第講地下水文學(xué)ppt課件.ppt

地下水水文學(xué) 主講 教授 GroundwaterHydrology 電話 Email 教材 地下水水文學(xué)張?jiān)卧春暇幹袊?guó)水力出版社 1998年 學(xué)時(shí)32學(xué)時(shí)每周3學(xué)時(shí) 1次 1 11周 主要參考書(shū) 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)王大純張人權(quán)史毅虹地質(zhì)出版社 1986地下水動(dòng)力學(xué)陳崇希林敏中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社 1999 緒論 緒論 國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)利用地下水概況國(guó)內(nèi)祖先5600年前采用鑿井取水 浙江河姆渡 2000多年前自貢已有深達(dá)數(shù)百米的鹽井 漢武帝時(shí)渭北高原的井渠 龍首渠 馳名中外的 坎兒井 目前我國(guó)地下水資源開(kāi)發(fā)國(guó)外地下水水文學(xué)研究的發(fā)展地下水開(kāi)發(fā)利用的初始階段 公元前5600 公元前7世紀(jì) 主要用泉水地下水學(xué)科創(chuàng)建前期 公元前7世紀(jì) 公元1800年 井采地下水學(xué)科創(chuàng)建時(shí)期 1800 1940年 代表人物 達(dá)西實(shí)驗(yàn) 裘布依假設(shè) 泰斯公式 深井 大規(guī)模 集中開(kāi)采地下水現(xiàn)代地下水學(xué)科創(chuàng)立發(fā)展時(shí)期 1940年以后 代表人物及理論 Boulton Jacob Neuman 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 水質(zhì)模型 科學(xué)開(kāi)發(fā)地下水 導(dǎo)論 本課程的主要內(nèi)容地下水賦存條件 水文地質(zhì) 地下水補(bǔ)給 逕流與排泄地下水動(dòng)態(tài)與均衡地下水運(yùn)動(dòng)含水層參數(shù)的確定地下水資源評(píng)價(jià)教學(xué)方式講授 討論 習(xí)題 思考題 作業(yè)考試 第一章地下水及其賦存 Groundwater subsurfacewater watertable 1 1自然界水的分布 循環(huán)與均衡 自然界水的分布地球總水量140786萬(wàn)km3 海水137000萬(wàn)km3 占97 3 陸地地表水2943萬(wàn)km3 2 1 陸地地下水841 7萬(wàn)km3 0 6 自然界水循環(huán) hydro cycle 水分循環(huán)三要素 蒸發(fā) Z 降水 X 和徑流 Y 自然界水均衡 waterequilibrium 水均衡 在一定時(shí)間 一定區(qū)域內(nèi) 水分循環(huán)的三要素之間的數(shù)量關(guān)系水均衡原理 對(duì)于任一地區(qū) 系統(tǒng) 在任一時(shí)間內(nèi) 收入的水量與支出的水量之間的差額必等于其蓄水量的變化 在海洋 Z0 X0 Y在陸地 Zc Xc Y全球 Z0 Zc X0 Xc 1 2地下水的賦存 巖土的空隙性 space 孔隙 pore porosity 松散巖土中顆?；蝾w粒集合體之間普遍存在著孔狀空隙 稱為孔隙 孔隙度n 單位體積巖土 包括孔隙在內(nèi) 中的孔隙體積 即 影響孔隙度的因素顆粒壓實(shí)度 圖1 2 顆粒排列方式 圖1 3 顆粒的磨圓度顆粒的分選性膠結(jié)程度與顆粒大小無(wú)關(guān) 圖1 4 常見(jiàn)巖土孔隙度 含泥沙礫石 部分膠結(jié)的砂巖 1 2地下水的賦存 1 2地下水的賦存 裂隙 fissure fracture crack 風(fēng)化裂隙 成巖裂隙 構(gòu)造裂隙裂隙率 f 溶隙 karstfissure 溶縫 溶孔 溶洞巖溶率Kk 巖石裂隙 可溶巖溶隙 1 2地下水的賦存 水在巖土中的賦存形式液態(tài)水結(jié)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 距離固相表面更遠(yuǎn)的 能在重力下運(yùn)移的那部分水毛細(xì)水 松散巖土中細(xì)小孔隙通道構(gòu)成毛細(xì)管 在毛細(xì)力的作用下 地下水沿著細(xì)小孔隙上升到一定高度 這種既受重力又受毛細(xì)力作用的水 支持毛細(xì)水懸掛毛細(xì)水孔角毛細(xì)水 氣態(tài)水固態(tài)水其它 礦物結(jié)合水 沸石水 結(jié)晶水 結(jié)構(gòu)水 1 2地下水的賦存 水理性質(zhì)容水性定義 巖土能容納一定水量的性能 常用含水率表示 含水率 單位體積巖土中所含水的體積 watercontent mositurecontent 飽和度 saturation S 含水率與容水度的比值 S 1表示飽和 0 S 1表示非飽和 容水度 watercapacity Cw 巖土完全飽和時(shí)所容納的最大水體積與巖土總體積之比 在數(shù)值上 一般與孔隙度 裂隙率 溶隙率 相等 但對(duì)于有膨脹性的巖土 由于充水后體積擴(kuò)大 其容水度可大于孔隙度 1 2地下水的賦存 持水性 moistureretention 含水巖土在重力作用下釋水時(shí) 由于固體顆粒表面的吸附力和毛細(xì)力的作用 使在其空隙中能保持一定水量的性能持水度Re 指飽水巖土在重力作用下 經(jīng)過(guò)2 3天釋水后 巖土空隙中尚能保持的水體積與巖土總體積之比 這時(shí)的巖土含水率也稱為田間持水率 1 2地下水的賦存 給水性 specificyield 含水巖土在重力作用下能自由釋出一定水量的性能給水度 指飽水巖土在重力作用下所釋出的水體積與巖土總體積之比 在數(shù)值上它等于容水度減去持水度 也即巖土的飽和含水率與田間持水率之差 1 2地下水的賦存 透水性 permeability 巖土允許水體透過(guò)的性能決定巖土透水性好壞的主要因素是空隙的大小 其次才是空隙的數(shù)量 度量巖土透水性的指標(biāo)是滲透系數(shù)K 滲透系數(shù)愈大 表明巖土的透水性愈強(qiáng) 反之 則愈弱 1 2地下水的賦存 含水層和隔水層 aquifer aquiclude 含水層是指能夠透過(guò)并給出相當(dāng)數(shù)量水的巖層 含水層不但儲(chǔ)存有水 而且水可以在其中運(yùn)移 隔水層則是不能透過(guò)和給出水 或透過(guò)和給出水的數(shù)量很小的巖層 特點(diǎn)劃分含水層和隔水層的標(biāo)志并不在于是否含水 關(guān)鍵在于所含水的性質(zhì)含水層和隔水層是相對(duì)的含水層和隔水層在一定條件下可以轉(zhuǎn)化含水層只是一個(gè)形象的名稱 含水系統(tǒng)更通用 1 3不同埋藏條件下的地下水 1 3不同埋藏條件下的地下水 埋藏條件 occurrencecondition 是指含水層在地質(zhì)剖面中所處的部位及所受隔水層限制的情況 在距地表以下一定深度存在著飽水的地下水面 地下水面以上 巖土空隙沒(méi)有為液態(tài)水所充滿 包含有與大氣相連通的氣體 稱為包氣帶 賦存其中的水稱包氣帶水 地下水面以下的巖土空隙全部為液態(tài)水所充滿 既有結(jié)合水 也有重力水 稱為飽水帶 飽水帶中 由于含水層所受隔水層限制的狀況不同 又分為潛水和承壓水 1 3不同埋藏條件下的地下水 包氣帶水 vadosezone aerationzone 包氣帶水 又稱非飽和帶 泛指貯存在包氣帶中的水 包括通稱為土壤水的吸著水 薄膜水 毛細(xì)水 氣態(tài)水和過(guò)路的重力滲入水 以及上層滯水上層滯水 perchedwater 在包氣帶中當(dāng)存在局部隔水層時(shí) 其上部可積聚具有自由水面的重力水 1 3不同埋藏條件下的地下水 潛水 phreaticwater 基本概念潛水是地表以下埋藏在飽水帶中第一個(gè)具有自由水面的重力水 參見(jiàn)圖1 8 潛水沒(méi)有隔水頂板 或只具有局部的隔水頂板 潛水的自由水面稱為潛水面 watertable 潛水面上任一點(diǎn)的高程為該點(diǎn)的潛水位 phreaticwaterlevel 潛水面到地表的鉛垂距離為潛水的埋藏深度 簡(jiǎn)稱埋深 潛水在重力作用下由高處流向低處稱潛流 在滲透途徑上 任意兩點(diǎn)的水位差與該兩點(diǎn)的水平距離之比 稱為水力梯度 hydraulicgradient 或水力坡度 通常用I表示 H1 H2 L 潛流 1 3不同埋藏條件下的地下水 潛水的特征與降水和地表水聯(lián)系密切 積極參與水循環(huán)分布區(qū)與補(bǔ)給區(qū)基本一致排泄方式徑流排泄 泉 滲流形式蒸發(fā) 騰 排泄 失水分 留鹽分 鹽堿土動(dòng)態(tài)的季節(jié)性變化顯著 豐水 水位高 含水層厚 易受污染等水位線圖 phreaticwatercontour 在潛水面上 將高程相同的點(diǎn) 即潛水位相同的點(diǎn) 相連 即為潛水面的等水位線圖通過(guò)該圖可確定潛水流向 水力梯度及潛水與河水的補(bǔ)排關(guān)系等 見(jiàn)圖1 10 圖1 11 圖1 11潛水與河水間補(bǔ)排關(guān)系 圖1 10利用等水位線圖求潛水流向及水力梯度 1 3不同埋藏條件下的地下水 承壓水 confinedwater 承壓水的概念承壓水是充滿于兩個(gè)隔水層之間的含水層中具有靜水壓力的重力水 見(jiàn)圖1 12 如未充滿水則稱為無(wú)壓層間水 壓力水頭 該點(diǎn)高程叫承 測(cè) 壓水位 或承壓水頭 1 3不同埋藏條件下的地下水 承壓水特征分為補(bǔ)給 承壓和排泄三個(gè)區(qū) 水體具承壓性補(bǔ)給 排泄范圍有限產(chǎn)生越流與大氣 地表水的聯(lián)系較弱 受氣候 水文影響較小水量增加 水頭增高 含水層厚度不變 水量減小 水頭降低 但頂板的壓力會(huì)產(chǎn)生假象隨含水層埋深加大 礦化度增高 深部出現(xiàn)鹵水 不易污染 一旦污染又不易凈化 承壓水等水頭線圖 連接承壓含水層測(cè)壓水位相等的各點(diǎn) 實(shí)線 地形等高線虛線 頂板等高線點(diǎn)劃線 等水頭線 鉆孔自噴孔 壓力水頭 承壓含水層埋深 計(jì)劃在這里打一口井應(yīng)注意什么問(wèn)題 第一講結(jié)束 河姆渡遺址 1973年6月 當(dāng)時(shí)的余姚縣羅江公社為防止洪水倒灌使境內(nèi)地勢(shì)低洼的稻田旱澇保收 準(zhǔn)備掘深河道 建造機(jī)電翻水站 在深掘過(guò)程中 發(fā)現(xiàn)了許多夾炭黑陶骨 人們感到無(wú)比驚奇 他們立即向文物主管部門報(bào)告 浙江省博物館當(dāng)即組織力量迅速進(jìn)行試掘 出土了一批烏黑古樸的陶片 斧痕累累的木構(gòu)件 斑駁破碎的獸骨 向人們透露出令人興奮的喜訊 這是浙江境內(nèi)已知最早的新石器時(shí)代的文化遺址 具有十分重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值 經(jīng)測(cè)算 遺址分布范圍約有4萬(wàn)平方米 分別在1972年 1978年進(jìn)行了兩次發(fā)掘 共計(jì)面積2800平方米 遺址由相互疊壓 又有內(nèi)在聯(lián)系的4個(gè)文化層組成 從距今5000年前的第一文化層到距今約7000年前的第四文化層中出土生產(chǎn)工具 生活器具 原始藝術(shù)品等文物6700余件 還發(fā)現(xiàn)一批人體骨骸 豐富的栽培稻谷 大面積木建筑遺跡以及馴養(yǎng)的豬 狗 水牛和捕獵的禽獸骨骸 植物果實(shí)等遺存 河姆渡遺址發(fā)現(xiàn)一口挖在池塘底部木構(gòu)水井 距今已有5600余年 是目前發(fā)現(xiàn)的中國(guó)歷史上最早的一口水井 它是由20O多根底部削尖的木樁打入地下 組成一個(gè)直徑約6米的圓形柵欄樁 中間是4排密集的樁木 形成邊長(zhǎng)為2米的方形木構(gòu)井 其內(nèi)側(cè)各有一根粗圓木 榫卯聯(lián)接構(gòu)成一個(gè) 井 字形框架 以支撐4邊井壁的壓力 防止排樁向井內(nèi)傾倒 木構(gòu)建筑的奇跡 干欄式 建筑遺址已發(fā)掘的部分到處可見(jiàn)木構(gòu)建筑的遺跡 特別是在第四文化層 整個(gè)發(fā)掘區(qū)布滿了密密麻麻 大大小小的木樁和縱橫交錯(cuò)的木構(gòu)件 諸如柱洞 柱礎(chǔ) 圓柱 方柱 圓木 樁木 排樁 板樁 地龍骨 橫梁 木板之類 星羅棋布 蔚為奇觀 較有規(guī)律的排樁 板墻 就有十幾道 有的長(zhǎng)達(dá)23米多 經(jīng)古建筑學(xué)家鑒定 河姆渡先民的住房是目前發(fā)現(xiàn)最早的 干欄式建筑 因?yàn)楹幽范僧?dāng)年是沼澤地帶 地面潮濕 所以先民先是在地上打樁 在上面架設(shè)地梁 鋪上木板 構(gòu)成架空的居住面 在四周排起密密的木樁作墻 然后立柱架梁蓋頂 這種底層高于地面 即防潮又能防止野獸侵襲的 干欄式 建筑是我國(guó)南方傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的祖源 至今華南有些地區(qū)仍存在 建筑上尤其值得稱道的是在兩構(gòu)件垂直相交的節(jié)點(diǎn)采用榫卯技術(shù) 把我國(guó)應(yīng)用榫卯技術(shù)的歷史推前了3000多年 7000年前的河姆渡先民在當(dāng)時(shí)還沒(méi)有金屬工具的生產(chǎn)條件下 僅以粗劣的石器和骨器 創(chuàng)造了多達(dá)十余種形式的榫卯 令人驚嘆不已 這種木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)之科學(xué) 規(guī)模之宏大 不僅為我國(guó)所罕見(jiàn) 也是人類文化史上最早的杰作 被考古學(xué)家稱之為7000年前的奇跡 世界上最發(fā)達(dá)的耜 si 耕農(nóng)業(yè)栽培水稻在先后兩次大規(guī)?？脊虐l(fā)掘中 第四文化層較大面積范圍內(nèi) 分布著稻谷 稻殼 秕谷 稻草 莖葉 木屑碎渣等交互混雜的堆積層 厚度從10一40厘米不等 最厚處達(dá)70 80厘米 稻谷 谷殼 稻葉 米粒保存較好 出土?xí)r稻稈 稻葉和稻谷與秕谷推斷 河姆渡遺址出土的稻谷和谷殼 換算出稻谷當(dāng)在12噸以上 這是何等驚人的數(shù)字 出土的稻谷數(shù)量之大 保存之好 不僅堪稱全國(guó)第一 就是在世界史前遺址中也是十分罕見(jiàn)的 伴隨出土的代表農(nóng)具是骨耜 有170余件 骨耜大部分取材于大型偶蹄哺乳動(dòng)物 如水牛 水鹿和四不象 的肩胛骨 在耜柄 耜面鉆孔 用藤條或繩索把木棒與骨耜捆緊做成后世稱為 耒 lei 耜 的農(nóng)具 由于長(zhǎng)期使用刃部十分光滑 磨損嚴(yán)重 特別是中間作為刃部的扁蒲扇面 磨蝕破損尤甚 從國(guó)內(nèi)外有關(guān)骨耜 骨鏟 骨鍛 的考古發(fā)現(xiàn)來(lái)看以河姆渡第四文化層所出骨耜年代最早 制作最精 而且數(shù)量也最多 堪稱世界第一 稻谷和骨耜的發(fā)現(xiàn) 生動(dòng)地告訴我們 當(dāng)時(shí)先民們?cè)谶@一大片土地上撒下谷種 就是用這種農(nóng)具進(jìn)行耕作 他們手執(zhí)耒耜 開(kāi)田翻土 引水灌溉 辛勤耕作 同時(shí)還出土了動(dòng)物肋骨制作的一面磨成鋸齒狀的骨鐮 中耕農(nóng)具鶴頂鋤和谷物加工工具木杵等 反映了在7000年前 生活在我國(guó)東南沿海一帶的先民們已經(jīng)脫離了 刀耕火種 的落后狀態(tài) 發(fā)展到使用成套稻作生產(chǎn)工具 普遍種植水稻的階段 耕作農(nóng)業(yè)已成為當(dāng)時(shí)主要的生產(chǎn)活動(dòng) 河姆渡文化稻作農(nóng)業(yè)的耕作形態(tài)堪稱世界上最為先進(jìn)發(fā)達(dá)的耜耕農(nóng)業(yè) 其作法是 先鑿豎井探明水脈 含水層 然后沿水脈向上游和下游 挖掘一長(zhǎng)排豎井 豎井間距一般在上游為80 100m 下游每隔10 20m個(gè) 豎井的深度 向下游逐漸減小 各個(gè)豎井之間的地層挖通成為高約2m寬約1m的卵形暗渠 暗渠長(zhǎng)度不一 最長(zhǎng)可達(dá)30km 由于水在地下暗渠中流動(dòng) 避免了蒸發(fā)并減少了滲漏 暗渠水流近田莊始流出地面 明渠末端 往往建有澇壩 小蓄水池 供蓄水灌溉 坎兒井利用地面坡度引取地下水自流灌溉 由豎井 暗渠 明渠 澇壩四部份組成 豎井 主要是為挖暗渠和維修時(shí)人出入及出土用的 豎井口長(zhǎng)1米 寬0 7米 暗渠是坎兒井的主體 高約1 6米 寬約0 7米 明渠 就是暗渠出水口至農(nóng)田之間的水渠 澇壩 就是暗渠出水口 修建一個(gè)蓄水池 積蓄一定水量 然后灌溉農(nóng)田 含 水 層 龍首渠為陜西古代引北洛水的灌溉工程 中國(guó)歷史上第一條地下井渠引水工程 是現(xiàn)今洛惠渠的前身 位于澄城 大荔一帶 創(chuàng)建于漢武帝元狩三年至元鼎六年 公元前120 前111 因施工中發(fā)現(xiàn)大量化石 古人稱之為龍骨 而得名 今日洛惠渠位于陜西關(guān)中東部 灌溉大荔 蒲城 澄城三縣77 69萬(wàn)畝良田沃土 其管理先進(jìn) 效益顯著 馳名國(guó)內(nèi) 蜚聲海外 據(jù) 史記 河渠書(shū) 記載 漢武帝元狩年間 公元前122年 漢武帝采納了莊熊羆奏本 發(fā)卒萬(wàn)余人 自徵 今澄城縣 開(kāi)渠引洛河之水 修渠之商顏山 今鐵鐮山 下 遇到渠岸經(jīng)常崩塌等重重困難 乃改為鑿井 最深的井有40多丈 鑿打了許多豎井 井下相通行水 工程成功了 渠水下流通過(guò)了綿綿商顏山 又沿塬邊東行了十余里 沿途灌溉農(nóng)田 井渠之法自此始 龍首渠前后施工10多年 雖曾能灌水 但未能收到預(yù)期實(shí)效 北周保定二年 562 又曾重開(kāi)龍首渠 唐代也曾在這一帶引洛水和黃河水 并利用朝邑縣北的通靈陂調(diào)蓄 灌溉2000多頃稻田 1950年建成洛惠渠 引洛水灌溉50萬(wàn)畝農(nóng)田 自貢鹽井 燊海井自貢以盛產(chǎn)井鹽著稱 已有2000多年開(kāi)采井鹽的歷史 創(chuàng)造了許多鑿井技術(shù)與工藝 燊海井 燊 音 深 shen 位于四川省自貢市大安區(qū)長(zhǎng)堰塘 清道光十五年 1835 采用中國(guó)自宋代以來(lái)的傳統(tǒng)技術(shù)沖擊頓鉆法鑿成一井深達(dá)1001 42米 是當(dāng)時(shí)世界上第一口超千米鹽井 居世界鉆井技術(shù)領(lǐng)先地位 該井為一口天然氣和黑鹵同采的高產(chǎn)井 投產(chǎn)初期 日產(chǎn)黑鹵百余擔(dān) 天然氣8500多立方米 100多年以后仍不失其經(jīng)濟(jì)價(jià)值 是研究中國(guó)古代科技成就和發(fā)展的實(shí)物資料 1988年中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院公布為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位 國(guó)土資源部自2000年開(kāi)始 組織開(kāi)展了新一輪全國(guó)地下水資源評(píng)價(jià)工作 評(píng)價(jià)成果 全國(guó)地下水天然資源量多年平均為9235億立方米 其中地下淡水資源量為8837億立方米 約占全國(guó)水資源總量的33 其中山區(qū)為6500億立方米 平原為2300億立方米 全國(guó)地下淡水多年平均可開(kāi)采量為3527億立方米 其中山區(qū)為2000億立方米 平原為1500億立方米 最近20年來(lái) 全國(guó)地下水開(kāi)采量平均以每年25億立方米的速度增加 地下水占總供水量的比例已從1980年的14 0 增長(zhǎng)到2000年的19 8 全國(guó)有400多個(gè)城市開(kāi)采利用地下水 在城市用水總量中 地下水占30 目前我國(guó)地下水利用量占全國(guó)水資源利用量的16 已勘查評(píng)價(jià)的集中供水水源地約1400多處 其中已開(kāi)采近1000處 日開(kāi)采量近1億立方米 依靠地下水供水的城市達(dá)400多個(gè) 占全國(guó)城市總數(shù)的60 其中北方城市以開(kāi)采地下水為主 華北 西北城市利用地下水的比例分別高達(dá)72 和66 我國(guó)地下水資源及其開(kāi)發(fā) EstimatesofwateruseintheUnitedStatesindicatethatabout408Bgal d 15 44 108m3 d werewithdrawnforallusesduring2000 Thistotalhasvariedlessthan3percentsince1985aswithdrawalshavestabilizedforthetwolargestuses thermoelectricpowerandirrigation Freshground waterwithdrawals 83 4Bgal d during200