水文地質

《水文地質學》是地質工程專業一門必修的專業基礎課。課程的主要任務是培養大家從水文循環的基本原理出發，獲得水文地質學的基礎知識和基本研究方法，能初步運用所學知識解決工程地質工作中與地下水有關的問題，要求大家掌握地下水形成、分佈和運移規律，地下水的動態與均衡以及水化學相關問題；了解該領域研究狀況及與其他學科的關係。為今後從事與地下水有關的實際工作或科學研究打下基礎。

《水文地質學》是地質學的一個分支，是研究地下水(Groundwater)的一門學科，它是對地質環境中地下水的發生、運動及其水化學特性上的研究。水文地質學研究的是：地下水在與岩石圈、地幔、水圈、大氣圈、生物圈和人類活動相互作用下，其水量與水質在時間和空間上的變化，以及對各圈層產生的影響，從而服務於人與自然相互協調的可持續發展。

水文地質是在工程地質測繪中研究的主要目的，是為研究與地下水活動有關的岩土工程問題和不良地質現象提供資料。例如，興建房屋建築和構築物時，應研究岩土的滲透性、地下水的埋深和腐蝕性，以判明對基礎砌置深度和基坑開挖等的影響。進行尾礦壩與貯灰壩勘察時，應研究壩基、庫區和尾礦(灰碴) 堆積體的滲透性和地下水浸潤曲線，以判明壩體的滲透穩定性、壩基與庫區的滲漏及其對環境的影響。在滑坡地段研究地下水的埋藏條件、出露情況、水位、形成條件以及動態變化，以判定其與滑坡形成的關係。因此水文地質條件也是一項重要的研究內容。

1.概念

地下水（groundwater）：賦存並運移於地下岩土空隙中的水。含水岩土分為兩個帶，上部是包氣帶，即非飽和帶，在這裡，除水以外，還有氣體；下部為飽水帶，即飽和帶，飽水帶岩土中的空隙充滿水。狹義的地下水是指飽水帶中的水。

2．地下水

利害：①分佈廣泛，便於就地開採使用；②潔凈、不易被污染，水質普遍較優；③不佔用地表空間；④動態比較穩定；⑤供水量受氣候變化影響較小，具有較大到調蓄能力等。：①不合理的灌溉可造成次生鹽鹼化；②過量開採，可造成：在沿海地區，海水入侵，水質惡化；地面沉降，使區內建築物失去穩定；不同含水層之間誘發水力聯繫，產生水的混合作用，使水質惡化；岩溶區地面塌陷；③其它，如礦坑涌水、基礎及邊坡的穩定問題等。

功能：①資源（不難理解）；②生態環境因子；③災害因子（乾旱或洪水）；④地質營力（滑坡、泥石流等）；⑤信息載體（找礦等）。

古代：我國是世界上開發利用地下水最早的國家之一，早在相當於我國仰韶文化的母系氏族公社時期，據浙江餘姚河姆渡村遺址發掘推測，距今約5700年前，我們的祖先就已經採用鑿井取水。到了距今2000多年前的春秋戰國時代，隨著生產力的發展，鑿井技術有了進一步提高，在四川自貢一帶已有深達數百米的鹽井，這可算是世界上在岩石中開鑿的首批深井。漢武帝時，在今陝西渭北高塬上修築了我國最早的井渠結合農田灌溉典範“龍首渠”。馳名中外的新疆“坎兒井”，至今仍不失為開發山前傾斜平原地下水的有效措施之一。

我國開發利用地下水資源的現狀：①北方許多城市生活用水的重要水源；②北方乾旱、半乾旱地區（17省市）工農業生產、生活的唯一水源；③南方部分地區也開始利用地下水、並且需求量越來越大；④大的工業基地的建設首先要解決水源問題。

開發利用地下水資源的未來：①實現地下水資源的可持續開發；②加強地下水資源的科學管理；③加強與地下水資源開發有關的環境保護。（當今世界面臨的三大問題：人口、資源、環境）

一些重大研究課題：地下水過量開採的對策；地下水污染防治；相關的環境質量評價。

初期：地下水開發地點分散且數量較少階段，主要進行地下水水源地的勘查，通過勘查論證地下水的開發方案。

中期：地下水處於連片開發，且水源地相互干擾明顯增大的階段，將區域性大面積地下水資源評價列為論證地下水合理開發的重要工作。

後期：地下水需求量與其多年平均補給量相接近，且需求量還在不斷增長的階段，將包括技術管理、政策和法規制定的地下水管理列為支持地下水合理開發的重點工作。同時，還將研究人工回灌補給地下水及地表水、地下水聯合運用等問題，注意加強地下水資源保護，實施地下水系統管理。 3.水文學發展簡史

人類探索除水害、興水利的歷史，猶如人類的文明史那樣悠久。在生產實踐中，特別在與水旱災害的鬥爭中，人類不斷觀測各種水文現象，思考和研究它們的規律，積累起關於水的豐富知識，逐漸形成並不斷發展了水文科學。

水文學源遠流長，經歷了漫長的醞釀時期，而它的飛躍發展則是一個世紀的事。同自然科學的許多學科相似，人們還難以找出公認的里程碑，把水文科學的歷史進程劃分成若干明確的階段。我們只是順著它前進的足跡，大體劃分為：

（遠古至約公元1400年）

在尼羅河、幼發拉底河、恆河和黃河這些古老文化發祥地的遺跡中，我們可以看到這一時期已經開始了原始的水文觀測，最早的水位觀測是在中國和埃及開始的。

約公元前22世紀，中國傳說中的大禹治水，已“隨山刊木”（立木於河中），觀測河水漲落。此後，戰國時李冰設於都江堰的“石人”，隋代的石刻水則，宋代的水則碑等，表明水位觀測不斷進步。

最早的雨量觀測於公元前四世紀首先在印度出現，中國於公元前三世紀的秦代已開始有呈報雨量的制度，到了公元1247年，已有了較科學的雨量器和雨深計算方法，並開始用“竹籠驗雪”以計算平均降雪深度。明代劉天和在治理黃河工作中，已採用手制“乘沙量水器”測定河水中泥沙的數量。

中國古籍《呂氏春秋》中寫道：“雲氣西行云云然，冬夏不輟；水泉東流，日夜不休，上不竭，下不滿，小為大，重為輕，國道也。”提出了樸素的水文循環概念。成書於公元約六世紀初的《水經注》中，記述了當時中國境內1252條河流的概況，成為水文地理考察的先驅。誠然，這些原始的水文觀測和水文知識是膚淺零星的，但已為當時生活和生產提供了重要的水文資料。例如，根據雨量多少決定稅收的多少，根據上游的水位向下游傳遞水情等，標誌著水文科學的萌芽。

（約公元1400～1900年）

歐洲文藝復興帶來的科學思想的解放和科學技術的進步，為水文科學發展成為獨立的學科奠定了基礎。這一時期，水文儀器的發明使水文觀測進入了科學的定量觀測階段。

1663年雷恩和胡克創製了翻斗式自記雨量計，1687年哈雷創製測量水面蒸發量的蒸發器，1870年埃利斯發明旋槳式流速儀，1885年普賴斯發明旋杯式流速儀。這些近代水文儀器使流量、流速、蒸發、降水的觀測達到了相當的精度，利用這些近代水文儀器進行水文觀測的各種水文站陸續出現。

1746年，中國在黃河老壩口設立了全國第一個正規水位站，開始系統觀測水位，並進行報汛。這些成就使水文現象的觀測視野在深度和廣度上空前擴大，為水文科學在理論上的發展創造了條件。

在這一時期，近代水文科學理論開始逐漸形成。1674年佩羅提出了水量平衡的概念，成為水文科學最基本的原理之一；1738年伯努利父子發表水流能量方程，1775年謝才發表明渠均勻流公式；1802年道爾頓建立了研究水面蒸發的道爾頓公式；1856年，達西發表了描述孔隙介質中地下水運動的達西定律；1851年莫萬尼提出了匯流和徑流係數的概念，並發表了計算最大流量的著名推理公式。

這些科學理論的創立，為水文科學在河道水流、蒸發、地下水運動、徑流形成和水文循環等領域的發展奠定了理論基礎，它表明人類對水文現象的認識已由萌芽時期那種膚淺零星的知識，發展到了比較深刻系統的知識。同時也表明，人類對地球上水的運動、變化規律的探索，已發展到以大量觀測事實為基礎，進行假說、演繹和推理，進而建立各理論體系的近代科學方法論。 19世紀末，專門水文研究機構開始出現，一些國家開始出版水文年鑒。弗里西著的《河流水文測驗方法》、福雷爾著的《日內瓦湖湖泊志》、馬略特著的《水的運動》等水文學專著陸續出版。這些著作總結了當時水文觀測和理論研究的成就，標誌著水文科學作為一門近代科學已奠定基礎。

（約公元1900～1950年）

這一時期，水文科學在觀測方法、理論體系和研究領域等方面繼續取得新成就，但它最重要的進展是應用水文學的興起。

進入20世紀，特別是第一次世界大戰以後，大量興起的防洪、灌溉、交通工程和農業、林業乃至城市建設向水文科學提出越來越多的新課題，解決這些課題的方法也由經驗的、零碎的逐漸理論化和系統化，水文科學的應用特色逐漸表現出來。

首先，從1914年到1924年，經過黑曾、福斯特等人的工作，把概率論、數理統計的理論和方法系統地引入了水文科學，使水文變數（如洪峰和洪量）和它出現的機率聯繫起來，為預估工程未來運行時期內可能出現的水文情勢開闢了道路。

接著，從1932年到1938年，謝爾曼、霍頓、麥卡錫、斯奈德等人在產流和匯流計算方面取得開拓性進展，為根據降雨推算洪水開闢了道路。隨後，克拉克、林斯雷等人在單位線、多個水文變數聯合分析和徑流調節的理論、方法等方面發展並豐富了上述內容。

在此期間，水文站在世界範圍內發展成規模宏 大的水文站網系統，這些成就為應用水文學的興起在理論上、方法上和資料條件方面奠定了基礎，並率先形成了它最重要的分支學科——工程水文學。接著，農業水文學、森林水文學、都市水文學也相繼興起。1949年，林斯雷和柯勒、保羅赫斯合著《應用水文學》；同年，姜斯敦和克樂斯合著的《應用水文學原理》、美國土木工程師學會編著的《水文學手冊》等應用水文學專著陸續問世，總結了這一時期的成就，標誌著應用水文學的誕生。應用水文學，以它直接為生產和生活提供多方面服務這一鮮明特徵，獲得迅速發展，成為近代水文科學體系中最富有生氣的分支學科。

（1950～今）

20世紀50年代以來，社會生產規模空前擴大，科學技術進入了新的發展時期，並正在出現新的技術革命，人類改造自然的能力迅速增強，人與水的關係已經由古代的趨利避害，和近代較低水平的興利除害，發展到了現代較高水平的興利除害的新階段。這個新階段賦予水文科學以新的動力和新的特色。

首先，由於人類對水資源的突出需求，水文科學的研究領域正在向著為水資源最優開發利用的方向發展，以期為客觀評價、合理開發、充分利用和保護水資源提供科學依據。

其次，大規模的人類活動對自然水體，進而對自然環境正在產生多方面的影響。研究和評價人類活動的水文效應和這種效應的環境意義，揭示人類活動影響下水文現象的規律，進而探討水文分析的新方法和新途徑，防止人類活動對水文循環的影響朝著不利於人類生存環境的方向發展，這一切正在成為水文科學面臨的新課題。

另外，現代科學技術使獲取水文信息的手段和分析水文信息的方法有了長足的進步。例如，遙感技術的應用，使同時觀測大範圍內的宏觀水文現象成為可能；核技術的應用使人們能夠獲得微觀水文信息；水文模擬方法、水文隨機分析方法、水文系統分析方法，使人們研究水文現象的能力發展到新的水平；尤其是電子計算機的應用，使水文科學從水文觀測到基本規律的研究，由人力和機械操作，發展到以電子計算機為核心的自動化。

水文科學和其他科學之間的邊緣科學正在不斷興起，學科間的空隙逐漸得到填補。同時，人們開始看到，水已成為影響社會發展的重要因素。水在表現它的自然屬性的同時，它的社會屬性也日益表現出來，並逐漸為人們所認識。因此，水文科學將有可能發展成為具有自然科學和社會科學雙重性質的一門綜合性科學。

總的來講，水文學從它所隸屬的學科領域看，作為地球物理科學的一個分支，主要研究地球系統中水的存在、分佈、運動和循環變化規律，水的物理、化學性質，以及水圈與大氣圈、岩石圈和生物圈的相互關係；作為水利學科的重要組成部分，主要研究水資源的形成、時空分佈、開發利用和保護，水旱災害的形成、預測預報與防治，以及水利工程和其他工程建設的規劃、設計、施工、管理中的水文水利計算技術。

水文學開始主要研究陸地表面的河流、湖泊、沼澤、冰川等，以後逐漸擴展到地下水、土壤水、大氣水和海洋水。

①傳統水文學按研究的水體來進行劃分：河流水文學、湖泊水文學、沼澤水文學、冰川水文學、海洋水文學、地下水水文學（水文地質學）、土壤水文學、大氣水文學等。

②由水文學採用的實驗方法，派生出三個分支學科：水文測驗學、水文調查、水文實驗。

③由水文研究內容分為：水文學原理、水文預報、水文分析與計算、水文地理學、河流動力學等。

④作為應用科學，水文學分為：工程水文學、農業水文學、土壤水文學、森林水文學、城市水文學等。

⑤隨新科學、新技術的發展和引進，出現新分支：隨機水文學、模糊水文學、灰色系統水文學、遙感水文學、同位素水文學等。

儘管19世紀已開始使用水文地質學一詞，但到20世紀初科學家Mead才給出這個術語一個廣泛的含義：水文地質學是研究地表以下水的發生與運動。20世紀50年代末期到80年代早期這將近30年的時間裡，水文地質學一下子成熟了，成為地球科學羽翼豐滿的一員。1960年之前，水文地質學主要是地質學家的領域，作為一個自然科學家，對於控制地下水流動的因素和規律，毫無興趣或者知之甚少，任憑差分方程式去加以描述。另一方面，工程師在估算井的單位出水量和總出水量時，只顧得計算，處於岩層“透水”和“不透水”之間的灰域之中，無所適從。

久遠以前直到20世紀50年代，兩種分叉的、幾乎完全獨立的方法，各不相關地沿著平行的路徑研究著地下水；一邊被科學家好奇心所驅使；另一邊受到工程師務實精神的推動。兩個分支的演變在時間上也可以分為兩個階段：以理論與假說的定量表述，以及數學上的嚴格推導為其分界（圖1）。

17世紀處在“自然科學分支”的“猜想”階段，關於泉的成因以及水循環，出現了首批記錄在案的問題與解答。偉大的思想家們，從公元前8世紀的荷馬開始，包括亞里士多德、泰勒斯（Thales）、柏拉圖，甚至笛卡兒和開普勒（17世紀）都曾猜想：泉水來源於海洋中擠榨出來的水，或者是在洞穴中冷凝而成的；而雨水不足以保持河水流量。然而，在另一個陣營中，波爾洛（Marcus Vitruvius Pollo）認為，泉來源於入滲的雨水，這一看法受到文奇（Leonardo da Vinci）和帕利西（Bernard Palissy，16世紀）的支持。定量水文觀測始於17世紀，佩羅（Pierre Perrault，1608-1680）在塞納河盆地測量了3年降水量，得出降水量是河流流量的6倍。馬利奧特（Mariotte，1620-1684）驗證了佩羅的觀測結果，而哈雷（Halley，1656-1742）證明了注入地中海徑流的不足部分消耗於蒸發。梅瑟利（La Metherie，1791）開始測量岩石的滲透性，將入滲水區分為地表徑流和深部儲存，於是，水均衡的初步概念形成了。

20世紀50年代晚期到60年代早期，也許是由於偶然的巧合，也許是由於下意識地交流滲透，絕對隔水性的觀念受到來自兩個分支的強烈質疑——工程師們從評價含水層和井的出水量出發產生疑問，而地質學家在研究盆地地下水流動時發現了問題。雅可布、漢圖斯、諾曼（Neuman）、威瑟斯龐等，引入並發展了越流含水層的概念，並將其擴展到盆地尺度的含水層系。自然科學分支這邊，托特的均質的“統一盆地”被弗里澤和威瑟斯龐“非均質化”了，通過數值模擬，揭示了不同形態、不同規模含水岩系的基本流動型式。兩方面共同的最終結論是，岩體存在水力連續性。基於岩體存在水力連續性的結論，很快人們就認識到，存在著時空尺度差別很大的流動系統，而每個系統具有自己的作用過程與伴隨現象。於是，統一的觀念誕生了，不斷流動著的地下水是一種地質營力。

1980年前後，可以看作研究地下水的自然和工程科學兩個分支的融合，從此進入成熟的當代水文地質學發展階段。這個地球科學的新成員，既是一門基礎學科，也是一個專門性分支。為了更好地理解幾乎所有的地質活動，絕對有必要熟悉當代水文地質學的基本理論。與此同時，需要培養具有獨特的教育和專業背景的、全職的水文地質學家。

就我國來講，水文地質學的發展歷史是與新中國的建立與發展分不開的，近半個世紀以來，水文地質學的成長與發展大致可劃分為兩個階段：從20世紀50年代到70年代中期，可稱為奠基階段，主要接受前蘇聯學術思想的影響，基本依照前稱聯模式。從20世紀70年代後期到90年代，可以稱為發展階段，這一時期由於實行改革開放政策，國內外學術交流日益頻繁，因此受西方學術思想影響較多，特別是系統科學、環境科學、現代應用數學與計算機技術等新思想、新理論與新技術的輸入，使水文地質學的基本概念與研究範疇發生了巨大的變革，使水文地質學從定性研究進入到了定量研究階段，納入到系統工程的軌道，與現代科學更緊密地融合了起來，因此我們把20世紀50年代到70年代奠基階段的水文地質學稱為傳統水文地質學，而20世紀70年代後期至90年代發展階段的水文地質學，稱為現代水文地質學（圖2）。

現代水文地質學的基本特徵主要有：①與現代科學的新理論新學科緊密結合，比如系統論、資訊理論、控制論及相應產生的系統科學、環境科學、信息科學等，對水文地質學的發展產生了重大影響；②現代應用數學與水文地質學的結合，特別是數值模擬方法得到普遍應用，模型研究成為水資源研究的主要內容，使水文地質學從定性研究發展到定量研究的新階段；③從地下水系統與自然環境系統相互關係的研究，擴大到與社會經濟系統關係的研究。對地下水資源的研究，也從數學模型發展到管理模型與經濟模型的研究；④許多新的分支學科的產生與發展，比如區域水文地質學、岩溶水文地質學、遙感水文地質學、環境水文地質學、醫學環境地球化學、污染水文地質學以及數學水文地質學、水資源水文地質學；⑤新技術、新方法的應用、除計算機技術外，遙感技術、同位素技術、自動監測技術，室內模擬技術，以及高精度水質分析技術等，都得到普遍應用，推動了水文地質學的發展。

這要強調一點：水文地質學領域中的許多研究都是由水文地質學家、地質學家、水文學家和氣象學家等多個學科領域的專家學者聯合來完成的。

前邊講過，水文地質學是研究地下水的科學，在人類從事開發利用地下水活動的漫長過程中，通過長期實踐經驗和認識的不斷積累，逐漸形成和充實、發展了有關地下水的知識，按其內涵範疇涵蓋水文學、土壤學、地質學與流體力學等學科。

隨著水文地質科學的發展，它的研究內容越來越廣泛，主要研究內容可歸納為六個方面：

⑴地下水的形成與轉化：闡述地下水起源與形成的基本知識（包括地下水的賦存條件），並探討大氣水、地表水、土壤水與地下水相互轉化、交替的基本規律。

⑵地下水的類型與特徵：闡述地下水的儲存條件及其基本類型，包括地下水的主要理化特性。

⑶飽水帶及包氣帶中水分和溶質的運動：主要研究地下水流的基本微分方程，包括地下水向井、渠的流動，以揭示地下水位和水量的時空變化規律。同時探討包氣帶水與地下水溶質運移的基本方程。

⑷地下水動態與水均衡：討論在不同的天然因素和人為因素影響下的地下水動態變化規律，以及不同條件下的地下水水均衡方程。

⑸地下水資源計算與評價：分別討論局部開採區和區域性大面積開採區地下水資源評價的主要方法，並具體介紹有關含水層參數測定及地下水補給量和排泄量的計算方法。同時，闡述地下水水質評價的有關知識。

⑹地下水資源系統管理：闡述地下水資源管理與保護方面的基本知識，著重討論地下水資源系統管理模型及其應用。

1．應用的技術手段：⑴調查、鑽探、地球物理勘探和遙感技術；⑵各種觀測和試驗技術（水位、流量等的觀測；抽水試驗、示蹤試驗和彌散試驗等）；⑶各種地下水模擬技術（數值模擬用的較多）；⑷同位素技術等。

隨著科學技術水平的不斷提高，水文地質計算方法也不斷發展。水文地質計算方法大致有：解析解法，物理模擬法，數值解法，系統分析方法，概率統計方法等等。

解析解法

60年代以前，解含水層地下水的水頭和流量問題，多偏重於解析解法。如“地下水動力學”課程中所述，無論是以穩定流為基礎的裘布衣公式，還是以非穩定流為基礎的泰斯公式，它們的推導都有許多假設，在水文地質條件滿足這些假設時，當然沒有問題。但要解決大範圍的地下水系統計算時，由於水文地質條件的複雜性，解析解法就無能為力了。

物理模擬法

物理模擬有電模擬、水力模擬、粘滯流模擬、薄膜模擬等等，以電模擬應用較多。早在本世紀的20年代，蘇聯的巴甫洛夫斯基提出了電解液模擬(arn A)，它成為當時研究水工建築物地區滲捕問題的重要手段。以後叉發展到電阻網模擬，在50年代和60年代，R-C網路和R-R阿絡模擬也得到發展。60年代中期叉出現了與計算機結合在一起的混合機。

數值解法

60年代後期隨著電子計算機的發展，人們把數值模擬應用到水文地質計算中來。由於電模擬製作和參數調試都比數值法麻煩，所以應用更多的是數值解法。

在水文地質計算中應用的數值方法可大致歸納為5類。①有限差分法（簡稱有限差法）；②有限單元法（簡稱有限元法）；@邊界單元法（簡稱邊界元法）；④特徵線法}⑥有限分析法。

有限差分法從60年代初就開始應用於水文地質計算。最初多用正規網格和鬆弛解法，1968年引入交替方向豫式差分法，以後又引入強隱式法，1973年被推廣到變格距情況，蘭馬特（Lemard）於1D79年提出了上游加權有限攔分法。

有限單元法從1968年開始應用於水史地質計算，1 972年弓1八等參數有限單元法，1977年休延康(Huyakorn)和尼爾康卡(lxlilkuka)等提出了上風有限單元法。

有限差分法和有限單元法是水文地質汁箅中最常用的數值計算方法。

邊界單元法是70年代中期發展起來的一種新的數值方法。

有限分析法是80年代發展起來的一種新的數值計算方法。它也是一種區域離散方法，它是通過某種解析途徑進行離散化，得到組方程，然後求得每一結點的水頭近似值和進一步算出流量。

其它方法

系統分析方法，是結合數學模型及計算機技術米進行分析的一種方法，在地下水資源管理中得到迅速發展。許多國家，叮i在用此方法實行大規模和大範圍的河水調用，以達到地下水和河水資源瓦相調劑，統一運行。系統方法叮以根據所在地區的氣象、地質、地貌等自然地理條件與系統的關係以及經濟、政治等社會環境條件，根據需要與可能，為該系統確定—個最優解。

隨機模型也在地下水資源管理中廣泛應用。如時間序列分析，也開始應用於地下水計算中。隨著計算機科學的發展，將使更多更新的方法應用於實際生產中去。