專門水文地質學

本課程的考核方式

這門課程的考核方式為期末考試和考查，考查形式主要有：（1）出勤率；（2）課堂作業完成情況。《專門水文地質學》任務和內容

專門水文地質學是一門專業技術方法課，在地下水基本理論指導下論述地下水在應用方面的理論和方法，其主要任務：（1）要求熟悉和掌握地下水調查、評價、開發利用、保護與管理的理論和方法；（2）學會應用水文地質學理論與技術分析和解決與地下水有關的資源、環境、地下水危害等實際問題的能力。《專門文地質學》任務主要包括三方面內容：（1）水文地質調查方法，重點介紹水文地質調查應用的技術方法，即根據不同任務，論證在不同條件下進行水文地質調查時應采用的水文地質調查手段、應用原則、工作量、技術要求及成果整理等內容。（2）供水水文地質學，重點討論為供水目的而進行地下水水質評價和水量評價，以及地下水資源的合理開發、保護與管理。（3）礦床水文地質學，重點探討在進行礦床地質調查的同時所進行的水文地質調查工作。《專門文地質學》內容(第二版)主要包括五方面內容：1、地下水資源調查技術方法（1）主要介紹區域地下水資源地面調查的任務、內容、要求和技術方法，以及地下水資源調查的成果整理等內容。（2）一些專門性的地下水資源調查，依據區域地下水資源地面調查的原則、方法和內容，結合具體要求開展相應的工作。《專門文地質學》內容（第三版）2、地下水資源評價的理論與方法（1）重點討論地下水資源分類、地下水資源的組成、地下水允許開采量的評價方法及作為供水水源的地下水水質評價方法；（2）簡要介紹地下水環境質量評價的內容和方法；

（3）論述地下水資源評價的原則、區域和局域地下水資源評價的內容。《專門文地質學》內容（第三版）3、地下水資源開發利用、管理和保護（1）介紹作為供水水源的地下水水源地的選擇，地下水取水建筑物的類型、特點及開采布局。（2）論述地下水資源管理的一般原則，地下水資源保護及地下水環境負效應防治的技術方法。《專門文地質學》內容（第三版）4、礦床水文地質及地下熱水的調查評價介紹礦床充水條件及地下熱水的調查評價方法，礦井涌水量預測的特點及防治礦井突水的方法。5、探討現代新技術方法在地下水研究中的應用介紹遙感及GIS技術在地下水資源調查中的應用、同位素技術解決地下水實際問題的理論和方法、最新地下水模擬軟件的特點及應用技術。《專門文地質學》內容（第三版）地下水資源調查技術方法（1-6）地下水資源評價的理論與方法（7-8）地下水資源開發、管理和保護（9-10）礦床水文地質及地下熱水的調查評價（11-15）探討現代新技術方法在地下水研究中的應用（16）《專門文地質學》內容-使用教材地下水資源與地下水系統地球上的水資源中國的水資源地下水資源的特點及分類地下水系統水的特性

水是一種神奇的物質，地球之所以能夠成為一顆智慧星球，水是一個關鍵因素各種生命起源的假說都少不了水這一因素地球表面70%以上覆蓋著水，大多數生物體內水的含量也達2/3以上人體血液的礦化度為9g/L，與30億年前海水相同，靜脈滴用的生理鹽水為0.9%的NaCl溶液，與原始海水一致自然界中的植物體內含水量更高，有些甚至高達95%人的生命、生活、生產更是與水聯系密切地球水圈中水的分布什么是水資源？英國的《水資源法》把水資源定義為：“(地球上)具有的足夠數量的可用水”。聯合國教科文組織(UNESCO)和世界氣象組織(WMO)定義水資源為“可以利用或有可能被利用的水源，具有足夠數量和可用的質量，并能在某一地點為滿足某種用途而可被用。《中國大百科全書》將水資源認定為“地球表層可供人類利用的水，一般指每年可更新的水量資源”。什么是水資源？廣義地，對人類存在著直接或間接的利用價值，故均可視為水資源通常所說的水資源（狹義地）：指陸地上可供人類生產、生活直接利用的地表淡水和埋藏較淺的地下淡水資源，一般采用地表徑流量和部分積極參與水循環的地下水徑流量來衡量水資源量的多少海水是水資源嗎？所有的地下水都是水資源嗎？水循環過程水量平衡：降水、蒸發和徑流的平衡各種類型的水資源

停留、轉換、更新的時間不同地球水資源的更新周期水資源類型更新周期（a）水資源類型更新周期多年凍土的底冰10000湖泊水17a極地冰和多年積雪9700沼澤水5a海洋水2500土壤水1a山地冰川1600河川水16d

大氣水8d

生物水nh

ContinentPercentofworld'swaterresources

andpopulationAsia60.5%36%Africa10%8%EuropeNorthandCentralAmerica7.3%SouthAmericaandCaribbean6.4%26%15%5%Oceania11.3%0.5%14%水資源在各個大陸上的分布全球用水狀況地下水資源與地下水系統地球上的水資源中國的水資源地下水資源的特點及分類地下水系統——水資源概況中國水資源總量大、人均少468700巴西俄羅斯加拿大美國印度尼西亞中國印度世界0300006000012000090000人均徑流量（立方米/人）徑流總量（億立方米）1、南方約占全國總面積的40%，卻占全國總流量的80%以上2、黃、淮、海河流域面積占全國耕地的38%以上，但水資源只占6%——水資源面臨的問題

大量的事實，甚至親身的經歷，都明確的告訴我們，中國水資源已經敲響了警鐘，水資源的現狀不容樂觀。水多水少水臟長江98大洪水

華北缺水與黃河斷流河流湖泊水污染嚴重水資源面臨的問題98特大洪災

農田受災面積2229萬公頃（3.34億畝），死亡4150人，倒塌房屋685萬間，直接經濟損失2551億元。2007年5月29日上午，在高溫的條件下，太湖無錫流域突然大面積藍藻暴發，供給全市市民的飲水源也迅速被藍藻污染。現場雖然進行了打撈，無奈藍藻暴發太嚴重而無法控制。2005年11月13日，中石油吉化雙苯廠爆炸導致松花江發生重大環境污染事件，形成的硝基苯污染帶流經吉林、黑龍江。五十年代淘米洗菜，六十年代洗衣灌溉，七十年代水質敗壞，八十年代魚蝦絕代，九十年代拉稀生癌．

——一首廣泛流傳于淮河邊的民謠砷農藥溶劑石油化學全球地下水污染現狀地下水資源與地下水系統地球上的水資源中國的水資源地下水資源的特點及分類地下水系統——地下水資源的概念地下水（廣義、狹義）地下水資源的概念地下水是一種寶貴的、可再生的供水水源地下水與地表水資源相比的優越之處有：空間分布：廣而均勻（地表水局限）水質：水質優，潔凈，水溫恒定，不易受到污染，但污染后很難治理。可利用性：一次性利用投資小，運用費用高地下水資源：能從某一地下水盆地中連續地、不至于引起不良結果地抽取的地下水量——安全抽水量地下水資源概念的由來為避免地下水位不斷下降，限制水井井距、深度與采水量。1915年美國首次提出以含水層或盆地為單元的安全抽水量概念：“所謂安全抽水量，是在不致引起含水層發生危險涸竭的情況下，能正常而持續地抽水的界限水量”

。

后來發現，開采地下水會引起諸如：地面沉降、海水入侵、咸水入侵等造成巨大經濟損失的環境損害。安全抽水量的定義修改：“能從某一地下水盆地中連續地、不至于引起不良結果地抽取的地下水量”。

允許利用的地下水資源量，不僅受到自然條件的制約，還受到技術、經濟、社會乃至法律條件的制約。——地下水資源的特征系統性形成：地下水資源是按系統形成與分布的

系統性：地下水是一個統一的整體（有水力聯系的），系統內部任何一部分的輸入（補給或抽水），都會影響（波及）整個系統資源量按系統計算：以系統為單元統籌規劃利用，開發與管理難點：系統邊界不易確定；邊界有疊置，邊界跨行政區域

問題：造成重復計算水量，人為夸大水量，開采過度，難以管理（不同行政區）建議：當開發利用地下水資源時，必須從含水系統整體上考慮取水方案，尋求整體開發利用地下水資源的最優方案，而不是單獨追求某一部分的最優化可恢復性天然可再生的資源均具有可恢復性地下水資源是通過水文循環使水量恢復、水質更新的，循環過程是通過補給與排泄兩個環節完成的。恢復能力的強弱與水文循環的交替速度有關：圖示條件：比較哪個含水系統更優？？一個恢復性很差的含水系統，其規模再大，儲備水量再多，也會被用完（枯竭）——而“無以為繼”。因此，可恢復性是供水水源的必需條件。可恢復性圖示條件哪個含水層系統可恢復性更優？？①

②

③

調節性

表現在地下含水系統本身就是一個地下水庫——具有水庫的功能，地下水庫是天然形成的：含水介質對水流起到阻滯作用→延長過水時間地質構造形成的“蓄水池”

調節能力大小取決于：①地質構造的規模（容積大小-B）；②含水介質的儲水能力

給水度μ，含水層厚度mB

回顧

《專水》的任務是——

（1）要求熟悉和掌握地下水調查、評價、開發利用、保護與管理的理論和方法；（2）學會應用水文地質學理論與技術分析和解決與地下水有關的資源、環境、地下水危害等實際問題的能力。

地下水資源的特性是——

（1）系統性；（2）可恢復性；（3）調節性。——地下水資源的分類地下水資源的分類

地下水資源的分類考慮兩方面因素

地下水自身的特性（貯水與運動）從供水的要求——持續而均衡地供應一定的水量

含水系統—有著兩類水量：經常與外界交換的水量

—補給資源（A）保證供水的穩定性保持于含水系統中的水量

—

儲存資源（B）保證供水的均衡性B

A

補給資源補給資源：可以恢復與再生的，是與外界系統經常發生交替的水量。包括：

構成：天然補給量和開采補給增加量

影響因素：受氣候等因素影響，年與季節的變化量綱：流量單位m3/a

決定含水系統中地下水資源的可恢復性

數值大小=含水系統多年的平均補給量B

A

天然補給量天然補給量：在開采擾動以前，在天然條件下存在的補給量，包括：垂向補給和側向補給兩個方面。入滲量越流量流入量流入量流出量蒸發量流出量開采補給量：地下水在開采條件下奪取過來的額外補給量。奪取河水補給越流補給人工補給分水嶺外移開采補給量儲存資源儲存資源：不可以恢復的，是歷史形成的不參與水循環交替的，基本不變的水。影響因素：含水系統的空間形態（地質構造—天然的地下水庫庫容）量綱：體積單位m3

決定含水系統中地下水資源的可調節性數值大小=含水層的體積×μ（給水度）B

A

補給資源與儲存資源的比喻比喻1：一個家庭的收入：補給→工資收入（元/月）；儲存→存款（家底）比喻2：地表水庫：補給→入庫水量（m3/年）；儲存：庫容量[正常水位]儲存資源的供水意義儲存資源的供水意義起著調節作用——保證供水均衡穩定性當一個含水系統的補給資源很大，但動態很不穩定時，作為供水源地，儲存資源就起到很大的調節作用旱季借用儲存資源的水，騰空庫容，雨季再補充償還沒有儲存資源再豐富的補給資源也無法利用→白白流走！

補給與儲存資源的關系：有借有還有借不還（超量使用）

——

最終導致水資源消耗貽盡（枯竭）

——

或產生不良結果

補給與儲存資源的關系：有借有還

地下水庫——調蓄補給量地下水庫—儲存輸入—補給流量時間輸出—利用流量時間思考題：比較兩含水層的供水意義A

補給區

B

補給區

分析比較：1）補給條件2）儲存資源地下水水量補給量天然補給量開采補給量儲存量容積儲存量彈性儲存量排泄量天然排泄量開采量開采量可持續開采量允許開采量開采量的組成開采狀態下的均衡方程式天然狀態下開采狀態下的開采量增加的補給量減少的天然排泄量可動用的儲存量開采量？允許開采量前-后

開采量只要不超過天然的補給資源量，就不會動用存儲資源量，也就是合理的開采量！討論題——我國地下水資源的特點

時空分布不均，與降水量和地表水分布趨勢相似，南方多，北方少，東部多，西部少；松散巖類孔隙水主要分布在北方，巖溶水和裂隙水主要分布在南方；在北方地區，東部的松遼地區和華北地區地下水資源總量約占北方地下水總量的50%；北方地區中部的的黃河流域，包括黃土高原及其相鄰地區是我國地下水資源相對貧乏的地區；西部的內陸盆地處于干旱的沙漠地區，年降水量小于100mm，但由于獲得盆地四周高山的降水及冰雪融水的補給，50%-80%地表水自山區進入盆地后便轉化為地下水，地下水資源較豐富。地下水在中國：分布特征地下水在中國：水資源短缺有300多座城市缺水，其中，188個嚴重缺水農村有4000多萬人和3000多萬頭牲畜飲用水困難近8億畝農田和10多億畝草場缺水PopularforestdeadbecauseofdroughtAnimalsneedsdrinkwater地下水在中國：

水資源短缺地下水在中國：地質災害頻發區域水位降落漏斗，100多個，河北、山西、山東、北京、天津、上海、黑龍江等地，最為嚴重的是華北平原地面沉降，40多個城市，沉降中心累計沉降量超過2m的有上海、天津、太原、西安、蘇、錫、常等城市，天津塘沽的沉降量達到3.1m地面塌陷，遼寧、河北、山東、湖南、貴州、廣西、江蘇、浙江、安徽、江西、福建和云南等地地裂縫，河北、山東、陜西、云南、廣東和海南等地海水入侵，遼寧、大連、營口、下遼河三角洲、遼西沿岸，河北秦皇島沿岸，山東的萊州-招遠-龍口一線的及煙臺、威海、青島、日照等地的河口地段，廣西的北海市城區，海南的新英灣地區等土壤鹽漬化，黑龍江的松嫩平原，吉林的白城、松原地區，內蒙的額濟納旗、巴彥淖爾盟、土默特右旗、通遼市，銀川平原，河西走廊和新疆部分地區以及華北平原的低洼地區地下水在中國：地質災害頻發蘇錫常地區地面沉降范圍不斷擴大1986年1991年1999年地下水在中國：大面積復合型污染全國有25%的地下水體遭到污染，35%的地下水源不合格平原地區約有54%的地下水不符合生活用水水質標準，50%以上的城市市區地下水嚴重污染據對118個城市2-7年的連續監測資料，約有64%的城市地下水遭受了嚴重污染，33%的城市地下水受到輕度污染，基本清潔的城市地下水只有3%

華北平原淺層地下水漏斗分布圖華北平原深層地下水漏斗分布圖華北平原淺層地下水漏斗超過2萬km2，深層地下水漏斗超過7萬km2，已經成為世界最大的地下水漏斗!以砷為例，高砷地下水已相繼在全球70多個國家和地區被發現，威脅著約1.5億人口的供水安全，導致數千萬人罹患飲水型砷中毒，被認為是人類歷史上最嚴重的群體性中毒事件

砷中毒引起的各種病變氟（F）全國地方性氟斑牙患病率圖氟斑牙打油詩：山西運城地區對身形佝僂的氟骨病患者的形象比喻抬頭不見藍天低頭不見腳尖生時不能平睡死時不能入棺小結僅占全球水資源1%的地下水保障著人類飲水和生態系統的良性循環地下水的脆弱性和無序的人類活動導致了全球性的資源型和水質型缺水，人類正面臨著嚴重的用水危機地下水污染防治工作重要而迫切，加強調查與監測工作，科學規劃，合理開發，有效保護，及時修復我國各部門的響應中國地質調查局：全國地下水水源地保護及污染調查評價水利部：全國地下水功能區劃、全國地下水監測規劃國家環保總局：全國地下水污染防治規劃……回顧

地下水資源的分類？對于供水的意義是什么？允許開采量指的是什么？地下水資源與地下水系統地球上的水資源中國的水資源地下水資源的特點及分類地下水系統——系統的概念提出：20世紀40年代貝塔朗菲提出一般系統論應用：20世紀50-60年代應用系統工程解決復雜問題取得重大成功以來，系統思想與系統方法廣泛地滲透到各學科領域。在我國，80年代后，系統思想和系統方法開始滲透到水文地質領域。系統思想與方法的核心：

把所研究的對象看作一個有機的整體

(系統)，并從整體的角度去考察、分析與處理事物。系統概念系統的定義:

a.系統——“由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合而成的具有特定功能的整體”。

b.系統方法認為：不應將系統理解為各組成部分(要素)的簡單集合,而應將其理解為諸要素以一定規則組織起來并共同行動的整體。系統概念一個系統，不僅內部諸要素存在著相互作用，而且還與外部環境發生相互作用。系統接受環境的物質、能量或信息的輸入，經過系統的變換，再向環境產生物質、能量或信息的輸出。系統輸入輸出（物質、能量、信息）（物質、能量、信息）系統概念激勵與響應的概念：環境對系統的作用稱為激勵，系統在接受激勵后對環境的反作用稱為響應。

環境的輸入(激勵)經過系統的變換而產生對環境的輸出(響應)，該變換取決于系統的結構。系統激勵響應系統概念系統輸入輸出（物質、能量、信息）（物質、能量、信息）思考題地下水系統地下水補給地下水排泄（物質、能量、信息）（物質、能量、信息）能否這樣理解？系統激勵響應思考題地下水系統地下水補給地下水排泄（物質、能量、信息）（物質、能量、信息）能否這樣理解？降雨井

地下水系統分析就是把一定范圍內的地下水，作為一個完整的系統，從整體和全局分析系統和外部環境之間的關系，整體與各子系統之間、整體與局部環境之間的相互關系、相互作用及相互制約關系，在此基礎上，定量研究地下水的有關問題。地下水系統分析水文地質實體輸入輸出（物質、能量、信息）（物質、能量、信息）降水入滲、人工回灌（可控）水位、流量、水質、水溫高度的時空變異性——地下水系統地下水系統概念的產生“地下水系統”的出現：

①系統思想與方法的滲入；②水文地質學發展的必然產物。初期解決“找水”問題，只注意井附近小范圍內含水層的狀況。

發展井群長期采水使地下水位不斷降低，于是認識到含水層中的水勢相互作用的。并且發現相鄰的未開采含水層水位也有降低，有了“越流”的概念，認識到由弱透水層阻隔的各個含水層構成統一單元。

開采規模增長，須將整個含水層作為研究對象。研究地下水時，必須將若干個含水層與其間的弱透水層合在一起看作一個完整的單元（系統），便出現了“含水層系統”、“含水系統”等，同時，發現地下水可以穿透弱透水層，形成多級次的水流系統，誕生了地下水流系統的概念。近年來出現的與水文地質學有關的問題，如地下水資源枯竭、地面沉降、海水入侵、淡水咸化、地下水污染、土壤沙化、植被衰退等問題使人們認識到地下水是生態環境系統的重要組成部分。地下水系統概念的產生

由隔水或相對隔水巖層圈閉的，具有統一水力聯系的賦存地下水的巖系。（地下水含水系統是封閉系統嗎？是時空四維嗎？）地下水含水系統地下水流動系統：

由源到匯的流面群構成的，具有統一時空演變過程的地下水體。地下水的源匯運動：

補給區——源；排泄區——匯。地下水從補給區向排泄區的運動，由連接源與匯的流面反映出來。地下水流動系統

含水系統地下水系統

流動系統兩者從不同角度出發，揭示了地下水賦存與運動的系統性(整體性)。兩者都具有級次性，可包含不同級次的子系統。地下水系統特征含水介質流體本身含水系統整體性的體現：它具有統一的水力聯系，該系統作為一個整體對外界的激勵作出響應。

含水系統是一個獨立而統一的水均衡單元，可用于研究水量乃至鹽量與熱量的均衡。主要著眼于包含水的容器，通常以隔水或相對隔水的巖層作為系統邊界，系統的邊界是不變的。地下水系統特征地下水流動系統整體性的體現：

具有統一的水流，沿著水流方向，鹽量、熱量與水量發生規律的演變，呈現統一的時空有序結構。

流動系統——以流面為邊界，屬于水力零通量面邊界，系統的邊界是變化的。地下水系統特征

含水系統與流動系統都具有級次性，任一含水系統