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1、第1章 绪论,1.1 水资源的基本含义,水资源（WATER RESOURCES）具有自然属性。由来：USGS 大不列颠百科全书 英国水资源法水资源评价活动国家评价手册中华人民共和国水法定义：人类长期生存、生活和生产活动中所需要的各种水，既包括数量和质量的含义，又包括其使用价值和经济价值。具有广义和狭义之分。狭义：人类在一定的经济技术条件下能够直接使用的淡水。广义：在一定的经济技术条件下能够直接或间接使用的各种水和水中物质（在社会生活和生产中具有使用价值和经济价值的水都可称为水资源）。,1.2 水资源的特性,资源的循环性储量的有限性时空分布不均匀性利用的多样性利、害的两重性地表水与地下水的相互转
2、化性,1.3 水资源研究现状与发展趋势,研究内容：水资源的合理开发利用、管理与保护发展趋势：水资源的模拟与模型化、水资源系统分析的多目标化、水资源信息管理系统化、水环境理论与技术的先进性,第2章 水循环与水资源 开发利用状况,2.1 地球水量储存与循环,一、地球水储量与分布全球水储量：海洋 96.35%（13.38108km3）陆地 3.5%（0.48108km3）陆地淡水：占陆地水量 73%（0.35108km3）可利用淡水：占淡水总量的30.4%(0.1108km3），占全球水总储量不到1%，分布在600m深度以内的含水层、湖泊、河流、土壤中。水资源最丰富地带：南美洲，尤其是赤道地区。水资
3、源缺乏地带：中亚南部、阿富汗、阿拉伯和撒哈拉。,二、水循环 水文循环：大循环、小循环。更替周期 人为循环：改变径流量和径流水质。,地球上水循环示意图,三、水量平衡地球上任一区域在一定时间内进入的水量与输出水量之差等于该区域内的蓄水变化量，这一关系称为水量平衡。（质量守恒定律）1.全球水量平衡对陆地：（1）对于海洋：（2）（1）+（2）可得：（3）也即（4）,2.流域水量平衡 非闭合流域：（5）闭合流域：，再令，则（6）当 时，（7）考虑人为水循环影响，（8）,地面分水线和地下分水线示意图,当地形向两侧倾斜，使雨水分别汇入两条不同的河流中去，这一地形上的脊线起着分水的作用，称为分水线或分水岭。,
4、2.2 全球水资源,全球水资源开发利用状况发达地区：人均用水量为发展中地区的3-8倍 工业 54%发展中地区：农业 80%农业用水：占全部用水量的2/3以上，水资源利用率提高。工业用水：占全部用水量的1/4左右，回收利用率提高。生活用水：占全部用水量的8%左右，对用水总量零增长趋势影响不大。,面临的问题水量短缺严重，供需矛盾尖锐。水资源污染严重，“水质型”缺水突出。开发利用趋势农业用水量及农业用水量中不可复原的水量提高。工业用水技术提高。注重经济、环境、生态的协调发展。,2.3 中国水资源,概况全国水资源总量为2788km3，居世界第6位。人均占有量2300 m3，占世界人均占有量1/4，美国
5、的1/6，排121位。我国已处于严重缺水的边缘。,2.3 中国水资源,时空分布特征空间分布降水、河流的分布不均匀性：东南部丰水，西北部属少水、缺水带。地下水分布不均匀：南方高于北方，地下水丰富程度东南向西北递减。地形：西高东低、多山分布，东西向的昆仑山秦岭山脉成为南北方的分水线。降水：东南西北 递减。时间分布受季风影响，降水年内分配不均，年际变化大，枯水年，丰水年连续发生。,我国不同地区水资源总量、地下水天然资源量和地下水开采资源量对比,北方和南方水资源总量、地下水天然资源量和地下水开采资源量对比,开发利用用水总量居世界第2位，人均用水量不足世界人均量的1/3，工业用水所占比例相对较低，农业用
6、水占比例过大。农业用水灌溉、水产养殖、农村工商业和人畜生活用水。（90%）地下水的开发利用十分重要。农业用水占总用水量的比重趋势在不断下降。工业和生活用水工业和生活用水量占总用水量的比例在近二十年来不断升高。地下水用量占城镇生活总用水量的59%。,面临的主要问题水资源开发过度，生态破坏严重。城市供水集中，供需矛盾尖锐。工业和人口集中，供水地点范围有限，而保证率不高。短缺的原因：分布不均、需求量大、污染水体多、利用不合理。地下水过量开采，环境地质问题突出。区域地下水位持续下降，降落漏斗面积不断扩大。原水流量衰减或断流。地面沉降，造成雨后地面积水，建筑物破坏。地面失衡，塌陷。海水入侵。,水污染日益
7、严重，环境恶化。85%的水未经处理：农业污染（乡镇企业、化肥量增加）乡生活污水和工业废水大量排放。水资源开发利用利用缺乏统筹规划和管理。,思考题一,水资源的概念。水资源的特性有哪些？全球水量平衡和流域水量平衡中蒸发量、降水量、径流量之间的关系如何？中国水资源面临哪些主要问题？,第3章 水资源量评价,3.1 水资源的形成,一、地表水资源的形成与类型降水1）年降水量极值比ka2）年降水量变差系数cv 其中,2.径流1）河流径流的补给雨水补给（主要补给源）、地下水补给（占年径流总量的25%30%）冰川、融雪水补给（比重不大，占年径流量的1.9%）2）径流的时空分布 区域分布：由东南向西北递减。径量量
8、动态变化：主要取决于年降水量的多年变化。降水量补给的河流cv冰川、融雪和降水混合补给的河流cv地下水补给的cv。具有丰枯交替的特点。年径流量的季节变化取决于河川径流补给来源的性质和变化规律。,3）河流径流量的表示方法径流地表径流地下径流特征值：流量Qt：径流总量Wt：径流深度Rt：径流模数M：径流系数：,3.蒸发水面蒸发：反映当地的大气蒸发能力，与降水量大小关系不大，其影响因素是气温、日照、辐射、风速等。陆面蒸发：某一地区或流域内河流、湖泊、塘坝、沼泽等水体蒸发、土壤蒸发以及植物蒸腾量的总和，即陆地实际蒸发量。受蒸发能力和降水条件两大因素的制约。干旱指数,二、地下水资源的形成与运动规律1.地下
9、水的形成1）岩石的空隙性是地下水形成的（基本条件）孔隙、裂隙、溶隙：岩石中的孔隙，必须依一定的方式连接起来构成空隙网络，才能成为地下水有效的储容空间和运移通道。,（1）孔隙,松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。岩石中孔隙体积的大小是影响其储容地下水能力大小的重要因素。孔隙度 指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。n=Vn/V100%,孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。,自然界中并不存在完全等粒的岩石，分选程度愈差，颗粒大小愈悬殊的松散岩石，孔隙度便愈小。粘土的孔隙度往往可以超过上述理论上最大孔
10、隙度值。这是因为粘土颗粒表面常带有电荷。孔隙大小对地下水运动影响很大。孔隙通道最细小的部分为孔喉，最宽大的部分为孔腹。,坚硬的岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。裂隙：分为岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙 裂隙率 裂隙率（Kr）是裂隙体积（Vr）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值。Kr=Vr/V100,(2)裂隙,按成因：风化裂隙水成岩裂隙水构造裂隙水按埋藏条件：面状裂隙水层状裂隙水脉状裂隙水,可溶的沉积岩，如岩盐、石膏等，在地下水溶蚀下产生的空洞称为溶穴或喀斯特。岩溶率 溶穴的体积与包括溶穴在内的岩石体积的比值
11、。Kk=Vk/V 100岩溶发育极不均匀：大者可宽达数百米、高达数十米乃至上百米、长达数十公里或更多；小的只有几毫米直径。并且，往往在相距极近处岩溶率相差极大。可以从小于1几十之间变化。,（3）溶穴,不同空隙网络的特点,松散岩石中的空隙赋予地下水的分布与流动比较均匀；坚硬岩石中的裂隙赋予地下水的分布与流动往往不均匀；可溶岩石中的溶隙赋予地下水的分布与流动极不均匀。,2）岩石中水的存在形式结合水重力水毛细水气态水和固态水,颗粒表面的结合水膜,（1）结合水 受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部分水称为结合水（2）重力水 距离固体表面更远的那部分水分子，重力影响大于固体表面对它的吸引力，因而能在
12、自身重力影响下运动，这部分水就是重力水。（3）毛细水 松散岩石中细小的毛细孔道构成毛细管，因此地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。分为支持毛细水、悬挂毛细水、孔角毛细水。（4）气态水、固态水及矿物中的水。,3）含水层与隔水层含水层和隔水层的划分是相对的。形成含水层的基本条件为：岩层具有能容纳重力水的空隙地质条件补给来源含水层类型,含水层(aquifer)：给出并透过相当水量的岩土层。隔水层(aquiclude)：不透水但可含水的岩土层。滞水层：弱透水的岩土层。（注意发生越流时透水量相当大，这时把它称为隔水层就不合适）含水层的形成条件：岩土层有较大空隙；为隔水层所限；有充足的补给来源。,严格的
13、讲自然界并不存在绝对不发生渗透的岩石。只不过某些岩石的渗透性特别的低。从这个角度讲，岩石是否透水还取决于时间尺度。,含水层类型表,4）地下水分类按空隙性划分：孔隙水、裂隙水、岩溶水按埋藏条件分：上层滞水、潜水、承压水,地表以下一定深度上，岩石中的空隙被重力水所充满，形成地下水面。地下水面以上称为包气带；地下水面以下称为饱水带。包气带 1）包气带自上而下分为土壤水带、中间带、毛细水带。2）包气带水来源于大气降水的入渗，地表水的渗漏，由地下水面通过毛细上升输送的水分。以及地下水蒸发形成的气态水。3）包气带的含水量及其水盐运动受气象因素影响极为显著。4）包气带是饱水带与大气圈、地表水圈联系必经的通道
14、。,包气带和饱水带,饱水带 饱水带岩石孔隙全部为液态水充满。饱水带中的水体是连续分布的，能够传递静水压力，在水头差的作用下，可以发生连续运动。,地下水埋藏类型,上层滞水(perch ground water),包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水.特征：接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。工程意义：常始料不及涌入基坑。供水意义不大。在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆.,潜水(phreatic water),1砂层 2隔水层 3含水层4潜水面 5基准 面,埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。特征：与大气相通，具自由水面，补给区与分布区一致，
15、动态受气候影响较大。潜水面形状受地形影响。,潜水与地表水的关系,潜水补给河流,河流补给潜水,单侧补给,充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水。,A补给区 B承压区 C排泄区,承压水(pressure water),承压含水层局部,H1初见水位 H2承压水位H承压水头 h承压水位埋深,特征：不具自由水面，并承受一定的水头压力。分布区和补给区不一致。动态变化较稳定。不易受地面污染。富水性好的承压水层是理想的供水水源。,潜水与承压水的相互转化,在自然与人为条件下，潜水与承压水经常处于相互转化之中。显然除了构造封闭条件下与外界没有联系的承压含水层外，所有承压水最终都是由潜水转化而来；或由补给
16、区的潜水侧向流入，或通过弱透水层接受潜水的补给。,地下水的循环,地下水的循环是指地下水的补给，径流与排泄过程。地下水以大气降水，地表水，人工补给等各种形式获得补给，在含水层的岩土介质中流过一段路程，然后又以泉、蒸发等形式排出地表，如此周而复始的过程便叫做地下水的循环。,地下水的补给,大气降水的补给：地下水的主要补给方式 大气圈中的水以大气降水的形式(主要包括雨、雪、露水等)降至地表，一部分变为地表径流，或蒸发后回至大气圈，另一部分别经过包气带向下入渗补给含水层。我国西北干旱地区的山前地带主要靠山区融雪补给地下水。地表水的补给 地表水体指的是河流、湖泊、水库与海洋等，地表水体有可能补给地下水，也
17、可能排泄地下水，这主要取决于地表水的水位与地下水位之间的关系。,5）地下水循环补给来源：大气降水、地表水的渗入、水汽凝结、人工补给 排泄方式：泉、河流、蒸发、人工排泄 地下径流率M：1km2含水层面积上的地下水流量（m3/skm2）,2.地下水运动的特点及其基本规律1)运动特征流速迟缓、层流和紊流并存、非稳定流、缓变流 2)基本规律线性渗透定律（达西定律）（）或非线性渗透定律（哲才公式）()或混合流（斯姆莱公式）,地下水的运动,渗透流速V=Q/A 实际流速u=Q/A Vu,渗流过水断面A,3.2 地表水资源量评价,一、水资源的分区分区原则 区域地理环境条件的相似性与差异性 流域完整性 行政与经
18、济区划界线 与其它区尽可能协调 分区方法 根据气候、地质条件分区 根据天然流域分区 根据行政区划分区 二、地表水资源量评论的内容,三、河流径流计算（略）四、分区地表水资源量评价1）区内河流有水文站控制2）区内无水文站控制：推算五、地表水资源时空分布特征地区分布特征：河流径流的等值线图 径流量的年际变化：cv、极值比、丰枯周期 径流的年内分配 六、可利用地表水资源量估算利用量：推算：蓄水工程、引水工程、提水工程,3.3 地下水资源量评价,一、地下水资源的分类1.资源与储量资源：来自水文学，强调使用价值，包括质与量两个方面 储量：来自矿产地质学 2.国内外地下水资源分类我国：早期：静储量、动储量、
19、调节储量、开采储量 1988：补给量、储存量、允许开采量 1995：能利用资源、尚难利用的资源 前苏联：同我国早期 美国：安全开采量、持续开采量、最佳开采量,3.地下水资源分类的国家标准（表36）补给量：单位时间进入含水层中的水量 越流补给储存量：存在于含水层内的重力水体积 可利用资源：具有现实意义的地下水资源 尚难利用的资源：具有潜在经济意义的地下水资源 允许开采量分级：5级A级：扩建勘探 B级：探测阶段 C级：详查阶段,越流补给示意图,深部与浅层含水层之间的隔水层中若有透水的“天窗”或由于受断层的影响，使上下含水层之间产生一定的水力联系时，地下水使会由水位高的含水层流向并补给水位低的含水层
20、。有时上下含水层之间的透水层中虽然没有“天窗”等通道，但由于隔水层有弱透水能力，这时若两含水层之间水位相差较大时，也可通过弱透水层进行越流补给。,二、地下水资源评价的内容、原则与一般程序 1.评价内容地下水资源评价 地下水水质评价 开采技术条件评价 开采后果评价 2.评价原则“三水”转化，统一考虑与评价的原则 利用储存量以丰补欠的调节平衡原则 考虑人类活动，化害为利的原则 不同目的和不同水文地质条件区别对待的原则 技术、经济、环境综合考虑的原则,三、地下水资源补给量（Qb）和储存量（W）计算地下水流流入量（侧向补给量）降水渗入补给量河、渠渗入补给量,4.灌溉水渗入补给量采用地下水位资料计算：利
21、用灌溉定额计算：5.相邻含水层垂向越流补给量6.容积储存量（Wv）7.承压含水层的弹性储存量,四、地下水资源允许开采量计算1.方法选择与计算程序1）允许开采量计算的主要特点近代数学方法和模型技术引入，使得评价方法日趋完善和多样化 系统理论和模型技术的引入，使得认识过程由定性定量定性不断深入 水文地质概念模型应用+数值法，提高了勘探信息的利用率和计算精度 2）评价方法：解析法、数理统计分析法、水文分析、开采试验法 3）计算方法选择：表37 4）数学模型选择的合理性的两个衡量标准 5）评价程序：图36,2.解析法定义：用相应的井（渠）流解析公式计算允许开采量 适用范围：边界条件简单的地区 3.数值
22、法1）定义：按分割近似的原理，用离散化方法将求解非线性偏微分方程问题转化为求解线性方程问题，摆脱了解析解在求解中的种种严格理想化要求2）适用范围：水文地质条件复杂的大型水源地区,3）数学模型的选择泛定方程：初始条件：边界条件：,4）水文地质条件概化5）计算域的离散6）模型的识别与检验7）允许开采量的数值预报4.开采试验法定义：用探采结合的办法，直接开凿勘探生产井，按开采条件（包括布井方案、开采降深、和开采量）进行一至数月的抽水试验，以其稳定的抽水量直接确定开采量适用范围：需水量不大，水文地质条件复杂，一时难以查清补给条件，又急需做出评价的地区,稳定开采试验状态动水位历时曲线图,非稳定状态动水位历时曲线图,思考题 二,河流径流的补给形式有哪些？径流的时空分布有何特点？蒸发有哪两种形式，有何影响因素？岩石中水的存在形式。地下水按埋藏条件可分为几类，各有何特点。地下水的补给来源和排泄方式。地表水资源量评价的分区原则和评价内容。地下水允许开采量的5个等级。地下水资源量评价的内容和主要特点。如何描述开采试验的稳定状态。,
