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1、水文学与水资源学基础 The Basis of Hydrology and Water Resources 地下水部分,宋 献方 TEL & FAX: 010-64889849 手机：13911622701 E-mail: ,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,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,地下水动态与平衡,地下水动态与均衡的概念,在在与环境相互作用下，地下水各种要素（如水位、水量、水化学成分、水温、微生物等）随时间的变化，称为地下水动态（groun
2、dwater regime） 地下水要素随时间变动，是收支不平衡的结果。例如，当含水层的补给水量大于排泄水量时，储存水量增加，地下水位上升；反之，补给量小于排泄量时，储存水量减少，水位下降。同样，盐量或热量收支不平衡，将使其水质或水温发生变化 某一时段内、某一地段内地下水水量（盐量、热量、能量）的收支状况称为地下水均衡(groundwater budget),地下水动态形成机制,形成机制 分析一次降雨对地下水位的影响：地下水位的升高过程表现为一个连续波形图形 间断性的降水，通过含水层的变化将转化为比较连续的地下水位的变化或泉流量的变化,地下水动态,一、影响地下水动态的天然 因素 1、气候因素
3、气候因素对潜水动态影响最为普遍。降水的数量及历时分布，影响潜水的补给状况、气温、湿度、风速等，影响着潜水的蒸发排泄,地下水动态,2水文因素 地表水体补给地下水而引起地下水位抬升时，随着远离河流，水位变化幅度愈小，开始变化的时间愈滞后。,地下水动态,3其他因素（地震、固体潮、潮汐、外部荷载等） 气候与水文因素作为地下水的补给来源或排泄去路，决定着地下水动态的基本模式 (如地下水位峰谷值的分布)，属于活跃的变动因素 地质因素等通常变化极其缓慢，可看作稳定不变的因素。它通过影响补给、排泄的强度及径流条件，而改变地下水要素的变化幅度与变化滞后时间,二、地下水天然动态类型,潜水与承压水由于排泄方式及水交
4、替程度不同，动态特征也不相同 潜水及松散沉积物中的浅部承压水，可分为三种主要动态类型：蒸发型、径流型及弱径流型 承压水均为径流型，动态变化的程度取决于构造封闭条件。 构造开启程度愈好，水交替愈强烈，动态变化愈强烈， 水质的淡化趋势愈明显。,人类活动影响下的地下水动态,人类活动通过增加新的补给来源或新的排泄去路而改变地下水的天然动态。,人类活动影响下的地下水动态,地下水均衡,一、均衡区与均衡期 一个地区的水均衡研究，实质就是应用质量守恒定律去分析参与水循环的各要素的数量关系 地下水均衡是以地下水为对象的均衡研究。目的在于阐明某个地区征某一段时间内，地下水水量(盐量、热量)收入与支出之间的数量关系
5、。 进行均衡计算所选定的地区称作均衡区（area for water balance）。它最好是一个具有隔水边界的完整水文地质系统， 进行均衡计算的时间段，称作均衡期(duration for water balance)，可以是若干年，一年，也可以是一个月等。 某一均衡区，在一定均衡期内，地下水水量(或盐量、热量)的收入大于支出，表现为地下水储存量(或盐储量、热储量)增加，称作正均衡； 反之，支出大于收入，地下水储存量(或盐储量、热储量)减少，称作负均衡。,地下水均衡,地下水补给,水分剩余,水分超支,蒸散发,二、水均衡方程式 equation for water balance,潜水均衡方程
6、式,人类活动影响下的地下水均衡,研究人类活动影响下的地下水均衡，可以帮助我们定量评价人类活动对地下水动态的影响，预测其水量水质变化趋势，并据此提出调控地下水动态使之朝向对人类有利的方向发展的措施,中国地下水基本特征,中国地下水类型划分为平原盆地地下水、黄土地区地下水、岩溶地区地下水和基岩山区地下水四种,中国地下水类型分布图,中国气候分区,中国地形,中国地形,秦岭一昆仑山构造带横跨全国，把我国不论是从地史发展，还是从自然地理景观都明显的分为南方和北方两大部分，从而也就造成我国地下水南北不同的分布规律。 因此，在区域水文地质意义上说，也可以认为秦岭一昆仑山构造带是我国地下水分布的重要分界线。 另外
7、，由于我国地质构造、地形、气候和地表水等的东西差异，又使南北分布不同的地下水，各自具有明显的东西方向上的变化。,中国地下水类型分布图,平原盆地地下水,主要包括黄淮海平原、三江平原、松辽平原、江汉平原、塔里木盆地、准葛尔盆地、四川盆地、以及河西走廊、河套平原、关中盆地、长江三角洲、珠江三角洲、雷州半岛等地区。我国平原盆地地下水分布面积273.89万平方千米，占全国评价区总面积的28.86%；地下水可开采资源量1686.09亿立方米/年，占全国地下水可开采资源总量的47.79%,地下水主要赋存于松散沉积物和固结程度较低的岩层之中，一般水量比较丰富，具有重要开采价值,黄土地区地下水,黄土地区地下水是
8、平原-盆地地下水的一种，是中国的一大特色，主要分布在我国的陕西省北部、宁夏回族自治区南部、山西省西部和甘肃省东南部地区，即日月山以东、吕梁山以西、长城以南、秦岭以北的黄土高原地区。黄土地区地下水主要赋存于黄土塬区，在一些规模较大的塬区，地下水比较丰富，具有供水价值。评价区面积17.18万平方千米,占全国评价区总面积的1.81%；地下水可开采资源量97.44亿立方米/年，占全国地下水可开采资源总量的3.0%。,中国黄土高原分布図,岩溶地区地下水,地下水主要赋存于碳酸盐岩（石灰岩）的溶洞裂隙中，其赋存状态取决于岩溶发育程度。我国碳酸盐岩分布较广，有的直接裸露于地表，有的埋藏于地下，不同气候条件下，
9、其岩溶发育程度不同，特别是北方和南方地区差异明显。我国岩溶地区地下水分布面积约82.83万平方千米,占全国评价区总面积的8.73%；岩溶地下水可开采资源量870.02亿立方米/年，占全国地下水可开采资源总量的26.7%，开发利用价值非常大。,中国岩溶地形分布図,基岩山区地下水,广泛分布于岩溶地区以外的其它山地、丘陵区，地下水赋存于岩浆岩、变质岩、碎屑岩和火山熔岩等岩石的裂隙中，是我国分布最广的一种地下水类型。基岩山区地下水只有在构造破碎带等局部地带富水性较好，大部分地区水量较贫乏，一般不适宜集中开采，但对山地丘陵区和高原地区的人、畜用水有重要作用。山区地下水分布面积约574.98万平方千米,占
10、全国评价区总面积的60.60%；地下水可开采资源量971.67亿立方米/年，占全国地下水可开采资源总量的27.54%。,中国火山分布図,多年冻土区地下水的分布特点,我国多年冻土区地下水的分布，除在阿尔泰山和东北地区的最北部分布有高纬度多年冻土区地下水外，随着地势的增高，在我国西部的青藏高原上，还分布有世界上少见的低纬度高山多年冻土区地下水。,浅部地下水水质变化的特点,标志着我国南方和北方地下水形成分布不同的另一个重要差别，是浅部地下水(包括潜水和浅部微承压水)水质变化的南北截然不问。北方浅部地下水矿化度变化比较复杂，常大于l克升，其中西北地区浅部地下水矿化度由于大陆盐渍化作用，可以高达几十克升
11、。 南方浅部地下水矿化度由于淋滤作用强烈则几乎全部小于1克升。 在东西方向上，东部因濒临海岸及受季风影响，除沿海地区地下水矿化度较高外，一般多为小于l克升或1克升左右的淡水，而西部则变化较为复杂。 另外在北方大型内陆盆地和平原地下水化学水平分带及垂直分带都比较明显，而南方一些小型的山间盆地则极不明显。,地下水动态曲线类型变化特点,地下水动态曲线的型态，从南到北逐渐由多峰变为双峰和单峰。高峰出现时间，队南向北逐渐向后推移，一般在秦岭一淮河一线以南降雨季节较长，动态曲线以多峰形态为主，由于受梅雨影响高峰出现时间较早。 在秦岭一淮河一线以北，雨季较短，一般多集中于秋季，地下水动态曲线以双峰或单峰型态
12、为主，高峰出现时间较晚，在我国西北高山地区，由于气候在垂直方向上的变化，形成了从高山到平原有着不同的地下水动态特征。,地下水类型的划分,I、松散沉积孔隙水 II、岩溶裂隙溶洞水 III、基岩裂隙水 Iv、多年冻土孔隙裂隙水,松散沉积孔隙水,1堆积平原砂砾石层孔隙水 山前平原砂砾石层潜水及承压水 平原多层状含水砂层承压水 滨海平原海陆交互相沙层承压水 )冲湖积平原砂层潜水及承压水 山间河谷平原砂砾石层潜水及承压水,松散沉积孔隙水,2.内陆盆地冲积平原砂砾石层孔隙水 山前带沙砾石层潜水及承压水 冲湖积平原砂层潜水及承压水 3黄土高原黄土孔隙水 源区连续分布的黄土潜水 梁、卵区局部分市的黄土潜水 4
13、沙漠孔隙水 风积沙丘潜水 风积沙丘下伏砂砾石层承压水,岩溶裂隙溶洞水,1，裸露及半裸露岩溶裂隙溶洞水 峰丛峰林溶洞裂隙水 岩溶丘陵溶洞裂隙水 岩溶山地裂隙溶洞水 2隐伏岩溶裂隙溶洞水 溺埋隐伏岩溶裂隙溶洞水 )深埋隐伏岩溶裂隙溶洞水,基岩裂隙水,1，基岩裂隙潜水 岩浆岩裂隙潜水 变质岩裂隙潜水 2，基岩裂隙潜水及承压水 碎屑岩裂隙潜水及承压水 玄武岩孔隙裂隙潜水及承压水,多年冻土孔隙裂隙水,1高纬度山地多年冻土孔隙裂隙水 多年冻土区冻结层上水及冻结层下水 岛状态土区冻结层上水及冻结层下水 2中、低纬度高原多年冻土孔隙裂隙水 松散沉积冻结层上水 基岩冻结层上水及冻结层下水,地下水监测现状,地下水
14、的补给与潜水蒸发,内陆河流域冰川与融雪径流的源地 涵养水源、调蓄径流，天然的调蓄水库 山前绿洲平原农田灌溉系统，地表水与地下水多次转换 受制于中游的来水量，已产生严重的荒漠化，是相当脆弱的植被生态地带,冰雪冻土带,山区植被带,山前绿洲带,下游荒漠带,内陆干旱区河流域垂直景观带,水文系统演变与生态响应,干枯的台特玛湖湖底,水文系统演变与生态响应,塔河下游干枯的植被,地下水资源评价简介,地下水资源评价的重要性,地下水资源是我国重要的饮用水源 我国181个大中城市中，基本上依靠地下水作为水源的有61个，以地下水和地表水一起作为供水源的城市有40个，全国有1/3的人口饮用地下水。 很多城市已将地下水资
15、源作为城市规划的重要依据 “十一五”国务院关于加强地质工作的决定 “国土资源部”地下水与地质环境研究面临的形势与任务,评价的主要目的：对某地下水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用条件做出科学全面的分析与估计，为合理开发利用地下水资源提供科学可靠的依据。,地下水资源评价的方法,相关分析法,相关分析法是根据开采地下水的历史资料或不同流量不同降深的抽水试验资料用数理统计方法找出流量与降深或其它自变量间的相关关系即完全相关零相关和统计相关 并依据这种关系来计算未来开采时的开采量或增大开采量后的水位降。 适用条件：水文地质勘探试验工作做得不够 资料较少 但地下水水位动态资料较多的情况下 .,水文切
16、割法,利用流量过程图结合具体的水文地质条件对地表水的流量过程线进行深入分析则可把流量过程曲线上补给河水的地下径流量基流量切割出来.,适应条件： 水文地质资料 缺乏，河流 资料充足地区,水文地质比拟法 使用研究区域内水文地质条件的相似性，利用局部地段或其它相类似区域的勘查资料进行评价。 电模拟法 根据地下水在渗流场中运动的基本规律与电在电流场中运动的基本规律相似 确定渗流区域内相对点的地下水水头和地下水渗流量。 解析法 根据地下水动力学原理以数学的解析方法求解描述地下水运动规律的偏微分方程，对各种特定模式在一定的边值和初值条件下的地下水运动模型建立其解析公式以进行研究区域的地下水资源评价。.,水
17、均衡法,质量守恒补给量减去排泄量永远等于含水层中水体积的变化量。 数学公式：Q补Q排=h,Q补,大气降水量,地表水流入量,地下水流入量,水汽凝结量,人工回灌量,Q排,人工抽取量,蒸发量,地下水流出量,地表水流出量,数值法,基本思想：把研究区域进行剖分成形状规则的网格，写出单元网格的水均衡偏微分方程，用不同的方法线性化得到线性方程组，利用计算机进行求解出各个节点的水头值。 目前应用软件：MODFLOW FEFLOW MT3D99,有限差分法：把描述地下水运动的偏微分方程 近似地用和它对应的差分方程来代替然后对差分方程来求解。,有限元法,有限元法：把求解的区域划分为有限个不相重叠的单元，在单元上构造出基函数然后再构造出形状函数用形状函数作为近似解。 主要的处理方法：迦辽金Galerkin等。,数值法在地下水资源评价中的步骤, 各种地质资料的收集与准备。 建立概念模型水文地质条件概化 建立数学模型 偏微分方程 建立数值模型有限差分法与有限元法 模型识别与检验（参数反演）通过调整参数, 达到有限个观测点实际观测值与模拟值的最佳拟合 水资源开采预测,