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1、地下水文学第1页，共43页，编辑于2022年，星期六教教 材材u地下水水文学张元禧 施鑫源 合编中国水利出版社，1998年u学时32 学时每周 4学时(2次),1-11周第2页，共43页，编辑于2022年，星期六主要参考书主要参考书u水文地质学基础王大纯 张人权 史毅虹地质出版社,1986u地下水动力学陈崇希 林敏 中国地质大学出版社，1999第3页，共43页，编辑于2022年，星期六绪 论第4页，共43页，编辑于2022年，星期六绪 论u一.国内外开发利用地下水概况国内祖先5600年前采用凿井取水(浙江河姆渡)，2000多年前自贡已有深达数百米的盐井，汉武帝时渭北高原的井渠“龙首渠”，驰名中
2、外的“坎儿井”目前我国地下水资源开发国外u1.独联体各国u2.印度u3.埃及第5页，共43页，编辑于2022年，星期六u地下水开发的三个时期：u1.初期u2.中期u3.后期第6页，共43页，编辑于2022年，星期六u二.地下水水文学研究的发展 地下水文学的定义地下水开发利用的初始阶段(公元前5600公元前7世纪):主要用泉水地下水学科创建前期(公元前7世纪公元1800年)：井采地下水学科创建时期(18001940年)代表人物：达西实验、裘布依假设、泰斯公式，深井、大规模、集中开采地下水现代地下水学科创立发展时期(1940年以后)代表人物及理论：Boulton,Jacob,Neuman，计算机应
3、用，水质模型，科学开发地下水第7页，共43页，编辑于2022年，星期六导论u本课程的主要内容地下水赋存条件(水文地质)地下水补给、迳流与排泄地下水动态与均衡地下水运动含水层参数的确定地下水资源评价u教学方式讲授讨论习题思考题作业考试第8页，共43页，编辑于2022年，星期六第一章 地下水及其赋存Groundwater,subsurface water,water table第9页，共43页，编辑于2022年，星期六1.1 自然界水的分布、循环与均衡u自然界水的分布地球总水量140786万km3，海水137000万km3(占97.3%)，陆地地表水2943万km3(2.1%)，陆地地下水841.
4、7万km3(0.6%)。u自然界水循环(hydro-cycle)水分循环三要素：蒸发(Z)、降水(X)和径流(Y)u自然界水均衡(water equilibrium)水均衡：在一定时间、一定区域内，水分循环的三要素之间的数量关系水均衡原理：对于任一地区(系统)，在任一时间内，收入的水量与支出的水量之间的差额必等于其蓄水量的变化。在海洋：Z0=X0+Y在陆地：Zc=Xc-Y全球：Z0+Zc=X0+Xc第10页，共43页，编辑于2022年，星期六1.2 地下水的赋存u岩土的空隙性(space)孔隙(pore,porosity)松散岩土中颗粒或颗粒集合体之间普遍存在着孔状空隙，称为孔隙。孔隙度n:单
5、位体积岩土(包括孔隙在内)中的孔隙体积，即影响孔隙度的因素颗粒压实度(图1-2)颗粒排列方式(图1-3)颗粒的磨圆度颗粒的分选性胶结程度与颗粒大小无关(图1-4)常见岩土孔隙度含泥沙砾石部分胶结的砂岩第11页，共43页，编辑于2022年，星期六1.2 地下水的赋存第12页，共43页，编辑于2022年，星期六1.2 地下水的赋存裂隙裂隙(fissure,fracture,crack)风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙裂隙率f：溶隙(karst fissure)溶缝、溶孔、溶洞岩溶率Kk：岩石裂隙可溶岩溶隙第13页，共43页，编辑于2022年，星期六1.2 地下水的赋存u水在岩土中的赋存形式液态水结合水
6、结合水：受到固相表面的吸引力大于其自身重力的那部分水重力水重力水：距离固相表面更远的、能在重力下运移的那部分水毛细水毛细水：松散岩土中细小孔隙通道构成毛细管，在毛细力的 作用下，地下水沿着细小孔隙上升到一定高度，这种既受重力又受毛细力作用的水。支持毛细水悬挂毛细水孔角毛细水气态水固态水其它：矿物结合水(沸石水、结晶水、结构水)第14页，共43页，编辑于2022年，星期六1.2 地下水的赋存u水理性质容水性定义：岩土能容纳一定水量的性能,常用含水率表示。含水率：单位体积岩土中所含水的体积(water content;mositure content)饱和度(saturation)S：含水率与容水
7、度的比值。S=1表示饱和，0S1表示非饱和容水度(water capacity)Cw：岩土完全饱和时所容纳的最大水体积与岩土总体积之比。在数值上，一般与孔隙度(裂隙率、溶隙率)相等，但对于有膨胀性的岩土，由于充水后体积扩大，其容水度可大于孔隙度第15页，共43页，编辑于2022年，星期六1.2 地下水的赋存持水性(moisture retention)含水岩土在重力作用下释水时，由于固体颗粒表面的吸附力和毛细力的作用，使在其空隙中能保持一定水量的性能持水度Re：指饱水岩土在重力作用下，经过23天释水后，岩土空隙中尚能保持的水体积与岩土总体积之比，这时的岩土含水率也称为田间持水率。第16页，共4
8、3页，编辑于2022年，星期六1.2 地下水的赋存给水性(specific yield)含水岩土在重力作用下能自由释出一定水量的性能给水度：指饱水岩土在重力作用下所释出的水体积与岩土总体积之比，在数值上它等于容水度减去持水度，也即岩土的饱和含水率与田间持水率之差。第17页，共43页，编辑于2022年，星期六1.2 地下水的赋存透水性(permeability)岩土允许水体透过的性能决定岩土透水性好坏的主要因素是空隙的大小，其次才是空隙的数量。度量岩土透水性的指标是渗透系数K。渗透系数愈大，表明岩土的透水性愈强，反之，则愈弱。第18页，共43页，编辑于2022年，星期六1.2 地下水的赋存u含水
9、层和隔水层(aquifer&aquiclude)含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层。含水层不但储存有水，而且水可以在其中运移。隔水层则是不能透过和给出水，或透过和给出水的数量很小的岩层。特点划分含水层和隔水层的标志并不在于是否含水，关划分含水层和隔水层的标志并不在于是否含水，关键在于所含水的性质键在于所含水的性质含水层和隔水层是相对的含水层和隔水层是相对的含水层和隔水层在一定条件下可以转化含水层和隔水层在一定条件下可以转化含水层只是一个形象的名称含水层只是一个形象的名称,含水系统更通用含水系统更通用第19页，共43页，编辑于2022年，星期六1.3 不同埋藏条件下的地下水不同埋藏条件下的
10、地下水第20页，共43页，编辑于2022年，星期六1.3 不同埋藏条件下的地下水u埋藏条件(occurrence condition)是指含水层在地质剖面中所处的部位及所受隔水层限制的情况。在距地表以下一定深度存在着饱水的地下水面，地下水面以上，岩土空隙没有为液态水所充满，包含有与大气相连通的气体，称为包气带，赋存其中的水称包气带水。地下水面以下的岩土空隙全部为液态水所充满，既有结合水，也有重力水，称为饱水带。饱水带中，由于含水层所受隔水层限制的状况不同，又分为潜水和承压水。第21页，共43页，编辑于2022年，星期六包气带饱水带饱水带潜水承压水上层滞水隔水层地面第22页，共43页，编辑于20
11、22年，星期六1.3 不同埋藏条件下的地下水u包气带水(vadose zone,aeration zone)包气带水(又称非饱和带)：泛指贮存在包气带中的水，包括通称为土壤水的吸着水、薄膜水、毛细水、气态水和过路的重力渗入水，以及上层滞水上层滞水(perched water):在包气带中当存在局部隔水层时，其上部可积聚具有自由水面的重力水包气带饱水带饱水带潜水承压水上层滞水隔水层地面第23页，共43页，编辑于2022年，星期六1.3 不同埋藏条件下的地下水u潜水(phreatic water)基本概念潜水是地表以下埋藏在饱水带中第一个具有自由水面的重力水，参见图18。潜水没有隔水顶板，或只具有
12、局部的隔水顶板，潜水的自由水面称为潜水面(water table)。潜水面上任一点的高程为该点的潜水位(phreatic water level)，潜水面到地表的铅垂距离为潜水的埋藏深度(简称埋深)。潜水在重力作用下由高处流向低处称潜流。在渗透途径上，任意两点的水位差与该两点的水平距离之比，称为水力梯度(hydraulic gradient)或水力坡度，通常用I表示。H1H2L潜流第24页，共43页，编辑于2022年，星期六1.3 不同埋藏条件下的地下水潜水的特征与降水和地表水联系密切，积极参与水循环分布区与补给区基本一致排泄方式径流排泄：泉、渗流形式蒸发(腾)排泄：失水分，留盐分盐碱土动态的
13、季节性变化显著(丰水，水位高，含水层厚)易受污染等水位线图(phreatic water contour)在潜水面上，将高程相同的点(即潜水位相同的点)相连，即为潜水面的等水位线图通过该图可确定潜水流向、水力梯度及潜水与河水的补排关系等，见图1-10、图111第25页，共43页，编辑于2022年，星期六图1-11 潜水与河水间补排关系图1-10 利用等水位线图求潜水流向及水力梯度第26页，共43页，编辑于2022年，星期六1.3 不同埋藏条件下的地下水u承压水(confined water)承压水的概念承压水是充满于两个隔水层之间的含水层中具有静水压力的重力水，见图112。如未充满水则称为无压
14、层间水。a隔水层；b 承压水含水层；H 压力水头(water head)；M 含水层厚度隔水底板隔水顶板承压含水层压力水头该点高程叫承(测)压水位或承压水头第27页，共43页，编辑于2022年，星期六1.3 不同埋藏条件下的地下水承压水特征分为补给、承压和排泄三个区；水体具承压性补给、排泄范围有限产生越流与大气、地表水的联系较弱，受气候、水文影响较小水量增加，水头增高，含水层厚度不变；水量减小，水头降低。但顶板的压力会产生假象随含水层埋深加大，矿化度增高(深部出现卤水)不易污染，一旦污染又不易净化第28页，共43页，编辑于2022年，星期六承压水等水头线图：连接承压含水层测压水位相等的各点实线
15、：地形等高线虚线：顶板等高线点划线：等水头线钻孔自喷孔压力水头？承压含水层埋深？计划在这里打一口井应注意什么问题？ABCD第29页，共43页，编辑于2022年，星期六第一讲结束第30页，共43页，编辑于2022年，星期六河姆渡遗址：1973年6月，当时的余姚县罗江公社为防止洪水倒灌使境内地势低洼的稻田旱涝保收，准备掘深河道，建造机电翻水站。在深掘过程中。发现了许多夹炭黑陶骨，人们感到无比惊奇。他们立即向文物主管部门报告。浙江省博物馆当即组织力量迅速进行试掘，出土了一批乌黑古朴的陶片、斧痕累累的木构件、斑驳破碎的兽骨，向人们透露出令人兴奋的喜讯：这是浙江境内已知最早的新石器时代的文化遗址，具有十
16、分重要的科学研究价值。经测算，遗址分布范围约有4万平方米。分别在1972年、1978年进行了两次发掘共计面积2800平方米。遗址由相互叠压、又有内在联系的4 个文化层组成。从距今5000年前的第一文化层到距今约7000年前的第四文化层中出土生产工具、生活器具、原始艺术品等文物6700余件。还发现一批人体骨骸，丰富的栽培稻谷，大面积木建筑遗迹以及驯养的猪、狗、水牛和捕猎的禽兽骨骸、植物果实等遗存。河姆渡遗址发现一口挖在池塘底部木构水井，距今已有5600余年，是目前发现的中国历史上最早的一口水井。它是由20O多根底部削尖的木桩打入地下，组成一个直径约6米的圆形栅栏桩，中间是4排密集的桩木，形成边长
17、为2米的方形木构井，其内侧各有一根粗圆木，榫卯联接构成一个“井”字形框架，以支撑4边井壁的压力，防止排桩向井内倾倒。第31页，共43页，编辑于2022年，星期六木构建筑的奇迹木构建筑的奇迹“干栏式”建筑 遗址已发掘的部分到处可见木构建筑的遗迹。特别是在第四文化层，整个发掘区布满了密密麻麻、大大小小的木桩和纵横交错的木构件。诸如柱洞、柱础、圆柱、方柱、圆木、桩木、排桩、板桩、地龙骨、横梁、木板之类，星罗棋布，蔚为奇观。较有规律的排桩、板墙，就有十几道，有的长达23米多。经古建筑学家鉴定，河姆渡先民的住房是目前发现最早的“干栏式建筑”。因为河姆渡当年是沼泽地带，地面潮湿，所以先民先是在地上打桩，在
18、上面架设地梁，铺上木板，构成架空的居住面，在四周排起密密的木桩作墙，然后立柱架梁盖顶。这种底层高于地面，即防潮又能防止野兽侵袭的“干栏式”建筑是我国南方传统木构建筑的祖源，至今华南有些地区仍存在。建筑上尤其值得称道的是在两构件垂直相交的节点采用榫卯技术，把我国应用榫卯技术的历史推前了3000多年。7000年前的河姆渡先民在当时还没有金属工具的生产条件下。仅以粗劣的石器和骨器，创造了多达十余种形式的榫卯，令人惊叹不已。这种木结构建筑设计之科学，规模之宏大，不仅为我国所罕见，也是人类文化史上最早的杰作，被考古学家称之为7000年前的奇迹。第32页，共43页，编辑于2022年，星期六世界上最发达的耜
19、世界上最发达的耜(si)si)耕农业耕农业栽培水稻在先后两次大规模考古发掘中，第四文化层较大面积范围内，分布着稻谷、稻壳、秕谷、稻草、茎叶、木屑碎渣等交互混杂的堆积层，厚度从10一40厘米不等，最厚处达7080厘米。稻谷、谷壳、稻叶、米粒保存较好，出土时稻秆、稻叶和稻谷与秕谷推断。河姆渡遗址出土的稻谷和谷壳，换算出稻谷当在12吨以上。这是何等惊人的数字。出土的稻谷数量之大，保存之好，不仅堪称全国第一，就是在世界史前遗址中也是十分罕见的。伴随出土的代表农具是骨耜，有170余件。骨耜大部分取材于大型偶蹄哺乳动物（如水牛、水鹿和四不象）的肩胛骨。在耜柄、耜面钻孔，用藤条或绳索把木棒与骨耜捆紧做成后世
20、称为“耒(lei/)耜”的农具。由于长期使用刃部十分光滑。磨损严重，特别是中间作为刃部的扁蒲扇面，磨蚀破损尤甚。从国内外有关骨耜（骨铲、骨锻）的考古发现来看以河姆渡第四文化层所出骨耜年代最早、制作最精，而且数量也最多，堪称世界第一。稻谷和骨耜的发现，生动地告诉我们：当时先民们在这一大片土地上撒下谷种，就是用这种农具进行耕作。他们手执耒耜，开田翻土、引水灌溉，辛勤耕作、同时还出土了动物肋骨制作的一面磨成锯齿状的骨镰、中耕农具鹤顶锄和谷物加工工具木杵等，反映了在7000年前。生活在我国东南沿海一带的先民们已经脱离了“刀耕火种”的落后状态、发展到使用成套稻作生产工具、普遍种植水稻的阶段，耕作农业已成
21、为当时主要的生产活动、河姆渡文化稻作农业的耕作形态堪称世界上最为先进发达的耜耕农业。第33页，共43页，编辑于2022年，星期六其作法是：先凿竖井探明水脉（含水层），然后沿水脉向上游和下游，挖掘一长排竖井。竖井间距一般在上游为80100m；下游每隔1020m个。竖井的深度，向下游逐渐减小。各个竖井之间的地层挖通成为高约2m宽约1m的卵形暗渠。暗渠长度不一，最长可达30km。由于水在地下暗渠中流动，避免了蒸发并减少了渗漏。暗渠水流近田庄始流出地面。明渠末端，往往建有涝坝（小蓄水池），供蓄水灌溉。坎儿井利用地面坡度引取地下水自流灌溉。由竖井、暗渠、明渠、涝坝四部份组成。竖井，主要是为挖暗渠和维修时
22、人出入及出土用的。竖井口长1米，宽07米。暗渠是坎儿井的主体，高约1.6米，宽约0.7米。明渠，就是暗渠出水口至农田之间的水渠。涝坝，就是暗渠出水口，修建一个蓄水池，积蓄一定水量，然后灌溉农田。含含水水层层第34页，共43页，编辑于2022年，星期六龙首渠龙首渠为陕西古代引北洛水的灌溉工程，中国历史上第一条地下井渠引水工程，是现今洛惠渠的前身。位于澄城、大荔一带，创建于汉武帝元狩三年至元鼎六年(公元前120前111)，因施工中发现大量化石（古人称之为龙骨）而得名。今日洛惠渠位于陕西关中东部,灌溉大荔、蒲城、澄城三县77.69万亩良田沃土,其管理先进,效益显著,驰名国内,蜚声海外。据史记河渠书记
23、载,汉武帝元狩年间(公元前122年),汉武帝采纳了庄熊罴奏本,发卒万余人,自徵(今澄城县)开渠引洛河之水,修渠之商颜山(今铁镰山)下,遇到渠岸经常崩塌等重重困难,乃改为凿井,最深的井有40多丈,凿打了许多竖井,井下相通行水,工程成功了,渠水下流通过了绵绵商颜山,又沿塬边东行了十余里,沿途灌溉农田,井渠之法自此始。龙首渠前后施工10多年，虽曾能灌水，但未能收到预期实效。北周保定二年(562)又曾重开龙首渠。唐代也曾在这一带引洛水和黄河水，并利用朝邑县北的通灵陂调蓄，灌溉2000多顷稻田。1950年建成洛惠 渠，引洛水灌溉50万亩农田。第35页，共43页，编辑于2022年，星期六自贡盐井燊海井自贡
24、盐井燊海井自贡以盛产井盐著称，已有 2000多年开采井盐的历史，创造了许多凿井技术与工艺。燊海井(燊，音“深”shen)位于四川省自贡市大安区长堰塘，清 道光十五年(1835)采用中国自宋代以来的传统技术冲击 顿钻法凿成一井深达 1001.42米，是当时世界上第一口 超千米盐井，居世界钻井技术领先地位。该井为一口天 然气和黑卤同采的高产井。投产初期，日产黑卤百余担，天然气8500多立方米，100 多年以后仍不失其经济价值，是研究中国古代科技成就和发展的实物资料。1988年中华人民共和国 国务院公布为全国重点文物保护单位。第36页，共43页，编辑于2022年，星期六 国土资源部自2000年开始，
25、组织开展了新一轮全国地下水资源评价工作，评价成果：全国地下水天然资源量天然资源量多年平均为92359235亿立方米亿立方米，其中地下淡水淡水资源量为资源量为88378837亿立方米亿立方米，约占全国水资源总量的33，其中山区为6500亿立方米，平原为2300亿立方米；全国地下淡水多年平均可开采量为可开采量为35273527亿立方亿立方米米，其中山区为2000亿立方米，平原为1500亿立方米。最近20年来，全国地下水开采量平均以每年25亿立方米的速度增加，地下水占总供水量的比例已从1980年的14.0增长到2000年的19.8。全国有400多个城市开采利用地下水，在城市用水总量中，地下水占30。
26、目前我国地下水利用量占全国水资源利用量的16，已勘查评价的集中供水水源地约1400多处，其中已开采近1000处，日开采量近日开采量近1 1亿立方米亿立方米。依靠地下水供水的城市达400多个，占全国城市总数的60。其中北方城市以开采地下水为主，华北、西北城市利用地下水的比例分别高达72和66。我国地下水资源及其开发我国地下水资源及其开发第37页，共43页，编辑于2022年，星期六Estimates of water use in the United States indicate that about 408 Bgal/d(=15.44108m3/d)were withdrawn for al
27、l uses during 2000.This total has varied less than 3 percent since 1985 as withdrawals have stabilized for the two largest uses-thermoelectric power and irrigation.Fresh ground-water withdrawals(83.4 Bgal/d)during 2000 were 14 percent more than during 1985.Fresh surface-water withdrawals for 2000 we
28、re 262 Bgal/d,varying less than 2 percent since 1985.Historically,more surface water than ground water has been used for irrigation.However,the percentage of total irrigation withdrawals from ground water has continued to increase,from 23 percent in 1950 to 42 percent in 2000.Total irrigation withdr
29、awals were 2 percent more for 2000 than for 1995,because of a 16-percent increase in ground-water withdrawals and a small decrease in surface-water withdrawals.Public-supply withdrawals were more than 43 Bgal/d for 2000.Surface water provided 63 percent of the total during 2000,whereas surface water
30、 provided 74 percent during 1950.1gal=3.785l1Bgal=3.785million m3美国地下水资源开发美国地下水资源开发第38页，共43页，编辑于2022年，星期六第39页，共43页，编辑于2022年，星期六疏松排列紧密排列4an=26.18%Vn:V=48a3第40页，共43页，编辑于2022年，星期六立方体排列四面体排列n=47.64%n=26.18%第41页，共43页，编辑于2022年，星期六第42页，共43页，编辑于2022年，星期六潜水含水层承压含水层承压含水层承压含水层弱透水层弱透水层越流现象H2H3H1第43页，共43页，编辑于2022年，星期六