第01讲地下水文学

1、地下水水文学,主讲：杜发兴 副教授,Groundwater Hydrology,电话Email:,教 材,地下水水文学 张元禧 施鑫源 合编 中国水利出版社，1998年,学时 32 学时 每周 4学时(2次),1-11周,主要参考书,水文地质学基础 王大纯 张人权 史毅虹 地质出版社,1986 地下水动力学 陈崇希 林敏 中国地质大学出版社，1999,绪 论,绪 论,一.国内外开发利用地下水概况 国内 祖先5600年前采用凿井取水(浙江河姆渡)，2000多年前自贡已有深达数百米的盐井，汉武帝时渭北高原的井渠“龙首渠”，驰名中外的“坎儿井” 目前我国地下水资源开发 国外

2、 1.独联体各国 2.印度 3.埃及,地下水开发的三个时期： 1.初期 2.中期 3.后期,二.地下水水文学研究的发展 地下水文学的定义 地下水开发利用的初始阶段(公元前5600公元前7世纪):主要用泉水 地下水学科创建前期(公元前7世纪公元1800年)：井采 地下水学科创建时期(18001940年) 代表人物：达西实验、裘布依假设、泰斯公式，深井、大规模、集中开采地下水 现代地下水学科创立发展时期(1940年以后) 代表人物及理论：Boulton, Jacob, Neuman，计算机应用，水质模型，科学开发地下水,导论,本课程的主要内容 地下水赋存条件(水文地质) 地下水补给、迳流与排泄 地

3、下水动态与均衡 地下水运动 含水层参数的确定 地下水资源评价 教学方式 讲授讨论习题思考题作业 考试,第一章 地下水及其赋存,Groundwater, subsurface water, water table,1.1 自然界水的分布、循环与均衡,自然界水的分布 地球总水量140786万km3，海水137000万km3 (占97.3%)，陆地地表水2943万km3 (2.1%) ，陆地地下水841.7万km3 (0.6%) 。 自然界水循环(hydro-cycle) 水分循环三要素：蒸发(Z)、降水(X)和径流(Y) 自然界水均衡 (water equilibrium) 水均衡：在一定时间、一

4、定区域内，水分循环的三要素之间的数量关系 水均衡原理：对于任一地区(系统)，在任一时间内，收入的水量与支出的水量之间的差额必等于其蓄水量的变化。 在海洋：Z0=X0 + Y 在陆地：Zc=Xc - Y 全球： Z0 + Zc= X0 + Xc,1.2 地下水的赋存,岩土的空隙性(space) 孔隙 (pore, porosity) 松散岩土中颗粒或颗粒集合体之间普遍存在着孔状空隙，称为孔隙。 孔隙度n:单位体积岩土(包括孔隙在内)中的孔隙体积，即,影响孔隙度的因素 颗粒压实度(图1-2) 颗粒排列方式(图1-3) 颗粒的磨圆度 颗粒的分选性 胶结程度 与颗粒大小无关(图1-4) 常见岩土孔隙度

5、,含泥沙砾石,部分胶结的砂岩,1.2 地下水的赋存,1.2 地下水的赋存,裂隙(fissure, fracture, crack ) 风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 裂隙率f：,溶隙(karst fissure) 溶缝、溶孔、溶洞 岩溶率Kk：,岩石裂隙,可溶岩溶隙,1.2 地下水的赋存,水在岩土中的赋存形式 液态水 结合水：受到固相表面的吸引力大于其自身重力的那部分水 重力水：距离固相表面更远的、能在重力下运移的那部分水 毛细水：松散岩土中细小孔隙通道构成毛细管，在毛细力的 作用下，地下水沿着细小孔隙上升到一定高度，这种既受重力又受毛细力作用的水。 支持毛细水 悬挂毛细水 孔角毛细水,气态水

6、固态水 其它：矿物结合水(沸石水、结晶水、结构水),1.2 地下水的赋存,水理性质 容水性 定义：岩土能容纳一定水量的性能,常用含水率表示。 含水率：单位体积岩土中所含水的体积(water content; mositure content),饱和度(saturation) S：含水率与容水度的比值。S=1表示饱和，0S1表示非饱和,容水度(water capacity) Cw：岩土完全饱和时所容纳的最大水体积与岩土总体积之比。在数值上，一般与孔隙度(裂隙率、溶隙率)相等，但对于有膨胀性的岩土，由于充水后体积扩大，其容水度可大于孔隙度,1.2 地下水的赋存,持水性(moisture reten

7、tion) 含水岩土在重力作用下释水时，由于固体颗粒表面的吸附力和毛细力的作用，使在其空隙中能保持一定水量的性能 持水度Re：指饱水岩土在重力作用下，经过23天释水后，岩土空隙中尚能保持的水体积与岩土总体积之比，这时的岩土含水率也称为田间持水率。,1.2 地下水的赋存,给水性(specific yield) 含水岩土在重力作用下能自由释出一定水量的性能 给水度：指饱水岩土在重力作用下所释出的水体积与岩土总体积之比，在数值上它等于容水度减去持水度，也即岩土的饱和含水率与田间持水率之差。,1.2 地下水的赋存,透水性(permeability ) 岩土允许水体透过的性能 决定岩土透水性好坏的主要因

8、素是空隙的大小，其次才是空隙的数量。度量岩土透水性的指标是渗透系数K。渗透系数愈大，表明岩土的透水性愈强，反之，则愈弱。,1.2 地下水的赋存,含水层和隔水层(aquifer & aquiclude) 含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层。含水层不但储存有水，而且水可以在其中运移。隔水层则是不能透过和给出水，或透过和给出水的数量很小的岩层。 特点 划分含水层和隔水层的标志并不在于是否含水，关键在于所含水的性质 含水层和隔水层是相对的 含水层和隔水层在一定条件下可以转化 含水层只是一个形象的名称,含水系统更通用,1.3 不同埋藏条件下的地下水,1.3 不同埋藏条件下的地下水,埋藏条件(occ

9、urrence condition) 是指含水层在地质剖面中所处的部位及所受隔水层限制的情况。 在距地表以下一定深度存在着饱水的地下水面，地下水面以上，岩土空隙没有为液态水所充满，包含有与大气相连通的气体，称为包气带，赋存其中的水称包气带水。 地下水面以下的岩土空隙全部为液态水所充满，既有结合水，也有重力水，称为饱水带。 饱水带中，由于含水层所受隔水层限制的状况不同，又分为潜水和承压水。,1.3 不同埋藏条件下的地下水,包气带水(vadose zone, aeration zone) 包气带水(又称非饱和带)：泛指贮存在包气带中的水，包括通称为土壤水的吸着水、薄膜水、毛细水、气态水和过路的重力

10、渗入水，以及上层滞水 上层滞水(perched water) :在包气带中当存在局部隔水层时，其上部可积聚具有自由水面的重力水,1.3 不同埋藏条件下的地下水,潜水(phreatic water) 基本概念 潜水是地表以下埋藏在饱水带中第一个具有自由水面的重力水，参见图18。潜水没有隔水顶板，或只具有局部的隔水顶板，潜水的自由水面称为潜水面(water table)。潜水面上任一点的高程为该点的潜水位(phreatic water level)，潜水面到地表的铅垂距离为潜水的埋藏深度(简称埋深)。潜水在重力作用下由高处流向低处称潜流。在渗透途径上，任意两点的水位差与该两点的水平距离之比，称为水

11、力梯度(hydraulic gradient)或水力坡度，通常用I表示。,H1,H2,L,潜流,1.3 不同埋藏条件下的地下水,潜水的特征 与降水和地表水联系密切，积极参与水循环 分布区与补给区基本一致 排泄方式 径流排泄：泉、渗流形式 蒸发(腾)排泄：失水分，留盐分盐碱土 动态的季节性变化显著(丰水，水位高，含水层厚) 易受污染 等水位线图(phreatic water contour) 在潜水面上，将高程相同的点(即潜水位相同的点)相连，即为潜水面的等水位线图 通过该图可确定潜水流向、水力梯度及潜水与河水的补排关系等，见图1-10、图111,图1-11 潜水与河水间补排关系,图1-10 利

12、用等水位线图求潜水流向及水力梯度,1.3 不同埋藏条件下的地下水,承压水(confined water) 承压水的概念 承压水是充满于两个隔水层之间的含水层中具有静水压力的重力水，见图112。如未充满水则称为无压层间水。,压力水头,该点高程叫承(测)压水位,或承压水头,1.3 不同埋藏条件下的地下水,承压水特征 分为补给、承压和排泄三个区； 水体具承压性 补给、排泄范围有限 产生越流 与大气、地表水的联系较弱，受气候、水文影响较小 水量增加，水头增高，含水层厚度不变；水量减小，水头降低。但顶板的压力会产生假象 随含水层埋深加大，矿化度增高(深部出现卤水) 不易污染，一旦污染又不易净化,承压水等

13、水头线图：连接承压含水层测压水位相等的各点,实线：地形等高线 虚线：顶板等高线 点划线：等水头线,钻孔 自喷孔,压力水头？,承压含水层埋深？,计划在这里打一口井应注意什么问题？,第一讲结束,河姆渡遗址：1973年6月，当时的余姚县罗江公社为防止洪水倒灌使境内地势低洼的稻田旱涝保收，准备掘深河道，建造机电翻水站。在深掘过程中。发现了许多夹炭黑陶骨，人们感到无比惊奇。他们立即向文物主管部门报告。浙江省博物馆当即组织力量迅速进行试掘，出土了一批乌黑古朴的陶片、斧痕累累的木构件、斑驳破碎的兽骨，向人们透露出令人兴奋的喜讯：这是浙江境内已知最早的新石器时代的文化遗址，具有十分重要的科学研究价值。经测算，

14、遗址分布范围约有4万平方米。分别在1972年、1978年进行了两次发掘共计面积2800平方米。遗址由相互叠压、又有内在联系的4 个文化层组成。从距今5000年前的第一文化层到距今约7000年前的第四文化层中出土生产工具、生活器具、原始艺术品等文物6700余件。还发现一批人体骨骸，丰富的栽培稻谷，大面积木建筑遗迹以及驯养的猪、狗、水牛和捕猎的禽兽骨骸、植物果实等遗存。,河姆渡遗址发现一口挖在池塘底部木构水井，距今已有5600余年，是目前发现的中国历史上最早的一口水井。它是由20O多根底部削尖的木桩打入地下，组成一个直径约6米的圆形栅栏桩，中间是4排密集的桩木，形成边长为2米的方形木构井，其内侧各

15、有一根粗圆木，榫卯联接构成一个“井”字形框架，以支撑4边井壁的压力，防止排桩向井内倾倒。,木构建筑的奇迹“干栏式”建筑 遗址已发掘的部分到处可见木构建筑的遗迹。特别是在第四文化层，整个发掘区布满了密密麻麻、大大小小的木桩和纵横交错的木构件。诸如柱洞、柱础、圆柱、方柱、圆木、桩木、排桩、板桩、地龙骨、横梁、木板之类，星罗棋布，蔚为奇观。较有规律的排桩、板墙，就有十几道，有的长达23米多。经古建筑学家鉴定，河姆渡先民的住房是目前发现最早的“干栏式建筑”。因为河姆渡当年是沼泽地带，地面潮湿，所以先民先是在地上打桩，在上面架设地梁，铺上木板，构成架空的居住面，在四周排起密密的木桩作墙，然后立柱架梁盖顶

16、。这种底层高于地面，即防潮又能防止野兽侵袭的“干栏式”建筑是我国南方传统木构建筑的祖源，至今华南有些地区仍存在。建筑上尤其值得称道的是在两构件垂直相交的节点采用榫卯技术，把我国应用榫卯技术的历史推前了3000多年。7000年前的河姆渡先民在当时还没有金属工具的生产条件下。仅以粗劣的石器和骨器，创造了多达十余种形式的榫卯，令人惊叹不已。这种木结构建筑设计之科学，规模之宏大，不仅为我国所罕见，也是人类文化史上最早的杰作，被考古学家称之为7000年前的奇迹。,世界上最发达的耜(si)耕农业栽培水稻在先后两次大规模考古发掘中，第四文化层较大面积范围内，分布着稻谷、稻壳、秕谷、稻草、茎叶、木屑碎渣等交互

17、混杂的堆积层，厚度从10一40厘米不等，最厚处达7080厘米。稻谷、谷壳、稻叶、米粒保存较好，出土时稻秆、稻叶和稻谷与秕谷推断。河姆渡遗址出土的稻谷和谷壳，换算出稻谷当在12吨以上。这是何等惊人的数字。出土的稻谷数量之大，保存之好，不仅堪称全国第一，就是在世界史前遗址中也是十分罕见的。 伴随出土的代表农具是骨耜，有170余件。骨耜大部分取材于大型偶蹄哺乳动物（如水牛、水鹿和四不象）的肩胛骨。在耜柄、耜面钻孔，用藤条或绳索把木棒与骨耜捆紧做成后世称为“耒(lei/)耜”的农具。由于长期使用刃部十分光滑。磨损严重，特别是中间作为刃部的扁蒲扇面，磨蚀破损尤甚。从国内外有关骨耜（骨铲、骨锻）的考古发现

18、来看以河姆渡第四文化层所出骨耜年代最早、制作最精，而且数量也最多，堪称世界第一。稻谷和骨耜的发现，生动地告诉我们：当时先民们在这一大片土地上撒下谷种，就是用这种农具进行耕作。他们手执耒耜，开田翻土、引水灌溉，辛勤耕作、同时还出土了动物肋骨制作的一面磨成锯齿状的骨镰、中耕农具鹤顶锄和谷物加工工具木杵等，反映了在7000年前。生活在我国东南沿海一带的先民们已经脱离了“刀耕火种”的落后状态、发展到使用成套稻作生产工具、普遍种植水稻的阶段，耕作农业已成为当时主要的生产活动、河姆渡文化稻作农业的耕作形态堪称世界上最为先进发达的耜耕农业。,其作法是：先凿竖井探明水脉（含水层），然后沿水脉向上游和下游，挖掘

19、一长排竖井。竖井间距一般在上游为80100m；下游每隔1020m个。竖井的深度，向下游逐渐减小。各个竖井之间的地层挖通成为高约2m宽约1m的卵形暗渠。暗渠长度不一，最长可达30km。由于水在地下暗渠中流动，避免了蒸发并减少了渗漏。暗渠水流近田庄始流出地面。明渠末端，往往建有涝坝（小蓄水池），供蓄水灌溉。,坎儿井利用地面坡度引取地下水自流灌溉。由竖井、暗渠、明渠、涝坝四部份组成。竖井，主要是为挖暗渠和维修时人出入及出土用的。竖井口长1米，宽07米。暗渠是坎儿井的主体，高约1.6米，宽约0.7米。明渠，就是暗渠出水口至农田之间的水渠。涝坝，就是暗渠出水口，修建一个蓄水池，积蓄一定水量，然后灌溉农田

20、。,含,水,层,龙首渠 为陕西古代引北洛水的灌溉工程，中国历史上第一条地下井渠引水工程，是现今洛惠渠的前身。位于澄城、大荔一带，创建于汉武帝元狩三年至元鼎六年(公元前120前111)，因施工中发现大量化石（古人称之为龙骨）而得名。今日洛惠渠位于陕西关中东部,灌溉大荔、蒲城、澄城三县77.69万亩良田沃土,其管理先进,效益显著,驰名国内,蜚声海外。据史记河渠书记载,汉武帝元狩年间(公元前122年),汉武帝采纳了庄熊罴奏本,发卒万余人,自徵(今澄城县)开渠引洛河之水,修渠之商颜山(今铁镰山)下,遇到渠岸经常崩塌等重重困难,乃改为凿井,最深的井有40多丈,凿打了许多竖井,井下相通行水,工程成功了,渠

21、水下流通过了绵绵商颜山,又沿塬边东行了十余里,沿途灌溉农田,井渠之法自此始。龙首渠前后施工10多年，虽曾能灌水，但未能收到预期实效。北周保定二年(562)又曾重开龙首渠。唐代也曾在这一带引洛水和黄河水，并利用朝邑县北的通灵陂调蓄，灌溉2000多顷稻田。1950年建成洛惠 渠，引洛水灌溉50万亩农田。,自贡盐井燊海井 自贡以盛产井盐著称，已有 2000多年开采井盐的历史，创造了许多凿井技术与工艺。燊海井 (燊，音“深”shen)位于四川省自贡市大安区长堰塘，清 道光十五年(1835)采用中国自宋代以来的传统技术冲击 顿钻法凿成一井深达 1001.42米，是当时世界上第一口 超千米盐井，居世界钻井

22、技术领先地位。该井为一口天 然气和黑卤同采的高产井。投产初期，日产黑卤百余担， 天然气8500多立方米，100 多年以后仍不失其经济价值， 是研究中国古代科技成就和发展的实物资料。1988年中华人民共和国 国务院公布为全国重点文物保护单位。,国土资源部自2000年开始，组织开展了新一轮全国地下水资源评价工作，评价成果：全国地下水天然资源量多年平均为9235亿立方米，其中地下淡水资源量为8837亿立方米，约占全国水资源总量的33，其中山区为6500亿立方米，平原为2300亿立方米；全国地下淡水多年平均可开采量为3527亿立方米，其中山区为2000亿立方米，平原为1500亿立方米。 最近20年来，

23、全国地下水开采量平均以每年25亿立方米的速度增加，地下水占总供水量的比例已从1980年的14.0增长到2000年的19.8。全国有400多个城市开采利用地下水，在城市用水总量中，地下水占30。目前我国地下水利用量占全国水资源利用量的16，已勘查评价的集中供水水源地约1400多处，其中已开采近1000处，日开采量近1亿立方米。依靠地下水供水的城市达400多个，占全国城市总数的60。其中北方城市以开采地下水为主，华北、西北城市利用地下水的比例分别高达72和66。,我国地下水资源及其开发,Estimates of water use in the United States indicate tha

24、t about 408 Bgal/d (=15.44108m3/d ) were withdrawn for all uses during 2000. This total has varied less than 3 percent since 1985 as withdrawals have stabilized for the two largest uses-thermoelectric power and irrigation. Fresh ground-water withdrawals (83.4 Bgal/d) during 2000 were 14 percent more than during 1985.