《水文地质学》复习资料1

'水文地质学基础张才紫金矿业集团东南地勘分公司2011年1月2011年1月 绪言1、水文地质学是一门研究地下水的科学。它研究岩石圈、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。2、水文地质学的任务(1).正确地预测在人类活动干预下地下水的变化(2).正确地评价、开发、管理与保护地下水资源(3).保护与地下水有关的生态环境，成为当务之急(4).正确地预测矿产开发的地下水问题，避免地下水害2011年1月 绪言3、相关学科(1).从水文循环来看地球上的水资源是个整体，研究地下水科学需要与相关学科相结合：《地质学（普通）》、《第四纪地质学》、《自然地理学》、《陆地水文学》、《水文气象学》等相关知识参考（2）.与工程应用角度《水资源开发工程》、《土质土力学》、《岩体力学》、工程地质学等（3）.后续课程《地下水动力学》《水文地球化学》《水资源开发与保护》、《专门水文地质学》等基础类、应用类和技术方法类课程2011年1月 绪言4、水文地质学的发展史水文地质学的发展大体可以划分为三个时期：（1）1856年以前的萌芽时期。1855年，法国水力工程师达西，进行了水通过砂的渗透试验，得出线性渗透定律，即著名的达西定律，奠定了水文地质学的基础。1863年，法国裘布依以达西定律为基础，提出计算潜水流的假设和地下水流向井的稳定流公式。1885年，英国的张伯伦确定了自流井出现的地质条件。奥地利福希海默在1885年制出了流网图并开始应用映射法。（2）1856年至本世纪中叶的奠基时期。19世纪末20世纪初，对地下水起源又提出了一些新的学说。奥地利修斯于1902年提出了初生说。美国莱恩、戈登和俄国安德鲁索夫在1908年分别提出在自然界中存在与沉积岩同时生成的沉积水。1912年德国凯尔哈克提出地下水和泉的分类，总结了地下水的埋藏特征和排泄条件。美国迈因策尔于1928年提出了承压含水层的压缩性和弹性。他们为水文地质学的形成作出了重要贡献。泰斯于1935年利用地下水非稳定流与热传导的相似性，得出了地下水流向水井的非稳定流公式即泰斯公式，把地下水定量计算推进到了一个新阶段。20世纪中叶，苏联奥弗琴尼科夫和美国的怀特在水文地球化学方面作出了许多贡献。到第二次世界大战结束时，在地下水的赋存、运动、补给、排泄、起源以至化学成分变化、水量评价等方面，均有了较为系统的理论和研究方法。水文地质学已经发展成为一门成熟的学科了。（3）本世纪中叶至今的发展时期。1946年起，雅可布和汉图什等论述了孔隙承压含水层的越流现象。英国博尔顿和美国的纽曼分别导出了潜水完整井非稳定流方程。2011年1月 绪言5、水文地质学相关学科地下水动力学、　　水文地球化学、供水水文地质学、矿床水文地质学、农业水文地质学、区域水文地质学、古水文地质学以地质学为基础，同时又与岩石学、构造地质学、地史学、地貌学、第四纪地质学、地球化学等学科关系密切。工程地质学是与水文地质学是同时相应发展起来的，因此两者有不少内容相互交叉。地下水积极参与水文循环，一个地区水循环的强度与频率，往往决定着地下水的补给状况。因此，水文地质学与水文学、气象学、气候学有密切关系，水文学的许多方法也可应用于水文地质学。地下水运动的研究，是以水力学、流体力学理论为基础的，并应用各种数学方法和计算技术。2011年1月 绪言6、什么叫地质学地质学（geology）是关于地球的物质组成、内部构造、外部特征、各层圈之间的相互作用和演变历史的知识体系。是研究地球及其演变的一门自然科学。7、什么叫水文学水文学英文名称：（hydrology）定义：(1)研究地球陆地表面以上和以下水的发生、循环和时空分布，它们的生物、化学和物理特性，及它们对环境的反作用(包括它们与生物的关系)一门学科。(2)研究陆地水资源减少与补充的各种支配过程以及水分循环的各阶段的一门学科。2011年1月 绪言8、水文学及其研究内容（1）.水文学早期的水文学主要是对自然界中的水现象进行描述。随着科学的发展，水文学已经成为一个学科体系，即水文科学。不同的国家、不同的部门对水文学的定义也不尽相同。国际水文科学协会（IAHS）对水文学的目标和任务的定义是：“研究地球上水文循环和大陆上各种水，如地表水和地下水，雪和冰川及其物理的、化学的和生物学的变化过程；各类形态的水与气候及其他物理的和地理的因素间的关系，以及它们之间的相互作用；研究侵蚀和泥沙同水文循环的关系；检验在水资源管理和利用中的水文问题；以及在人类活动影响下水的变化。”《中国大百科全书》中定义为：“水文科学是地球上水的起源、存在、分布、循环、。运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系，水圈同大气圈、岩石圈和生物圈等自然圈层的关系也是水文科学的研究领域。”美国国家研究院水科学技术局与其他国家一些部门也有各自的定义。概括起来，水文学是研究自然界中各种水体的形成、分布、循环和与环境相互作用规律的一门科学。应用水文学原理解决工程问题、环境问题和水资源问题，水文学在现代社会的发展中正在发挥着愈来愈显著的作用。2011年1月 绪言2）.水文学研究内容水文学研究自然界中水体形成、时空分布、循环和与环境相互作用的关系，为人类防治洪涝灾害，合理开发利用水资源，提供科学依据。从给水排水工程和环境工程的角度来看，随着水资源开发利用的规模日益扩大，人类活动对水环境的影响明显增强，大规模的人类活动干扰了自然界的水循环过程，改变着各个水体的性质。水情预测与水灾防治，水资源的合理开发利用与保护，都是实施经济社会可持续发展的重要支撑条件。因此，水资源的开发利用和人类活动对水环境的影响研究，已成为现代水文学研究的重要内容。2011年1月 绪言9水文地质学（hydrogeology）主要研究地下水的分布、运动和形成规律，地下水的物理性质和化学成分，地下水资源评价、开发及其合理利用，地下水对工程建设和矿山开采的不利影响及其防治等。随着科学的发展和生产建设的需要，水文地质学又分为区域水文地质学、地下水动力学、水文地球化学、供水水文地质学、矿床水文地质学、土壤改良水文地质学等分支学科。近年来，水文地质学与地热、地震、环境地质等方面的研究相互渗透，又形成了若干新领域，如环境水文地质学、地下水资源管理、同位素水文地质学等。2011年1月 绪言10发展趋势水文地质学的发展趋势是：由主要研究天然状态下的地下水，转向更重视研究人类活动影响下的地下水；由局限于饱水带的含水层，扩展到包气带及“隔水层”；由只研究地壳表层地下水，扩展到地球深层的水。预计今后的水文地质研究，在下列方面将有突破：裂隙水与岩溶水运动机制和计算方法；地下水中污染物和温度运移机制和计算方法；粘性土的渗透机制；包气带水盐运移机制；水文地球化学和同位素水文地质学，地下水数学模型；地球深层水文地质。2011年1月 绪言11课程内容本课主要内容:(1)、水文地质学基本概念概念、名词与术语(2)、水文地质学基本原理地下水形成基本规律——赋存、分布、运动(3)、地下水科学的分析方法微观——以概念为基础的分析方法宏观——地下水系统理论为基础的综合分析(4)、应用分析——概念与原理的掌握思考题:1、为什么说“水资源”是可再生的资源？2、为什么说“水资源”既有自然属性，又有社会属性2011年1月 第一章：地球上的水及其循环1.1地球上的水地球是一个富水的行星。地球上的水不仅存在于大气圈、地球表面、岩石圈和生物圈中，也存在于地球深部的地幔乃至地核中。关于地球上水的起源，曾有多种假说。目前普遍接受的看法是：组成地球水圈的水（包括地表水与地下水）是在原始地壳形成以后，在整个地质时期内从地球内部不断逸出而起源的。地球各个层圈水的分布状况及其存在状态都有很大差别，可以区分为浅部层圈水与深部层圈水两大部分2011年1月 第一章：地球上的水及其循环浅部层圈水从大气圈到地壳上半部属浅部层圈水。其中分布有大气水、地表水、地下水以及生物体中的水，这些水均以自由态H2O分子形式存在，以液态为主，也呈气态与固态存在。据联合国教科文组织资料，不包括生物体中的水与矿物中的水，浅部层圈中水的总体积约为13.86×108km3。若将这些水均匀平铺在地球体表面，水深约为2718m。但其中咸水约占97.47％，淡水只占53％。地球浅部层圈水的分布水体体积（km3）％(2)深层圈水地球深层圈水分布于地壳下部直到下地幔这一范围内。在地壳下部深约15—35km处，地温达400℃以上，压力也很大，这里的水不可能以普通液态水或气态水形式存在，而成为被压密的气水溶液。地球深层圈的水和矿物结合水均与地球浅层圈中自由态的水相互转化，地球各层圈中以各种形式存在的水是一个相互联系、相互转化的整体。而且，在成岩、成矿、岩浆、变质等过程乃至地球形变过程中，深层圈的水及矿物结合水都发挥着重要的不可忽视的作用。2011年1月 第一章：地球上的水及其循环1．2自然界的水循环自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水构成一个系统。这一系统内的水相互联系、相互转化的过程即是自然界的水循环。自然界的水循环按其循环途径长短、循环速度的快慢以及涉及层圈的范围，可分为水文循环和地质循环两类（图1—1）2011年1月 第一章：地球上的水及其循环2011年1月 第一章：地球上的水及其循环1．2．1水文循环水文循环是发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环，水文循环的速度较快，途径较短，转换交替比较迅速。水文循环是在太阳辐射和重力共同作用下，以蒸发、降水和径流等方式周而复始进行的。平均每年有577000km3的水通过蒸发进入大气，通过降水又返回海洋和陆地。地表水、包气带水及饱水带中浅层水通过蒸发和植物蒸腾而变为水蒸汽进入大气圈。水汽随风飘移，在适宜条件下形成降水。落到陆地的降水，部分汇集于江河湖沼形成地表水，部分渗入地下。渗入地下的水，部分滞留于包气带中（其中的土壤水为植物提供了生长所需的水分），其余部分渗入饱水带岩石空隙之中，成为地下水。地表水与地下水有的重新蒸发返回大气圈，有的通过地表径流或地下径流返回海洋。水文循环的过程参见图1—1中的7—10及图1—2。2011年1月 第一章：地球上的水及其循环2011年1月 第一章：地球上的水及其循环1．2．2地质循环地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程称为水的地质循环。上地幔的高温熔融的塑性物质（软流圈）的大规模对流，驱动着地壳板块的不断运移。在软流圈上升流区，上地幔熔融物质进入地壳或喷出地表时，地幔岩中的水分也随之上升与分异，转化为地球浅层圈的水。这种由地幔熔岩物质直接分异出来的水称为初生水（图1—l中1），据E·K·马尔欣宁（1967）利用千岛群岛火山研究成果，推算出全球所有岛弧由火山喷发作用、水热作用和喷气作用，每年溢出地表的初生水2×108t。在下降流区，含有大量水的地壳岩块俯冲沉入地幔，使地幔得到浅层圈水的补充。2011年1月 第一章：地球上的水及其循环1．3与水文循环有关的气象、水文因素1．3．1气象因素自然界中水循环的重要环节——蒸发、降水，都与大气的物理状态密切相关；气象和气候因素对水资源的形成与分布具有重要影响。1．3．1．1大气圈的结构大气的主要成分是氮（78％）和氧（21％），此外还有二氧化碳、臭氧、水汽及固态尘埃等。水汽在大气圈中分布不均匀。以体积百分比表示，大气中水蒸汽的含量平均为：赤道带2.6％，北纬70°处0.2％，90°纬度带0.9％。在大气层中水汽的垂向分布也不均匀。大气圈最下部3.5km范围内集中了其全部水量的70％，下部5km范围内含全部水量的90％，再往高处水汽含量已十分稀少了。2011年1月 第一章：地球上的水及其循环1．3．1．2大气的热源太阳的热辐射是地表和大气的最主要1．3．1．3主要气象要素1．3．1．3．1气温由于地球是大气的第二热源，因此地表的热力状况随时间和空间的变化必然导致气温的相应变化。1．3．1．3．2气压1．3．1．3．3湿度1．3．1．3．4蒸发在常温下水由液态变为气态进入大气的过程称为蒸发。1．3．1．3．5降水当空气中水汽含量达饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，以液态或固态形式降落到地面，这就是降水。1．3．2径流径流是水文循环的重要环节和水均衡的基本要素，系指降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。因此，径流可分为地表径流和地下径流，两者具有密切联系，并经常相互转化。2011年1月 第一章：地球上的水及其循环在水文学中常用流量、径流总量、径流深度、径流模数和径流系数等特征值说明地表径流。水文地质学中有时也采用相应的特征值来表征地下径流。流量（Q)系指单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为m3/s。Q流量等于过水断面面积F与通过该断面的平均流速V的乘积，即：Q=V.F径流总量（W）：系指某一时段T内，通过河流某一断面的总水量，单位为m3。可由下式求得：W=Q.T径流模数（M）：系指单位流域面积F（km2）上平均产生的流量，以L/s·km2为单位，计算式为：M=Q/F103（1L=10−3m3）径流深度（Y）：系指计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所到的平均水层厚度，单位为mm，计算式为：Y=W/F.10−3径流系数（α）：为同一时段内流域面积上的径流深度Y(mm)与降水量X(mm)的比值：α=Y/X以小数或百分数表示。2011年1月 第一章：地球上的水及其循环1．4我国水文循环概况我国绝大部分地区均为季风气候，一年中雨季与旱季分明，降水的时空分布很有规律这与我国特殊的地理格局有关。我国位于世界最大陆地——欧亚太陆东缘，南北地跨亚热带、温带及亚寒带；西部是世界上最高大的青藏高原，东濒世界最大水体太平洋。就全球而言，亚热带及接近两极地带是高气压带。由于海陆分布的影响，对我国气候起控制作用的则是两个高气压中心：形成于海洋的夏威夷亚热带高压中心，带来暖湿气流；形成于大陆腹地的蒙古寒带高压中心，带来干寒气流，由于水的比热远大于岩石，所以在太阳辐射影响下，陆地增温及散热迅速，海洋则缓慢。冬季，大陆因太阳辐射减少急剧降温，空气冷却，密度增大，蒙古高压中心增强；海洋降温慢，空气密度相对较小，夏威夷高压减弱；此时，我国大部分地区盛行西北季风，寒流所及，天气干冷晴朗。夏季，太阳辐射增强，陆地增温强烈，蒙古高压迅速衰退；海洋温度相对较低，夏威夷高压相对强盛。我国大部盛行东南风。我国水文循环的另一重要特征就是降水在空间分布上的不均匀性。我国水文循环的另一重要特征就是降水在空间分布上的不均匀性。2011年1月 第一章：地球上的水及其循环我国水文循环的另一重要特征就是降水在空间分布上的不均匀性。例如:东南沿海地区年均降水量均在1500mm以上，最大可达2000—3000mm；长江流域约1200mm，华北地区一般在600—800mm；而新疆塔里木盆地降水量仅在50mm以下，有的地方几乎终年无雨。这就导致水资源在空间分布上的不均匀性。据最近公布的水资源资料，我国年地表径流量约2.78×108m3，长江流域及其以南地区占75％以上，华北、西北地区仅占10％。全国年地下径流量约7000×108m3，长江流域及其以南地区占60％；华北及西北地区仅占20％。2011年1月 第一章：地球上的水及其循环2011年1月'