水文地质学基础-绪论

1、水文地质学基础绪论一.概念:1.地下水：埋藏和运动于地表以下不同深度的土层和岩石空隙中的水。 2.水文地质学：研究地下水的科学，具体来说，是研究地下水在周围环境(岩石圈、大气圈、水圈、生物圈以及人类活动）影响下，其数量和质量在时空上的变化规律，并在此基础上，研究如何应用这一规律有效地利用地下水和调节控制地下水以兴利除弊。 n水对人类生活与生产起着不可或缺的重大影响，地下水是水资源的重要组成部分，其主要功能为： 1、地下水是一种宝贵的资源 2、地下水是极其重要的生态环境因子 3、地下水是一种很活跃的地质营力 4、地下水是地球内部地质演变的信息载 体关于水文学与水文地质学n水文学和水文地质学水资源

2、的核心课程。n水文学研究液体平衡与运动规律的应用科学，其研究对象是研究液体平衡与运动规律的应用科学，其研究对象是以水为主的液体。以水为主的液体。n广义地说： 两者都是研究地球与水的科学，具体：研究地球上各种水体的形成、循环和分布，探讨水体的化学和物理性质以及它们对环境的反应，与生物的关系。n广义水文学分支基础理论、应用。n基础理论水文学原理。n研究对象河流、湖泊、河口海岸、冰川，地下水文学等n应用工程水文学，农业、森林、城市、环境水文学等二.水文地质学在国民经济发展中的作用1.地下水特点： 1）水质好，分布广，供水延续时间长。 2）地下水作为载热介质地热。 3）地下水含有特殊组分医疗矿水。 4

3、）地下水富集有用元素地下水热液矿床。 5）地下水能传递信息判断水质成因、寻找矿产。 6）地下水具有不良水质缺碘、高氟。 7）地下水是自然界水循环的重要组成部分。 2.地下水在应用上的利弊： 1）是国民经济发展的重要水源。 a.人类生活用水； b.工业用水； c.农业用水。 2）地热的应用。 3）矿水在医疗保健上的应用。 4）地下水热液矿床的开发。 5）农业上土壤的沼泽化和盐碱化。 6) 采矿与各种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）不良水质地下水饮用危害人类健康。10）水资源的统一调配问题。n 由此可见，地下水在国民经

4、济上的应用，应该在查明地下水分布和形成规律的基础上，寻找和勘察地下水源，进行水量水质评价。地下水应合理勘探和开发，以达到兴利除弊。三.现在世界水资源面临的问题n1.水资源危机；n2.地下水资源污染；n3.与地下水开发有关的环境问题。地下水是一种宝贵的资源n供水水源n优点： 分布广，动态变小，洁净，不易污染 据报道：陆地一半为干旱、半干旱地区 1/3耕地，2/3牧区水源不足 城市供水不足，近来更有增加趋势 世界上，阿拉伯国家-进口雨水，中东的长期摩 擦一是石油，二是水 80年代以来，我国城市缺水总体也愈来愈严重， 很显然：水资源的欠缺严重制约着国民经济的可持续发展我国西北缺水剪影我国耕地与农村用

5、水n液体矿产n地下水高含盐类或稀有元素，开发提炼具有工业开采价值 如四川自贡，三叠纪岩层中的卤水，每升达300g之多n 医疗或健身功能的矿泉水 疗养院，天然矿泉水厂，啤酒厂等寻找特殊功能的水资源n开发提取一定的能量（热能，冷能）地下水n地下水的露头泉井，往往具有冬暖夏凉的特点，地球浅 层是常温带保温作用，起到“冬灌夏用，夏灌冬用”n地球是个天然热库可以供热，供取暖等用处地下水是一种宝贵的资源地下水是极其重要的生态环境因子n地下水是影响生态与环境的重要因素之一 地下水的变化往往会打破原有的生态平衡，使环境发生变化即可以有益，也可以是有害的。 有害的例子：农业用水不当的次生盐渍化、不统一开采，河西

6、走廓的民勤县，绿州变沙漠、过量开采地下水地面沉降（上海、天津）、海水入侵，地面塌陷，地下水污染等。n地下水与其周围的环境，人、水、热、动是个相互依 存的有着内在联系的生物生存链，打破一个环节就会引起或正或负的反馈（报复）。地下水利用产生的环境问题：沙化荒漠化加重地下水利用产生的环境问题：上海地面沉降地下水利用产生的环境问题：地下水污染地下水是一种很活跃的地质营力n地下水是一种很活跃的地质营力 地壳内能量、热量的传输者n传递应力：水为诱发地震，地质灾害是地下水作用n人工地震预报观测地下水n地球是个天然热库在地质循环和水文循环中传输地壳内部的能（热）量的传输者 地下水是地球内部地质演变的信息载体n

7、地下水是（地球内部地质演变的）信息载体 由于是应力传递者，同时又是在流动 所以地下水水位，水量，水温，水化学等的变化或异常可以提供埋藏在地下的许多信息。n强的溶剂：在地质循环和水文循环中化学组分 溶解，传递到适宜的部位沉淀（沉积）：成矿 如找矿、找油、地震预报、地质演变n综上所述，地下水一方面作为宝贵的自然资源，要充分合理地加以利用，另一方面，在很多工农业生产和建设上又是不利因素，要有效防治它，因此，必须对地下水进行研究，这是水文地质学基础课程的研究目的。四.水文地质学的发展与展望n1.水文地质学的发展（四个时期）n1）1856年以前的萌芽时期：由逐水而居到凿井取水-一大转折：远古人类逐水而居

8、，开始时只是利用地表水与泉水作为供水水源，后来才打井取用地下水。由逐水而居到凿井取水是人类文明史的一大转折，从此人类活动的范围更为广阔。 a.我国发现最古老的水井是浙江余姚河姆渡井，成井距今约5700 年。河姆渡井虽然深度只有1.35m，但却用200多根圆木支撑保护，结构精巧。可以推知，更原始的井出现得还要更早些。 b.在公元前7 世纪，亚美尼亚就有了坎儿井。坎儿井是一种规模宏大的截取地下水流并将其传输到用水地点的地下水平廊道，并有竖井通向地面。修建坎儿井之前必须对地下水的赋存条件有清晰的概念。 c.在公元前约200 年的我国汉代，在四川为开采卤水，在坚硬基岩中开凿了深逾百米的自流井。 由此可

9、见，水文地质学是作为一门实用性的技术科学而萌芽的。地下水的利用坎儿井，近3000年历史n2）1856年至本世纪中叶的奠基时期：欧洲产业革命后，大工业兴起，对水的需求增加，于是就有了计算井的出水量的要求。这一时期正是近代实验科学兴起的时期。n1856 年，法国水力工程师达西（HDarcy， 18031858）进行了水透过砂的室内试验，得出水在砂中的渗透速度与水力梯度的一次方成正比，这就是著名的达西定律。达西定律提供了地下水定量计算的依据，奠定了作为学科分支的水文地质学的基础。n1863 年，法国人裘布依（ADupuit，18041866）提出了地下水稳定井流公式。n1886 年，奥地利的福希海默

10、（PForchheimer，18521933）绘制了地下水流网。n1935 年，美国人泰斯（CVTheis）利用地下水流动与热传导的相似性，得出了地下水非稳定井流方程泰斯公式，使地下水定量计算向实用方向推进了一大步。此时期，地下水计算采用的是只能求解简单条件下地下水流的解析法。n3） 20世纪中叶至今的发展时期：上世纪40 年代到60年代，雅可布（CEJacob）及汉图什（MSHantush）等研究了松散沉积物承压含水层的越流现象，发现原先认为是不透水的“隔水层”，实际上是透水能力比较微弱的弱透水层。含水层与其间的“隔水层”（弱透水层）共同构成水力上相互联系的系统地下水含水系统。n本世纪60

11、年代，托特（JTth）更进一步指出，即使对于固结的沉积岩构成的盆地，只要时间尺度足够长，就会在地形控制的重力势作用下，产生穿层的地下水流动。n荷兰的英格伦（GBEngelen）等发展了托特的地下水流动系统理论，将其运用于分析与溶质迁移有关的各种水文地质问题。n1954 年，博尔顿（NSBoulton）发现潜水位下降过程中非饱和带滞后释水现象。这使人们进一步认识到饱和带地下水与非饱和带水的密切联系，从而促进了非饱和带水的研究。n1956 年，斯图尔曼（RWStallman）开始将数值法应用于水文地质计算。数值法需要进行大量运算成为应用它的限制。n上世纪60 年代华尔顿（WCWalton）首次将电

12、子计算机引入水文地质数值模拟。从此，各种复杂条件下水文地质问题的数学求解方法如雨后春笋般涌现。n上世纪60 年代，同位素技术开始用于解决某些水文地质问题。随后，数学地质方法与遥感技术也开始引入水文地质学。近年来，能够有效处理大量空间信息的计算机软件系统地理信息系统受到水文地质学家的注意而开始应用。n4）转变时期：近30年，更多的理论研究和实验模拟极大地丰富了地下水理论，形成了地下水研究核心内容的转变。特别是可持续发展观的提出使水文地质学的发展正向“地下水科学”方向转变。通过新技术、新手段不断应用到水文地质学中，围绕地下水资源概念的确立，提出了按地下水含水系统评价水资源，统一规划管理水资源等理论

13、研究。2.水文地质学未来研究着重点n以往大多侧重地下水的宏观现象研究，对其微观机制缺乏深入研究，往往在机制上尚未研究清楚，未得出正确概念模型，便超前建立数学模型。以后应着重于以下几方面研究：n1）裂隙水及岩溶水供水机制研究；n2）粘性土的渗透机制研究；n3）包气带水、盐运移机制研究；n4）水文地球化学方面研究；n5）地下水运动基本理论的发展：在地下水水量传递规律研究基础上，进一步研究水质点运动、运移机理。 3.研究趋势 综观水文地质学的发展，其研究趋势为： 1）从研究天然状态下的地下水更重视研究人类活动影响下的地下水； 2）从局限于研究饱水带的含水层扩展到包气带及隔水层的研究； 3）由只研究地

14、壳表层地下水扩展到研究地球深部圈层中的地下水。 理论研究、实验研究与技术方法的应用是水文地质学赖以发展的三个重要方面，尤其要重视加强理论指导下的实验研究。n核心课题转移：找水水文地质学资源生态环境。n视野扩展：含水层地下水系统水文-生态环境技术-社会系统。n目标改变：由当前的问题转向长期的可持续发展。n内容扩展：从地下水的水量为主，转向水量与水质的研究并重；从狭义地下水，扩大到广义地下水，乃至地下水圈。n思路的改变：从地下水生成角度，加强过程与机理研究。n多学科交叉渗透成为主流：地下水科学与其它自然科学以及社会科学交叉渗透，以多学科方式研究与处理问题。n服务方式转变：如何使水文地质工作成果转化为生产力，成为一个急需解决的重大课题。 4.水文地质学目前研究任务：n正确地预测在人类活动干预下地下水的变化；n正确地评价、开发、管理与保护地下水资源；n保护与地下水有关的生态环境，成为当务之急；n正确地预测矿产开发的地下水问题，避免地下水害。五.水文地质学的分科n地质学与水文学交叉渗透形成的水文地质学，目前已经形成了若干分支学科。n基础性的学科分支为：水文地质学基础、地下水动力学、水文地球化学、水文地质调查方法、区域水文地质学等。n结合各种专门目的的水文地质学分支：供