水文地质学(环境工程专业)

1绪论理解水文地质学的研究对象与任务，了解水文地质学的研究意义。1．水文地质学的研究对象水文地质学（hydrogeology）是研究地下水的专门学科。它是在地质科学（如地层学、岩石学、构造地质学、地球化学、地球物理学等）的基础上，和其它一系列基础自然科学(如数学、物理学、化学、生物学等)以及水文科学相互结合，相互渗透，逐渐发展成为一门跨学科的综合性边缘学科。地下水是存在于地下岩石中的水分。其存在形式多种多样，狭义上的地下水是地下1000m范围内岩土空隙中的水，是本课程的主要研究对象。水文地质学主要研究地下水的来源、分布规律、埋藏条件、物理性质、化学成分、运动规律、动态特征、勘察方法以及不同条件下的合理利用与保护、防治地下水的危害等方面。2．水文地质学的研究意义地下水对人类的影响是多方面的。归纳起来，表现在两个方面：1．有利方面(1)供水水源水是人们赖以生存的宝贵资源。水资源包括地表水资源和地下水资源，地下水以其水质好、分布广泛、变化稳定、以及便于利用而得到广泛应用。在干旱、半干旱地区，地下水往往是主要的，甚至是唯一的生活及工农业供水水源。①生活用水——城市生活用水要求水质好（必须符合饮用水水质标准）、水量稳定。地下水普遍能满足这些要求，所以常作为生活供水水源开发。全世界用于生活水量占总用水量的5%。②工业用水——工业生产过程中或制造的产品需要用到大量的水。占总水量的20%。③农业用水——农业灌溉用水量十分巨大，据统计，全世界总用水量的75%。(2)矿物原料：地下水本身是游泳的矿物原料，尤其含化学成分高的地下水。可从中提取多种有用的化合物和元素，如自贡地下卤水，含盐量70g/l，含有井盐(NaCl)、钾盐、芒硝、溴、碘、钡等成分。开采历史悠久。(3)医疗用水：地下水中含某些特殊成分如放射性元素、特殊气体且具有较高温度时，常具有医疗意义。温泉多数具有医疗功效。2(4)地热：地下水热水可发电、取暖。水常常是开发利用地热资源的载体。(5)水化学找矿：利用地下水中化学组分的异常特性帮助寻找矿藏，如硫化矿藏、放射性矿藏、石油等。2．不利方面(1)对采矿活动的影响：矿床充水(2)农业上的盐渍化与沼泽化：地下水埋藏浅(3)对各类建设工程的影响：(4)环境恶化：地下水污染、开采、排放地下水造成的环境问题等(5)地方病：天然条件下地下水中的化学元素的富集或缺乏形成的具有地域分布的疾病3．水文地质学的发展我国水文地质学作为地质科学中的一门独立学科，实际上创立于新中国建立之后的50年代。传统水文地质学的基本概念在早期50~60年代，主要从前苏联引进。70年代以来，与西方国家之间的学术交流与国际合作日益频繁，促使我国水文地质学的迅速发展；特别是许多新理论、新技术的输入，导致传统水文地质学逐渐演化，进入到现代水文地质学的新时期。“水文地质学”这一术语，虽然早在19世纪初，就在欧洲被正式提出来；但真正成为地质科学中一门比较完整、系统的独立学科，只是20世纪30~40年代的事。特别是二次大战结束以后，随着地质科学的迅速发展，西方许多国家(包括前苏联)对地下水的研究，开始在地质科学的基础上(如地层学、岩石学、构造地质学、地球化学、地球物理学等)，和其它一系列基础自然科学(如数学、物理学、化学、生物学等)以及水文科学相互结合，相互渗透，逐渐发展成为一门跨学科的综合性边缘学科。水文地质学从研究地下水的自然现象、形成过程和基本规律，发展到对地下水的定性、定量评价；它的基本理论，勘察方法和应用方向，也逐步形成。从70年代以来，水文地质学又从地下水系统的研究，进一步扩大为研究地下水与人类圈内由资源、环境、生态、技术、经济、社会组成的大系统。因此水文地质学的研究目标，开始转入到研究整个水系统与自然环境系统和社会经济系统之间相互关系的新时期。我国对地下水的认识和开发利用，虽具有数千年的悠久历史，但真正运用地质科学的理论与方法，进行地下水的调查研究，仅开端于20世纪30年代。如老一辈的地质学家朱庭枯、谢家荣等，曾于这一时期分别到过江西、河南及南京等地区，进行地下水的调查研究，并著有论文或报告。但水文地质学，作为地质科学领域内一门独立的应用地质学科，是在新中国成立后50年代，才迅速发展起来的。水文地质学界的泰斗——陈梦熊先生把我国水文地质学的发展历史，划分3为四个阶段，即：①萌芽阶段(20世纪前)；②初始阶段(1930~1950)，开始应用地质学的基本理论研究地下水；③奠基阶段(1950~1980)，主要在苏联学术思想影响下，奠定水文地质学的理论基础，是区域水文地质学与农业水文地质学的开创时期；④成长阶段(1980~)，是水资源水文地质学、城市水文地质学与环境水文地质学的发展时期，主要受西方科学技术思潮影响，如系统论、系统工程、计算机技术等新理论、新技术的输入、使我国的传统水文地质学，发展到一个以研究水资源与环境问题为重点的现代水文地质学。4．我国水资源概况及地下水资源的开发利用1．我国水资源概况水资源总量是由地表水资源和地下水资源组成的。我国多年平均径流量为28124亿m3，其中河川径流量占94.4%。我国平均年降水量61889亿m3，降水量的45%转化为地表和地下径流，其余消耗于蒸散发。我国河川径流量居世界第6位，约占全球河川径流量的5.8%。平均径流深度284mm，为世界平均的90%，居全球第7位。我国水资源总量虽然比较丰富，但按人口和耕地分配，水资源数量十分有限。我国水资源按耕地面积与人口数平均，每公顷耕地占有的径流量为28320m3，仅为世界平均的80%；平均每人年占有的径流量为2260m3，不足世界平均的1/4，约相当于美国的1/6、巴西的1/19、加拿大的1/58，年径流量仅为我国的1/5的日本，每人平均占有的径流量却是我国的2倍。可见，按人口和耕地平均拥有的水资源量还相当紧缺，因此水资源是我国十分珍贵的自然资源。2．地下水资源的开发利用情况建国以来，由于普遍进行了水文地质普查，基本查明了地下水的分布规律，使我国地下水资源，得以有计划的开发利用，对促进工农业的发展和城市建设，发挥了重要作用。特别是促进农业灌溉方面，对抗旱保收，提高粮食产量，取得了显著效益。根据全国地下水开采量的统计，总开采量为746×108m3/a，约占天然资源的11.6%。其中平原区占76%，山区占24%。按区域划分，北方占85%，南方占15%。北方平原地区占全国开采量的72%，而南方仅占3.5%。由此可见，全国地下水的开采量，以北方平原占主要地位。其次是岩溶水，不论北方或南方，其开采量均超过总开采量的10%，而裂隙水仅占岩溶水开采量的10%。我国北方地区，由于气候干燥，降水不足，解放前经常受到干旱的威胁，粮食不能自给。50年代经过水文地质普查以后证实，华北平原、松辽平原、4河套平原、河西走廊等主要农业区，地下水资源丰富。自60年代起，在这些地区就有计划地把发展井灌作为主要水利化方向。据统计北方17省、市地下水用于农业灌溉，年开采量达400×108m3以上，井灌面积1.7×108亩。其中华北平原的年开采量就达280×108m3，井灌面积1.1×108亩，超过了地表水的灌溉面积。例如河北平原近30年来，已打农灌井140多万眼，年开采量约100×108m3，井灌面积3000多万亩，占耕地面积的1/3以上。因而多次在遇到严重干旱的情况下，农业生产仍然得到丰收。西北干旱地区，地下水依靠山区河流的补给，在山前平原形成富集带，地下水资源相对比较丰富，特别在绿洲地区，农田灌溉主要依靠泉灌与井灌。但目前西北地下水的开采程度还比较低，如河西走廊，除石羊河流域地下水的开采量已出现严重超采现象以外，黑河流域及疏勒河流域地下水的开采量均不到补给量的20%。新疆及柴达木盆地，地下水的开采量也比较低，仅在局部地区开发程度较高。西北内陆盆地严重缺水，而地下水开发程度较低，其主要原因之一，是有关部门往往偏重地表水的开发，尽量提高地表水的引用率，而忽视地下水的合理利用，这是一个值得探讨的有关西北水资源开发的战略问题与方针政策问题。根据西北水资源的特点，优先充分开发利用地下水，具有以下有利条件：①能就地开采，投资少，见效快，经济便利；②无蒸发损失；③利用地表水与地下水的转化关系，可提高水资源的重复引用率；④有利于环境生态平衡。相反，如无节制地提高地表水的引用率，不仅在经济上投资大、见效慢，而且引水距离远，渗漏损失及蒸发损失大，防渗工程艰巨，还会导致泉流量削减，造成泉灌系统的破坏，并且不利于环境生态平衡，容易造成盐渍化、沙漠化等恶果。西北新构造运动强烈，如祁连山、天山均属地层活动带，不利于在山口修建水利工程。因此今后西北干旱地区的水利化方向，如何根据水资源特点，权衡得失，因地制宜，探索水资源开发的最优化方案，是当前亟待解决的一个重要课题。南方部分缺水地区，如雷州半岛在50年代就已经发现是一个构造良好，主要由第三系、第四系组成的自流盆地，地下水资源十分丰富。从60年代起就大力发展井灌，现已灌溉耕地40×104亩。四川红色盆地也是南方严重缺水地区之一，经过多年来的调查研究，已有40多个县在红层风化裂隙带开发利用浅部潜水，灌溉土地68×104亩，同时也解决了当地人畜饮用水问题。岩溶水已成为农业或城市和工业供水的重要水源之一，不论是南方或北方，都普遍得到开发利用。如太原、济南、淄博、大连、宝鸡、淮北、昆明、广州等城市，都不同程度地利用岩溶水作为供水水源。山西及太行山地区的许多岩溶大泉，大部分被利用作为灌灌水源。由于这类大泉流量大而且比较稳定，也适宜作为工业用水。而上述地区煤炭资源丰富，能否建立能源基地，主要决定于水源。如何权衡轻重，合理解决农业用水与工业用水的矛盾，是该地区一5个值得研究的重要问题。西南地区的许多暗河，有美好的开发前景。但目前暗河发育地区也是严重缺水地区，人民生活贫困。要改变这类地区的落后面貌，开发利用暗河资源是一条重要途径。有些地方，已根据不同情况，采取了各种不同的工程措施。如修建引水工程、地下水库、“天窗”扬水工程以及利用水头修建小型发电站等，对解决当地的生活用水和部分耕地的灌溉水源，发挥了重要作用。随着工业的发展和城市人口的增加，地下水在工业和城市供水中，日益显得重要。据不完全统计，全国181个大、中城市中，有61个城市主要采用地下水。有40个城市为地表水、地下水兼用。华北27个主要城市中，总用水量为782×104m3/d，其中地下水占686×104m3/d，为总用水量的87%。北京市地下水的年开采量达25×108m3(包括农业用水)，占全市总用水量的60%。辽宁省下辽河平原为我国主要工业区，分布有沈阳、辽阳、鞍山等重要工业城市，工业用地下水达8.3×108m3／a。其它如西安、太原、石家庄等城市，地下水的开采量达100×104m3/d左右。南方由于地表水污染，许多大中城市也纷纷改用地下水。例如江苏省的南京、常州、徐州等10个城市，地下水年开采量已达4.5×108m3。另一方面，随着城市人口的增加和工农业的发展，需水量大幅度增长，有些城市因缺乏合理规划，已出现由于超量开采造成水源紧张或水源枯竭。同时由于大量工业废水不合理的排放，以及农田施用农药化肥等原因，使地下水遭到污染，不仅影响人民健康，而且使原来已经紧张的水源更趋紧张，成为环境保护亟待解决的一个重要问题。滨海平原的若干城市，如上海、天津等，地下水的大量开采还导致地面沉降等公害，给国民经济带来严重损失。综上所述，地下水的开发利用，如何全面规划、合理利用、加强管理和保护地下水资源，已成为当前急需解决的一个重要课题。61地球上的水及其循环重点：地下水与地表水、大气降水之间的关系——“三水”转化。1.1地球上的水与自然界的水循环地下水的自然界水的一个重要组成部分，参与水循环，说明了地下水与地表水、大气水之间的密切关系，决定了地下水作为一种与其他矿产资源不同的资源，具有可再生性的特点。1．自然界中水的分布状况从大气圈到地壳上半部属浅部圈层水。其中分布有大气水、地表水、地下水以及生物体中的水。根据联合国教科文组织资料，不包括生物体中的水与矿物中的水，浅部圈层