水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)(第六版) 第1章_緒論

1、,水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)general hydrogeology,第1章 緒 論,一、水文地質(zhì)學(xué)概念 水文地質(zhì)學(xué)(hydrogeology)是研究地下水的科學(xué)。 地下水(groundwater)即是賦存于地面以下巖土體空隙（孔隙、裂隙、溶隙）中的水存儲(chǔ)空間。 包氣帶、飽水帶存儲(chǔ)形式。 研究?jī)?nèi)容：地下水與巖石圈、地幔、水圈、大氣圈、生物圈以及人類活動(dòng)相互作用下，地下水水量和水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律；并研究如何運(yùn)用這些規(guī)律去興利除害，為人類服務(wù)。,二、地下水的功能 1. 地下水是一種寶貴的資源。 供水水源：生活用水、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，找水； 礦產(chǎn)資源：地下水含有某些鹽類和元素液體礦產(chǎn)； 礦水：具有醫(yī)療保健作用的地

2、下水，礦泉水； 地?zé)豳Y源：地下水本身不是，但它是一種載體，將深層熱帶到上層。 地源熱泵 2. 生態(tài)環(huán)境因子 土壤鹽漬化，沼澤化，沙化，咸水入侵； 地下水位下降引起地面沉降。,天津市首個(gè)大規(guī)模集中的供熱地源熱泵項(xiàng)目2013年12月在寶坻經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)正式投入使用。跟傳統(tǒng)燃煤、燃?xì)夤嵯啾?，新的供熱?xiàng)目綜合節(jié)能可達(dá)到一半以上。 該地源熱泵項(xiàng)目將地下水熱量提取出來(lái)并通過(guò)壓縮機(jī)升溫到60后，通過(guò)管道將熱量傳導(dǎo)到用戶端進(jìn)行制熱。 過(guò)去采用燃煤鍋爐，滿足5000戶家庭一年的取暖需求，要燒一萬(wàn)噸煤，花費(fèi)800萬(wàn)元；現(xiàn)在采用地源熱泵系統(tǒng)，只需要300萬(wàn)元電費(fèi)，費(fèi)用省了，污染物排放少了。,二、地下水的功能 2.重要

3、的地質(zhì)營(yíng)力 地下水承受載荷，應(yīng)力傳遞者，熱量、化學(xué)組分的傳輸者水是良好的溶劑與潤(rùn)滑劑 水庫(kù)誘發(fā)地震,指在原來(lái)沒(méi)有或很少地震的地方，由于水庫(kù)蓄水引發(fā)的地震稱水庫(kù)地震，是誘發(fā)地震的一種類型。水庫(kù)蓄水是引起巖體中應(yīng)力集中和能量釋放而產(chǎn)生地震的直接原因。水庫(kù)地震一般是在水庫(kù)蓄水達(dá)一定時(shí)間后發(fā)生，多分布在水庫(kù)下游或水庫(kù)區(qū)，有時(shí)在大壩附近,二、地下水的功能 3. 不可忽視的致災(zāi)因子 地方?。禾烊坏叵滤狈δ撤N人體必需元素或過(guò)量富集某種元素而導(dǎo)致； 礦坑水：采礦或地下工程，地下水涌入，造成施工困難，甚至造成事故礦床水文地質(zhì)學(xué)； 滑坡，巖崩，巖溶塌陷，基礎(chǔ)及邊坡的地質(zhì)穩(wěn)定問(wèn)題,地面沉降,美國(guó),美國(guó),埃塞俄比亞

4、,沙特,泰國(guó),墨西哥,全球地裂縫分布,我國(guó)大華北和華東地區(qū)地裂縫“遍地開(kāi)花”,達(dá)1000余條，造成數(shù)百億元的經(jīng)濟(jì)損失。,4.活躍靈敏的生態(tài)環(huán)境因子 土壤鹽漬化，沼澤化，沙化，咸水入侵； 地下水位下降引起地面沉降。,地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題：沙化荒漠化加重,地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題：地下水污染,5.信息載體 通過(guò)剖析地下水水位、水質(zhì)變化來(lái)預(yù)報(bào)地震，尋找礦床。,地下水是（地球內(nèi)部地質(zhì)演變的）信息載體 由于是應(yīng)力傳遞者，同時(shí)又是在流動(dòng) 所以地下水水位，水量，水溫，水化學(xué)等的變化或異常可以提供埋藏在地下的許多信息。 強(qiáng)的溶劑：在地質(zhì)循環(huán)和水文循環(huán)中化學(xué)組分 溶解，傳遞到適宜的部位沉淀（沉積）：成礦 如

5、找礦、找油、地震預(yù)報(bào)、地質(zhì)演變,三、水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展的三個(gè)階段 1856年以前的萌芽時(shí)期，1856 年至20世紀(jì)中葉的奠基時(shí)期，20世紀(jì)中葉至今的發(fā)展時(shí)期。 萌芽時(shí)期 遠(yuǎn)古人類由“逐水而居”到“鑿井取水”。我國(guó)發(fā)現(xiàn)最古老的水井是浙江余姚河姆渡井。 公元前7世紀(jì)，亞美尼亞就有了坎兒井。修建坎兒井對(duì)地下水的賦存條件有清晰的概念。 公元前約200年的我國(guó)漢代，在四川為開(kāi)采鹵水，在堅(jiān)硬基巖中開(kāi)鑿了深逾百米的自流井。,地下水的利用坎兒井，近3000年歷史,余姚河姆渡井,奠基時(shí)期 1856年，法國(guó)達(dá)西darcy，進(jìn)行了水透過(guò)砂試驗(yàn)，得出著名的達(dá)西定律。 1863年，法國(guó)裘布依dupuit提出了地下水穩(wěn)定井

6、流公式。 1935年，美國(guó)泰斯(theis)得出了地下水非穩(wěn)定井流方程泰斯公式。 20世紀(jì)30年代起，馬斯卡特(muskat)提出用電流模擬連續(xù)介質(zhì)中地下水的運(yùn)動(dòng)。 20世紀(jì)中葉，地下水賦存、運(yùn)動(dòng)、補(bǔ)給、排泄、起源、水化學(xué)以及水量評(píng)價(jià)等方面，已有了一套比較完整的理論與研究方法，水文地質(zhì)學(xué)已經(jīng)為一門(mén)成熟的學(xué)科（形成時(shí)期）。,發(fā)展階段 二戰(zhàn)后，出現(xiàn)地下水水位深降、水資源枯竭、地面沉降、海水與咸水入侵淡含水層、地下水污染等問(wèn)題。人們意識(shí)到，正確地評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)、管理與保護(hù)地下水資源及保護(hù)生態(tài)環(huán)境。 水文地質(zhì)學(xué)已形成了若干分支學(xué)科，其學(xué)科體系可分為： 基礎(chǔ)學(xué)科 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)，地下水動(dòng)力學(xué)，水文地球化學(xué)

7、應(yīng)用學(xué)科 供水水文地質(zhì)學(xué)，礦床水文地質(zhì)學(xué)，農(nóng)田供水水文地質(zhì)學(xué)，油田水文地質(zhì)學(xué)，工程水文地質(zhì)學(xué) 技術(shù)學(xué)科 計(jì)算水文地質(zhì)，同位素水文地質(zhì)，rs、gis,四、開(kāi)發(fā)利用地下水資源的未來(lái) 國(guó)內(nèi)： 1）實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)； 2）加強(qiáng)地下水資源的科學(xué)管理； 3）加強(qiáng)與地下水資源開(kāi)發(fā)有關(guān)的環(huán)境保護(hù)；（當(dāng)今世界面臨的三大問(wèn)題：人口、資源、環(huán)境） 4）一些重大研究課題： 地下水過(guò)量開(kāi)采的對(duì)策； 地下水污染防治； 相關(guān)的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)； 研究水資源的管理模式。,五、水文地質(zhì)學(xué)的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì) （1）核心課題轉(zhuǎn)移 找水水文地質(zhì)學(xué)資源水文地質(zhì)學(xué)生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué) 初期的水文地質(zhì)學(xué)實(shí)際上是找水水文地質(zhì)學(xué)，只關(guān)心水井

8、周圍含水層的局部“影響半徑”；20世紀(jì)初葉，隨著取用地下水的規(guī)模增大，發(fā)覺(jué)某一范圍內(nèi)可供利用的地下水的數(shù)量是有限的，探明地下水資源成為核心課題，進(jìn)入了資源水文地質(zhì)學(xué)階段。隨著人類活動(dòng)對(duì)包括地下水在內(nèi)的自然環(huán)境的改造異常強(qiáng)烈，產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，水文地質(zhì)學(xué)進(jìn)入了生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的階段。,（2） 研究視野擴(kuò)展 含水層的局部整個(gè)含水層地下水系統(tǒng)水文系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)技術(shù)社會(huì)系統(tǒng) 找水水文地質(zhì)學(xué)，只關(guān)心水井周圍含水層的局部“影響半徑”。 泰斯公式的應(yīng)用，擴(kuò)展到整個(gè)含水層。 越流概念的提出，使得包括含水層與弱透水層在內(nèi)的地下水含水系統(tǒng)，成為研究的基本單元。 托特的地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論，指出一定條件下

9、地下水可以穿越“隔水層”而形成統(tǒng)一的地下水流動(dòng)系統(tǒng)。 英格倫提出將區(qū)域地表水和地下水整合在一起的水文系統(tǒng)的概念 。 人為活動(dòng)對(duì)地下水造成一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)與生態(tài)效應(yīng)，形成地下水生態(tài)系統(tǒng)。 人們進(jìn)行地下水管理，認(rèn)為地下水純粹的自然科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，實(shí)際上，其管理涉及人們的價(jià)值判斷活動(dòng)，產(chǎn)生了技術(shù)社會(huì)系統(tǒng)。,（3）研究目標(biāo)改變 由局部性的問(wèn)題全局性可持續(xù)發(fā)展的課題構(gòu)建人與自然協(xié)調(diào)的、良性循環(huán)的地下含水系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質(zhì)工程系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)以及地質(zhì)生態(tài)系統(tǒng) 水文地質(zhì)學(xué)的任務(wù)，最初是解決各種局部性的生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，隨后逐步轉(zhuǎn)向全局性的課題。 當(dāng)認(rèn)識(shí)到資源耗竭和生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，勢(shì)必危及人類的生存與

10、發(fā)展。水文地質(zhì)學(xué)的任務(wù)，由解決當(dāng)前的問(wèn)題轉(zhuǎn)向長(zhǎng)期的可持續(xù)發(fā)展課題。 從可持續(xù)發(fā)展理念出發(fā)，構(gòu)建人和自然協(xié)調(diào)的、良性循環(huán)的地下水（流動(dòng)） 系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)良性循環(huán)的天然系統(tǒng)尚未受到人為活動(dòng)損害時(shí)，研究的目的是掌握其演變規(guī)律，警惕與預(yù)防人為活動(dòng)的不良干擾。當(dāng)良性循環(huán)的天然系統(tǒng)已經(jīng)遭受人為損害時(shí)，研究目的是修復(fù)其損害。當(dāng)天然系統(tǒng)存在不利于人類的缺陷時(shí)，則需要遵循自然規(guī)律，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。,（4）研究?jī)?nèi)容擴(kuò)展 從地下水的水量研究為主水量與水質(zhì)的研究并重 從狹義地下水（飽水帶水）的研究擴(kuò)大到廣義地下水（含飽水帶與包氣帶水）地下水圈的研究 隨著水質(zhì)問(wèn)題（天然水質(zhì)不良、地下水污染、

11、海水與咸水入侵等） 的凸現(xiàn)，以及對(duì)水化學(xué)信息重要性的認(rèn)識(shí)加深，地下水的研究已經(jīng)從以往的水量研究為主，轉(zhuǎn)向水量與水質(zhì)的研究并重。 地下水水量與水質(zhì)的形成，與包氣帶密不可分，因而，水文地質(zhì)學(xué)研究從以狹義地下水飽水帶水為對(duì)象，擴(kuò)大到包括包氣帶與飽水帶在內(nèi)的廣義地下水。 水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水圈的科學(xué)，地下水圈包含從地殼淺部到下地幔以各種形式存在的水巖石空隙中的水、礦物和巖漿中的水，以及分解為氫離子和氧離子的“水”。愈來(lái)愈多的證據(jù)說(shuō)明，地殼淺部參與水文循環(huán)的地下水，與地球深部層圈中參與地質(zhì)循環(huán)的水，存在著密切聯(lián)系。,（5） 研究思路的改變 對(duì)現(xiàn)象的規(guī)律性為主的研究加強(qiáng)過(guò)程與機(jī)理研究的比重 水文地質(zhì)學(xué)研

12、究目標(biāo)的改變，要求采用新的研究思路與方法。如果說(shuō)為了解決具體的生產(chǎn)問(wèn)題，傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)更多著眼于研究現(xiàn)象的規(guī)律，那么，進(jìn)入當(dāng)代的生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)階段，就必須從生成角度研究目標(biāo)系統(tǒng)的作用過(guò)程與內(nèi)在機(jī)理。 目標(biāo)系統(tǒng)的研究，需要采用將分析與綜合有機(jī)整合的系統(tǒng)分析方法；良性循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建，要求應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法；要求采取治本對(duì)策, 而不是治標(biāo)措施；不僅要求處理好人和自然的關(guān)系，更要求正確處理好人與人之間的利益關(guān)系。,（6）多學(xué)科交叉滲透成為主流 應(yīng)用學(xué)科的水文地質(zhì)學(xué)與其它自然科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)交叉滲透的地下水科學(xué) 在分析與處理與地下水密切相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境損害、地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)退化時(shí)，需要涉及地球化學(xué)、物理

13、學(xué)、生物學(xué)、微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、巖土力學(xué)、土壤學(xué)，以及相關(guān)的修復(fù)技術(shù)與處理技術(shù)等。 在分析與水土有關(guān)的各種地方性疾病時(shí)，水文地質(zhì)學(xué)家不僅需要了解元素在水土中的遷移積聚規(guī)律，還需要了解元素的生物學(xué)功能以及有關(guān)的醫(yī)學(xué)知識(shí)。 從事城市地質(zhì)工作的水文地質(zhì)學(xué)家，需要對(duì)城市規(guī)劃與管理有所了解。有效利用土壤水的研究是解決水資源短缺的重要途徑，此時(shí)，需要將地下水科學(xué)與農(nóng)學(xué)、土壤學(xué),乃至基因改良技術(shù)相結(jié)合。,（7）多技術(shù)手段的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)硬件與軟件、遙感技術(shù)、同位素方法、地理信息系統(tǒng)的引入，以及向工程方向擴(kuò)展，增強(qiáng)了水文地質(zhì)學(xué)解決實(shí)際與理論問(wèn)題的能力 （8） 學(xué)科性質(zhì)的轉(zhuǎn)變 單純的應(yīng)用學(xué)科分支地球系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用性

14、分支以及理論性基礎(chǔ)學(xué)科分支,六、水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的對(duì)策 （1）構(gòu)建當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的理論方法體系 在水文地質(zhì)學(xué)原有的概念、理論與方法的基礎(chǔ)上，建立當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的概念、理論與方法體系。將系統(tǒng)分析、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)工程方法全面引入水文地質(zhì)學(xué)，圍繞當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的研究目標(biāo)構(gòu)建人和自然協(xié)調(diào)的、可持續(xù)的水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)建立新的概念、理論與方法體系。,（2）加強(qiáng)水文地質(zhì)過(guò)程與機(jī)理研究 水文地質(zhì)過(guò)程與機(jī)理的研究，還相當(dāng)薄弱。例如降水入滲補(bǔ)給機(jī)理研究的不足，使得一系列相關(guān)的問(wèn)題無(wú)法得到滿意的解決。而非飽和水流在非均質(zhì)介質(zhì)中的選擇性滲流機(jī)制的研究，為包氣帶核廢料處置等提供了理論基礎(chǔ)。 運(yùn)用控制性實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)

15、行水文地質(zhì)過(guò)程與機(jī)理物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M，結(jié)合數(shù)學(xué)模擬的方法，互相驗(yàn)證，探索水文地質(zhì)作用過(guò)程與機(jī)理。,（3）水文地質(zhì)工作需要向生產(chǎn)領(lǐng)域延伸 地下水環(huán)境工程包含地下水資源合理開(kāi)發(fā)利用工程、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境退化控制與改良工程、地下水污染控制工程、廢物地質(zhì)處置工程等； 西南巖溶地區(qū)，利用帷幕灌漿建造地下水壩以抬高補(bǔ)給逕流區(qū)地下水位，取得了良好的成效，是地下水工程的良好范例。 土壤水有效利用、咸水改造、地下水庫(kù)調(diào)蓄水資源等，都是水文地質(zhì)學(xué)向生產(chǎn)領(lǐng)域延伸的重要方向。,（4）加強(qiáng)包括軟科學(xué)在內(nèi)的多學(xué)科跨部門(mén)研究 加強(qiáng)水文地質(zhì)學(xué)與社會(huì)人文科學(xué)的結(jié)合，其重要性如何強(qiáng)調(diào)也不為過(guò)。任何自然科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的解決，都無(wú)法回避人們的

16、價(jià)值判斷與利益協(xié)調(diào)，因此自然科學(xué)技術(shù)成果，需要借助于社會(huì)人文學(xué)科的支撐，逾越種種利益門(mén)檻，才有可能被社會(huì)所接受，否則，只能 停留在紙面上，無(wú)法轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的生產(chǎn)力。,（5）加強(qiáng)水文地質(zhì)信息的社會(huì)傳播 黃河斷流、淮河污染等大量看得見(jiàn)、摸得著的地表水問(wèn)題的報(bào)道，吸引著受眾的眼球。地震、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，也給公眾留下深刻的印象。地下水短缺與地下水污染的隱蔽性，地下水引起的某些地質(zhì)災(zāi)害的緩變性，使得媒體對(duì)此類沒(méi)有轟動(dòng)效應(yīng)的新聞缺乏興趣。因此，公眾與決策者便對(duì)水文地質(zhì)工作缺乏認(rèn)識(shí)。 水文地質(zhì)學(xué)信息傳遞受阻還有另外原因。隨著水文地質(zhì)成果的服務(wù)領(lǐng)域拓寬，而我們?nèi)匀涣?xí)慣于用專業(yè)性的文字和圖件來(lái)傳

17、遞信息。隨著水文地質(zhì)工作的公益性不斷加強(qiáng)，以通俗易懂的語(yǔ)言向公眾與決策者傳遞有關(guān)信息，愈來(lái)愈有必要。,2008年 11月15日15時(shí)許，杭州風(fēng)情大道地鐵施工工地發(fā)生大面積地面塌陷事故。一些行進(jìn)中的汽車墜入塌陷處。,事故現(xiàn)場(chǎng),一輛轎車陷進(jìn)了斷裂帶 這起地鐵施工塌方事故，導(dǎo)致蕭山湘湖風(fēng)情大道75米路面坍塌，并下陷15米，附近河流決堤，河水倒灌，一度水深達(dá)6米之高。,地質(zhì)問(wèn)題是個(gè)偽問(wèn)題，一個(gè)常識(shí)是，現(xiàn)代工程技術(shù)已經(jīng)完全能夠解決在流沙土質(zhì)條件下的施工。 杭州在建地鐵工程必須遵循的三點(diǎn)原則: 一、基坑的開(kāi)挖必須分層、分段，且開(kāi)挖時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，每次分層開(kāi)挖控制在3米，分段開(kāi)挖保證在1520米； 二、基坑必須先支撐后開(kāi)挖，并把握好支撐的細(xì)節(jié)，基坑的變形要求在受控的狀態(tài)； 三、注意在雨天環(huán)境下基坑的及時(shí)排水，在完工后，要立即加固混凝土，確保基坑不變形。,搶救人員使用抽水機(jī)排水 ,由于塌陷區(qū)有較深積水，盡管調(diào)