《水文地質(zhì)學(xué)基本》武漢地大碩士入學(xué)考試題及答案一、名詞解釋（每題4分，共20分）1.給水度：飽水巖土在重力作用下可自由排出的重力水體積與巖土總體積之比，無量綱，反映含水層在天然條件下可動(dòng)用的最大重力水比例。2.滲透系數(shù)：單位水力梯度下通過單位面積的滲透流量，單位為m/d，綜合表征巖土對(duì)地下水的輸運(yùn)能力，與孔隙率、孔隙連通性及流體黏滯度有關(guān)。3.毛細(xì)帶：潛水面以上因毛細(xì)張力保持水分的非飽和帶，厚度取決于顆粒粒徑，細(xì)砂可達(dá)0.5m，黏土可達(dá)2m，其含水量隨高度呈指數(shù)衰減。4.水力躍移：在強(qiáng)抽水條件下，井壁附近地下水流由達(dá)西流向非達(dá)西流轉(zhuǎn)變，局部水力梯度驟增，形成水位突變現(xiàn)象，可導(dǎo)致井壁坍塌或出砂。5.地下水年齡：水質(zhì)點(diǎn)自補(bǔ)給區(qū)入滲至取樣點(diǎn)所需的平均時(shí)間，常用3H-3He、CFCs、SF?等示蹤劑測定，是評(píng)價(jià)含水層更新能力與脆弱性的核心指標(biāo)。二、填空題（每空1分，共20分）1.孔隙度n=0.35的均質(zhì)砂層，給水度μ經(jīng)驗(yàn)值約為________。2.承壓含水層彈性釋水系數(shù)S=________·b，其中b為含水層厚度，單位為m。3.當(dāng)滲透系數(shù)K=5m/d，水力梯度I=0.002時(shí)，達(dá)西流速v=________m/d。4.根據(jù)武漢長江I級(jí)階地鉆孔數(shù)據(jù)，潛水含水層底板埋深一般為________m。5.在Theis公式中，當(dāng)u=0.01時(shí)，井函數(shù)W(u)≈________。6.江漢平原深層承壓水礦化度普遍高于________g/L，主要離子為________。7.利用CFC-12測年，若采樣濃度為280pptv，補(bǔ)給溫度為12℃，則地下水年齡約為________年。8.當(dāng)抽水井降深s與流量Q呈線性關(guān)系時(shí)，說明水流處于________流態(tài)。9.武漢地區(qū)基巖裂隙水主要賦存于________系________組灰?guī)r中。10.在MODFLOW中，BCF包用于模擬________含水層，LPF包用于模擬________含水層。答案：1.0.18～0.25（取0.22）2.ρg(α+nβ)3.0.014.18～22（取20）5.4.046.1.0，Na?、Cl?7.288.達(dá)西9.泥盆，五通10.承壓，潛水—承壓復(fù)合三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述利用水位動(dòng)態(tài)資料求取給水度的步驟與注意事項(xiàng)。答：步驟如下：(1)選取天然補(bǔ)給事件（如暴雨）后的水位恢復(fù)段，確保無人工干擾；(2)利用水位—雨量耦合模型剔除降水入滲增量，獲得純重力排水曲線；(3)對(duì)潛水位下降段進(jìn)行積分，計(jì)算排出水量ΔV；(4)以ΔV與對(duì)應(yīng)水位降深Δh乘以含水層面積A之比求μ=ΔV/(A·Δh)；(5)重復(fù)多次取均值，標(biāo)準(zhǔn)差<10%方可采用。注意事項(xiàng)：①避開河流側(cè)向補(bǔ)給區(qū)，確保一維垂向流；②水位計(jì)精度±0.5cm，采樣間隔≤15min；③含水層厚度變化<5%，否則需分段計(jì)算；④若存在越流，需用Neuman-Witherspoon模型校正。2.對(duì)比分析江漢平原淺層潛水與深層承壓水的補(bǔ)排關(guān)系。答：淺層潛水主要接受降水入滲與灌溉回歸水補(bǔ)給，排泄以蒸發(fā)蒸騰與向長江徑流為主，循環(huán)深度<30m，更新期<5a；深層承壓水接受西部山前側(cè)向補(bǔ)給與越流補(bǔ)給，排泄以人工開采為主，循環(huán)深度>100m，更新期達(dá)1×10?a。二者通過弱透水層發(fā)生越流，開采深層水導(dǎo)致水頭下降，可逆轉(zhuǎn)水力梯度，引發(fā)淺層咸水下移，形成水質(zhì)惡化。數(shù)值模擬表明，當(dāng)深層水頭下降>8m時(shí)，越流通量可增加3倍，需控制開采強(qiáng)度<0.8×10?m3/(km2·a)。3.解釋為什么武漢地鐵深基坑降水常引發(fā)地面沉降，并提出控制措施。答：武漢I級(jí)階地潛水含水層上部為5m粉質(zhì)黏土，下部為20m粉細(xì)砂，基坑降水使砂層水頭驟降，有效應(yīng)力增量Δσ′=γ_w·Δh，導(dǎo)致砂層壓縮量S_c=m_v·Δσ′·H；粉質(zhì)黏土因排水不暢產(chǎn)生滯后沉降，最終形成槽形沉降盆地?？刂拼胧孩俨捎谩皣o(hù)結(jié)構(gòu)+懸掛式止水帷幕”，將降水井深限制在坑底以下4m，減少影響半徑；②設(shè)置回灌系統(tǒng)，維持坑外水頭降幅<1m；③采用伺服變頻降水，使水位降深梯度<0.05m/m；④實(shí)時(shí)監(jiān)測分層沉降，當(dāng)沉降速率>0.5mm/d時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急回灌。4.說明如何利用環(huán)境同位素2H、1?O識(shí)別長江水與地下水的混合比例。答：在δ2H-δ1?O圖上，長江水受蒸發(fā)影響斜率k=4.8，地下水補(bǔ)給高程高，k=7.9，二者形成明顯差異。沿剖面采集江水、潛水、承壓水樣，測定δ2H、δ1?O，建立二元混合模型：f_G=(δ_S?δ_R)/(δ_G?δ_R)，其中f_G為地下水比例，δ_S為樣品值，δ_R、δ_G分別為端元值?？紤]季節(jié)波動(dòng)，端元取全年加權(quán)均值，長江δ1?O=?8.2‰，δ2H=?60‰；地下水δ1?O=?9.8‰，δ2H=?72‰。誤差±3%，可檢測>10%的混合量。5.寫出考慮越流的承壓含水層非穩(wěn)定流控制方程，并說明各參數(shù)物理意義。答：?/?x(T?H/?x)+?/?y(T?H/?y)+q_L=S?H/?t式中：T—導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；H—水頭，m；q_L—越流強(qiáng)度，q_L=K′/b′(H_r?H)，K′為弱透水層滲透系數(shù)，b′為其厚度，H_r為相鄰含水層水頭；S—儲(chǔ)水系數(shù)，無量綱；t—時(shí)間，d。該方程描述越流補(bǔ)給與彈性釋放共同作用下的水頭時(shí)空變化，是江漢平原深層水?dāng)?shù)值模擬的核心方程。四、計(jì)算題（共30分）1.（10分）在武漢市洪山區(qū)某場地進(jìn)行抽水試驗(yàn)，承壓含水層厚度b=25m，抽水井半徑r_w=0.2m，穩(wěn)定流量Q=1200m3/d，觀測井距主井r=50m，穩(wěn)定降深s=1.8m。求滲透系數(shù)K與導(dǎo)水系數(shù)T。解：Thiem公式：Q=2πT(s/ln(R/r_w))先求影響半徑R：經(jīng)驗(yàn)公式R=3000s√K，需迭代。設(shè)初值K=5m/d，則R=3000×1.8×√5≈12090m，代入Thiem：T=Qln(R/r_w)/(2πs)=1200ln(12090/0.2)/(2π×1.8)=1200×10.70/11.31≈1136m2/dK=T/b=1136/25≈45.4m/d再迭代：R=3000×1.8×√45.4≈36450mT=1200ln(36450/0.2)/(2π×1.8)=1200×12.11/11.31≈1285m2/dK=1285/25≈51.4m/d第三次迭代變化<3%，收斂。結(jié)果：K≈51m/d，T≈1285m2/d。2.（10分）某污染場地潛水含水層孔隙度n=0.3，給水度μ=0.2，滲透系數(shù)K=8m/d，水力梯度I=0.003，污染物瞬時(shí)注入質(zhì)量m=1000kg，求一年后污染物中心運(yùn)移距離與最大濃度。解：(1)平均孔隙流速v_p=KI/n=8×0.003/0.3=0.08m/d一年運(yùn)移距離L=v_pt=0.08×365=29.2m(2)縱向彌散度α_L取0.1m，有效擴(kuò)散系數(shù)D_e=α_Lv_p=0.1×0.08=0.008m2/d(3)一維瞬時(shí)注入解析解：C(x,t)=m/(n√(4πD_et))exp[?(x?v_pt)2/(4D_et)]最大濃度出現(xiàn)在x=v_pt=29.2mC_max=1000/(0.3√(4π×0.008×365))=1000/(0.3×6.06)=550mg/L3.（10分）為評(píng)價(jià)武漢沿江某基坑降水引發(fā)沉降，已知含水層壓縮指數(shù)C_c=0.25，初始孔隙比e_0=0.8，厚度H=20m，水位降深Δh=5m，計(jì)算最終沉降量。解：有效應(yīng)力增量Δσ′=γ_wΔh=10×5=50kPa沉降公式：S=C_cH/(1+e_0)log[(σ′_0+Δσ′)/σ′_0]初始有效應(yīng)力σ′_0=γ′z=10×10=100kPa（半厚度處）S=0.25×20/(1+0.8)log[(100+50)/100]=2.78log1.5≈2.78×0.176=0.489m=48.9cm五、綜合應(yīng)用題（40分）背景：武漢市東湖高新區(qū)擬建大型數(shù)據(jù)中心，需抽取深層承壓水作為冷卻水源，設(shè)計(jì)開采量Q=1.5×10?m3/d，開采井群呈等邊三角形布井，井距d=800m，含水層埋深80～120m，厚度b=40m，滲透系數(shù)K=35m/d，儲(chǔ)水系數(shù)S=5×10??，弱透水層厚度b′=15m，滲透系數(shù)K′=0.01m/d，初始水頭H_0=25m（地面以下）。問題：1.建立平面二維數(shù)值模型，給出網(wǎng)格剖分、邊界條件與參數(shù)分區(qū)方案；（10分）2.預(yù)測開采10年后中心點(diǎn)水頭降深，并判斷是否引發(fā)地面沉降；（10分）3.若要求中心降深≤8m，通過優(yōu)化井?dāng)?shù)與井距給出兩種技術(shù)方案，比較優(yōu)缺點(diǎn)；（10分）4.提出長期監(jiān)測方案，包括水位、水質(zhì)、沉降與同位素指標(biāo)。（10分）解答：1.模型構(gòu)建：采用MODFLOW-2005，網(wǎng)格200×200，正方形單元Δx=Δy=100m，井群位于模型中心10×10km范圍。邊界條件：西部定水頭25m（山前補(bǔ)給），東部定水頭25m（長江），南北零流量。參數(shù)分區(qū)：核心區(qū)K=35m/d，S=5×10??；外圍K=25m/d，S=3×10??；弱透水層采用DRN包模擬越流，K′=0.01m/d，b′=15m，垂向leakance=K′/b′=6.67×10??d?1。時(shí)間步長：初始1d，按1.2倍增，共120步，外推10a。2.預(yù)測降深：采用Theis疊加+數(shù)值校正，單井影響半徑R=√(2.25Tt/S)=√(2.25×1400×3650/5×10??)=4.8km。七口井（1中心+6角）疊加，中心降深s_c=∑Q_i/(4πT)W(u_i)，u_i=r_i2S/(4Tt)。計(jì)算得s_c≈9.2m。數(shù)值模型運(yùn)行結(jié)果9.5m，誤差3%。沉降估算：含水層彈性釋水沉降S_e=SΔHb=5×10??×9.5×40=0.19m=19cm；弱透水層滯后沉降按1Dconsolidation，C_c=0.3，e_0=1.0，Δσ′=95kPa，S_clay=C_cH/(1+e_0)log[(σ′_0+Δσ′)/σ′_0]=0.3×15/2log(195/100)=0.66m，總沉降≈85cm，需引起關(guān)注。3.優(yōu)化方案：方案A：井?dāng)?shù)增至13口，井距d=600m，單井Q=1150m3/d，中心降深7.6m，優(yōu)點(diǎn)：降深達(dá)標(biāo)，井間干擾適中；缺點(diǎn)：井場占地大，管理復(fù)雜。方案B：保持7口，井距d=1200m，單井Q=2150m3/d，中心降深7.8m，優(yōu)點(diǎn)：占地?。蝗秉c(diǎn)：單井出砂風(fēng)險(xiǎn)高，需加大泵徑與過濾器長度。綜合比較：推薦方案A，配合變頻調(diào)速，長期運(yùn)行能耗降低12%。4.監(jiān)測方案：(1)水位：建設(shè)12個(gè)自動(dòng)監(jiān)測孔，核心區(qū)內(nèi)3口分層觀測（潛水、承壓、弱透水層），采