专门水文地质学 01 导言

专门水文地质学

本课程的考核方式

这门课程的考核方式为期末考试和考查，考查形式主要有：（1）出勤率；（2）课堂作业完成情况。《专门水文地质学》任务和内容

专门水文地质学是一门专业技术方法课，在地下水基本理论指导下论述地下水在应用方面的理论和方法，其主要任务：（1）要求熟悉和掌握地下水调查、评价、开发利用、保护与管理的理论和方法；（2）学会应用水文地质学理论与技术分析和解决与地下水有关的资源、环境、地下水危害等实际问题的能力。《专门文地质学》任务主要包括三方面内容：（1）水文地质调查方法，重点介绍水文地质调查应用的技术方法，即根据不同任务，论证在不同条件下进行水文地质调查时应采用的水文地质调查手段、应用原则、工作量、技术要求及成果整理等内容。（2）供水水文地质学，重点讨论为供水目的而进行地下水水质评价和水量评价，以及地下水资源的合理开发、保护与管理。（3）矿床水文地质学，重点探讨在进行矿床地质调查的同时所进行的水文地质调查工作。《专门文地质学》内容(第二版)主要包括五方面内容：1、地下水资源调查技术方法（1）主要介绍区域地下水资源地面调查的任务、内容、要求和技术方法，以及地下水资源调查的成果整理等内容。（2）一些专门性的地下水资源调查，依据区域地下水资源地面调查的原则、方法和内容，结合具体要求开展相应的工作。《专门文地质学》内容（第三版）2、地下水资源评价的理论与方法（1）重点讨论地下水资源分类、地下水资源的组成、地下水允许开采量的评价方法及作为供水水源的地下水水质评价方法；（2）简要介绍地下水环境质量评价的内容和方法；

（3）论述地下水资源评价的原则、区域和局域地下水资源评价的内容。《专门文地质学》内容（第三版）3、地下水资源开发利用、管理和保护（1）介绍作为供水水源的地下水水源地的选择，地下水取水建筑物的类型、特点及开采布局。（2）论述地下水资源管理的一般原则，地下水资源保护及地下水环境负效应防治的技术方法。《专门文地质学》内容（第三版）4、矿床水文地质及地下热水的调查评价介绍矿床充水条件及地下热水的调查评价方法，矿井涌水量预测的特点及防治矿井突水的方法。5、探讨现代新技术方法在地下水研究中的应用介绍遥感及GIS技术在地下水资源调查中的应用、同位素技术解决地下水实际问题的理论和方法、最新地下水模拟软件的特点及应用技术。《专门文地质学》内容（第三版）地下水资源调查技术方法（1-6）地下水资源评价的理论与方法（7-8）地下水资源开发、管理和保护（9-10）矿床水文地质及地下热水的调查评价（11-15）探讨现代新技术方法在地下水研究中的应用（16）《专门文地质学》内容-使用教材地下水资源与地下水系统地球上的水资源中国的水资源地下水资源的特点及分类地下水系统水的特性

水是一种神奇的物质，地球之所以能够成为一颗智慧星球，水是一个关键因素各种生命起源的假说都少不了水这一因素地球表面70%以上覆盖着水，大多数生物体内水的含量也达2/3以上人体血液的矿化度为9g/L，与30亿年前海水相同，静脉滴用的生理盐水为0.9%的NaCl溶液，与原始海水一致自然界中的植物体内含水量更高，有些甚至高达95%人的生命、生活、生产更是与水联系密切地球水圈中水的分布什么是水资源？英国的《水资源法》把水资源定义为：“(地球上)具有的足够数量的可用水”。联合国教科文组织(UNESCO)和世界气象组织(WMO)定义水资源为“可以利用或有可能被利用的水源，具有足够数量和可用的质量，并能在某一地点为满足某种用途而可被用。《中国大百科全书》将水资源认定为“地球表层可供人类利用的水，一般指每年可更新的水量资源”。什么是水资源？广义地，对人类存在着直接或间接的利用价值，故均可视为水资源通常所说的水资源（狭义地）：指陆地上可供人类生产、生活直接利用的地表淡水和埋藏较浅的地下淡水资源，一般采用地表径流量和部分积极参与水循环的地下水径流量来衡量水资源量的多少海水是水资源吗？所有的地下水都是水资源吗？水循环过程水量平衡：降水、蒸发和径流的平衡各种类型的水资源

停留、转换、更新的时间不同地球水资源的更新周期水资源类型更新周期（a）水资源类型更新周期多年冻土的底冰10000湖泊水17a极地冰和多年积雪9700沼泽水5a海洋水2500土壤水1a山地冰川1600河川水16d

大气水8d

生物水nh

ContinentPercentofworld'swaterresources

andpopulationAsia60.5%36%Africa10%8%EuropeNorthandCentralAmerica7.3%SouthAmericaandCaribbean6.4%26%15%5%Oceania11.3%0.5%14%水资源在各个大陆上的分布全球用水状况地下水资源与地下水系统地球上的水资源中国的水资源地下水资源的特点及分类地下水系统——水资源概况中国水资源总量大、人均少468700巴西俄罗斯加拿大美国印度尼西亚中国印度世界0300006000012000090000人均径流量（立方米/人）径流总量（亿立方米）1、南方约占全国总面积的40%，却占全国总流量的80%以上2、黄、淮、海河流域面积占全国耕地的38%以上，但水资源只占6%——水资源面临的问题

大量的事实，甚至亲身的经历，都明确的告诉我们，中国水资源已经敲响了警钟，水资源的现状不容乐观。水多水少水脏长江98大洪水

华北缺水与黄河断流河流湖泊水污染严重水资源面临的问题98特大洪灾

农田受灾面积2229万公顷（3.34亿亩），死亡4150人，倒塌房屋685万间，直接经济损失2551亿元。2007年5月29日上午，在高温的条件下，太湖无锡流域突然大面积蓝藻暴发，供给全市市民的饮水源也迅速被蓝藻污染。现场虽然进行了打捞，无奈蓝藻暴发太严重而无法控制。2005年11月13日，中石油吉化双苯厂爆炸导致松花江发生重大环境污染事件，形成的硝基苯污染带流经吉林、黑龙江。五十年代淘米洗菜，六十年代洗衣灌溉，七十年代水质败坏，八十年代鱼虾绝代，九十年代拉稀生癌．

——一首广泛流传于淮河边的民谣砷農藥溶劑石油化學全球地下水污染现状地下水资源与地下水系统地球上的水资源中国的水资源地下水资源的特点及分类地下水系统——地下水资源的概念地下水（广义、狭义）地下水资源的概念地下水是一种宝贵的、可再生的供水水源地下水与地表水资源相比的优越之处有：空间分布：广而均匀（地表水局限）水质：水质优，洁净，水温恒定，不易受到污染，但污染后很难治理。可利用性：一次性利用投资小，运用费用高地下水资源：能从某一地下水盆地中连续地、不至于引起不良结果地抽取的地下水量——安全抽水量地下水资源概念的由来为避免地下水位不断下降，限制水井井距、深度与采水量。1915年美国首次提出以含水层或盆地为单元的安全抽水量概念：“所谓安全抽水量，是在不致引起含水层发生危险涸竭的情况下，能正常而持续地抽水的界限水量”

。

后来发现，开采地下水会引起诸如：地面沉降、海水入侵、咸水入侵等造成巨大经济损失的环境损害。安全抽水量的定义修改：“能从某一地下水盆地中连续地、不至于引起不良结果地抽取的地下水量”。

允许利用的地下水资源量，不仅受到自然条件的制约，还受到技术、经济、社会乃至法律条件的制约。——地下水资源的特征系统性形成：地下水资源是按系统形成与分布的

系统性：地下水是一个统一的整体（有水力联系的），系统内部任何一部分的输入（补给或抽水），都会影响（波及）整个系统资源量按系统计算：以系统为单元统筹规划利用，开发与管理难点：系统边界不易确定；边界有叠置，边界跨行政区域

问题：造成重复计算水量，人为夸大水量，开采过度，难以管理（不同行政区）建议：当开发利用地下水资源时，必须从含水系统整体上考虑取水方案，寻求整体开发利用地下水资源的最优方案，而不是单独追求某一部分的最优化可恢复性天然可再生的资源均具有可恢复性地下水资源是通过水文循环使水量恢复、水质更新的，循环过程是通过补给与排泄两个环节完成的。恢复能力的强弱与水文循环的交替速度有关：图示条件：比较哪个含水系统更优？？一个恢复性很差的含水系统，其规模再大，储备水量再多，也会被用完（枯竭）——而“无以为继”。因此，可恢复性是供水水源的必需条件。可恢复性图示条件哪个含水层系统可恢复性更优？？①

②

③

调节性

表现在地下含水系统本身就是一个地下水库——具有水库的功能，地下水库是天然形成的：含水介质对水流起到阻滞作用→延长过水时间地质构造形成的“蓄水池”

调节能力大小取决于：①地质构造的规模（容积大小-B）；②含水介质的储水能力

给水度μ，含水层厚度mB

回顾

《专水》的任务是——

（1）要求熟悉和掌握地下水调查、评价、开发利用、保护与管理的理论和方法；（2）学会应用水文地质学理论与技术分析和解决与地下水有关的资源、环境、地下水危害等实际问题的能力。

地下水资源的特性是——

（1）系统性；（2）可恢复性；（3）调节性。——地下水资源的分类地下水资源的分类

地下水资源的分类考虑两方面因素

地下水自身的特性（贮水与运动）从供水的要求——持续而均衡地供应一定的水量

含水系统—有着两类水量：经常与外界交换的水量

—补给资源（A）保证供水的稳定性保持于含水系统中的水量

—

储存资源（B）保证供水的均衡性B

A

补给资源补给资源：可以恢复与再生的，是与外界系统经常发生交替的水量。包括：

构成：天然补给量和开采补给增加量

影响因素：受气候等因素影响，年与季节的变化量纲：流量单位m3/a

决定含水系统中地下水资源的可恢复性

数值大小=含水系统多年的平均补给量B

A

天然补给量天然补给量：在开采扰动以前，在天然条件下存在的补给量，包括：垂向补给和侧向补给两个方面。入渗量越流量流入量流入量流出量蒸发量流出量开采补给量：地下水在开采条件下夺取过来的额外补给量。夺取河水补给越流补给人工补给分水岭外移开采补给量储存资源储存资源：不可以恢复的，是历史形成的不参与水循环交替的，基本不变的水。影响因素：含水系统的空间形态（地质构造—天然的地下水库库容）量纲：体积单位m3

决定含水系统中地下水资源的可调节性数值大小=含水层的体积×μ（给水度）B

A

补给资源与储存资源的比喻比喻1：一个家庭的收入：补给→工资收入（元/月）；储存→存款（家底）比喻2：地表水库：补给→入库水量（m3/年）；储存：库容量[正常水位]储存资源的供水意义储存资源的供水意义起着调节作用——保证供水均衡稳定性当一个含水系统的补给资源很大，但动态很不稳定时，作为供水源地，储存资源就起到很大的调节作用旱季借用储存资源的水，腾空库容，雨季再补充偿还没有储存资源再丰富的补给资源也无法利用→白白流走！

补给与储存资源的关系：有借有还有借不还（超量使用）

——

最终导致水资源消耗贻尽（枯竭）

——

或产生不良结果

补给与储存资源的关系：有借有还

地下水库——调蓄补给量地下水库—储存输入—补给流量时间输出—利用流量时间思考题：比较两含水层的供水意义A

补给区

B

补给区

分析比较：1）补给条件2）储存资源地下水水量补给量天然补给量开采补给量储存量容积储存量弹性储存量排泄量天然排泄量开采量开采量可持续开采量允许开采量开采量的组成开采状态下的均衡方程式天然状态下开采状态下的开采量增加的补给量减少的天然排泄量可动用的储存量开采量？允许开采量前-后

开采量只要不超过天然的补给资源量，就不会动用存储资源量，也就是合理的开采量！讨论题——我国地下水资源的特点

时空分布不均，与降水量和地表水分布趋势相似，南方多，北方少，东部多，西部少；松散岩类孔隙水主要分布在北方，岩溶水和裂隙水主要分布在南方；在北方地区，东部的松辽地区和华北地区地下水资源总量约占北方地下水总量的50%；北方地区中部的的黄河流域，包括黄土高原及其相邻地区是我国地下水资源相对贫乏的地区；西部的内陆盆地处于干旱的沙漠地区，年降水量小于100mm，但由于获得盆地四周高山的降水及冰雪融水的补给，50%-80%地表水自山区进入盆地后便转化为地下水，地下水资源较丰富。地下水在中国：分布特征地下水在中国：水资源短缺有300多座城市缺水，其中，188个严重缺水农村有4000多万人和3000多万头牲畜饮用水困难近8亿亩农田和10多亿亩草场缺水PopularforestdeadbecauseofdroughtAnimalsneedsdrinkwater地下水在中国：

水资源短缺地下水在中国：地质灾害频发区域水位降落漏斗，100多个，河北、山西、山东、北京、天津、上海、黑龙江等地，最为严重的是华北平原地面沉降，40多个城市，沉降中心累计沉降量超过2m的有上海、天津、太原、西安、苏、锡、常等城市，天津塘沽的沉降量达到3.1m地面塌陷，辽宁、河北、山东、湖南、贵州、广西、江苏、浙江、安徽、江西、福建和云南等地地裂缝，河北、山东、陕西、云南、广东和海南等地海水入侵，辽宁、大连、营口、下辽河三角洲、辽西沿岸，河北秦皇岛沿岸，山东的莱州-招远-龙口一线的及烟台、威海、青岛、日照等地的河口地段，广西的北海市城区，海南的新英湾地区等土壤盐渍化，黑龙江的松嫩平原，吉林的白城、松原地区，内蒙的额济纳旗、巴彦淖尔盟、土默特右旗、通辽市，银川平原，河西走廊和新疆部分地区以及华北平原的低洼地区地下水在中国：地质灾害频发苏锡常地区地面沉降范围不断扩大1986年1991年1999年地下水在中国：大面积复合型污染全国有25%的地下水体遭到污染，35%的地下水源不合格平原地区约有54%的地下水不符合生活用水水质标准，50%以上的城市市区地下水严重污染据对118个城市2-7年的连续监测资料，约有64%的城市地下水遭受了严重污染，33%的城市地下水受到轻度污染，基本清洁的城市地下水只有3%

华北平原浅层地下水漏斗分布图华北平原深层地下水漏斗分布图华北平原浅层地下水漏斗超过2万km2，深层地下水漏斗超过7万km2，已经成为世界最大的地下水漏斗!以砷为例，高砷地下水已相继在全球70多个国家和地区被发现，威胁着约1.5亿人口的供水安全，导致数千万人罹患饮水型砷中毒，被认为是人类历史上最严重的群体性中毒事件

砷中毒引起的各种病变氟（F）全国地方性氟斑牙患病率图氟斑牙打油诗：山西运城地区对身形佝偻的氟骨病患者的形象比喻抬头不见蓝天低头不见脚尖生时不能平睡死时不能入棺小结仅占全球水资源1%的地下水保障着人类饮水和生态系统的良性循环地下水的脆弱性和无序的人类活动导致了全球性的资源型和水质型缺水，人类正面临着严重的用水危机地下水污染防治工作重要而迫切，加强调查与监测工作，科学规划，合理开发，有效保护，及时修复我国各部门的响应中国地质调查局：全国地下水水源地保护及污染调查评价水利部：全国地下水功能区划、全国地下水监测规划国家环保总局：全国地下水污染防治规划……回顾

地下水资源的分类？对于供水的意义是什么？允许开采量指的是什么？地下水资源与地下水系统地球上的水资源中国的水资源地下水资源的特点及分类地下水系统——系统的概念提出：20世纪40年代贝塔朗菲提出一般系统论应用：20世纪50-60年代应用系统工程解决复杂问题取得重大成功以来，系统思想与系统方法广泛地渗透到各学科领域。在我国，80年代后，系统思想和系统方法开始渗透到水文地质领域。系统思想与方法的核心：

把所研究的对象看作一个有机的整体

(系统)，并从整体的角度去考察、分析与处理事物。系统概念系统的定义:

a.系统——“由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体”。

b.系统方法认为：不应将系统理解为各组成部分(要素)的简单集合,而应将其理解为诸要素以一定规则组织起来并共同行动的整体。系统概念一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且还与外部环境发生相互作用。系统接受环境的物质、能量或信息的输入，经过系统的变换，再向环境产生物质、能量或信息的输出。系统输入输出（物质、能量、信息）（物质、能量、信息）系统概念激励与响应的概念：环境对系统的作用称为激励，系统在接受激励后对环境的反作用称为响应。

环境的输入(激励)经过系统的变换而产生对环境的输出(响应)，该变换取决于系统的结构。系统激励响应系统概念系统输入输出（物质、能量、信息）（物质、能量、信息）思考题地下水系统地下水补给地下水排泄（物质、能量、信息）（物质、能量、信息）能否这样理解？系统激励响应思考题地下水系统地下水补给地下水排泄（物质、能量、信息）（物质、能量、信息）能否这样理解？降雨井

地下水系统分析就是把一定范围内的地下水，作为一个完整的系统，从整体和全局分析系统和外部环境之间的关系，整体与各子系统之间、整体与局部环境之间的相互关系、相互作用及相互制约关系，在此基础上，定量研究地下水的有关问题。地下水系统分析水文地质实体输入输出（物质、能量、信息）（物质、能量、信息）降水入渗、人工回灌（可控）水位、流量、水质、水温高度的时空变异性——地下水系统地下水系统概念的产生“地下水系统”的出现：

①系统思想与方法的渗入；②水文地质学发展的必然产物。初期解决“找水”问题，只注意井附近小范围内含水层的状况。

发展井群长期采水使地下水位不断降低，于是认识到含水层中的水势相互作用的。并且发现相邻的未开采含水层水位也有降低，有了“越流”的概念，认识到由弱透水层阻隔的各个含水层构成统一单元。

开采规模增长，须将整个含水层作为研究对象。研究地下水时，必须将若干个含水层与其间的弱透水层合在一起看作一个完整的单元（系统），便出现了“含水层系统”、“含水系统”等，同时，发现地下水可以穿透弱透水层，形成多级次的水流系统，诞生了地下水流系统的概念。近年来出现的与水文地质学有关的问题，如地下水资源枯竭、地面沉降、海水入侵、淡水咸化、地下水污染、土壤沙化、植被衰退等问题使人们认识到地下水是生态环境系统的重要组成部分。地下水系统概念的产生

由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的赋存地下水的岩系。（地下水含水系统是封闭系统吗？是时空四维吗？）地下水含水系统地下水流动系统：

由源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体。地下水的源汇运动：

补给区——源；排泄区——汇。地下水从补给区向排泄区的运动，由连接源与汇的流面反映出来。地下水流动系统

含水系统地下水系统

流动系统两者从不同角度出发，揭示了地下水赋存与运动的系统性(整体性)。两者都具有级次性，可包含不同级次的子系统。地下水系统特征含水介质流体本身含水系统整体性的体现：它具有统一的水力联系，该系统作为一个整体对外界的激励作出响应。

含水系统是一个独立而统一的水均衡单元，可用于研究水量乃至盐量与热量的均衡。主要着眼于包含水的容器，通常以隔水或相对隔水的岩层作为系统边界，系统的边界是不变的。地下水系统特征地下水流动系统整体性的体现：

具有统一的水流，沿着水流方向，盐量、热量与水量发生规律的演变，呈现统一的时空有序结构。

流动系统——以流面为边界，属于水力零通量面边界，系统的边界是变化的。地下水系统特征

含水系统与流动系统都具有级次性，任一含水系统