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1、水文地质学基础,第八章 地下水系统,8.1 系统概念8.2 地下水系统的概念8.3 地下水含水系统8.4 地下水流动系统,提出：20世纪40年代贝塔朗菲提出一般系统论应用：20世纪50-60年代应用系统工程解决复杂问题取得重大成功以来，系统思想与系统方法广泛地渗透到各学科领域。系统思想与方法的核心：把所研究的对象看作一个有机的整体(系统)，并从整体的角度去考察、分析与处理事物。,8.1 系统概念,系统的定义:a.系统“由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体”。b.系统方法认为：不应将系统理解为各组成部分(要素)的简单集合,而应将其理解为诸要素以一定规则组织起来并共同行动
2、的整体。,c.系统的结构：系统内部各要素相互联系和作用的方式系统的结构d.近代自然科学长期以来采用的方法:将所研究的事物精细地分析为各个互不关联的独立部分，分别加以研究，把各部分研究结果之和，作为对所研究事物整体的认识。实质是将研究对象当作诸要素简单累加而成的集合，而没有将其看成一个有机整体。,一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且还与外部环境发生相互作用。系统接受环境的物质、能量或信息的输入，经过系统的变换，再向环境产生物质、能量或信息的输出。,系 统,输入,输出,（物质、能量、信息）,（物质、能量、信息）,激励与响应的概念：环境对系统的作用称为激励，系统在接受激励后对环境的反作用称为
3、响应。环境的输入(激励)经过系统的变换而产生对环境的输出(响应)，该变换取决于系统的结构。,系统,激励,响应,结论：分析系统输入与输出(激励与响应)的对应关系有助于了解系统结构。对系统结构的了解有助于预测激励 响应关系。,8.2 地下水系统的概念,一、地下水系统概念的产生“地下水系统”的出现：系统思想与方法的渗入；水文地质学发展的必然产物。初期 解决“找水”问题，只注意井附近小范围内含水层的状况。发展 开采规模增长，须将整个含水层作为研究对象。,研究地下水时，必须将若干个含水层与其间的弱透水层合在一起看作一个完整的单元（系统），便出现了“含水层系统”、“含水系统”等，同时，也形成了地下水资源的
4、概念。近年来出现的与水文地质学有关的问题：地下水资源枯竭、地面沉降、海水入侵、淡水咸化、地下水污染、土壤沙化、植被衰退一系列与地下水有关的环境生态问题。,二、地下水系统的概念地下水系统的组成要素：有赋存于岩石空隙中并不断运动着的水；具有空隙的岩层。地下水系统包括：地下水含水系统 地下水流动系统,地下水系统的结构分类:硬结构：指介质的空隙特征及其空间分布格局。因为地层、分布、岩性、地质构造及地貌特征是稳定、固化不变的硬结构。软结构：指地下水的运动形式、水量与水质的时空分布格局及不同子系统间水量水质的交换关系。因地下水的补给、径流、排泄特征以及各种水量交换关系会发生改变，显得较“软”软结构。,地下
5、水含水系统：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。,地下水含水系统的分类：基岩含水系统 松散堆积物含水系统,地下水流动系统：由源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体。地下水的源汇运动：补给区 源；排泄区 汇。地下水从补给区向排泄区的运动，由连接源与汇的流面反映出来。,三、地下水含水系统与流动系统的比较 含水系统地下水系统 流动系统两者从不同角度出发,揭示了地下水赋存与运动的系统性(整体性)。,含水系统整体性的体现：它具有统一的水力联系，该系统作为一个整体对外界的激励作出响应。含水系统是一个独立而统一的水均衡单元，可用于研究水量乃至盐量与热量的均衡。,含水系统的圈
6、划：主要着眼于包含水的容器，通常以隔水或相对隔水的岩层作为系统边界，它的边界属地质零通量面(或准零通量面)，系统的边界是不变的。,基岩含水系统：,基岩含水系统组成：由固结成岩的地层组成，岩层的透(含)水性主要取决于构造裂隙的发育程度。基岩含水系统是相对独立的含水地质体。基岩含水系统的边界：应包括东、西、南、北、上、下六个界面。因系统的总体形状很复杂，不一定都呈六面体，边界数目或多或少。边界的性质：相对隔水的或弱透水的。,松散堆积物含水系统：,发育部位：新生代构造沉降盆地或沉降带中。堆积物介质中的空隙以孔隙为主。空隙直径较大的介质如卵砾石、砂砾石、中粗砂等具有良好的导水和储水的特性，常常构成良好
7、的含水介质。松散堆积物含水系统的边界：顶部边界地表面。该边界是地下水系统与大气、地表水系统进行物能交换的界面。底部边界基底,地下水流动系统整体性的体现：具有统一的水流，沿着水流方向，盐量、热量与水量发生规律的演变，呈现统一的时空有序结构。流动系统以流面为边界，属于水力零通量面边界，边界是可变的。,嵌套(层次)性：在一个软结构稍复杂的地下水系统中，存在着由不同流面群外包面圈闭的局部流动子系统、中间流动子系统、区域流动子系统。区域流动系统中嵌套着中间流动系统，中间流动系统又嵌套局部流动系统，从而表现出地下水系统软结构的嵌套(层次)特点。,级次性 含水系统与流动系统都具有级次性,任一含水系统或流动系
8、统都可能包含不同级次的子系统。图3：一沉积盆地,构成一个含水系统。,该图显示：含水系统分为两个子系统、；沉积盆地发育有两个流动系统A、B；图中看出：同一空间，含水系统与流动系统的边界是相互交叠的；两个流动系统均穿越了两个子含水系统；在流动系统B中，区域流动系统的流线穿越两个子含水系统，局部与中间流动系统的发育限于上部的子含水系统之中。,比较：图4与图3同一个沉积盆地，但流动系统在人为影响下会发生很大变化。人工开采影响下,整个含水系统中形成了一个新的流线指向盆地中心的辐辏式地下水流动系统,原来的流动系统全都消失了。显然,由于强烈的势场变化,流线普遍穿越了相对隔水层。但无论人为影响加强到什么程度,
9、不会超越大的含水系统边界。,从以上的讨论可看出：控制含水系统发育的，主要是地质结构(沉积、构造、地质发展史)；控制地下水流动系统发育的主要是水势场。在天然条件下，自然地理因素（地形、水文、气候）控制着势场，因而是控制流动系统的主要因素。,8.3 地下水含水系统,含水系统发育主要受到地质结构的控制，故松散沉积物构成的含水系统与坚硬基岩构成的含水系统有一系列不同的特征。松散沉积物含水系统的特征坚硬基岩含水系统的特征,松散沉积物含水系统的特征,发育于近代构造沉降的堆积盆地之中；边界通常为不透水的坚硬基岩。含水系统内部一般不存在完全隔水的岩层,仅有相对隔水层,并包含若干由相对隔水层分隔开的含水层。含水
10、层间既可通过“天窗”,也可通过相对隔水层越流产生广泛的水力联系。但在同一含水系统中各部分的水力联系程度有所不同。,例如：山前洪积平原 多由粗颗粒的卵砾石构成,极少粘性土层,水力联系较好。远离沉积物源区的冲积湖积平原,粘性土层比例较大,水力联系减弱。且愈往深部,水流途径愈长,需要穿越的粘性土层愈多,水力联系更为减弱(图5a）。,坚硬基岩含水系统的特征,发育于一定的地质构造之中，褶皱或断层，或两者兼有之。基岩往往包含有厚而稳定的泥质岩层，构成隔水层。,a.一个独立的含水层就构成一个含水系统(图b)。,b.岩相变化导致隔水层尖灭(图c)，或导水断层使若干含水层发生联系时(图d)，则数个含水层构成一个
11、含水系统。这种情况下，含水系统各部分的水力联系是不同的。另一方面，同一个含水层由于构造原因也可构成一个以上的含水系统(图b、c)。,含水系统是由隔水或相对隔水岩层圈闭的，并不是说它的全部边界都是隔水或相对隔水的。除了极少数构造封闭的含水系统(图e)外，通常含水系统总有某些向环境开放的边界，以接受补给与进行排泄。例如：不同地质结构的含水系统以透水边界邻接是常见的。虽然这时相邻含水系统之间水力联系相当密切，但因两者水的赋存与运动规律不同，仍有必要区分为不同的含水系统(图中a、c)。,8.4 地下水流动系统,一、地下水流动系统的由来长期以来,水文地质学忽视地下水的垂向运动,把地下水流动看作平面二维的
12、运动。如河间地块流网。,第一个明确指出地下水存在垂直运动的是赫伯特。如图一：河间地块流网图赫伯特指出：排泄区的流线指向地下水面，为上升水流；补给区的流线离开地下水面，呈下降水流；只有在两者之间的过渡带流线才是水平的。,地下水流动看作平面二维的运动,地下水存在垂直运动,传统的画法（平面二维）：回避了地下分水岭两侧流线向对立方向水平流动的矛盾而只表示了河间地块的一侧；同时，为了避免流线在排泄区上抬，有意使河谷谷底切穿隔水底板，且保持较高的河水位。实际上地下水总是由源到汇运动的，而源汇通常在含水层的上方，源汇处地下水流线垂向分布是合理的。,1963年，托特以独特的形式发展了赫伯特的理论：在严格的假定
13、条件下，利用解析解绘制了均质各向同性潜水盆地中理论的地下水流动系统。新的结论：在均质各向同性潜水盆地中出现了三个不同级次的流动系统，局部的、中间的、区域的。,弗里泽及威瑟斯庞利用数值解得出了层状非均质介质中的地下水流动系。目前已出现了许多数值模拟地下水流动的程序,可以模拟二维、三维各向异性非均质介质的稳定与非稳定流动。,1980年,托特又提出了“重力穿层流动”的概念,将流动系统理论全面推广到非均质介质场,并应用于分析油气的迁移与积聚。,英格伦：分析了形成地下水流动系统的物理机制，建立了一套解决水质问题的地下水流动系统的概念与方法。与传统的水文地质分析方法相比较：地下水流动系统的分析方法更为程序
14、化，更为周密，从定性分析到定量模拟联系比较密切。故以地下水系统理论为基本框架，融合传统水文地质分析方法，发展形成现代水文地质学。,二、地下水流动系统地下水流动系统理论的实质：是以地下水流网为工具，以势场及介质场的分析为基础，将渗流场、化学场、温度场统一于新的地下水流动系统概念框架之中。地下水流动系统理论的作用：将本来似乎互不关联的地下水各方面的表现联系在一起，纳入一个易于被人们所理解的地下水空间与时间连续演变的有序结构之中，有助于从整体上把握地下水各个部分间及与环境间联系的完整图景。,1.地下水流动系统的水动力特征,驱动地下水运动的主要能量重力势能；重力势能来源于地下水的补给，即大气降水、地表
15、水转化成地下水时，便将相应的重力势能加诸于地下水。,地面入渗条件相同时，不同地形部位重力势能的积累仍有不同：地形低洼处地下水面达到或接近地表，地下水位的抬升增加地下水排泄（转化为大气水与地表水），阻止地下水位不断抬升。故地形低洼处通常是低势区势汇；地形高处，地下水位持续抬升，重力势能积累，构成势源。因此，通常情况下地形控制着重力势能的分布。,流动水体中的水头特征：在静止的水体中,各处的水头相等。在流动的水体中，势源处流线下降，在垂直断面上自上而下水头愈来愈低，任一点的水头均小于静水压力。反之,在势汇处,流线上升,垂向上水头自下而上由高而低,任一点的水头均大于静水压力。在中间地带，流线呈水平延伸
16、，垂直断面各点水头均相等，等于静水压力。,传统观点认为：只有承压水才具有超过静水压力的水头,故只有在承压含水系统中,在一定的构造控制下才能打出自流井(图10a）。上面的讨论可知：潜水,在其上升水流部分同样是“承压”的,水头可以高出静力压力,若有合适的地形条件,同样可形成自流井(图l0b)。,潜水盆地中多级次地下水流动系统：存在a、b、c三个势的源汇。由于高度上abc,因此a是源,b、c是汇,存在ab、ac两个流动系统。产生bc流动系统的一个必要条件在bc的流动途径上,ab、ac两个系统的水头均低于bc,否则bc就不成立。,同一介质场中地下水流动系统的发育规律：同一介质场中存在两个或更多的地下水
17、流动系统时,它们所占据的空间大小取决于以下两个因素:(a)势能梯度(I),等于源汇的势差除以源汇的水平距离。势能梯度愈大的流动系统占据的空间也愈大,反之亦然;(b)介质渗透性(K),透水性愈好,发育于其中的流动系统所占据的空间也愈大。,a-表示在透水性均一的介质场中势能梯度相等的两个地下水流动系统在空间上平分秋色。b-表示在均一介质场中势能梯度较大的流动系统占据较大范围。,c-表示两个势能梯度相等的流动系统发育于不均一介质场中，发育于透水性较好的介质中的流动系统占据了较大空间。d-表明，在与b其它条件相同，但降低了隔水底板后出现了区域流动系统。区域流动系统与局部流动系统的发育状况取决于两者的势
18、能梯度。,e-当区域性地形坡度不大而局部地形起伏大时只发育局部流动系统。f-当局部地形起伏较小时既发育局部流动系统，也发育区域流动系统。g-当地形条件不变，介质场的透水性良好时只发育区域系统,在各级流动系统中，补给区的水量通过中间区输向排泄区。因此，以中间区为标准，补给区是水分不足区，地表水稀少，地下水埋藏深度大，土壤含水量低，多分布耐旱植物；排泄区是水分过剩区，地下水埋深浅，土壤含水量高，多沼泽、湿地与泉，多喜水植物。在干旱区则出现盐渍地，多分布耐盐植物。在岩层透水性特别良好的岩溶发育区，这种水分分布不均匀现象尤为突出。,2.地下水流动系统的水化学特征地下水流动系统中，呈现地下水化学成分时空
19、演变的有序性。水量与地下水流动的信息都间接地体现在地下水水化学上。所以，根据地下水的水化学场，可以回溯历史上的地下水流动系统。,地下水流动系统中任一点的水质取决于下列因素(a)输入水质；(b)流程；(c)流速；(d)流程上遇到的物质及其可迁移性；(e)流程上经受的各种水化学作用。,同一含水层或含水系统的水,可分属于不同的流动系统或不同级次流动系统；水动力特征、水化学特征也不相同。同一含水层的两个泉：a泉水由局部流动系统补给,矿化度很低；b泉由区域流动系统补给,矿化度相当高。,在同一介质场中，不同流动系统以及同一流动系统不同级次系统的界线两侧，地下水水质有可能发生突变。因为界线两侧的水来自不同地
20、方，流经的岩层不同，流程长短与流速快慢也各不相同。不同流动系统水流相向处水动力圈闭带与相背分流处准滞流带，恰好是流束膨胀，流速迟缓之处，有利于各种溶解物、悬浮物、乳状物质、胶体物质在此积聚。,地下水流动系统的不同部位,发生的主要化学作用,溶滤作用存在于整个流程；局部流动系统、中间流动系统、区域流动系统的浅部属氧化环境,中间系统及局部系统的深部属还原环境(容易发生脱硫酸作用)；上升水流处因减压将产生脱碳酸作用；粘性土分布部位易发生阳离子交替吸附作用。不同流动系统的汇合处,将发生混合作用；在干旱条件下,排泄区将发生浓缩作用。尤其是区域地下水流动系统的排泄区,是地下水质处于多种作用影响下的复杂变化地段。,3.地下水流动系统的水温度特征在来自地壳深部大地热流的影响下，年常温带以下的等温线通常上低下高，呈水平分布。补给区的下降水流受入渗水的影响，地温偏低。排泄区因上升水流带来深部热影响，地温偏高。等温线发生变化：补给区的下降，且间距变大；排泄区上抬，且间隔变小没有地热异常的地区，根据地下水温度的分布，可以判定地下水流动系统。,
