4-水文地质学

第四部分：水文地质学

一、地下水

（一）了解地下水赋存空间的特征

广泛埋藏于地表以下的各种状态的水，统称为地下水。大气降水是地下水的主要来源。

地下水是一个庞大的家庭。据估算，全世界的地下水总量多达1.5亿立方公里，几乎占地球总水量的十分之一，比整个大西洋的水量还要多！

地下水与人类的关系十分密切，井水和泉水是我们日常使用最多的地下水。不过，地下水也会造成一些危害，如地下水过多，会引起铁路、公路塌陷，淹没矿区坑道，形成沼泽地等。同时，需要注意的是：地下水有一个总体平衡问题，不能盲目和过度开发，否则容易形成地下空洞、地层下陷等问题。

赋存在地下岩土空隙中的水。含水岩土分为两个带，上部是包气带，即非饱和带，在这里，除水以外，还有气体。下部为饱水带，即饱和带。饱水带岩土中的空隙充满水。狭义的地下水是指饱水带中的水。地下水可开发利用，作为居民生活用水、工业用水和农田灌溉用水的水源。地下水具有给水量稳定、污染少的优点。含有特殊化学成分或水温较高的地下水，还可用作医疗、热源、饮料和提取有用元素的原料。在矿坑和隧道掘进中，可能发生大量涌水，给工程造成危害。在地下水位较浅的平原、盆地中，潜水蒸发可能引起土壤盐渍化；在地下水位高，土壤长期过湿，地表滞水地段，可能产生沼泽化，给农作物造成危害。

地下水中分布最广的是钾、钠、镁、钙、氯、硫酸根和碳酸氢根 7 种离子。地下水中各种离子、分子和化合物的总量称总矿化度，总矿化度小于1克／升的，称淡水，1～3克／升的，称微水，3 ～10克／升的，称咸水，10～50克／升的，称盐水，大于 50 克／升的，称卤水。地下水中钙、镁、铁、锰、锶、铝等溶解盐类的含量称硬度，含量高的硬度大，反之硬度小。

绝大多数地下水的运动属层流运动。在宽大的空隙中，如水流速度高，则易呈紊流运动。地下水主要有降水入渗、灌溉水入渗、地表水入渗补给，越流补给和人工补给。在一定条件下，还有侧向补给。地下水的排泄主要有泉、潜水蒸发、向地表水体排泄、越流排泄和人工排泄。泉是地下水天然排泄的主要方式。

（二）了解地下水的形成与分布

（三）熟悉地下水的埋藏类型

根据埋藏条件可把地下水分为包气带水、潜水和承压水。

包气带水指潜水面以上包气带中的水，这里有吸着水、薄膜水、毛管水、气态水和暂时存在的重力水。包气带中局部隔水层之上季节性地存在的水称上层滞水。

潜水是指存在于地表以下第一个稳定隔水层上面、具有自由水面的重力水。它主要由降水和地表水入渗补给。

承压水是充满于上下两个隔水层之间的含水层中的水。它承受压力，当上覆的隔水层被凿穿时，水能从钻孔上升或喷出。按含水空隙的类型，地下水又被分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。孔隙水是存在于岩土孔隙中的地下水，如松散的砂层、砾石层和砂岩层中的地下水。裂隙水是存在于坚硬岩石和某些粘土层裂隙中的水。岩溶水又称喀斯特水，指存在于可溶岩石（如石灰岩、白云岩等）的洞隙中的地下水。

（四）了解地下水物理性质和化学成分

参见<水文地质学基础>p42-

参见<水文地质学基础>p57-

参见<水文地质学基础>p75-

二、水文学原理

（一）了解水体的水文特征及其基本变化规律

1、水循环与水平衡

2、河流的补给、径流、地下水以及河口水文

河口水文：入海河流中径流与潮流相互作用下的水文现象。河口有广义、狭义之分，广义的河口，指海洋动力作用消失的潮区界，至河流动力作用消失的汛期淡水外界之间的区域。狭义的河口，则指枯水季节最大潮流界至洪水季节小潮时海水所至之处，这是河流水动力和海洋水动力相互作用最明显的地带。河口一般都有肥沃的三角洲，也是河口水文研究的重点区域。此外，入湖河口、入库河口和支流河口的水文现象虽也各具特色，但较入海河口要简单。

（二）了解水资源开发与保护

1、我国水资源概况

2、水资源系统基本理论

水资源系统特征及分类

2.1水资源系统特征

水资源系统是由相互联系相互作用若干要素组成的具有一定功能的影响水资源的整体。水资源系统概念是系统的概念在水资源中的具体应用，因此，水资源系统具有系统所具有的普遍特征，如集合性、整体功能性、可变性等，除此之外，水资源系统有其自身的特征，主要表现在以下几个方面：

（1）持续性 :水资源系统是动植物生存不可缺少的系统之一，人类为了可持续发展，必须通过各种方式维护水资源系统的相对稳定性，适应人类自身的生存和发展。代际因素必须纳入这个系统之中，这不仅仅是伦理问题，也是人类延续的需要。水资源系统的持续性，如果没有人的干预，总是沿着自身的轨道不断演替下去。由于人类对水资源系统的干预手段和强度不断加强，水资源系统的可持续性受到干扰，必须投入一定人力、物力和财力才能维护水

资源系统的可持续性。维护良好的水资源系统的稳定性，对人类的发展和经济的持续增长是十分必要的。

（2）自然属性 :水资源系统的自然属性是由水的自然属性决定的。降水，径流，地下水，土壤水，蒸发等，都是一个自然过程，无论人类是否干预，干预强度如何，他们都是客观存在的，不以人的意志为转移的。水资源系统的自然属性，要求我们认识其自然规律，充分尊重和利用它，建立人与自然和谐相处的新的伦理道德观。

（3）社会属性 :水资源系统不仅涉及生产力方面，而且也与生产关系密切联系在一起。在水资源开发利用和保护过程中，涉及到各个方面，如“三生”用水（生产用水、生活用水和生态用水）的关系，流域间水资源调配关系等，由此引发各种各样的社会关系的不断调整，水资源系统具有社会属性。水资源系统具有的社会属性提示我们，在水资源开发利用和管理过程中，不能将目光局限在水资源本身，必须从社会的各种角度来探讨水资源问题，否则，对水资源系统研究和利用是不完善的，甚至出现各种问题。

（4）经济属性 :水利是国民经济的基础性战略性产业之一，水资源是国民经济发展不可缺少的物质。长期以来，伴随着国民经济快速增长，对水资源需求不断增加，导致水资源供给难以满足经济发展的需求，制约了经济社会的可持续发展。目前，水资源问题成为制约我国乃至世界国民经济可持续发展重要“瓶颈”。水资源系统所具有的经济属性日益得到体现。（5）脆弱性 :水资源系统具有脆弱性。这种脆弱性主要表现在易污染性等多方面。

2.2水资源本身系统分类

水资源系统分类，是研究和认识水资源系统的基础。根据研究对象、研究目的不同，水资源系统可以分为以下几种：

从水资源分类上来划分：:地表水资源系统、地下水资源系统、土壤水资源系统、非常规水资源系统（降水资源系统、污水资源系统、微咸水水资源系统等）；

从用途上进行划分：农业水资源系统、工业水资源系统、生活水资源系统；

从城市化角度进行划分：城镇水资源系统、农村水资源系统。

3、地表水和地下水调查方法

地表水与地下水调查

3.1 工作底图

调查及测绘底图应采用大于或等于测绘比例尺的地形图和地质图。对于地下水调查，如只有上述比例尺的地形图而无地质图时，应进行综合性地质、水文地质测绘。

3.2 观测路线

水文地质测绘的观测路线，宜垂直岩层(岩体)和构造线走向；或顺河谷、沟谷、地貌形态变化显著和地下水露头较多的方向布置；为追索含水层或地质构造，可沿含水层和构造线走向布置。水文地质点应布置在地质、水文地质有意义的地点，不应平均布置。

3.3 流域基本情况调查

根据调查目的和调查区的实际情况,流域基本情况的调查包括下列内容：

（1）主要河流和其他水体各项几何特征值；

（2）地势、地貌、土壤、植被、地质、水文地质及水土流失资料；

（3）水库、堰、闸、水电站、灌区、抽水站、蓄洪区、跨流域引水、水土保持等各项水工程的名称、位置、数量、规模和建成时间等；

（4）农业、工业、城镇用水资料；

（5）历史的和现有的各类水文气象站网位置和设站观测年月，各项水文气象要素的月、年均值和极值；

（6）历史上发生的较大洪灾、旱灾、涝灾和凌灾的时间、范围、主要地段和受灾损失情况等；

（7）基本站附近国家和有关部门的水准点和设置的位置、等级与校测高程情况等；

（8）水质污染及污染源点和非点状况。

由于建库灌溉或地下水开采等人类活动影响使水文情势和水环境发生显著变化，可进行下列定性调查：

（1）建库灌溉、过量抽地下水引起的地下水位变化、地面下沉及海水入侵的调查；

（2）建库发生的库岸坍塌调查；

（3）建库下游河床发生冲刷和淤积调查；

（4）建库库岸地下水调节水量调查；

（5）河流改道原因及影响调查；

（6）其他水环境变化调查，其中包括荒漠化、盐碱化、都市化、沼泽化等水文调查。

3.4 地表水调查内容

（1）地表水类型、位置、名称、调查点坐标及高程、地表水体的规模。

（2）地表水的流量、水位、水质、水温、含沙量及其动态变化。

（3）河床、湖底的岩性及淤塞情况，岸边岩性及其稳定性。

（4）地表水（包括农田灌溉和污水排放等）与地下水（包括暗河及泉、泉群）的补排关系。

（5）地表水利用现状及其作为人工补地下水的可行性。

3.5 地下水调查内容

（1）调查点（包括井、泉等）的位置、坐标及高程。

（2）泉的出露条件、成因类型和补给来源，测定泉水流量、物理性质和化学成分，搜集或访问泉水动态资料，确定主要泉的泉域范围。

（3）钻孔和水井的类型、深度、井壁结构、井周围地层剖面；测定井孔及泉的出水量、水位、水质（水的物理性质及化学成分）及其动态变化；选择有代表性的水井进行简易抽水试验。

（4）含水层性质、地下水的基本类型、各含水层(组)或含水带的埋藏和分布的一般规律；区域地下水补给、径流、排泄等水文地质条件；初步查明区内地下水化学特征及其形成条件。

（5）地下水开采方式、开采量、用途及开采后出现的问题；初步查明地下水的污染范围、污染程度与污染途径。

3.6 其它调查内容

（1）地貌形态、成因类型及各地貌单元的界线和相互关系，查明地层、构造、含水层的分布、地下水富集等与地貌形态的关系。

（2）地层岩性、成因类型、时代、层序及接触关系，查明地层岩性与地下水富集的关系；

（3）褶皱、断裂、裂隙等地质构造的形态、成因类型、产状及规模，查明褶皱构造的富水部位及向斜盆地、单斜构造可能形成自流水的地质条件，判定断层带和裂隙密集带的含水性、导水性、富水地段的位置及其与地下水活动的关系，确定新构造的发育特点与老构造的成生关系及其富水性。

（4）调查地下水、地表水开采利用情况，搜集水文气象资料，综合分析区域水文地质条件。

4、水资源的质量评价和数量评价方法

5、水资源开发利用产生的环境及保护问题

我国水资源管理亟待加强

水是21世纪制约社会经济可持续发展和生态与环境保护建设的关键性因素。水资源的开发利用不仅在我国具有极其重大的意义,而且也为当今世界各国所重视。水资源问题已成为继石油危机后第二个在全世界引起危机的重大问题。我国受气候条件、地理环境及人为因素的影响,特别是全球气候变暖,许多地区(如西北和华北地区)长期面临着缺水问题的困扰。随着我国社会经济的发展,对水资源开发利用的力度不断加大,城市和工业用水挤占农业用水,农业用水又挤占生态用水,这种状况对生态系统的干扰程度不断提高,产生了与水相关的许多

生态环境问题,再加上水污染和用水浪费的影响,使本来就短缺的水资源状况更是雪上加霜。加强对水资源的科学管理和合理利用,是摆在我们面前的一项紧迫任务。

现状：我国是一个缺水严重的国家。人多水少,水资源时空分布不均,水土资源与经济社会发展布局不匹配,是我国的基本水情。虽然我国淡水资源总量有2.8万亿立方米,占全球水资源的6%,居世界第四位,但人均只有2300立方米,仅为世界平均水平的1/4,人均排名为世界第121位,是人均水资源最贫乏的国家之一。我国现实可利用的淡水资源量为1.1万亿立方米左右,人均可利用水资源量约为900立方米。在上个世纪末,全国600多座城市中,已有400多个城市存在供水不足问题,其中比较严重的缺水城市达110个,全国城市缺水总量为60亿立方米。北京每年缺水10多亿立方米,深圳每天缺水10万立方米。我国水资源分布不均匀,水土资源不匹配。我国北方耕地多(占全国60.5%)但水少(仅占全国16.7%),南方耕地少(占39.5%)水多(占84%),特别是华北平原和辽河流域,人均水资源才300立方米。长江流域及其以南地区国土面积占全国的36.5%,其水资源量占全国的81%;淮河流域及其以北地区的国土面积占全国的63.5%,其水资源量仅占全国水资源总量的19%。北方和西部广大地域呈现水源性缺水,北方人均拥有水量仅有720立方米,为世界人均的1/20,处于极端缺水状态。严重缺水造成了我国黄淮海地区生态环境恶化,出现了包括黄河断流、河湖干枯、地下水位持续下降、地面下沉、海水入浸等一系列生态环境问题。南方虽然降水丰沛,但也已面临水质性贫水。

据测算,目前全国年用水量已达5600亿立方米,用水量已占存水量的一半以上,而且用水量每10年增加1000亿立方米,按此速度发展,我国用水量即将逼近可用储量的容限。水利部预测,到2030年中国人口数量将达到16亿,届时人均水资源量仅为1750立方米。在充分考虑节水情况下,预计用水总量为7000亿至8000亿立方米,要求供水能力比现在增长1300亿至2300亿立方米,全国实际可利用水资源量接近合理利用水量上限,水资源开发难度极大。问题由于我国长期粗放的经济增长方式,导致工业、农业、城市三方面用水量急剧增加,再加上人为对水资源的污染、大量浪费、不合理的开发利用等,导致了本已脆弱的水资源问题日趋严重化。具体说来,我国的水资源利用存在以下问题。

1.水污染。全国有环境监测的43条大小河流, 80%受到不同程度的水污染,其中大江河流经城镇河段占20%,支流污染占60%。全国2800多个湖泊,凡接纳城镇污水的,大多出现了水体富营养化现象。辽河部分水域高锰酸盐指数和氨氮分别超标5倍和3倍,滇池氨氮、总氮和总磷平均浓度分别超过三类水质标准的5.8倍、9.5倍和26.6倍。我国的重工业基地东北地区,在工业发展过程中,环保设施建设被人们所忽视,致使大量的工业污染物

(主要是废水)直接排入江河水体,使松花江、辽河干支流及部分湖泊、水库,甚至江河两岸及近海地区的土壤受到严重污染,不仅地表水,地下水也污染严重。

据监测,目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染,且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能,进一步加剧了水资源短缺的矛盾,对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响,而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。

2.地下水过量开采。地下水过量开采已造成地下水位急剧下降,形成漏斗形状。我国的华北地区就是典型例子。目前全国已形成区域地下水降落漏斗100多处,面积达15

万平方公里。河北平原深层地下水已形成了跨冀、京、津、鲁的环渤海区域地下水降落漏斗。全国有近50个城市由于不合理开采地下水而发生了地面沉降。

3.用水浪费。我国的用水效率不高、用水严重浪费的现象普遍存在。据统计,中国农业用水的有效利用率为40%,而发达国家则达70%以上,“土渠输水、大水漫灌”的农业灌溉方式目前仍在普遍沿用,灌溉用水的一半在输水过程中就渗漏损失了。全国工业用水重复利用率只达到50—60%,而发达国家则已达70—90%。主要工业行业用水水平明显低于发达国家,我国工业万元产值用水量为103立方米,美国为9立方米,日本为6立方米;我国的用水总量和美国相当,但GDP仅为美国的1/8。全国多数城市自来水管网仅跑、冒、滴、漏损失至少达20%,家庭生活用水浪费现象十分普遍。

4.水源缺乏保护。由于过度开发和森林面积覆盖率低下,我国的河流水土保持工作面临着严重问题。据统计全国水土流失面积达367万平方公里。作为我国最重要的水源地———三江源生态环境和长江、黄河整个流域的生态环境是密切相关的。黄河断流现象一年比一年严重,其中重要原因之一是源头地区降水减少。如1997年青海黄河段过境水量较9年前的径流减少了23.2%,而对于三江源生态环境的种种人为破坏现象又加剧了这种影响。

5.饮水安全问题。我国1/2饮用水源地存在一项或两项质量指标超标,已直接影响公众健康。根据全国调查,到2004年底,全国尚有3.23亿农村人口存在饮水不安全问题,其中饮用水氟砷含量超标的有5370万人。饮水不安全,对广大农民身体健康和生产、生活构成严重威胁。一些企业非法向江河湖泊排放有毒有害物质的水污染事故经常发生,导致水质下降,大量水生物死亡,饮用水源受到污染,人民群众的身体健康受到威胁。

对策：水资源是人类赖以生存和发展的基础,也是生态环境的控制因素之一。如何科学合理地管理和利用水资源,是水资源可持续利用的关键。 1.国家制定开发利用水资源的法律法规、方针政策,实现水资源利用的可持续性。

应牢固树立水资源有限的观念,要把节约用水和保护水资源作为两项长期坚持的基本国策。社会经济发展的用水需求不能靠一味扩大供水来满足,必须走提高水资源利用效率的道路,争取用最少的水满足社会经济发展的要求。根据我国的水资源条件,既要选择和发展节水型产业,又要提倡和推行节水型生活方式。通过提高公民对水资源短缺的认识,切实保护和节约用水,始终是我国节水工作的根本所在。应该建立完善的国家法律法规体系,制定国家的水资源保护和利用目标、计划和章程,并加大执法力度与增强监督机制。近年来,我国已经制定了一系列有关水资源保护和利用方面的法律法规条例,如《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国水污染防治法》、《水土保持工作条例》等,但仍然不健全,与此同时,各地方的执法情况也很不平衡,有法不依、执法不严的现象在很多地方极为普遍,因此我们必须以国家、民族的利益为重,改变环境保护有法不依、执法不严的状况,采取得力措施克服地方保护主义对环境执法的干扰,把环境执法落到实处。针对我国水资源南北、东西空间分配不均匀,同一区域又存在年际、年内变化大的问题,国家应该科学制定并积极实施全国水利建设总体规划和大江大河流域规划,与此同时建立跨流域调水和区域内调水工程,缓解北方地区缺水矛盾。如我国在建或已建的南水北调工程、黄河小浪底工程、三峡工程、葛洲坝水利枢纽、引滦入津工程和官厅水库等的建设,都在一定程度上对缓解我国的水资源状况起到重要作用。

2.保护生态环境,满足生态用水。在水资源规划与管理中,需要对生态用水特别关注,以实现区域水资源合理配置。近年来随着人口的增加、经济的发展,人类对水资源开采程度和破坏程度不断增强,水文循环受到严重的扰动,水资源自然循环的途径和通量发生改变,出现一系列水环境问题,如河道断流、水质污染、湿地退化、湖泊萎缩等现象。有些地区在经济,发展中城市和工业用水挤占农业用水,农业用水又挤占生态用水,导致生态环境恶化。区域生态环境恶化,导致生态系统失衡,加速了湿地的消失和退化,我国有不少湿地,因缺水已经变得干旱,湿地生态受到严重破坏。所以,如何进行水资源优化配置,将人类活动控制在生态、资源、环境允许范围内,核心问题就是生态需水量的确定。如干旱半干旱地区,生态环境脆弱,必须确保生态用水,防止灌溉农业的盲目发展和生态的进一步恶化。

3.加强水资源的循环再利用。尽管我国淡水资源贫乏,但水资源浪费在全国仍然是十分普遍的现象,人们日常生活中使用的淡水,有很大一部分水是可以回收再利用的,如洗衣、洗车、洗浴等方面的用水,污染很轻,稍加处理即可作中水回用,但这类用水,往往被白白流掉。许多大城市的发展都面临着水资源短缺和地下水开采严重的问题,这些城市水资源的循环再利用显得尤为重要,中水回收利用系统开发和建设是有效利用水资源的重要途径。中水可以用来冲洗便器、冲洗汽车、绿化和洗洒道路。设置中水回用既可以有效地利用和节约

有限的淡水资源,又可以减少污、废水排放量,还可以缓解城市下水道的超负荷现象,具有明显的社会效益、环境效益和经济效益。 4.建立有助于水资源合理利用的水权水价制度。应在水资源国家所有的前提下,逐步明晰水资源使用权,建立适宜的水权管理和变更制度,以及水价调节机制,为水资源从利用效率低的用户向利用效率高的用户转移提供制度保证。同时,必须改变水价过低的状况,水价应该反映供水成本,但必须防止另一种倾向,即具有垄断地位的供水企业不合理地增大供水成本。应通过引进竞争、建立成本审计制度、实行价格听证等措施,保证水价的合理性,维护用水户的合法权益。

水资源开发利用现状对环境的影响

5.5.1水资源开发利用现状造成的水环境问题主要有以下几项：

1水体污染。

2河道退化、断流，湖泊、水库萎缩。

3次生盐碱化和沼泽化。

4地面沉降、岩溶塌陷、海水入侵、咸水入侵。

5沙漠化。

5.5.2各项水环境问题评价的内容应满足下列要求：

1、分析水环境问题的性质及其成因。

2、调查统计水环境问题的形成过程、空间分布特征和已造成的正面和负面影响。

3、分析水环境问题的发展趋势。

4、提出防治、改善措施。

5.5.3河道退化和湖泊、水库萎缩的水环境问题评价内容还应包括河床变化和湖泊、水库蓄水量及水面面积减少的定量指标；河道断流的水环境问题评价内容应包括河道断流发生的地段及起讫时间。

5.5.4次生盐碱化和沼泽化的水环境问题评价内容还应包括面积、地下水埋深、地下水水质、土壤质地和土壤含盐量的定量指标。

5.5.5地面沉降的水环境问题评价内容应包括：

1、开采含水层及其顶部弱透水层的岩性组成、厚度。

2、年地下水开采量、开采模数、地下水埋深、地下水位年下降速率。

3、地下水位降落漏斗面积、漏斗中心地下水位及年下降速率。

4、地面沉降量及年地面沉降速率。

5.5.6海水人侵和咸水人侵的水环境问题评价内容还应包括：

1开采含水层岩性组成、厚度、层位。

2开采量及地下水位。

3水化学特征，包括地下水矿化度或氯离子含量。

沙漠化的水环境问题评价内容还应包括地下水埋深及植物生长、生态系统的变化。