緒論水文地質學：是研究地下水的科學。水文地質學研究的是：地下水在與巖石圈、地幔、水圈、生物圈、大氣圈和人類生活活動相互作用下，其水量與水質在時間上的變化，以及對各個圈層產生的影響，從而服務于人與自然相互協調的可持續發展。地下水：地下水是賦存于地面以下巖石空隙中的水。地下水的功能：資源、地質營力、致災因子、生態環境因子和信息載體等方面。地球中水的分布與循環水文循環：是大氣水、地表水和地殼淺表地下水之間的水分交換。地質循環：發生于大氣圈到地幔之間的水分交換。我國水資源具有的特點：降水偏少，年總降水量比全球平均降水量少22%；人均水資源量偏低；空間分布不均勻，東部豐富，西部貧乏；季節及年際變化大，旱澇災害頻繁；水質污染較嚴重。地下水的優點：分布廣泛;（2）變化穩定；（3）具有天然調節性；（4）水質良好；（5）利于開發利用。地下水的缺點：地下水隱藏于地下，查明分布規律才能利用；另外，雖然不易污染，但一旦污染，不像地表水那樣容易自凈修復，需要花費相當長時間和耗費昂貴成本。巖土中的空隙和水孔隙：顆粒及顆粒集合體之間的空隙。孔隙度：是單位體積巖土（包括空隙在內）中空隙所占的比例。n表示巖土孔隙度，V表示包括孔隙度在內的巖土體積，Vn表示巖土中空隙體積，則：或裂隙：是巖石在各種應力作用下破裂變形而成的。按照裂隙的成因，區分為：成巖裂隙、構造裂隙、風化裂隙及卸荷裂隙。溶穴：原有的裂隙或孔隙，經過地下水溶蝕，擴大而成的空洞。巖土中的水詳細分類：結合水：固相表面引力大于自身重力的水。重力水：固體表面結合水層以外的水分子，受重力的影響大于固體表面的引力，在重力作用下運移。毛細水：受毛細力作用保持在巖石空隙中的水。容水度：指巖土完全飽和水時所容納的水的體積的比值。（通常容水度與孔隙度（裂隙率、巖溶率）相等，對于具有膨脹性的粘性土，容水度大于孔隙度。）含水量：是松散巖土空隙中所包含的水與巖土的比值。重量含水量（Wg）：巖土孔隙含水體積（Gm）與干燥巖土重量（Gs）的比值。體積含水量（Wv）：巖土孔隙含水體積（Vw）與包含空隙在內的巖土體積（V）的比值。給水度：是指地下水位下降單位體積時，釋出水的體積和疏干體積的比值，記為μ，用小數表示。持水度（Sr）：是地下水位下降時，滯留于非飽和帶中而不釋出的水的體積與單位疏干體積的比值，用小數表示。滲透性：是指巖體傳輸水或其他流體（如油氣）的性能。地下水的賦存包氣帶：地下水面以上稱為包氣帶。飽水帶：地下水面以下為飽水帶。含水層：是飽水并能傳輸與給出相當數量水的巖層。隔水層：是不能傳輸與給出相當數量水的巖層。弱透水層：是本身不能給出水量，但垂直層面方向能夠傳輸水量的巖層。含水系統：是由隔水或相對隔水邊界圈圍的，內部具有統一水力聯系的賦存地下水的巖系。飽水帶的地下水，按埋藏條件可劃分為：潛水、承壓水、上層滯水。飽水帶的地下水，按其水介質可劃分為：孔隙水、裂隙水、巖溶水。潛水：飽水帶中第一個具有自由表面且有一定規模的含水層中的重力水。承壓水：充滿于兩個隔水層之間的含水層中的水。上層滯水：報期待局部隔水層（弱透水層）之上積聚的具有自由表面的重力水。地下水運動的基本規律滲流：地下水在巖土空隙中的運動。滲流場：發生滲流的區域。層流：水質點做有秩序的、互不混雜的流動。紊流：水質點做無秩序的、相互混雜的流動。穩定流：水在滲流場所內運動，各個要素（水位、流速、流向等）不隨時間改變時，稱為穩定流。非穩定流：運動要素隨時間變化的水流運動，稱為非穩定流。一維流：滲流場中任意點的流速變化只與空間坐標一個方向有關的滲流。（與空間坐標的兩個或三個方向有關的，分別稱為二維流或三維流。）達西定律：（1）式中：Q為滲流流量（出口處流量，即通過砂柱個斷面的體積流量）；A為過水斷面的面積（砂柱的橫斷面積，包括沙顆粒和孔隙面積）；H1、H2分別為上、下游過水斷面的水頭；L為滲流途徑（上、下游過水斷面的距離）；I為水力梯度；K為滲透系數。通過過水斷面A的流量，則滲流流速v為：由公式（1）及得：這是達西定律的另一種表達形式：滲流流速與水力梯度的一次方成正比，即線性滲流定律，K為其線性比例系數，稱為滲透系數。等水頭面（線）：滲流場中水頭相等的各點連成的面（線）。水力梯度（I）：延等水頭面（線）法線方向（水頭降低方向）的水頭變化率。式中：n為等水頭面（線）的外法線方向，也是水頭降低方向。滲透系數和滲透率的關系：式中：ρ為液體密度；g為重力加速度；μ為液體動力粘滯系數；k的量綱為[L2],常用單位達西或cm2.流網：在滲流場中某一典型剖面或切面上，由一系列等水頭線與流線組成的網格稱為流網。流線：是滲流場中某一瞬時的一條線，線上各水質點在此瞬時的流向均與此線相切。跡線：是滲流場中某一時間段內某一水質點的運動軌跡。包氣帶水包氣帶水運動的基本規律：垂向一維非飽和達西定律可表示為：式中：vz為垂向滲流流速。包氣帶水與飽水帶相比，有以下不同：包氣帶存在毛細負壓或基質勢，但飽水帶不存在；包氣帶任一點的壓力水頭是含水量函數，但穩定流條件下飽水帶任一點的壓力水頭是定值；包氣帶的滲流系數隨含水量的降低急劇變小，但飽水帶的滲流系數一般可看作定值。地下水的化學組分及其演變地下水中含有各種氣體、粒子、膠體、有機質以及微生物。地下水常見的氣體成分:O2、N2、CH4及H2S等，以前三種為主。地下水中的微生物，主要有以下作用：參與地下水化學形成作用，改變地下水組分；生物修復地下水污染；改變含水介質特性；參與成巖作用；參與成礦作用。地下水化學成分形成作用溶濾作用：水與巖土相互作用，使巖土中一部分物質轉入地下水中，便是溶濾作用。溶濾作用的結果，巖土失去一部分可溶物質，地下水則補充了新的組分。濃縮作用:由于蒸發作用只排走水分，鹽分仍保留在余下的地下水中，隨著時間延續，地下水溶液逐漸濃縮，礦化度不斷增大的作用。（必須同時具備下述條件：干旱或半干旱的氣候，有利于毛細作用的顆粒細小的松散巖土，低平地勢下地下水位埋深較淺的排泄區。）脫炭酸作用：水中的CO2的溶解度歲溫度升高及（或）壓力降低而減小。升溫及（或）降壓時，一部分CO2便成為游離CO2從水中逸出，這便是脫炭酸作用。脫硫酸作用陽離子交替吸附作用：粘性土顆粒表面帶有負電荷，將吸附地下水中某些陽離子，而將其原來吸附的部分陽離子轉為地下水中的組分，這便是陽離子交替吸附作用。混合作用：成分不同的兩種水匯合在一起，形成化學成分不同的地下水，便是混合作用。（分為化學混合和物理混合。）溶濾水：富含CO2與O2的滲入成因的地下水，溶濾它所流經的巖土而獲得其主要化學成分，這種水稱之為溶濾水。沉積水：是指與沉積物大體同時生成的、由古地表水演變而成的古地下水。內生水：來自地球深部層圈物質分異和巖石變質作用過程中化學反應生成的水。地下水的補給與排泄地下水的補給：是指飽水帶獲得水量的過程，水量增加的同時，鹽量、能量也隨之增加。地下水的排泄：是飽水帶減少水量的過程，減少水量的同時，鹽量和能量也隨之減少。地下水存在兩類水質演變方向不同的排泄方式：鹽隨水去的徑流排泄，導致地下水及土壤不斷淡化；水去鹽留的蒸散排泄，導致地下水及土壤不斷鹽化。地下水排泄去路：溢流地表成泉，向地表水泄流，土面蒸發及植物蒸騰等。大氣降水入滲補給機制：大氣降水落到地面后，部分被植被葉面截留而蒸發，部分積聚于洼地而部分蒸發；剩余的水量，部分滯留于包氣帶，部分轉化為地表徑流，其余的成為地下水補給量。大氣降水補給地下水的影響因素：氣候、地質、地形、植被、土體利用等方面。（諸因素相互聯系、相互制約的整體。）山區大氣降水補給地下水不同于平原的特點：主要分布基巖，地面滲流能力的差別遠大于平原松散沉積物；地形起伏與地質結構相結合，地形高處的降水以坡流或河流形式匯流補給低處的地下水，匯流區的范圍經常大于補給區；地表水與地下水轉化關系復雜，往往難以單獨評價大氣降水補給地下水水量，只能評價大氣降水及地表水補給地下水的總量；地形切割強烈，地下水位埋藏深度大，包氣帶以重力水為主，截留水量（包氣帶水分虧缺）通常不大，通過向泉及（或）河流排泄。地表水補給地下水必須具備的兩個條件：（1）地表水位高于地下水；（2）兩者之間存在水力聯系。地下水的其他補給來源：凝結水對地下水的補給；灌溉水對地下水的補給。地下水人工補給：采取有計劃的人為措施，使地下水獲得天然補給以外的額外補充。人工補給地下水的目的：利用含水層（含水系統）作為地下水庫，調蓄其他水源，增加可利用水資源量；維護和改善生態環境（避免植被退化，維護濕地，防治土地沙漠化等）；防治某些地質災害（防治海水或咸水入侵地下淡水，避免地面沉降及地裂縫等）；利用含水層調蓄熱能等。地下水的排泄方式：通過泉、向地表水排泄、土面蒸發、葉面蒸騰等方式，實現天然排泄；通過井孔、排水渠道、坑道等設施，進行人工排泄。泉：是地下水的天然露頭。傳統的分類，將泉劃分為上升泉和下降泉兩大類：前者是承壓水排泄，后者是潛水或上層滯水的排泄。泉的分類（根據出露原因）：侵蝕泉：單純由于地形切割地下水而出露，包括切割潛水含水層及揭露承壓水隔水頂板；接觸泉：地形切割使相對隔水底板出露，地下水從含水層與隔水底板接觸處出露；溢流泉：水流前方出現相對隔水層，或下伏相對隔水底板抬升時，地下水流動受阻，溢流地表；斷層泉：地形面切割導水斷裂，斷裂帶測壓水位高于地面水位時出露成泉；接觸帶泉：巖脈或巖漿巖侵入體與圍巖的接觸帶，地下水沿冷凝收縮形成的導水通道出露。地下水轉化為氣態向大氣排泄的兩種方式：土面蒸發和葉面蒸騰（兩者都只地下水的面狀排泄，都具有“水去鹽留”的特點。）。影響地下水蒸發的因素：氣候、潛水埋藏深度及包氣帶巖性。（相互耦合）蒸騰排泄：植物生長過程中，根系吸收與地下水有聯系的包氣帶水分，傳輸到葉面，轉化為氣態水逸失于大氣。地下水流系統系統：由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合而成的具有特定功能的整體。地下水含水系統：指由隔水或相對隔水巖層圈閉的，具有統一水力聯系的含水巖系。地下水流動系統：指由源到匯的流面群構成的，具有統一時空演變過程的地下水體。地下水系統包括：地下水含水系統和地下水流動系統。地下水含水系統與地下水流動系統不同點：地下水含水系統的圈定，通常以隔水或相對隔水的巖層作為系統邊界流動系統以流面為邊界；流動系統受人為因素影響比較大；含水系統受人為影響小；控制含水系統發育的，主要是地質結構；控制地下水流動系統發育的，是自然地理因素。孔隙水流系統研究復雜的主要原因：缺乏明顯的系統邊界；介質場空間變化復雜；地貌及微地貌影響下的勢場變化復雜；各級次含水系統與水流系統具有復雜的交錯關系；經歷長期地質及自然地理演變，后期發育的水流系統的影響疊加于前期水流系統之上，重塑演變過程十分復雜；大多受人為活動的強烈影響。地下水動態與均衡地下水動態：地下水各種要素（水位、水量、化學成分、氣體成分、溫度、微生物等）隨時間的變化，稱為地下水動態。地下水均衡：某一時段、某一范圍內地下水水量（鹽量、熱量等）的收支狀況，稱為地下水均衡。地下水動態與均衡的關系是：地下水動態是地下水均衡的外在表現，地下水均衡是地下水動態的內在原因。影響地下水動態的因素分為兩類：一類是地下水諸要素（水量、鹽量、熱量、能量等）本身的收支變化，即外界激勵（輸入）因素；另一類是影響激勵（輸入）—響應（輸出）關系的轉化因素（影響地下水動態曲線具體形態的因素）。后者主要是地質因素。地下水動態的本源因素是隨時間變動的因素，包括：氣象（氣候）因素、水文因素、生物因素、地質營力因素、天文因素等。地下水動態類型：入滲—徑流型動態：接收降水及地表水補給，以徑流方式排泄；地下水化學作用以溶濾為主。廣泛分布于不同氣候條件下的山區及山前。特點：年水位變幅大而不均，由補給區到排泄區，年水位變幅由大到小。水質季節變化不明顯，水土向淡化方向演變。徑流—蒸發型動態：以側向徑流補給為主，以蒸發方式排泄；地下水化學作用以濃縮為主。主要分布于干旱內陸盆地遠山及盆地中心部位。特點：年水位變幅小而均勻，水質缺乏明顯季節變化，水土向鹽化方向演變。入滲—蒸發型動態：以接受當地降水補給為主，徑流微弱，就地蒸發排泄；地下水化學作用為溶濾—濃縮間雜發生。主要分布于半干旱平原和盆地內部。特點：地下水由補給區向排泄區短程徑流，地下水位變幅小。入滲—弱徑流型動態：以接受當地降水補給為主，徑流和蒸發均微弱，地下水化學作用為溶濾為主。主要分布于我國濕潤平原和盆地。特點：地下水位變幅小，水質季節變化不大，水土向淡化方向演變。地下水均衡：某一時間段內某一地段內地下水水量（鹽量、熱量、能量）的收支狀況。均衡區：進行均衡計算所選定的地區。均衡期：進行均衡計算的時間段。（收入大于支出，為正均衡，反之為負均衡）正均衡：某一均衡區，在一定均衡期內，地下水水量（或鹽量、熱量）的收入大于支出，表現為地下水儲存量（或鹽儲量、熱儲量）增加。負均衡：某一均衡區，在一定均衡期內，地下水水量（或鹽量、熱量）的支出大于收入，表現為地下水的儲存量（或鹽儲量、熱儲量）減少。天然狀態下水均衡方程式：收入項（A）包括：大氣降水量（X）、地表水流入量（Y1）、地下水流入量（W1)、水汽凝結量（Z1）。支出項（B）包括：地表水流出量（Y2）、地下水流出量（W2）、蒸發量（Z2).均衡期水的儲蓄量變化為，則水均衡方程式為：潛水均衡方程式：潛水的收入項（A'）包括：降水入滲補給量（Xf），地表水入滲補給量（Yf）,凝結水補給量（Zc），上游斷面潛水流入量（Wu1），下伏半承壓含水層越流補給潛水水量（Qt），如果潛水向半承壓水越流排泄，則Qt列為支出項。潛水的支出項（B'）包括：潛水騰發量（Zu，包括土面蒸發及葉面蒸騰），潛水及泉或泄流形式排泄量（Qd）下游斷面潛水流出量（Wu2）。均衡期始末潛水儲蓄量變化為，則第十一章孔隙水孔隙水：賦存于松散沉積物中的地下水。孔隙水的特點：(1)水量在空間分布相對均勻，連續性好(2)孔隙水一般呈層狀分布;(3)同一含水層中的孔隙水具有密切的水力聯系和統一的地下水面;(4)孔隙水的流動大多數呈層流，符合達西定律。裂隙水裂隙水：賦存于裂隙基巖中的地下水。裂隙水按其介質中空隙的成因可分為：成巖裂隙水、風化裂隙水和構造裂隙水。成巖裂隙：是巖石在成巖過程中受內部應力作用而產生的原生裂隙。沉積巖固結脫水、巖漿巖冷凝收縮等均可形成成巖裂隙。風化裂隙：暴露于地表的巖石，在溫度和水、空氣、生物等風化營力作用下，形成風化裂隙。構造裂隙：是巖石在構造應力作用下形成的，