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1、Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础,Company Logo,第一讲 绪言,0.1 地球上的水与水资源0.2 地下水的功能（作用）0.3 水文地质学发展与展望0.4 水文学与水文地质学0.5水基课程内容,Introduction,Company Logo,0.1 地球上的水与水资源：量的概念,地球上的水及所占比例,淡水占全球水量的2.527%,Company Logo,冰冻积雪,0.1 地球上的水与水资源：淡水,冰冻积雪,地下水,河湖水,淡水2.5%,咸水97.5%,Company Logo,0.1 地球上的水与水资源：再生资源,利用自然资源有两种方式：不可
2、再生资源：如果某种资源的存量大到足以保证上百年的需要，而且在资源耗竭以后，可以开发替代资源 矿产资源是典型的不可再生资源可再生资源：如果某种资源的再生速率高于人们的消费速率，就可以保证永续利用。可再生资源是永远不会耗竭的 淡水资源的主体是可再生的,Company Logo,0.1 地球上的水与水资源：重要性,水自然界存在，自然属性 不断循环运动 良好的溶剂，重要载体 水具有能量 水人类生存、社会经济发展不可或缺，社会属性 生命之源，是地球系统的“血液”旱灾、水灾、水污染，对人类发展不协调 水资源可再生，但，水资源有价值（价值规律）水资源管理不当，成为社会不稳定因素之一,Company Logo
3、,0.1 地球上的水与水资源：我国水资源概括,中国的大气降水与水资源分带中国的人口密度与分省人均淡水资源我国是世界上最缺水的13个国家之一人均水资源占有量仅为世界平均值的1/4,Company Logo,中国的大气降水,Company Logo,我国各省人均淡水资源,Company Logo,0.2 地下水的功能（作用）,概念：水文地质学简言之研究地下水的科学 水对人类生活与生产起着不可或缺的重大影响 地下水是水资源组成部分 其主要功能（functions）为：1、地下水是一种宝贵的资源（resource）2、地下水是极其重要的生态环境因子3、地下水是一种很活跃的地质营力4、地下水是地球内部地
4、质演变的信息载体,Company Logo,0.2.1 地下水是一种宝贵的资源,a)供水水源 优点：分布广，动态变小，洁净，不易污染 据报道：陆地一半为干旱、半干旱地区1/3耕地，2/3牧区水源不足城市供水不足，近来更有增加趋势 世界上，阿拉伯国家-进口雨水，中东的长期摩 擦一是石油，二是水 80年代以来，我国城市缺水总体也愈来愈严重，很显然：水资源的欠缺严重制约着国民经济的可持续发展,Company Logo,我国西北缺水剪影,Company Logo,我国耕地与农村用水,Company Logo,b)液体矿产（liquid mining）地下水高含盐类或稀有元素，开发提炼具有工业开采价值如
5、四川自贡，三叠纪岩层中的卤水，每升达300g之多 医疗或健身功能的矿泉水（Natural mineral water）疗养院，天然矿泉水厂，啤酒厂等寻找特殊功能的水资源 开发提取一定的能量（热能，冷能）地下水地下水的露头泉井，往往具有冬暖夏凉的特点，地球浅层是常温带保温作用，起到“冬灌夏用，夏灌冬用”地球是个天然热库可以供热，供取暖等用处,0.2.1 地下水是一种宝贵的资源,Company Logo,0.2.2 地下水是极其重要的生态环境因子,地下水是影响生态与环境的重要因素之一地下水的变化往往会打破原有的生态平衡，使环境发生变化即可以有益，也可以是有害的有害的例子：农业用水不当的次生盐渍化、
6、不统一开采，河西走廓的民勤县，绿州变沙漠、过 量开采地下水地面沉降（上海、天津）、海水入侵，地面塌陷，地下水污染等 地下水与其周围的环境，人、水、热、动是个相互依存的有着内在联系的生物生存链，打破一个环节就会引起或正或负的反馈（报复）,Company Logo,地下水利用产生的环境问题：沙化荒漠化加重,Company Logo,地下水利用产生的环境问题：上海地面沉降,城市防洪设施标准降低，外滩防洪挡水墙越筑越高,Company Logo,地下水利用产生的环境问题：地下水污染,地下水污染主要分布在城区附近和地表水污染严重的地区,Company Logo,0.2.3 地下水是一种很活跃的地质营力,
7、地下水是一种很活跃的地质营力 地壳内能量、热量的传输者传递应力：水为诱发地震，地质灾害是地下水作用人工地震预报观测地下水地球是个天然热库在地质循环和水文循环中传输地壳内部的能（热）量的传输者,Company Logo,0.2.4 地下水是地球内部地质演变的信息载体,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,Company Logo,0.3 水文地质学的发展与趋势,四个时期：185
8、6年以前的萌芽时期，1856年至本世纪中叶的奠基时期，20世纪中叶至今的发展时期，21世纪的转变时期萌芽时期：由逐水而居到凿井取水-一大转折奠基时期：1856年，达西定律-地下水定量计算奠定了水文地质学的基础发展阶段：二次世界大战战后，科学技术推动生产力迅猛发展以及人口的急剧增长泰斯非稳定流理论提出，对地下水资源量的认识革命计算机技术的发展，在地下水模拟、规划管理等推进转变时期：核心内容的转变，可持续发展观的提出水文地质学的发展正向“地下水科学”的转变,发展趋势,坎儿井,Company Logo,地下水的利用坎儿井，近3000年历史,Company Logo,0.3 水文地质学的发展与趋势简况
9、,趋势：水文地质工程地质05.第1期，51-56，张人权等核心课题转移：找水水文地质学资源生态环境视野扩展：含水层地下水系统水文-生态环境技术-社会系统。目标改变：由当前的问题转向长期的可持续发展内容扩展：从地下水的水量为主，转向水量与水质的研究并重；从狭义地下水，扩大到广义地下水,乃至地下水圈思路的改变：从求从成生角度，加强过程与机理研究多学科交叉渗透成为主流：地下水科学与其它自然科学以及社会科学交叉渗透，以多学科方式研究与处理问题服务方式转变：方式发生了很大改变，如何使水文地质工作成果转化为生产力，成为一个急需解决的重大课题,Company Logo,0.3 水文地质学的发展与趋势任务,目
10、前任务：正确地预测在人类活动干预下地下水的变化正确地评价、开发、管理与保护地下水资源保护与地下水有关的生态环境，成为当务之急正确地预测矿产开发的地下水问题，避免地下水害。,Company Logo,预测地下水的污染与保护措施,2005年11月吉林中石化爆炸，100余吨硝基笨进入松花江，导致哈尔滨城市供水系统瘫痪4天，11月27日恢复供水,市700余万人经历了用水危机。,全城380余井，成为城市供水主源，城市应急系统紧急打井（地下水）,调用纯净水应急,2005.11.26日污染高峰过哈尔滨城市,Company Logo,防范煤矿特大突水事故,2005年事故特点2005年，死亡10人以上事故13起
11、，总人数357人同期上升160%、233.6%；占总特大事故20.5%乡镇煤矿水害事故多，84.6%老空水是水害的主要水源老空透水69.2%底版透水15.4%岩溶突水15.4%,Company Logo,0.4 关于水文学与水文地质学,水文学（水文地地学）水资源的核心课程广义地说：研究地球与水的科学具体：研究地球上各种水体的形成、循环和分布，探讨水体的化学和物理性质以及它们对环境的反应，与生物的关系广义水文学分支基础理论、应用基础理论水文学原理研究对象河流、湖泊、河口海岸、冰川，地下水文学等应 用工程水文学，农业、森林、城市、环境水文学等,Company Logo,0.5 课程内容,本课主要内
12、容一、水文地质学基本概念 概念、名词与术语二、水文地质学基本原理 地下水形成基本规律赋存、分布、运动三、地下水科学的分析方法 微观以概念为基础的分析方法 宏观地下水系统理论为基础的综合分析四、应用分析概念与原理的掌握,Company Logo,主要参考文献,主要参考文献：水文地质学基础教材后附的参考文献，水文地质工程地质期刊，中英文版“地下水”和“水文地质学”类教材芮孝芳 著，水文学原理，2004.8,Company Logo,思考题,1、为什么说“水资源”是可再生的资源？2、为什么说“水资源”既有自然属性，又有社会属性。绪言结束,Company Logo,第二章 岩石中的空隙与水The In
13、terstices and Water in Rocks,Company Logo,2.1 岩石中的空隙,岩石水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层 空隙岩、土中各种类型的空洞的总称 空隙是地下水赋存场所（places）和运移通道（conduits）空隙分为1.孔隙（pore）-unconsolidated soil-（第四纪地质学）2.裂隙（fissure）-hard rock-（构造地质学）3.溶穴（cavity）-dissoluble rock-（岩溶地貌学）工程地质学是从土层的物理力学指标（性能）来讨论，如土的压缩性或强度变形。下面以孔隙为例，讨论描述空隙特征的有关概念，参数（指标）和分
14、析方法。,Company Logo,孔隙（pore,void）土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与分布 松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类1、砂砾石孔隙大小及其影响因素试样 a砾石(模型)，试样b砂土样品，试样c砂砾混合样品？提问：试样a与b构成的孔隙哪种大？哪种小？颗粒大小-有关？简单归纳-砂砾石土孔隙大小与什么有关？颗粒大小、排列立方体或四面体、分选、胶结与充填等孔隙大小特征的描述：孔喉(d)d=0.414D 孔腹(d)d=0.732D(上述为：立方体排列的理想等径园球颗粒）,2.1.1 孔隙,Company Logo,a砾石(模型)b砂土样品 c砂砾混合样品,孔隙
15、与粒径关系,Company Logo,松散砂砾石孔隙大小与分选的关系好、坏？,黄 土,沙 丘,洪积物,粒径 mm,含量%,Company Logo,立方体排列与四面体排列,立方体排列 四面体排列,Company Logo,2.1.1 孔隙,2、砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素 孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。通常用 n 表示？问：孔隙度的大小与什么有关？与颗粒大小有关？a.与排列有关紧密与疏松 理想最疏松孔隙为47.64%，最紧密排列孔隙为25.95%。b.与分选有关下面试样哪个孔隙度大？哪个小？试样：砾石 砂
16、石 混合样完全混合试样时，孔隙度 n混=n砾n砂（请自己推导证明）影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。,Company Logo,不同颗粒大小的试样孔隙度？,Company Logo,自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些不同P17表2-1表2-1 松散岩石孔隙度参考数值矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%达到70%,2.1.1 孔隙,Company Logo,3、粘性土的孔隙与孔隙度粘土颗粒粘性土是指土体颗粒 0.005mm 的直径“粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强 粘粒在悬浮 推移 互相接触时，就会连结起来 形成粘粒团”细小粘
17、粒集合（团）构成（称为）颗粒集合体。集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征粘土孔隙粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构结构孔隙集合体与集合体、粘粒与粘粒之间次生孔隙虫孔、根系孔、裂隙裂痕等,2.1.1 孔隙粘土,Company Logo,蒙脱石、片状粘土矿物淤泥粘土,2000,Company Logo,36,240,800,粘性土的结构，不同比例电镜扫描片,Company Logo,松散孔隙|粘土 孔隙|裂隙溶隙,Company Logo,裂隙（fissure fracture）固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙）风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂
18、隙裂隙：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状”空隙 单个裂隙是孤立的裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：1)裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）2)张开性（裂隙宽度）3)裂隙率等,2.1.2 裂隙,Company Logo,风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙,Company Logo,砂岩岩芯中的空隙,Company Logo,溶穴（solution cavity）cavern在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果 是扩大了的裂隙溶穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+溶洞）1）岩溶发育方向 2）溶蚀率-钻孔岩溶发育程度3）
19、溶洞（方向、规模等）,2.1.3 溶穴,Company Logo,空隙特征的比较含水介质由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场。含水介质的空间分布与连通特征（孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质）是不同的，三种主要类型的含水介质比较：连 通 性 孔隙介质最好，其它较差空间分布孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀 孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊空隙比率孔隙介质最大，裂隙最小空隙渗透性孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向异性造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境,2.1.4 空隙特征的对比,Company Logo,思考题：1）什么叫孔隙度？孔隙度
20、大与孔隙大有区别吗？2）粘性土孔隙度大是含水层吗？3）试总结砂砾类土体的孔隙形状特点，并加以概化（图示）。3）坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？（可以通过查阅资料和文献回答）第二章 第一节 结束,岩石中的空隙思考题,Company Logo,2.2 空隙中的水,存在形式：气态 固态 液态 设想实验：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）（1）2个玻璃珠子之间滴上几滴水，接触部位就会有所残留水（2）在饱水试样中取1颗和2个颗粒，颗粒和颗粒孔隙间的水？（3）将玻璃细管插入水中，取出，管中残留水？通过上述3例及图示空隙中水的存在形式：结合水（absorbed water,bound wate
21、r）重力水（gravitational water;bulk water）毛细水（capillary water）,Company Logo,2.2.1 结合水,结合水（absorbed water,bound water）定义 附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水 即结合水具有一定的抗剪强度？抗剪强度的产生与大小与什么有关 表面引力服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱性质 结合水具有固态和液态水的双重性质；即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）及变形意义 只要有固相表面就存在结合水，存在范围广，其量很小（结合水膜很薄），当孔隙直径小于2倍结合水膜厚度时，孔隙中只含有不
22、能自由运动的结合水（又称无效空间）,结合水与重力水,重力水,Company Logo,结合水与重力水,Company Logo,表面引力服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱,结合水与重力水,结合水,Company Logo,重力水（gravitational water;bulk water）远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动无重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布受表面吸引的作用液态水的特征地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽出）重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的主要对象,2.2.2 重力水
23、,结合水与重力水,Company Logo,毛细水（capillary water）1、基本概念毛细现象：根据细小管插入水中，水上升至一定高度停下来 在土层中挖个洞，在洞内放个接渗皿，能否接到水？北方地窖，陕北的窑洞毛细力：毛细水：受到表面吸引力，重力，还有另一种力称毛细力的作用，产生毛细现象我们可以把毛细力归纳为3点：,2.2.3 毛细水,毛细水,空隙中的水,毛细水,Company Logo,毛细水，孔角毛细水,Company Logo,思考：1.上细下粗土层，滴水，水停留在何处？2.黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？,毛细水,滴水 下雨 砂土 黄土 器皿 砾石,Company Lo
24、go,毛细力：毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起液面弯曲产生的 毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹例凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的凹形弯液面负的毛细压强（negative）-如同真空吸力凸形弯液面正的毛细压强（positive）毛细力的大小：毛细力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大,毛细力大;曲率小，毛细力小）一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；反之亦然 毛细力大，毛细上升高度也越大,2.2.3 毛细水,毛细水,Company Logo,2、毛细水的存在形式（states forms）在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：a)支持毛细水（supporting capilla
25、ry water）在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关b)悬挂毛细水（suspension capillary water）脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分，称为悬挂毛细水 上粗下细或上细下粗砂砾试样的例子。？悬挂毛细水的高度 思考：一个等径园管，如果支持毛细水高度为 hc，悬挂毛细水高度？c)孔角毛细水（触点毛细水）（corner water,contiguity water?）孔角毛细水与悬挂毛细水是不同？悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的,2.2.3 毛细水,支持与悬挂毛细水,小结,Company Logo,支
26、持毛细水与悬挂毛细水,Company Logo,2.2 空隙中的水小结,小结岩石空隙中的水有三种存在形式三种形式的水有差异与受力状态有关自己总结、比较加深理解_有比较就会有记忆第二节 空隙中的水 结束,Company Logo,2.3 岩石的水理性质,岩石（包括骨架与空隙在内的总称）水理性质：就水文地质学主要涉及是与水分储容、释出与运移有关的性质 包括：一、容水度和孔隙度（porosity）（反映岩石最大含水能力）孔隙度n;容水度nr？两者有何关系岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比二、含水量（water content）_岩石样实际保留水分的状况，（是某岩样某时的含水状态）又
27、称岩石的天然含水量三、持水度（specific retention）_Sr 岩石的持水能力最大保持水分的能力岩石的持水量（持水体积）与岩石总体积之比,Company Logo,四、给水度（specific yield）(e d)(water drained from soil under gravity flow)1、定义：当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？在土层中会保留什么形式的水？结合水(膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水,2.3 岩石的水理性质,均质土包气带水分分布,C
28、ompany Logo,均质土包气带水分分布,Company Logo,2、影响给水度值的因素？砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种样给水度大a)岩性：空隙大的样品，给水度大，n砾 粗砂 粉砂（与粒径有关）颗粒细小者，比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，除岩性外，同一岩层中其它原因也可造成不同，为什么？b)地下水位初始埋深（H0）当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时H0 hc,可达最大值H0 hc 时，地下水位下降1个高度时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，变小。土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度也是最大理论给水度,2
29、.3 岩石的水理性质,其他影响因素,Company Logo,给水度与地下水位埋深的关系,Company Logo,四、给水度2、影响值的因素c)与地下水位下降速度有关地下水位下降快慢会影响到 的大小（下降快理、下降慢理）这是因为释水滞后，而导致的释水减量d)土层结构均质土特征与上述讨论一致岩土层为层状非均质土时，往往会影响值，多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响是不同的。,2.3 岩石的水理性质,Company Logo,给水度小结野外实际测定时：均值土，当地下水位初始埋深大于hc，降速缓慢，=S-0初始埋深小于hc时，埋深愈浅，水位降速愈快，一般而言，层状土小于均值土。结合实验课 设计研究给水度的影响因素与确定方法,给水度小结,Company Logo,五、透水性（permeability）（先自学一下）反映岩土透过水的能力后续讲“地下水的运动”时再讨论岩石空隙直径越大透水能力越强透水性越好！第二章 结束,2.3 岩石的水理性质,
