水文學(xué)與水資源學(xué)基礎(chǔ) The Basis of Hydrology and Water Resources 地下水部分,宋 獻(xiàn)方 TEL & FAX:手機(jī)E-mail: ,主 要 內(nèi) 容,地下水的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng),地下水系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu),地下水的類型及其特征,地下水循環(huán)及其影響因子,地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律,地下水動(dòng)態(tài)與平衡,中國(guó)地下水基本特征,地下水的化學(xué)成分及其形成作用,地下水水資源評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介,地下水動(dòng)態(tài)與平衡,地下水動(dòng)態(tài)與均衡的概念,在在與環(huán)境相互作用下，地下水各種要素（如水位、水量、水化學(xué)成分、水溫、微生物等）隨時(shí)間的變化，稱為地下水動(dòng)態(tài)（groundwater regime） 地下水要素隨時(shí)間變動(dòng)，是收支不平衡的結(jié)果。例如，當(dāng)含水層的補(bǔ)給水量大于排泄水量時(shí)，儲(chǔ)存水量增加，地下水位上升；反之，補(bǔ)給量小于排泄量時(shí)，儲(chǔ)存水量減少，水位下降。同樣，鹽量或熱量收支不平衡，將使其水質(zhì)或水溫發(fā)生變化 某一時(shí)段內(nèi)、某一地段內(nèi)地下水水量（鹽量、熱量、能量）的收支狀況稱為地下水均衡(groundwater budget),地下水動(dòng)態(tài)形成機(jī)制,形成機(jī)制 分析一次降雨對(duì)地下水位的影響：地下水位的升高過(guò)程表現(xiàn)為一個(gè)連續(xù)波形圖形 間斷性的降水，通過(guò)含水層的變化將轉(zhuǎn)化為比較連續(xù)的地下水位的變化或泉流量的變化,地下水動(dòng)態(tài),一、影響地下水動(dòng)態(tài)的天然 因素 1、氣候因素 氣候因素對(duì)潛水動(dòng)態(tài)影響最為普遍。降水的數(shù)量及歷時(shí)分布，影響潛水的補(bǔ)給狀況、氣溫、濕度、風(fēng)速等，影響著潛水的蒸發(fā)排泄,地下水動(dòng)態(tài),2水文因素 地表水體補(bǔ)給地下水而引起地下水位抬升時(shí)，隨著遠(yuǎn)離河流，水位變化幅度愈小，開(kāi)始變化的時(shí)間愈滯后。,地下水動(dòng)態(tài),3其他因素（地震、固體潮、潮汐、外部荷載等） 氣候與水文因素作為地下水的補(bǔ)給來(lái)源或排泄去路，決定著地下水動(dòng)態(tài)的基本模式 (如地下水位峰谷值的分布)，屬于活躍的變動(dòng)因素 地質(zhì)因素等通常變化極其緩慢，可看作穩(wěn)定不變的因素。它通過(guò)影響補(bǔ)給、排泄的強(qiáng)度及徑流條件，而改變地下水要素的變化幅度與變化滯后時(shí)間,二、地下水天然動(dòng)態(tài)類型,潛水與承壓水由于排泄方式及水交替程度不同，動(dòng)態(tài)特征也不相同 潛水及松散沉積物中的淺部承壓水，可分為三種主要?jiǎng)討B(tài)類型：蒸發(fā)型、徑流型及弱徑流型 承壓水均為徑流型，動(dòng)態(tài)變化的程度取決于構(gòu)造封閉條件。 構(gòu)造開(kāi)啟程度愈好，水交替愈強(qiáng)烈，動(dòng)態(tài)變化愈強(qiáng)烈， 水質(zhì)的淡化趨勢(shì)愈明顯。,人類活動(dòng)影響下的地下水動(dòng)態(tài),人類活動(dòng)通過(guò)增加新的補(bǔ)給來(lái)源或新的排泄去路而改變地下水的天然動(dòng)態(tài)。,人類活動(dòng)影響下的地下水動(dòng)態(tài),地下水均衡,一、均衡區(qū)與均衡期 一個(gè)地區(qū)的水均衡研究，實(shí)質(zhì)就是應(yīng)用質(zhì)量守恒定律去分析參與水循環(huán)的各要素的數(shù)量關(guān)系 地下水均衡是以地下水為對(duì)象的均衡研究。目的在于闡明某個(gè)地區(qū)征某一段時(shí)間內(nèi)，地下水水量(鹽量、熱量)收入與支出之間的數(shù)量關(guān)系。 進(jìn)行均衡計(jì)算所選定的地區(qū)稱作均衡區(qū)（area for water balance）。它最好是一個(gè)具有隔水邊界的完整水文地質(zhì)系統(tǒng)， 進(jìn)行均衡計(jì)算的時(shí)間段，稱作均衡期(duration for water balance)，可以是若干年，一年，也可以是一個(gè)月等。 某一均衡區(qū)，在一定均衡期內(nèi)，地下水水量(或鹽量、熱量)的收入大于支出，表現(xiàn)為地下水儲(chǔ)存量(或鹽儲(chǔ)量、熱儲(chǔ)量)增加，稱作正均衡； 反之，支出大于收入，地下水儲(chǔ)存量(或鹽儲(chǔ)量、熱儲(chǔ)量)減少，稱作負(fù)均衡。,地下水均衡,地下水補(bǔ)給,水分剩余,水分超支,蒸散發(fā),二、水均衡方程式 equation for water balance,潛水均衡方程式,人類活動(dòng)影響下的地下水均衡,研究人類活動(dòng)影響下的地下水均衡，可以幫助我們定量評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響，預(yù)測(cè)其水量水質(zhì)變化趨勢(shì)，并據(jù)此提出調(diào)控地下水動(dòng)態(tài)使之朝向?qū)θ祟愑欣姆较虬l(fā)展的措施,中國(guó)地下水基本特征,中國(guó)地下水類型劃分為平原盆地地下水、黃土地區(qū)地下水、巖溶地區(qū)地下水和基巖山區(qū)地下水四種,中國(guó)地下水類型分布圖,中國(guó)氣候分區(qū),中國(guó)地形,中國(guó)地形,秦嶺一昆侖山構(gòu)造帶橫跨全國(guó)，把我國(guó)不論是從地史發(fā)展，還是從自然地理景觀都明顯的分為南方和北方兩大部分，從而也就造成我國(guó)地下水南北不同的分布規(guī)律。 因此，在區(qū)域水文地質(zhì)意義上說(shuō)，也可以認(rèn)為秦嶺一昆侖山構(gòu)造帶是我國(guó)地下水分布的重要分界線。 另外，由于我國(guó)地質(zhì)構(gòu)造、地形、氣候和地表水等的東西差異，又使南北分布不同的地下水，各自具有明顯的東西方向上的變化。,中國(guó)地下水類型分布圖,平原盆地地下水,主要包括黃淮海平原、三江平原、松遼平原、江漢平原、塔里木盆地、準(zhǔn)葛爾盆地、四川盆地、以及河西走廊、河套平原、關(guān)中盆地、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、雷州半島等地區(qū)。我國(guó)平原盆地地下水分布面積273.89萬(wàn)平方千米，占全國(guó)評(píng)價(jià)區(qū)總面積的28.86%；地下水可開(kāi)采資源量1686.09億立方米/年，占全國(guó)地下水可開(kāi)采資源總量的47.79%,地下水主要賦存于松散沉積物和固結(jié)程度較低的巖層之中，一般水量比較豐富，具有重要開(kāi)采價(jià)值,黃土地區(qū)地下水,黃土地區(qū)地下水是平原-盆地地下水的一種，是中國(guó)的一大特色，主要分布在我國(guó)的陜西省北部、寧夏回族自治區(qū)南部、山西省西部和甘肅省東南部地區(qū)，即日月山以東、呂梁山以西、長(zhǎng)城以南、秦嶺以北的黃土高原地區(qū)。黃土地區(qū)地下水主要賦存于黃土塬區(qū)，在一些規(guī)模較大的塬區(qū)，地下水比較豐富，具有供水價(jià)值。評(píng)價(jià)區(qū)面積17.18萬(wàn)平方千米,占全國(guó)評(píng)價(jià)區(qū)總面積的1.81%；地下水可開(kāi)采資源量97.44億立方米/年，占全國(guó)地下水可開(kāi)采資源總量的3.0%。,中國(guó)黃土高原分布図,巖溶地區(qū)地下水,地下水主要賦存于碳酸鹽巖（石灰?guī)r）的溶洞裂隙中，其賦存狀態(tài)取決于巖溶發(fā)育程度。我國(guó)碳酸鹽巖分布較廣，有的直接裸露于地表，有的埋藏于地下，不同氣候條件下，其巖溶發(fā)育程度不同，特別是北方和南方地區(qū)差異明顯。我國(guó)巖溶地區(qū)地下水分布面積約82.83萬(wàn)平方千米,占全國(guó)評(píng)價(jià)區(qū)總面積的8.73%；巖溶地下水可開(kāi)采資源量870.02億立方米/年，占全國(guó)地下水可開(kāi)采資源總量的26.7%，開(kāi)發(fā)利用價(jià)值非常大。,中國(guó)巖溶地形分布図,基巖山區(qū)地下水,廣泛分布于巖溶地區(qū)以外的其它山地、丘陵區(qū)，地下水賦存于巖漿巖、變質(zhì)巖、碎屑巖和火山熔巖等巖石的裂隙中，是我國(guó)分布最廣的一種地下水類型?；鶐r山區(qū)地下水只有在構(gòu)造破碎帶等局部地帶富水性較好，大部分地區(qū)水量較貧乏，一般不適宜集中開(kāi)采，但對(duì)山地丘陵區(qū)和高原地區(qū)的人、畜用水有重要作用。山區(qū)地下水分布面積約574.98萬(wàn)平方千米,占全國(guó)評(píng)價(jià)區(qū)總面積的60.60%；地下水可開(kāi)采資源量971.67億立方米/年，占全國(guó)地下水可開(kāi)采資源總量的27.54%。,中國(guó)火山分布図,多年凍土區(qū)地下水的分布特點(diǎn),我國(guó)多年凍土區(qū)地下水的分布，除在阿爾泰山和東北地區(qū)的最北部分布有高緯度多年凍土區(qū)地下水外，隨著地勢(shì)的增高，在我國(guó)西部的青藏高原上，還分布有世界上少見(jiàn)的低緯度高山多年凍土區(qū)地下水。,淺部地下水水質(zhì)變化的特點(diǎn),標(biāo)志著我國(guó)南方和北方地下水形成分布不同的另一個(gè)重要差別，是淺部地下水(包括潛水和淺部微承壓水)水質(zhì)變化的南北截然不問(wèn)。北方淺部地下水礦化度變化比較復(fù)雜，常大于l克升，其中西北地區(qū)淺部地下水礦化度由于大陸鹽漬化作用，可以高達(dá)幾十克升。 南方淺部地下水礦化度由于淋濾作用強(qiáng)烈則幾乎全部小于1克升。 在東西方向上，東部因?yàn)l臨海岸及受季風(fēng)影響，除沿海地區(qū)地下水礦化度較高外，一般多為小于l克升或1克升左右的淡水，而西部則變化較為復(fù)雜。 另外在北方大型內(nèi)陸盆地和平原地下水化學(xué)水平分帶及垂直分帶都比較明顯，而南方一些小型的山間盆地則極不明顯。,地下水動(dòng)態(tài)曲線類型變化特點(diǎn),地下水動(dòng)態(tài)曲線的型態(tài)，從南到北逐漸由多峰變?yōu)殡p峰和單峰。高峰出現(xiàn)時(shí)間，隊(duì)南向北逐漸向后推移，一般在秦嶺一淮河一線以南降雨季節(jié)較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)曲線以多峰形態(tài)為主，由于受梅雨影響高峰出現(xiàn)時(shí)間較早。 在秦嶺一淮河一線以北，雨季較短，一般多集中于秋季，地下水動(dòng)態(tài)曲線以雙峰或單峰型態(tài)為主，高峰出現(xiàn)時(shí)間較晚，在我國(guó)西北高山地區(qū)，由于氣候在垂直方向上的變化，形成了從高山到平原有著不同的地下水動(dòng)態(tài)特征。,地下水類型的劃分,I、松散沉積孔隙水 II、巖溶裂隙溶洞水 III、基巖裂隙水 Iv、多年凍土孔隙裂隙水,松散沉積孔隙水,1堆積平原砂礫石層孔隙水 山前平原砂礫石層潛水及承壓水 平原多層狀含水砂層承壓水 濱海平原海陸交互相沙層承壓水 )沖湖積平原砂層潛水及承壓水 山間河谷平原砂礫石層潛水及承壓水,松散沉積孔隙水,2.內(nèi)陸盆地沖積平原砂礫石層孔隙水 山前帶沙礫石層潛水及承壓水 沖湖積平原砂層潛水及承壓水 3黃土高原黃土孔隙水 源區(qū)連續(xù)分布的黃土潛水 梁、卵區(qū)局部分市的黃土潛水 4沙漠孔隙水 風(fēng)積沙丘潛水 風(fēng)積沙丘下伏砂礫石層承壓水,巖溶裂隙溶洞水,1，裸露及半裸露巖溶裂隙溶洞水 峰叢峰林溶洞裂隙水 巖溶丘陵溶洞裂隙水 巖溶山地裂隙溶洞水 2隱伏巖溶裂隙溶洞水 溺埋隱伏巖溶裂隙溶洞水 )深埋隱伏巖溶裂隙溶洞水,基巖裂隙水,1，基巖裂隙潛水 巖漿巖裂隙潛水 變質(zhì)巖裂隙潛水 2，基巖裂隙潛水及承壓水 碎屑巖裂隙潛水及承壓水 玄武巖孔隙裂隙潛水及承壓水,多年凍土孔隙裂隙水,1高緯度山地多年凍土孔隙裂隙水 多年凍土區(qū)凍結(jié)層上水及凍結(jié)層下水 島狀態(tài)土區(qū)凍結(jié)層上水及凍結(jié)層下水 2中、低緯度高原多年凍土孔隙裂隙水 松散沉積凍結(jié)層上水 基巖凍結(jié)層上水及凍結(jié)層下水,地下水監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀,地下水的補(bǔ)給與潛水蒸發(fā),內(nèi)陸河流域冰川與融雪徑流的源地 涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄徑流，天然的調(diào)蓄水庫(kù) 山前綠洲平原農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，地表水與地下水多次轉(zhuǎn)換 受制于中游的來(lái)水量，已產(chǎn)生嚴(yán)重的荒漠化，是相當(dāng)脆弱的植被生態(tài)地帶,冰雪凍土帶,山區(qū)植被帶,山前綠洲帶,下游荒漠帶,內(nèi)陸干旱區(qū)河流域垂直景觀帶,水文系統(tǒng)演變與生態(tài)響應(yīng),干枯的臺(tái)特瑪湖湖底,水文系統(tǒng)演變與生態(tài)響應(yīng),塔河下游干枯的植被,地下水資源評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介,地下水資源評(píng)價(jià)的重要性,地下水資源是我國(guó)重要的飲用水源 我國(guó)181個(gè)大中城市中，基本上依靠地下水作為水源的有61個(gè)，以地下水和地表水一起作為供水源的城市有40個(gè)，全國(guó)有1/3的人口飲用地下水。 很多城市已將地下水資源作為城市規(guī)劃的重要依據(jù) “十一五”國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定 “國(guó)土資源部”地下水與地質(zhì)環(huán)境研究面臨的形勢(shì)與任務(wù),評(píng)價(jià)的主要目的：對(duì)某地下水資源的數(shù)量、質(zhì)量、時(shí)空分布特征和開(kāi)發(fā)利用條件做出科學(xué)全面的分析與估計(jì)，為合理開(kāi)發(fā)利用地下水資源提供科學(xué)可靠的依據(jù)。,地下水資源評(píng)價(jià)的方法,相關(guān)分析法,相關(guān)分析法是根據(jù)開(kāi)采地下水的歷史資料或不同流量不同降深的抽水試驗(yàn)資料用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法找出流量與降深或其它自變量間的相關(guān)關(guān)系即完全相關(guān)零相關(guān)和統(tǒng)計(jì)相關(guān) 并依據(jù)這種關(guān)系來(lái)計(jì)算未來(lái)開(kāi)采時(shí)的開(kāi)采量或增大開(kāi)采量后的水位降。 適用條件：水文地質(zhì)勘探試驗(yàn)工作做得不夠 資料較少 但地下水水位動(dòng)態(tài)資料較多的情況下 .,水文切割法,利用流量過(guò)程圖結(jié)合具體的水文地質(zhì)條件對(duì)地表水的流量過(guò)程線進(jìn)行深入分析則可把流量過(guò)程曲線上補(bǔ)給河水的地下徑流量基流量切割出來(lái).,適應(yīng)條件： 水文地質(zhì)資料 缺乏，河流 資料充足地區(qū),水文地質(zhì)比擬法 使用研究區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件的相似性，利用局部地段或其它相類似區(qū)域的勘查資料進(jìn)行評(píng)價(jià)。 電模擬法 根據(jù)地下水在滲流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律與電在電流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律相似 確定滲流區(qū)域內(nèi)相對(duì)點(diǎn)的地下水水頭和地下水滲流量。 解析法 根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理以數(shù)學(xué)的解析方法求解描述地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的偏微分方程，對(duì)各種特定模式在一定的邊值和初值條件下的地下水運(yùn)動(dòng)模型建立其解析公式以進(jìn)行研究區(qū)域的地下水資源評(píng)價(jià)。.,水均衡法,質(zhì)量守恒補(bǔ)給量減去排泄量永遠(yuǎn)等于含水層中水體積的變化量。 數(shù)學(xué)公式：Q補(bǔ)Q排=h,Q補(bǔ),大氣降水量,地表水流入量,地下水流入量,水汽凝結(jié)量,人工回灌量,Q排,人工抽取量,蒸發(fā)量,地下水流出量,地表水流出量,數(shù)值法,基本思想：把研究區(qū)域進(jìn)行剖分成形狀規(guī)則的網(wǎng)格，寫(xiě)出單元網(wǎng)格的水均衡偏微分方程，用不同的方法線性化得到線性方程組，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水頭值。 目前應(yīng)用軟件：MODFLOW FEFLOW MT3D