水文地质学基础-绪论

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1、地下水科学与工程教研室,水文地质学基础 Fundamentals of Hydrogeology,第一章 绪 论,1.1 地球上的水与水资源 1.2 地下水的功能（作用） 1.3 水文地质学的研究对象与内容 1.4 水文地质学的形成与发展 1.5水文地质学课程开设意义,地下水 赋存于地面以下岩石空隙中的水。,1.1.1 地球上的水与水资源：量的概念,1.1 地球上的水与水资源,冰冻积雪,地下水,河湖水,淡水 2.5%,咸水,1.1 地球上的水与水资源,1.1.2 地球上的水与水资源：存在形式,存在形式： 江、河、湖、海、渠、库、塘等洼地 地表水 水 圈大气层 大气水 大气圈生物体内 生物水 生

2、物圈 地壳浅部（十几km，主要12km） 地下水 岩石圈矿物结晶格架 地下水 岩石圈岩浆源 地下水 岩石圈地幔带 地下水 岩石圈,地下水圈从地表到地幔带各个层圈所构成的具有一定水力联系的统一的含水整体。,1.1 地球上的水与水资源,水循环：地球上各个层圈系统内的水相互联系、相互转化的过程。,水循环包括水文循环和地质循环,水文循环是指发生于大气水、地表水和地下水之间的水循环。,特点：循环速度快、水交替迅速、强烈，水质更新较快,水文循环分类： 路径不同：大循环（海-陆）和小循环（海-海或陆-陆） 时空尺度：全球水文循环，流域水文循环，水-土-生系统,海洋,蒸发,降水,蒸发,陆地,蒸发,水文循环的作

3、用：,通过循环水的质量得以净化、水的数量得以再生。 水资源不断更新与再生，可以保证在其再生速度水平上的永续利用也是可持续发展保证。,特点：循环时间漫长、缓慢,地质循环：发生于大气圈到地幔之间的水分交换称为水的地质循环。,水自然界存在，自然属性 不断循环运动 良好的溶剂，重要的载体 （物质和热量） 水具有能量 水人类生存、社会经济发展不可或缺，社会属性 生命之源，是地球系统的“血液” 旱灾、水灾、水污染，对人类发展不协调 水资源可再生，但，水资源有价值（价值规律） 水资源管理不当，成为社会不稳定因素之一,1.1.3 地球上的水与水资源：重要性,1.1 地球上的水与水资源,1.1.4 地球上的水与

4、水资源：我国水资源概况,中国的大气降水与水资源分带 中国的人口密度与分省人均淡水资源 我国是世界上最缺水的13个国家之一 人均水资源占有量仅为世界平均值的1/4,1.1 地球上的水与水资源,中国的大气降水,1.1 地球上的水与水资源,Company Logo,我国各省人均淡水资源,1.1 地球上的水与水资源,1.2 地下水的功能和作用,基本功能:宝贵自然资源生态环境因子地质营力地球内部信息载体灾害因子,19,1.2.1 地下水是一种宝贵的资源（resources）,（1）供水水源,分布广泛 便于就地开采使用 水质普遍较优 动态比较稳定 供水量受气候变化影响较小,1.2 地下水的功能和作用,世界

5、陆地为干旱、半干旱区占50%，1/3耕地，2/3牧区水源不足。某些阿拉伯国家进口雨水，中东由于石油和水而长期摩擦20世纪80年代以来，我国城市缺水愈来愈严重，全国600个城市，一半存在不同程度的缺水；华北、西北水资源短缺问题更严重,1995年以来，我国开始在西北一些边远地区找水。水资源紧缺严重制约着国民经济的可持续发展。,1.2.1 地下水是一种宝贵的资源（resources）,1.2.1 地下水是一种宝贵的资源（resources）,1.2 地下水的功能和作用,22,（2） 液体矿产 地下水高含盐类或稀有元素，具工业开采价值。如四川自贡三叠纪岩层中的卤水含盐300g/L。,中国最古老井：自贡

6、 燊（shn ）海盐卤井,1.2.1 地下水是一种宝贵的资源（resources）,1.2 地下水的功能和作用,(3)医疗或健身功能的矿水。疗养院、天然矿泉水厂、啤酒厂等需特殊功能的水资源。 (4)地下热能利用地球是个天然热库可以供热，发电等。,1.2.1 地下水是一种宝贵的资源（resources）,火山岩区矿泉水,高温地热,1.2 地下水的功能和作用,生态湿地,1.2.2 地下水是极其重要的生态环境因子,地下水的变化会影响生态环境的天然平衡地下水与环境相互依存，打破一个环节就会引起反馈打破原有生态平衡 ，会使环境发生变化。,1.2 地下水的功能和作用,过量开采地下水造成地面沉降，地面塌陷，

7、海水入侵，地下水水质恶化等。,1.2.2 地下水是极其重要的生态环境因子,1.2 地下水的功能和作用,农业用水不当产生土壤沼泽化、盐渍化过量开采造成地下水位下降从而引起土壤砂化、荒漠化，生态环境恶化等。如河西走廊的民勤县，绿州沙漠化,地下水利用产生的环境问题：沙化荒漠化加重,1.2.2 地下水是极其重要的生态环境因子,1.2 地下水的功能和作用,济南的泉水,1.2.2 地下水是极其重要的生态环境因子,1.2 地下水的功能和作用,地质作用过程,1.2.3 地下水是活跃的地质营力,1.2 地下水的功能和作用,地下水是地壳内的应力传递者,1.2.3 地下水是活跃的地质营力,1.2 地下水的功能和作用

8、,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,1.2.3 地下水是活跃的地质营力,1.2 地下水的功能和作用,1.2.4 地下水是地球内部地质演变的信息载体,地下水位、水量、水温、水化学成分等的变化反映地下信息，为找矿、找油、地震火山滑坡预报、地质演变等的研究提供依据。,1.2 地下水的功能和作用,油,气,水,断层气,承压水,水位、流量、水温、气体、化学组分,油井动态,油气产量、油气比、井口压力,二氧化碳、氡、汞、氢、氦,地震前兆观测中地下流体测项,1.2.4 地下水是地球内部地质演变的信息载体,1.2 地下水的功能和作用,张道口井水位的固体潮效应,日月引起的地壳岩

9、石的固体潮变化量级（3.3910-8），反映到井水位上变化幅度可达30cm。封闭性较好的深井水位能明显地反映地下含水岩体的微小变形，其灵敏度可达到或超过10-10。利用地下水位潮汐分析研究地球的固体潮及地壳应力应变，使地下水位观测成为探索地震前兆的重要手段。,1.2.5 地下水是重要的灾害因子（致灾因素）,1.2 地下水的功能和作用,36,1.2.5 地下水是重要的灾害因子（致灾因素）,地下水难污染，但污染后不良后果很难消除。“三废排放”；地下采矿和各种地下工程；地下水位上升、下降；地下水流迅速渗流。,1.2 地下水的功能和作用,（1）地下水污染与医学环境地质学,石油污染,砷中毒,地方病,Co

10、mpany Logo,,地下水开采利用产生的环境问题：地下水污染,地下水污染主要分布在城区附近和地表水污染严重的地区,（2）海（咸）水入侵,过量开采地下水将引起海水倒灌,1.2.5 地下水是重要的灾害因子（致灾因素）,1.2 地下水的功能和作用,（3）地下水过度开采造成的地面沉降,1.2.5 地下水是重要的灾害因子（致灾因素）,1.2 地下水的功能和作用,巨厚松散层堆积地区（如华北平原）地面变形破坏。,上海的地面沉降城市防洪设施标准降低，外滩防洪挡水墙越筑越高。,1.2.5 地下水是重要的灾害因子（致灾因素）,1.2 地下水的功能和作用,（4）饱和砂土振动液化,1.2.5 地下水是重要的灾害因

11、子（致灾因素）,1.2 地下水的功能和作用,1.2.5 地下水是重要的灾害因子（致灾因素）,1.2 地下水的功能和作用,绵竹市土门镇麓堂村沙土液化喷水冒沙、地面陷落现象,直径3m,深度12-13m,地裂缝，喷水冒沙,1.2.5 地下水是重要的灾害因子（致灾因素）,1.2 地下水的功能和作用,滑坡,（5）裂隙孔隙水压作用、坡体含水量增加等因素触发斜坡变形与破坏,1.2.5 地下水是重要的灾害因子（致灾因素）,1.2 地下水的功能和作用,（6）地下洞室、巷道等涌水、突水。,井下作业,岩溶突水,1.2.5 地下水是重要的灾害因子 （致灾因素）,（7）大型水利水电工程中的环境地质问题,美国胡佛水库,1

12、.2.5 地下水是重要的灾害因子（致灾因素）,1.2 地下水的功能和作用,（8）核燃料废料环境污染,1.2.5 地下水是重要的灾害因子（致灾因素）,1.2 地下水的功能和作用,城市垃圾堆放对地下水的污染,地下水的基本功能:宝贵的自然资源重要的生态环境因子灾害因子 活跃的地质营力地球内部信息载体,水文地质学研究地下水的科学。内容：研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律，并研究如何运用这些规律去兴利除害，为人类服务。,1.3 水文地质学的研究对象与内容,55,1.3 水文地质学的研究对象与内容,56,1.3 水文地质学的研究对象与内容,57,水文地质

13、学的发展历史，划分为三个阶段 ：,萌芽阶段（1856年以前）； 奠基阶段（195620世纪中叶） 发展时期（ 20世纪中叶至今）,1.4 水文地质学的形成与发展,58,（1）萌芽时期：由逐水而居到凿井取水大转折距今5600年，浙江余姚河姆度井；公元前7世纪，亚美尼亚坎儿井；公元前200年，四川自流井。法国帕利斯，珀若，马里奥特和中国徐光启先后提出井泉的水来源与降水或与河水有联系的观点。,1.4 水文地质学的形成与发展,坎儿井,地下水的利用坎儿井，近3000年历史,1.4 水文地质学的形成与发展,坎井儿,60,（2）奠基时期： 1856年，达西定律-地下水定量计算奠定了水文地质学的基础。 185

14、6年，法国水力工程师达西得到达西定律； 1863年，法国人裘布依提出地下水稳定井流公式 1886年，奥地利的希福海默绘制地下水流网； 1935年，美国人泰斯得出地下水非稳定流方程泰斯公式； 20世纪世纪30年代怀可夫与马斯卡特等进行地下水模型模拟；20世纪世纪30年代，对地下水的起源提出了一些新的看法，对矿水的利用进一步发展等。20世纪40年代到60年代，雅可布及汉图什发现弱透水层；,1.4 水文地质学的形成与发展,61,（3）发展阶段：二次世界大战战后，科学技术推动生产力迅猛发展以及人口的急剧增长，大规模开采地下水，一些水文地质现象开始受到人们注意。 60年代，加拿大籍匈牙利水文地质学家托特

15、提出越流；1954年，博尔顿发现潜水位下降过程中非饱和带滞后释水现象；1956年，斯图尔曼将数值法应用于水文地质计算；60年代，华尔顿将计算机引入水文地质计算近年来，地理信息系统开始应用。,1.4 水文地质学的形成与发展,62,转变时期：核心内容的转变，可持续发展观的提出 核心课题转移：找水水文地质学资源生态环境 视野扩展：含水层地下水系统水文-生态环境技术-社会系统。 目标改变：由当前的问题转向长期的可持续发展 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 思路的改变：从求从成生角度，加强过程与机理研究 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 服务方式转变：方式发生了很大改变，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,