地質(zhì)水文學(xué)

水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)是：由研究天然狀態(tài)下的地下水轉(zhuǎn)向人類(lèi)活動(dòng)影響下的地下水；由局限于飽水帶含水層，擴(kuò)展到包氣帶及“隔水層”；由研究地球淺部地下水，擴(kuò)展到深層地下水。同時(shí)，對(duì)裂隙水與巖溶水的運(yùn)動(dòng)、黏性土的滲透理論和包氣帶鹽分、地下水溶質(zhì)、污染物的運(yùn)移機(jī)理與計(jì)算方法以及滲透場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合環(huán)境下地下水的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題等的研究有較大發(fā)展。

水文地質(zhì)學(xué)是一門(mén)研究地下水的科學(xué)。具體地說(shuō)，它是研究地下水的賦存條件、形成條件、水量和水質(zhì)時(shí)空的變化規(guī)律、水資源開(kāi)發(fā)利用以及水與環(huán)境關(guān)系的一門(mén)科學(xué)。

隨著水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展，它的研究?jī)?nèi)容越來(lái)越廣泛，其主要研究對(duì)象可歸納為以下六個(gè)方面：

地質(zhì)水文學(xué)地下水的賦存條件

地下水和地表水最大的差別是地下水賦存于巖石的空隙中。因此，要了解地下水的賦存條件(或者說(shuō)埋藏、分布規(guī)律)，就必須研究巖石的時(shí)代、成因、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)、產(chǎn)出狀態(tài)、分布范圍、空隙性及構(gòu)造破壞程度與次生改造作用等基礎(chǔ)地質(zhì)條件；

地質(zhì)水文學(xué)地下水資源形成條件及運(yùn)動(dòng)特征

即研究地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件，以及地下水在天然和人為作用條件下的運(yùn)動(dòng)特征與地下水資源評(píng)價(jià)方法；

地質(zhì)水文學(xué)地下水的水質(zhì)

地下水的水質(zhì)包括物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)兩方面。在地下水的物理性質(zhì)方面，從早期的單純對(duì)水溫、色、嗅、昧等方面的研究，已擴(kuò)展到對(duì)地下水放射性、地下水形成年齡等方面的深入研究。在地下水的化學(xué)性質(zhì)方面主要研究地下水中的化學(xué)組分和微生物組分、水化學(xué)形成作用及人為活動(dòng)對(duì)地下水質(zhì)的影響；

地質(zhì)水文學(xué)地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律

地下水和其他地質(zhì)礦產(chǎn)最大的區(qū)別之一，即是地下水的質(zhì)與量均隨著時(shí)間而變化。因此，為揭示地下水的形成條件和更好地利用地下水資源并防治其有害作用，研究地下水的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律便是地下水研究的主要內(nèi)容之一；

地質(zhì)水文學(xué)地下水與環(huán)境的相互關(guān)系

由于地下水是地球環(huán)境不可分割的組成部分，因此必須研究地下水和環(huán)境之間的相互作用，包括地下水的存在和活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的以及地下水在人類(lèi)活動(dòng)影響下所導(dǎo)致的種種環(huán)境問(wèn)題和工程安全問(wèn)題；

地質(zhì)水文學(xué)地下水資源的開(kāi)發(fā)利用、保護(hù)與科學(xué)管理

即研究人類(lèi)在開(kāi)發(fā)利用地下水資源的同時(shí)，又能使地下水資源的再生能力和水質(zhì)狀態(tài)得到保護(hù)與改善，并取得最大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

水文地質(zhì)學(xué)（hydrogeology）是研究地下水的數(shù)量和質(zhì)量隨空間和時(shí)間變化的規(guī)律，以及合理利用地下水或防治其危害的學(xué)科。它研究在與巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈以及人類(lèi)活動(dòng)相互作用下地下水水量和水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律以及如何運(yùn)用這些規(guī)律興利除害。

水文地質(zhì)學(xué)研究地下水的分布、埋藏、補(bǔ)給、徑流和排泄條件、水量、水質(zhì)形成與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地貌以及氣候關(guān)系。具有統(tǒng)一邊界和補(bǔ)給、徑流、排泄條件的地下水系統(tǒng)稱水文地質(zhì)單元。它是合理地評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)、保護(hù)地下水資源以及水庫(kù)可行性研究和建筑地基、煤礦等的重要資料和依據(jù)。（劉延愷主編,北京水務(wù)知識(shí)詞典,中國(guó)水利水電出版社,2008.3,第4頁(yè)）

關(guān)于水文地質(zhì)學(xué)的零星知識(shí)，起源很古。 人們?cè)谶h(yuǎn)古時(shí)代就已打井汲水。中國(guó)最古老的水井是浙江余姚河姆渡古文化遺址水井，為方形木結(jié)構(gòu)，距今約5 700年。古波斯時(shí)期，在德黑蘭附近修建的坎兒井最長(zhǎng)達(dá)26 km，距地表深約150m。公元前250年中國(guó)四川為采汲地下鹵水而開(kāi)鑿的自流井，深達(dá)百米以上。這些都說(shuō)明古代打井技術(shù)和對(duì)地下水的認(rèn)識(shí)，均已達(dá)到相當(dāng)高的水平。隨后法國(guó)帕列西、中國(guó)明代徐光啟、法國(guó)馬奧特先后提出了井泉之水均來(lái)源于大氣降水或河水滲入的設(shè)想。

將地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律用數(shù)學(xué)式表達(dá)，始于1856年法國(guó)水利學(xué)家達(dá)西，通過(guò)滲透試驗(yàn)得出的線性滲透定律——達(dá)西定律，奠定了水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)。1863年法學(xué)者裘布依提出在緩變流情況下，計(jì)算潛水流可忽略垂向分速度的概化假設(shè)(參見(jiàn)裘布依假設(shè))，并導(dǎo)出地下水流向井運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定流公式，發(fā)展和完善了地下水的穩(wěn)定流理論。

20世紀(jì)初，對(duì)地下水的起源提出了一些新學(xué)說(shuō)。1902年奧地利學(xué)者鳩斯提出初生說(shuō)，認(rèn)為地下水來(lái)源于巖漿的冷凝。1908年美國(guó)人萊恩及戈登和俄羅斯學(xué)者安德霍索夫分別提出沉積說(shuō)，認(rèn)為自然界存在與含水巖石同時(shí)形成于沉積盆地的地下水，兩者年齡一致，并把這種水命名為沉積水。1921年德國(guó)人凱爾哈克提出了地下水與泉的分類(lèi)。1923年美國(guó)邁因策爾對(duì)美國(guó)的地下水作了總結(jié)性描述，并于1928年提出了承壓含水層的彈性和壓縮性。1935年美國(guó)泰斯總結(jié)了文策爾等人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮了承壓含水層的彈性和壓縮性，利用熱傳導(dǎo)過(guò)程的相似性，導(dǎo)出了地下水流向井的非穩(wěn)定流公式(參見(jiàn)泰斯公式)。到20世紀(jì)中葉，前蘇聯(lián)學(xué)者奧費(fèi)琴尼科夫和美國(guó)懷特在水文化學(xué)方面，作了許多貢獻(xiàn)。至此，地下水在起源、運(yùn)動(dòng)、化學(xué)成分變化及水量評(píng)價(jià)等方面，均有較為系統(tǒng)的理論和研究方法，水文地質(zhì)學(xué)已發(fā)展成為一門(mén)成熟的學(xué)科。

進(jìn)入20世紀(jì)中葉，由于生產(chǎn)力的發(fā)展及人類(lèi)生活的需要，合理開(kāi)發(fā)、科學(xué)管理與保護(hù)地下水資源和環(huán)境方面的問(wèn)題，日益引起重視。1946年以來(lái)，美國(guó)博爾頓和紐曼分別導(dǎo)出了完整井的非穩(wěn)定流計(jì)算公式。1956年斯列克特觀測(cè)到水質(zhì)運(yùn)移過(guò)程中的彌散現(xiàn)象。此后，對(duì)地下水溶質(zhì)和濃度運(yùn)移研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。20世紀(jì)70年代，地下水管理問(wèn)題提到日程，有限元法、有限差分法及邊界元法等數(shù)值方法日益廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)計(jì)算中，此外，砂槽、窄縫模擬和電網(wǎng)絡(luò)模擬等物理模擬方法，也廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)研究。20世紀(jì)60年代以來(lái)，加拿大托特提出的地下水系統(tǒng)理論，為水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展開(kāi)拓了前景。

20世紀(jì)80年代，同步發(fā)生的兩個(gè)重要事件——地球系統(tǒng)科學(xué)時(shí)代的來(lái)臨與地下水流系統(tǒng)理論的完善，意味著當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)時(shí)期的來(lái)臨。

當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)具有以下特點(diǎn)：

（1）核心課題轉(zhuǎn)移：找水水文地質(zhì)學(xué)—資源水文地質(zhì)學(xué)—生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)；

（2）研究視野擴(kuò)展：含水層的局部—整個(gè)含水層—含水系統(tǒng)及地下水流系統(tǒng)—生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)—技術(shù)—社會(huì)系統(tǒng)；

（3）研究目標(biāo)改變：由局部性的當(dāng)前問(wèn)題，轉(zhuǎn)向全局性可持續(xù)發(fā)展的課題，轉(zhuǎn)向構(gòu)建人與自然協(xié)調(diào)的、良性循環(huán)的地下含水系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質(zhì)工程系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)以及地質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)等；

（4）研究?jī)?nèi)容擴(kuò)展：從地下水的水量研究為主，轉(zhuǎn)向水量與水質(zhì)的研究并重；從狹義地下水(飽水帶水)的研究，擴(kuò)大到廣義地下水(含飽水帶與包氣帶水)，乃至地下水圈的研究；

（5）研究思路的改變：以現(xiàn)象的規(guī)律為主，轉(zhuǎn)向以機(jī)理為主的研究；

（6）多學(xué)科交叉滲透成為主流：傳統(tǒng)意義上的水文地質(zhì)學(xué)正在消亡，地下水科學(xué)與其他自然科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)交叉滲透，正在成為主流；

（7）多技術(shù)手段的應(yīng)用：計(jì)算機(jī)硬件及軟件、遙感技術(shù)、同位素方法、地理信息系統(tǒng)等的引入，以及向工程方向擴(kuò)展，增強(qiáng)了水文地質(zhì)學(xué)解決實(shí)際與理論問(wèn)題的能力；

（8）學(xué)科性質(zhì)的轉(zhuǎn)變：由單純的應(yīng)用性學(xué)科分支，轉(zhuǎn)變?yōu)榈厍蛳到y(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用性分支以及理論性基礎(chǔ)學(xué)科分支。

作為一個(gè)正在迅猛發(fā)展的學(xué)科，當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)還存在一系列有待解決的課題。2100433B

《水文學(xué)與水文地質(zhì)》根據(jù)高等學(xué)校給排水科學(xué)與工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)教學(xué)大綱的要求，將“水文學(xué)”與“供水水文地質(zhì)”兩門(mén)課程融合，包括了緒論，水文循環(huán)與徑流形成，水文統(tǒng)計(jì)基本原理與方法，年徑流與洪、枯徑流分析計(jì)算，降水資料的收集與整理，小流域暴雨洪峰流量的計(jì)算，地下水的系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)及地下水運(yùn)動(dòng)共8章內(nèi)容，講授與城市取水和排水有關(guān)的水文學(xué)和水文地質(zhì)知識(shí)，使學(xué)生了解水文現(xiàn)象和地下水的基本特點(diǎn)，掌握水文學(xué)與水文地質(zhì)的基本原理。

《水文學(xué)與水文地質(zhì)》適合土木、水利、環(huán)境等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

水文學(xué)水的出現(xiàn)

地球表層的水由地球內(nèi)部逸出，經(jīng)過(guò)約35億年的積聚和演變，逐漸形成今天的水圈。水圈的形成不僅改變了巖石圈的面貌，使大氣圈中的現(xiàn)象變得復(fù)雜多樣，而且導(dǎo)致生物圈的出現(xiàn)。因此，水的出現(xiàn)和水圈的形成，是地球自然歷史中最重大的事件。

水文學(xué)研究領(lǐng)域

水文學(xué)的研究領(lǐng)域十分寬廣。從大氣中的水到海洋中的水，從陸地表面的水到地下水，都是水文科學(xué)的研究對(duì)象；水圈同大氣圈、巖石圈和生物圈等地球自然圈層的相互關(guān)系，也是水文學(xué)的研究領(lǐng)域；水文科學(xué)不僅研究水量，而且研究水質(zhì)，不僅研究現(xiàn)時(shí)水情的瞬息動(dòng)態(tài)，而且探求全球水的生命史，預(yù)測(cè)它未來(lái)的變化趨勢(shì)。

陸地上的水量雖然只約占全球總水量的3.5%，但淡水幾乎都分布在陸地。整個(gè)人類(lèi)生活在陸地，最復(fù)雜的水文過(guò)程也發(fā)生在陸地，因此對(duì)陸地上的水的研究尤其受到人們的重視。陸地水文學(xué)是水文科學(xué)的主要組成部分。有關(guān)海洋和大氣中的水文知識(shí)，現(xiàn)已分別歸入海洋學(xué)和大氣科學(xué)的范疇里了。

水文學(xué)學(xué)科內(nèi)容

水文學(xué)與氣象學(xué)、海洋學(xué)、地質(zhì)學(xué)、自然地理學(xué)等學(xué)科關(guān)系密切。廣義的水文學(xué)可分為水文氣象學(xué)、海洋水文學(xué)和陸地水文學(xué)。水文氣象學(xué)主要研究大氣中水汽的變化規(guī)律，包括大氣中的水循環(huán)和水量平衡，以蒸發(fā)、凝結(jié)、降水為主要方式的大氣與下墊面的水分交換，是水文學(xué)與氣象學(xué)的邊緣學(xué)科。海洋水文學(xué)主要研究海洋的水文現(xiàn)象，包括波浪、潮汐和海流等，屬海洋學(xué)的內(nèi)容之一。陸地水文學(xué)主要研究陸地上各種水體的水文現(xiàn)象和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要和研究工作的深入，已形成河流水文學(xué)、湖泊水文學(xué)、冰川水文學(xué)、地下水水文學(xué)等分支。陸地水文學(xué)中直接為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等生產(chǎn)部門(mén)服務(wù)的內(nèi)容稱為應(yīng)用水文學(xué)。狹義的水文學(xué)通常指陸地水文學(xué)和應(yīng)用水文學(xué)。

水文學(xué)研究方法

概括為：①成因分析法。即以收集水文站網(wǎng)的大量實(shí)測(cè)資料及室內(nèi)試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，研究水文現(xiàn)象的形成過(guò)程、物理機(jī)理和相互關(guān)系，建立水文現(xiàn)象與影響因素的定量關(guān)系或水文模型。②數(shù)理統(tǒng)計(jì)法。水文現(xiàn)象兼有確定性和隨機(jī)性，可以把某些水文現(xiàn)象看作隨機(jī)事件，用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理和方法，對(duì)某些水文現(xiàn)象進(jìn)行頻率分析，推求各種頻率(或重現(xiàn)期)的水文數(shù)據(jù)。③地區(qū)分析法。氣候與自然地理?xiàng)l件具有地區(qū)性分布的特點(diǎn)，水文現(xiàn)象也有一定程度的地區(qū)相似性，因此可研究水文要素分類(lèi)和分區(qū)的特征值或建立區(qū)域性經(jīng)驗(yàn)公式，或繪制各種特征值等值線圖和分區(qū)圖。

本書(shū)是高等院校給排水專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)教材，按60學(xué)時(shí)編寫(xiě)。

本教材是為適應(yīng)給排水專業(yè)本科教育實(shí)行“大土木”的教學(xué)指導(dǎo)方針，結(jié)合“水文學(xué)”和“供水水文地質(zhì)”兩門(mén)課的教學(xué)大綱編寫(xiě)的。編寫(xiě)本教材的拓寬專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)面，精減內(nèi)容，注重學(xué)生基本知識(shí)、基本理論的掌握和基本技能的培養(yǎng)。

本書(shū)將“地質(zhì)學(xué)”、“水文學(xué)”和“供水水文地質(zhì)”的關(guān)內(nèi)容有機(jī)地融為一體，形成完整的課程體系。此外，隨著生活水平的提高和生產(chǎn)的發(fā)展，開(kāi)采地下水引起的環(huán)境問(wèn)題日趨明顯，故本書(shū)有意增補(bǔ)了地下不開(kāi)采的負(fù)環(huán)境效應(yīng)及防治的有關(guān)內(nèi)容。

全書(shū)共八章。第一章為地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)，是沒(méi)有學(xué)過(guò)地質(zhì)學(xué)相關(guān)知識(shí)的給排水專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“供水水文地質(zhì)”的預(yù)備基礎(chǔ)；第二章為水文學(xué)基礎(chǔ)，考慮不與“水文學(xué)與橋涵水文”課內(nèi)容重復(fù)，本書(shū)只安排與地下水的形成、運(yùn)動(dòng)有關(guān)的部分水文學(xué)內(nèi)容；第三章為地下水的形成；介紹地下水的起源、形成過(guò)程、埋藏分布規(guī)律等水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)；第四章為地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)成分，是結(jié)合最新的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)的；第五章為地下水的運(yùn)動(dòng)，是供水和排水設(shè)計(jì)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)；第六章為地下水的賦存條件及分布特征，介紹地下水埋藏和分布的規(guī)律性；第七章地下水開(kāi)采的負(fù)環(huán)境效應(yīng)及防治；第八章為供水水文地質(zhì)勘察，介紹供水水文地質(zhì)勘察方法