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水文地质学基础GeneralHydrogeology第1章绪论一、水文地质学概念水文地质学(Hydrogeology)是研究地下水的科学。地下水(Groundwater)即是赋存于地面以下岩土体空隙（孔隙、裂隙、溶隙）中的水—存储空间。包气带、饱水带—存储形式。研究内容：地下水与岩石圈、地幔、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下，地下水水量和水质的时空变化规律；并研究如何运用这些规律去兴利除害，为人类服务。二、地下水的功能1.地下水是一种宝贵的资源。供水水源：生活用水、工农业生产用水，找水；矿产资源：地下水含有某些盐类和元素——液体矿产；矿水：具有医疗保健作用的地下水，矿泉水；地热资源：地下水本身不是，但它是一种载体，将深层热带到上层。地源热泵2.生态环境因子土壤盐渍化，沼泽化，沙化，咸水入侵；地下水位下降引起地面沉降。天津市首个大规模集中的供热地源热泵项目2013年12月在宝坻经济开发区正式投入使用。跟传统燃煤、燃气供热相比，新的供热项目综合节能可达到一半以上。该地源热泵项目将地下水热量提取出来并通过压缩机升温到60℃后，通过管道将热量传导到用户端进行制热。过去采用燃煤锅炉，满足5000户家庭一年的取暖需求，要烧一万吨煤，花费800万元；现在采用地源热泵系统，只需要300万元电费，费用省了，污染物排放少了。二、地下水的功能2.重要的地质营力地下水承受载荷，应力传递者，热量、化学组分的传输者——水是良好的溶剂与润滑剂水库诱发地震指在原来没有或很少地震的地方，由于水库蓄水引发的地震称水库地震，是诱发地震的一种类型。水库蓄水是引起岩体中应力集中和能量释放而产生地震的直接原因。水库地震一般是在水库蓄水达一定时间后发生，多分布在水库下游或水库区，有时在大坝附近二、地下水的功能3.不可忽视的致灾因子地方病：天然地下水缺乏某种人体必需元素或过量富集某种元素而导致；矿坑水：采矿或地下工程，地下水涌入，造成施工困难，甚至造成事故——矿床水文地质学；滑坡，岩崩，岩溶塌陷，基础及边坡的地质稳定问题地面沉降美国美国埃塞俄比亚沙特泰国墨西哥全球地裂缝分布我国大华北和华东地区地裂缝“遍地开花”,达1000余条，造成数百亿元的经济损失。4.活跃灵敏的生态环境因子土壤盐渍化，沼泽化，沙化，咸水入侵；地下水位下降引起地面沉降。地下水利用产生的环境问题：沙化荒漠化加重地下水利用产生的环境问题：地下水污染5.信息载体通过剖析地下水水位、水质变化来预报地震，寻找矿床。•地下水是（地球内部地质演变的）信息载体由于是应力传递者，同时又是在流动——所以地下水水位，水量，水温，水化学等的变化或异常可以提供埋藏在地下的许多信息。•强的溶剂：在地质循环和水文循环中化学组分溶解，传递到适宜的部位沉淀（沉积）：成矿如找矿、找油、地震预报、地质演变三、水文地质学的发展的三个阶段1856年以前的萌芽时期，1856年至20世纪中叶的奠基时期，20世纪中叶至今的发展时期。萌芽时期远古人类由“逐水而居”到“凿井取水”。我国发现最古老的水井是浙江余姚河姆渡井。公元前7世纪，亚美尼亚就有了坎儿井。修建坎儿井对地下水的赋存条件有清晰的概念。公元前约200年的我国汉代，在四川为开采卤水，在坚硬基岩中开凿了深逾百米的自流井。地下水的利用——坎儿井，近3000年历史余姚河姆渡井奠基时期1856年，法国达西Darcy，进行了水透过砂试验，得出著名的达西定律。1863年，法国裘布依Dupuit提出了地下水稳定井流公式。1935年，美国泰斯(Theis)得出了地下水非稳定井流方程——泰斯公式。20世纪30年代起，马斯卡特(Muskat)提出用电流模拟连续介质中地下水的运动。20世纪中叶，地下水赋存、运动、补给、排泄、起源、水化学以及水量评价等方面，已有了一套比较完整的理论与研究方法，水文地质学已经为一门成熟的学科（形成时期）。发展阶段二战后，出现地下水水位深降、水资源枯竭、地面沉降、海水与咸水入侵淡含水层、地下水污染等问题。人们意识到，正确地评价、开发、管理与保护地下水资源及保护生态环境。水文地质学已形成了若干分支学科，其学科体系可分为：基础学科水文地质学基础，地下水动力学，水文地球化学应用学科供水水文地质学，矿床水文地质学，农田供水水文地质学，油田水文地质学，工程水文地质学……技术学科计算水文地质，同位素水文地质，RS、GIS……四、开发利用地下水资源的未来国内：1）实现地下水资源的可持续开发；2）加强地下水资源的科学管理；3）加强与地下水资源开发有关的环境保护；（当今世界面临的三大问题：人口、资源、环境）4）一些重大研究课题：地下水过量开采的对策；地下水污染防治；相关的环境质量评价；研究水资源的管理模式。五、水文地质学的特点及发展趋势（1）核心课题转移找水水文地质学→资源水文地质学→生态环境水文地质学初期的水文地质学实际上是找水水文地质学，只关心水井周围含水层的局部——“影响半径”；20世纪初叶，随着取用地下水的规模增大，发觉某一范围内可供利用的地下水的数量是有限的，探明地下水资源成为核心课题，进入了资源水文地质学阶段。随着人类活动对包括地下水在内的自然环境的改造异常强烈，产生了一系列生态环境问题，水文地质学进入了生态环境水文地质学的阶段。（2）研究视野扩展含水层的局部→整个含水层→地下水系统→水文系统→生态环境系统→技术—社会系统找水水文地质学，只关心水井周围含水层的局部——“影响半径”。泰斯公式的应用，扩展到整个含水层。越流概念的提出，使得包括含水层与弱透水层在内的地下水含水系统，成为研究的基本单元。托特的地下水流动系统理论，指出一定条件下地下水可以穿越“隔水层”而形成统一的地下水流动系统。英格伦提出将区域地表水和地下水整合在一起的水文系统的概念。人为活动对地下水造成一系列复杂的物理、化学与生态效应，形成地下水生态系统。人们进行地下水管理，认为地下水纯粹的自然科学技术问题，实际上，其管理涉及人们的价值判断活动，产生了技术—社会系统。（3）研究目标改变由局部性的问题→全局性可持续发展的课题→构建人与自然协调的、良性循环的地下含水系统、水文系统、地质工程系统、地质环境系统以及地质生态系统水文地质学的任务，最初是解决各种局部性的生产实际问题，随后逐步转向全局性的课题。当认识到资源耗竭和生态环境的不断恶化，势必危及人类的生存与发展。水文地质学的任务，由解决当前的问题转向长期的可持续发展课题。从可持续发展理念出发，构建人和自然协调的、良性循环的地下水（流动）系统、水文系统、地质环境系统和生态系统。当良性循环的天然系统尚未受到人为活动损害时，研究的目的是掌握其演变规律，警惕与预防人为活动的不良干扰。当良性循环的天然系统已经遭受人为损害时，研究目的是修复其损害。当天然系统存在不利于人类的缺陷时，则需要遵循自然规律，对系统进行优化。（4）研究内容扩展从地下水的水量研究为主→水量与水质的研究并重从狭义地下水（饱水带水）的研究→扩大到广义地下水（含饱水带与包气带水）→地下水圈的研究随着水质问题（天然水质不良、地下水污染、海水与咸水入侵等）的凸现，以及对水化学信息重要性的认识加深，地下水的研究已经从以往的水量研究为主，转向水量与水质的研究并重。地下水水量与水质的形成，与包气带密不可分，因而，水文地质学研究从以狭义地下水—饱水带水为对象，扩大到包括包气带与饱水带在内的广义地下水。水文地质学是研究地下水圈的科学，地下水圈包含从地壳浅部到下地幔以各种形式存在的水—岩石空隙中的水、矿物和岩浆中的水，以及分解为氢离子和氧离子的“水”。愈来愈多的证据说明，地壳浅部参与水文循环的地下水，与地球深部层圈中参与地质循环的水，存在着密切联系。（5）研究思路的改变对现象的规律性为主的研究→加强过程与机理研究的比重水文地质学研究目标的改变，要求采用新的研究思路与方法。如果说为了解决具体的生产问题，传统水文地质学更多着眼于研究现象的规律，那么，进入当代的生态环境水文地质学阶段，就必须从生成角度研究目标系统的作用过程与内在机理。目标系统的研究，需要采用将分析与综合有机整合的系统分析方法；良性循环系统的构建，要求应用系统工程的方法；要求采取治本对策,而不是治标措施；不仅要求处理好人和自然的关系，更要求正确处理好人与人之间的利益关系。（6）多学科交叉渗透成为主流应用学科的水文地质学→与其它自然科学以及社会科学交叉渗透的地下水科学在分析与处理与地下水密切相关的地质环境损害、地质灾害与生态退化时，需要涉及地球化学、物理学、生物学、微生物学、生态学、岩土力学、土壤学，以及相关的修复技术与处理技术等。在分析与水土有关的各种地方性疾病时，水文地质学家不仅需要了解元素在水土中的迁移积聚规律，还需要了解元素的生物学功能以及有关的医学知识。从事城市地质工作的水文地质学家，需要对城市规划与管理有所了解。有效利用土壤水的研究是解决水资源短缺的重要途径，此时，需要将地下水科学与农学、土壤学,乃至基因改良技术相结合。（7）多技术手段的应用计算机硬件与软件、遥感技术、同位素方法、地理信息系统的引入，以及向工程方向扩展，增强了水文地质学解决实际与理论问题的能力（8）学科性质的转变单纯的应用学科分支→地球系统科学的应用性分支以及理论性基础学科分支六、水文地质学发展的对策（1）构建当代水文地质学的理论方法体系在水文地质学原有的概念、理论与方法的基础上，建立当代水文地质学的概念、理论与方法体系。将系统分析、系统动力学和系统工程方法全面引入水文地质学，围绕当代水文地质学的研究目标—构建人和自然协调的、可持续的水资源系统和生态环境系统—建立新的概念、理论与方法体系。（2）加强水文地质过程与机理研究水文地质过程与机理的研究，还相当薄弱。例如降水入渗补给机理研究的不足，使得一系列相关的问题无法得到满意的解决。而非饱和水流在非均质介质中的选择性渗流机制的研究，为包气带核废料处置等提供了理论基础。运用控制性实验手段进行水文地质过程与机理物理实验模拟，结合数学模拟的方法，互相验证，探索水文地质作用过程与机理。（3）水文地质工作需要向生产领域延伸地下水环境工程——包含地下水资源合理开发利用工程、生态地质环境退化控制与改良工程、地下水污染控制工程、废物地质处置工程等；西南岩溶地区，利用帷幕灌浆建造地下水坝以抬高补给迳流区地下水位，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、地下水库调蓄水资源等，都是水文地质学向生产领域延伸的重要方向。（4）加强包括软科学在内的多学科跨部门研究加强水文地质学与社会人文科学的结合，其重要性如何强调也不为过。任何自然科学技术问题的解决，都无法回避人们的价值判断与利益协调，因此自然科学技术成果，需要借助于社会人文学科的支撑，逾越种种利益门槛，才有可能被社会所接受，否则，只能停留在纸面上，无法转化为实实在在的生产力。（5）加强水文地质信息的社会传播黄河断流、淮河污染等大量看得见、摸得着的地表水问题的报道，吸引着受众的眼球。地震、滑坡、泥石流等突发性地质灾害，也给公众留下深刻的印象。地下水短缺与地下水污染的隐蔽性，地下水引起的某些地质灾害的缓变性，使得媒体对此类没有轰动效应的新闻缺乏兴趣。因此，公众与决策者便对水文地质工作缺乏认识。水文地质学信息传递受阻还有另外原因。随着水文地质成果的服务领域拓宽，而我们仍然习惯于用专业性的文字和图件来传递信息。随着水文地质工作的公益性不断加强，以通俗易懂的语言向公众与决策者传递有关信息，愈来愈有必要。2008年11月15日15时许，杭州风情大道地铁施工工地发生大面积地面塌陷事故。一些行进中的汽车坠入塌陷处。事故现场一辆轿车陷进了断裂带这起地铁施工塌方事故，导致萧山湘湖风情大道75米路面坍塌，并下陷15米，附近河流决堤，河水倒灌，一度水深达6米之高。地质问题是个伪问题，一个常识是，现代工程技术已经完全能够解决在流沙土质条件下的施工。杭州在建地铁工程必须遵循的三点原则:一、基坑的开挖必须分层、分段，且开挖时间不宜过长，每次分层开挖控制在3米，分段开挖保证在15—20米；二、基坑必须先支撑后开挖，