水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)緒論

1、緒論 一.概念: 1.地下水：埋藏和運(yùn)動(dòng)于地表以下不同深度的土 層和巖石空隙中的水。 2.水文地質(zhì)學(xué)：研究地下水的科學(xué)，具體來(lái)說(shuō)， 是研究地下水在周圍環(huán)境(巖石圈、大氣圈、 水圈、生物圈以及人類活動(dòng)）影響下，其數(shù)量 和質(zhì)量在時(shí)空上的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上， 研究如何應(yīng)用這一規(guī)律有效地利用地下水和調(diào) 節(jié)控制地下水以興利除弊。 n水對(duì)人類生活與生產(chǎn)起著不可或缺的重 大影響，地下水是水資源的重要組成部 分，其主要功能為： 1、地下水是一種寶貴的資源 2、地下水是極其重要的生態(tài)環(huán)境因子 3、地下水是一種很活躍的地質(zhì)營(yíng)力 4、地下水是地球內(nèi)部地質(zhì)演變的信息載 體 關(guān)于水文學(xué)與水文地質(zhì)學(xué) n水文學(xué)和水文地

2、質(zhì)學(xué)水資源的核心課程。 n水文學(xué)研究液體平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用科學(xué)，其研究對(duì)象是研究液體平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用科學(xué)，其研究對(duì)象是 以水為主的液體。以水為主的液體。 n廣義地說(shuō)： 兩者都是研究地球與水的科學(xué)，具體：研究地球上各 種水體的形成、循環(huán)和分布，探討水體的化學(xué)和物理性質(zhì)以及它 們對(duì)環(huán)境的反應(yīng)，與生物的關(guān)系。 n廣義水文學(xué)分支基礎(chǔ)理論、應(yīng)用。 n基礎(chǔ)理論水文學(xué)原理。 n研究對(duì)象河流、湖泊、河口海岸、冰川，地下水文學(xué)等 n應(yīng)用工程水文學(xué)，農(nóng)業(yè)、森林、城市、環(huán)境水文學(xué)等 二.水文地質(zhì)學(xué)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用 1.地下水特點(diǎn)： 1）水質(zhì)好，分布廣，供水延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。 2）地下水作為載熱介質(zhì)地?zé)帷?3）

3、地下水含有特殊組分醫(yī)療礦水。 4）地下水富集有用元素地下水熱液礦床。 5）地下水能傳遞信息判斷水質(zhì)成因、尋找礦產(chǎn)。 6）地下水具有不良水質(zhì)缺碘、高氟。 7）地下水是自然界水循環(huán)的重要組成部分。 2.地下水在應(yīng)用上的利弊： 1）是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要水源。 a.人類生活用水； b.工業(yè)用水； c.農(nóng)業(yè)用水。 2）地?zé)岬膽?yīng)用。 3）礦水在醫(yī)療保健上的應(yīng)用。 4）地下水熱液礦床的開發(fā)。 5）農(nóng)業(yè)上土壤的沼澤化和鹽堿化。 6) 采礦與各種地下工程中的地下涌水。 7）大量抽取地下水引起的地面沉降、沿海海水入侵。 8）地下水位下降引起土壤的砂化。 9）不良水質(zhì)地下水飲用危害人類健康。 10）水資源的統(tǒng)一調(diào)配

4、問題。 n 由此可見，地下水在國(guó)民經(jīng)濟(jì)上的應(yīng) 用，應(yīng)該在查明地下水分布和形成規(guī)律 的基礎(chǔ)上，尋找和勘察地下水源，進(jìn)行 水量水質(zhì)評(píng)價(jià)。地下水應(yīng)合理勘探和開 發(fā)，以達(dá)到興利除弊。 三.現(xiàn)在世界水資源面臨的問題 n1.水資源危機(jī)； n2.地下水資源污染； n3.與地下水開發(fā)有關(guān)的環(huán)境問題。 地下水是一種寶貴的資源 n供水水源 n優(yōu)點(diǎn)： 分布廣，動(dòng)態(tài)變小，潔凈，不易污染 據(jù)報(bào)道：陸地一半為干旱、半干旱地區(qū) 1/3耕地，2/3牧區(qū)水源不足 城市供水不足，近來(lái)更有增加趨勢(shì) 世界上，阿拉伯國(guó)家-進(jìn)口雨水，中東的長(zhǎng)期摩 擦一是石油，二是水 80年代以來(lái)，我國(guó)城市缺水總體也愈來(lái)愈嚴(yán)重， 很顯然：水資源的欠缺嚴(yán)重

5、制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù) 發(fā)展 我國(guó)西北缺水剪影 我國(guó)耕地與農(nóng)村用水 n液體礦產(chǎn) n地下水高含鹽類或稀有元素，開發(fā)提煉具有工業(yè)開采 價(jià)值 如四川自貢，三疊紀(jì)巖層中的鹵水，每升達(dá)300g之 多 n 醫(yī)療或健身功能的礦泉水 療養(yǎng)院，天然礦泉水廠，啤酒廠等尋找特殊功能的 水資源 n開發(fā)提取一定的能量（熱能，冷能）地下水 n地下水的露頭泉井，往往具有冬暖夏涼的特點(diǎn)，地 球淺 層是常溫帶保溫作用，起到“冬灌夏用，夏灌冬用” n地球是個(gè)天然熱庫(kù)可以供熱，供取暖等用處 地下水是一種寶貴的資源 地下水是極其重要的生態(tài)環(huán)境因子 n地下水是影響生態(tài)與環(huán)境的重要因素之一 地下水的變化往往會(huì)打破原有的生態(tài)平衡，使環(huán)境發(fā)

6、 生變化即可以有益，也可以是有害的。 有害的例子：農(nóng)業(yè)用水不當(dāng)?shù)拇紊}漬化、不統(tǒng)一開 采，河西走廓的民勤縣，綠州變沙漠、過量開采地下 水地面沉降（上海、天津）、海水入侵，地面塌陷， 地下水污染等。 n地下水與其周圍的環(huán)境，人、水、熱、動(dòng)是個(gè)相互依 存的有著內(nèi)在聯(lián)系的生物生存鏈，打破一個(gè)環(huán)節(jié)就會(huì) 引起或正或負(fù)的反饋（報(bào)復(fù)）。 地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問題：沙化荒漠化加重 地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問題：上海地面沉降 地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問題：地下水污染 地下水是一種很活躍的地質(zhì)營(yíng)力 n地下水是一種很活躍的地質(zhì)營(yíng)力 地殼內(nèi)能量、熱量的傳輸者 n傳遞應(yīng)力：水為誘發(fā)地震，地質(zhì)災(zāi)害是地下水 作用 n人工地震預(yù)報(bào)觀

7、測(cè)地下水 n地球是個(gè)天然熱庫(kù)在地質(zhì)循環(huán)和水文循環(huán) 中傳輸?shù)貧?nèi)部的能（熱）量的傳輸者 地下水是地球內(nèi)部地質(zhì)演變的信息載體 n地下水是（地球內(nèi)部地質(zhì)演變的）信息載體 由于是應(yīng)力傳遞者，同時(shí)又是在流動(dòng) 所以地下水水位，水量，水溫，水化學(xué)等的變 化或異?？梢蕴峁┞癫卦诘叵碌脑S多信息。 n強(qiáng)的溶劑：在地質(zhì)循環(huán)和水文循環(huán)中化學(xué)組分 溶解，傳遞到適宜的部位沉淀（沉積）：成礦 如找礦、找油、地震預(yù)報(bào)、地質(zhì)演變 n綜上所述，地下水一方面作為寶貴的自 然資源，要充分合理地加以利用，另一 方面，在很多工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建設(shè)上又是 不利因素，要有效防治它，因此，必須 對(duì)地下水進(jìn)行研究，這是水文地質(zhì)學(xué)基 礎(chǔ)課程的研究目的。

8、 四.水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展與展望 n1.水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展（四個(gè)時(shí)期） n1）1856年以前的萌芽時(shí)期：由逐水而居到鑿井取水-一大轉(zhuǎn) 折：遠(yuǎn)古人類逐水而居，開始時(shí)只是利用地表水與泉水作為供水 水源，后來(lái)才打井取用地下水。由逐水而居到鑿井取水是人類文 明史的一大轉(zhuǎn)折，從此人類活動(dòng)的范圍更為廣闊。 a.我國(guó)發(fā)現(xiàn)最古老的水井是浙江余姚河姆渡井，成井距今約5700 年。河姆渡井雖然深度只有1.35m，但卻用200多根圓木支撐保護(hù)， 結(jié)構(gòu)精巧?？梢酝浦嫉木霈F(xiàn)得還要更早些。 b.在公元前7 世紀(jì)，亞美尼亞就有了坎兒井。坎兒井是一種規(guī)模 宏大的截取地下水流并將其傳輸?shù)接盟攸c(diǎn)的地下水平廊道，并 有豎井通

9、向地面。修建坎兒井之前必須對(duì)地下水的賦存條件有清 晰的概念。 c.在公元前約200 年的我國(guó)漢代，在四川為開采鹵水，在堅(jiān)硬基 巖中開鑿了深逾百米的自流井。 由此可見，水文地質(zhì)學(xué)是作為一門實(shí)用性的技術(shù)科學(xué)而萌芽的。 地下水的利用坎兒井，近3000年歷史 n2）1856年至本世紀(jì)中葉的奠基時(shí)期：歐洲產(chǎn)業(yè)革命后， 大工業(yè)興起，對(duì)水的需求增加，于是就有了計(jì)算井的出水 量的要求。這一時(shí)期正是近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)興起的時(shí)期。 n1856 年，法國(guó)水力工程師達(dá)西（HDarcy， 18031858） 進(jìn)行了水透過砂的室內(nèi)試驗(yàn)，得出水在砂中的滲透速度與 水力梯度的一次方成正比，這就是著名的達(dá)西定律。達(dá)西 定律提供了地下

10、水定量計(jì)算的依據(jù)，奠定了作為學(xué)科分支 的水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)。 n1863 年，法國(guó)人裘布依（ADupuit，18041866）提出 了地下水穩(wěn)定井流公式。 n1886 年，奧地利的福希海默（PForchheimer，1852 1933）繪制了地下水流網(wǎng)。 n1935 年，美國(guó)人泰斯（CVTheis）利用地下水流動(dòng)與 熱傳導(dǎo)的相似性，得出了地下水非穩(wěn)定井流方程泰斯 公式，使地下水定量計(jì)算向?qū)嵱梅较蛲七M(jìn)了一大步。此 時(shí)期，地下水計(jì)算采用的是只能求解簡(jiǎn)單條件下地下水流 的解析法。 n3） 20世紀(jì)中葉至今的發(fā)展時(shí)期：上世紀(jì)40 年代到60 年代，雅可布（CEJacob）及漢圖什 （MSHantush）

11、等研究了松散沉積物承壓含水層 的越流現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)原先認(rèn)為是不透水的“隔水層”， 實(shí)際上是透水能力比較微弱的弱透水層。含水層與其 間的“隔水層”（弱透水層）共同構(gòu)成水力上相互聯(lián) 系的系統(tǒng)地下水含水系統(tǒng)。 n本世紀(jì)60 年代，托特（JTth）更進(jìn)一步指出，即 使對(duì)于固結(jié)的沉積巖構(gòu)成的盆地，只要時(shí)間尺度足夠 長(zhǎng)，就會(huì)在地形控制的重力勢(shì)作用下，產(chǎn)生穿層的地 下水流動(dòng)。 n荷蘭的英格倫（GBEngelen）等發(fā)展了托特的地下 水流動(dòng)系統(tǒng)理論，將其運(yùn)用于分析與溶質(zhì)遷移有關(guān)的 各種水文地質(zhì)問題。 n1954 年，博爾頓（NSBoulton）發(fā)現(xiàn)潛水位下降 過程中非飽和帶滯后釋水現(xiàn)象。這使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí) 到飽和

12、帶地下水與非飽和帶水的密切聯(lián)系，從而促進(jìn) 了非飽和帶水的研究。 n1956 年，斯圖爾曼（RWStallman）開始 將數(shù)值法應(yīng)用于水文地質(zhì)計(jì)算。數(shù)值法需要進(jìn) 行大量運(yùn)算成為應(yīng)用它的限制。 n上世紀(jì)60 年代華爾頓（WCWalton）首次 將電子計(jì)算機(jī)引入水文地質(zhì)數(shù)值模擬。從此， 各種復(fù)雜條件下水文地質(zhì)問題的數(shù)學(xué)求解方法 如雨后春筍般涌現(xiàn)。 n上世紀(jì)60 年代，同位素技術(shù)開始用于解決某 些水文地質(zhì)問題。隨后，數(shù)學(xué)地質(zhì)方法與遙感 技術(shù)也開始引入水文地質(zhì)學(xué)。近年來(lái)，能夠有 效處理大量空間信息的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)地 理信息系統(tǒng)受到水文地質(zhì)學(xué)家的注意而開始應(yīng) 用。 n4）轉(zhuǎn)變時(shí)期：近30年，更多的理論研究

13、 和實(shí)驗(yàn)?zāi)M極大地豐富了地下水理論， 形成了地下水研究核心內(nèi)容的轉(zhuǎn)變。特 別是可持續(xù)發(fā)展觀的提出使水文地質(zhì)學(xué) 的發(fā)展正向“地下水科學(xué)”方向轉(zhuǎn)變。 通過新技術(shù)、新手段不斷應(yīng)用到水文地 質(zhì)學(xué)中，圍繞地下水資源概念的確立， 提出了按地下水含水系統(tǒng)評(píng)價(jià)水資源， 統(tǒng)一規(guī)劃管理水資源等理論研究。 2.水文地質(zhì)學(xué)未來(lái)研究著重點(diǎn) n以往大多側(cè)重地下水的宏觀現(xiàn)象研究，對(duì)其微 觀機(jī)制缺乏深入研究，往往在機(jī)制上尚未研究 清楚，未得出正確概念模型，便超前建立數(shù)學(xué) 模型。以后應(yīng)著重于以下幾方面研究： n1）裂隙水及巖溶水供水機(jī)制研究； n2）粘性土的滲透機(jī)制研究； n3）包氣帶水、鹽運(yùn)移機(jī)制研究； n4）水文地球化學(xué)方

14、面研究； n5）地下水運(yùn)動(dòng)基本理論的發(fā)展：在地下水水 量傳遞規(guī)律研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究水質(zhì)點(diǎn)運(yùn) 動(dòng)、運(yùn)移機(jī)理。 3.研究趨勢(shì) 綜觀水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展，其研究趨勢(shì)為： 1）從研究天然狀態(tài)下的地下水更重視研究 人類活動(dòng)影響下的地下水； 2）從局限于研究飽水帶的含水層擴(kuò)展到包 氣帶及隔水層的研究； 3）由只研究地殼表層地下水?dāng)U展到研究地 球深部圈層中的地下水。 理論研究、實(shí)驗(yàn)研究與技術(shù)方法的應(yīng)用是水文 地質(zhì)學(xué)賴以發(fā)展的三個(gè)重要方面，尤其要重視 加強(qiáng)理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究。 n核心課題轉(zhuǎn)移：找水水文地質(zhì)學(xué)資源生態(tài)環(huán)境。 n視野擴(kuò)展：含水層地下水系統(tǒng)水文-生態(tài)環(huán)境技 術(shù)-社會(huì)系統(tǒng)。 n目標(biāo)改變：由當(dāng)前的問題

15、轉(zhuǎn)向長(zhǎng)期的可持續(xù)發(fā)展。 n內(nèi)容擴(kuò)展：從地下水的水量為主，轉(zhuǎn)向水量與水質(zhì)的 研究并重；從狹義地下水，擴(kuò)大到廣義地下水，乃至 地下水圈。 n思路的改變：從地下水生成角度，加強(qiáng)過程與機(jī)理研 究。 n多學(xué)科交叉滲透成為主流：地下水科學(xué)與其它自然科 學(xué)以及社會(huì)科學(xué)交叉滲透，以多學(xué)科方式研究與處理 問題。 n服務(wù)方式轉(zhuǎn)變：如何使水文地質(zhì)工作成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn) 力，成為一個(gè)急需解決的重大課題。 4.水文地質(zhì)學(xué)目前研究任務(wù)： n正確地預(yù)測(cè)在人類活動(dòng)干預(yù)下地下水的 變化； n正確地評(píng)價(jià)、開發(fā)、管理與保護(hù)地下水 資源； n保護(hù)與地下水有關(guān)的生態(tài)環(huán)境，成為當(dāng) 務(wù)之急； n正確地預(yù)測(cè)礦產(chǎn)開發(fā)的地下水問題，避 免地下水害。

16、 五.水文地質(zhì)學(xué)的分科 n地質(zhì)學(xué)與水文學(xué)交叉滲透形成的水文地 質(zhì)學(xué)，目前已經(jīng)形成了若干分支學(xué)科。 n基礎(chǔ)性的學(xué)科分支為：水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、 地下水動(dòng)力學(xué)、水文地球化學(xué)、水文地 質(zhì)調(diào)查方法、區(qū)域水文地質(zhì)學(xué)等。 n結(jié)合各種專門目的的水文地質(zhì)學(xué)分支： 供水水文地質(zhì)學(xué)、礦床水文地質(zhì)學(xué)、古 水文地質(zhì)學(xué)、同位素水文地質(zhì)學(xué)等。 六.水文地質(zhì)學(xué)課程內(nèi)容 n本課主要內(nèi)容 n一、水文地質(zhì)學(xué)基本概念 n概念、名詞與術(shù)語(yǔ) n二、水文地質(zhì)學(xué)基本原理 n地下水形成基本規(guī)律賦存、分布、運(yùn)動(dòng) n三、地下水科學(xué)的分析方法 n微觀以概念為基礎(chǔ)的分析方法 n宏觀地下水系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的綜合分析 n四、應(yīng)用分析概念與原理的掌握 主要參考

17、文獻(xiàn)： 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)教材后附的參 考文獻(xiàn)， 水文地質(zhì)工程地質(zhì)期刊， 中英文版“地下水”和“水文地 質(zhì)學(xué)”類教材 芮孝芳著，水文學(xué)原理，2004.8 緒論 一.概念: 1.地下水：埋藏和運(yùn)動(dòng)于地表以下不同深度的土 層和巖石空隙中的水。 2.水文地質(zhì)學(xué)：研究地下水的科學(xué)，具體來(lái)說(shuō)， 是研究地下水在周圍環(huán)境(巖石圈、大氣圈、 水圈、生物圈以及人類活動(dòng)）影響下，其數(shù)量 和質(zhì)量在時(shí)空上的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上， 研究如何應(yīng)用這一規(guī)律有效地利用地下水和調(diào) 節(jié)控制地下水以興利除弊。 地下水是一種寶貴的資源 n供水水源 n優(yōu)點(diǎn)： 分布廣，動(dòng)態(tài)變小，潔凈，不易污染 據(jù)報(bào)道：陸地一半為干旱、半干旱地區(qū) 1/3耕

18、地，2/3牧區(qū)水源不足 城市供水不足，近來(lái)更有增加趨勢(shì) 世界上，阿拉伯國(guó)家-進(jìn)口雨水，中東的長(zhǎng)期摩 擦一是石油，二是水 80年代以來(lái)，我國(guó)城市缺水總體也愈來(lái)愈嚴(yán)重， 很顯然：水資源的欠缺嚴(yán)重制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù) 發(fā)展 我國(guó)西北缺水剪影 n1956 年，斯圖爾曼（RWStallman）開始 將數(shù)值法應(yīng)用于水文地質(zhì)計(jì)算。數(shù)值法需要進(jìn) 行大量運(yùn)算成為應(yīng)用它的限制。 n上世紀(jì)60 年代華爾頓（WCWalton）首次 將電子計(jì)算機(jī)引入水文地質(zhì)數(shù)值模擬。從此， 各種復(fù)雜條件下水文地質(zhì)問題的數(shù)學(xué)求解方法 如雨后春筍般涌現(xiàn)。 n上世紀(jì)60 年代，同位素技術(shù)開始用于解決某 些水文地質(zhì)問題。隨后，數(shù)學(xué)地質(zhì)方法與遙感 技術(shù)也開始引入水文地質(zhì)學(xué)。近年來(lái)，能夠有 效處理大量空間信息的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)地 理信息系統(tǒng)受到水文地質(zhì)學(xué)家的注意而開始應(yīng) 用。 2.水文地質(zhì)學(xué)未來(lái)研究著重點(diǎn) n以往大多側(cè)重地下水的宏觀現(xiàn)象研究，對(duì)其微 觀機(jī)制缺乏深入研究，往往在機(jī)制上尚未研究 清楚，