本书阐述了水文地质学的基本概念和原理。内容包括:地下水的赋存、运动、水化学特征.

作为地壳中分布*广泛的良好溶剂的地下水,在岩石圈化学组分传输中的作用很大。岩

溶、成壤、风化等地质过程中地下水的作用早就被人所熟知。在地下水的参与下,地壳乃至地

幔中的组分迁移,在地下水的排泄带与不同组分地下水的接触带形成矿床。水在岩浆作用、

变质作用、岩石圈的形成与改造,乃至地球演变中所起的作用,正受到人们愈来愈多的注意

〔沈照理等,1985〕。

在油气二次迁移形成油气藏过程中,地下水系统起着关键作用。应用地下水流动系统理

论寻找与勘查油气田,已经提上了议事日程〔Toth,1980〕〔陶一川,1993〕。

地下水还是重要的信息载体。作为应力的传递者,井孔中地下水位的变动,常反映了地

壳的应力变化,因而可以作为预报地震的辅助标志。我们可以根据水化学异常晕圈定隐伏矿

体,可以根据岩石中地下水流动的痕迹去恢复古水文地质条件。地下水及其沉淀物的化学成

分(包括同位素成分)往往可以给我们提供来自地球深部悠久地质年代的信息〔沈照理等,

1985〕。

某些利用地下水及其赋存介质的方面也值得加以注意。其中,*常见的是利用含水介质

储能(如冬天向井灌注冷水储冷以供夏天使用,夏天向井灌注温水以供冬天使用)。目前,国

外已开始从一般的浅层地下水中汲取热量以供家庭取暖。利用极弱渗透性的岩层储存废料

(包括核废料)的试验正在积极进行中。通过灌注-抽汲井组以地下浸滤的方式开采某些金属

矿床已经付诸实施。利用包气带与饱水带进行渗滤循环以改善污染水的水质的试验获得了

成功〔Edworthyetal.1986〕〔гaвич,щвец,1988〕〔张人权,1990〕。

迄今为止,水文地质学的发展大体可以划分为三个时期:1856年以前的萌芽时期,1856

年至本世纪中叶的奠基时期,本世纪中叶至今的发展时期。

萌芽时期:远古人类逐水而居,开始时只是利用地表水与泉水作为供水水源,后来才打

井取用地下水。由逐水而居到凿井取水是人类文明史的一大转折,从此人类活动的范围更为

广阔。在打井取水过程中人类不断积累关于地下水的知识。迄今为止,我国发现*古老的水

井是浙江余姚河姆渡井,成井距今约5700年。河姆渡井虽然深度只有1.35m,但却用200多

根圆木支撑保护,结构精巧〔沈树荣等,1985〕。可以推知,更原始的井出现得还要更早些。至

少在公元前7世纪,亚美尼亚就有了坎儿井〔Biswas,1970〕。坎儿井是一种规模宏大的截取

地下水流并将其传输到用水地点的地下水平廊道,并有竖井通向地面。修建坎儿井之前必须

对地下水的赋存条件有清晰的概念。在公元前约200年的我国汉代,在四川为开采卤水,在

坚硬基岩中开凿了深逾百米的自流井。水文地质学是作为一门实用性的技术科学而萌芽的。

人们在利用地下水的同时也在探究它的来源。法国帕利斯(B.Palissy,1509—1589)、珀

若(P.Perraut,1608—1680)、马里奥特(E.Mari0tt,1602—1684)和中国的徐光启等先后提

出了井泉的水来源与降水或与河水有联系的观点〔王大纯等,1960〕。

奠基时期:欧洲产业革命后,大工业兴起,对水的需求增加,于是就有了计算井的出水量

的要求。这一时期正是近代实验科学兴起的时期。1856年,法国水力工程师达西(H.Darcy,

1803—1858)为设计第戎(Dijon)的供水系统,进行了水透过砂的室内试验,得出水在砂中的

渗透速度与水力梯度的一次方成正比,这就是**的达西定律。达西定律提供了地下水定量

计算的依据,奠定了作为学科分支的水文地质学的基础。1863年,法国人裘布依(A.Dupuit,

1804—1866)提出了地下水稳定井流公式。1886年,奥地利的福希海默(P.Forchheimer,

1852—1933)绘制了地下水流网。1935年,美国人泰斯(C.V.Theis)利用地下水流动与热传

导的相似性,得出了地下水非稳定井流方程——泰斯公式,使地下水定量计算向实用方向

推进了一大步。此时期,地下水计算采用的是只能求解简单条件下地下水流的解析法。本世

纪30年代起怀科夫(R.D.Wyckoff)等以砂槽模拟地下水流。随后又出现窄缝槽模拟地下水

流。马斯卡特(M.Muskat)等根据水流与电流的相似性,提出用电流模拟连续介质中地下水

的运动。这些都属于物理模拟的范畴。

在此期间,人们对地下水的起源提出了一些新的看法。1902年,奥地利的修斯(E.

Suess,1831—1914)提出初生水学说,认为地下水来源于岩浆冷凝时析出的水。后来,因为得

不到证实而逐渐被人们冷落。大致与此同时,美国的兰(A.C.Lane)、戈登(W.C.Gorden),

俄国的安德鲁索夫(N.I.Andrusov)分别提出了埋藏水(沉积水)的存在。这些水是与沉积物

堆积同时存在于岩石孔隙之中的,粘性土固结压密时也可能将水释入周围含水层中。18世

纪德国水文学家福利盖尔反对入渗说,提出了凝结说,认为水汽冷凝为液态水是地下水的主

要来源。后遭反驳而被放弃。1907—1919期间,俄国的列别捷夫通过观测与实验,

在新的基础上恢复了凝结说。

早在公元前一世纪,在利用矿水**时便开始研究地下水的化学成分。我国的李时珍在

《本草纲目》中按成分进行了泉的分类〔沈照理等,1986〕。19世纪,油田地下水的研究积累了

大量水化学资料。1930年,前苏联的伊利茵提出了苏联潜水化学分带规律。随

后,前苏联学者伊格纳托维奇提出了自流盆地的水化学分带。本世纪中

叶,前苏联学者奥弗琴尼科夫建立了水文地质学的一个新分支——水文

地球化学。

1912年,德国人凯尔哈克(K.Keilhock)进行了地下水和泉的分类,总结了地下水的埋

藏条件和排泄条件。本世纪20年代至30年代,美国人迈因策尔(O.E.Meinzer)对美国地下

水作了总结性描述,并对一系列水文地质概念和术语进行了探讨。他还在1923年对于1915

年提出的**抽水量重新下了定义〔柴崎达雄,1982〕,在实质上提出了地下水资源的概念。

由此可见,大致在本世纪中叶,有关地下水赋存、运动、补给、排泄、起源、水化学以及水

量评价等方面,已有了一套比较完整的理论与研究方法,水文地质学已经确立为一门成熟的

学科了。

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,使

得人们对地下水的需求大为增加,人类活动决定性地影响着地下水形成过程。世界各地都出

现地下水水位深降、地下水资源枯竭、地面沉降、海水与咸水入侵淡含水层、地下水污染等问

题。这使人们意识到,地下水不仅是资源,而且还是重要的生态环境因子。在这一新的阶段

中,正确地预测在人类活动干预下地下水的变化,从而正确地评价、开发、管理与保护地下水

资源以及保护与地下水有关的生态环境,成为当务之急。

目录

出版者的话

前言

绪言

**章 地球上的水及其循环

1.1地球上的水

1.2自然界的水循环

1.2.1水文循环

1.2.2地质循环

1.3与水文循环有关的气象、水文因素

1.3.1气象因素

1.3.2径流

1.4我国水文循环概况

第二章 岩石中的孔隙与水分

2.1岩石中的空隙

2.1.1孔隙

2.1.2裂隙

2.1.3溶穴

2.2岩石中水的存在形式

2.2.1结合水

2.2.2重力水

2.2.3毛细水

2.2.4气态水、固态水及矿物中的水

2.3与水的储容及运移有关的岩石性质

2.3.1容水度

2.3.2含水量

2.3.3给水度

2.3.4持水度

2.3.5透水性

2.4有效应力原理与松散岩土压密

2.4.1有效应力原理

2.4.2地下水位变动引起的岩土压密

第三章 地下水的赋存

3.1包气带与饱水带

3.2含水层、隔水层与弱透水层

3.3地下水分类

3.4潜水

3.5承压水

3.6潜水与承压水的相互转化

3.7上层滞水

第四章 地下水运动的基本规律

4.1重力水运动的基本规律

4.1达西定律

4.1.2渗透流速(V)

4.1.3水力梯度(I)

4.1.4渗透系数(K)

4.2流网

4.2.1均质各向同性介质中的流网

4.2.2层状非均质介质中的流网

4.3饱水粘性土中水的运动规律

第五章 毛细现象与包气带水的运动

5.1毛细现象的实质

5.2毛细负压

5.3毛细上升高度与悬挂毛细水

5.4包气带水水分分布及运动

第六章 地下水的化学成分及其形成作用

6.1概述

6.2地下水的化学特征

6.2.1地下水中主要气体成分

6.2.2地下水中主要离子成分

6.2.3地下水中的其它成分

6.2.4地下水的总矿化度及化学成分表示式

6.3地下水的温度

6.4地下水化学成分的形成作用

6.4.1溶滤作用

6.4.2浓缩作用

6.4.3脱碳酸作用

6.4.4脱硫酸作用

6.4.5阳离子交替吸附作用

6.4.6混合作用

6.4.7人类活动在地下水化学成分形成中的作用

6.5地下水化学成分的基本成因类型

6.5.1溶滤水

6.5.2沉积水

6.5.3内生水

6.6地下水化学成分的分析内容与分类图示

6.6.1地下水化学分析内容

6.6.2地下水化学分类与图示方法

第七章 地下水的补给与排泄

7.1地下水的补给

7.1.1大气降水对地下水的补给

7.1.2地表水对地下水的补给

7.1.3大气降水及河水补给地下水水量的确定

7.1.4凝结水的补给

7.1.5含水层之间的补给

7.1.6地下水的其它补给来源

7.2地下水的排泄

7.2.1泉

7.2.2泄流

7.2.3蒸发

7.2.4蒸腾

7.3地下水补给与排泄对地下水水质的影响

第八章 地下水系统

8.1系统概念

8.2地下水系统的概念

8.2.1地下水系统概念的产生

8.2.2地下水系统的概念

8.2.3地下水含水系统与地下水流动系统的比较

8.3地下水含水系统

8.4地下水流动系统

8.4.1地下水流动系统概念的由来

8.4.2地下水流动系统

第九章 地下水的动态与均衡

9.1地下水动态与均衡的概念

9.2地下水动态

9.2.1地下水动态的形成机制

9.2.2影响地下水动态的因素

9.2.3地下水天然动态类型

9.2.4人类活动影响下的地下水动态

9.3地下水均衡

9.3.1均衡区与均衡期

9.3.2水均衡方程式

9.3.3人类活动影响下的地下水均衡

9.3.4地面沉降与地下水均衡

9.3.5大区域地下水均衡研究需要注意的问题

第十章 孔隙水

10.1洪积扇中的地下水

10.2冲积平原中的地下水

10.3湖积物中的地下水

10.4黄土高原的地下水

10.5孔隙含水系统实例分析

第十一章 裂隙水

11.1概述

11.2裂隙水的类型

11.2.1成岩裂隙水

11.2.2风化裂隙水

11.2.3构造裂隙水

11.3裂隙介质及其渗流

11.3.1裂隙及裂隙网络

11.3.2裂隙水流的基本特征

11.4裂隙介质的研究方法

11.4.1等效多孔介质方法

11.4.2双重介质方法

11.4.3非连续介质方法

11.5断裂带的水文地质意义

第十二章 岩溶水

12.1岩溶发育的基本条件与影响因素

12.1.1碳酸盐岩的成分与结构

12.1.2碳酸盐岩、水、二氧化碳体系

12.2岩溶水系统的演变

12.2.1地下水流对介质的改造

12.2.2地下水流动系统与岩溶发育的空间特征

12.3岩溶水的特征

12.3.1岩溶含水介质的特征

12.3.2岩溶水的运动特征

12.3.3岩溶水的补给、排泄与动态

12.4我国南北方岩溶及岩溶水的差异

第十三章 地下水资源

13.1作为资源的地下水

13.1.1地表水与地下水的比较

13.1.2地下水资源概念的演变

13.2地下水资源的特征

13.2.1地下水资源的系统性

13.2.2地下水资源的可调节性

13.2.3地下水资源的可恢复性

13.3地下水资源分类及其供水意义

13.3.1地下水资源分类

13.3.2地下水储存资源及其供水意义

13.3.3地下水补给资源及其供水意义

第十四章 地下水与环境…

14.1生态环境系统的特性

14.2作为环境敏感因子的地下水

14.3过量开发与排除地下水引起的环境退化

14.4过量补充地下水引起的环境退化

14.5过度开发水资源引起环境退化的实例

14.6地下水污染

第十五章 水文地质学研究方法

15.1作为自然历史与人为作用产物的地下水

15.2水文地质学研究的若干方法问题

15.3水文地质学的发展趋向

参考文献