阴离子作用生成水垢的金 属离子，其中最主要的是Ca2+、Mg2+，其 次还有Fe2+、Mn2+、A13+等金属离子。总硬度：水中Ca2+、Mg2+的总量暂时硬度：由钙、镁的重碳酸盐所形成 ，水煮时分解沉淀永久硬度：由钙、镁的硫酸盐、氯化物 所形成。按硬度划分的地下水类型水文地质与地下水三峡大学水环学院 u地下水化学成分的形成作用溶滤作用溶滤作用是指在水与岩土相互接触作用时，岩 土中的某些可溶成分被溶解而进入地下水中。 其结果是使岩土失去一部分可溶物质，而地下 水则补充获得了新的成分。（水岩作用，与流 经的岩石有关）浓缩作用地下水在埋藏不深，且径流微弱时，蒸发便成 为地下水的主要排泄出

9、路。随着水分蒸发，地 下水溶液逐渐浓缩，含盐量相对增加，这即为 浓缩作用。（结果在地表形成盐碱地）水文地质与地下水三峡大学水环学院 脱碳酸作用 水中CO2的溶解度受环境的温度和压力所控制 ，当地下水温度升高或压力降低时，一部分 CO2便会从水中游离逸出，这就是脱碳酸作用 ，即脱碳酸作用的结果，会使地下水中HCO3-及Ca2+、 Mg2+减少，从而使地下水的矿化度及总硬度降低 ，而pH值则升高。石钟乳、钙华现象水文地质与地下水三峡大学水环学院 脱硫酸作用 在还原环境中，当有有机物质存在时，脱硫酸细菌能 使水中的SO42-还原成H2S，这种作用称脱硫酸作用， 即 SO42- +2C+2H2OH2S

10、+2HCO3-脱硫酸作用的结果是使地下水中的SO42-减少以至消失 ，HCO3-增加，pH值升高。混合作用当成分不同的两种或两种以上的地下水交汇时，会形 成与原先化学成分都不相同的地下水，称为混合作用 。例如，以SO42- 、Na+为主的地下水，当其与HCO3-、 Ca2+为主的地下水混合时，便会发生以下反应 Ca(HCO3)2+Na2SO4CaSO4+2NaHCO3 石膏沉淀析出，便形成以HCO3-及Na+为主的地下水。水文地质与地下水三峡大学水环学院 阳离子交替吸附作用岩土颗粒表面一般均带有负电荷，能吸附 地下水中阳离子。因此，当地下水与岩土 接触时，水中某些阳离子便会被岩土颗粒 表面吸附

11、，而原来被吸附在岩土颗粒表面 的阳离子则进入水中，这便是阳离子交替 吸附作用。H+Fe3+Al3+ Ca2+ Mg2+ K+Na+人类活动在地下水化学成分形成中的作 用污染：工业、农业、生活等人类活动改变地下水的形成条件水文地质与地下水三峡大学水环学院 u地下水化学成分分类舒卡列夫分类苏联舒卡列夫根据地下水中六种主要离子 (Na+与K+合并为Na+)及矿化度将地下水分 为49型水(见表)，每一型用一个阿拉伯数 字表示。按矿化度又划分为4组：A组矿化 度小于1.5克/升，B组为1.510克/升，C 组为1040克/升，D组大于40克/升。水文地质与地下水三峡大学水环学院 不同化学成分的水都可以用

12、一个简单的符号代替 ，并赋以一定的形成特征。例如，1-A型即矿化度 小于1.5克/升的HCO3-Ca型水，是沉积岩地区典型 的溶滤水，而49-D型则是矿化度大于40克/升的Cl- Na型水，可能与海水及海相沉积有关的地下水， 或者是大陆盐化潜水。如果水中大于25毫克当 量的阴离子或阳离子不止一种，则在命名时将含 量大的放在前面。例如SO4-HCO3-Ca-Na型水，即 表明阴离子中SO42-毫克当量数比HCO3-大，阳离子 中Ca2+大于Na+。这种分类简明易懂，应用比较普遍，可以利用分类图表系统 整理水分析资料。从图表的左上角向右下角大体与地下水总 的矿化作用过程一致。缺点是以25毫克当量作

13、为划分水型 的依据带有人为性。水文地质与地下水三峡大学水环学院 阿廖金天然水分类阿廖金分类是根据含量最多的阴离子划分 为三大类，在每一大类中再根据主要的阳 离子分为三组，然后再按阴阳离子含量的 比例关系，分为四个型，如此共得27种水( 如图)。I第一型：rHCO3-r(Ca2+Mg2+)，即水 中有多余的HCO3-与Na+相应，此型标志 着在富含K+、Na+的岩浆岩分布区进行溶 滤作用的水，或是以Ca2+与岩土所吸附 的Na+进行交替的水。在S类与Cl类的Ca 及Mg组中没有此型。水文地质与地下水三峡大学水环学院 II第二型： rHCO3-r(Ca2+Mg2+) r(HCO3- +SO42-)

14、，此型标志着与沉积岩及其风化产物 有关的天然水，其中包括循环深度不大的地 下水。III第三型： r(HCO3-+SO42-) r(Ca2+Mg2+) 或rCl-rNa+，水中有多余的Cl-与Ca2+、 Mg2+相应，此型为高矿化天然水，其中包括 经阳离于交替吸附作用而使成分大大改变的 地下水。IV第四型：rHCO3-0，此型为酸性水，如 矿坑水。显然，C类中不可能包括IV型。水文地质与地下水三峡大学水环学院 u地下水同位素氢氧同位素氢有两种稳定同位素：1H和2H(D)，它们的天然平均丰度分别为99.9844和0.0156，彼此间相对质量相差最大(达100)，因而同位素分馏特别明显。地球上的氢同

15、位素分馏范围达700%，这一特点对于氢同位素的地球化学行为的研究极为有利。水文地质与地下水三峡大学水环学院 氧有三种主要的稳定同位素：18O、17O、16O， 它们的平均丰度为：16O=99.762，17O=0.038，18O0.2。16O和18O的丰度较高、彼此间的质量差也较大，所以在地学研究 中大都使用18O/16O比值。17O的丰度低，只有 在特殊的研究中才应用。氧同位素在自然界的 分馏效应较明显，分馏范围达100%，分馏机 理出较单一。氧的化合物分布很广，并具有较 高的热稳定性。它还可以分别与氢、碳、硫等 形成氧化物，这就有利于把氧同位素和其它与 之结合的元素的同位素综合使用。水文地质

16、与地下水三峡大学水环学院 常用D/H和18O/16O或D或18O来表示某种物质中氢和氧的同位素组成式中a表示待测物质，b表示标准值。水文地质与地下水三峡大学水环学院 蒸发凝结过程中的氢氧同位素分馏水的蒸发、凝结是自然界氢氧同位素分馏的一种主要方式，也是造成地球表面的各种水体的同位素组成差别且有一定规律性分布的重要原因。天然水是H216O、HD16O、D216O、H217O、HD17O、D217O、H218O、HD18O、D218O等不同类型同位素水分子的集合体。分子量为18的 H216O分子在天然水的含量中占绝对优势，而其它相对较重的同位素水分子则以不等的痕量形式存在。水文地质与地下水三峡大学水环学院 在水的蒸发过程中，水分子从外部获得了能量后，优先破坏相对轻的同位素分子间的氢键，使部分含轻同位素的水分子首先脱离液相而形成蒸气