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——————淡水资源的主体是可再生的
二、地球上的水与水资源的重要性
1.水——自然界存在,自然属性
●不断循环运动
●良好的溶剂,重要载体
●水具有能量
2.水——人类生存、社会经济发展不可或缺,社会属性
●生命之源,是地球系统的“血液”
●旱灾、水灾、水污染,对人类发展不协调
●水资源可再生,但水资源有价值(价值规律)
●水资源管理不当,成为社会不稳定因素之一
三、地球上的水与水资源:
我国水资源概括
中国的大气降水与水资源分带
中国的人口密度与分省人均淡水资源
我国是世界上最缺水的13个国家之一
人均水资源占有量仅为世界平均值的1/4
0.2地下水的功能(作用)
⏹概念:
水文地质学简言之──研究地下水的科学
水对人类生活与生产起着不可或缺的重大影响
地下水是水资源组成部分
其主要功能(functions)为:
1、地下水是一种宝贵的资源(resource)
2、地下水是极其重要的生态环境因子
3、地下水是一种很活跃的地质营力
4、地下水是地球内部地质演变的信息载体
一、地下水是一种宝贵的资源
1.供水水源——
优点:
分布广,动态变小,洁净,不易污染
据报道:
陆地一半为干旱、半干旱地区1/3耕地,2/3牧区水源不足
城市供水不足,近来更有增加趋势
世界上,阿拉伯国家-进口雨水,中东的长期摩擦一是石油,二是水
80年代以来,我国城市缺水总体也愈来愈严重,很显然:
水资源的欠缺严重制约着国民经济的可持续发展。
全国60%的耕地全部或部分使用地下水
灌溉,全国95%以上的农村饮用地下水。
2.液体矿产(liquidmining)
地下水高含盐类或稀有元素,开发提炼具有工业开采价值
———如四川自贡,三叠纪岩层中的卤水,每升达300g之多。
医疗或健身功能的矿泉水(Naturalmineralwater)
——--疗养院,天然矿泉水厂,啤酒厂等—寻找特殊功能的水资源
开发提取一定的能量(热能,冷能)地下水
1)地下水的露头──泉井,往往具有冬暖夏凉的特点,地球浅层是常温带─保温作用,起到“冬灌夏用,夏灌冬用”
2)地球是个天然热库──可以供热,供取暖等用处
二、地下水是极其重要的生态环境因子
———地下水是影响生态与环境的重要因素之一
1.地下水的变化往往会打破原有的生态平衡,使环境发生变化──即可以有益,也可以是有害的
2.有害的例子:
农业用水不当的次生盐渍化、不统一开采,河西走廓的民勤县,绿州变沙漠、过量开采地下水──地面沉降(上海、天津)、海水入侵,地面塌陷,地下水污染等
3.地下水与其周围的环境,人、水、热、动是个相互依存的有着内在联系的生物生存链,打破一个环节就会引起或正或负的反馈(报复)
地下水利用产生的环境问题:
沙化荒漠化加重
上海地面沉降
地下水污染
三、地下水是一种很活跃的地质营力
—————地壳内能量、热量的传输者
1.传递应力:
水为诱发地震,地质灾害是地下水作用
2.人工地震预报──观测地下水
3.地球是个天然热库——在地质循环和水文循环中传输地壳内部的能(热)量的传输者
四、地下水是地球内部地质演变的信息载体
————地下水是(地球内部地质演变的)信息载体
1.由于是应力传递者,同时又是在流动——
所以地下水水位,水量,水温,水化学等的变化或异常可以提供埋藏在地下的许多信息.
2.强的溶剂:
在地质循环和水文循环中化学组分溶解,传递到适宜的部位沉淀(沉积):
成矿如找矿、找油、地震预报、地质演变.
0.3水文地质学的发展与趋势
一、发展阶段:
四个时期:
1856年以前的萌芽时期——1856年至本世纪中叶的
奠基时期——20世纪中叶至今的发展时期——21世纪的转变时期
1.萌芽时期:
由逐水而居到凿井取水----一大转折
2.奠基时期:
1856年,达西定律--地下水定量计算——奠定了水文地质学的基础
3.发展阶段:
二次世界大战战后,科学技术推动生产力迅猛发展以及人口的急剧增长
1)泰斯非稳定流理论提出,对地下水资源量的认识—革命
2)计算机技术的发展,在地下水模拟、规划管理等推进
4.转变时期:
核心内容的转变,可持续发展观的提出
——————水文地质学的发展正向“地下水科学”的转变——发展趋势。
二、水文地质学的趋势——简况
趋势:
1.核心课题转移:
找水水文地质学→资源…→生态环境…
2.视野扩展:
含水层→地下水系统→水文-生态环境→技术-社会系统。
3.目标改变:
由当前的问题转向长期的可持续发展…
4.内容扩展:
从地下水的水量为主,转向水量与水质的研究并重;
从狭义地下水,扩大到广义地下水,乃至地下水圈…
5.思路的改变:
从成生角度,加强过程与机理研究…
6.多学科交叉渗透成为主流:
地下水科学与其它自然科学以及社会科学交叉渗透,以多学科方式研究与处理问题
7.服务方式转变:
…方式发生了很大改变,如何使水文地质工作成果转化为生产力,成为一个急需解决的重大课题。
三、水文地质学的发展与趋势—任务
1.目前任务:
1.正确地预测在人类活动干预下地下水的变化
2.正确地评价、开发、管理与保护地下水资源
3.保护与地下水有关的生态环境,成为当务之急
4.正确地预测矿产开发的地下水问题,避免地下水害
5.。
。
0.4课程内容
本课主要内容:
一、水文地质学基本概念
概念、名词与术语
二、水文地质学基本原理
地下水形成基本规律——赋存、分布、运动
三、地下水科学的分析方法
微观——以概念为基础的分析方法
宏观——地下水系统理论为基础的综合分析
四、应用分析——概念与原理的掌握
思考题:
1、为什么说“水资源”是可再生的资源?
2、为什么说“水资源”既有自然属性,又有社会属性
第一章自然界中的水循环
1.1水循环
地球上各部位、各层圈都存在着水,各部位的水是相互联系、相互转化的整体也称为水圈──水系统
自然界的水循环──
一、各部位水的联系与转化关系
水循环分为:
地质循环,水文循环
本章重点讨论水文循环
1.2水文循环
1.定义—
水文循环示意图——环节或要素
2.水文循环的划分
(1)循环路径不同:
大循环(海-陆)与小循环(海-海,陆-陆)
(2)时空尺度不同:
全球水文循环,流域水文循环,水-土-生系统水文循环
3.水文循环的运动规律
(1)海洋的蒸发量大于降水量
(2)陆地的降水量大于蒸发量
(3)大陆输入水汽量与输出水量基本平衡
1.3水量平衡(Waterbalance)
一、通用水量平衡方程
1.水文学(水文地质学)研究的基本原理
物质不灭(质量)、能量守恒定律为基本原理
2.通用水量平衡方程:
区域—段—要素
I=O+(W1--W2)=O+△W
其中,I:
时段内输入区域的各种水量之和
O:
时段内输出区域的各种水量之和
△W=W1-W2:
区域内时段始末的储水量
不同区域、不同研究对象可以写出具体的水量平衡方程式
二、我国的水量平衡
1.4水文循环的作用
一、水文循环的作用:
通过循环—水的质量得以净化、水的数量得以再生水资源不断更新与再生,可以保证在其再生速度水平上的永续利用──也是可持续发展保证。
1.5影响水文循环的因素—自学
◆1.气象因素
◆2.自然地理条件
◆3.人类活动等
结果:
有利于蒸发,不利于径流,促进内陆水文循环
思考题
◆1.水文循环的内、外因是什么?
◆2.为什么称水资源为可再生资源,可再生的水资源是,取之不尽的吗?
◆4.举例说明人类活动对“水文循环”产生的影响。
◆5.研究一个地区水量平衡有何意义?
第二章地下水的赋存
2.1岩石中的空隙
基本概念:
1.岩石——水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层
2.空隙——岩、土中各种类型的空洞的总称
空隙—是地下水赋存场所(places)和运移通道(conduits)
空隙分为
(1).孔隙(pore)--unconsolidatedsoil--(第四纪地质学)
(2).裂隙(fissure)--hardrock---(构造地质学)
(3).溶穴(cavity)--dissolublerock--(岩溶地貌学)
《工程地质学》是从土层的物理力学指标(性能)来讨论,如土的压缩性或强度变形。
一、孔隙(pore,void)
土体孔隙的描述有:
孔隙的大小,多少,形状,连通与分布。
松散土体宏观上可以分为2大类:
砂性土与粘性土类
1、砂砾石孔隙大小及其影响因素
v试样a—砾石(模型),试样b—砂土样品,试样c—砂砾混合样品
?
提问:
试样a与b构成的孔隙哪种大?
哪种小?
颗粒大小----有关?
简单归纳---砂砾石土孔隙大小与什么有关?
颗粒大小、排列——立方体或四面体、分选、胶结与充填等
孔隙大小特征的描述:
孔喉(d)d=0.414D
孔腹(d’)d’=0.732D
(上述为:
立方体排列的理想等径园球颗粒)
2.砂砾石的孔隙度(porosity)及其影响因素
孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标
(1).定义:
某一体积岩石(包括颗粒骨架与空隙在内)中孔隙体积所占的比例。
通常用n表示
?
问:
孔隙度的大小与什么有关?
——与颗粒大小有关?
a.与排列有关——紧密与疏松
理想最疏松孔隙为47.64%,最紧密排列孔隙为25.95%。
b.与分选有关——下面试样哪个孔隙度大?
哪个小?
试样:
①砾石;
②砂石;
③混合样
完全混合试样时,孔隙度n混=n砾×
n砂(请自己推导证明)
影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。
自然界中松散岩石的孔隙度:
矛盾之一:
与粒径的关系不是愈大则愈大?
矛盾之二:
孔隙度超过最疏松排列的47.64%—达到70%
2.粘性土的孔隙度(porosity)及其影响因素
(1)粘土颗粒
粘性土是指土体颗粒<0.005mm的直径
粘性土由于颗粒细小,比表面积大,连结力强
粘粒在悬浮推移互相接触时,就会连结起来形成粘粒团”
细小粘粒集合(团)构成(称为)颗粒集合体。
集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征
(2)粘土孔隙
粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构
结构孔隙——集合体与集合体、粘粒与粘粒之间
次生孔隙——虫孔、根系孔、裂隙裂痕等
二、裂隙
1.裂隙的概念(fissurefracture)
固结的坚硬岩石中,一般仅残存很小部分孔隙,而存在有各种内外力作用下产生的裂缝(缝隙):
风化(卸荷)裂隙、成岩裂隙、构造裂隙
2.空间形态是两向延伸长,横向延伸短的“饼状”空隙,单个裂隙是孤立的
3.裂隙岩体:
从水的赋存与运移角度来看,裂隙的描述包括:
1)裂隙的连通性(组数、产状、长度和密度)
2)张开性(裂隙宽度)
3)裂隙率等
三、溶穴(solutioncavity)cavern
1.在裂隙基础,水流对可溶岩进一步作用的结果——是扩大了的裂隙溶穴:
溶蚀的裂隙,有溶孔、溶隙、溶洞等
2.岩溶岩体:
要描述裂隙特征及岩溶发育特征(裂隙+溶洞)
1)岩溶发育方向
2)溶蚀率--钻孔岩溶发育程度
3)溶洞(方向、规模等)
四、空隙特征的对比
空隙特征的比较
1.含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质,也称为介质场。
含水介质的空间分布与连通特征(孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质)是不同的,三种主要类型的含水介质比较:
连通性—孔隙介质最好,其它较差
空间分布—孔隙介质分布最均匀,裂隙不均匀,溶穴极不均匀
孔隙大小均匀,裂隙大小悬殊,溶穴极悬殊
空隙比率—孔隙介质最大,裂隙最小
空隙渗透性—孔隙介质-各向同性,裂隙与溶穴-各向异性造成
空隙介质上述差异的主要原因:
沉积物形成和空隙形成的环境
思考题:
1.什么叫孔隙度?
孔隙度大与孔隙大有区别吗?
2.坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点?
(可以通过查阅资料和文献回答)
3.试总结砂砾类土体的孔隙形状特点
2.2岩石空隙中水的存在形式
存在形式:
气态、固态、液态
设想实验:
材料(玻璃珠子、细管)+水(水杯)
(1)2个玻璃珠子之间滴上几滴水,接触部位就会有所残留水
(2)在饱水试样中取1颗和2个颗粒,颗粒和颗粒孔隙间的水?
(3)将玻璃细管插入水中,取出,管中残留水?
通过上述3例及图示→空隙中水的存在形式:
结合水——(absorbedwater,boundwater)
重力水——(gravitationalwater;
bulkwater)
毛细水——(capillarywater)
一、结合水(absorbedwater,boundwater)
1.定义
附着于固体表面,在自身重力下不能运动的水即结合水具有一定的抗剪强度
抗剪强度的产生与大小与什么有关
表面引力—服从库仑定律,随固体表面的距离加大而减弱
(1)性质:
结合水具有固态和液态水的双重性质;
即自身重力作用下不能运动,在外力作用下能够移动(运动)及变形
(2)意义:
只要有固相表面就存在结合水,存在范围广,其量很小(结合水膜很薄),当孔隙直径小于2倍结合水膜厚度时,孔隙中只含有不能自由运动的结合水(又称无效空间)
2.强结合水和弱结合水
(1)强结合水(吸着水):
厚度:
几个水分子或几百个水分子,受到的引力:
1万个大气压。
(2)弱结合水(薄膜水):
几十、几百或几千个水分子厚度。
二、重力水
重力水(gravitationalwater;
bulkwater)
远离固相表面,水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱,主要受重力影响。
重力影响下可以自由运动
◆无重力作用下水的存在?
如在太空中瓶中的水分布—受表面吸引的作用液态水的特征
◆地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水,就可以通过泉,或井流出(抽出)
◆重力水是水文地质学研究的主要对象,也是勘察的主要对象
三、毛细水
毛细水(capillarywater)
1、基本概念
◆毛细现象:
①根据细小管插入水中,水上升至一定高度停下来
◆毛细力:
毛细水:
受到表面吸引力,重力,还有另一种力—称毛细力的作用,产生毛细现象。
(1)毛细力的产生:
是在三相界面上内弯液面引起——液面弯曲产生的
(2)毛细力的方向:
作用方向始终指向弯曲液面的凹侧
●凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的
●凹形弯液面—负的毛细压强(negative)---如同真空吸力
●凸形弯液面—正的毛细压强(positive)
(3)毛细力的大小:
毛细力大小与弯液面的曲率成正比(曲率大,毛细力大;
曲率小,毛细力小)。
一根毛细管子,管径越小,毛细力越大;
反之亦然
毛细力大,毛细上升高度也越大。
2、毛细水的存在形式(statesforms)
在岩石空隙中,毛细水的存在形式可分为三种:
(1)支持毛细水(supportingcapillarywater)
在地下水面支持下存在的(附着水面上的),随地下水升降而升降。
上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关
(2)悬挂毛细水(suspensioncapillarywater)
脱离水面,岩石细小孔隙中保留的水分,称为悬挂毛细水。
上粗下细或上细下粗砂砾试样的例子。
悬挂毛细水的高度
思考:
一个等径园管,如果支持毛细水高度为hc,悬挂毛细水高度?
(3)孔角毛细水(触点毛细水)(cornerwater,contiguitywater?
)
孔角毛细水与悬挂毛细水是不同——?
悬挂毛细水似串珠状且连续分布的,孔角毛细水是孤立的
2.3岩石的水理性质
岩石(包括骨架与空隙在内的总称)
水理性质:
就水文地质学主要涉及是与水分储容、释出与运移有关的性质包括:
一、容水度和孔隙度(porosity)(反映岩石最大含水能力)
孔隙度——n;
容水度——nr?
两者有何关系
⏹岩石完全饱水时,所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比
二、含水量(watercontent)__w
⏹岩石样实际保留水分的状况,(是某岩样某时的含水状态)又称岩石的天然含水量
1.重量含水量:
松散岩石中孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比值。
2.体积含水量:
含水的体积与包含孔隙在内的岩石体积的比值。
3.饱和差:
岩石容水度和体积含水量之间的差值。
4.饱和度:
体积含水量与容水度之比成为饱和度。
三、持水度(specificretention)__Sr
岩石的持水能力——最大保持水分的能力
⏹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总体积之比
四、给水度
1、定义:
当地下水位下降一个单位高度时,单位水平面积岩石柱体,在重力作用下释放出来的水体积,称为给水度。
当水位下降一个单位,土层孔隙中是否所有的水都流出来?
在土层中会保留什么形式的水?
结合水(膜),孔角毛细水,有时悬挂毛细水与支持毛细水
2.影响因素:
(1)岩性:
空隙大的岩石,给水度大
●砾>粗砂>…>粉砂——(与粒径有关)
●Ø
颗粒细小者,比表面积大,结合水与孔角毛细水残留多
(2)地下水位初始埋深(H0)
当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时H0>>hc,可达最大μ值
●H0<<hc时,地下水位下降1个高度时,原重力水大多转化为支持毛细水,土层给水量大大降低,μ变小。
●土层含水量曲线分析:
当水位埋深足够大时,土层给水度不发生变化(为定值),此时给水度—也是最大理论给水度
(3)与地下水位下降速度有关
地下水位下降快慢会影响到μ的大小——(下降快μ<
μ理、下降慢μ→μ理),这是因为释水滞后,而导致的释水减量
(4)土层结构
●岩土层为层状非均质土时,往往会影响μ值,
●多层状土的特征而言,上粗下细,上细下粗结构影响是不同的。
五、透水性(permeability)——(先自学一下)
●反映岩土透过水的能力
●后续讲“地下水的运动”时再讨论
●岩石空隙直径越大—透水能力越强—透水性越好!
2.4包气带与饱水带
一、包气带与饱水带的划分
地下水面(水位):
地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满,形成一个自由水面,以海拔高度表示称之地下水位(一般通过打井,地下开挖来确定)
二、包气带
包气带(zoneofaerationorzoneofunsaturation)
1.特点:
①岩石空隙未被水充满
②是固、液、气三相介质并存介质
2.水的存在形式(多样)
结合水、毛细水(各种)、重力水、气态水
3.包气带水的垂直分带
土壤水带,
中间带(过渡带)
支持毛细水带,毛细饱和水带
包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道;
“重力水”通过包气带获得降水、地表水的入渗补给(补充),部分水又通过包气带将水分传输,蒸发,消耗出去。
三、饱水带
饱水带(saturationzone)
1.岩石空隙被水完全充满→是二相介质(固相+液相水)
2.空隙中水的存在形式:
①重力水;
②结合水
◆重力水:
连续分布(孔隙是连通)→传递压力→在水头差作用下,地下水(空隙中的水)可以连续运动。
◆地下开挖,坑道,巷道,基坑,打井在此带均有重力水涌出来!
2.5含水层和隔水层
一、基本概念
饱水岩层中,根据岩层给水与透水能力而进行的划分
1.含水层(Aquifer):
是能够透过并给出相当数量水的岩层—各类砂土,砂岩等
2.隔水层(Aquifuge):
不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层——裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土(致密)
3.弱透水层(Aquitard):
渗透性很差,给出的水量微不足道,但在较大水力梯度作用下,具有一定的透水能力的岩层——各种粘土,泥质粉砂岩
二、概念的相对性
定义中的模糊概念—“相当水量,微不足道,较大水力梯度”等
严格的“是与非”的逻辑思维,在很多情况下是相对的和模糊的概念相对性的意义:
1.从实际应用角度来看划分的相对的性——相当水量满足需要就可以了。
如在某处一口井出水量80m3/d,作为1万人的供水,非含水层;
作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。
又如一个小泉水流量0.11/s≈8.6m3/d,大厂——非,村用——是。
2.从理论意义来看——微不足道
微不足道,有时空尺度的制约
三、含水系统
含水系统—Groundwateraquifersystem
1.地下水含水系统:
是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的,具有统一水力联系的含水岩系
2.含水系统:
包含多个含水层和弱透水层,或局部隔水层
3.含水系统:
可以进行子系统划分
4.含水系统的定义是从大的空间尺度研究含水层、隔水层、与弱透水层的组合关系,是从地质成因角度对岩层的水文地质特征进行划分的分析方法(或给出的概念)
2.6地下水的分类
1.广义地下水:
地表以下岩石空隙中的水(包气带、饱水带中的水)
2.狭义地下水:
地表以下饱水带岩层空隙中的水—重力水
3.地下水分类:
主要依据——含水介质的类型(赋存空间)
埋藏条件(赋存部位)
v表3-1含水介质三类,埋藏三分,组合共分为9类
4.地下水分类
2.7潜水与承压水及上层滞水
一、潜水与潜水含水层
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