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1、水文学与水资源学基础 The Basis of Hydrology and Water Resources,主讲人：,于静洁：电话 010-64889308 手机：18618110572 E-mail: 宋献方: 电话 010-64889849 手机：13911622701 E-mail: ,中国科学院 陆地水循环及地表过程重点实验室,水文学与水资源学基础 The Basis of Hydrology and Water Resources 地下水部分,主 要 内 容,地下水的结构与运动,地下水系统的组成与结构,地下水的类型及其特征,地下水循环及其影响因子,地下水运动规律,地下水动态与平衡,
2、中国地下水基本特征,地下水的化学成分及其形成作用,地下水水资源评价简介,地下水系统的组成与结构,全球水文循环示意图,6189,6189,2714,3475,水循环（Water Cycle）,水资源地域分布不均：,中国北方: 水资源量: 19% 人口: 47% 耕地: 64% GDP: 45%,中国南方: 水资源量: 81% 人口: 53% 耕地: 35% GDP: 55%,水资源空间分布不均,中国南方平均降雨量： 800-2000mm,中国北方平均降雨量： 50-800mm,中国地表水資源,中国地下水資源,供水量与生活用水,水源地开采潜力,2011年国务院常务会议讨论通过全国地下水污染防治规划
3、,新华网北京8月24日电国务院总理温家宝24日主持召开国务院常务会议，讨论通过全国地下水污染防治规划（20112020年）。 会议指出，目前我国地下水开采总量已占总供水量的18%，北方地区65%的生活用水、50%的工业用水和33%的农业灌溉用水来自地下水。全国657个城市中，有400多个以地下水为饮用水源。随着我国城市化、工业化进程加快，部分地区地下水超采严重，水位持续下降；一些地区城市污水、生活垃圾和工业废弃物污液以及化肥农药等渗漏渗透，造成地下水环境质量恶化、污染问题日益突出，给人民群众生产生活造成严重影响。,中国地下水类型分布图,中国地下水补给资源量分布図,中国地下水质量分布图,中国地下
4、水資源现状,地下水补给资源量8837亿立方米/年、占水资源量的1/3。农村生活用水主要以地下水为主，农业灌溉40利用地下水， 个城市中、400以上利用地下水。城市供水总量约占30，华北、西北分别为、。,2000年中国地下水污染状况,监测中166城市不同程度都有污染、严重污染。北方、17省会城市、16个污染严重汚染、只有济南市轻微污染。南方、14省会城市、3个（合肥、武汉、长沙）污染严重。,华北地下水降落漏斗,一、地下水贮存空间,（一）含水介质、含水层和隔水层 含水介质：既能透水，又饱含水的多孔介质。 含水层（Aquifer）是指贮存有地下水，在自然状态或人工条件下，能够流出地下水的岩体。 层状
5、岩石 含水带、含水岩体等 隔水层(Aquiclude, impermeable stratum)则是虽然含水但不能透过并给出水，或透过和给出水的数量微不足道的岩层。 含水层和隔水层的划分是相对的，并不存在截然的界限或绝对的定量标志 弱透水层（Aquitard）本身不能给出水量，但垂直层面方向能够传输水量的岩层。,（二）、含水介质的空隙性与水理性质,1，含水介质的空隙性 岩石空隙(Intersticss)是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。 将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类： 即：松散岩石中的孔隙（Po
6、re），坚硬岩石中的裂隙(Fractures)和可溶岩石中的溶隙(Solution-enlarged interstices)。 孔隙率、孔隙度（n）： n=Vn/V 100% 裂隙率（Kr）： Kr=Vr/V 100% 岩溶率（Kk）： Kk=Vk/V 100%,2，含水介质的水理性质,容水性：常压下岩土能够容纳一定水量的性质。容水度是指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。可用小数或百分数表示。一般说来容水度在数值上与孔隙度(裂隙率、岩溶率)相当。但是对于具有膨胀性的粘土，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。 WnVn/V 100% 持水性：饱水岩石在重力作用下排水后，依
7、靠分子力和毛管力仍然保持一定水分的能力。饱水岩石在重力作用下释水后，岩石中保持的水的体积与岩石体积之比，称为持水度。 WrVr /V 100% 给水性：饱水岩石在重力作用下能自由排出水的性能。饱水岩石在重力作用下能自由排出水的体积和岩土总体积之比，称为给水度。 UVu /V 100% WnWrU,透水性：在一定条件下，岩土允许水通过的能力。表征岩石透水性的定量指标是渗透系数K。,2，含水介质的水理性质,贮水性： 埋藏较深的承压含水层，在高压条件下释放出来水量的性质。贮水系数或释水系数（s），水头变化一个单位，从单位面积释放出来的水体积。,2，含水介质的水理性质,（三）、蓄水构造,蓄水构造：蓄水
8、空间、相对隔水层、透水边界（补给大于排泄）,补给,排泄,（四）、地下水系统,含水体+输入、输出,系统理论,二、地下水流系统,一、地下水流系统的基本特征 1， 空间上的立体性 2， 流线组合的复杂性和不稳定性 3， 流动方向上的上升与下降并存性 多级水系统 二、地下水水域 地下水域就是地下水系统的集水区域。 和地表水有区别，地形、地质构造等影响,在同一集水区域的地下水，构成相对独立的地下水流系统,三、地下水系统垂向结构,（一）地下水垂向层次结构的基本模式,（二）、地下水不同层次力学结构 结合水(bound water)：松散岩石的颗粒表面及坚硬沿石空隙壁面均带有电荷，水分子又是偶极体，由于静电吸
9、引，因相表面具有吸附水分子的能力受因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。此部分水束缚于团相表面。 强结合水(又称吸着水)的厚度，不同研究者说法不一，一般认为相当于几个水分子的厚度，也有人认为可达几百个水分子厚度。 弱结合水(又称薄膜水)处于强结合水的外层，受到固相表面的引力比强结合水弱，但仍存在范德华尔斯Van der Wogls引力和强结合水最外层水分子的静电引力的合力的影响。其厚度为几十，几百或几千水分子厚度。,重力水(Gravitational water)：距离固体表面更远的那部分水分子，重力对它的影响大干固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力影响下运动，这部分水就是
10、重力水。 毛管水(Capillary water)：将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，因此在地下水面以上的包气带中广泛存在毛 管水。,气态水、固态水及矿物中的水,地下水垂向力学结构,（三）、地下水体系作用势,重力势 静水压势 渗透压势 吸附势 总水势,地下水的类型及其特征,地下水的类型及其特征,一、地下水基本类型的划分 地下水这一名词有广义和狭义的两种概念。广义的地下水(Underground water，Subsurface water)是指赋存于地面以下岩石空隙中的水；包气带及饱水带中
11、所有含于空隙中的水均属之。狭义的地下水(Groundwater)仅指赋存于饱水带岩石空隙中的水。 地下水的赋存特征对其水量、水质时空分布等有决定意义，其中最重要的是埋藏条件与含水介质类型。 所谓地下水的埋藏条件，是指含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水层限制的情况。 据此可将地下水分为包气带水（结合水、毛管水、重力水）、饱水带水（潜水及承压水） 按含水介质类型，可特地下水区分为孔隙水、裂隙水及岩溶水。将两者组合可分为九类地下水 。,Aeration zone unsaturated zone,Saturated zone,二、包气带水（热点研究区）,包气带水特征 1，容易受外界影响，受气候条
12、件控制 2，垂向变化大 3，含水率变化与岩土结构有关。,土壤水资源评价 蓝水与绿水,三、潜水(Unconfined groundwater),饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称做潜水。潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。 潜水的水面为自由水面，称做潜水面。从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层厚度。潜水面到地面的距离为潜水埋藏深度。,上部没有稳定隔水层，与大气连通 ，分布区与补给区一致。 与包气带、大气降水、地表水联系密切。 变化大,Water Table,水位与埋深的区别,Water Table Depth,一般情况下，潜水面不是水平的，而是向排泄区倾斜的曲面，起伏大体与地形一致，
13、但常较地形起伏缓和。潜水面上各点的高程称作潜水位。将潜水位相等的各点连线，即得潜水等水位线图，该图能反映潜水面形状。相邻两等水位线间作一垂直连线，即此范围内潜水的流向。用此垂线长度去除两端的水位差，即得潜水水力梯度。根据等水位线可以判断潜水与地表水的相互补给关系。,地下水与地表水水力联系,四、承压水(Confined groundwater),充满于两个隔水层之间的含水层中的水，叫做承压水，承压水含水层上部的隔水层称作隔水顶板，或叫限制层。下部的隔水层叫做隔水底板。顶底板之间的距离为含水层厚度。,承压性 分布区与补给区不一致 受外界影响小 水质类型能够多样,承压水的形成,地质构造,承压水等水压
14、线,上层滞水(Perched groundwater),当包气带存在局部隔水层时，在局部隔水层上积聚具有自由水面的重力水，这便是上层滞水。上层滞水分布最接近地表，接受大气降水的补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。雨季获得补充，积存一定水量，旱季水量逐渐耗失。当分布范围较小而补给不很经常时，不能终年保持有水。由于其一般水量不大，动态变化显著，只能在缺水地区才能成为有意义的小型水源或暂时性供水水源。利用上层滞水作为饮用水源时，应特别注意其污染情况，因为水从地表补给上层滞水的途径很短，极易受污染。,五、孔隙水(Pore water),孔隙水主要赋存于松散沉积物颗粒之间，是沉积物的组成部分。在特定沉
15、积环境中形成的不同成因类型沉积物，受到不同的水动力条件的制约，其空间几何形态、概度与分选的变化，均各具特点，从而控制着赋存于其中的孔隙水的分布，与外界的联系程度等,六、裂隙水(Fissure water),坚硬基岩在应力作用下产生各种裂隙：成岩过程中形成成岩裂隙；经历构造变动，会产生构造裂隙；风化作用可形成风化裂隙。 贮存并运移于裂隙基岩中的裂隙水，尤其是构造裂隙水，具有一系列与孔隙水不同的特点。与孔隙相比，裂隙水分布更不均匀，水力联系更不统一连续。,七、岩溶水(Karst water),水（主要是地下水)对可溶岩石进行化学溶解，并伴随以冲蚀作用及重力崩坍，在地下形成大小不等的空洞，在地表造成各种独特的地貌现象以及特殊的水文现象；上述作用及由此产生的各种现象，称为岩溶(喀斯特) 赋存并运移于岩溶化岩层中的水称作岩溶水(喀斯特水)。岩溶水不断改造着自己的赋存与运动的环境，通过差异性溶蚀作用，力求使可溶岩中原有的空隙“管道化”，将尽可能大范围内的水汇集成为一个完整的地下河系。 岩溶化岩层的“管道化”与岩溶水的“水系化”，使岩镕水在某种程度上带有地表水的特点，空间分布极不均一，时间上变化强烈，流动迅速，排泄集中.,美丽的峰林、峰丛,普定马关洼地,地下河，溶洞,安顺石漠化,全州石漠化,普定石漠化,石山,泥巴窝,石林石漠化,生物的适应,