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）中的水存儲空間。 包氣帶、飽水帶存儲形式。 研究內(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相互作用下，地下水水量和水質(zhì)的時空變化規(guī)律；并研究如何運用這些規(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。,天津市首個大規(guī)模集中的供熱地源熱泵項目2013年12月在寶坻經(jīng)濟開發(fā)區(qū)正式投入使用。跟傳統(tǒng)燃煤、燃氣供熱相比，新的供熱項目綜合節(jié)能可達到一半以上。 該地源熱泵項目將地下水熱量提取出來并通過壓縮機升溫到60后，通過管道將熱量傳導(dǎo)到用戶端進行制熱。 過去采用燃煤鍋爐，滿足5000戶家庭一年的取暖需求，要燒一萬噸煤，花費800萬元；現(xiàn)在采用地源熱泵系統(tǒng)，只需要300萬元電費，費用省了，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滑劑 水庫誘發(fā)地震,指在原來沒有或很少地震的地方，由于水庫蓄水引發(fā)的地震稱水庫地震，是誘發(fā)地震的一種類型。水庫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。水庫地震一般是在水庫蓄水達一定時間后發(fā)生，多分布在水庫下游或水庫區(qū)，有時在大壩附近,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)定問題,地面沉降,美國,美國,埃塞俄比亞

4、,沙特,泰國,墨西哥,全球地裂縫分布,我國大華北和華東地區(qū)地裂縫“遍地開花”,達1000余條，造成數(shù)百億元的經(jīng)濟損失。,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)境問題：沙化荒漠化加重,地下水利用產(chǎn)生的環(huán)境問題：地下水污染,5.信息載體 通過剖析地下水水位、水質(zhì)變化來預(yù)報地震，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，同時又是在流動 所以地下水水位，水量，水溫，水化學(xué)等的變化或異?？梢蕴峁┞癫卦诘叵碌脑S多信息。 強的溶劑：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、地質(zhì)演變,三、水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展的三個階段 1856年以前的萌芽時期，1856 年至20世紀中葉的奠基時期，20世紀中葉至今的發(fā)展時期。 萌芽時期 遠古人類由“逐水而居”到“鑿井取水”。我國發(fā)現(xiàn)最古老的水井是浙江余姚河姆渡井。 公元前7世紀，亞美尼亞就有了坎兒井。修建坎兒井對地下水的賦存條件有清晰的概念。 公元前約200年的我國漢代，在四川為開采鹵水，在堅硬基巖中開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,奠基時期 1856年，法國達西darcy，進行了水透過砂試驗，得出著名的達西定律。 1863年，法國裘布依dupuit提出了地下水穩(wěn)定井

6、流公式。 1935年，美國泰斯(theis)得出了地下水非穩(wěn)定井流方程泰斯公式。 20世紀30年代起，馬斯卡特(muskat)提出用電流模擬連續(xù)介質(zhì)中地下水的運動。 20世紀中葉，地下水賦存、運動、補給、排泄、起源、水化學(xué)以及水量評價等方面，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)為一門成熟的學(xué)科（形成時期）。,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、地下水污染等問題。人們意識到，正確地評價、開發(fā)、管理與保護地下水資源及保護生態(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 計算水文地質(zhì)，同位素水文地質(zhì)，rs、gis,四、開發(fā)利用地下水資源的未來 國內(nèi)： 1）實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)； 2）加強地下水資源的科學(xué)管理； 3）加強與地下水資源開發(fā)有關(guān)的環(huán)境保護；（當今世界面臨的三大問題：人口、資源、環(huán)境） 4）一些重大研究課題： 地下水過量開采的對策； 地下水污染防治； 相關(guān)的環(huán)境質(zhì)量評價； 研究水資源的管理模式。,五、水文地質(zhì)學(xué)的特點及發(fā)展趨勢 （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世紀初葉，隨著取用地下水的規(guī)模增大，發(fā)覺某一范圍內(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，進入了資源水文地質(zhì)學(xué)階段。隨著人類活動對包括地下水在內(nèi)的自然環(huán)境的改造異常強烈，產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題，水文地質(zhì)學(xué)進入了生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的階段。,（2） 研究視野擴展 含水層的局部整個含水層地下水系統(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，擴展到整個含水層。 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 。 人為活動對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)。 人們進行地下水管理，認為地下水純粹的自然科學(xué)技術(shù)問題，實際上，其管理涉及人們的價值判斷活動，產(chǎn)生了技術(shù)社會系統(tǒng)。,（3）研究目標改變 由局部性的問題全局性可持續(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)實際問題，隨后逐步轉(zhuǎn)向全局性的課題。 當認識到資源耗竭和生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，勢必危及人類的生存與

10、發(fā)展。水文地質(zhì)學(xué)的任務(wù)，由解決當前的問題轉(zhuǎn)向長期的可持續(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） 系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)。當良性循環(huán)的天然系統(tǒng)尚未受到人為活動損害時，研究的目的是掌握其演變規(guī)律，警惕與預(yù)防人為活動的不良干擾。當良性循環(huán)的天然系統(tǒng)已經(jīng)遭受人為損害時，研究目的是修復(fù)其損害。當天然系統(tǒng)存在不利于人類的缺陷時，則需要遵循自然規(guī)律，對系統(tǒng)進行優(yōu)化。,（4）研究內(nèi)容擴展 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)，以及對水化學(xué)信息重要性的認識加深，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象，擴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”。愈來愈多的證據(jù)說明，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 對現(xiàn)象的規(guī)律性為主的研究加強過程與機理研究的比重 水文地質(zhì)學(xué)研

12、究目標的改變，要求采用新的研究思路與方法。如果說為了解決具體的生產(chǎn)問題，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，進入當代的生態(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系統(tǒng)的作用過程與內(nèi)在機理。 目標系統(tǒng)的研究，需要采用將分析與綜合有機整合的系統(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；要求采取治本對策, 而不是治標措施；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，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，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。 從事城市地質(zhì)工作的水文地質(zhì)學(xué)家，需要對城市規(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，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 計算機硬件與軟件、遙感技術(shù)、同位素方法、地理信息系統(tǒng)的引入，以及向工程方向擴展，增強了水文地質(zhì)學(xué)解決實際與理論問題的能力 （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)展的對策 （1）構(gòu)建當代水文地質(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)，圍繞當代水文地質(zhì)學(xué)的研究目標構(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）加強水文地質(zhì)過程與機理研究 水文地質(zhì)過程與機理的研究，還相當薄弱。例如降水入滲補給機理研究的不足，使得一系列相關(guān)的問題無法得到滿意的解決。而非飽和水流在非均質(zhì)介質(zhì)中的選擇性滲流機制的研究，為包氣帶核廢料處置等提供了理論基礎(chǔ)。 運用控制性實驗手段進

15、行水文地質(zhì)過程與機理物理實驗?zāi)M，結(jié)合數(shù)學(xué)模擬的方法，互相驗證，探索水文地質(zhì)作用過程與機理。,（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）加強包括軟科學(xué)在內(nèi)的多學(xué)科跨部門研究 加強水文地質(zhì)學(xué)與社會人文科學(xué)的結(jié)合，其重要性如何強調(diào)也不為過。任何自然科學(xué)技術(shù)問題的解決，都無法回避人們的

16、價值判斷與利益協(xié)調(diào)，因此自然科學(xué)技術(shù)成果，需要借助于社會人文學(xué)科的支撐，逾越種種利益門檻，才有可能被社會所接受，否則，只能 停留在紙面上，無法轉(zhuǎn)化為實實在在的生產(chǎn)力。,（5）加強水文地質(zhì)信息的社會傳播 黃河斷流、淮河污染等大量看得見、摸得著的地表水問題的報道，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，使得媒體對此類沒有轟動效應(yīng)的新聞缺乏興趣。因此，公眾與決策者便對水文地質(zhì)工作缺乏認識。 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)性的文字和圖件來傳

17、遞信息。隨著水文地質(zhì)工作的公益性不斷加強，以通俗易懂的語言向公眾與決策者傳遞有關(guān)信息，愈來愈有必要。,2008年 11月15日15時許，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。一些行進中的汽車墜入塌陷處。,事故現(xiàn)場,一輛轎車陷進了斷裂帶 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6米之高。,地質(zhì)問題是個偽問題，一個常識是，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原則: 一、基坑的開挖必須分層、分段，且開挖時間不宜過長，每次分層開挖控制在3米，分段開挖保證在1520米； 二、基坑必須先支撐后開挖，并把握好支撐的細節(jié)，基坑的變形要求在受控的狀態(tài)； 三、注意在雨天環(huán)境下基坑的及時排水，在完工后，要立即加固混凝土，確?；硬蛔冃?。,搶救人員使用抽水機排水 ,由于塌陷區(qū)有較深積水，盡管調(diào)