地下水概论地下水概论水文地质学基础水文地质学基础班级：班级：042072学时：学时：2424主讲：刘延锋主讲：刘延锋时间：时间：20102010年年9 9月月-10-10月月2水文地质学基础水文地质学基础教材教材l水文地质学基础水文地质学基础王大纯，张人权等，地质出版社，王大纯，张人权等，地质出版社，1995.1995.l水文地质学基础实验实习教程水文地质学基础实验实习教程梁杏，郭会荣梁杏，郭会荣. .地质出版社，地质出版社，2009.2009.http:/jpkc.cug.edu.cn/2007jpkc/swdzxjc4/3水文地质学基础水文地质学基础课程安排课程安排l上课：上课：16个学时个学时包括实习：等水位线图的绘制包括实习：等水位线图的绘制星期一星期一12节：教一楼节：教一楼206星期三星期三12节：教一楼节：教一楼505最后一次课：总复习最后一次课：总复习l实验：实验：4次（次（8学时）学时）孔隙与水、达西渗流实验、潜水模拟演示、承压水模孔隙与水、达西渗流实验、潜水模拟演示、承压水模拟演示拟演示实验室：水工楼实验室：水工楼105室室4水文地质学基础水文地质学基础学习引导学习引导l以自学为主以自学为主l注重概念的含义：灵活掌握概念，并能熟练的注重概念的含义：灵活掌握概念，并能熟练的应用概念来分析问题应用概念来分析问题l掌握基本技能：绘制并分析流网、水文地质条掌握基本技能：绘制并分析流网、水文地质条件分析件分析5水文地质学基础水文地质学基础课程导学课程导学l绪言：掌握地下水功能，并能举例说明绪言：掌握地下水功能，并能举例说明l第一章：水文循环的概念、气象水文要素的含第一章：水文循环的概念、气象水文要素的含义义l第二章：岩石中空隙的类型、空隙大小的影响第二章：岩石中空隙的类型、空隙大小的影响因素、空隙多少的衡量及影响因素；岩石中水因素、空隙多少的衡量及影响因素；岩石中水的存在形式；容水度、含水量、给水度、持水的存在形式；容水度、含水量、给水度、持水度、透水性的含义及其度量单位、测定方法和度、透水性的含义及其度量单位、测定方法和影响因素，重点是给水度、渗透系数。课下加影响因素，重点是给水度、渗透系数。课下加强自学。强自学。6水文地质学基础水文地质学基础课程导学课程导学l第三章：掌握包气带的含义、包气带的分带性；第三章：掌握包气带的含义、包气带的分带性；含水层、隔水层和弱透水层的含义，三者之间含水层、隔水层和弱透水层的含义，三者之间的区别，理解含水层定义的相对性，岩层渗透的区别，理解含水层定义的相对性，岩层渗透性的时空尺度问题；不同埋藏条件和含水介质性的时空尺度问题；不同埋藏条件和含水介质类型下的地下水类型；掌握潜水和承压水的概类型下的地下水类型；掌握潜水和承压水的概念，熟悉描述潜水和承压水的一些要素指标；念，熟悉描述潜水和承压水的一些要素指标；掌握潜水和承压水的主要特点，理解潜水和承掌握潜水和承压水的主要特点，理解潜水和承压水的转换。压水的转换。7水文地质学基础水文地质学基础课程导学课程导学l第四章：掌握达西定律的含义，能够写出不同第四章：掌握达西定律的含义，能够写出不同形式的数学表达；理解不同流速的含义及之间形式的数学表达；理解不同流速的含义及之间的关系；掌握渗透系数的影响因素，了解不同的关系；掌握渗透系数的影响因素，了解不同介质的渗透系数的数量级。掌握流网的特点，介质的渗透系数的数量级。掌握流网的特点，能够绘制流网，并能够分析流网，并根据流网能够绘制流网，并能够分析流网，并根据流网进行水文地质计算（计算水力梯度、流速、流进行水文地质计算（计算水力梯度、流速、流量等）。量等）。8水文地质学基础水文地质学基础课程导学课程导学l第五章：掌握毛细现象及其实质，了解毛细势第五章：掌握毛细现象及其实质，了解毛细势的含义，毛细带中的水分剖面分布。的含义，毛细带中的水分剖面分布。l第六章：了解地下水中的主要离子组成，会写第六章：了解地下水中的主要离子组成，会写库尔洛夫表达式，掌握地下水化学成分形成库尔洛夫表达式，掌握地下水化学成分形成的七种主要作用，了解地下水化学成分的基本的七种主要作用，了解地下水化学成分的基本成因类型，能够写出舒卡列夫类型，了解成因类型，能够写出舒卡列夫类型，了解PiperPiper图的绘制方法，并能够读图。本章以自图的绘制方法，并能够读图。本章以自学为主。学为主。9水文地质学基础水文地质学基础课程导学课程导学l第七章：掌握地下水的补给类型，大气降水补第七章：掌握地下水的补给类型，大气降水补给的活塞式和捷径式的特点与区别；影响大气给的活塞式和捷径式的特点与区别；影响大气降水补给的因素；河流与地下水之间的相互作降水补给的因素；河流与地下水之间的相互作用特点；地下水的排泄类型，泉的类型及其特用特点；地下水的排泄类型，泉的类型及其特点，能够判断泉的类型，能够绘制泉域的流网点，能够判断泉的类型，能够绘制泉域的流网以及泉流量的变化规律；了解地下水基流分割以及泉流量的变化规律；了解地下水基流分割的方法；蒸发和蒸腾的特点与主要影响因素。的方法；蒸发和蒸腾的特点与主要影响因素。10水文地质学基础水文地质学基础课程导学课程导学l第八章：掌握地下水系统的概念，地下水含水第八章：掌握地下水系统的概念，地下水含水系统的组成特点、地下水流动系统概念的发展，系统的组成特点、地下水流动系统概念的发展，能够绘制不同条件下的河间地块的流网的特点能够绘制不同条件下的河间地块的流网的特点（不同河水位、不同降雨强度、不同岩性、不（不同河水位、不同降雨强度、不同岩性、不同地表覆盖条件），能够利用地下水流动系统同地表覆盖条件），能够利用地下水流动系统分析地下水化学组成的变化规律。分析地下水化学组成的变化规律。11水文地质学基础水文地质学基础课程导学课程导学l第九章：了解地下水动态的影响因素，掌握地下水第九章：了解地下水动态的影响因素，掌握地下水均衡发概念及其数学表达，能够写出某一区域的地均衡发概念及其数学表达，能够写出某一区域的地下水系统的均衡表达式。下水系统的均衡表达式。l第十章、十一章、十二章：掌握盆地孔隙水系统的第十章、十一章、十二章：掌握盆地孔隙水系统的空间分布、断层的水文地质意义、岩溶发育的基本空间分布、断层的水文地质意义、岩溶发育的基本条件；各种水的特点。条件；各种水的特点。l第十三章：掌握地下水的资源特性，主要的特点，第十三章：掌握地下水的资源特性，主要的特点，储存资源和补给资源的概念和含义。储存资源和补给资源的概念和含义。l第十四章：地下水污染的含义以及过度开发引起的第十四章：地下水污染的含义以及过度开发引起的主要环境问题。主要环境问题。12水文地质学基础水文地质学基础实验实验l四个实验四个实验l实验前要认真预习，了解实验的意义，实验过实验前要认真预习，了解实验的意义，实验过程程l实习过程中要认真，严格遵循实验步骤，注意实习过程中要认真，严格遵循实验步骤，注意仪器安全，特别是玻璃器皿仪器安全，特别是玻璃器皿l实验结束后，把实验室整理好实验结束后，把实验室整理好l按时完成实验报告，包括思考题按时完成实验报告，包括思考题13水文地质学基础水文地质学基础考试考试l闭卷：考试以概念的灵活应用为主。闭卷：考试以概念的灵活应用为主。l题型：填空、判断、分析、绘图题型：填空、判断、分析、绘图l占总成绩的占总成绩的50%绪论绪论0.1 0.1 基本概念基本概念0.2 0.2 地下水的功能地下水的功能0.3 0.3 学科体系学科体系0.4 0.4 学科发展史学科发展史0.5 0.5 学科发展趋势学科发展趋势0.6 0.6 工程应用工程应用15水文地质学基础水文地质学基础0.1 基本概念基本概念水文地质学（水文地质学（Hydrogeology） 研究研究地下水地下水的科学。它研究与岩石圈、水圈、大气圈、的科学。它研究与岩石圈、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分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分布特征和迁移转化规律，并研究如何运用这些特征和规律去布特征和迁移转化规律，并研究如何运用这些特征和规律去兴利除害，为人类服务。（王大纯）兴利除害，为人类服务。（王大纯） 研究自然环境和人类活动影响下，地下水的数量与质量研究自然环境和人类活动影响下，地下水的数量与质量在时间和空间上的变化规律，为合理利用地下水及有效消除在时间和空间上的变化规律，为合理利用地下水及有效消除地下水的危害提供科学依据。地下水的危害提供科学依据。 研究地下水的形成、分布、运动规律、物理和化学性质研究地下水的形成、分布、运动规律、物理和化学性质以及同其他水体的相互关系的科学。（全国科学技术名词审以及同其他水体的相互关系的科学。（全国科学技术名词审定委员会，水利科技名词，定委员会，水利科技名词，1997）16水文地质学基础水文地质学基础HydrogeologyMead(1919) defined hydrogeology as “the study of the occurrence and movement of subterranean waters”.Meinzer(1923) used the term geohydrology to describe in principle the same physical processHydrogeology is “the study of the occurrence，movement and chemistry of groundwater in its geological environment” 17水文地质学基础水文地质学基础0.1 基本概念基本概念地下水（地下水（GroundwaterGroundwater，Subsurface WaterSubsurface Water） 地下水是指赋存于地面以下岩土空隙中的水，包地下水是指赋存于地面以下岩土空隙中的水，包气带及饱水带中所有含于岩石空隙中的水均属之。气带及饱水带中所有含于岩石空隙中的水均属之。（广义）（广义） (Subsurface water) 地下水仅指赋存于饱水带岩土空隙中的水。地下水仅指赋存于饱水带岩土空隙中的水。（狭义）（狭义） (Ground water)广义广义：研究：研究地下水圈地下水圈的科学。的科学。狭义狭义：研究：研究地下水地下水的科学。的科学。水文地质学地下水圈包括地壳浅部岩石空隙中的水以及地球深部层圈中的水。18水文地质学基础水文地质学基础0.2 地下水的功能地下水的功能宝贵的资源宝贵的资源生态环境因子（灾害因子）生态环境因子（灾害因子）地质营力地质营力信息载体信息载体19水文地质学基础水文地质学基础0.2.1 资源（资源（resource）供水水源：供水水源：分布广，变化稳定，水质好不易污染。分布广，变化稳定，水质好不易污染。目前，目前，世界上陆地的一半为干旱、半干旱地区世界上陆地的一半为干旱、半干旱地区，1/3耕地，耕地，2/3牧区水源不足。牧区水源不足。20世纪世纪80年代以来，我国城市缺水愈来愈严重，全国年代以来，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水资源短缺问题更严重, 水资源紧缺严重制约着国民水资源紧缺严重制约着国民经济的可持续发展。经济的可持续发展。人均水资源量人均水资源量(m(m3 3) ) 北方北方990m3全国全国2140m3温带国家中度缺水的上限为温带国家中度缺水的上限为2000m3缺水警戒线缺水警戒线1700m320022002年，吴季松年，吴季松中国缺水达到什么程度中国缺水达到什么程度根据联合国标准根据联合国标准21水文地质学基础水文地质学基础0.2.1 资源（资源（resource）矿产资源：矿产资源：地下水高含盐类或稀有元素，具工业开采价值地下水高含盐类或稀有元素，具工业开采价值工工业矿水业矿水。四川自贡的卤水矿。四川自贡的卤水矿。医疗或健身功能的矿水医疗或健身功能的矿水。 温泉、天然矿泉水、啤酒厂温泉、天然矿泉水、啤酒厂等需特殊功能的水资源。等需特殊功能的水资源。地下热能利用地下热能利用。 地球浅层是常温带地球浅层是常温带可以保温。可以保温。 地球是个天然热库地球是个天然热库可以供热，发电等。可以供热，发电等。22水文地质学基础水文地质学基础0.2.2 生态环境因子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的变化会影响生态环境的天然平衡 有害的例子：有害的例子：l农业用水不当产生土壤沼泽化、盐渍化农业用水不当产生土壤沼泽化、盐渍化l过量开采造成地下水位下降从而引起土壤砂化、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，荒漠化，生态环境恶化等。如河西走廊的民勤县，绿州沙漠化。绿州沙漠化。l过量开采地下水造成地面沉降（上海、天津）、过量开采地下水造成地面沉降（上海、天津）、地面塌陷，海水入侵，地下水水质恶化等。地面塌陷，海水入侵，地下水水质恶化等。23水文地质学基础水文地质学基础地下水与其周围的环境，是相互依存的、有着内在联系的统一地下水与其周围的环境，是相互依存的、有着内在联系的统一体，打破一个环节就会引起或正或负的反馈体，打破一个环节就会引起或正或负的反馈( (报复报复) )。与地下水有关的地质灾害与地质环境问题都需要水文地质学知与地下水有关的地质灾害与地质环境问题都需要水文地质学知识来解决！识来解决！24水文地质学基础水文地质学基础 传递应力：传递应力：水库诱发地震等（通过观测地下水动态监测预报地震）水库诱发地震等（通过观测地下水动态监测预报地震）有地下水的作用会加剧地质灾害的发生，如滑坡有地下水的作用会加剧地质灾害的发生，如滑坡强的溶剂：强的溶剂：某些油田及金属矿带的形成是由于地下水对化学物质的溶某些油田及金属矿带的形成是由于地下水对化学物质的溶解及摄取，然后迁移到适宜的部位沉淀或聚集下来，可作解及摄取，然后迁移到适宜的部位沉淀或聚集下来，可作为找油、找矿的标志。为找油、找矿的标志。0.2.3 地质营力地质营力地下水是一种很活跃的地质营力地下水是一种很活跃的地质营力地下水是一种很活跃的地质营力地下水是一种很活跃的地质营力 地壳内能量与质地壳内能量与质地壳内能量与质地壳内能量与质量的传输者量的传输者量的传输者量的传输者25水文地质学基础水文地质学基础0.2.4 信息载体信息载体 由于地下水是应力传递者，又在流动；由于地下水是应力传递者，又在流动；地下水位、地下水位、水量、水温、水化学成分等的变化或异常可以反映地水量、水温、水化学成分等的变化或异常可以反映地下的许多信息，为找矿、找油、地震火山滑坡预报、下的许多信息，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。地质演变等的研究提供依据。26水文地质学基础水文地质学基础0.3 0.3 水文地质学的学科体系水文地质学的学科体系水文学水文学地质学地质学传统水文地质学传统水文地质学技术方法水文地质学技术方法水文地质学理论水文地质学理论水文地质学应用水文地质学应用水文地质学普通水文地质学普通水文地质学普查勘探水文地质学普查勘探水文地质学专门水文地质学专门水文地质学水水文文地地球球化化学学区区域域水水文文地地质质学学地地下下水水动动力力学学物物探探水水文文地地质质学学钻钻探探水水文文地地质质学学制制图图水水文文地地质质学学遥遥感感水水文文地地质质学学同同位位素素水水文文地地质质学学农农业业水水文文地地质质学学城城市市水水文文地地质质学学矿矿区区水水文文地地质质学学现代水文地质学现代水文地质学水资源水文地质学水资源水文地质学环境水文地质学环境水文地质学水水文文地地质质学学基基础础27水文地质学基础水文地质学基础0.4 0.4 学科发展史学科发展史 三个时期：三个时期：1856年以前的萌芽时期，年以前的萌芽时期，1856年至年至20世世纪中叶的奠基时期，纪中叶的奠基时期，20世纪中叶至今的发展时期。世纪中叶至今的发展时期。l萌芽时期萌芽时期：由逐水而居到凿井取水的大转折：由逐水而居到凿井取水的大转折l奠基时期奠基时期：1856年，达西定律出现，标志可进行地下水年，达西定律出现，标志可进行地下水渗流的定量计算（奠定了水文地质学的基础）渗流的定量计算（奠定了水文地质学的基础）l发展阶段发展阶段：二次世界大战后，科学技术推动生产迅猛发：二次世界大战后，科学技术推动生产迅猛发展及人口急剧增长，需水量越来越大，迫切需要预测开展及人口急剧增长，需水量越来越大，迫切需要预测开采地下水引起的地下水变化。正确地评价、开发、管理采地下水引起的地下水变化。正确地评价、开发、管理与保护地下水资源以及保护与地下水有关的生态环境，与保护地下水资源以及保护与地下水有关的生态环境，成为水文地质学的主要工作。成为水文地质学的主要工作。28水文地质学基础水文地质学基础0.5 0.5 学科发展趋势学科发展趋势1.1.裂隙水及岩溶水供水机制研究裂隙水及岩溶水供水机制研究：渗流理论是在研：渗流理论是在研究空隙水的基础上发展起来的，对于裂隙水及岩究空隙水的基础上发展起来的，对于裂隙水及岩溶水是否完全适用，还有待研究。在此基础上要溶水是否完全适用，还有待研究。在此基础上要进一步弄清这两种水的供水机制。进一步弄清这两种水的供水机制。2.2.粘性土的渗透机制研究粘性土的渗透机制研究：对于松散沉积物，以往：对于松散沉积物，以往集中于研究砂质含水层，而忽视了认为是隔水层集中于研究砂质含水层，而忽视了认为是隔水层的粘性土。越流、地面沉降等，均与粘性土渗透的粘性土。越流、地面沉降等，均与粘性土渗透机制有关。这将进机制有关。这将进步了解结合水的特性与运动步了解结合水的特性与运动规律。规律。 29水文地质学基础水文地质学基础0.5 0.5 学科发展趋势学科发展趋势3.3.包气带水盐运移机制研究包气带水盐运移机制研究：地下水的补给，地下：地下水的补给，地下水污染防治以及土壤改良等问题都涉及包气带水。水污染防治以及土壤改良等问题都涉及包气带水。这将促使水文地质学家注意这方面的研究。有关这将促使水文地质学家注意这方面的研究。有关毛细水的研究也将因此而加强。毛细水的研究也将因此而加强。4.4.水文地球化学方向研究水文地球化学方向研究：水文地球化学显然早已：水文地球化学显然早已形成独立的分文，并在某些方向成功地解决了实形成独立的分文，并在某些方向成功地解决了实际问题；但是，在完善现有理论上解决一般水文际问题；但是，在完善现有理论上解决一般水文地质问题方面，还有许多工作要做。地质问题方面，还有许多工作要做。 30水文地质学基础水文地质学基础0.5 0.5 学科发展趋势学科发展趋势5.5.地下水运动基本现论的发展地下水运动基本现论的发展：以往地下水动力学：以往地下水动力学实际上主要研究了地下水水量的传递规律。为了实际上主要研究了地下水水量的传递规律。为了解决地下水污染预测、含水层蓄能、水文地球化解决地下水污染预测、含水层蓄能、水文地球化学找矿等问题，提出了水所携带的物质或热量与学找矿等问题，提出了水所携带的物质或热量与水同步或不同步迁移的问题；因此，今后需要进水同步或不同步迁移的问题；因此，今后需要进一步研究水质点运动机理。一步研究水质点运动机理。 31水文地质学基础水文地质学基础0.6 0.6 工程应用工程应用找水、水资源评价管理找水、水资源评价管理等；等； 采矿采矿：矿山排水，矿坑水的疏干；：矿山排水，矿坑水的疏干； 工程问题工程问题：公路铁路桥梁的选线、勘察、建设；：公路铁路桥梁的选线、勘察、建设；水库、大坝的选址；城市建设中水源地的选择，水库、大坝的选址；城市建设中水源地的选择，城市规划、建设和管理；城市规划、建设和管理； 环境问题环境问题：海水入侵、地面沉降、地下水污染防：海水入侵、地面沉降、地下水污染防治、废物处置、地质灾害勘察、设计与施工；治、废物处置、地质灾害勘察、设计与施工； 农田水利农田水利：土壤盐渍化、沼泽化。：土壤盐渍化、沼泽化。32水文地质学基础水文地质学基础工程应用工程应用 矿矿坑坑(隧隧道）道）涌涌水水或或突突水水33水文地质学基础水文地质学基础工程应用工程应用 矿坑矿坑(隧道）涌水或突水隧道）涌水或突水隧道剖面示意图34水文地质学基础水文地质学基础工程应用工程应用某深基坑工程某深基坑工程汉口某深基坑工程深基坑35水文地质学基础水文地质学基础涉及坝基涉及坝基渗漏、绕渗漏、绕坝渗漏、坝渗漏、库区渗漏、库区渗漏、库岸地下库岸地下水壅水以水壅水以及渠道渗及渠道渗漏等问题漏等问题的定量研的定量研究。究。 水利水电工程中的应用水利水电工程中的应用36水文地质学基础水文地质学基础应用环境负效应应用环境负效应地下水资源枯竭、泉水消失地下水资源枯竭、泉水消失 趵突泉 37水文地质学基础水文地质学基础 地面沉降应用环境负效应应用环境负效应38水文地质学基础水文地质学基础1975-19801980-19951995-2000肃宁肃宁沧州沧州黄骅黄骅19721972-19759.2148.6669.9990.4195.69沧州市深层水位降落漏斗沧州市深层水位降落漏斗河北沧州地河北沧州地裂缝长裂缝长4km4km 地裂缝地裂缝应用环境负效应应用环境负效应39水文地质学基础水文地质学基础明渠排水明渠排水暗管排水暗管排水应用应用排水工程排水工程40水文地质学基础水文地质学基础应用应用环境工程环境工程41水文地质学基础水文地质学基础小结小结掌握地下水和水文地质的概念掌握地下水和水文地质的概念理解地下水的主要功能理解地下水的主要功能了解水文地质的发展史和趋势了解水文地质的发展史和趋势了解水文地质在工程中的应用了解水文地质在工程中的应用